KR102625593B1 - 다기능 복합 와인딩 장치 및 이를 이용한 압력용기 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존 복수의 와인딩 장치를 이용하여 고무 스트립 및 복합소재를 와인딩하는 과정은 물론, 맨드릴의 축방향으로 보강작업을 모두 하나의 장치에서 수행할 수 있고, 그로 인해 설치 공간 및 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 성형 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 다기능 복합 와인딩 장치 및 이를 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 맨드릴을 회전가능하도록 지지하는 맨드릴 지지부와; 상기 맨드릴 지지부의 전방에 배치되는 가이드레일과; 상기 가이드레일 상에 설치되어 상기 맨드릴의 축방향을 따라 이동하는 대차와; 상기 대차의 일측에 탑재되며 고무 스트립을 상기 맨드릴 표면에 와인딩하는 고무 스트립 와인딩부와; 상기 대차의 타측에 탑재되며 복합소재를 와인딩된 고무 스트립을 표면에 와인딩하는 복합소재 와인딩부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 맨드릴을 회전가능하도록 지지하는 맨드릴 지지부와; 상기 맨드릴 지지부의 전방에 배치되는 가이드레일과; 상기 가이드레일 상에 설치되어 상기 맨드릴의 축방향을 따라 이동하는 대차와; 상기 대차의 일측에 탑재되며 고무 스트립을 상기 맨드릴 표면에 와인딩하는 고무 스트립 와인딩부와; 상기 대차의 타측에 탑재되며 복합소재를 와인딩된 고무 스트립을 표면에 와인딩하는 복합소재 와인딩부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 기존 복수의 와인딩 장치를 이용하여 고무 스트립 및 복합소재를 와인딩하는 과정은 물론, 맨드릴의 축방향으로 보강작업을 모두 하나의 장치에서 수행할 수 있고, 그로 인해 설치 공간 및 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 성형 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 다기능 복합 와인딩 장치 및 이를 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것이다.
고압 가스를 저장하기 위한 압력용기는 기본적으로 강인하고 고압에 견디는 특성을 갖는 소재를 필요로 하며, 민수 분야 또는 국방 분야에서 사용되는 연료탱크의 경우 강성과 경량화가 필수적이다.
따라서 가볍고 강한 탄소섬유 복합재료의 적용은 금속 재질의 압력용기를 대체하는 효과적인 해결방법이 된다. 수소탱크, 압축천연가스(CNG)탱크와 같은 복합재료 압력용기는 카본섬유를 에폭시(epoxy) 수지에 함침시키 뒤 플라스틱 라이너에 와인딩 하여 제조하는 필라멘트 와인딩(Filament sinding)공법을 사용하여 일반적으로 제조하게 되는데 이는 원통형이나 곡률을 가진 구조물을 일체 성형으로 용이하게 제작할 수 있기 때문이다.
한편, 일반적인 압력용기는 주로 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속 재질 라이너에 보호 코팅이 입혀져 있는 Type 1 형태의 용기와, 경량화를 위해 금속 라이너 실린더 중앙부 또는 전면에 섬유로 감은 Type 2, 3 형태의 용기와, 고밀도 플라스틱 재질의 라이너에 섬유가 전면에 감겨 있어 Type 1나 2의 용기에 비해 약 60% 중량 절감을 보이는 복합재를 사용한 Type 4 형태의 용기와, Type 3, 4와 달리 라이너를 생략하고 맨드릴의 표면에 직접 복합재를 사용한 Type 5가 있다.
필라멘트 와인딩 공정에서 섬유가 감기는 패턴은 크게는 후프(Hoop), 헬리컬(Helical) 그리고 측지선(Polar) 방식으로 구분할 수 있으며, Type 2 용기에서는 후프 형태의 패턴을 사용하며 Type 3 내지 5에서는 용기 중앙부와 돔 형태의 실린더 끝단을 포함한 전면을 감기 때문에 후프 및 헬리컬 패턴을 혼합하여 사용한다.
