KR19990025778A - 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합재료 샤프트 제작시 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 재질의 열수축튜브를 사용함으로써, 제작공정을 단순화하고 생산단가를 절감할 수 있는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 이형제가 도포된 맨드럴(20)의 표면에 장섬유 강화 복합재료(30; continuous fiber reinforced composites)를 적층하는 적층단계(S1)와, 상기 적층단계(S1)에서 맨드럴(20)의 표면에 적층된 장섬유 강화 복합재료(30)의 둘레에 열을 가하면 수축되는 가교폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중의 어느 하나의 재질로 형성된 열수축튜브(10)를 삽입하는 삽입단계(S2)와, 오븐에서 상기 열수축튜브(10)를 가열하여 수지(resin)가 상기 장섬유 강화 복합재료(30)의 사이에 충진되어 상기 장섬유 강화 복합재료(30)를 경화시키는 경화단계(S3) 및, 상기 경화단계(S3)에서 경화된 상기 장섬유 강화 복합재료(30)와 상기 맨드럴(20)을 분리하는 분리단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조방법이 제공된다.

Description

열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법

본 발명은 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것이며, 특히, 낚시대나 골프채 같은 스포츠 용품이나 필름용 롤러, 자동차용 동력전달축, 공작기계의 주축과 같은 토크를 받는 구조에 사용되는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 복합재료 샤프트를 제조하기 위해서는, 먼저, 이형제가 도포된 원형 단면이나 다각형 단면을 갖는 맨드럴의 표면에 장섬유 강화 복합재료(continuous fiber reinforced composites)를 적층한 후, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 재질을 가지는 고분자 압착필름을 감는다. 그리고, 고온용 나이론 필름으로 제작한 진공백(vacuum bag)으로 복합재료 및 맨드럴을 감싸고 진공펌프를 이용하여 내부를 진공상태로 유지시키면서 외부에서 고온·고압을 가하여 복합재료를 경화시킨다.

이렇게 장섬유 강화 복합재료를 경화시킬 때 진공백과 압착필름을 사용하고 압력을 가하는 이유는 내부에 발생하는 수증기 및 공기 등의 각종 가스를 진공펌프와 고압으로 제거하고, 레진이 섬유에 고르게 침투하여 경화가 완료된 복합재료 샤프트의 기계적인 물성을 높이기 위해서이다. 이렇게 복합재료가 경화되면, 경화된 장섬유 강화 복합재료 내측에 위치하는 맨드럴을 제거하여 복합재료 샤프트를 제조한다.

그러나, 앞서 설명한 바와 같은 종래기술에 따른 복합재료 샤프트를 제조하기 위해서는 1회용으로 사용된 후 폐기되는 진공백이 사용되므로 그 제작비용이 상승된다는 문제점이 있다.

또한, 종래기술에 따른 복합재료 샤프트를 제조하기 위해서는 보통 6∼10기압의 압력과 온도가 필요하며, 이런 압력과 온도의 조절이 가능한 오토클레이브(autoclave)가 사용되는데, 이런 오토클레이브는 고압용기로서 제작비가 많이 소요되고 운영비가 많이 든다는 단점이 있다.

또한, 종래의 복합재료 샤프트는 수분침투를 차단시키고 내충격성을 높이기 위하여 고가의 방수용 에폭시 페인트와 우레탄 페인트로 부가적으로 코팅하여 사용해야 하므로 많은 비용이 드는 문제점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복합재료 샤프트 제작시 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 재질의 열수축튜브를 사용함으로써, 제작공정을 단순화하고 생산단가를 절감할 수 있는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 복합재료 샤프트의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 단면도이고,

도 3은 도 2에 도시된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조과정을 설명하기 위한 분해사시도이고,

도 4는 도 2에 도시된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조과정을 설명하기 위한 공정도이며,

도 5는 도 2에 도시된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 열수축튜브의 특성을 설명하기 위한 단면도.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 열수축튜브 20 : 맨드럴

