KR20020001272A

KR20020001272A - 골프채 샤프트 제조방법

Info

Publication number: KR20020001272A
Application number: KR1020000035730A
Authority: KR
Inventors: 윤형택
Original assignee: 윤형택
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2002-01-09
Also published as: KR100361546B1

Abstract

본 발명은 골프채 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 양단의 직경이 동일한 수평의 맨드릴 외면에 사선 및 축 방향의 결을 갖는 1이상의 탄소섬유 복합재료를 롤링하고, 그 외면에 얀(yarn) 형태의 유리섬유, 탄소섬유 얀을 나선의 형태로 와인딩하여 1차 보강공정을 수행한 후, 그 외면에 얀 형태의 탄소섬유, 케블라 섬유를 1차 보강공정에서 와인딩된 유리섬유, 탄소섬유와는 교차되어 외관상 마름모의 형태가 되도록 와인딩하는 2차 보강공정을 수행하여서 된 골프채 샤프트 제조방법을 제공한다.

따라서, 본 발명은 골프채 샤프트로 형성될 기본 몸체 표면에 탄소섬유 및 유리섬유와 케블라 섬유가 얀의 형태로 와인딩 되어 외관상 마름모 형태의 격자형태가 형성됨으로 인해 비틀림 특성, 샤프트 축방향의 보강 및 굽힘 강도 특성을 대폭 강화시키고, 완성된 골프채 샤프트의 중량이 현저히 감소되도록 하여 우수한 제품의 생산에 기여하고 이에 따른 판매 효율의 향상효과를 얻게 된다.

Description

골프채 샤프트 제조방법{METHOD FOR SHAFT PRODUCE OF GOLF CLUB}

본 발명은 골프채의 샤프트 제작방법에 관한 것으로써, 특히 탄소섬유로 된 골프채 샤프트의 표면에 얀(yarn) 형태의 탄소섬유, 유리섬유, 케블라섬유를 와인딩 하고, 와인딩된 형태가 외면상 마름모 형태의 격자형태가 되도록 형성하여 비틀림 특성, 샤프트 축방향의 보강 및 굽힘 강도 특성을 대폭 강화시키고, 그 중량이 현저히 감소되도록 한 것이다.

일반적으로 섬유강화 복합재료는 스포츠-레저용품 등에 다양한 소재로 사용되어 원가의 절감을 가져 왔으며, 에너지 위기 시점에서도 대체재료로서 여러 산업분야에서 각광을 받고 있음은 주지의 사실이다.

그 중 탄소섬유 강화재 즉, CFRP(carbon fiber-reinforced plastic)로 제작된 골프샤프트의 사용이 증가하고 있는 것은 다음과 같은 내용이 중요시 되고있기 때문이다.

탄소섬유강화 복합재료로 제작된 골프채 샤프트는 금속재료로 제작된 것에 비하여 내구성, 내열성, 내마모성, 내화학성 등의 우수한 기계적, 화학적 성질을갖고 있을 뿐만 아니라, 이들은 섬유방향 및 적층방법에 따라 재료의 기계적 특성을 조절함으로 인해 예상되는 외부하중에 적합한 구조가 된다.

또한, 상기 탄소섬유강화 복합재료(이하, 복합재료로 약칭함)는 골프샤프트의 중요한 특성인 굽힘강성, 굽힘강도와 비틀림 특성을 프리프레그(prererg)의 특성에 의해 조절가능하여 사용자의 조건(초보, 중급, 고급자 또는 신장이나 체중 등)에 맞게 제작될 수 있다.

더불어, 상기 복합재료는 그 중량이 금속재의 것에 비해 현저하게 가벼워 골프채 샤프트의 중량을 대폭 감소시킬 수 있게 된다.

상기와 골프채 샤프트의 종래 제작방법을 도 1, 도 2를 참조하여 설명하면, 종래의 샤프트 제작방법은 일측으로 테이퍼진 맨드릴(1)에 우선 이형제를 도포하고, 이형제가 도포된 표면에 접착을 위한 에폭시 수지를 도포한 후, 서로 다른 결방향을 갖는 여러장의 복합재료(3, 4)(탄소 프리프레그)를 그 외면에 순차적으로 롤링한다.

그 후, 상기 롤링된 외면에 폴리프로필렌 테잎을 피복하고 건조시킨 다음 맨드릴(1)을 롤링된 샤프트에서 인출하여 골프채용 샤프트를 완성하게 된다.

