KR20230090774A - Pressure vessel manufacturing method using rubber and composite materials - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 맨드릴 조립에서부터 성형에 이르는 전체 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 분리가능한 복수의 세그먼트로 구성되는 실린더부와, 돔부로 구성되는 맨드릴을 조립하는 S1단계와; 상기 맨드릴의 표면에 고무 스트립을 와인딩하는 S2단계와; 상기 고무 스트립 표면에 복합소재를 와인딩하는 S3단계와; 상기 고무 스트립을 가황시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 S4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials, and more particularly, to a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials capable of efficiently performing the entire process from mandrel assembly to molding.
The present invention comprises the step S1 of assembling a cylinder portion composed of a plurality of detachable segments and a mandrel composed of a dome portion; Step S2 of winding a rubber strip on the surface of the mandrel; Step S3 of winding a composite material on the surface of the rubber strip; It is characterized in that it comprises; S4 step of curing and molding the composite material at the same time as vulcanizing the rubber strip.
Description
본 발명은 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 맨드릴 조립에서부터 성형에 이르는 전체 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials, and more particularly, to a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials capable of efficiently performing the entire process from mandrel assembly to molding.
고압 가스를 저장하기 위한 압력용기는 기본적으로 강인하고 고압에 견디는 특성을 갖는 소재를 필요로 하며, 민수 분야 또는 국방 분야에서 사용되는 연료탱크의 경우 강성과 경량화가 필수적이다.A pressure vessel for storing high-pressure gas basically requires a material having toughness and high-pressure resistance, and rigidity and light weight are essential for fuel tanks used in civil or national defense fields.
따라서 가볍고 강한 탄소섬유 복합재료의 적용은 금속 재질의 압력용기를 대체하는 효과적인 해결방법이 된다. 수소탱크, 압축천연가스(CNG)탱크와 같은 복합재료 압력용기는 카본섬유를 에폭시(epoxy) 수지에 함침시키 뒤 플라스틱 라이너에 와인딩 하여 제조하는 필라멘트 와인딩(Filament sinding)공법을 사용하여 일반적으로 제조하게 되는데 이는 원통형이나 곡률을 가진 구조물을 일체 성형으로 용이하게 제작할 수 있기 때문이다.Therefore, the application of light and strong carbon fiber composites is an effective solution to replace metal pressure vessels. Composite pressure vessels such as hydrogen tanks and compressed natural gas (CNG) tanks are generally manufactured using the filament sinding method, which is manufactured by impregnating carbon fiber with epoxy resin and then winding it around a plastic liner. This is because a cylindrical or curved structure can be easily manufactured by integral molding.
한편, 일반적인 압력용기는 주로 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속 재질 라이너에 보호 코팅이 입혀져 있는 Type 1 형태의 용기와, 경량화를 위해 금속 라이너 실린더 중앙부 또는 전면에 섬유로 감은 Type 2, 3 형태의 용기와, 고밀도 플라스틱 재질의 라이너에 섬유가 전면에 감겨 있어 Type 1나 2의 용기에 비해 약 60% 중량 절감을 보이는 복합재를 사용한 Type 4 형태의 용기와, Type 3, 4와 달리 라이너를 생략하고 맨드릴의 표면에 직접 복합재를 사용한 Type 5가 있다.On the other hand, general pressure vessels are mainly
필라멘트 와인딩 공정에서 섬유가 감기는 패턴은 크게는 후프(Hoop), 헬리컬(Helical) 그리고 측지선(Polar) 방식으로 구분할 수 있으며, Type 2 용기에서는 후프 형태의 패턴을 사용하며 Type 3 내지 5에서는 용기 중앙부와 돔 형태의 실린더 끝단을 포함한 전면을 감기 때문에 후프 및 헬리컬 패턴을 혼합하여 사용한다.The pattern in which fibers are wound in the filament winding process can be largely classified into hoop, helical, and polar methods.
Type 2 내지 5의 경우 필라멘트 와인딩 기술을 이용하여 성형하게 되는데, 이는 금형인 맨드릴의 외주면을 따라 가열경화 성능을 가지고 있는 섬유소재 등을 와인딩 후, 가열을 실시하여 내부에 수용공간이 형성되는 성형품을 제조하는 방식이다.