Type 2 내지 5의 경우 필라멘트 와인딩 기술을 이용하여 성형하게 되는데, 이는 금형인 맨드릴의 외주면을 따라 가열경화 성능을 가지고 있는 섬유소재 등을 와인딩 후, 가열을 실시하여 내부에 수용공간이 형성되는 성형품을 제조하는 방식이다.
이 중에서 Type 5의 압력용기는 라이너가 없이 맨드릴 표면에 고무 스트립을 감은 다음, 그 위에 탄소섬유를 감은 다음, 경화시켜 성형하는 방식이기 때문에 초경량 특성을 가지고 있다.
다만, Type 5의 압력용기의 성형 방식의 경우 이종 소재인 고무 스트립과 복합재, 예를 들어 수지가 도포된 탄소 섬유를 순차적으로 와인딩 성형하기 때문에 고무 스트립을 와인딩하는 장치와, 복합재를 와인딩하는 장치를 별도로 설치하여야 하고, 그로 인해 설치장소 및 공정의 효율성이 크게 저하되는 문제가 있었다.
일례로, 대한민국 등록특허 제10-2247198호에 개시된 와인딩 장치를 적용하는 경우 도 7에 도시된 바와 같이, 단일 소재만을 와인딩할 수 있기 때문에 이종 소재를 와인딩하는 경우 공정의 효율성이 크게 저하되는 단점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존 복수의 와인딩 장치를 이용하여 고무 스트립 및 복합조재를 와인딩하는 과정은 물론, 맨드릴의 축방향으로 보강작업을 모두 하나의 장치에서 수행할 수 있고, 그로 인해 설치 공간 및 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 성형 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 다기능 복합 와인딩 장치 및 이를 이용한 압력용기 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치는 맨드릴 상에 고무 스트립 및 복합소재를 와인딩하는 것으로서, 맨드릴을 회전가능하도록 지지하는 맨드릴 지지부와; 상기 맨드릴 지지부의 전방에 배치되는 가이드레일과; 상기 가이드레일 상에 설치되어 상기 맨드릴의 축방향을 따라 이동하는 대차와; 상기 대차의 일측에 탑재되며 고무 스트립을 상기 맨드릴 표면에 와인딩하는 고무 스트립 와인딩부와; 상기 대차의 타측에 탑재되며 복합소재를 맨드릴 표면 또는 와인딩된 고무 스트립 표면에 와인딩하는 복합소재 와인딩부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치에 있어서, 맨드릴 지지부는 상기 맨드릴의 일단에 마련된 샤프트를 지지하는 주축과, 상기 맨드릴의 타단에 마련된 샤프트를 지지하는 테일스톡과, 상기 주축을 회전시키는 회전장치를 포함하되, 상기 테일스톡은 맨드릴의 길이 방향을 따라 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치에 있어서, 고무 스트립 와인딩부 또는 복합소재 와인딩부에서는 고무 스트립 또는 복합소재를 맨드릴의 축방향을 따라 수평하게 부착하는 축방향보강 작업이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치에 있어서, 고무 스트립 와인딩부는 고무 스트립을 공급하는 제1크릴(creel)부와; 상기 제1크릴부에서 공급되는 고무 스트립을 가이드하는 제1가이드부와; 상기 제1지지몸체와, 상기 제1지지몸체에 회전가능하게 설치되며 중앙에 관통홀이 형성된 회전드럼과, 상기 회전드럼의 일단에 설치되어 상기 회전드럼과 함께 회전하면서 상기 관통홀을 통해 인출된 고무 스트립을 지지하는 제1헤드부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치에 있어서, 복합소재 와인딩부는 복합소재를 공급하는 제2크릴(creel)부와; 상기 제2크릴부에서 공급되는 복합소재를 가이드하는 제2가이드부와; 상기 제2지지몸체와, 상기 제2지지몸체에 회전가능하게 설치되며 중앙에 관통홀이 형성된 회전드럼과, 상기 회전드럼의 일단에 설치되어 상기 회전드럼과 함께 회전하면서 상기 관통홀을 통해 인출된 복합소재를 지지하는 제2헤드부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치에 있어서, 고무 스트립 와인딩부 및 복합소재 와인딩부는 좌우로 움직임으로써, 돔부에 후프 와인딩이 가능하거나 또는 돔부에 축보강이 가능하도록 하는 요잉(yawing) 운동과; 축방향으로 움직이며 맨드릴 표면에 후프 와인딩과 헬리컬 와인딩이 가능하도록 아이 로테이션(Eye rotation) 운동;을 수행하는 것을 특징으로 한다.
