KR20190036879A - 블레이드 및 그 제조방법 - Google Patents

블레이드 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20190036879A
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Abstract

본 발명은 내부에 중공부를 형성하고, 중공부에 다수의 지지부를 설치하여 경량화가 가능하며, 소재비용을 낮추면서도 강도를 증가시킬 수 있고, 제조공정도 용이해지도록 개선된 블레이드 및 그 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 블레이드는 제1섬유강화 복합소재를 포함하는 시트 형태로 제공되고, 상기 블레이드의 상부면을 형성하는 블레이드 상판; 제2섬유강화 복합소재를 포함하고, 상기 블레이드 상판의 하부에 중공부를 형성하며 상기 블레이드의 하부면을 형성하는 블레이드 하판; 및 상기 블레이드 하판에서 상기 중공부로 연장 형성되어 상기 블레이드 상판을 지지하는 적어도 하나의 지지부;를 포함한다.

Description

블레이드 및 그 제조방법 {BLADE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 드론에 적용되는 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소재비용을 낮추면서도 강도를 유지하며, 제조공정도 용이해지도록 개선된 블레이드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 드론(Drone)은 조종사가 탑승하지 않고 무선전파 유도에 의해 비행과 조종이 가능한 비행체로, 최근에는 항공사진촬영과 배달, 기상정보 수집, 농약 살포 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
이러한 드론은, 몸체부에서 연장된 복수의 아암에 각각 개별적으로 구동되는 모터가 제공되고, 각각의 모터에 블레이드가 결합된다.
드론은 각각의 모터의 출력을 조절하여 블레이드를 회전시키게 되며, 블레이드의 회전에 의해 형성되는 양력을 조절하여 비행한다.
종래의 드론은 소형으로 제조되고 있으며, 이에 따라 블레이드도 큰 강도를 요구하지 않음에 따라 플라스틱 소재를 사출 성형하여 제조되고 있다.
한편, 드론은 활용범위가 증가함에 따라 점차 대형화되고 있으며, 필요에 따라 중량이 큰 물체를 탑재하거나 운송할 수 있도록 개발되고 있다.
한편, 드론은 중량이 큰 물체를 탑재하기 위해서는 블레이드의 크기를 크게 증가시켜야 하며, 블레이드의 크기가 증가함에 따라 블레이드의 강도도 증가시켜야 한다.
종래의 고강도 블레이드는 블레이드 상판과 블레이드 하판을 각각 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)로 제조하고, 블레이드 상판과 블레이드 하판 사이에 발포수지가 제공된다.
이러한 고강도 블레이드는 블레이드 상판과 블레이드 하판 사이에 발포수지를 압축하여 성형한 후, 고압성형기(Autoclave)에 넣어 성형한다. 이때, 고강도 블레이드는 고압성형기에서 약 2시간 동안 160℃ 정도의 온도로 상승된 후, 약 4시간 정도 온도가 유지되어 성형된다.
한편, 발포수지는 통상 폴리 우레탄 폼으로 제공될 수 있고, 이러한 발포수지는 크기가 작고, 특히 두께가 얇아서 고압성형시 변형을 방지할 수 있도록 단섬유가 함유된다. 이러한 발포수지는 단섬유로 인해 고압성형시 변형을 방지할 수 있으나, 강도가 증가함에 따라 가공성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 발포수지가 블레이드 상판과 블레이드 하판 사이의 공간에 정확하게 맞지 않게 가공될 경우, 고압성형시 수지가 누출되어 블레이드 상판과 블레이드 하판 사이에 발포수지가 부족할 수 있으며, 이에 블레이드 상판과 블레이드 하판은 발포수지와 틈 및 단차가 형성되는 불량이 발생할 우려가 있다.
따라서, 종래에는 고강도 블레이드의 제조시, 발포수지를 블레이드 상판과 블레이드 하판 사이의 공간에 정확하게 맞도록 가공해야 하고, 가공온도를 정확하게 조절해야 하므로, 전체적으로 수작업이 많고 제작에도 7시간 이상 소요되고 있어 생산성이 낮았다.