이 중에서 Type 5의 압력용기는 라이너가 없이 맨드릴 표면에 고무 스트립을 감은 다음, 그 위에 탄소섬유를 감은 다음, 경화시켜 성형하는 방식이기 때문에 초경량 특성을 가지고 있다.Among them, the
다만, Type 5의 압력용기의 성형 방식의 경우 이종 소재인 고무 스트립과 복합재, 예를 들어 수지가 도포된 탄소 섬유를 순차적으로 와인딩 성형하기 때문에 고무 스트립을 와인딩하는 장치와, 복합재를 와인딩하는 장치를 별도로 설치하여야 하고, 그로 인해 설치장소 및 공정의 효율성이 크게 저하되는 문제가 있었다.However, in the case of the
일례로, 대한민국 등록특허 제10-2247198호에 개시된 와인딩 장치를 적용하는 경우 단일 소재만을 와인딩할 수 있기 때문에 이종 소재를 와인딩하는 경우 공정의 효율성이 크게 저하되는 단점이 있다.For example, when applying the winding device disclosed in Korean Patent Registration No. 10-2247198, since only a single material can be wound, the efficiency of the process is greatly reduced when different materials are wound.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 맨드릴 조립에서부터 성형에 이르는 전체 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials that can efficiently perform the entire process from mandrel assembly to molding.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법은 분리가능한 복수의 세그먼트로 구성되는 실린더부와, 돔부로 구성되는 맨드릴을 조립하는 S1단계와; 상기 맨드릴의 표면에 고무 스트립을 와인딩하는 S2단계와; 상기 고무 스트립 표면에 복합소재를 와인딩하는 S3단계와; 상기 고무 스트립을 가황시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 S4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention includes a step S1 of assembling a cylinder portion composed of a plurality of detachable segments and a mandrel composed of a dome portion; Step S2 of winding a rubber strip on the surface of the mandrel; Step S3 of winding a composite material on the surface of the rubber strip; It is characterized in that it comprises; S4 step of curing and molding the composite material at the same time as vulcanizing the rubber strip.
또한, 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, S1단계는 조립된 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착한 다음, 상기 맨드릴 표면에 진공 배깅 작업 후 수축 필름을 가열함으로써, 상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계 S1-1단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the pressure container manufacturing method using rubber and composite materials according to the present invention, in step S1, a shrink film is attached to the outer joint surface where each segment of the assembled mandrel comes into contact, and then the shrink film is vacuum bagged on the surface of the mandrel. It is characterized in that it further comprises; step S1-1 of sealing the external joint surface by heating.
또한, 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, S2단계의 고무 스트립을 와인딩하는 단계는 미가류 고무 프리폼을 상기 맨드릴의 돔부에 결합한 다음, 상기 맨드릴의 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식과; 상기 맨드릴 돔부 및 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention, in the step of winding the rubber strip in step S2, the unvulcanized rubber preform is coupled to the dome portion of the mandrel, and then the rubber strip is coupled to the cylinder portion of the mandrel. a method of winding; It is characterized in that it is made by winding a rubber strip on the mandrel dome and cylinder.
또한, 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, S3단계는 복합소재를 와인딩한 다음, 와인딩된 복합소재 표면에 진공 배깅 작업 후 양압을 제공하여 복합소재를 압착하는 S3-1단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention, step S3 is to compress the composite material by winding the composite material, and then vacuum bagging the surface of the wound composite material and then providing positive pressure to compress the composite material.
또한, 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, S3단계는 상기 고무 스트립 표면에 복합소재를 후프 와인딩 또는 헬리컬 와인딩한 다음, 복합소재를 맨드릴의 축방향을 따라 수평하게 부착하는 축방향보강 작업을 수행하는 S3-2단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention, step S3 hoop-winds or helically winds the composite material on the surface of the rubber strip, and then attaches the composite material horizontally along the axial direction of the mandrel. It is characterized in that it further comprises; S3-2 step of performing the axial reinforcement work to do.