특히 요잉(yawing) 운동의 경우, 돔부 후프 와인딩 시에 축방향을 따라 좌우로 이동하면서 곡선이 있는 돔부에 후프 와인딩 및 보강을 위해서는 그 형상에 따라 회전할 필요성이 있게 된다. 만일 기존 방식으로 와인딩시에는 고무 스트립이나 복합소재가 돔부 표면에 정확하게 붙어있지 않고 들뜨는 현상이 발생하게 된다. 상기 요잉 운동은 90도 방향 내지 후프(Hoop) 방향 보강시에도 돔부 보강에 필요한 움직임을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치를 이용한 압력용기 제조방법은 시스템을 통하여 위치 동기화가 가능하여 고무 와인딩부와 복합소재 와인딩부가 동일한 시작점을 갖도록 하는 단계와, 고무 스트립 와인딩부에서 공급되는 고무 스트립을 맨드릴 돔부 및 실린더부 표면에 연속적으로 후프 와인딩(hoop winding)하여 고무층을 형성하는 단계와; 복합소재 와인딩부에서 공급된 복합소재를 상기 고무층 표면에 (helical winding)하여 복합소재층을 형성하는 단계와; 복합소재 와인딩부에서 공급된 복합소재를 수평하게 이동시키면서 상기 복합소재층 표면에 수평하게 부착하여 축방향보강을 하는 단계;를 포함하되, 상기 고무 스트립 와인딩부 및 복합소재 와인딩부는 좌우로 움직임으로써, 돔부에 후프 와인딩이 가능하거나 또는 돔부에 축보강이 가능하도록 하는 요잉(yawing) 운동과; 축방향으로 움직이며 맨드릴 표면에 후프 와인딩과 헬리컬 와인딩이 가능하도록 아이 로테이션(Eye rotation) 운동;을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치 및 이를 이용한 압력용기 제조방법에 의하면, 기존 복수의 와인딩 장치를 이용하여 고무 스트립 및 복합조재를 와인딩하는 과정은 물론, 맨드릴의 축방향으로 보강작업을 모두 하나의 장치에서 수행할 수 있고, 그로 인해 설치 공간 및 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 성형 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 축방향 보강을 위해 AFP(Automatic Fiber Placement) 등의 별도의 장치를 사용하지 않고 연속적인 공정 수행이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치의 주요 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 헤드부 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4a는 본 발명에서 고무 스트립을 돔부에 후프 와인딩하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S1단계에서 고무 스트립을 후프 와인딩(hoop winding)하는 모습을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S2단계에서 복합소재를 헬리컬 와인딩(helical winding)하는 모습을 나타낸 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S3단계에서 복합소재를 축방향보강하는 모습을 나타낸 평면도 및 일부 확대도이다.
도 7은 종래 와인딩 장치 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치의 주요 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 헤드부 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4a는 본 발명에서 고무 스트립을 돔부에 후프 와인딩하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S1단계에서 고무 스트립을 후프 와인딩(hoop winding)하는 모습을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S2단계에서 복합소재를 헬리컬 와인딩(helical winding)하는 모습을 나타낸 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S3단계에서 복합소재를 축방향보강하는 모습을 나타낸 평면도 및 일부 확대도이다.