30 : 복합재료

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 낚시대나 골프채 같은 스포츠 용품이나 자동차용 동력전달축에 사용되는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트에 있어서, 이형제가 도포된 맨드럴의 표면에 장섬유 강화 복합재료(continuous fiber reinforced composites)를 적층하는 적층단계와, 상기 적층단계에서 맨드럴의 표면에 적층된 장섬유 강화 복합재료의 둘레에 열을 가하면 수축되는 가교폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중의 어느 하나의 재질로 형성된 열수축튜브를 삽입하는 삽입단계와, 오븐에서 상기 열수축튜브를 가열하여 수지(resin)가 상기 장섬유 강화 복합재료의 사이에 충진되어 상기 장섬유 강화 복합재료를 경화시키는 경화단계 및, 상기 경화단계에서 경화된 상기 장섬유 강화 복합재료와 상기 맨드럴을 분리하는 분리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조방법에 의해 제조된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트가 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조과정을 설명하기 위한 분배사시도이고, 도 4는 도 2에 도시된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조과정을 설명하기 위한 공정도이며, 도 5는 도 2에 도시된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 열수축튜브의 특성을 설명하기 위한 단면도이다.

본 발명의 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트에 사용되는 열수축튜브(10)는 히트건(heat gun)으로 직접 가열 수축시키거나 뜨거운 오븐내에서 가열수축시키면, 반경이 약 50% 이상 수축되면서 길이는 약 10% 이내로 수축되는 성질을 가지는 가교폴리올레핀, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 재질로 제작된다.

아래에서, 이런 특징을 갖는 열수축튜브(10)에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하겠다.

도 5에 도시된 바와 같이, 반경이 r이고 두께가 t인 열수축튜브(10)가 온도상승에 의하여 반경방향으로 50% 수축되면, 길이 방향의 수축을 무시하였을 경우, 반경은 r/2 두께는 2t로 변화되는 것을 알 수 있다. 이런 특징을 이용하여 예를들어, 외부 반경이 2r/3인 복합재료의 표면에 열수축튜브(10)를 배치한 후 압력을 가할 경우, 열수축튜브(10)는 가상 원주방향 변위δ를 다음과 같이 가지게 된다.

(1)식으로 표시되는 가상 원주방향 변위δ를 열수축튜브(10)에 가하기 위한 원주방향의 응력 δ는 열수축튜브(10)의 영률을 E라고 하면,

가 된다.

따라서, 복합재료표면에 수직으로 작용하는 압력 P는

가 된다.

즉, 폴리에틸렌의 상온에서의 E값은 300MPa 정도이나, 경화 온도에서는 값이 떨어져 100MPa 정도라고 가정하면, 열수축튜브(10)의 두께/반경(t/r)이 대게 0.01정도이므로 열수축튜브(10)에 의하여 복합재료표면에 가해지는 압력은 외부에서 7.5기압을 가하는 효과와 동일하다. 만약, 압력의 크기를 조절하여 수지의 함유량을 변화시키려면 열수축튜브(10)와 복합재료의 반경의 차 및 열수축튜브(10)의 두께 대 반경비(t/r)를 조절하여 이를 실현할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같은 특징을 갖는 열수축튜브(10)를 사용하여 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조방법에 대하여 설명하겠다.

먼저, 테프론 코팅 및 테프론 필름적층 등에 의해 이형처리된 맨드럴(20)의 표면에 복합재료(30)를 원하는 각도로 적층하여 감는다. 그리고, 열수축튜브(10)를 맨드럴(20)에 감아놓은 복합재료(30)에 끼워 넣는다. 이 때, 열수축튜브(10)의 수축량이 50%가량 되므로 감아놓은 복합재료(30) 외경의 1.3∼1.7배 되는 내경의 열수축튜브(10)를 사용한다. 그런 다음, 온도조절이 가능한 오븐에서 원하는 경화사이클로 복합재료(30)를 경화시키면 열수축튜브(10)가 수축을 하여 복합재료(30)의 내부의 가스를 밀어내고, 열수축튜브(10)에 남아있는 잉여 레진을 열수축튜브(10)의 양끝으로 짜주어 복합재료(30)의 층간에 압밀(consolidation)을 도와준다. 이 때, 열수축튜브(10)의 수축을 통해 상당량의 압력이 가해지므로 압축공기를 복합재료(30) 주변에 가할 필요가 없다. 이 때, 120℃의 경화 복합재료(30)는 폴리에틸렌 열수축튜브(10)를 사용할 수 있고, 180℃의 경화 복합재료(30)는 폴리프로필렌 열수축튜브(10)를 사용할 수 있다.