또한, 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, S2단계, S3단계 및 S3-2단계는 고무 와인딩부 및 복합소재 와인딩부를 함께 구비한 다기능 복합 와인딩 장치를 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, in the pressure container manufacturing method using rubber and composite materials according to the present invention, steps S2, S3, and S3-2 are characterized in that they are performed through a multifunctional composite winding device having a rubber winding unit and a composite material winding unit together. to be
또한, 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법에 있어서, S3단계는 고무 스트립을 가류시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 단계는 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버 내에서 이루어지며, 상기 챔버 내부와 함께, 상기 맨드릴 내부로 가열 및 가압된 유체를 공급하되, 상기 챔버 내부에 수용된 가열 및 가압된 유체를 재활용하는 순환 송풍기를 포함하는 유체 순환 장치를 통해 상기 챔버 내부의 가열 및 가압된 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention, in step S3, the rubber strip is vulcanized and the composite material is cured and molded in a chamber providing a high-temperature and high-pressure environment. and heating the inside of the chamber through a fluid circulation device including a circulation blower supplying the heated and pressurized fluid to the inside of the chamber and the inside of the mandrel, and recycling the heated and pressurized fluid accommodated in the chamber. and circulating the pressurized fluid into the mandrel.
본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법은 맨드릴 조립에서부터 성형에 이르는 전체 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.The method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention has an effect of efficiently performing the entire process from mandrel assembly to molding.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법의 각 공정을 나타내는 블록도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 맨드릴의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2b는 본 발명의 맨드릴의 보스부와, 보호링과, 제1샤프트가 결합하는 모습을 나타내는 분해 사시도이고, 도 2c는 본 발명에 따른 분리형 맨드릴의 실린더부가 복수의 세그먼트로 조립된 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2d는 본 발명의 맨드릴의 결합면에 수축 필름을 부착하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 돔 형상의 미가류 고무 성형체를 나타내는 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 돔 형상의 미가류 고무 성형체를 적용한 상태에서 고무 스트립을 와인딩하는 모습을 나타내는 평면도이고, 도 3c는 본 발명에 따른 분리형 맨드릴에 고무 스트립을 와인딩하는 모습을 나타내는 평면도이다.
도 4a는 본 발명에서 복합소재를 와인딩하는 모습을 나타내는 평면도이고, 도 4b는 본 발명의 고무 및 복합소재가 와인딩된 맨드릴을 오토 클레이브 내에 탑재하고 압착하는 모습을 나타내는 개략도이며, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S3-1단계에서 복합소재를 축방향보강하는 모습을 나타낸 평면도 및 일부 확대도이다.
도 5는 본 발명의 S4단계가 이루어지는 유체 순환 시스템의 전체 구조를 나타내는 도면이다.1 is a block diagram showing each step of a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention.
Figure 2a is a plan view showing the structure of the mandrel according to the present invention, Figure 2b is an exploded perspective view showing how the boss portion of the mandrel, the protection ring, and the first shaft are coupled, Figure 2c is according to the present invention FIG. 2d is a perspective view showing a structure in which the cylindrical portion of the separable mandrel is assembled with a plurality of segments according to the present invention, and FIG.
Figure 3a is a perspective view showing a dome-shaped unvulcanized rubber molded body of the present invention, Figure 3b is a plan view showing the state of winding a rubber strip in a state in which the dome-shaped unvulcanized rubber molded body of the present invention is applied, and Figure 3c is this It is a plan view showing a state in which a rubber strip is wound on a detachable mandrel according to the invention.
Figure 4a is a plan view showing the appearance of winding the composite material in the present invention, Figure 4b is a schematic diagram showing the state of mounting and pressing the mandrel to which the rubber and composite material of the present invention are wound in an autoclave, Figures 4c and 4d is a plan view and a partially enlarged view showing the axial reinforcement of the composite material in step S3-1 using the multifunctional composite winding device of the present invention.
5 is a view showing the overall structure of the fluid circulation system in which step S4 of the present invention is performed.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or a precedent. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.