도 7은 종래 와인딩 장치 구조를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에서 사용하는 용어 중 복합소재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등 유기/무기 섬유와 섬유에 수지를 함침시켜 제조한 프리프레그를 포함한다.
본 발명에서 사용하는 용어 중 '고무'는 천연고무는 물론 SBR, NBR, EPDM 등과 같은 내열고무를 말하며 내열 및 단열 성능 증진을 위하여 탄소섬유, 아라미드 섬유, 실리카 섬유가 필러로 첨가되거나 가류처리 된 고무를 포함한다. 고무는 미가류 상태의 고무를 말하며 프리폼 작업으로 인하여 일부 표면만 가류된 것을 포함한다.
도 1은 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 2는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치의 주요 구성을 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 헤드부 구조를 나타내는 사시도이고, 도 4a는 본 발명에서 고무 스트립을 돔부에 후프 와인딩하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S1단계에서 고무 스트립을 후프 와인딩(hoop winding)하는 모습을 나타낸 평면도이며, 도 5는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 복합소재를 헬리컬 와인딩(helical winding)하는 모습을 나타낸 평면도이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S3단계에서 복합소재를 축방향보강하는 모습을 나타낸 평면도 및 일부 확대도이다.
도 1 내지 도 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치(100)는 하나의 와인딩 장치를 이용하여 고무 스트립(A), 복합소재(B) 등의 이종 복합 소재에 대한 와인딩을 순차로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 축방향보강까지 일체로 수행할 수 있기 때문에 와인딩 성형 작업의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 특징이 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치(100)는 크게 맨드릴(10)을 회전가능하도록 지지하는 맨드릴 지지부(20)와, 상기 맨드릴 지지부(20)의 전방에 배치되는 가이드레일(121)과, 상기 가이드레일(121) 상에 설치되어 상기 맨드릴(10)의 축방향을 따라 이동하는 대차(101)와, 상기 대차(101)의 일측에 탑재되며 고무 스트립(A)을 상기 맨드릴(10) 표면에 와인딩하는 고무 스트립 와인딩부(110a)와, 상기 대차(101)의 타측에 탑재되며 복합소재(B)를 와인딩된 고무 스트립 표면에 와인딩하는 복합소재 와인딩부(110b)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 맨드릴 지지부(20)는 상기 맨드릴(10)의 일단에 마련된 샤프트(11)를 지지하는 주축(21)과, 상기 맨드릴(10)의 타단에 마련된 샤프트(11)를 지지하는 테일스톡(22)과, 상기 주축(21)을 회전시키는 모터 등의 회전장치를 포함할 수 있다.
그리고 상기 테일스톡(22)은 도시하지 않았지만 맨드릴(10)의 길이 방향을 따라 이동가능하도록 레일 상에 설치될 수 있는데, 테일스톡을 좌우로 이동할 수 있기 때문에 크고 작은 다양한 크기의 맨드릴에 적용할 수 있다.
본 발명의 대차(101)는 가이드레일(121)에 설치되어 맨드릴(10)의 길이 방향을 따라 좌우로 반복 이동하면서 와인딩할 수 있도록 해주는 역할을 한다.
상기 고무 스트립 와인딩부(110a)는 크게 제1크릴(creel)부(110a')와, 제1가이드부(111)와, 제1헤드부(117a)를 포함할 수 있다.
상기 제1크릴부(110a')는 고무 스트립을 공급하도록 고무 스트립이 감겨있다.
상기 제1가이드부(111)는 상기 제1크릴부(110a')와 제1헤드부(117a) 사이에 배치되어 제1크릴부(110a')에서 공급되는 고무 스트립이 꼬이지 않고 안정적으로 공급되도록 가이드하는 역할을 한다.
