KR102640006B1 - 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법 - Google Patents

수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 분리형 맨드릴 표면에 수축 필름을 이용하여 밀폐함으로써, 압력용기 제조를 위한 진공 공정에서 진공도를 쉽고 효율적으로 높이고 성형 공정에서 진공도를 효율적으로 유지할 수 있으며 제품의 압착 성능을 향상시켜 복합소재의 성형성과 내부 기공을 줄여 불량을 줄일 수 있는 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 복수의 세그먼트로 구성된 분리형 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착하는 단계와; 상기 분리형 맨드릴 표면에 진공백을 설치한 상태에서 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름을 가열함으로써, 상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법{A method of sealing a detachable mandrel using a shrink film and a method of forming a pressure vessel using a sealed detachable mandrel}
본 발명은 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 분리형 맨드릴 표면에 수축 필름을 이용하여 밀폐함으로써, 압력용기 제조를 위한 진공 공정에서 진공도를 쉽고 효율적으로 높이고 성형 공정에서 진공도를 효율적으로 유지할 수 있으며 제품의 압착 성능을 향상시켜 복합소재의 성형성과 내부 기공을 줄여 불량을 줄일 수 있는 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것이다.
복합재료 성형 방법 중의 하나인 필라멘트 와인딩 공법은 섬유와 수지를 연속적으로 회전하는 심축 위에 감아서 파이프, 압력용기 또는 로켓모터 케이스 등과 같은 축대칭 복합재료 구조물을 제작하는 방법이다.
여기서, 제작하고자 하는 형상에 알맞은 내부 형상을 지닌 구조물이 회전하는 심축에 장착되는데, 이를 맨드릴(mandrel)이라고 한다. 일반적으로, 심축에 연결된 맨드릴이 회전하여 와인딩 머신에서 공급되는 섬유 또는 수지가 맨드릴 위에 성형된다. 와인딩 공정이 완료된 후 경화 사이클에서 제품이 경화되며, 경화가 완료되면 맨드릴과 심축을 제품으로부터 탈형하여 최종 가공을 진행한다.
맨드릴을 이용한 필라멘트 와인딩 공법으로 성형되는 복합재료 압력용기 또는 복합재 연소관 등은 대부분 양방향의 돔(dome)부를 구비하고, 이 돔부에 개구부(opening)가 형성된다. 즉, 이와 같은 제품을 성형하기 위해서는 맨드릴 역시 위의 구조에 상응하는 구조를 가져야 한다.
이를 위해, 맨드릴을 석고로 제작할 수 있는데, 석고로 제작되는 맨드릴은 와인딩 방식을 이용하여 복합재료 제품을 제조할 때 필라멘트에 의해 걸리는 장력을 지지하기 위해 상당한 두께의 석고를 필요로 한다. 또한, 성형 후 내부의 맨드릴을 제거해야 하므로 재사용이 불가하고, 제거 시 외부로부터 힘을 가하게 되는데, 이 때 무리한 힘을 가하게 되면 외부의 복합재료로 성형된 제품에 손상이 가해진다. 이를 방지하기 위해 석고의 두께를 얇게 할 경우, 필라멘트에 의해 걸리는 장력을 지지하지 못하고 맨드릴이 손상을 입게 되어, 결국 제품의 성형이 불가능해지는 문제가 있다.
위와 같은 문제점을 개선하기 위하여 폴리비닐알콜(PVA) 파우더와 모래를 혼합한 맨드릴 등의 수용성 맨드릴을 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 방식 역시 맨드릴의 재사용이 불가하여, 매 제품마다 새로운 맨드릴을 신규로 제작하여야 하고, 이에 따라 제품 제조 비용과 작업시간이 증가하여 제품의 생산성이 현격하게 떨어진다.
또한, 앞서 언급한 방식의 맨드릴은 그 재질의 영향으로 인해 환경 폐기물을 발생시키고, 작업에 소요되는 공정이 많고 까다로워 작업자의 수준에 의존하는 비율이 높으므로 제품의 대량생산에는 적용하기 곤란하다.