또한, 종래의 고강도 드론 블레이드는, 높은 강도를 갖기 위해 블레이드 상판 및 블레이드 하판이 모두 고가의 소재인 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)로 제조되고 있으며, 이에 따라 제조단가가 높고, 제품의 품질도 균일성이 떨어져 전체적인 수율로 낮은 상황이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 내부에 중공부를 형성하고, 중공부에 다수의 지지부를 설치하여 경량화가 가능하며, 소재비용을 낮추면서도 강도를 증가시킬 수 있고, 제조공정도 용이해지도록 개선된 블레이드 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 블레이드는 제1섬유강화 복합소재를 포함하는 시트 형태로 제공되고, 상기 블레이드의 상부면을 형성하는 블레이드 상판; 제2섬유강화 복합소재를 포함하고, 상기 블레이드 상판의 하부에 중공부를 형성하며 상기 블레이드의 하부면을 형성하는 블레이드 하판; 및 상기 블레이드 하판에서 상기 중공부로 연장 형성되어 상기 블레이드 상판을 지지하는 적어도 하나의 지지부;를 포함한다.
상기 제1섬유강화 복합소재는 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2섬유강화 복합소재는 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics; LFT)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지부는 적어도 일측에서 다른 지지부와 교차되며 연결될 수 있다.
또한, 상기 지지부는 각각 다른 방향으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 지지부는 상기 블레이드 하판과 접촉하는 면적이 상기 블레이드 상판과 접촉하는 면적보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지부는 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics; LFT)를 포함하며, 상기 블레이드 하판의 상부에 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 지지부의 두께는 0.5 내지 5.0t일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 블레이드 제조방법은, 섬유강화복합소재의 시트를 가공하여 블레이드의 상면을 형성하는 블레이드 상판을 제조하는 제1단계; 섬유강화복합소재를 사출성형하여 블레이드의 하면을 형성하는 블레이드 하판 및 상기 블레이드 하판과 일체로 형성되어 상기 블레이드 상판을 지지하는 지지부를 제조하는 제2단계; 및 상기 블레이드 상판과 상기 블레이드 하판을 접합하여 블레이드를 제조하는 제3단계;를 포함한다.
또한, 상기 제1단계는 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 몰드에 넣고 가압하여 블레이드 상판의 형태로 성형할 수 있다.
또한, 상기 제2단계는 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics; LFT)를 사출하여 상기 블레이드 하판과 상기 지지부를 일체로 성형할 수 있다.
또한, 상기 제3단계는 상기 블레이드 상판과, 상기 블레이드 하판 및 상기 지지부의 접촉부를 본딩하여 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 블레이드 상판은 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 사용하여 충분한 강도를 형성할 수 있고, 블레이드 하판은 블레이드 상판에 비해 저가의 소재인 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics)를 사용하도록 하여 전체적인 제조비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은, 블레이드 상판과 블레이드 하판 사이가 중공으로 제공되어 경량화가 가능하고, 다수의 지지부에 의해 강도를 강화할 수 있다.
또한, 본 발명은, 블레이드 상판과 블레이드 하판의 조립이 용이하여 제조과정이 간단하고, 제조시간을 줄일 수 있으며, 전체적인 품질을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 블레이드 상판과, 블레이드 하판 사이에 제공되어 강도를 증가시키는 지지부가 다른 지지부와 교차되며 연결됨에 따라 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은, 지지부가 다른 리브와 교차하여 형성됨에 따라 강성이 증가될 수 있고, 블레이드 상판과 블레이드 하판 사이의 접착면 증가로 인한 접착 용이성 및 접착 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 지지부가 모두 동일한 방향으로 배열되거나, 각각 다른 방향을 갖도록 배열될 수 있으며, 이러한 배열구조에 따라 블레이드의 위치에 따라 강도를 다르게 형성시킬 수 있고, 블레이드의 특성에 따라 강한 힘이 작용되는 부분의 강도를 더욱 증가시킬 수 있다. 이러한 구조에 따라 본 발명의 블레이드는 지지부의 배열 구조 및 형태를 조정하여 더욱 경량화가 가능하며, 강도도 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 지지부가 강도가 높은 블레이드 상판에 접촉하는 면적보다 상대적으로 강도가 낮은 블레이드 하판에 접촉하는 면적이 더욱 크게 형성될 수 있으며, 이러한 구조에 따라 블레이드 상판으로부터 전달되는 하중을 블레이드 하판으로 안정적으로 전달, 지지할 수 있어 전체적인 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 지지부가 블레이드 상판 또는 블레이드 하판과 접촉하는 면적을 다르게 형성함에 따라 지지부의 두께를 감소시킬 수 있어 강도를 유지하면서도 더욱 경량화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드가 적용되는 드론의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제조방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험을 개략적으로 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프.
도 11은 본 발명의 제6실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프.
도 12는 본 발명의 제7실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드가 적용되는 드론의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 분해사시도이다.
이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드(100)를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드(100)는 드론(10)과 같이 비행상태를 유지할 수 있는 비행체에 적용하여 비행을 위한 양력을 제공하는데 활용될 수 있다.
