KR20130133562A - 윈도우 프레임의 제조방법 및 이러한 방법에 의해 제조된 윈도우 프레임 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 유리가 장착될 윈도우 프레임을 제조하는 방법 및 상기 방법에 따라 일체형으로 제조된 윈도우 프레임에 관한 것으로서, 상기 방법은 a) 프레임 형상의 튜브 부재 상에, 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하는 두께가 형성되도록 조물(braided fabric) 또는 다축경편물(multi-axial warp knitted fabric)을 감싸는 단계; b) 상기 조물 또는 다축경편물로 감싸인 튜브 부재를 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 만들어 윈도우 프레임 프리폼을 형성하는 단계; 및 c) 상기 윈도우 프레임 프리폼에 수지를 충진시켜 경화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법에 따르면 프레임 형상의 튜브 부재상에 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하는 두께가 되도록 조물 또는 다축경편물을 감싼 다음 기체를 배출시켜 수축하고 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 만들기 때문에, 수지만으로 이루어진 면이 없이 일체형으로 윈도우 프레임을 손쉽게 제조할 수 있고, 이렇게 제조된 윈도우 프레임은 가벼울 뿐만 아니라 인성, 내피로성, 내충격성 등과 같은 물성면에서 우수하여, 차량, 항공기 등의 운용 비용을 경감하고, 향후 본체가 복합재로 구성된 차량, 항공기 등의 개발 동향에 탄력적으로 대비할 수 있다.

Description

윈도우 프레임의 제조방법 및 이러한 방법에 의해 제조된 윈도우 프레임 {METHOD OF MANUFACTURING WINDOW FRAME, AND WINDOW FRAME MANUFACTURED THEREBY}

본 발명은 윈도우 프레임의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 간단한 방식으로 일체형의 프리폼을 만들어 성형이 가능한 윈도우 프레임의 제조방법 및 이러한 방법에 의해 제조되어 우수한 물성을 나타내는 윈도우 프레임에 관한 것이다.

윈도우 프레임(window frame)은 차량, 항공기 등의 객실의 윈도우(window)를 장착하기 위한 구조물로서 본체에 일렬로 장착되는 원형, 타원형, 직사각형의 구조물이다. 직사각형의 윈도우 프레임의 개략적인 구조 및 이의 종단면을 도 1 및 도 2에 각각 도시하고 있다.

종래 항공기에 사용되는 윈도우 프레임은 알루미늄을 이용한 기계가공품이었으나, 최근 항공기의 무게 절감을 통한 운용 비용 절감을 위해 항공기의 동체 스킨(fuselage skin)이 복합재료로 바뀌고 있는 추세이며, 더불어 기존 금속 재질인 알루미늄 윈도우 프레임도 복합재료로 대체하여 사용하고 있다.

일반적으로, 항공기용 윈도우 프레임은 두 가지 방법으로 제조된다.

첫 번째 방법은 탄소섬유를 단섬유(staple fiber, chopped fiber)로 자른 것을 에폭시 수지와 섞어 시트상 성형재료(sheet molding compound, SMC) 형태로 제조한 다음 이를 윈도우 프레임 형태로 성형하는 방법이고, 두 번째 방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 4 조각의 프리폼(preform)을 만들기 위하여 프리프레그(prepreg)를 가지고 4종류로 적층한 다음 함께 성형하여 윈도우 프레임을 만드는 방법이다.

첫 번째 방법은 간단하고 생산성이 좋으나 기계적 물성이 약한 단점을 가지고 있으며, 두 번째 방법은 대부분의 기계적 물성은 첫 번째 방법보다 비교적 좋으나 4개의 프리폼이 만나는 면이 수지만으로 구성되어 있어서 4개의 프리폼을 동시성형(co-curing)한다고 하여도 일체형(one-piece)으로 만드는 방법보다 압축 또는 충격에 의하여 균열(crack)이 빠르게 전파되어 피로수명이 단축되는 문제점을 가진다. 또한, 생산이 복잡하고 수작업으로 제품을 만들기 때문에 시간이 많이 걸리고 재현성이 나쁜 단점을 가지고 있다.

