KR20150137238A - 복합소재를 이용한 자전거 프레임 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합소재를 이용한 자전거 프레임 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본섬유사로 된 튜브층과 아라미드섬유사로 된 보강층이 정방향과 역방향으로 교차되면서 슬리브 형태로 제직되어 수지 함침으로 경화 형성되는 튜브와, 상기 튜브의 단부가 삽입 연결되도록 인입부가 형성되는 러그와, 상기 튜브 및 러그의 연결부에 상호간 대응 형성되어 양측을 결합하는 고정수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명은 얇은 두께로도 내구성이 우수하고 제조단가가 낮은 튜브형 소재 제작이 가능해지며, 아라미드섬유사로 된 보강층이 교차 투입되어 카본섬유사로 된 튜브층으로 이루어진 슬리브형 직물표면을 단위 직물조직으로 분할 지지해주게 되므로 가공이나 외부충격을 분산시켜주고 부분적인 크랙이 소재 전체로 확산되는 것을 방지하여 가공성과 내구성이 향상되는 효과가 있다.

Description

복합소재를 이용한 자전거 프레임 및 그 제조방법{Bicycle frame using composite materials and its manufacturing method}

본 발명은 복합소재를 이용한 자전거 프레임 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본섬유사 및 아라미드섬유사를 혼합하여 튜브형태로 프레임을 직조함으로써 내구성 약화가 방지되면서도 튜브의 생산성이 향상되고, 러그를 이용해 튜브를 조립함으로써 다양한 형태의 프레임을 신속하고 간편하게 제작가능하도록 한 복합소재를 이용한 자전거 프레임 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 카본을 이용한 소재는 작업자가 금형에 카본직물과 경화를 위한 수지를 반복 도포한 후 이를 경화시키는 핸드 레이업 방식을 채택하고 있으며, 프레임 등에 널리 쓰이는 튜브형 구조의 경우 카본과 수지를 대응되는 형상으로 제작된 한 쌍의 금형에 도포 후 이를 맞물려 부착한 뒤 경화시키는 방식을 제조되고 있다.

그러나 상술한 방식은 카본과 수지의 도포가 수작업으로 이루어짐에 따라 생산성이 떨어지고 불량률이 높을 뿐만 아니라 접합부의 내구성이 상대적으로 취약한 문제점이 있으며, 일체형으로 제조되는 제조방식의 특성상 길이 조절과 같은 간단한 구조변경시에도 사용되는 금형을 새로 준비해야하므로 소비자의 다양한 수요에 적극적으로 대응하는 것이 쉽지 않은 문제점이 있었다.

이에 본 출원인은 상술한 문제점 개선을 위해 등록특허 제10-1155633호에서 브레이딩 방식을 이용해 수지가 함침된 섬유소재를 튜브형태로 제조한 후, 이를 경화시켜 필요한 길이로 절단하여 사용하도록 함으로써 생산성을 개선하고 다양한 규격의 복합소재튜브를 간편하게 성형할 수 있는 튜브형 복합재의 연속 제조시스템과 그로부터 제조되는 튜브형 복합재를 제시하고 있다.