드론(10)은 구동회로를 포함하는 몸체부(12)를 포함하고, 이 몸체부(12)의 외곽부에 복수의 아암(14)이 제공될 수 있다. 아암(14)은 동수로 제공되며 몸체부(12)의 중앙부를 기준으로 대칭으로 제공될 수 있다.
또한, 각각의 아암(14)에는 모터(16)가 독립적으로 작동하도록 설치될 수 있다.
이들 모터(16)에는 각각 블레이드(100)가 결합되며, 모터(16)의 작동시 블레이드(100)가 회전하며 양력을 발생시킬 수 있다. 모터(16)는 몸체부(12)의 중앙부를 기준으로 서로 다른 방향으로 회전하도록 작동될 수 있다.
이러한 드론(10)은, 크기가 작은 소형으로 개발되었으나, 최근에는 중량물을 운송하거나, 사람이 탑승가능한 형태로 대형화되고 있다.
이와 같이, 드론(10)이 대형화됨에 따라 드론(10)에 양력을 제공하는 블레이드(100)의 크기도 증가하고 있으며, 블레이드(100)의 크기가 증가함에 따라 강도를 견딜 수 있는 고강도 블레이드(100)가 개발되고 있다.
본 실시예에서 블레이드(100)는 대형 드론(10)에 적용될 수 있도록 고강도를 갖는 블레이드(100)에 특화될 수 있으며, 드론(10)에 회전 가능하게 설치될 수 있다.
본 실시예에서 드론(10)의 형태는 구체적으로 한정되지 않으며, 드론(10)에 제공되는 블레이드(100)의 개수 등도 성능의 향상을 위해 다양하게 변형될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서 드론(10)은 4개의 아암(14)을 갖는 것으로 설명하고 있으나, 드론(10)에 제공되는 아암(14)은 6개 또는 8개 등과 같이 변형될 수 있으며, 바람직하게는 아암(14)은 대칭되는 구조로 제공될 수 있다. 또한, 드론(10)에 제공되는 블레이드(100)의 개수도 3개인 것에 대해 설명하고 있으나, 블레이드(100)는 2개 또는 4개 등과 같이 다양한 형태로 제공되는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에서 블레이드(100)는 블레이드 상판(110)과, 블레이드 하판(120) 및 지지부(130)를 포함할 수 있다.
블레이드 상판(110)은, 섬유강화복합소재를 포함하여 시트 형태로 제조된 것으로, 블레이드(100)의 상면 외관을 형성할 수 있다. 이러한 블레이드 상판(110)은 양력의 형성이 유리한 익형 굴곡면을 갖도록 형성될 수 있다.
블레이드 상판(110)은, 블레이드(100)의 강도를 형성하는 주요 부품으로, 제1섬유강화 복합소재를 포함하며, 바람직하게는 제1섬유강화 복합소재는 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 포함할 수 있다.
연속섬유 복합소재(CFT)는 유리섬유와 수지의 비율 및 유리섬유의 배열　등에 의하여 물성이 달라질 수 있다.
본 실시예에서 연속섬유 복합소재(CFT)는 폴리프로필렌(Poly Propylene; PP) 수지 40%, 유리섬유(GF; Glass Fiber) 60%를 포함할 수 있으며, 유리섬유에 폴리프로필렌 수지를 함침하여 섬유의 직조 무늬가 나타나지 않는 단방향성(Unidirectional; UD) 시트로 제조될 수 있다.
이와 같이, UD 방식에 의해 제조된 연속섬유 복합소재(CFT)는, 두께를 얇게 형성할 수 있으며, 예컨대 0.3t의 두께로 제조될 경우, 인장강도(Tensile Strength)가 약 370MPa　일 수 있고, 인장탄성률(Tensile Modulus)은 약 21G pa 일 수 있다.
또한, 연속섬유 복합소재(CFT)는 직조(woven)되어 제조될 수 있으며, 이 경우 단방향성 시트방식에 비해 인장강도가 더욱 증가할 수 있다.
예컨대, 직조방식에 의해 제조된 연속섬유 복합소재(CFT)는 폴리프로필렌(PP) 수지 30%, 유리섬유(GF) 70%인 소재일 수 있다. 직조방식에 의해 제조된 연속섬유 복합소재(CFT)는 예컨대 0.6t의 두께로 제조될 경우, 인장강도(Tensile Strength)가 약 545MPa　일 수 있고, 인장탄성률(Tensile Modulus)은 약 26G pa 일 수 있다.