상기 제1헤드부(117a)는 고무 스트립(A)이 맨드릴(10) 표면에 와인딩되도록 안내하는 역할을 하는 것으로서, 제1지지몸체(115)에 회전가능하게 설치되며 중앙에 관통홀이 형성된 회전드럼(116)과, 상기 회전드럼(116)의 일단에 설치되어 상기 회전드럼(116)과 함께 회전하면서 상기 관통홀(116a)을 통해 인출된 고무 스트립(A)을 지지하는 가이드롤러부를 포함하는 것을 예시할 수 있다.
여기서, 상기 가이드롤러부는 상기 회전드럼(116)에서 연장되는 한 쌍의 지지편(117')과, 상기 한 쌍의 지지편(117') 사이에 설치되는 복수의 가이드롤러(117'')로 구성될 수 있다.
상기 가이드롤러(117'')는 상기 회전드럼(116)에 의해 미리 설정된 방향으로 회전하거나 각도를 유지하게 되는데, 이러한 회전 및 각도 유지는 후프, 헬리컬 와인딩 및 축방향보강에 따라 설정된다.
예를 들어 후프 와인딩의 경우 가이드롤러가 수평을 유지한 상태에서 와인딩이 이루어지고, 헬리컬 와인딩의 경우 유리섬유, 카본섬유 등 유기/무기 섬유 등에 수지를 함침시켜 제조한 프리프레그와 같은 복합소재가 맨드릴의 좌우 돔부에서 감긴 후 되돌아올 때 상기 회전드럼이 회전하여 가이드 롤러가 맨드릴과 일정한 각도를 유지할 수 있도록 한 상태에서 와인딩이 이루어지게 된다.
상기 복합소재 와인딩부(110b)는 복합소재를 공급하는 제2크릴(creel)부(110b')와, 상기 제2크릴부에서 공급되는 복합소재(B)를 가이드하는 제2가이드부와, 제2지지몸체와, 상기 제2지지몸체에 회전가능하게 설치되며 중앙에 관통홀이 형성된 회전드럼과, 상기 회전드럼의 일단에 설치되어 상기 회전드럼과 함께 회전하면서 상기 관통홀을 통해 인출된 복합소재(B)를 지지하는 가이드롤러부를 포함하는 제2헤드부(117b)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복합소재 와인딩부를 구성하는 구성들은 앞서 설명한 고무 스트립 와인딩부의 구성들과 대응되는 것이므로 그 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치는 고무 스트립 와인딩부의 가이드롤러부와, 복합소재 와인딩부의 가이드롤러부를 가지게 되는데, 이 두 가이드롤러부가 동일한 위치의 와인딩 시작점을 갖도록 해야 하는데, 그 방식은 제어시스템 상에서 원점 위치 동기화를 통해 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 고무 스트립 와인딩부와, 복합소재 와인딩부에서는 각각 축방향보강이 가능한데, 기존의 와인딩 장치는 최소 각도가 12°이하 및 90°각도에서는 와인딩이 어려운데, 본 발명에서는 상술한 회전드럼과 가이드롤러부의 조합을 통해 와인딩이 가능하다.
본 발명에 따른 기능 복합소재 와인딩 장치를 이용한 압력용기 제조방법은 시스템을 통하여 위치 동기화가 가능하여 고무 와인딩부와 복합소재 와인딩부가 동일한 시작점을 갖도록 하는 단계와, 도 4에 도시된 바와 같이 고무 스트립 와인딩부에서 공급되는 고무 스트립을 맨드릴 돔부 및 실린더부 표면에 연속적으로 후프 와인딩(hoop winding)하여 고무층을 형성하는 S1단계와, 도 5에 도시된 바와 같이 복합소재 와인딩부에서 공급된 복합소재를 상기 고무층 표면에 헬리컬 와인딩(helical winding)하여 복합소재층을 형성하는 S2단계와, 도 6에 도시된 바와 같이 복합소재 와인딩부에서 공급된 복합소재를 수평하게 이동시키면서 상기 복합소재층 표면에 수평하게 부착하여 축방향보강을 하는 S3단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
다만, 상기 S1단계에서 고무 스트립은 후프 와인딩(hoop winding)되고, 상기 S2단계에서 복합소재는 헬리컬 와인딩(helical winding)이 이루어지는 것으로 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 S1단계의 고무 스트립 및 S2단계의 복합소재는 각각 후프 와인딩(hoop winding), 헬리컬 와인딩(helical winding)은 물론 이들의 조합된 방식이 모두 가능하다.
