KR20150071948A - 와인딩 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 맨드렐 없이 연속섬유를 방사하여 중공형의 실린더 부품을 제조하는 방법 및 이의 제조 장치에 관한 것이다.

Description

와인딩 방법 및 이를 위한 장치 {A method for winding and an equipment for thereof}
본 발명은 맨드렐 없이 연속섬유를 방사하여 중공형의 실린더 부품을 제조하는 방법 및 이의 제조 장치에 관한 것이다.
섬유의 직조 기술로서 종래에는 필라멘트 와인딩 (filament winding) 방법이 많이 연구되어 왔다. 필라멘트 와인딩 법은 연속섬유에 수지(resin)를 함침시킨 후 일정 형상을 지닌 맨드렐 위에 연속 섬유를 감은 후 경화 공정을 통해 복합재를 성형하는 방법이다. 이러한 방법은 일정 형상을 지닌 맨드렐을 포함하여야만 함으로 이에 따른 제조비 증가가 필연적이고, 또한 생산성 저하 및 최종 제품의 중량 증가 문제가 발생한다.
필라멘트 와인딩 방법 및 장비 관련한 기술은 다양한 특허가 최근에도 출원되고 있을 정도로 많이 사용 및 연구되고 있는 공정(도 1 참조)이다.
예를 들면, US 8424793 B2 (Filament winding device and filament winding method), US 8105454 B2 (Filament winding apparatus and method thereof), US 6655707 B2 (Net shape filament winding manufacturing process), US 6601793 B2 (Filament winding apparatus and yarn end processing method for the apparatus), 및 US 6179945 B1 (Process for filament winding composite workpieces)을 들 수 있다.
본 발명은 상기 기술한 기존 필라멘트 와인딩 공법 문제점 해결하기 위하여 원심력을 이용한 직조 방법 및 장치의 제공하고자 한다.
본 발명은,
수지가 함침된 섬유를 직조하여 3차원의 중공형 섬유성 구조재를 제조하는 방법에 있어서, 중공 형상의 금형 내부에서 수지가 함침된 섬유가 방사되어 금형 내부 표면에 안착하는 것이고, 섬유를 방사하는 방사부는 금형 내부에서 이동 축을 따라 이동 및 회전하는 것이며, 방사는 원심력에 의하여 원주방향으로 이루어지는 것이고, 3차원의 중공형 섬유성 구조재는 금형의 내부 형상을 따라 직조되어 제조되는 것인 방법을 제공한다.
본 발명의 원심력을 이용한 직조 방법 및 그 장치는 맨드렐의 이용이 배제되어 제조 원가가 절감되고, 라이너리스 (Linerless) 제품의 생산성을 향상시키며, 맨드렐 없는 최종 제품을 구현하여 제품 경량화를 달성할 수 있다.
도 1은 종래의 필라멘트 와인딩 방법 및 그 장비를 모식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 원심력을 이용한 연속 직조방법을 모식화한 것이다.
본 발명은,
수지가 함침된 섬유를 직조하여 3차원의 중공형 섬유성 구조재를 제조하는 방법에 있어서, 중공 형상의 금형 내부에서 수지가 함침된 섬유가 방사되어 금형 내부 표면에 안착하는 것이고, 섬유를 방사하는 방사부는 금형 내부에서 이동 축을 따라 이동 및 회전하는 것이며, 방사는 원심력에 의하여 원주방향으로 이루어지는 것이고, 3차원의 중공형 섬유성 구조재는 금형의 내부 형상을 따라 직조되어 제조되는 것인 방법을 제공한다.
상기 방법은 별도의 맨드렐을 이용하지 않는 것을 하나의 특징으로 한다.
원주방향으로의 방사는 각속도는 방사되는 섬유가 금형의 내벽면에 도달될 때까지 가속될 수 있으며, 방사부에서 섬유가 방사되는 부위로서 노즐은 틸팅(tilting)운동할 수 있다.
중공형 섬유성 구조재의 직조된 형상 및 그 치밀도는 방사되는 섬유의 궤적, 방사부에서 섬유가 방사되는 부위로서 노즐의 틸팅각, 방사부의 운동속도 및 금형의 내부형상에 의해 예측될 수 있으며, 직조 두께는 방사부가 이동축을 따라 전진 및 후진을 반복하여 두꺼워지도록 할 수 있다.
한편, 직조 이후 직조물을 금형 내로 가압하거나, 금형으로부터 이형한 후 열경화, 자외선 경화 또는 탈수 경화하는 것을 더욱 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은,
하기 그림으로 나타낼 수 있는 수지가 함침된 섬유 직조물로서 중공형 섬유성 구조재를 제조하는 장치를 제공한다.