본 실시예에서 UD 방식에 의해 제조된 연속섬유 복합소재(CFT)의 블레이드 상판(110)은 0.3t의 두께로 제조되고, 직조방식에 의해 제조된 연속섬유 복합소재(CFT)의 블레이드 상판(110)은 0.6t의 두께로 제조된 것으로 설명하고 있으나, 블레이드 상판(110)의 두께는 크기나 형태 등에 따라 적어도 3.0t 내에서 자유롭게 선택될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 블레이드 상판(110)은 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 포함할 수 있으며, 탄소섬유 강화플라스틱소재(CFRP)는 연속섬유 복합소재(CFT)에 비해 가격이 비싸지만, 인장강도(Tensile Strength)는 약 740MPa　인 고강도 소재이다.
따라서, 블레이드 상판(110)이 탄소섬유 강화플라스틱소재(CFRP)를 포함할 경우, 두께는 적어도 2.0t 내에서 자유롭게 선택될 수 있다.
이와 같이, 블레이드 상판(110)으로 사용되는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CFRP)나 연속섬유 복합소재(CFT)는 강철에 비해 밀도에 따른 인장강도가 매우 우수한 소재로 알려져 있다.
한편, 블레이드 하판(120)은 블레이드 상판(110)의 하부를 차폐토록 제공되는 것으로, 블레이드 상판(110)의 하부에 중공부가 구비되도록 블레이드(100)의 하면 외관을 형성할 수 있다.
블레이드 하판(120)은 블레이드 상판(110)과 같이 양력의 형성이 유리한 익형 굴곡면을 갖도록 형성될 수 있으며, 이때 블레이드 하판(120)과 블레이드 상판(110)은 익형 굴곡면의 형태는 다르게 형성될 수 있다.
블레이드 상판(110)과 블레이드 하판(120)의 익형 굴곡면은, 본 실시예에서 구체적으로 한정되지는 않으며, 블레이드(100)의 크기나 형태 등이나 성능향상을 위해 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 실시예에서 블레이드 하판(120)은, 블레이드(100)의 하부면을 형성하는 구성요소로, 제2섬유강화 복합소재를 포함할 수 있다. 바람직하게는 제1섬유강화 복합소재는 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics; LFT)를 포함할 수 있다.
장섬유강화수지 복합소재(LFT)는 폴리프로필렌(PP) 수지 60%, 유리섬유(GF) 40%인 소재일 수 있다. 또한, 장섬유강화수지 복합소재(LFT)는 약 1.5 내지 2t의 두께로 제조될 경우, 인장강도(Tensile Strength)는 약 90MPa　일 수 있고, 인장탄성률(Tensile Modulus)은 약 6Gpa일 수 있다.
바람직하게는, 블레이드 하판(120)의 두께는 크기나 형태 등에 따라 적어도 3.0t 내에서 자유롭게 선택될 수 있다.
또한, 장섬유강화수지 복합소재(LFT)는 폴리프로필렌(PP) 수지와, 유리섬유(GF)의 혼합비율을 조절하여 물성을 변화시킬 수 있고, 유리섬유(GF)의 조성비가 높을수록 강도가 강해지는 특성을 갖는다.
장섬유는 연속섬유와 대비될 수 있고, 연속섬유와는 달리, 소정의 길이로 절단된 섬유를 의미한다. 연속섬유는 공정 중 연속적으로 공급되기 때문에 연속섬유라 칭해진다. 다만, 연속적으로 공급되는 연속섬유는 얻고자 하는 결과적인 제품의 최종적인 크기에 따라, 제품 형태에 맞게 절단되므로, 연속섬유 역시 제품 내에서는 유한한 길이를 가지게 된다. 이와 같이, 연속섬유 역시 제품 내에서 유한한 길이를 가지지만, 제품 내부에서 절단되지 않고 연속적인 형태로 존재하게 되는 것이 일반적이다. 이와는 달리, 장섬유는 소정의 길이로 절단된 형태로 공정에 투입된다.
예를 들어, 상기 장섬유는 1mm 내지 20mm의 길이를 가질 수 있고, 이에 한정되지 않으며, 구현하고자 하는 제품의 물성에 따라 그 길이가 정해질 수 있다.
이와 같이, 블레이드 하판(120)으로 사용되는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CFRP)나 연속섬유 복합소재(CFT)에 비해 인장강도가 낮은 소재로, 블레이드 하판(120)의 충분한 강도를 보강하기 위해서 블레이드 하판(120)의 상면에는 중공부로 연장 형성되어 블레이드 상판(110)의 하부면을 지지하는 적어도 하나의 지지부(130)를 포함할 수 있다.