본 발명에서 사용하는 용어 중 복합소재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등 유기/무기 섬유와 섬유에 수지를 함침시켜 제조한 프리프레그를 포함한다.Among the terms used in the present invention, composite materials include organic/inorganic fibers such as glass fibers, carbon fibers, and aramid fibers, and prepregs manufactured by impregnating fibers with resins.
본 발명에서 사용하는 용어 중 '고무'는 천연고무는 물론 SBR, NBR, EPDM 등과 같은 내열고무를 말하며 내열 및 단열 성능 증진을 위하여 탄소섬유, 아라미드 섬유, 실리카 섬유가 필러로 첨가되거나 가류처리 된 고무를 포함한다. 고무는 미가류 상태의 고무를 말하며 프리폼 작업으로 인하여 일부 표면만 가류된 것을 포함한다.Among the terms used in the present invention, 'rubber' refers to heat-resistant rubber such as SBR, NBR, EPDM, etc. as well as natural rubber, and is a rubber in which carbon fiber, aramid fiber, or silica fiber is added as a filler or vulcanized to improve heat resistance and insulation performance. includes Rubber refers to rubber in an unvulcanized state, and includes rubber in which only a part of the surface is vulcanized due to the preform operation.
도 1은 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법의 각 공정을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing each step of a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법은 분리가능한 복수의 세그먼트로 구성되는 실린더부와, 돔부로 구성되는 맨드릴을 조립하는 S1단계와, 상기 맨드릴의 표면에 고무 스트립을 와인딩하는 S2단계와, 상기 고무 스트립 표면에 복합소재를 와인딩하는 S3단계와, 상기 고무 스트립을 가황시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 S4단계를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials according to the present invention includes a step S1 of assembling a cylinder portion composed of a plurality of detachable segments and a mandrel composed of a dome portion, and It may include a step S2 of winding a rubber strip, a step S3 of winding a composite material on the surface of the rubber strip, and a step S4 of curing and molding the composite material while vulcanizing the rubber strip.
상기 S2단계의 고무 스트립을 와인딩하는 단계는 미가류 고무 프리폼을 상기 맨드릴의 돔부에 결합한 다음, 상기 맨드릴의 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식과, 상기 맨드릴 돔부 및 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식으로 이루어질 수 있다.The step of winding the rubber strip in step S2 includes a method of coupling an unvulcanized rubber preform to the dome portion of the mandrel and then winding the rubber strip to the cylinder portion of the mandrel, and winding the rubber strip to the dome portion and the cylinder portion of the mandrel. can be done in this way.
상기 S3단계는 복합소재를 와인딩한 다음, 와인딩된 복합소재 표면에 진공 배깅 작업 후 양압을 제공하여 복합소재를 압착하는 S3-1단계를 더 포함할 수 있다.The step S3 may further include a step S3-1 of winding the composite material and then compressing the composite material by providing positive pressure after vacuum bagging on the surface of the wound composite material.
상기 S3단계는 상기 고무 스트립 표면에 복합소재를 후프 와인딩 또는 헬리컬 와인딩한 다음, 복합소재를 맨드릴의 축방향을 따라 수평하게 부착하는 축방향보강 작업을 수행하는 S3-2단계를 더 포함할 수 있다.The step S3 may further include a step S3-2 of hoop-winding or helical-winding the composite material on the surface of the rubber strip and then performing an axial reinforcement operation of horizontally attaching the composite material along the axial direction of the mandrel. .
상기 S2단계, S3단계 및 S3-2단계는 고무 와인딩부 및 복합소재 와인딩부를 함께 구비한 다기능 복합 와인딩 장치를 통해 이루어지는 것을 예시할 수 있다.Steps S2, S3, and S3-2 may be performed through a multifunctional composite winding device having a rubber winding unit and a composite material winding unit together.
도 2a는 본 발명에 따른 맨드릴의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2b는 본 발명의 맨드릴의 보스부와, 보호링과, 제1샤프트가 결합하는 모습을 나타내는 분해 사시도이고, 도 2c는 본 발명에 따른 분리형 맨드릴의 실린더부가 복수의 세그먼트로 조립된 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2d는 본 발명의 맨드릴의 결합면에 수축 필름을 부착하는 모습을 나타내는 도면이다.Figure 2a is a plan view showing the structure of the mandrel according to the present invention, Figure 2b is an exploded perspective view showing how the boss portion of the mandrel, the protection ring, and the first shaft are coupled, Figure 2c is according to the present invention FIG. 2d is a perspective view showing a structure in which the cylindrical portion of the separable mandrel is assembled with a plurality of segments according to the present invention, and FIG.