본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 프레임 형상의 튜브 부재를 제작하고, 이러한 구조물에 조물(braided fabric) 또는 다축경편물(multi-axial warp knitted fabric)로 감은 다음 기체를 배출하여 수축시키거나 또는 압착하여 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 만든 다음 수지를 충진시켜 경화하는 손쉬운 과정을 통해 내피로성, 내충격성, 내압축성이 개선된 윈도우 프레임을 제조할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 간단한 방식으로 수지만으로 이루어진 면이 없이 일체로 성형이 가능한 윈도우 프레임의 제조방법 및 이러한 방법에 의해 제조되어 우수한 물성을 나타내는 윈도우 프레임을 제공하는 것이다.

상기 목적에 따라, 본 발명은 a) 프레임 형상의 튜브 부재 상에, 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하는 두께가 형성되도록 조물(braid fabric) 또는 다축경편물(multi-axial warp knitted fabric)을 감싸는 단계; b) 상기 조물 또는 다축경편물로 감싸인 튜브 부재를 상기 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 만들어 윈도우 프레임 프리폼을 형성하는 단계; 및 c) 상기 윈도우 프레임 프리폼에 수지를 충진시켜 경화하는 단계를 포함하는 윈도우 프레임의 제조방법을 제공한다.

상기 다른 목적에 따라, 본 발명은 상기 방법에 따라 수지만으로 이루어진 면이 없는, 일체형(one-piece)으로 제조된 윈도우 프레임을 제공한다.

본 발명의 제조방법은 원하는 두께(즉, 원하는 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하는 두께)가 형성되도록 조물 또는 다축경편물을 프레임 형상의 튜브 부재에 감싼 후 기체를 배출시키거나 압착하여 윈도우 프레임의 형상으로 윈도우 프레임 프리폼을 만들기 때문에, 수지만으로 이루어진 면이 없이, 일체형으로 된 윈도우 프레임을 손쉽게 제조할 수 있다.

또한, 이와 같이 제조된 윈도우 프레임은 가벼울 뿐만 아니라 내피로성, 내충격성, 내압축성 등과 같은 물성 면에서 우수하여, 차량, 항공기 등의 운용 비용을 경감하고, 향후 본체가 복합재로 구성된 차량, 항공기 등의 개발 동향에 탄력적으로 대비할 수 있다.

도 1은 일반적인 직사각형의 윈도우 프레임의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 선을 따라 취해진 종단면도이다.
도 3은 도 2에 상응하는, 4 조각의 프리프레그(prepreg)를 적층하여 얻어진 종래 항공기용 윈도우 프레임의 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 프레임의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동장 트랙 형상의 튜브 부재에 대한 개략적인 모식도이다.
도 6은 도 2의 종단면을 원형으로 변형하는 과정을 도시한 윈도우 프레임의 개략적인 단면 형태를 보여준다.
도7은 도 6의 윈도우 프레임을 구성하는 n겹의 조물 또는 다축경편물의 적층 상태의 단면을 보여준다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 조물이 프레임 형상의 튜브 부재 주위를 감싸는 모습을 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 따라 조물들의 겹을 프레임 형상의 튜브 부재 안쪽에서 결합하기 위해 스티칭(stiching)이 행해진 상태를 보여준다.
도 10은 ASTM D 790법에 따라 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4에 대하여 3점 굽힘 시험을 실시하는 모습을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 11은 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4의 굽힙 강도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 KS M 3381법에 따라 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4에 대하여 인장 시험을 실시하는 모습을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 13은 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4의 인장 강도를 나타낸 그래프이다.
도 14는 KS M 3383법에 따라 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4에 대하여 압축 시험을 실시하는 모습을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 15는 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4의 압축 강도를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 윈도우 프레임의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 프레임의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 먼저, 프레임 형상의 튜브 부재 상에 원하는 두께가 되도록 조물 또는 다축경편물을 감는다 (S100).