바람직하게는 지지부(130)는 블레이드 하판(120)과 동일한 소재로 형성될 수 있다. 즉, 지지부(130)는 제2섬유강화 복합수지, 바람직하게는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있으며, 블레이드 하판(120)과 일체로 형성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예의 블레이드(100)는 블레이드 상판(110)이 탄소섬유 강화플라스틱소재(CFRP)나 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함함에 따라 고강도로 제조될 수 있고, 블레이드 하판(120)이 장섬유강화수지 복합소재(LFT)로 제조되고, 블레이드 하판(120)과 일체로 형성되는 적어도 하나의 지지부(130)에 의해 충분한 강도를 갖도록 제조될 수 있다.
본 실시예에서 지지부(130)의 두께는 0.5 내지 5.0t일 수 있다. 또한, 지지부(130)는 블레이드 상판(110)과 블레이드 하판(120)의 중공부 단면적과 대응하는 판 형태로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예 지지부(130)는 복수로 제공될 수 있으며, 성능향상을 위해 지지부(130)의 배열되는 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
바람직하게는, 블레이드(100)의 길이가 18.5인치일 경우, 지지부(130)는 끝단 부분에서는 0.5 내지 1.5t일 수 있고, 가운데 및 시작단 부분에서는 1.0 내지 4.5t일 수 있다.
이와 같이, 지지부(130)는 블레이드(100)의 위치에 따라 두께를 다르게 형성할 수 있다. 이와 같이 지지부(130)의 두께를 다르게 설정한 것은 블레이드(100)의 길이에 따른 강성 및 강도를 고려한 설계요소일 수 있다.
한편, 지지부(130)는 안전률 등을 고려하여 5.0t를 초과할 경우, 중량 절감 효과를 기대하기 어렵고, 0.5t 미만일 경우 강도 및 강성 부족이 예상될 수 있으며, 이러한 한정은 블레이드(100)에 요구되는 강성 및 강도를 만족하지 못함을 실험을 통해 확인할 수 있다.
더불어, 본 실시예에서 블레이드(100)의 길이는 18.5인치일 경우를 한정하고 있으나, 드론(10)에 요구되는 하중 성능이 증가함에 따라 블레이드(100)의 길이 및 강도도 증가될 수 있으며, 이러한 설계적 요건의 변화에 따라 지지부(130)의 두께, 형태 등은 다양하게 변형될 수 있다.
예컨대, 지지부(130)는 적어도 일측에서 다른 지지부(130)와 교차되며 연결될 수 있다. 또한, 지지부(130)는 중앙부에서 다른 지지부(130)와 교차할 수 있고, 단부에서도 다른 지지부(130)와 교차하는 것도 가능하다. 예컨대, 지지부(130)는 연속적으로 배치되며 'X'자, '+'와 같이 서로 교차하여 연결될 수 있다.
또한, 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 수직한 법선 방향으로 평행하게 형성될 수 있다. 또한, 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 대해 경사진 방향으로 평행하게 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예는 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이나 폭, 형태 등에 대응하여 배열방향이 혼합되거나 각각 서로 다른 방향으로 배열될 수 있다. 예컨대, 지지부(130)는 강도가 크게 요구되는 일정 부분에는 지지부(130)를 이중으로 배열하는 것도 가능하며, 지지부(130)가 직선 형태 외에도 굴곡진 형태로 형성되는 것도 가능하다. 또한, 지지부(130)는 블레이드(100)가 굴곡지게 형성되거나, 블레이드(100)의 길이에 따라 폭에 차이가 날 경우, 배열되는 형태가 변형될 수 있으며, 일례로, 블레이드(100)의 길이방향에 비해 폭방향으로 긴 'X' 형태로 배열되거나, 길이방향에 비해 폭방향으로 짧은 'X' 형태로 배열될 수 있다. 이와 같이, 지지부(130)는 소정의 패턴을 갖도록 배열될 수 있으나, 각각의 패턴은 블레이드(100)의 위치나, 형태 등에 따라 배열 방향이 각각 다르게 형성될 수 있으며, 이러한 지지부(130)의 배열 각도, 형태의 변형을 통해 강도 및 강성을 더욱 증가시킬 수 있다.
이러한 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이나 강도 등을 고려하여 배열된 형태나 개수, 밀집도에 차이를 갖도록 제공될 수 있다.
또한, 지지부(130)는 블레이드 하판(120)에서 블레이드 상판(110)을 지지하도록 연장되는 다수의 봉 형태, 또는 소정의 폭을 갖는 스트립(strip) 또는 핀(pin) 형태로 제공되는 것도 가능하다.