그림
Figure pat00001
상기 그림에서 A 는 브레이딩 또는 필라멘트 와인딩에 사용되는 섬유로 B(노즐)에서 방사되기 전 단계에서 수지 함침 과정이 진행된 상태로 존재하는 것이고;
B는 섬유를 방사시키는 노즐로 1수준 또는 2수준의 자유도를 가지고 C 와 결합되어 있어, C의 끝단부에서 1축 또는 2축으로 굽힘(tilting)이 가능한 것이고;
C 는 방사부로서, B와 결합되어 있으며 중심부는 중공 (hollow) 이고, 전진 및 후진 운동이 가능하고 중심축을 중심으로 회전운동을 하며, 중공부를 통해 섬유가 B 로 이동되는 것이고;
D 및 E 는 중공 타입 부품 제조를 위한 금형으로 상부(D)와 하부(E) 금형으로 구성되어 있으며, B로 부터 방사된 섬유는 D 및 E 의 내측면에 금형 내부 형상을 따라 와인딩 또는 직조되는 것이다.
상기 그림의 “가”구간은 초기 방사되는 섬유의 궤적을 안정화 시키는 구간으로 “가” 구간 이후 “나” 구간의 영역에서부터는 설계된 형상의 부품으로 섬유가 방사되는 것일 수 있다.
C의 회전운동으로 인한 방사되는 섬유의 각속도는 방사되는 섬유가 금형의 내벽면에 도달될 때까지 가속되도록 할 수 있다.
방사되는 섬유의 궤적, 방사부(C)에서 섬유가 방사되는 부위로서 노즐(B)의 틸팅각, 방사부의 운동속도 및 금형의 내부형상에 의해 중공형 섬유성 구조재의 직조된 형상 및 그 치밀도를 예측할 수 있으며, 방사부(C)가 전진 및 후진을 반복하여 중공형 섬유성 구조재의 직조 두께를 조절할 수 있다.
본 장치는 별도의 맨드렐이 존재하지 않는다.
기존 필라멘트 와인딩 공법(도 1 참조)은 연속섬유 보강 고분자 복합재를 활용한 고강도 구조재 제조에 많이 사용되고 있으나, 원하는 형상을 맨드렐로 먼저 제조한 후, 그 위에 연속섬유를 와인딩해야만 함으로써, 이에 따른 제조 원가 상승, 생산성 저하 및 제조물의 중량 증가의 문제가 있는 실정이다. 이와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 맨드렐 없이 연속섬유 보강 고분자복합재 구조재 제조를 원심력을 이용한 섬유 방사법을 이용하는 방법 및 장치를 제시한다.
더욱 상세하게는, (수지) 함침된 섬유를 방사시키는 과정에서 방사부를 회전시켜 섬유의 원심력을 발생시킴으로써 중공 형상의 금형 내부에 (수지) 함침된 연속섬유가 방사되어 안착되도록 함(도 2 참조)으로써 별도의 맨드렐 없이 고강도 구조재 제조 가능, 예를 들면, 맨드렐 없이 연속섬유를 활용한 중공 형상의 실린더 부품 제조가 가능해지므로 필라멘트 와인딩 제조방법으로 제조될 수 있는 형상에 모두 적용이 가능하다.
제품 제작에 필요한 섬유는 순차적으로 ‘C’, ‘B’ 구간을 통해 이동하며 ‘B’ 노즐 끝단부에서 자유공간 (free Space) 로 방사된다.
방사된 섬유는 중력에 의해 지구 중심방향으로 포물선 운동을 하며 자유낙하 해야 하지만, ‘C’ 가 중심축을 중심으로 회전운동을 할 경우 ‘C’와 동일한 중심축을 중심으로 회전운동이 가능하다. 이 때 회전운동의 궤적은 방사된 섬유의 길이, ‘C’ 의 회전속도, ‘B’ 의 틸팅(tilting) 각에 의해 결정되며, 따라서 방사된 섬유가 금형의 내벽면에 도달할 수 있을 정도 이상의 각속도를 만들어낼 수 있도록 하면 ‘B’의 노즐부에서 방사된 섬유는 금형 내벽면에 접촉할 수 있다.
‘C’ 가 전진 또는 후진함에 따라 섬유가 접촉하는 금형 내 위치 조절이 가능하기 때문에, 이러한 ‘B’, ‘C’ 의 운동을 종합적으로 제어함으로써 ‘B’에서 방사된 섬유를 이용하여 금형 내벽을 치밀하게 채울 수 있다.
기본적으로 섬유의 궤적은 ‘B’, ‘C’ 운동 및 금형의 형상 정보 등을 바탕으로 손쉽게 예측 가능하며, 따라서 반대로 금형의 형상 정보를 바탕으로 섬유 방사속도 및 ‘B’, ‘C’의 운동 함수를 계산해 낼 수 있다.
따라서 본 장치를 이용하여 고압탱크 제조 시에는 초기에 금형 형상 정보를 바탕으로 직조 또는 와인딩을 위한 ‘B’, ‘C’의 운동 함수가 자동적으로 계산 프로그래밍 되고, 이를 바탕으로 장치가 작동하여 최종 제품을 만들게 된다.
또한 ‘C’ 의 전진, 후진 운동을 반복적으로 진행시킴으로써 직조 또는 와인딩 벽 두께를 조절할 수 있으며, 직조 또는 와인딩이 완료된 이후에는 금형을 닫고 공기압으로 내압(internal pressure)을 부여하여 경화공정을 거치거나 또는 금형과 이형시킨 후 직조 또는 와인딩된 제품만 별도로 경화시켜 최종 제품을 제작할 수 있다.