본 발명에서 프레임 형상의 튜브 부재는 내부에 유리가 장착될 윈도우 프레임 제작을 위한 주형(template)으로 이용되며 추후 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로의 변형이 용이하도록 중공부(hollow part)를 가진 형태로 제작된다. 또한, 상기 튜브 부재는 변형 후에도 제거됨이 없이 윈도우 프레임 내에 존재하고 있기 때문에, 차량, 항공기 등의 경량화를 위해 가벼운 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 이에, 상기 튜브 부재는 알루미늄, 티타늄, 두랄루민(duralumin) 등의 금속 재질을 이용하여 제조되거나, 차량, 항공기용 윈도우 프레임을 성형할 때 일반적으로 사용되는 에폭시 수지를 이용한 필름 혹은 이와 유사한 수지(예: 비닐에스터수지, 불포화 폴리에스터수지, 페놀수지 등)로 만든 필름을 이용하여 제조될 수 있다.

상기 튜브 부재의 제조방법은 중공부가 마련된 프레임 형상의 부재를 제조할 수 있는 방법이라면 특별히 한정되지 않으며, 이때 튜브 부재의 크기 및 형상은 최종 윈도우 프레임의 크기 및 형상을 고려하여 조절한다. 예를 들어, 에폭시 수지 필름으로 이루어진 프레임 형상의 튜브 부재는 에폭시 수지 필름 2장을 각각 프레임 형상(예컨대, 운동장 트랙 형상, 타원형, 원형 등)으로 절단한 후, 이들의 가장자리를 열접착 등을 통해 결합한 다음, 상기 2장의 필름 결합으로 형성된 중공부에 기체를 주입함으로써 얻을 수 있다.

도 5는 운동장 트랙과 같은 타원 형태의 튜브 부재를 예시하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 프레임 형상의 튜브 부재상에는 하기와 같이 직조된 조물 또는 다축경편물이 감싸진다. 상기 조물 또는 다축경편물을 이용하여 제조된 윈도우 프레임 프리폼은, 단섬유를 이용하여 제조된 윈도우 프레임 프리폼과 달리, 섬유가 질서 정연하게 배열되어 있어 섬유의 충진율(packing factor)이 높으며, 또한 섬유부피분율이 증가함에 따라 강도가 증가될 수 있다. 게다가, 단섬유를 이용하여 윈도우 프레임 프리폼을 제조할 경우, 섬유부피분율을 증가시키기 위해 높은 압력을 가하면 섬유의 좌굴(bucking), 꼬임(kink) 등에 의해 물성이 낮아지게 되는데, 조물 또는 다축경편물을 이용할 경우, 섬유부피분율을 약 60 %까지 증가시키더라도 강도가 저하되지 않는다.

상기 단계 S100은 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하도록 조물(braided fabric) 또는 다축경편물(multi-axial warp knitted fabric)을 직조하는 단계와 상기 튜브 부재 상에 조물 또는 다축경편물을 감아 적층하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 직조 단계 이전에, 도 6에 도시된 바와 같이, 윈도우 프레임의 종단면의 일 점을 기준으로 상기 종단면을 원형으로 만들어 상기 종단면의 각 부분의 두께를 산출하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 윈도우 프레임의 종단면의 각 부분을 이등분한 선들이 만나는 점을 기준으로 상기 종단면을 원형으로 만든 후, 상기 종단면의 각 부분의 두께를 산출할 수 있다. 이러한 산출과정에 의해 조물 또는 다축경편물의 최종 두께 및 조물 또는 다축경편물의 겹(층수)을 결정할 수 있으며 상기 과정은 컴퓨터 시뮬레이션 등을 통해 수행될 수 있다.