그러나, 상기 선등록출원을 통해 제조되는 튜브형 복합재는 고가의 카본소재를 이용해 제작되므로 강도보강을 위한 소재의 적층이 반복될수록 제조시스템의 규모가 커지게 되므로 튜브의 두께를 두껍게 성형하는 것에 한계가 있으며, 카본소재의 특성상 용접이 불가능하고 충격에 약한 소재의 절단 및 조립과정에서 단부에 크랙이 발생하기 쉬워 통상의 체결구를 적용하는 것도 용이하지 않으므로 튜브의 결합구조가 본딩방식으로 제한되어 견고한 고정이 쉽지 않고 결합부 파손 발생의 우려가 있음과 아울러 제조단가가 높은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로, 튜브형 복합재를 이루는 카본섬유사에 인장강도와 내충격성이 우수한 아라미드섬유사를 함께 적용함으로써 얇은 두께로 우수한 강도와 내구성이 확보됨과 아울러 충격에 의한 파손율(크랙발생 완화)이 감소되어 볼트나 리벳과 같은 확고한 체결이 가능한 복합소재를 이용한 자전거 프레임 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 카본섬유사로 된 튜브층과 아라미드섬유사로 된 보강층이 정방향과 역방향으로 교차되면서 슬리브 형태로 제직되어 수지 함침으로 경화 형성되는 튜브와, 상기 튜브의 단부가 삽입 연결되도록 인입부가 형성되는 러그와, 상기 튜브 및 러그의 연결부에 상호간 대응 형성되어 양측을 결합하는 고정수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이때, 보강층 끼리 교차되면서 메쉬 형태의 폐쇄영역을 갖는 지지셀이 형성되고, 지지셀 내에는 복수의 튜브층 끼리 교차되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 튜브층과 보강층의 교차점을 지나는 아라미드섬유사로 된 종보강층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 러그는 서로 대칭되게 분리 형성되어 튜브를 사이에 두고 형합되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 고정수단은 볼팅, 리벳팅 또는 걸림형 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 카본섬유사로 된 튜브층과 아라미드섬유사로 된 보강층을 정방향과 역방향으로 교차 제직한 후, 수지를 함침하여 튜브를 경화 형성하는 튜브제조단계와, 상기 튜브가 삽입되는 인입부를 갖는 러그를 사출 성형하는 러그제조단계와, 상기 튜브의 단부를 러그의 인입부에 결합한 후, 양측을 고정시켜 프레임을 완성하는 프레임조립단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 보강층과 인접하는 보강층 사이에 복수의 튜브층을 투입하면서 교차 제직하여 보강층 간에 메쉬 형태의 폐쇄영역이 형성되도록 함을 특징으로 한다.

이상의 구성 및 작용에 의하면 본 발명은, 탄성이 우수한 카본섬유사를 강인성이 우수한 아라미드섬유사가 보완하여 얇은 두께로도 내구성이 우수하고 제조단가가 낮은 튜브형 소재의 제작이 가능해지는 효과가 있으며, 아라미드섬유사가 교차투입되어 카본섬유사로 이루어진 슬리브형 직물표면을 단위 직물조직으로 분할 지지해주게 되므로 가공이나 외부충격을 분산시켜주고 부분적인 크랙이 소재 전체로 확산되는 것을 방지해주는 효과가 있다.

그리고 아라미드섬유사가 크랙의 확산을 방지됨에 따라, 튜브의 가공성이 향상되므로 러그와의 연결부에 관통공을 형성하여 볼팅이나 리벳팅과 같은 견고한 체결수단을 적용할 수 있게 되므로 내구성이 우수한 프레임을 제조하는 것이 가능해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합소재를 이용한 자전거 프레임을 전체적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 복합소재를 이용한 자전거 프레임의 튜브 조직을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 복합소재를 이용한 자전거 프레임의 튜브 조직의 다른 실시예를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 복합소재를 이용한 자전거 프레임의 튜브와 러그 결합구조를 도시한 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 튜브의 지지셀에 결합공이 형성된 상태를 도시한 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 복합소재를 이용한 자전거 프레임의 러그구조 변형예를 도시한 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 복합소재를 이용한 자전거 프레임은 카본섬유사와 아라미드섬유사로 제직된 튜브(10)와, 튜브(10)가 연결되는 러그(20)와, 튜브(10) 및 러그(20)를 결합하는 고정수단(30)으로 이루어진다.

상기 튜브(10)는 카본섬유사로 된 튜브층(11)과 아라미드섬유사로 된 보강층(13)이 정방향과 역방향으로 교차되면서 슬리브 형태로 제직되고, 제직된 슬리브 형태의 튜브(10)를 수지 함침 후 경화장치로 투입하여 경화공정을 거치게 되면 원하는 튜브(10)의 단면 형상을 얻을 수 있다. 이때 수지 함침은 슬리브 형태로 튜브(10)를 제직 후에 수행하는 것으로 하였으나 제직을 위해 준비된 카본섬유사 및 아라미드섬유사에 미리 수행할 수 있다.

