KR20160053297A - 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법 - Google Patents

수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법에 관한 것으로; 강화섬유로 이루어지는 종축지지대용 채움재 및 횡축지지대용 채움재를 결합하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 형성하는 단계;와 상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 종축지지대를 성형하기 위한 제1 및 제2종축지지대 성형부와 횡축지지대를 성형하기 위한 횡축지지대 성형부가 형성되며 혼합수지를 주입 및 배출하기 위한 주입구 및 퇴출구가 분산 배치되는 성형 몰드에 설치하고, 상기 주입구를 통해 상기 제1 및 제2종축지지대 성형부와 횡축지지대 성형부로 상기 혼합수지를 주입하고 경화하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, H 형상의 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임을 제작시 성형 몰드 내부에서 원활하게 이동할 수 있도록 주입구와 퇴출구의 위치를 최적으로 배치하여 성형 몰드 내부 유동성이 향상되어 성형시간의 단축과 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있다.

Description

수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법 { composite railway bogie frame manufacturing method using resin flow }
본 발명은 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 핵심부품 중의 하나인 대차에 적용되는 대차프레임을 섬유강화 복합소재를 이용하여 수지유동기법(resin transfer modulding)으로 제작시 성형 몰드에 수지의 주입구와 퇴출구를 적절하게 설치하여 제작되는 대차프레임의 품질을 향상시키고, 제작시간을 단축할 수 있는 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 대차프레임은 철도차량에서 스프링하 중량을 제외한 모든 차량의 하중을 지지하는 부품으로 차량의 안전운행과 가장 밀접한 관련이 있는 부품이다.
이러한 대차프레임은 주로 지지하는 하중의 크기와 운행시 발생하는 힘의 크기에 따라 강성이 큰 철강소재를 이용하여 용접 구조의 형태로 제작되는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 금속재 대차프레임을 제작할 경우 무게는 대략 1.3 ~ 2톤으로 무겁고 강도가 크다.
물론, 이러한 기존의 대차프레임을 경량화하기 위해 섬유강화 복합소재를 대차프레임 적용하는 시도들이 있었다. 이 경우 기존 금속재 대차프레임 대비 무게를 25 ~ 50%까지 줄일 수 있다.
이와 같은 섬유강화 복합소재를 대차프레임에 적용한 예로 유럽공개특허 제EP0260440호가 제시된 바 있다. 상기 유럽공개특허는 도 1에 도시된 바와 같은 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작에 관련된 것으로, 복합소재 대차프레임의 종축 지지대(2, 4)과 횡축 지지대(6)로 이루어진다. 이러한 철도차량용 복합소재 대차프레임을 제작하기 위해 도 2에 도시한 바와 같은 채움재(4, 10, 12, 6, 18로 구성됨)를 먼저 제작하고, 여기에 강화섬유를 수지에 함침하여 반경화시킨 프리프레그로 적층하거나, 미리 강화시켜 놓은 표면부(skin)(22, 26, 44)를 차례로 접착하여 제작한다.
그런데, 강화섬유를 수지에 함침하여 반경화시킨 프리프레그로 적층하여 표면부를 제작할 경우에는 적층을 위한 여러 층의 프리프레그를 절단, 재단 및 적층의 과정을 거쳐야 한다. 그리고, 적층과정에서 내부에 공기를 제거하기 위해 진공처리를 해야된다.
또한, 미리 강화시켜 놓은 표면부(skin)(22, 26, 44)를 차례로 접착하여 제작할 경우에는 여러 가지 형태의 표면부를 미리 성형해 두어야 하고, 이들을 2차 접착해야 한다. 이상의 공정들은 많은 수작업 과정이 요구되어 생산성 및 제작성 측면에서 비효율적이다.
물론, 이와 같은 점에 착안하여 본 출원인은 등록특허 제10-1199412호를 제안한 바 있다. 이는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법에 관한 것으로, 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임을 두 개의 종축지지대용 채움재와 종축지지대를 연결하는 1개 이상의 횡축지지대용 채움재를 결합한 상태에서 수지이송법으로 혼합수지를 스며들게한 후 경화하여 제작함에 따라 통상 복합소재를 이용해서 이러한 대차프레임을 제작할 때 요구되는 작업공정을 단순화 및 감소시켜 생산성을 향상시킴은 물론 대차프레임의 제작비용도 절감하는 효과가 있다.