이렇게 산출된 조물 또는 다축경편물의 두께에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 튜브 부재상에 조물 또는 다축경편물을 감아 n겹의 조물 또는 다축경편물을 튜브 부재상에 적층할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 조물 및 다축경편물은 천의 일종으로, 당 업계에 알려진 방법에 따라 직조될 수 있다. 다만, 본 발명에서 사용하는 조물은 일반적인 조물과 달리, 튜브 부재의 길이방향에 수직인 단면 둘레를 따라 두께가 변하도록 실의 굵기를 달리하거나 중심사(axial yarn)의 굵기를 달리하여 직조된다. 즉, 본 발명의 조물은 튜브 부재의 길이방향에 수직인 단면 둘레를 따라 두께가 변하고, 튜브 부재의 둘레에 감길 때 단면 둘레의 동일한 위치에 동일한 두께의 조물 부위가 겹쳐져서 위치한다.

또, 본 발명에서 사용하는 다축경편물도 전술한 조물과 마찬가지로, 튜브 부재의 길이방향에 수직인 단면 둘레를 따라 두께가 변하도록 0 ˚로 사용되는 실의 굵기를 달리하여 직조되며, 이로 인해 상기 다축경편물은 튜브 부재의 길이방향에 수직인 단면 둘레를 따라 두께가 변하고, 튜브 부재의 둘레에 감길 때 단면 둘레의 동일한 위치에 동일한 두께의 다축경편물 부위가 겹쳐져서 위치한다.

또한, 본 발명에서는 상기 조물 및 다축경편물의 직조시, 원하는 강도 방향에 따라 조물에서는 브레이드사의 배향각에 변화를 주며, 다축경편물에서는 배향각에 변화를 줄 수 있다.

조물(또는 다축경편물)은 열린 형태로 짜면서 튜브 부재 주위를 감거나 튜브 부재의 길이 및 둘레에 대응하는 치수(dimension, 폭 × 너비)로 이미 짜여진 n장의 조물(또는 다축경편물)을 적층하는 형태로 감을 수도 있다.

본 발명에서 사용된 조물(braided fabric) 및 다축경편물은 직물(woven fabric)과 달리, 직선 및 곡선 부분에서 전단 변형(shear deformation)이 쉬워 원통형으로 구겨짐 없이 변형될 수 있으며, 두께가 한면에서 변하도록 실의 굵기를 달리하거나 중심사의 굵기(또는 0˚로 사용하는 실의 굵기)를 달리하여 직조될 수 있다. 직조된 조물(또는 다축경편물)을 감싸면서 조물(또는 다축경편물)의 양쪽 끝을 튜브 부재의 안쪽에서 스티칭(stiching)하거나 접착제 등을 이용하여 결합시킬 수 있다. 조물(또는 다축경편물)의 스티칭은 수작업으로 하거나 스티칭 장치에 의해 이루어질 수 있고 접착제 등은 분무 등의 방법에 의해 적용이 가능하다. 이러한 과정을 통해 조물(또는 다축경편물)의 양 끝단이 풀어지는 것을 방지할 수 있고 적절한 자재 형상을 유지할 수 있다.

도 8은 조물이 튜브 부재 주위를 감싸는 모습을 개략적으로 보여주고 있으며, 도 9는 조물들의 겹을 튜브 부재 안쪽에서 결합하기 위해 스티칭된 상태를 보여준다.

다음으로, 상기 조물 또는 다축경편물로 감싸인 튜브 부재를 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 만들어 윈도우 프레임 프리폼을 형성한다 (S200).

상기 단계 S200은 상기 튜브 부재를 파괴하는 단계 및 상기 파괴된 튜브 부재와 이러한 튜브 부재에 감싸져 있는 조물 또는 다축경편물을, 몰드를 이용하여 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 가압 성형 또는 수지이동성형(RTM, Resin Transfer Molding)하는 단계를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 튜브 부재가 수지성(resinous) 필름으로 제조된 경우, 튜브 부재를 바늘과 같은 도구를 사용하여 터트리면, 튜브 부재 내부에 충진되어 있던 기체가 외부로 배출되어 상기 튜브 부재가 수축되고, 이렇게 수축된 튜브 부재와 이러한 튜브 부재에 감싸져 있는 조물 또는 다축경편물이 몰드상에서 원하는 윈도우 프레임 형상으로 변형될 수 있다. 한편, 상기 튜브 부재가 금속 시트로 제조된 경우, 압착 등의 방식으로 상기 튜브 부재를 눌러서 몰드상에서 원하는 윈도우 프레임의 형상으로 변형시킬 수 있다. 이러한 공정은 필라멘트 와인딩 제조방법에서 맨드럴(mandrel)을 제거할 수 없을 때 라이너(liner)를 사용하는 방법과 유사하다.