상기와 같이 제조된 골프채 샤프트는 전술된 금속재료로 제조된 샤프트에 비해 인장강도, 굽힘강성 및 비틀림 특성에 있어서 비교적 낮은 특성을 보이게 되는데, 이는 테이퍼 형태의 맨드릴을 사용함에 의해 골프채 샤프트 끝단 부위의 굽힘강도가 저하되고, 이와 더불어 비틀림 특성 또한 감소되기 때문이다.

또한, 상기와 같은 제작방법에 의해 제작되는 골프채 샤프트는 탄소 프리프레그(탄소섬유강화 복합재료)의 인장강도, 비틀림 특성과 굽힘강도 등의 기계적 특성이 제작된 골프채 샤프트에 충분한 영향을 주지 못하는데, 이는 하기의 수학식 1, 2에 기인한다.

여기서, θ는 골프채 샤프트의 비틀림 각도, T는 비틀림 모멘트, L은 골프채 샤프트의 길이, G는 골프채 샤프트의 전단계수,는 극관성 모멘트이다.

여기서,는 곡률반경, M은 굽힘 모멘트, E는 골프채 샤프트의 탄성 계수, I는 2차 단면 모멘트이다.

상기된 수학식 1에 근거하면, 상기된 종래의 골프채 샤프트는 비틀림 강성()의 극관성 모멘트()가 골프채 샤프트 끝단에서 현저히 감소하는 형태를 가지므로 비틀림 특성이 감소함을 알 수 있으며, 수학식 2에 근거하면, 종래의 골프채 샤프트는 굽힘강성()의 2차 단면 모멘트()가 샤프트의 끝단에서 현저히 감소하는 형태가 되어 굽힘강성 또한 감소됨을 알 수 있게 된다.

또한, 상기의 방법에 의해 골프채 샤프트로 제조되기 위한 탄소 프리프레그는 ASTM 3039의 규격에 의해 시험을 시행한 결과 이겹지층의 강도가 약 180인데 반하여 섬유 수직 방향의 강도는 약 50으로 탄소섬유강화 골프채 샤프트는 원주 방향의 강도가 축 방향에 비해 현저히 낮은 것임을 알 수 있게 된다.

따라서, 상기와 같은 취약한 강도를 보강하기 위해서 각기 다른 방향의 결을 갖는 여러겹의 복합재료를 겹쳐 사용하여 일반적으로 약 10~20% 정도의 과도한 중량 증가를 보이게 되며, 특히 탄소섬유 프리프레그의 섬유방향의 수직방향을 보강할 때 상기된 테이퍼 형성된 맨드릴에 의해 샤프트 끝단의 외경이 감소되기 때문에 롤링작업이 어려워지고, 이에 따라 강압적인 작업에 의해 프리프레그 섬유가 손상되는 문제점을 갖게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소시키기 위해 창안된 것으로써, 비틀림 특성, 샤프트 축방향의 보강 및 굽힘 강도 특성을 대폭 강화시키고, 그 중량이 현저히 감소되도록 한 골프채 샤프트의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 골프채 샤프트 제조를 위해 부품을 나열한 개략도.

도 2는 종래 골프채 샤프트가 제조된 상태의 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 골프채 샤프트를 제조하기 위한 부품의 강성 그래프.

도 4은 본 발명에 의한 골프채 샤프트 제조를 위해 부품을 나열한 개략도.

도 5와 도 6은 본 발명에 의한 골프채 샤프트의 제조공정을 순차적으로 나타낸 개략도.

도 7은 본 발명에 의한 골프채 샤프트가 제조된 상태의 개략도와 일부를 확대한 상세도.

도 8은 도 7에서의 A-A선 단면도.

도 9는 일반적인 골프채 샤프트와 본 발명에 의한 골프채 샤프트의 기계적 특성을 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2: 맨드릴 3, 4: 프리프레그

5: 탄소섬유 얀 6: 유리섬유 얀

7: 케블라 섬유 얀 8: 가이더

9: 로빙

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 맨드릴 외면에 사선 및 축 방향의 결을 갖는 1이상의 탄소섬유 복합재료를 롤링하고, 그 외면에 얀(yarn) 형태의 유리섬유, 탄소섬유 얀이 와인더에 의해 나선의 형태로 와인딩되어 1차 보강공정이 수행된 후, 그 외면에 얀 형태의탄소섬유, 케블라 섬유가 와인더에 의해 나선의 형태로 와인딩되는 2차 보강공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 맨드릴은 양측의 직경이 동일한 수평의 것으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 1차 보강공정에서 와인딩된 유리섬유, 탄소섬유 얀의 와인딩과 2차 보강공정에서 와인딩된 탄소섬유, 케블라 섬유 얀의 와인딩 상태가 상호 교차되도록 하여 이들이 외관상 마름모의 격자형태가 형성되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기된 특징에 의하면 본 발명은 개선점은 우선 제품의 보강 재료 선택을 들 수 있다.