Claims (13)

  1. 수지가 함침된 섬유를 직조하여 3차원의 중공형 섬유성 구조재를 제조하는 방법에 있어서, 중공 형상의 금형 내부에서 수지가 함침된 섬유가 방사되어 금형 내부 표면에 안착하는 것이고, 섬유를 방사하는 방사부는 금형 내부에서 이동 축을 따라 이동 및 회전하는 것이며, 방사는 원심력에 의하여 원주방향으로 이루어지는 것이고, 3차원의 중공형 섬유성 구조재는 금형의 내부 형상을 따라 직조되어 제조되는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 별도의 맨드렐을 이용하지 않는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 원주방향으로의 방사는 각속도는 방사되는 섬유가 금형의 내벽면에 도달될 때까지 가속되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 방사부에서 섬유가 방사되는 부위로서 노즐은 틸팅(tilting)하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 중공형 섬유성 구조재의 직조된 형상 및 그 치밀도는 방사되는 섬유의 궤적, 방사부에서 섬유가 방사되는 부위로서 노즐의 틸팅각, 방사부의 운동속도 및 금형의 내부형상에 의해 예측되는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 중공형 섬유성 구조재의 직조 두께는 방사부가 이동축을 따라 전진 및 후진을 반복하여 두꺼워지는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 직조 이후 직조물을 금형 내로 가압하거나, 금형으로부터 이형한 후 열경화, 자외선 경화 또는 탈수 경화하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  8. 하기 그림으로 나타낼 수 있는 수지가 함침된 섬유 직조물로서 중공형 섬유성 구조재를 제조하는 장치.
    Figure pat00002

    그림
    상기 그림에서 A 는 브레이딩 또는 필라멘트 와인딩에 사용되는 섬유로 B(노즐)에서 방사되기 전 단계에서 수지 함침 과정이 진행된 상태로 존재하는 것이고;
    B는 섬유를 방사시키는 노즐로 1수준 또는 2수준의 자유도를 가지고 C 와 결합되어 있어, C의 끝단부에서 1축 또는 2축으로 굽힘(tilting)이 가능한 것이고;
    C 는 방사부로서, B와 결합되어 있으며 중심부는 중공 (hollow) 이고, 전진 및 후진 운동이 가능하고 중심축을 중심으로 회전운동을 하며, 중공부를 통해 섬유가 B 로 이동되는 것이고;
    D 및 E 는 중공 타입 부품 제조를 위한 금형으로 상부(D)와 하부(E) 금형으로 구성되어 있으며, B로 부터 방사된 섬유는 D 및 E 의 내측면에 금형 내부 형상을 따라 와인딩 또는 직조되는 것이다:
  9. 제8항에 있어서, 상기 그림의 “가”구간은 초기 방사되는 섬유의 궤적을 안정화 시키는 구간으로 “가” 구간 이후 “나” 구간의 영역에서부터는 설계된 형상의 부품으로 섬유가 방사되는 것인 장치.
  10. 제8항에 있어서, C의 회전운동으로 인한 방사되는 섬유의 각속도는 방사되는 섬유가 금형의 내벽면에 도달될 때까지 가속되는 것인 장치.
  11. 제8항에 있어서, 방사되는 섬유의 궤적, 방사부(C)에서 섬유가 방사되는 부위로서 노즐(B)의 틸팅각, 방사부의 운동속도 및 금형의 내부형상에 의해 중공형 섬유성 구조재의 직조된 형상 및 그 치밀도를 예측하는 것인 장치.
  12. 제8항에 있어서, 방사부(C)가 전진 및 후진을 반복하여 중공형 섬유성 구조재의 직조 두께를 조절하는 것인 장치.
  13. 제8항에 있어서 별도의 맨드렐이 존재하지 않는 장치.
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