마지막으로, 형성된 윈도우 프레임 프리폼(즉, 윈도우 프레임 형상으로 된 조물 및 튜브 부재)에 수지를 충진하여 경화한다(S300).

수지 충진 공정은 당업계에 익히 알려진 RTM(resin transfer molding), VaRTM(vacuum-assisted RTM), 오토클레이브(autoclave) 공정 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, RTM 공법이 바람직하다. 수지는 VRM34(Hexcel사), RTM6(Hexcel사) 등이 사용될 수 있다.

수지 충진 이후에는, 수지가 충진된 윈도우 프레임 프리폼을 당업계에 일반적으로 알려진 방법을 이용하여 경화시켜 원하는 윈도우 프레임을 얻는다. 예를 들어, 약 70 내지 90 ℃의 온도하에서 상기 충진된 수지를 경화시킬 수 있다.

본 발명은 또한 상기 방법에 따라 수지만으로 이루어진 층이 없이 일체형으로 제조되고 내압축성, 내피로성, 내충격성 등의 측면에서 우수한 윈도우 프레임을 제공한다.

본 발명에 따른 윈도우 프레임은 상술한 바와 같이 프레임 형상의 튜브 부재상에 상기 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하는 두께가 형성되도록 조물 또는 다축경편물을 감싼 다음 기체를 배출시켜 수축하거나 또는 압착하여 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 만든 후 수지를 충진, 경화시키기 때문에 수지만으로 이루어진 층이 없이, 일체형으로 윈도우 프레임을 손쉽게 제조할 수 있다. 나아가, 본 발명의 윈도우 프레임은 조물(또는 다축경편물)과 수지로 구성된 뛰어난 성능의 복합재료를 이용하여 제조되기 때문에, 가벼울 뿐만 아니라 내압축성, 내피로성, 내충격성 등과 같은 물성면에서 우수하여, 차량, 항공기 등에 적용가능하며 이들의 운용 비용을 경감하고, 향후 본체가 복합재로 구성된 항공기 등의 개발 동향에 탄력적으로 대비할 수 있다.

이상에서, 본 발명은 항공기용 윈도우 프레임의 측면에서 설명되고 있지만 이는 예시적인 것에 불과하며, 차량, 헬리콥터, 일반 건물 등에도 적용이 가능하며, 나아가 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

프레임 형상의 튜브 부재(에폭시 수지 필름)를 준비하였다(도 5 참조). 또, 3축(triaxial) 브레이드 기계를 이용하여 조물[원사: E-glass fiber (㈜ 한국화이바의 ER 600), 원사 굵기: 900 Denier]를 준비하였다. 이후, 도 9에 도시된 바와 같이, 준비된 튜브 부재 상에 상기 조물을 열린 형태로 감으면서, 조물의 양끝 부분을 튜브 부재의 안쪽에서 계속적으로 스티칭하였다. 이후, 조물로 감싸진 튜브 부재를 바늘로 터뜨린 다음, 몰드를 이용하여 윈도우 프레임 형상으로 가압 성형하여 윈도우 프레임 프리폼을 제조하였다. 이어서, RTM(Resin Transfer Molding) 성형법을 통해 상기 윈도우 프레임에 수지 조성물(에폭시 수지/경화제=3/1, 이때 에폭시 수지로서 국도화학의 YD-114 사용)을 충진시키고 80 ℃에서 2 시간 동안 경화시켜 윈도우 프레임을 제조하였다.