그런데, 일반적으로 수지유동기법으로 제품을 제작하는 경우 수지의 주입구와 퇴출구의 위치와 압력은 제품의 품질에 결정적인 영향을 미치는 인자임에도, 상기 등록특허 제10-1199412호에서는 수지를 주입 및 배출하는 주입구 및 퇴출구의 위치에 대한 구체적인 내용 및 압력에 대한 구체적인 내용이 없고 단지 도면을 통해서만 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 일측 종축지지대 성형부위에 다수의 주입구(204)를 일렬로 구비하고, 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 타측 종축지지대 성형부위에 다수의 퇴출구(206)가 일렬로 구비되는 구조로서 균일하게 복수의 주입구(204)를 통해 수지를 주입하는 경우 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 횡축지지대 성형부위로 수지가 유동되면서 단부 쪽 퇴출구(206)까지 수지가 균일하게 유동되지 못해 제작되는 대차프레임의 품질이 저하되는 문제점이 있다.
아울러, 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 횡축지지대 성형부위로 수지가 유동되면서 단부 쪽까지 충분히 유동되기 위해서는 많은 시간이 소요되므로 이는 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임의 전체적인 제작시간을 길어지게 하는 원인이 된다.
참고문헌 1 : 유럽공개특허 제EP0260440호 참고문헌 2 : 대한민국 등록특허 제10-1199412호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임을 수지유동기법(resin transfer modulding)으로 제작시 혼합수지의 주입구와 퇴출구를 성형 몰드에 적절하게 설치하여 제작되는 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임의 품질을 향상시키고 제작시간을 단축할 수 있는 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
강화섬유로 이루어지는 종축지지대용 채움재 및 횡축지지대용 채움재를 결합하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 형성하는 단계; 상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 종축지지대를 성형하기 위한 제1 및 제2종축지지대 성형부와 횡축지지대를 성형하기 위한 횡축지지대 성형부가 형성되며 혼합수지를 주입 및 배출하기 위한 주입구 및 퇴출구가 분산 배치되는 성형 몰드에 설치하고, 상기 주입구를 통해 상기 제1 및 제2종축지지대 성형부와 횡축지지대 성형부로 상기 혼합수지를 주입하고 경화하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법을 제공한다.
이때, 상기 종축지지대용 채움재는 다수의 복합소재 리브부 및 코어부와, 상기 리브부 및 코어부 사이의 공간을 메우는 포상물질(foam)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 복합소재 리브부 및 코어부는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유가 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 경화시키거나, 강화섬유 프리폼(preform)에 수지를 주입하여 경화시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 횡축지지대용 채움재는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하거나 또는 금속재로 제작되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 혼합수지는 에폭시, 폴리에스터, 페놀 수지 중 어느 하나의 순수수지와 경화제가 혼합된 수지인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 성형 몰드는 2개의 종축지지대를 성형하기 위한 제1 및 제2종축지지대 성형부와, 상기 제1 및 제2종축지지대 성형부와 연통되며 종축지지대를 연결하는 횡축지지대를 성형하기 위한 횡축지지대 성형부가 형성되며, 상부몰드와 하부몰드로 분할 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기본구조재를 형성하는 단계 이후 혼합수지를 주입하고 경화하는 단계 이전에 상기 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 체결하여서 이루어지는 복합소재 대차프레임용 기본구조재의 표면에 프리폼(prefrom)을 적층하여 스킨부를 더 형성하는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 성형 몰드에는 제1종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제2종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 성형 몰드에는 횡축지지대 성형부 중앙 상부에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제1 및 제2종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 성형 몰드에는 제1 및 제2종축지지대 성형부의 상부 양단과 횡축지지대 성형부 중앙 상부에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제1 및 제2종축지지대 성형부의 하부 중앙에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 성형 몰드에는 제1 및 제2종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제1 및 제2종축지지대 성형부의 하부 중앙과 횡축지지대 성형부 중앙 하부에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 혼합수지를 주입 및 배출하는 주입구와 퇴출구의 압력차가 1기압 이상 조건을 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주입구는 복수가 구비되며 상기 주입구별로 압력차가 존재하는 조건하에서 상기 혼합수지가 주입되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 퇴출구는 복수가 구비되며 상기 퇴출구별로 압력차가 존재하는 조건하에서 상기 혼합수지가 배출되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 주입구와 퇴출구의 홀직경은 20mm이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, H 형상의 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임을 제작시 성형 몰드 내부에서 원활하게 이동할 수 있도록 주입구와 퇴출구의 위치를 최적으로 배치하여 성형 몰드 내부 유동성이 향상되어 성형시간의 단축과 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 주입구와 퇴출구의 위치별로 최적의 혼합수지 이동을 위해 모든 주입구와 퇴출구의 압력차를 동일하게 설정하지 않고 각각의 주입구와 퇴출구별로 서로 다른 압력차 조건하에서 성형하여 모든 주입구와 퇴출구 압력차를 동일하게 설정하는 것에 비해 우수한 수지유동이 가능하여 성형 후 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있다.
