KR102654231B1 - 인서트 대상품이 결합된 복합소재 및 그의 제조방법 - Google Patents

인서트 대상품이 결합된 복합소재 및 그의 제조방법 Download PDF

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이승호
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Abstract

금속제 인서트 대상품이 견고하게 고정되도록, 본 발명은 복수의 Z핀이 베이스패치를 관통하여 구비된 양방향 Z-피닝부가 준비되고, 성형몰드의 상부에 섬유강화수지 재질의 베이스층을 형성하는 제1단계; 인서트 대상품의 안착면의 테두리를 따라 상기 베이스층에 상기 양방향 Z-피닝부의 일단을 삽입하고 상기 베이스패치를 제거하며, 상기 안착면에 상기 인서트 대상품을 안착하는 제2단계; 상기 인서트 대상품의 테두리 외곽을 따라 상기 인서트 대상품의 가장자리 두께에 대응되는 섬유강화수지 재질의 미들층을 상기 양방향 Z-피닝부의 타단을 관통하여 형성하는 제3단계; 및 상기 미들층의 상면 및 상기 인서트 대상품의 상면을 동시에 커버하도록 섬유강화수지 재질의 탑층을 상기 양방향 Z-피닝부의 타단을 관통하여 형성하는 제4단계를 포함하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법를 제공한다.

Description

인서트 대상품이 결합된 복합소재 및 그의 제조방법{composite material combining insert objects and method for manufacturing thereof}
본 발명은 인서트 대상품이 결합된 복합소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속제 인서트 대상품이 견고하게 고정되기 위한 인서트 대상품이 결합된 복합소재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 섬유강화수지(Fiber Reinforced Plastic) 패널과 같은 복합소재는 강화섬유직물에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료인 프리프레그를 적층하여 가열/가압함에 따라 제조된다. 여기서, 상기 섬유강화수지 패널은 가장 간단한 형태인 평면 시트형태로부터 곡면/절곡부를 갖는 복잡한 구조물까지 다양한 구조로 형성되어 각종 수송기계나 구조물에 적용되고 있다.
이러한 섬유강화플라스틱은 금속과 대비하여 물리적 강도의 한계와 마찰에 취약한 특성으로 인하여 국부적인 힘이 가해지거나 금속재와 직접 체결되어 마찰이 발생하는 부위에서 크랙이 가거나 파손되는 문제가 발생될 우려가 있었다.
이로 인해, 섬유강화수지와 금속 의장품간의 체결구조는 별도의 금속 재질의 인서트 대상품을 섬유강화수지 내부에 삽입하고, 삽입된 인서트 대상품과 금속제 외부 연결재를 기계적으로 나사 체결되는 방식으로 조립하였다.
그러나, 상기 섬유강화수지와 금속제 인서트 대상품 간의 접촉부분에 미세한 들끔으로 인한 공극이 형성되었는데 이는 섬유강화수지의 특성상 접촉되는 모서리 부분에서 급격한 절곡 밴딩이 형성될 수 없기 때문이었다. 이로 인해, 상기 섬유강화수지의 내부에 삽입된 금속제 인서트 대상품에 대한 기계적 체결 후 잦은 외력이 가해지는 경우 상기 섬유강화수지패널의 접촉되는 들뜸 부분이 변형되거나 상하로 파손되는 문제점이 있었다.
도 1는 종래의 인서트 대상품 외주에 퍼티를 적층한 예를 나타낸 도면이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 종래에는 삽입되는 금속제 인서트 대상품(1)의 가장자리 외면측 모서리 단턱에 섬유강화수지의 적층시 급격한 각도 변화로 인해 들뜸 현상을 최소화하기 위해 별도의 퍼티(2)를 도포하였다. 이러한 퍼티(2)를 사용하여 경사면을 형성함으로써 섬유강화수지와 밀착이 가능한 수준의 R값 또는 경사각을 확보하였다. 즉, 상기 퍼티(2)로 형성된 경사면을 따라 상부에 섬유강화수지층을 밀착 형성하였다.