이러한 문제를 해결하기 위한 선행특허로는 도 4에 도시된 바와 같이 등록특허 제10-1395490호에서 복수의 제1 돔세그먼트로 구성되어 상단에 개구부가 형성된 돔 형태를 이루는 제 1돔부, 복수의 측벽 세그먼트로 구성되어 파이프 형태를 이루는 바디부 및 복수의 제2 돔세그먼트로 구성되어 상단에 개구부가 형성된 돔 형태를 이루는 제2 돔부를 포함할 수 있고, 상기 바디부는 상기 제1 돔부 및 제2 돔부 사이에 위치하며, 상기 복수의 측면 세그먼트의 일단 및 타단은 상기 복수의 제1 돔세그먼트 및 제2 돔세그먼트에 각각 결합될 수 있는 맨드릴 조립체를 개시하고 있다.
다만, 상기 등록특허와 같이 복수의 세그먼트로 이루어진 맨드릴 조립체를 사용하는 경우 성형 공정 중 필라멘트의 진공 압착을 위해 맨드릴 표면에 와인딩된 필라멘트 위를 진공백으로 밀봉하고 진공 흡입을 하게 되는데, 이때 맨드릴의 세그먼트 이음새 부분으로 인해 진공 압착 성능이 크게 저하되고 이로 인해 필라멘트의 경화 성형시 내부 기공을 발생하여 불량이 발생하는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1395490호
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 분리형 맨드릴 표면에 수축 필름을 이용하여 밀폐함으로써, 압력용기 제조를 위한 진공 공정에서 진공도를 쉽고 효율적으로 높이고 성형 공정에서 진공도를 효율적으로 유지할 수 있으며 제품의 압착 성능을 향상시켜 복합소재의 성형성과 내부 기공을 줄여 불량을 줄일 수 있는 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 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 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법은 복수의 세그먼트로 구성된 분리형 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착하는 단계와; 상기 분리형 맨드릴 표면에 진공백을 설치한 상태에서 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름을 가열함으로써, 상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법에 있어서, 상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계는 상기 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름을 가열함과 동시에, 외부 양압을 가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법에 있어서, 수축 필름은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어지되, 일면은 이형처리가 되거나, 또는 맨드릴 표면 온도 기준으로 100℃ 기준으로 수축률이 50%이하이거나, 내열성 또는 내화학성을 가진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수축 필름을 설치하여 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법은 복수의 세그먼트가 조립된 분리형 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착하는 단계와;
상기 분리형 맨드릴 표면에 1차 진공백을 설치한 상태에서 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름을 가열함으로써, 상기 수축 필름을 상기 외부 이음면에 밀봉시키는 단계와;
상기 1차 진공백을 제거한 다음, 상기 분리형 맨드릴 표면에 고무 스트립 및 복합소재를 순차적으로 와인딩하는 단계와;
상기 와인딩된 복합소재 표면에 2차 진공백을 설치하여 진공 흡입한 상태에서 양압을 제공하여 복합소재를 압착하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법 및 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 의하면, 분리형 맨드릴 표면에 수축 필름을 이용하여 밀폐함으로써, 압력용기 제조를 위한 진공 공정에서 진공도를 쉽고 효율적으로 높이고 성형 공정에서 진공도를 효율적으로 유지할 수 있으며 제품의 압착 성능을 향상시켜 복합소재의 성형성과 내부 기공을 줄여 불량을 줄일 수 있는 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 분리형 맨드릴에 수축 필름을 부착하는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 분리형 맨드릴에 진공백을 설치하여 진공 흡입하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, 고무 스트립과, 복합소재가 와인딩된 맨드릴을 오토 클레이브 내에 탑재하고 압착하는 S4단계를 나타낸 개략도이다.
도 4는 종래 조립식 맨드릴 구조를 나타내는 단면도이다.