<실시예 2>

실시예 1에서 사용된 조물 대신 다축 경편물[원사: E-glass fiber (㈜ 한국화이바의 ER 600), (주)동일산자 제품, 0/±45 적층]을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 윈도우 프레임을 제조하였다.

<실험예 1> - 윈도우 프레임의 물성 측정

1-1. 재료 및 시편 제조

(a) 재료

- 원사: E-Glass fiber (㈜한국화이바의 ER 600, 굵기: 900 denier)

- 조물: 3축(triaxial) 브레이드 기계를 이용하여 제조

- 다축경편물: (주)동일산자 제품, 0/±45 적층

- 수지 조성물: 에폭시 수지와 경화제 함유(에폭시수지/경화제 =3/1)

(b) 시편 1 ~ 4의 제조

준비된 조물을 몰드(40 ㎜ × 200 ㎜)에 넣은 후, 상기 몰드에 수지 조성물을 주입한 후 80 ℃에서 2시간 동안 경화시켜 조물 복합재료를 제조하였다. 이때, 조물 복합재료의 유리섬유부피분율을 30, 40, 50, 60 %로 조절하여 시편 1 ~ 4를 얻었다. 여기서, 유리섬유부피분율은 하기 수학식 1로 계산되었고, 이 계산 결과에 따라 각 시편의 섬유부피분율에 따른 두께를 계산하여, 각각의 섬유부피분율에 따른 시편을 제조하였다. 하기 표 1은 시편 1 ~ 4에 대하여 두께를 동일하게 하고, 무게에 따른 각각의 섬유부피분율을 계산한 것을 나타낸 것이다.

(상기 수학식 1에서,

V _f 는 유리섬유 부피(㎤)이고,

V _m 은 에폭시 수지 부피(㎤)임)

	Fiber weight(g)	No. of ply	Fiber volume fraction (%)
시편 1	7.7	3	30.1
시편 2	10.3	4	40.1
시편 3	12.9	5	50.2
시편 4	15.5	6	60.2

(c) 시편 5 ~ 8의 제조

조물 복합재료의 제조에서 사용된 조물 대신 다축 경편물을 사용하는 것을 제외하고는, 조물 복합재료의 제조와 동일하게 수행하여 다축 경편물 복합재료를 제조하였다. 이때, 다축경편물 복합재료의 유리섬유부피분율을 30, 40, 50, 60 %로 조절하여 시편 5 ~ 8를 얻었다. 각 시편의 제조시, 상기 시편 1 ~ 4와 마찬가지로 상기 수학식 1에 의해 각 시편의 섬유부피분율을 계산하고, 이를 통해 두께를 계산하여, 각각의 섬유부피분율에 따른 시편을 제조하였다. 하기 표 2은 시편 5 ~ 8에 대하여 두께를 동일하게 하고, 무게에 따른 각각의 섬유부피분율을 계산한 것을 나타낸 것이다.

	Fiber weight(g)	No. of ply	Fiber volume fraction (%)
시편 5	10.9	3	30.5
시편 6	14.5	4	40.6
시편 7	18.2	5	50.8
시편 8	21.8	6	61.0

(d) 대조시편 1 ~ 4의 제조

E-Glass fiber (㈜한국화이바의 ER 600, 굵기: 900 denier)를 1 inch 길이로 절단한 다음, 이를 준비된 수지 조성물과 혼합한 후, 이들을 몰드(40 ㎜ × 200 ㎜)에 넣고 80 ℃에서 2 시간 동안 경화시켜 단섬유 복합재료를 제조하였다. 이때, 단섬유 복합재료의 유리섬유부피분율을 30, 40, 50, 60 %로 조절하여 대조시편 1 ~ 4를 얻었다. 각 시편의 제조시, 상기 시편 1 ~ 4와 마찬가지로 상기 수학식 1에 의해 각 시편의 섬유부피분율을 계산하고, 이를 통해 두께를 계산하여, 각각의 섬유부피분율에 따른 시편을 제조하였다. 하기 표 3은 대조시편 1 ~ 4에 대하여 두께를 동일하게 하고, 무게에 따른 각각의 섬유부피분율을 계산한 것을 나타낸 것이다.