그리고, 혼합수지의 주입시 주입구와 퇴출구의 크기 또한 성형시 주요한 인자로서 본 발명에서는 수지의 주입구와 퇴출구의 홀 직경을 20mm이상으로 하여 성형하여, 주입구와 퇴출구의 홀 직경이 너무 작을 경우 수지의 주입과 퇴출이 원활하지 않아 성형 몰드내 수지 이동이 저하되어 수지가 완전히 채워지기 전에 내부에서 경화되거나, 퇴출구 홀 직경이 작을 경우 퇴출이 원활하지 않아 퇴출구 주위에 수지가 집중(resin rich)되어 품질저하를 유발할 수 있는 문제점을 해소한 장점도 있다.
아울러 본 발명은 성형 몰드에 주입구와 퇴출구의 각 위치에서 1개 이상의 주입구 및 퇴출구를 구비하여 수지의 주입 및 퇴출성을 향상시키기 위해 과도한 홀 직경을 적용할 경우 관련 주입 및 퇴출호스의 제작이 어려워질 수 있는 문제를 해소함은 물론 저직경의 주입구와 퇴출구를 다수 설치하여 혼합수지의 주입 및 퇴출성을 향상 시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 복합소재로 이루어지는 대차프레임의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 종래 복합소재로 이루어지는 대차프레임의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 결합한 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 복합소재 대차프레임용 기본구조재에 스킨부를 형성하는 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 성형 몰드를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 성형 몰드에 설치되는 인입구 및 퇴출구의 다양한 배치예를 도시한 도면들이다.
도 12는 본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임 제작을 위한 수지이송 구성도이다.
본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 이용하여 수지이송법으로 제작된다.
본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법은, 크게 강화섬유로 이루어지는 종축지지대용 채움재(10) 및 횡축지지대용 채움재(20)를 결합하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)를 형성하는 단계와 상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)를 종축지지대를 성형하기 위한 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)와 횡축지지대를 성형하기 위한 횡축지지대 성형부(106)가 형성되며 혼합수지를 주입 및 배출하기 위한 주입구(130) 및 퇴출구(140)가 분산 배치되는 성형 몰드(100)에 설치하고, 상기 주입구(130)를 통해 상기 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)와 횡축지지대 성형부(106)로 상기 혼합수지를 주입하고 경화하는 단계로 구성된다.
그리고, 상기 기본구조재(1)를 형성하는 단계 이후 혼합수지를 주입하고 경화하는 단계 이전에 상기 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)를 체결하여서 이루어지는 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)의 표면에 프리폼(prefrom)을 적층하여 스킨부(30)를 더 형성하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임을 제작하기 이전에 준비된 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)를 나타낸 것이다.
이때, 복합소재 대차프레임은 두 개의 종축지지대와 이 종축지지대를 연결하는 1개 이상의 횡축지지대로 구성되기 때문에 이러한 종축지지대와 횡축지지대를 구성하는 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)는 수지이송법을 이용한 복합소재 대차프레임의 기본 구조를 형성하게 된다.
먼저, 상기 종축지지대용 채움재(10)는 다수의 복합소재 리브부(12) 및 코어부(14)와, 그 리브부(12) 및 코어부(14) 사이의 공간을 메우는 가볍고 변형이 쉬운 포상물질(foam)(16)로 이루어진다.
이때, 상기 복합소재 리브부(12) 및 코어부(14)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유가 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 경화시키거나, 강화섬유 프리폼(preform)에 수지를 주입하여 경화시킨 후 원하는 크기와 형상으로 절단하여 제작된다.