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 분리형 맨드릴에 수축 필름을 부착하는 모습을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 분리형 맨드릴에 진공백을 설치하여 진공 흡입하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법은 복수의 세그먼트(101a,101b)로 구성된 분리형 맨드릴의 각 세그먼트(101a,101b)가 맞닿는 외부 이음면(102)에 수축 필름을 부착하는 S1단계와, 상기 분리형 맨드릴(100) 표면에 진공백(20)을 설치한 상태에서 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름(10)을 가열함으로써, 상기 외부 이음면(102)을 밀폐시키는 S2단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 S1단계는 맨드릴이 소형인 경우 작업자가 직접 수축 필름을 부착할 수도 있고, 대형인 경우 도 1에 도시된 바와 같이 기존 와인딩 장치(5)에 수축 필름을 장착하여 수행할 수도 있다.
본 발명의 S1단계 및 S2단계에서 수축 필름을 통해 분리형 맨드릴을 밀폐하는 이유는 압력용기의 성형 공정 중 하나인 진공 작업 공정에서 분리형 맨드릴을 구성하는 각 세그먼트 사이의 이음면 내지 틈새로 인해 진공도를 높이기 어렵게 되는데, 상기 수축 필름을 각 세그먼트 사이의 이음면에 부착함으로써 각 세그먼트의 조립에 의해 형성된 맨드릴 표면의 틈새를 메워 맨드릴과 진공백 사이의 진공도를 효율적으로 높일 수 있기 때문이다.
본 발명의 수축 필름은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.
상기 수축 필름이 열가소성 수지로 이루어지는 경우 상기 S2단계에서 가열이 이루어지면 유연성이 가지기 때문에 외부 이음면에 밀착하게 된다.
다만, 열가소성의 특성상 S2단계에서의 가열 온도 또는 뒤에 이어지는 오토 클레이브에서의 복합소재 경화 공정에서의 가열 온도에서 녹지 않는 융점을 가진 소재를 선택하여야 한다.
맨드릴 또는 복합소재 등에 들러붙는 문제를 해결하기 위해 열가소성 수지에 기능성 분말을 첨가한 원료를 사용할 수 있다.
예를 들어, 열가소성 수지 100중량부를 기준으로 탄소나노튜브 또는 그래핀과, 제올라이트 등의 세라믹 분말을 각각 0.1~5중량부 혼합한 원료를 수축 필름으로 가공하는 것이다.
특히 기능성 분말로 그래핀을 사용하는 경우 그 자체의 윤활 성능으로 인해 이형성을 확보할 수 있고, 제올라이트 등의 세라믹 분말의 경우 가열에 의해 녹는 성질과 유동성을 억제하는 역할을 수행할 수 있다.
그리고 그래핀과 세라믹 분말은 상술한 바와 같이 각각 0.1~5중량부 첨가하는 것이 바람직한데, 0.1중량부 미만인 경우 상술한 효과를 발휘하기 어렵고, 5중량부를 초과하는 경우 성형성이 크게 저하되고 성형시 노즐 막힘 등의 문제가 생기며 필름 자체의 연성 내지 탄성이 현저히 낮아져 작업성이 좋지 않아 상술한 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
열경화성 소재의 수축 필름의 경우 소정 온도에서 경화되기 때문에 가열에 의해 녹지 않는 특성을 가지는 반면, 외부 이음면과의 밀착성 내지 밀폐 성능은 상대적으로 열가소성 소재에 비해 저하될 수 있다.
후술할 실험에 사용된 수축 필름은 열가소성 수지를 베이스로 이루어진 것으로서, 120~150℃에서 가소성이 있고 170℃ 이상에서 용융되는 폴리염화비닐 100중량부와, 그래핀 1중량부와, 제올라이트 2중량부를 혼합한 원료로 이루어진다. 그리고 S2단계를 진공 배깅(vacuum bagging)을 한 상태에서 오븐에서 160℃에서 10~20분 동안 가열하였다.
한편, 아래 표 1은 소정 온도로 가열된 상태에서 수축 필름이 설치된 맨드릴에서의 진공도를 나타낸 것이다.
아래 표 2는 수축 필름이 설치된 맨드릴 표면에 고무 스트립 와인딩된 상태의 진공도를 나타낸 것이다.
아래 표 3은 수축 필름이 설치된 맨드릴 표면에 복합재(카본섬유) 와인딩된 상태의 진공도를 나타낸 것이다.