	Fiber weight(g)	Fiber volume fraction (%)
대조시편 1	12.3	30.1
대조시편 2	16.4	40.1
대조시편 3	20.4	50.0
대조시편 4	30.6	60.0

1-2. 굽힘 강도( flexural strength ) 측정

1) ASTM D 790 법에 따라 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4에 대하여 3점 굽힘 시험(3-point bending test)을 실시하여 굽힘 강도를 측정하였다(도 10 참조). 측정 결과를 도 11에 나타내었다. 측정시, cross-head speed는 2 ㎜/min이었고, 시편의 지지대 거리와 두께의 비율은 16 : 1 이었다. 여기서, 굽힘 강도는 하기 수학식 2로 계산하였다.

(상기 수학식 1에서,

P는 최대 하중(N)이고,

L은 지지대 거리(m)이며,

b는 시편의 폭(m)이고,

t는 시편의 두께(m)임)

1-3. 인장 강도 측정

KS M 3391 법에 따라 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4에 대하여 인장 시험을 실시하여 인장 강도를 측정하였다(도 12 참조). 측정 결과는 도 13에 나타내었다. 도 12에 도시된 바와 같이, 인장시험기의 그립 부위에서 시편의 압축 파단을 방지하기 위해 시료의 끝 부분에 탭을 부착하였다. 측정시, cross-head speed는 1.5 ㎜/min이었다.

1-4. 압축 강도 측정

KS M 3383 법에 따라 시편 1 ~ 8과 대조시편 1 ~ 4에 대하여 압축 시험을 실시하여 압축 강도를 측정하였다(도 14 참조). 측정 결과는 도 15에 나타내었다. 측정시, cross-head speed는 1.5 ㎜/min이었고, 시편의 길이는 80 ㎜이었다. 압축 강도는 하기 수학식 3으로 계산하였다.

(상기 수학식 2에서,

σ은 압축 강도(MPa)이고,

P는 파괴시 압축 하중(N)이며,

A는 시편의 단면적(㎟)임)

1-5. 결과

1) 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 시편 1 ~ 4는 섬유부피분율이 큰 시편일 수록 굽힙강도가 높았고, 이는 시편 5 ~ 8도 마찬가지였다. 즉, 조물 복합재료 및 다축경편물 복합재료의 경우 섬유부피분율이 증가할수록 굽힘강도가 증가하였다. 반면, 대조시편 2(섬유부피분율: 40 %)가 대조시편 1(섬유부피분율: 30 5)보다 굽힙강도가 높았으나, 대조시편 2보다 섬유부피분율이 큰 대조시편 3이나 4의 경우, 대조시편 2와 유사한 굽힘강도를 가졌다. 즉, 단섬유 복합재료의 경우, 섬유부피분율이 증가하여도 굽힘강도가 그리 높지 않았다.

2) 인장 강도 측정 결과, 시편 1 ~ 8은 섬유부피분율이 클수록 인장강도가 높았으며, 대조시편 1 ~ 4보다 인장강도가 높았다(도 12 참조). 이는 대조시편 1 ~ 4의 경우, 단섬유의 배향이 무작위로 배열되어 있어 축방향으로 배열되어 있는 섬유가 상대적으로 적고 섬유의 좌굴(buckling)의 영향으로 인해 인장강도가 더 낮은 것으로 생각된다.

또, 조물을 사용한 시편 1 ~ 4의 경우, 다축경편물을 사용한 시편 5 ~8에 비해 인장강도가 높았다. 이는 시편 1 ~ 4에서 사용된 조물의 경우, axial사뿐만 아니라 브레이드사의 배향각이 45 ˚보다 작게 배향됨으로써 축방향으로 많은 섬유가 배향되어 있기 때문이라 생각된다.