그러나, 상기 금속제 인서트 대상품(1)의 외부에서의 충격이나 장기적인 피로상황에서 금속부품과 복합소재 적층구조 사이에 위치한 퍼티(2)가 깨지면서 복합소재와 인서트 대상품(1) 사이에 박리가 일어나기 쉽고 박리부위가 쉽게 전이되어 확산되는 문제점이 발견되었다.
더욱이, 복합소재 사이의 조각난 퍼티로 인하여 금속부품을 지탱하는 힘이 저하됨으로써 인서트 대상품이 복합소재 구조 본체로부터 완전히 박리되는 상황이 발생하였다. 이로 인해, 선박 등에서 상기 인서트 대상품의 외부에 부착된 의장부품에 무리한 힘이 가해지는 상황에서 상기 인서트 대상품이 뽑히게 되는 심각한 위험이 발생될 문제점이 있었다.
한국 등록특허 제10-1394408호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 금속제 인서트 대상품이 견고하게 고정되기 위한 인서트 대상품이 결합된 복합소재 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 복수의 Z핀이 베이스패치를 관통하여 구비된 양방향 Z-피닝부가 준비되고, 성형몰드의 상부에 섬유강화수지 재질의 베이스층을 형성하는 제1단계; 인서트 대상품의 안착면의 테두리를 따라 상기 베이스층에 상기 양방향 Z-피닝부의 일단을 삽입하고 상기 베이스패치를 제거하며, 상기 안착면에 상기 인서트 대상품을 안착하는 제2단계; 상기 인서트 대상품의 테두리 외곽을 따라 상기 인서트 대상품의 가장자리 두께에 대응되는 섬유강화수지 재질의 미들층을 상기 양방향 Z-피닝부의 타단을 관통하여 형성하는 제3단계; 및 상기 미들층의 상면 및 상기 인서트 대상품의 상면을 동시에 커버하도록 섬유강화수지 재질의 탑층을 상기 양방향 Z-피닝부의 타단을 관통하여 형성하는 제4단계를 포함하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 양방향 Z-피닝부의 타단의 길이는 상기 미들층의 두께보다 길게 형성되고, 상기 미들층과 상기 탑층의 적층된 두께보다 작게 형성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 베이스패치는 합성고무 내지 실리콘고무 재질의 시트로 형성됨이 바람직하다.
또한, 각 상기 Z핀의 표면에는 둘레방향을 따라 요철부가 상하 방향을 따라 다단으로 함몰 형성됨이 바람직하다.
한편, 본 발명은 기저면을 형성하도록 형성된 섬유강화수지 재질로서 베이스층; 상기 베이스층의 안착면에 안착된 금속 재질의 인서트 대상품; 상기 인서트 대상품의 테두리 외곽을 따라 상기 인서트 대상품의 가장자리 두께에 대응되도록 형성된 섬유강화수지 재질의 미들층; 상기 미들층의 상면 및 상기 인서트 대상품의 상면을 동시에 커버하도록 형성된 섬유강화수지 재질의 탑층; 및 상기 미들층을 관통하여 상기 베이스층 및 상기 탑층에 양단이 고정되되, 둘레방향을 따라 요철부가 상하 방향을 따라 다단으로 함몰 형성된 복수의 Z핀을 포함하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재를 제공한다.
상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 섬유강화수지 재질의 상기 베이스층, 상기 미들층, 상기 탑층은 복수개의 Z핀에 의해 동시에 관통 및 삽입 연결되어 앵커링됨으로써 일체화되므로 내부에 인서트된 상기 인서트 대상품에 강한 외력이 가해지거나 장기적인 피로상황에서도 일체화된 적층구조가 견고하게 유지됨으로써 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
둘째, 상기 섬유강화수지가 급격히 절곡 내지 밴딩되지 않도록 상기 인서트 대상품의 가장자리 두께와 실질적으로 동일한 두께로 별도의 미들층을 측면에 밀착 적층함으로써 상기 미들층의 상면과 상기 인서트 대상품 가장자리의 상면은 실질적으로 동일한 평면으로 형성된 상면에 상기 탑층이 견고하게 일체화되어 적층됨으로써 상기 인서트 대상품에 강한 외력이 가해지거나 장기적인 피로상황에서도 일체화된 적층구조가 견고하게 유지됨으로써 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
이를 통해, 복합소재 사이의 적층구조의 강도가 현저히 보강될 수 있으므로 선박 등에 적용시 상기 인서트 대상품의 외부에 부착된 의장부품에 무리한 힘이 가해지더라도 해상에서의 선박의 안전성능이 현저히 개선될 수 있다.