상기 튜브(10)는 탄성이 우수하고 내열성, 내충격성이 뛰어난 반면 순간적인 충격에 약한 카본섬유사를 국소부위 충격에 강한 아라미드섬유사가 보완해주게 되므로 내구성이 개선됨과 아울러 얇은 두께로도 우수한 강도의 프레임을 제작하는 것이 가능해진다.

상기 튜브(10)는 카본섬유사로 된 튜브층(11)의 내구성을 보완하기 위해 아라미드섬유사로 된 보강층(13)을 교차 제직하는 것으로서, 이때 튜브(10)는 70∼95부피％의 튜브층(11)과, 5∼30부피％의 보강층(13)으로 이루어지도록 함이 바람직하다. 튜브층(11)에 포함되는 보강층(13)이 5％ 미만이면 튜브층(11)의 취약한 내구성 결함을 보강층(13)이 보완해주기 부족하므로 충격에 의해 쉽게 파손되고 크랙이 발생하여 그 주변에 연속적으로 크랙이 전도되는 문제가 있으며, 보강층(13)이 30％ 초과하면 압축응력에 약한 아라미드섬유사의 특성상 튜브(10)의 물리적 특성을 저하시켜 내구성이 약화되는 문제가 있으므로, 정해진 비율 내에서 제직이 이루어지도록 함이 바람직하다.

상기 튜브(10)를 이루는 튜브층(11)과 보강층(13)의 제직 형태를 설명하면, 먼저 튜브층(11) 및 보강층(13)은 섬유사 한줄 또는 다수줄의 섬유사가 하나의 군 형태로 형성된 것을 말하며, 튜브층(11) 및 보강층(13)이 상호간 교호적으로 배열된 상태로 교차 제직될 수 있고, 튜브층(11)의 배열 비중을 높여 인접하는 보강층(13) 사이에 복수의 튜브층(11)이 배열된 상태로 교차 제직될 수 있다.

이 외에도 다양한 배열 형태로 교차 제직이 가능하며, 특히 본 발명에서는 도 2에서와 같이 보강층(13) 끼리 교차되면서 메쉬 형태의 폐쇄영역을 갖도록 지지셀(15)을 형성하고, 지지셀(15) 내에는 복수의 튜브층(11) 끼리 교차되도록 구성한 것을 실시예로 설명하였다. 이러한 구조에 의한 보강층(13)에 의해 지지셀(15)이 형성되면 외부충격을 분산시켜 하중의 집중현상을 감소시켜주고, 튜브층(11) 조직이 복수의 구간으로 분할됨에 따라 외부로부터 가해진 충격에 의해 튜브(10) 표면에 크랙이 발생하더라도 지지셀(15)이 이를 구속하여 파손부위가 확장되는것을 방지하므로 튜브층(11)의 고질적 문제점인 충격에 의한 파손을 감소시켜주는 효과가 있다.

또한, 상기 튜브(10)는 도 4에서와 같이 교차 제직되는 튜브층(11)과 보강층(13)의 교차점을 지나는 종보강층(17)을 더 포함하여 구성할 수 있다. 이때 종보강층(17)은 교차 직조된 튜브(10)를 길이방향으로 구속하여 변형을 방지함으로써 튜브(10)의 인장으로 인한 조직형태의 변형과 그로 인한 강도 및 내구성 저하를 방지해주게 된다. 또한 이때 종보강층(17)을 아라미드섬유사로 형성함으로써 아라미드섬유사로 된 보강층(13)을 한 번 더 분할하여 튜브층(11)으로 이루어진 단위공간을 축소시켜줌으로써 파손구간의 효과적인 관리를 할 수 있게 된다.