한편, 본 발명의 고무 스트립 와인딩부 및 복합소재 와인딩부는 좌우로 움직이며 돔부에 후프 와인딩이 가능하도록 하는 요잉(yawing) 운동과, 축방향으로 움직이며 맨드릴 표면에 후프 와인딩과 헬리컬 와인딩이 가능하도록 아이 로테이션(Eye rotation) 운동을 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 특히 요잉(yawing) 운동의 경우, 돔부 후프 와인딩 시에 축방향을 따라 이동하면서 곡선이 있는 돔부에 후프 와인딩 및 보강을 위해서는 그 형상에 따라 회전할 수 있도록 해준다. 만일 기존 방식으로 와인딩시에는 고무 스트립이나 복합소재가 돔부 표면에 정확하게 붙어있지 않고 들뜨는 현상이 발생하게 되는 문제가 있다.
이러한 요잉 운동은 90도 방향 내지 후프(Hoop) 방향 보강시에도 돔부 보강에 필요한 움직임을 제공할 수 있다.
본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치는 5축 구동으로 갠츄리 타입으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
결론적으로, 본 발명에 따른 다기능 복합 와인딩 장치 및 이를 이용한 압력용기 제조방법에 의하면, 기존 복수의 와인딩 장치를 이용하여 복합재를 성형하는 과정을 하나의 장치에서 수행할 수 있고, 그로 인해 설치 공간 및 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 성형 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 축방향 보강을 위해 AFP(Automatic Fiber Placement) 등의 별도의 장치를 사용하지 않고 연속적인 공정 수행이 가능하다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 와인딩 장치 101 : 대차
110a : 고무 스트립 와인딩부 110b : 복합소재 와인딩부
110a' : 제1크릴부 111 : 제1가이드부
115 : 제1지지몸체 116 : 회전드럼
117a : 제1헤드부 117' : 지지편
117'' : 가이드롤러 121 : 가이드레일
10 : 맨드릴 11 : 샤프트
20 : 맨드릴 지지부 21 : 주축
22 : 테일스톡 A : 고무 스트립
B : 복합소재
110a : 고무 스트립 와인딩부 110b : 복합소재 와인딩부
110a' : 제1크릴부 111 : 제1가이드부
115 : 제1지지몸체 116 : 회전드럼
117a : 제1헤드부 117' : 지지편
117'' : 가이드롤러 121 : 가이드레일
10 : 맨드릴 11 : 샤프트
20 : 맨드릴 지지부 21 : 주축
22 : 테일스톡 A : 고무 스트립
B : 복합소재
Claims (7)
- 맨드릴 상에 고무 스트립 및 복합소재를 와인딩하는 다기능 복합 와인딩 장치에 있어서,
맨드릴을 회전가능하도록 지지하는 맨드릴 지지부와;
상기 맨드릴 지지부의 전방에 배치되는 가이드레일과;
상기 가이드레일 상에 설치되어 상기 맨드릴의 축방향을 따라 이동하는 대차와;
상기 대차의 일측에 탑재되며 고무 스트립을 상기 맨드릴 표면에 와인딩하는 고무 스트립 와인딩부와;
상기 대차의 타측에 탑재되며 복합소재를 맨드릴 표면 또는 와인딩된 고무 스트립 표면에 와인딩하는 복합소재 와인딩부;를 포함하되,
상기 고무 스트립 와인딩부는 고무 스트립을 공급하는 제1크릴(creel)부와;
상기 제1크릴부에서 공급되는 고무 스트립을 가이드하는 제1가이드부와;