먼저, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 S1단계는 분리가능한 복수의 세그먼트로 구성되는 실린더부와, 돔부와, 보스부 및 좌우 한 쌍의 제1, 2샤프트로 구성되는 맨드릴을 조립하는 것이다.First, referring to FIGS. 2A to 2C , step S1 of the present invention assembles a cylinder composed of a plurality of detachable segments, a dome, a boss, and a mandrel composed of a pair of left and right first and second shafts. is to do
보다 구체적으로, 실린더부(110a)와, 상기 실린더부(110a)의 좌우에 배치되는 한 쌍의 제1, 2돔부(110b)와, 상기 제1, 2돔부(110b)에 결합되는 한 쌍의 제1, 2보스부(110c)를 포함하고, 이 중에서 실린더부(110a)와, 제1, 2돔부(110b)는 복수의 세그먼트가 조립된 구조로 이루어지는 분리형 맨드릴(110)과, 제1보스부(110c)에 착탈가능하게 결합하는 분리형 제1샤프트(150a)와, 상기 제2보스부(110c)에 착탈가능하게 결합하는 분리형 제2샤프트(150b)를 포함하여 구성될 수 있다.More specifically, a
상기 제1보스부(110c)와 분리형 제1샤프트(150a) 사이 및 상기 제2보스부(110c)와 분리형 제2샤프트(150b) 사이에는 각각 샤프트를 보호하고 견고하게 결합할 수 있도록 보호링(170)이 게재된다.Protection rings ( 170) is published.
본 발명에서는 하나의 장축 구조의 샤프트가 아닌 분리형 제1샤프트 및 제2샤프트가 서로 분리된 구조로 이루어짐으로써, 조립성이 향상되고 경량 설계가 가능한 장점이 있다.In the present invention, since the separate first shaft and the second shaft are separated from each other instead of one long shaft structure, there is an advantage in that assemblyability is improved and lightweight design is possible.
그리고 본 발명의 분리형 맨드릴은 상기 실린더부(110a)와, 제1, 2돔부(110b)는 각각 외부 케이싱(120)과, 내부 케이싱(130)과, 상기 외부 케이싱(120)과 내부 케이싱(130) 사이에 마련된 외곽 유로(127)와, 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이의 외곽 유로를 구획하도록 상기 외부 케이싱(120)의 단부에서 절곡되는 구획부(125)를 포함하여 구성되며, 상기 구획부(125)에는 유체가 통과할 수 있도록 통기홀(125a)이 형성될 수 있다.And, in the separable mandrel of the present invention, the
다음으로, 도 2c를 참조하면, 본 발명의 S1단계는 조립된 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착한 다음, 상기 맨드릴 표면에 진공 배깅 작업 후 수축 필름을 가열함으로써, 상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계 S1-1단계를 더 포함한다.Next, referring to FIG. 2C, step S1 of the present invention attaches a shrink film to the outer joint surface where each segment of the assembled mandrel comes into contact, and then heats the shrink film after a vacuum bagging operation on the surface of the mandrel to the external joint surface. The step of sealing the S1-1 step is further included.
수축 필름을 통해 분리형 맨드릴을 밀폐하는 이유는 압력용기의 성형 공정 중 하나인 진공 작업 공정에서 분리형 맨드릴을 구성하는 각 세그먼트 사이의 이음면 내지 틈새로 인해 진공도를 높이기 어렵게 되는데, 상기 수축 필름을 각 세그먼트 사이의 이음면에 부착함으로써 각 세그먼트의 조립에 의해 형성된 맨드릴 표면의 틈새를 메워 맨드릴과 진공백 사이의 진공도를 효율적으로 높이고 성형 공정에서 진공도를 효율적으로 유지할 수 있으며 제품의 압착 성능을 향상시켜 와인딩된 고무와, 복합소재의 성형성을 향상시키고 내부 기공을 줄여 불량을 줄일 수 있기 때문이다.The reason why the separable mandrel is sealed through the shrink film is that it is difficult to increase the degree of vacuum due to the joint surface or gap between each segment constituting the separable mandrel in the vacuum work process, which is one of the forming processes of the pressure vessel. By attaching it to the joint surface of each segment, it fills the gap on the surface of the mandrel formed by the assembly of each segment to efficiently increase the degree of vacuum between the mandrel and the vacuum bag, and efficiently maintain the degree of vacuum in the molding process. This is because it can improve the formability of composite materials and reduce defects by reducing internal pores.