이러한 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이나 강도 등을 고려하여 배열된 형태나 개수, 밀집도에 차이를 갖도록 제공될 수 있으며, 예컨대 지지부(130)의 간격은 블레이드(100)의 양쪽 단부와 가까울 경우 멀게 형성될 수 있고, 중앙부쪽은 지지부(130) 사이의 간격이 좁게 형성될 수 있다.
또한, 지지부(130)는 형상이나 배열 형태, 설치 위치, 개수 등에 따라 각각의 두께를 다르게 형성하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에서 지지부(130)는 블레이드 하판(130)과 접촉하는 면적과 블레이드 상판(110)과 접촉하는 면적을 다르게 형성할 수 있다. 구체적으로 블레이드 상판(110)은, 연속섬유 복합소재(CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CFRP)를 포함하여 제조됨에 따라 블레이드 하판(130)에 비해 상대적으로 강도가 높다. 반면에, 블레이드 하판(130)은 장섬유강화수지 복합소재(LFT)로 제조됨에 따라 블레이드 상판(110)에 비해 상대적으로 강도가 낮다.
이와 같이, 블레이드 상판(110)과 블레이드 하판(130)은 강도의 차이가 발생함에 따라, 이들을 지지하는 지지부(130)는 블레이드 상판(110)과 접촉되는 부분의 면적이 블레이드 하판(130)에 접촉하는 면적보다 작게 형성되더라도, 지지되는 강도를 일정하게 형성할 수 있다.
즉, 블레이드 상판(110)은 고강도 소재를 포함함에 따라 지지부(130)와 접촉되는 면적이 작더라도 충분한 하중을 지지할 수 있고, 블레이드 하판(130)은 블레이드 상판(110)에 비해 강도가 낮은 소재를 포함함에 따라 지지부(130)와 접촉되는 면적을 크게 하여 하중을 분산하여 지지할 수 있다.
이와 같이, 지지부(130)는 블레이드 상판(110)과 접촉되는 면적이 블레이드 하판(130)과 접촉되는 면적에 비해 작게 형성되고, 그 사이가 선형적으로 연결됨에 따라 지지부(130)의 부피를 최소화할 수 있고, 이에 따라 지지부(130)가 동일한 두께를 가지는 경우에 비해 더욱 경량화시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서 지지부(130)는 블레이드 상판(110)에 비해 블레이드 하판(130)과 접촉하는 면적이 증가하는 구조로 성형되며, 이에 따라 금형으로부터 사출되어 성형시 용이하게 취출될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
블레이드(100) 제조방법은 제1섬유강화 복합소재의 시트를 가공하여 블레이드(100) 상면을 형성하는 블레이드 상판(110)을 제조하는 단계를 포함할 수 있다(S11 참조).
블레이드 상판(110)은, 제1섬유강화 복합소재, 예컨대 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 가공하여 형성할 수 있다.
바람직하게는 블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)을 미리 블레이드 상판(110)의 익형 굴곡면의 캐비티(cavity)를 갖는 몰드에 넣고, 열을 가하면서 가압하여 제조할 수 있다.
이와 같이 블레이드 상판(110)을 제조하는 방법은, 프리프레그 압축 성형(Prepreg Compression Molding) 공법으로 알려져 있으며, 블레이드 상판(110)을 제조하는 온도나, 압력 등의 구체적인 사항은 본 실시예에서 한정되지 않는다.
상기의 단계에서 블레이드 상판(110)이 제조되면, 제2섬유강화 복합소재를 성형하여 블레이드 하판(120)을 제조하는 단계가 진행될 수 있다(S12 참조).
블레이드 하판(120)은, 제2섬유강화 복합소재, 예컨대 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics)을 포함할 수 있다.
블레이드 하판(120)은, 사출 성형에 의해 제조될 수 있다. 바람직하게는 블레이드 하판(120)은 동일 소재, 즉 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics)을 포함하는 지지부(130)와 함께 일체로 사출 성형에 의해 제조될 수 있다.
즉, 블레이드 하판(120) 및 지지부(130)는, 블레이드 하판(120) 및 지지부(130)의 형태를 갖는 금형에 주입되어 일체로 사출성형될 수 있다.
전술된 단계를 거쳐, 블레이드 상판(110)과, 지지부(130)를 갖는 블레이드 하판(120)이 제조되면, 블레이드 상판(110)과 블레이드 하판(120)을 접합하여 완제품 형태의 블레이드(100)를 제조하는 단계가 진행될 수 있다(S13 참조).