한편, 러그(20)는 상기 튜브(10)의 단부를 삽입 연결하도록 다수의 인입부(21)가 형성되는 것으로 생산성 향상을 위해 각종 금속이나 합성수지를 이용해 사출성형 방식으로 제작된다. 이때, 튜브(10)가 끼움결합되는 인입부(21)는 체결이 용이하게 이루어지도록 튜브(10)의 직경보다 크게 가공되며, 결합된 튜브(10)와 러그(20)의 연결부는 상호간 대응 형성되어 양측을 결합하는 고정수단(30)에 의해 일체로 결합된다.

상기 러그(20)는 도 6에서와 같이 결합조립이 용이하도록 서로 대칭되게 분할 형성하여 튜브(10)를 사이에 두고 형합되도록 구성할 수 있다. 이때 러그(20)를 분할 형성함으로써 복잡한 형상의 러그(20) 형태를 좀더 간단한 금형으로 제작할 수 있게 되며, 분할된 러그(20)는 도 6에 도시된 것처럼 튜브를 사이에 두고 형합된 상태에서 고정하게 된다.

상기 고정수단(30)은 도 4와 같이 결합된 튜브(10)와 러그(20)의 접합면에 튜브(10)를 구성하는 수지를 도포한 후 가열 경화시키거나 높은 압력으로 가압 융착시키는 것과 같은 방식으로 고정할 수 있다. 이 외 상기 고정수단(30)은 도 6에서와 같이 볼팅, 리벳팅 또는 상호간 걸림형 구조로 형성되도록 구성할 수 있다.

튜브(10)를 구성하는 튜브층(11)이 보강층(13)으로 이루어진 지지셀(15)에 구속되어 타공이나 절개가공시에도 파열되는 상황이 방지되므로 도 5에서와 같이 튜브(10) 표면에 결합공(19)을 가공하여 러그(20)와의 물리적인 고정이 가능해지게 되어 기존의 접착 및 융착방식에 비해 향상된 고정성을 발휘할 수 있게 된다.

상기한 복합소재를 이용한 자전거 프레임 구성을 토대로 하여 복합소재를 이용한 자전거 프레임의 제조방법을 아래와 같이 설명한다.

자전거 프레임의 제조방법은 슬리브형태로 직물을 직조하여 경화시킨 튜브를 가공하는 튜브제조단계와, 튜브의 연결을 위한 인입구가 형성된 러그를 가공하는 러그제조단계, 가공된 튜브와 러그를 서로 연결하여 하나의 프레임 형태로 조립하는 프레임조립단계로 구성되며, 이에 따른 제조단계별 상세한 구성은 후술하는 내용에서 상세히 설명한다.

1. 튜브제조단계(S1)

튜브제조단계(S1)에서 카본섬유사로 된 튜브층(11)과 아라미드섬유사로 된 보강층(13)은 슬리브형 직물을 제직하는 브레이딩기를 이용해 교차 제직되어 슬리브 형태로 성형되며, 성형된 슬리브형 직물에 수지를 함침하여 경화장치를 거쳐 가열되어 튜브 형상으로 경화된다. 제직과정에서 아라미드섬유사는 원형의 브레이딩기 둘레를 따라 공급되는 다수의 카본섬유사 사이로 혼합공급되어 카본섬유사의 강도를 보강해주는 보강수단의 역할을 해주게 된다.

이때, 상기 보강층(11)과 인접하는 보강층(11) 사이에 복수의 튜브층(13)을 투입하면서 교차 제직하여 보강층(11) 간에 메쉬 형태의 폐쇄영역을 갖는 지지셀(15)이 형성되도록 할 수 있다.