도 1는 종래의 인서트 대상품 외주에 퍼티를 적층한 예를 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조과정을 나타낸 단면도.
도 3은 는 본 발명의 일실시예에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법을 나타낸 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인서트 대상품이 결합된 복합소재 및 그의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조과정을 나타낸 단면도이고, 도 3은 는 본 발명의 일실시예에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법은 다음과 같이 수행된다.
도 2a에서 보는 바와 같이, 복수의 Z핀(11)이 베이스패치(15)를 관통하여 구비된 양방향 Z-피닝부(10)가 준비되고, 성형몰드(21)의 상부에 섬유강화수지(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 재질의 베이스층(20)이 형성된다(s10).
여기서, 상기 Z핀(11)은 강도가 우수한 금속 내지 탄소 재질로 형성되되, 상하 양방향으로 수지에 관통 삽입되도록 상하 양단부가 뾰족하게 형성된다. 이때, 각 Z핀(11)의 외면에는 원주방향을 따라 함몰되어 링형 요철부(11aa)가 형성되며, 상기 요철부(11aa)는 상하 방향으로 다단 형성된다. 또한, 상기 베이스패치(15)는 상기 Z핀의 위치를 임시 고정하기 위하여 합성고무 내지 실리콘고무 재질의 시트로 형성될 수 있다. 상기 베이스패치(15)에는 종방향 및 횡방향으로 일정한 면적을 가지도록 복수개의 Z핀이 배열 및 관통되어 결합되어 양방향 Z-피닝부(10)를 형성한다.
이때, 상기 요철부(11aa)를 통해 각 Z핀(11)이 삽입된 섬유강화수지층 사이의 접촉면적이 증가될 수 있으므로 상기 Z핀(11)이 각 섬유강화수지층 내부에 견고하게 결합될 수 있다. 이를 통해, 각 섬유강화수지층 간의 연결부분에 대한 결합력이 개선될 수 있다.
그리고, 복합소재로서의 섬유강화수지에 포함되는 유리섬유 내지 탄소섬유는 경사와 위사가 1본씩 교차하여 직조되는 플레인 위빙 방식으로 직조된 강화섬유 직조물 형태로 사용되어 횡방향 인장강도가 개선될 수 있다. 또한, 상기 섬유에 함침되는 수지는 폴리에테르이미드(PEI, polyetherimide), 폴리페닐렌 설파이드(PPS, polyphenylene sulfide), 폴리아미드 이미드(PAI, polyamide-imide), 폴리에테르 설폰(PES, polyether sulfone), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK, polyetherether ketone), 에폭시(epoxy), 폴리에틸렌(PE) 등 용도나 목적에 따라 열경화성 내지는 열가소성 수지를 포함하는 다양한 소재로 구비될 수 있다. 여기서, 상기 섬유강화수지는 강화섬유 직조물에 수지를 함침시켜 성형 대상 위치에 도포하는 방식으로 형성될 수 있다.
상기 베이스층(20)의 하면은 성형몰드(21)의 상면에 대응되는 형상으로 성형되는데, 상기 성형몰드(21)는 선체 등의 형상에 대응되는 상면을 갖도록 형성됨이 바람직하다.
이후, 도 2b 및 도 2c에서 보는 바와 같이, 금속제 인서트 대상품(30)의 안착면의 테두리를 따라 상기 베이스층(20)에 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 일단을 삽입하고 상기 베이스패치(15)를 제거하며, 상기 안착면에 상기 인서트 대상품(30)을 안착한다(s20).