그리고, 최종적으로 복합재료(30)의 경화가 완료되고 맨드럴(20)을 제거하면 외면에 열수축튜브(10)가 코팅되어 부가적인 내수, 내화학, 절연처리가 필요없는 복합재료 샤프트가 제조된다.

앞서 설명한 실시예에서는 맨드럴을 사용하여 복합재료 샤프트를 제조하는 방법을 설명했지만, 맨드럴 대신 금속튜브의 표면에 복합재료를 적층한 다음 일체로 경화시킨 하이브리드(hybrid) 복합재료 샤프트를 제작할 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같은 제조방법으로 제조된 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트는 낚시대나 골프채 같은 스포츠 용품이나 필름용 롤러, 자동차용 동력전달축, 공작기계의 주축과 같은 토크를 받는 구조에 사용된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트를 제조하기 위해서는, 종래기술에서처럼 1회용 진공백이나 오토클레이브를 사용하지 않아도 되므로 제작이 용이할 뿐만 아니라, 제조비용이 저렴하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트는 열수축튜브에 의해 표면이 코팅처리되어 있으므로 내열성, 내화학성 및 난연성이 우수하다.

또한, 본 발명의 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트는 사용자가 원하는 색상의 열수축튜브로 제조가능하므로, 사용자의 취향에 맞는 낚시대 및 골프채 등의 제품을 만들 수 있다.

또한, 본 발명의 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트는 종래기술에서처럼 수분침투를 차단시키고 내충격성을 높이기 위하여 고가의 방수용 에폭시 페인트와 우레탄 페인트를 사용하여 도장하지 않아도 되므로 매우 경제적이다.

이상에서 본 발명의 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트 및 그 제조방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

1. 낚시대나 골프채 같은 스포츠 용품이나 자동차용 동력전달축에 사용되는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조방법에 있어서,

   이형제가 도포된 맨드럴(20)의 표면에 장섬유 강화 복합재료(30; continuous fiber reinforced composites)를 적층하는 적층단계(S1)와, 상기 적층단계(S1)에서 맨드럴(20)의 표면에 적층된 장섬유 강화 복합재료(30)의 둘레에 열을 가하면 수축되는 가교폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중의 어느 하나의 재질로 형성된 열수축튜브(10)를 삽입하는 삽입단계(S2)와, 오븐에서 상기 열수축튜브(10)를 가열하여 수지(resin)가 상기 장섬유 강화 복합재료(30)의 사이에 충진되어 상기 장섬유 강화 복합재료(30)를 경화시키는 경화단계(S3) 및, 상기 경화단계(S3)에서 경화된 상기 장섬유 강화 복합재료(30)와 상기 맨드럴(20)을 분리하는 분리단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트의 제조방법.
2. 낚시대나 골프채 같은 스포츠 용품이나 자동차용 동력전달축에 사용되는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트에 있어서,

   장섬유 강화 복합재료(30; continuous fiber reinforced composites)의 둘레에는 내열성, 내화학성 및 난연성이 우수하며 열을 가하면 수축되는 가교폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중의 어느 하나의 재질로 형성된 열수축튜브(10)가 배치되어 있으며, 상기 장섬유 강화 복합재료(30)는 가열 함으로써 형성된 상기 열수축튜브(10)의 수지가 내부에 충진되어 결합되고 표면은 코팅되는 것을 특징으로 하는 열수축튜브를 이용한 복합재료 샤프트.