그리고, 상기 포상물질(foam)(16)은 복합소재 리브부(12) 및 코어부(14) 사이의 공간을 메우는 가볍고 변형이 쉬운 물질(foam)로 구성된다.
이러한 종축지지대용 채움재(10)의 구성요소들의 두께, 길이 및 폭 등은 적용되는 철도차량의 하중크기에 따라 변하게 되고 종축지지대용 채움재(10)를 제작하기 위해서는 종축지지대용 채움재(10)를 구성하는 복합소재 리브부(12) 및 코어부(14)와 포상물질(16)을 접착제를 이용하여 접착하게 된다.
그리고, 상기 횡축지지대용 채움재(20)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하거나 알루미늄이나 강재 등의 금속재를 이용하여 제작할 수 있다.
특히, 상기 횡축지지대용 채움재(20)는 종축지지대용 채움재(10)를 연결하기 위해 1개 이상이 이용될 수 있고, 그 단면이 원형 또는 다각형의 실린더 형상으로 이루어질 수 있다.
도 5는 상기 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)를 체결하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)를 완성한 것이다. 이 경우 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)는 접착제를 이용하여 일체로 결합하거나 리벳이나 볼트 및 너트의 체결을 통해 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)를 제작할 수 있다.
그리고, 도 6은 상기 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)를 체결하여 구성한 복합소재 대차프레임 기본 구조재(1) 표면에 강화섬유로 구성된 프리폼(prefrom)을 적층하여 프리폼 스킨부(30)를 형성하는 예를 도시한 도면이다. 이러한 프리폼은 탄소, 유리, 아라미드 또는 이들의 혼합 섬유로 구성된다. 상기 프리폼 스킨부(30)의 적층은 요구되는 두께를 만족하도록 적층하게 되며, 이렇게 프리폼 스킨부(30)를 원하는 두께만큼 쌓은 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)는 이후 도 7에 도시된 바와 같이 사전에 제작된 성형 몰드(100)에 삽입하게 된다.
도 7은 수지이송법으로 유연구조 섬유강화 복합소재 대차프레임을 제작하기 위한 성형 몰드를 도시한 도면이다. 상기 성형 몰드(100)는 상부몰드(110)와 하부몰드(120)로 분할 제작되는 것으로, 상기 상부몰드(110)와 하부몰드(120)는 일반적으로 금속을 기계적 가공을 통해 제작하거나 또는 유리섬유 강화복합소재에 금속재 보강재를 적용한 형태로 제작된다.
이 경우 상기 상부몰드(110)와 하부몰드(120)는 결합시 2개의 종축지지대를 성형하기 위한 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)와, 상기 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)와 연통되며 종축지지대를 연결하는 횡축지지대를 성형하기 위한 횡축지지대 성형부(106)가 형성된다.
수지이송법을 이용하여 구조물을 제작할 경우에는 1기압 이상의 압력을 통해 수지를 이송시키기 때문에 상기 상부몰드(110)와 하부몰드(120)는 이러한 기압하에서 변형이 발생하지 않도록 해야 한다. 채움재에 프리폼 스킨부를 적층한 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)는 미리 제작된 상부몰드(110)와 하부몰드(120)내에 설치된다.
이 경우 프리폼 스킨부를 적층한 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)를 상부몰드(110)와 하부몰드(120) 사이에 설치하기 전에 상부몰드(110)와 하부몰드(120) 표면에 최종성형 후 대차프레임과 상부몰드(110)와 하부몰드(120) 사이의 분리를 용이하기 위한 윤활제 등의 물질을 도포 처리해야 한다.
그리고 프리폼 스킨부를 적층한 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)를 상부몰드(110)와 하부몰드(120) 사이에 설치한 후 상부몰드(110)와 하부몰드(120)를 볼트 등으로 체결하여 내부공기가 밖으로 세지 않도록 한다. 이를 위해 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 순수수지와 경화재를 혼합한 혼합수지의 주입과정에서 상부몰드(110)와 하부몰드(120)의 변형에 의한 상부몰드(110)와 하부몰드(120)의 접촉부위인 가장자리를 통한 수지누출(resin leakage)발생을 방지하기 위해 상부몰드(110)와 하부몰드(120)의 가장자리를 따라서 고무패킹 등을 이용한 실링을 해야 한다.