여기서, 상기 인서트 대상품(30)은 금속 재질로 형성되되, 금속제 외장품(미도시)과의 연결을 매개하도록 수나사산 등이 외부에 돌출 형성될 수 있다. 이때, 상기 인서트 대상품(30)은 상기 베이스층(20)의 상면에 설정된 안착면에 안착된다.
또한, 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 일단은 경화되기 전 상태의 상기 베이스층(20) 상면에 삽입된다. 여기서, 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 일단은 복수개의 Z핀(11)의 하단부(11b)를 의미한다. 이와 같이, 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 일단이 상기 베이스층(20) 상면에 삽입되면 상기 상기 양방향 Z-피닝부(10)로부터 베이스패치(15)를 제거한다.
다음으로, 도 2d에서 보는 바와 같이, 상기 인서트 대상품(30)의 테두리 외곽을 따라 상기 인서트 대상품(30)의 가장자리 두께에 대응되는 섬유강화수지 재질의 미들층(40)을 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 타단을 관통시켜 형성한다(s30).
여기서, 상기 섬유강화수지가 급격히 절곡 내지 밴딩되지 않도록 상기 인서트 대상품(10)의 가장자리 두께와 실질적으로 동일한 두께로 미들층(40)을 이루는 섬유강화수지가 적층된다. 이때, 상기 미들층(40)은 상기 인서트 대상품(30)의 가장자리와의 사이에 갭이 형성되지 않도록 밀착되어 형성됨이 바람직하다. 이를 통해, 상기 미들층(40)의 상면과 상기 인서트 대상품(30) 가장자리의 상면은 실질적으로 동일한 평면을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 베이스층(20)에 하단부가 삽입된 Z핀(11)의 상단부(11a)를 관통하여 상기 미들층(40)이 형성된다. 즉, 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 타단은 상기 Z핀(11)의 상단부(11a)를 의미한다.
이후, 도 2e에서 보는 바와 같이, 상기 미들층(40)의 상면 및 상기 인서트 대상품(30)의 상면을 동시에 커버하도록 섬유강화수지 재질의 탑층(50)을 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 타단을 관통하여 형성한다(s40). 이와 같이, 상기 인서트 대상품(30)의 가장자리에는 동일한 두께의 상기 미들층(40)이 밀착되어 구비되므로, 상기 탑층(50)은 상기 미들층(40)의 상면 및 상기 인서트 대상품(30)의 상면을 급격히 절곡되는 부분 없이 평탄하게 동시에 밀착되도록 커버한다.
이를 통해, 금속재질로 형성된 상기 인서트 대상품(30)의 외면은 베이스층(20), 미들층(40), 탑층(50) 내부에 삽입되는 형태로 감싸여진진다. 이때, 상기 베이스층(20), 미들층(40), 탑층(50)이 경화됨에 따라 상기 인서트 대상품(30)의 외면은 각 층을 형성하는 섬유강화수지에 밀착되어 견고하게 일체화될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 인서트 대상품(30)이 결합된 복합소재는 베이스층(20), 금속 재질의 인서트 대상품(30), 미들층(40), 탑층(50), 그리고 복수의 Z핀(11)을 포함한다.
여기서, 상기 베이스층(20)은 기저면을 형성하도록 형성된 섬유강화수지 재질로서 미리 설정된 두께로 형성된다.
그리고, 상기 인서트 대상품(30)은 금속 재질로 형성되되, 금속제 외장품과의 연결을 매개하도록 수나사산 등이 외부에 돌출 형성될 수 있다. 이때, 상기 인서트 대상품(30)은 상기 베이스층(20)의 안착면에 안착된다.
또한, 상기 미들층(40)은 상기 인서트 대상품(30)의 테두리 외곽을 따라 상기 인서트 대상품(30)의 가장자리 두께에 대응되도록 형성된 섬유강화수지 재질로 도포되어 형성된다.
그리고, 상기 탑층(50)은 상기 미들층(40)의 상면 및 상기 인서트 대상품(30)의 상면을 동시에 커버하도록 형성된 섬유강화수지 재질로 도포되어 형성된다.