이때, 블레이드 하판(120) 및 지지부(130)의 단부에 접착제를 도포한다. 그리고, 블레이드 하판(120)의 상부에 블레이드 상판(110)을 덮어 소정의 압력을 가한다. 이와 같이, 블레이드 상판(110)과 블레이드 상판(120)을 덮은 상태로 가압하게 되면, 블레이드 상판(110)과 블레이드 하판(120) 및 지지부(130)의 접촉부가 접착제에 의해 본딩되며 완성품 형태의 블레이드(100)로 제조될 수 있다.
한편, 본 실시예에 의해 제조된 블레이드(100)의 강도를 측정하는 실시예를 보면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예의 블레이드(100)의 강도를 측정하기 위해 3점 굴곡시험방법을 사용할 수 있다.
이때, 블레이드(100)를 가압하는 경간(span)(150) 사이의 거리는 블레이드(100) 길이의 40%로 한정하며, 일례로 88mm일 수 있다. 또한, 블레이드(100)를 가압하는 가압부(160)는 시험속도 3mm/min로 블레이드(100)의 지지부(130) 사이를 가압한다.
(실시예 1)
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프이다.
블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함할 수 있고, 두께는 0.9t이다.
또한, 블레이드 하판(120)은, 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있고, 두께는 1.5t이다.
또한, 지지부(130)는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함하며, 두께는 4t이다. 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 대해 경사지게 배열된다.
이러한 블레이드(100)는 약 30g으로 제조될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 371.9N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
(실시예 2)
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프이다.
블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함할 수 있고, 두께는 0.9t이다.
또한, 블레이드 하판(120)은, 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있고, 두께는 1.5t이다.
또한, 지지부(130)는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함하며, 두께는 4t이다. 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 일부는 직교하게 배열되고, 또 다른 일부는 교차하여 경사지게 배열된다.
이러한 블레이드(100)는 약 34g으로 제조될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 327.5N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
(실시예 3)
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프이다.
블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함할 수 있고, 두께는 0.9t이다.
또한, 블레이드 하판(120)은, 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있고, 두께는 1.5t이다.
또한, 지지부(130)는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함하며, 두께는 4t이다. 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 일부는 직교하게 배열되고, 또 다른 일부는 교차하여 경사지게 배열된다.
실시예 3은 실시예 2와 비교하여, 지지부(130)의 배열 형태는 유사하나, 각각의 배열된 위치나, 형태 개수에 차이가 있음을 알 수 있다.
이러한 블레이드(100)는 약 34g으로 제조될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 554N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
(실시예 4)
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프이다.
블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함할 수 있고, 두께는 0.9t이다.
또한, 블레이드 하판(120)은, 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있고, 두께는 1.5t이다.
또한, 지지부(130)는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함하며, 두께는 4t이다. 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 일부는 직교하게 배열되고, 또 다른 일부는 교차하여 경사지게 배열된다.
실시예 4는 실시예3와 비교하여, 지지부(130)의 배열 형태는 유사하나, 각각의 배열된 위치나, 형태 개수에 차이가 있음을 알 수 있으며, 특히 블레이드(100)의 길이방향에 대해 직교한 방향의 지지부(130) 개수에도 차이가 있다.
이러한 블레이드(100)는 약 32g으로 제조될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 532N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
(실시예 5)
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프이다.
블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함할 수 있고, 두께는 0.9t이다.
또한, 블레이드 하판(120)은, 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있고, 두께는 1.5t이다.
또한, 지지부(130)는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함하며, 두께는 4t이다. 지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 일부는 직교하게 배열되고, 또 다른 일부는 교차하여 경사지게 배열된다.
실시예 5는 실시예4와 비교하여, 지지부(130)의 배열 형태는 유사하나, 각각의 배열된 위치나, 형태 개수에 차이가 있음을 알 수 있으며, 특히 블레이드(100)의 길이방향에 대해 직교한 방향의 지지부(130) 개수에도 차이가 있다.
이러한 블레이드(100)는 약 26g으로 제조될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 465N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
(실시예 6)
도 11은 본 발명의 제6실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프이다.
블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함할 수 있고, 두께는 0.9t이다.
블레이드 하판(120)과 지지부(130)는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있다.
또한, 블레이드 하판(120)은 블레이드(100)의 시작단과 가까운 부분의 두께는 0.7t이고, 지지부(130)의 두께는 2t이다. 또한, 블레이드 하판(120)은 블레이드(100)의 시작단과 먼 부분의 두께는 0.5t이고, 지지부(130)의 두께는 1t이다. 또한, 블레이드 하판(120)은 블레이드(100)의 양단부 사이 부분의 두께는 1t이고, 지지부(130)의 두께는 3t이다.
지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 일부는 직교하게 배열되고, 또 다른 일부는 교차하여 경사지게 배열된다.