위 표 1 내지 표 3을 참조하면, 본 발명과 같이 맨드릴의 이음면에 수축 필름을 부착하였을 때에는 진공도를 잘 유지하고 있다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 수축 필름을 설치하여 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법은 복수의 세그먼트(101a,101b)가 조립된 분리형 맨드릴(100)의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면(102)에 수축 필름을 부착하는 S1단계와, 상기 분리형 맨드릴(100) 표면에 1차 진공백을 설치한 상태에서 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름(10)을 가열함으로써, 상기 수축 필름(10)을 상기 외부 이음면(102)에 밀봉시키는 S2단계와, S2단계에서 1차 진공백을 제거한 다음, 상기 분리형 맨드릴(100) 표면에 고무 스트립(30) 및 복합소재(40)를 순차적으로 와인딩하는 S3단계와, 상기 와인딩된 복합소재(40) 표면에 2차 진공백(20)을 설치하여 진공 흡입한 상태에서 양압을 제공하여 복합소재(40)를 압착하는 S4단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, 고무 스트립과, 복합소재가 와인딩된 맨드릴을 오토 클레이브 내에 탑재하고 압착하는 S4단계를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 S4단계는 진공백을 통해 진공 흡입을 함과 동시에 맨드릴 외부에서 양압을 가함으로써 냉간 압착(cold comapaction) 성능을 효과적으로 발휘하는 것으로서, 양압을 가하기 위해 밀폐된 구조를 가진 오토 클레이브(1)에서 수행될 수도 있다.
여기서, 진공 흡입 공정은 맨드릴 표면에 와인딩된 복합소재를 압착하여 형태를 유지하고 내부 진공을 없애기 위해 맨드릴과 복합소재 사이에 진공을 형성하는 공정을 의미한다.
진공 작업과 동시에 이루어지는 양압을 제공하는 공정은 오토 클레이브(1) 내에 공압을 주입하여 예를 들어 3~7bar의 압력을 가하는 것을 예시할 수 있다.
이러한 S4단계를 통해 복수 플라이층으로 와인딩된 복합소재의 단차를 줄이고, 경화 공정에서 내부 기공을 줄여 불량을 낮출 수 있게 된다.
다만, 상기 S4단계는 개별 플라이층을 와인딩할 때마다 수행할 수도 있고, 최종적으로 복수의 플라이층 와인딩한 이후에 수행할 수도 있음은 물론이다.
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.
1 : 오토 클레이브 5 : 와인딩 장치
6 : 레일 10 : 필름
20 : 진공백 30 : 고무 스트립
40 : 복합소재
100 : 분리형 맨드릴 101a, 101b : 세그먼트
102 : 외부 이음면 115a, 115b : 샤프트

Claims (4)

  1. 복수의 세그먼트로 구성된 분리형 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착하는 단계와;
    상기 분리형 맨드릴 표면에 진공백을 설치한 상태에서 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름을 가열함으로써, 상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계는 상기 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름을 가열함과 동시에, 외부 양압을 가하는 것을 특징으로 하는 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수축 필름은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어지되,
    일면은 이형처리가 되거나, 또는 맨드릴 표면 온도 기준으로 100℃ 기준으로 수축률이 50% 이하이거나, 내열성 또는 내화학성을 가진 것을 특징으로 하는 수축 필름을 이용한 분리형 맨드릴 밀폐방법.
  4. 수축 필름을 설치하여 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법에 있어서,
    복수의 세그먼트가 조립된 분리형 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착하는 단계와;
    상기 분리형 맨드릴 표면에 1차 진공백을 설치한 상태에서 진공 흡입 공정을 수행하고 수축 필름을 가열함으로써, 상기 수축 필름을 상기 외부 이음면에 밀봉시키는 단계와;
    상기 1차 진공백을 제거한 다음, 상기 분리형 맨드릴 표면에 고무 스트립 및 복합소재를 순차적으로 와인딩하는 단계와;
    상기 와인딩된 복합소재 표면에 2차 진공백을 설치하여 진공 흡입한 상태에서 양압을 제공하여 복합소재를 압착하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 분리형 맨드릴을 이용한 압력용기 제조방법.
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