한편, 도 8은 채움재에 프리폼 스킨부를 적층한 복합소재 대차프레임 기본구조재(1)를 상부몰드(110)와 하부몰드(120) 사이에 설치하고 상부몰드(110)와 하부몰드(120)에서 수지누출이 발생하지 않도록 볼트 등의 체결수단(101)으로 체결된 상태를 도시한 도면이다. 체결수단(101)을 사용해 상부몰드(110)와 하부몰드(120)의 체결이 완료된 상태에서 수지이송법 성형을 위해 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 순수수지와 경화재를 혼합한 혼합수지를 주입하고 배출시키기 위한 주입구(inlet)(130)와 퇴출구(outlet)(140)가 상부몰드(110)와 하부몰드(120)에 배치된다.
이때, 수지이송법을 이용한 복합소재 대차프레임의 성형시 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 순수수지와 경화재를 혼합한 혼합수지를 주입하고 배출시키기 위한 주입구(130)와 퇴출구(140)의 위치는 성형 품질을 결정하는 가장 중요한 요소로 본 발명에서는 이러한 주입구(130)와 퇴출구(140)의 배치는 매우 중요하다.
특히, 혼합수지가 성형 몰드(100)의 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)와 횡축지지대 성형부(106)로 유동되어 고르게 채워지도록 하여 복합소재 대차프레임의 품질을 향상시키는 구조로 이루어져야 하며, 이를 위해 주입구(130)와 퇴출구(140)의 위치는 매우 중요하며, 주입구(130)와 퇴출구(140)를 분산 배치함이 중요하다.
따라서, 이하에서는 도 8 내지 도 11을 참고로 주입구(130) 및 퇴출구(140)의 다양한 배치 구조에 대해 설명한다.
먼저, 도 8을 참고하면, 혼합수지를 주입하기 위한 주입구(130)가 복합소재 대차프레임을 구성하는 일측 종축지지대의 상부 양단에 위치하고, 혼합수지를 배출하기 위한 퇴출구(140)가 타측 종축지지대 상부의 양 끝단에 위치하도록 하여 복합소재 대차프레임을 성형할 수 있다.
이를 위해 성형 몰드(100)의 제1종축지지대 성형부(102)의 상부 양단에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구(130)를 배치하고, 제2종축지지대 성형부(104)의 상부 양단에 혼합수지를 배출시키기 위한 퇴출구(140)를 배치한다.
이와 같은 구조에 의하면 제1종축지지대 성형부(102)의 상부 양단의 주입구(130)를 통해 주입되는 혼합수지가 제1종축지지대 성형부(102)의 양단에서 중앙으로 유동하며 횡축지지대 성형부(106)를 거쳐 제2종축지지대 성형부(14)의 중앙에서 양단으로 이동하며 상부 양단의 퇴출구(140)를 통해 배출된다.
그리고, 도 9를 참고하면, 혼합수지의 주입구(130)가 2개의 횡축지지대 상부에 위치하고, 혼합수지의 퇴출구(140)가 2개의 종축지지대 상부의 양 끝단에 위치하여 복합소재 대차프레임을 성형할 수 있다.
이를 위해 성형 몰드(100)의 횡축지지대 성형부(106) 중앙 상부에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구(130)를 배치하고, 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 상부 양단에 혼합수지를 배출시키기 위한 퇴출구(140)를 배치한다. 이 경우 횡축지지대 성형부(106)는 도시된 바와 같이 복수가 형성되는 경우 각각의 횡축지지대 성형부(106) 중앙 상부에 주입구(130)가 개별적으로 배치된다.
이와 같은 구조에 의하면 횡축지지대 성형부(106) 중앙 상부의 주입구(130)를 통해 주입되는 혼합수지가 횡축지지대 성형부(106)의 양단 방향으로 유동하며 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 양단으로 류동하며 상부 양단의 퇴출구(140)를 통해 배출된다.
또한, 도 10을 참고하면, 혼합수지의 주입구(130)가 2개의 종축지지대 양끝단과 2개의 횡축지지대의 상부에 위치하고 혼합수지의 퇴출구(140)가 2개의 종축지지대에 하부에 위치하여 복합소재 대차프레임을 성형할 수 있다.
이를 위해 성형 몰드(100)의 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 상부 양단과 횡축지지대 성형부(106) 중앙 상부에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구(130)를 배치하고, 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 하부 중앙에 혼합수지를 배출시키기 위한 퇴출구(140)를 배치한다. 이 경우 횡축지지대 성형부(106)는 도시된 바와 같이 복수가 형성되는 경우 각각의 횡축지지대 성형부(106) 중앙 상부에 주입구(130)가 개별적으로 배치된다.