참고로 상기 보강층(13)은 튜브층(11)과 동일한 방향으로 투입되어 서로 교차하게 제직되나 강도보강과 변형방지를 위해 튜브(10)의 길이방향을 따라 직선으로 공급되는 아라미드섬유사로 된 종보강층(17)을 추가로 공급할 수 있다. 쉽게 늘어나지 않는 아라미드섬유사 된 종보강층(17)이 튜브(10)의 길이방향으로 배치됨에 따라 튜브(10)의 길이가 일정하게 구속되어 튜브(10)의 변형 및 파손이 감소된다.

2. 러그제조단계(S2)

러그제조단계(S2)는 상기 튜브(10)의 조립을 위한 체결용 러그(20)를 성형하는 단계로 상기 러그(20)는 둘레에 다수의 인입부(21)가 형성되어 튜브(10)의 단부가 끼움결합되며, 연속적인 가공이 용이하도록 내구성과 가공성이 우수한 경량의 금속분말이나 합성수지 용액을 금형에 주입하여 가압 가열시켜 형상을 가공하는 사출성형방식을 이용해 제작된다.

이때 러그(20)는 조립의 편의성을 위해 서로 대칭되게 분할 형성할 수 있다.

3. 프레임조립단계(S3)

프레임조립단계(S3)는 상기 러그(20)에 형성된 각 인입부(21)에 튜브(10)를 삽입하여 고정하는 단계로 서로 맞닿는 인입부(21)의 내측면과 튜브(10)의 외주면에는 접합을 위한 수지가 도포되고, 튜브(10)를 인입부(21)에 끼운상태에서 가열처리를 거쳐 수지를 경화시킴으로써 튜브(10)와 러그(20)를 일체로 성형하게 된다. 이때, 튜브(10)와 러그(20)의 연결부 상에는 견고한 고정을 위해 맞물린 튜브(10)와 러그(20)를 관통하는 볼트나 리벳형태의 고정수단(30)이 적용되며, 이를 위해 튜브(10)에 형성되는 결합공(19)은 파손 방지를 위해 메쉬 형태의 지지셀(15) 내에 형성되는 것이 바람직하다.

10 : 튜브 11 : 튜브층
13 : 보강층 17 : 종보강층
20 : 러그 21 : 인입부
30 : 고정수단

Claims (7)

1. 카본섬유사로 된 튜브층(11)과 아라미드섬유사로 된 보강층(13)이 정방향과 역방향으로 교차되면서 슬리브 형태로 제직되어 수지 함침으로 경화 형성되는 튜브(10);
   상기 튜브(10)의 단부가 삽입 연결되도록 인입부(21)가 형성되는 러그(20);
   상기 튜브(10) 및 러그(20)의 연결부에 상호간 대응 형성되어 양측을 결합하는 고정수단(30);을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 자전거 프레임.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 보강층(13) 끼리 교차되면서 메쉬 형태의 폐쇄영역을 갖는 지지셀(15)이 형성되고, 지지셀(15) 내에는 복수의 튜브층(11) 끼리 교차되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 자전거 프레임.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 튜브층(11)과 보강층(13)의 교차점을 지나는 아라미드섬유사로 된 종보강층(17)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 자전거 프레임.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 러그(20)는 서로 대칭되게 분할 형성되어 튜브(10)를 사이에 두고 형합되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 자전거 프레임.
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 고정수단(30)은 볼팅, 리벳팅 또는 걸림형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 자전거 프레임.
6. 카본섬유사로 된 튜브층과 아라미드섬유사로 된 보강층을 정방향과 역방향으로 교차 제직한 후, 수지를 함침하여 튜브를 경화 형성하는 튜브제조단계(S1);
   상기 튜브가 삽입되는 인입부를 갖는 러그를 사출 성형하는 러그제조단계(S2);
   상기 튜브의 단부를 러그의 인입부에 결합한 후, 양측을 고정시켜 프레임을 완성하는 프레임조립단계(S3);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 자전거 프레임 제조방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 보강층과 인접하는 보강층 사이에 복수의 튜브층을 투입하면서 교차 제직하여 보강층 간에 메쉬 형태의 폐쇄영역이 형성되도록 함을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 자전거 프레임 제조방법.

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