상기 제1지지몸체와, 상기 제1지지몸체에 회전가능하게 설치되며 중앙에 관통홀이 형성된 회전드럼과, 상기 회전드럼의 일단에 설치되어 상기 회전드럼과 함께 회전하면서 상기 관통홀을 통해 인출된 고무 스트립을 지지하는 가이드롤러부를 포함하는 제1헤드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 복합 와인딩 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 맨드릴 지지부는 상기 맨드릴의 일단에 마련된 샤프트를 지지하는 주축과, 상기 맨드릴의 타단에 마련된 샤프트를 지지하는 테일스톡과, 상기 주축을 회전시키는 회전장치를 포함하되,
상기 테일스톡은 맨드릴의 길이 방향을 따라 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 다기능 복합 와인딩 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 고무 스트립 와인딩부 또는 복합소재 와인딩부에서는 고무 스트립 또는 복합소재를 맨드릴의 축방향을 따라 수평하게 부착하는 축방향보강 작업이 가능한 것을 특징으로 하는 다기능 복합 와인딩 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복합소재 와인딩부는 복합소재를 공급하는 제2크릴(creel)부와;
상기 제2크릴부에서 공급되는 복합소재를 가이드하는 제2가이드부와;
상기 제2지지몸체와, 상기 제2지지몸체에 회전가능하게 설치되며 중앙에 관통홀이 형성된 회전드럼과, 상기 회전드럼의 일단에 설치되어 상기 회전드럼과 함께 회전하면서 상기 관통홀을 통해 인출된 복합소재를 지지하는 가이드롤러부를 포함하는 제2헤드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 복합 와인딩 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 고무 스트립 와인딩부 및 복합소재 와인딩부는,
좌우로 움직임으로써, 돔부에 후프 와인딩이 가능하거나 또는 돔부에 축보강이 가능하도록 하는 요잉(yawing) 운동과;
축방향으로 움직이며 맨드릴 표면에 후프 와인딩과 헬리컬 와인딩이 가능하도록 아이 로테이션(Eye rotation) 운동;을 수행하는 것을 특징으로 하는 다기능 복합 와인딩 장치.
- 청구항 1의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용한 압력용기 제조방법에 있어서,
시스템을 통하여 위치 동기화가 가능하여 고무 와인딩부와 복합소재 와인딩부가 동일한 시작점을 갖도록 하는 단계와;
고무 스트립 와인딩부에서 공급되는 고무 스트립을 맨드릴 돔부 및 실린더부 표면에 연속적으로 후프 와인딩(hoop winding)하여 고무층을 형성하는 단계와;
복합소재 와인딩부에서 공급된 복합소재를 상기 고무층 표면에 후프 와인딩(hoop winding) 및 헬리컬 와인딩(helical winding)하여 복합소재층을 형성하는 단계와;
복합소재 와인딩부에서 공급된 복합소재를 수평하게 이동시키면서 상기 복합소재층 표면에 수평하게 부착하여 축방향보강을 하는 단계;를 포함하되,
상기 고무 스트립 와인딩부 및 복합소재 와인딩부는 좌우로 움직임으로써, 돔부에 후프 와인딩이 가능하거나 또는 돔부에 축보강이 가능하도록 하는 요잉(yawing) 운동과; 축방향으로 움직이며 맨드릴 표면에 후프 와인딩과 헬리컬 와인딩이 가능하도록 아이 로테이션(Eye rotation) 운동;을 수행하는 것을 특징으로 하는 다기능 복합 와인딩 장치를 이용한 압력용기 제조방법.
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