상기 1차 보강공정과 2차 보강공정에 적용된 유리섬유 및 케블라 섬유는 도 3의 그래프에 나타낸 것과 같이 일반적인 탄소섬유에 비해 비강도 측면에서 높은 수치를 보이고 있는데, 유리섬유의 경우 비강도는 약 9, 케블라 섬유의 경우 비강도는 약 10정도로 탄소섬유의 약 7에 비하여 높은 경향을 보이고 있는데, 이러한 비강도의 높은 수치는 샤프트의 물리적인 강성의 극대화를 구현하게 된다.

또한, 본 발명은 탄소섬유와 유리섬유, 케블라 섬유를 얀의 형태로 와인딩 하여 강도를 보강한다는 점에서도 그 개선점을 들 수 있게 된다.

이는, 1차 보강공정과 2차 보강공정에서 축의 수직방향의 보강 재료를 사용함에 있어서, 작업상의 어려움 뿐만 아니라, 섬유의 안전성을 보장할 수 없기 때문에 유리섬유와 케블라 섬유를 얀의 형태로 제작된 섬유를 사용하여 와인딩 공법으로 제작하며, 이에 따라 탄소섬유와 유리섬유의 얀과 탄소섬유와 케블라 섬유의 얀이 겹쳐진 부분에서 그 강도를 보강함이 최대가 된다.

그리고, 또 다른 개선점으로 탄소섬유, 유리섬유와 케블라 섬유의 기계적 특성의 혼합이다.

상기된 복합재료로 제작된 골프채 샤프트의 탄성거동에서는 각 섬유의 탄성계수와 변형률의 큰 차이를 보이게 되는데, 이와 같은 큰 탄소섬유의 경우에는 45Msi, 1.6%, 유리섬유는 약 10Msi, 4.8%, 그리고 케블라 섬유는 약 15Msi, 3%이다.

이와 같이 각각의 기계적 특성을 소유하고 있는 섬유로 골프채 샤프트를 제작하였을 때, 서로 다른 기계적 특성으로 인해 샤프트의 층과 층 사이에는 개면(開面, delamination)이 발생하여 탄소섬유강화 골프채 샤프트의 특성을 저하시키게 된다.

따라서, 이러한 현상을 보완하기 위해 유리섬유의 얀과 케블라 섬유의 얀의 각 올을 탄소섬유의 올과 혼합하여 사용함에 의해 상기 각기 다른 기계적 특성을 일치시킬 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 얀의 형태로 보강구조를 제공하여 종래 면상의 프리프레그로 보강하는 구조에 비해 그 중량을 현저하게 낮출 수 있게 된다.

<실시예>

이하, 상기된 특징이 적용되는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여상세히 설명한다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 골프채 샤프트가 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 개략도이다.

이들 도면을 참조하면, 상기 골프채 샤프트는 우선 맨드릴(2)의 외면에 이형제를 도포하여 후에 제조된 골프채 샤프트와 분리가 용이하도록 하고, 이형제가 도포된 외면에 접착력을 높이기 위해 미경화 에폭시수지와 같은 접착제를 도포한다.

상기 접착제가 도포된 맨드릴(2)의 외면에 탄소섬유에 에폭시를 함침시켜 상호 교차되는 사선의 결을 갖도록 제단된 탄소 프리프레그(3)를 1차적으로 감아 롤링시키고, 그 외면에 2차적으로 축 방향의 결을 갖도록 제단된 탄소 프리프레그(4)를 감아 롤링한다.(도 4 참조)

여기서, 상기 맨드릴(2)은 양측의 직경이 동일한 수평의 것으로 구비하여 롤링작업의 편이 및 강압적인 작업에 의한 섬유의 파손을 감소시킨다.

그 후, 상기 프리프레그(3, 4)가 롤링된 외면에 도 5에서와 같이 유리섬유 얀(6)과 탄소섬유 얀(5)의 혼합물을 나선의 형태로 와인딩 하여 1차 보강공정을 수행한다.(도 5 참조)

여기서, 상기 유리섬유 얀(6)과 탄소섬유 얀(5)의 혼합물이라 함은 각각의 올을 1묶음으로 모은 것을 의미하며, 와인더로는 로빙(9)과 가이더(8)를 구비하여 와인딩 작업시 와인딩 각도와 인장력 및 와인딩 간격 등의 제반 조건이 조절되도록 한다.