이와 같은 구조에 의하면 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 상부 양단과 횡축지지대 성형부(106) 중앙 상부의 주입구(130)를 통해 주입되는 혼합수지가 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 중앙으로 이동하며 하부 중앙의 퇴출구(140)를 통해 배출된다.
그리고, 도 11을 참고하면, 혼합수지의 주입구(130)가 2개의 종축지지대 하부 중앙과 2개의 횡축지지대의 하부중앙에 위치하고, 혼합수지의 퇴출구(140)가 2개의 종축지지대의 상부 양 끝단에 위치하여 복합소재 대차프레임을 성형할 수 있다.
이를 위해 성형 몰드(100)의 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 상부 양단에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구(130)를 배치하고, 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 하부 중앙과 횡축지지대 성형부(106) 중앙 하부에 혼합수지를 배출시키기 위한 퇴출구(140)를 배치한다. 이 경우 횡축지지대 성형부(106)는 도시된 바와 같이 복수가 형성되는 경우 각각의 횡축지지대 성형부(106) 중앙 상부에 주입구(130)가 개별적으로 배치된다.
이와 같은 구조에 의하면 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)의 상부 양단의 주입구(130)를 통해 주입되는 혼합수지가 제1 및 제2종축지지대 성형부(102,104)과 횡축지지대 성형부(106) 중앙으로 이동하며 하부 중앙의 퇴출구(140)를 통해 배출된다.
상기 도 8 내지 도 11에서와 같이 성형 몰드에 주입구(130)와 퇴출구(140)를 구비한 상태에서 수지이송법을 이용한 복합소재 대차프레임을 성형시 혼합수지의 원활한 주입과 이동을 위해 혼합수지의 주입구(130)와 퇴출구(140)의 압력차가 1기압 이상이 되도록 해야 한다.
그리고, 상기 주입구(130)와 퇴출구(140)의 위치별로 최적의 수지이동을 위해 모든 주입구(130)와 퇴출구(140)의 압력차를 동일하게 설정하지 않고 각 수지 주입구(130)와 퇴출구(140)별로 서로 다른 압력차 조건하에서 성형할 수 있다. 이 경우에는 모든 주입구(130)와 퇴출구(140)의 압력차를 동일하게 설정하는 것에 비해 우수한 수지유동이 가능하여 성형후 우수한 품질의 복합소재 대차프레임을 얻을 수 있다.
또한, 복합수지의 주입시 주입구(130)와 퇴출구(140)의 크기 또한 복합소재 대차프레임 성형시 주요한 인자로서, 복합수지의 주입구(130)와 퇴출구(140)의 홀 직경이 너무 작을 경우 수지의 주입과 배출이 원활하지 않아 성형 몰드내 수지 이동이 저하되어 수지가 완전히 채워지기 전에 내부에서 경화될 수 있다. 그리고, 퇴출구(140)의 홀 직경이 작을 경우 배출이 원활하지 않아 퇴출구 주위에 수지가 집중(resin rich)되어 품질저하를 유발할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 복합수지의 주입구(130)와 퇴출구(140)의 홀 직경은 20mm이상의 조건을 만족하는 것을 적용한다.
한편, 성형 몰드(100)에 구비되는 주입구(130)와 퇴출구(140)는 그 설치 위치에 1개 이상 구비할 수 있다. 이는 혼합수지의 주입 및 배출성능을 향상시키기 위해 과도하게 큰 홀 직경을 적용할 경우 관련 주입 및 퇴출호스의 제작이나 어렵기 때문에 저직경의 홀을 다수 설치하여 주입 및 배출할 수 있다.
상기 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같은 주입구(130)와 퇴출구(140)가 구비된 성형 몰드(100)에 혼합수지를 주입하기 위해서는 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 순수수지(150)와 경화재(152)를 펌프(154)로 강제이송시키게 된다. 이때, 펌프(154)로 이송되는 순수수지(150)와 경화재(152)는 믹서(156)에서 혼합되며, 순수수지와 경화제의 혼합수지는 분배기(158)를 통해 상부몰드(110)와 하부몰드(120)에 형성된 다수의 주입구(130)로 동시에 주입된다.