3) 압축 강도 측정 결과, 조물 복합재료 또는 다축경편물 복합재료를 사용한 시편 1 ~ 8의 경우, 단섬유 복합재료를 사용한 대조시편 1 ~ 4에 비해 압축 특성이 우수하였다(도 15 참조). 또, 시편 1 ~ 8의 경우, 섬유부피분율이 증가함에 따라 압축 강도가 향상된 반면, 대조시편 1 ~ 4의 경우, 섬유부피분율이 40 %일 때 최대 압축 강도를 가지나 섬유부피분율이 50, 60 %일 때 압축 강도가 매우 많이 낮아졌다. 이는 단섬유복합재료의 경우, 섬유부피분율이 높아지게 되면 섬유 사이에 수지가 제대로 침투(충진)되지 못하여 미세 기공이 존재하게 되고, 이로 인해 압축 특성이 저하되는 것으로 추정된다. 또, 복합재료의 압축특성은 섬유의 특성뿐만 아니라 복합재료 내 결점의 수, 기지재(수지 조성물)의 충진율 등도 주요한 요인으로 작용하는 바, 단섬유 복합재료의 섬유부피분율이 50, 60 %로 증가될수록 섬유가 더 많이 굴곡(buckling)되고, 이로 인해 섬유 사이에 더 많은 빈 공간(미세 기공)이 존재하게 되고, 따라서 낮은 압축하중이 가해져도 상기 빈 공간에서부터 균열(crack)이 발생하여 파단이 발생한 것으로 생각된다.

4) 이러한 측정 결과들을 통해, 본 발명과 같이, 프레임 형상의 튜브 부재를 조물 또는 다축경편물로 감싼 후 수지로 충진하고 경화시켜 얻은 윈도우 프레임 프리폼을 이용하여 윈도우 프레임을 제조할 경우, 단섬유 복합재료를 이용하는 종래 윈도우 프레임에 비해 동일한 섬유부피분율에서 굽힘강도, 인장 강도, 압축 강도 등의 물성이 현저하게 향상될 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 윈도우 프레임을 제조시 조물 또는 다축경편물의 섬유부피분율을 60 % 정도로 조절하여 사용할 경우, 단섬유 복합재료를 이용한 종래 윈도우 프레임보다 질량이 1/2 정도로 대폭 감소될 수 있다는 것을 예상할 수 있다.

Claims (7)

1. a) 프레임 형상의 튜브 부재 상에, 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하는 두께가 형성되도록 조물(braided fabric) 또는 다축경편물(multi-axial warp knitted fabric)을 감싸는 단계;
   b) 상기 조물 또는 다축경편물로 감싸인 튜브 부재를 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 만들어 윈도우 프레임 프리폼을 형성하는 단계; 및
   c) 상기 윈도우 프레임 프리폼에 수지를 충진시켜 경화하는 단계
   를 포함하는 윈도우 프레임의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단계 a)는
   a1) 상기 윈도우 프레임의 종단면의 형상에 대응하도록 상기 조물 또는 다축경편물을 직조하는 단계; 및
   a2) 상기 튜브 부재상에 상기 직조된 조물 또는 다축경편물을 감싸는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 단계 a1) 이전에, 상기 윈도우 프레임의 종단면의 일점을 기준으로 상기 종단면을 원형으로 만들어 상기 종단면의 각 부분의 두께를 산출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 단계 a2)에서, 상기 조물 또는 다축경편물의 양끝을 상기 튜브 부재의 안쪽에서 스티칭(stiching)하거나 접착제를 이용하여 양끝을 잇는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단계 b)는
   b1) 상기 튜브 부재를 파괴하는 단계; 및
   b2) 상기 파괴된 튜브 부재와 이러한 튜브 부재에 감싸져 있는 조물 또는 다축경편물을, 몰드를 이용하여 윈도우 프레임에 대응하는 형상으로 가압 성형하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 단계 c)는 RTM(resin transfer molding), VaRTM(vacuum-assisted RTM), 및 오토클레이브(autoclave) 공정 중에서 선택된 하나의 공정을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법에 따라 일체형으로(one-piece) 제조된 윈도우 프레임.

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