상기 1 차 보강공정을 수행한 후, 그 외면에 탄소섬유 얀(5)과 케블라 섬유얀(7)의 혼합물을 와인딩 하여 2차 보강공정을 수행한다.(도 6 참조)

여기서, 상기 탄소섬유 얀(5)과 케블라 섬유 얀(7)의 혼합물 역시 각각의 올을 1묶음으로 모은 것을 의미하며, 와인더로는 로빙(9)과 가이더(8)를 구비한 것이며, 상기 1차 보강공정에서 와인딩한 나선 형태와 교차되도록 한 나산형태로 와인딩되도록 하여 외관상 이들의 교차됨에 의한 형태가 마름모의 격자형태가 되도록 하므로써 보강력이 극대화 된다.

상기와 같은 작업을 수행해서 완성된 결과물은 도 7 및 도 7에서의 A-A선 단면도(도 8)에서와 같은 형태를 갖게 된다.

그리고, 상기와 같은 작업이 완료된 후에 폴리 프로필렌 테이프로 외면을 피복하고, 각각의 프리프레그(3, 4) 등에 도포 및 함침된 에폭시 수지에 적절한 경화온도를 가하기 위해 열풍 오븐 내에서 가열하여 경화시킨 다음 맨드릴(2)과 완성된 골프채 샤프트를 분리하여 제품이 완성된다.

<실험예 1>

상기와 같이 제조된 골프채 샤프트는 도 9에서와 같은 3점 굽힘시험의 결과 데이터를 나타낸다. 여기서, X는 본 발명에 의한 골프채 샤프트를 나타낸다.

이를 참조하면, 본 발명에 의한 골프채 샤프트는 일반적인 골프채 샤프트에 비해 높은 인성치를 보이고 있으며, 일반적인 골프채 샤프트는 선형적인 거동을 보이다가 순간적으로 파단에 이르는 것을 볼 수 있다.

<실험예 2>

또한, 상기와 같이 제조된 골프채 샤프트는 일반적인 골프채 샤프트와 비교하여 하기의 표 1에서와 같은 기계적특성의 우수함을 나타낸다.

	중량(g)	비틀림 각도(deg.)	굽힘하중(N)	인성(kN-mm)
일반 골프채 샤프트	72	4.5	375.2	1.5
본 발명에 의한 골프채 샤프트	70	2.6(42.2 % ↓)	432.9(15.4 % ↑)	2.2(46.7 % ↑)

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 사용된 얀의 보강효과로 인하여 비틀림 각도는 42.2%, 3점 굽힘시험에 의한 최대 굽힘 하중은 15.4%, 골프채 샤프트의 파괘에 이르기까지의 인성은 46.7%의 개선을 보였다.

여기서, 인성치를 도출해 냄은 도 10에서 A부분까지의 거동상에서 하중 변위 분포도에서의 적분값을 구한 것이다.

이상에서 설명된 것과 같이 본 발명은, 골프채 샤프트로 형성될 기본 몸체 표면에 탄소섬유 및 유리섬유와 케블라 섬유가 얀의 형태로 와인딩 되어 외관상 마름모 형태의 격자형태가 형성됨으로 인해 비틀림 특성, 샤프트 축방향의 보강 및 굽힘 강도 특성을 대폭 강화시키고, 완성된 골프채 샤프트의 중량이 현저히 감소되도록 하여 우수한 제품의 생산에 기여하고 이에 따른 판매 효율의 향상효과를 얻게 된다.

Claims

맨드릴 외면에 사선 및 축 방향의 결을 갖는 1이상의 탄소섬유 복합재료를 롤링하고, 그 외면에 얀(yarn) 형태의 유리섬유, 탄소섬유 얀이 와인더에 의해 나선의 형태로 와인딩되어 1차 보강공정이 수행된 후, 그 외면에 얀 형태의 탄소섬유, 케블라 섬유가 와인더에 의해 나선의 형태로 와인딩되는 2차 보강공정을 수행하여서 된 것을 특징으로 하는 골프채 샤프트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 맨드릴은 양측의 직경이 동일한 수평의 것으로 구비되는 것을 특징으로 하는 골프채 샤프트의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 1차 보강공정에서 와인딩된 유리섬유, 탄소섬유 얀의 와인딩과 2차 보강공정에서 와인딩된 탄소섬유, 케블라 섬유 얀의 와인딩 상태가 상호 교차되도록 하여 이들이 외관상 마름모의 격자형태가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 골프채 샤프트의 제조방법.