여기서, 복수의 Z핀(11)은 상기 미들층(40)을 관통하여 상기 베이스층(20) 및 상기 탑층(50)에 상단 및 하단이 삽입되어 고정된다. 각 상기 Z핀(11)에는 둘레방향을 따라 요철부(11aa)가 상하 방향을 따라 다단으로 함몰 형성되어 섬유강화수지 재질의 각 층에 삽입시 경화된 수지와의 접촉면적이 증가된다.
따라서, 섬유강화수지 재질의 각 층이 경화되면 상기 Z핀(11)에 의해 앵커링됨으로써 일체화되어 층간 접합강도가 현저히 보강될 수 있다. 즉, 상기 베이스층(20), 상기 미들층(40), 상기 탑층(50)은 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 Z핀(11)에 의해 동시에 관통 및 삽입 연결되어 앵커링됨으로써 일체화될 수 있다. 이를 위해, 상기 양방향 Z-피닝부(10)의 타단의 길이는 상기 미들층(40)의 두께보다 길게 형성되고, 상기 미들층(40)과 상기 탑층(50)의 적층되어 합산된 두께보다 작게 형성된다.
이와 같이, 상호 적층된 섬유강화수지 재질의 상기 베이스층(20), 상기 미들층(40), 상기 탑층(50)이 상하 방향으로 견고하게 일체화됨으로써 상기 인서트 대상품(30)에 강한 외력이 가해지거나 장기적인 피로상황에서도 일체화된 적층구조가 견고하게 유지됨으로써 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
이를 통해, 복합소재 사이의 적층구조의 강도가 현저히 보강될 수 있으므로 선박 등에 적용시 상기 인서트 대상품(30)이 인서트된 복합소재를 선박에 적용하더라도 안전성능 및 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구한 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
10: 양방향 Z-피닝부 11: Z핀
20: 베이스층 21: 성형몰드
30: 인서트 대상품 40: 미들층
50: 탑층

Claims (5)

  1. 복수의 Z핀이 베이스패치를 관통하여 구비된 양방향 Z-피닝부가 준비되고, 성형몰드의 상부에 섬유강화수지 재질의 베이스층을 형성하는 제1단계;
    인서트 대상품의 안착면의 테두리를 따라 상기 베이스층에 상기 양방향 Z-피닝부의 일단을 삽입하고 상기 베이스패치를 제거하며, 상기 안착면에 상기 인서트 대상품을 안착하는 제2단계;
    상기 인서트 대상품의 테두리 외곽을 따라 상기 인서트 대상품의 가장자리 두께에 대응되는 섬유강화수지 재질의 미들층을 상기 양방향 Z-피닝부의 타단을 관통하여 형성하는 제3단계; 및
    상기 미들층의 상면 및 상기 인서트 대상품의 상면을 동시에 커버하도록 섬유강화수지 재질의 탑층을 상기 양방향 Z-피닝부의 타단을 관통하여 형성하는 제4단계를 포함하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 Z-피닝부의 타단의 길이는 상기 미들층의 두께보다 길게 형성되고, 상기 미들층과 상기 탑층의 적층된 두께보다 작게 형성됨을 특징으로 하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스패치는 합성고무 내지 실리콘고무 재질의 시트로 형성됨을 특징으로 하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각 상기 Z핀의 표면에는 둘레방향을 따라 요철부가 상하 방향을 따라 다단으로 함몰 형성됨을 특징으로 하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재의 제조방법.
  5. 기저면을 형성하도록 형성된 섬유강화수지 재질로서 베이스층;
    상기 베이스층의 안착면에 안착된 금속 재질의 인서트 대상품;
    상기 인서트 대상품의 테두리 외곽을 따라 상기 인서트 대상품의 가장자리 두께에 대응되도록 형성된 섬유강화수지 재질의 미들층;
    상기 미들층의 상면 및 상기 인서트 대상품의 상면을 동시에 커버하도록 형성된 섬유강화수지 재질의 탑층; 및
    상기 미들층을 관통하여 상기 베이스층 및 상기 탑층에 양단이 고정되되, 둘레방향을 따라 요철부가 상하 방향을 따라 다단으로 함몰 형성된 복수의 Z핀을 포함하는 인서트 대상품이 결합된 복합소재.
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