이렇게 상부몰드(110)와 하부몰드(120)의 내부로 주입된 혼합수지는 스킨부가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)의 프리폼 스킨부(30)을 통해 유동하여 퇴출구(140)를 통해 빠져나가게 된다. 이때, 혼합수지의 상부몰드(110)와 하부몰드(120)내 주입압력은 1기압 이상으로 주입함이 바람직하다.
이상과 같이 혼합수지를 상부몰드(110)와 하부몰드(120)내에 주입하며 일정 시간이 경과하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)의 프리폼 스킨부(30) 전체에 골고루 혼합수지가 스며들면 수지의 주입과 배출을 중단하고 혼합수지를 경화시키게 된다.
이 경우 혼합수지를 경화시키는 방법은 상온에서 경화하는 자연경화 방법과 히터(heater) 등을 이용해 상부몰드(110)와 하부몰드(120)를 가열하여 경화하는 강제경화 방법 등을 선택적으로 수행할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 기본구조재 10: 종축지지대용 채움재
20: 횡축지지대용 채움재 30:프리폼 스킨부
100: 성형 몰드 102: 제1종축지지대 성형부
104: 제2종축지지대 성형부 106: 횡축지지대 성형부
110: 상부몰드 120: 하부몰드
130: 주입구 140: 퇴출구
150: 순수수지 152: 경화재
154: 펌프 156: 믹서
158: 분배기

Claims (15)

  1. 강화섬유로 이루어지는 종축지지대용 채움재 및 횡축지지대용 채움재를 결합하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 형성하는 단계;와
    상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 종축지지대를 성형하기 위한 제1 및 제2종축지지대 성형부와 횡축지지대를 성형하기 위한 횡축지지대 성형부가 형성되며 혼합수지를 주입 및 배출하기 위한 주입구 및 퇴출구가 분산 배치되는 성형 몰드에 설치하고, 상기 주입구를 통해 상기 제1 및 제2종축지지대 성형부와 횡축지지대 성형부로 상기 혼합수지를 주입하고 경화하는 단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 종축지지대용 채움재는 다수의 복합소재 리브부 및 코어부와, 상기 리브부 및 코어부 사이의 공간을 메우는 포상물질(foam)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복합소재 리브부 및 코어부는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유가 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 경화시키거나, 강화섬유 프리폼(preform)에 수지를 주입하여 경화시킨 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 횡축지지대용 채움재는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하거나 또는 금속재로 제작되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합수지는 에폭시, 폴리에스터, 페놀 수지 중 어느 하나의 순수수지와 경화제가 혼합된수지인 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 성형 몰드는 2개의 종축지지대를 성형하기 위한 제1 및 제2종축지지대 성형부와, 상기 제1 및 제2종축지지대 성형부와 연통되며 종축지지대를 연결하는 횡축지지대를 성형하기 위한 횡축지지대 성형부가 형성되며, 상부몰드와 하부몰드로 분할 제작되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 기본구조재를 형성하는 단계 이후 혼합수지를 주입하고 경화하는 단계 이전에, 상기 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 체결하여서 이루어지는 복합소재 대차프레임용 기본구조재의 표면에 프리폼(prefrom)을 적층하여 스킨부를 더 형성하는 3단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 성형 몰드에는 제1종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제2종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 성형 몰드에는 횡축지지대 성형부 중앙 상부에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제1 및 제2종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 성형 몰드에는 제1 및 제2종축지지대 성형부의 상부 양단과 횡축지지대 성형부 중앙 상부에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제1 및 제2종축지지대 성형부의 하부 중앙에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 성형 몰드에는 제1 및 제2종축지지대 성형부의 상부 양단에 혼합수지를 주입하기 위한 주입구가 배치되고, 제1 및 제2종축지지대 성형부의 하부 중앙과 횡축지지대 성형부 중앙 하부에 혼합수지를 퇴출시키기 위한 퇴출구가 배치되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합수지를 주입 및 배출하는 주입구와 퇴출구의 압력차가 1기압 이상 조건을 유지하는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 주입구는 복수가 구비되며 상기 주입구별로 압력차가 존재하는 조건하에서 상기 혼합수지가 주입되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 퇴출구는 복수가 구비되며 상기 퇴출구별로 압력차가 존재하는 조건하에서 상기 혼합수지가 배출되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 주입구와 퇴출구의 홀직경은 20mm이상인 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작방법.
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