이러한 블레이드(100)는 약 23g으로 제조될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 407N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
(실시예 7)
도 12는 본 발명의 제7실시예에 따른 블레이드의 굴곡시험에 의한 하중그래프이다.
블레이드 상판(110)은 연속섬유 복합소재(CFT)를 포함할 수 있고, 두께는 0.9t이다.
블레이드 하판(120)과 지지부(130)는 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 포함할 수 있다.
또한, 블레이드 하판(120)은 블레이드(100)의 시작단과 가까운 부분의 두께는 0.5t이고, 지지부(130)의 두께는 1t이다. 또한, 블레이드 하판(120)은 블레이드(100)의 시작단과 먼 부분의 두께는 0.5t이고, 지지부(130)의 두께는 0.5t이다. 또한, 블레이드 하판(120)은 블레이드(100)의 양단부 사이 부분의 두께는 1t이고, 지지부(130)의 두께는 2t이다.
지지부(130)는 블레이드(100)의 길이방향에 일부는 직교하게 배열되고, 또 다른 일부는 교차하여 경사지게 배열된다.
이러한 블레이드(100)는 약 20g으로 제조될 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 385N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
(실시예 8)
실시예 8은 종래기술에 의해 제조되는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 포함하는 블레이드(100)이다.
실시예 8은 종래 기술에 의해 제조된 블레이드(100)로서, 본 실시예에 따른 실시예 7의 블레이드(100)와 외형이 유사하다.
실시예 8의 블레이드(100)는 3점 굴곡시험방법에 의해 강도를 측정하면, 최대하중이 약 287N에서 굴곡됨을 알 수 있다.
따라서, 실시예들을 보면, 본 발명의 블레이드(100)는, 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)에 비해 저가인 장섬유강화수지 복합소재(LFT)를 사용하여 제조되므로, 제조단가를 줄일 수 있고, 동일한 외형에 대해 경량화가 가능하며, 최대하중도 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
특히, 본 발명은 실시예 7과 같이 블레이드(100)를 설계할 때, 무게대비 최대하중이 가장 크게 나타나는 최적의 설계조건임을 알 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 블레이드 110: 블레이드 상판
120: 블레이드 하판 130: 지지부

Claims (12)

  1. 제1섬유강화 복합소재를 포함하는 시트 형태로 제공되고, 상기 블레이드의 상부면을 형성하는 블레이드 상판;
    제2섬유강화 복합소재를 포함하고, 상기 블레이드 상판의 하부에 중공부를 형성하며 상기 블레이드의 하부면을 형성하는 블레이드 하판; 및
    상기 블레이드 하판에서 상기 중공부로 연장 형성되어 상기 블레이드 상판을 지지하는 적어도 하나의 지지부;
    를 포함하는 블레이드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1섬유강화 복합소재는 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 포함하는 블레이드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2섬유강화 복합소재는 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics; LFT)를 포함하는 블레이드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는 적어도 일측에서 다른 지지부와 교차되며 연결되는 블레이드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는 각각 다른 방향으로 배열되는 블레이드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 블레이드 하판과 접촉하는 면적이 상기 블레이드 상판과 접촉하는 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 블레이드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics; LFT)를 포함하며, 상기 블레이드 하판의 상부에 일체로 형성되는 블레이드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지부의 두께는 0.5 내지 5.0t인 블레이드.
  9. 섬유강화복합소재의 시트를 가공하여 블레이드의 상면을 형성하는 블레이드 상판을 제조하는 제1단계;
    섬유강화복합소재를 사출성형하여 블레이드의 하면을 형성하는 블레이드 하판 및 상기 블레이드 하판과 일체로 형성되어 상기 블레이드 상판을 지지하는 지지부를 제조하는 제2단계; 및
    상기 블레이드 상판과 상기 블레이드 하판을 접합하여 블레이드를 제조하는 제3단계;
    를 포함하는 블레이드 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1단계는 연속섬유 복합소재(Continuous Fiber Thermoplastic; CFT) 또는 탄소섬유 강화플라스틱소재(CARBON Fiber Reinforced Plastics; CFRP)를 몰드에 넣고 가압하여 블레이드 상판의 형태로 성형하는 블레이드 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2단계는 장섬유강화수지 복합소재(Long Fiber Thermoplastics; LFT)를 사출하여 상기 블레이드 하판과 상기 지지부를 일체로 성형하는 블레이드 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계는 상기 블레이드 상판과, 상기 블레이드 하판 및 상기 지지부의 접촉부를 본딩하여 제조하는 블레이드 제조방법.
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