도 3a는 본 발명의 돔 형상의 미가류 고무 성형체를 나타내는 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 돔 형상의 미가류 고무 성형체를 적용한 상태에서 고무 스트립을 와인딩하는 모습을 나타내는 평면도이고, 도 3c는 본 발명에 따른 분리형 맨드릴에 고무 스트립을 와인딩하는 모습을 나타내는 평면도이다.Figure 3a is a perspective view showing a dome-shaped unvulcanized rubber molded body of the present invention, Figure 3b is a plan view showing the state of winding a rubber strip in a state in which the dome-shaped unvulcanized rubber molded body of the present invention is applied, and Figure 3c is this It is a plan view showing a state in which a rubber strip is wound on a detachable mandrel according to the invention.
먼저, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 S2단계의 고무 스트립을 와인딩하는 단계는 미가류 고무 프리폼을 상기 맨드릴의 돔부에 결합한 다음, 상기 맨드릴의 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식과, 상기 맨드릴 돔부 및 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식으로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.First, referring to FIGS. 3A and 3B, the step of winding the rubber strip in step S2 of the present invention is a method of coupling an unvulcanized rubber preform to the dome portion of the mandrel and then winding the rubber strip to the cylinder portion of the mandrel. , It may be exemplified that the rubber strip is wound on the mandrel dome portion and the cylinder portion.
상기 미가류 고무 프리폼은 돔 형상의 볼록한 면을 가진 하부 금형 상에 고무 시트를 안착시킨 다음, 상기 고무 시트를 돔 형상의 오목한 면을 가진 상부 금형으로 가압하고, 미가류 온도 조건에서 가열하는 프레스 성형 방식으로 제조되는 것을 예시할 수 있다. 여기서, 미가류 고무 프리폼은 일부만 가류 내지 가교 결합이 이루어진 상태를 의미한다.The unvulcanized rubber preform is press molded by placing a rubber sheet on a lower mold having a dome-shaped convex surface, pressing the rubber sheet into an upper mold having a dome-shaped concave surface, and heating the rubber sheet at an unvulcanized temperature condition. Manufactured in this way can be exemplified. Here, the unvulcanized rubber preform means a state in which only a part of it is vulcanized or cross-linked.
이와 같이, 본 발명의 S2단계는 완전 가류되지 않은 미가류 고무 프리폼을 채택함으로써 와인딩 성형의 전체 공정을 효율적으로 수행함과 동시에, 탄소섬유 복합재와의 결합력을 극대화하고, 안정성과 내구성을 개선할 수 있는 장점이 있다.As such, step S2 of the present invention efficiently performs the entire process of winding molding by adopting an unvulcanized rubber preform that is not completely vulcanized, maximizes bonding strength with the carbon fiber composite material, and improves stability and durability. There are advantages.
다음으로, 도 3c의 실시예를 참조하면, 본 발명에서는 도 3a 및 도 3b의 실시예와는 달리 맨드릴의 돔부에 미가류 고무 프리폼를 적용하지 않고 고무 스트립을 와인딩할 수도 있음은 물론이다.Next, referring to the embodiment of FIG. 3C, in the present invention, unlike the embodiments of FIGS. 3A and 3B, the rubber strip may be wound without applying an unvulcanized rubber preform to the dome portion of the mandrel.
도 4a는 본 발명에서 복합소재를 와인딩하는 모습을 나타내는 평면도이고, 도 4b는 본 발명의 고무 및 복합소재가 와인딩된 맨드릴을 오토 클레이브 내에 탑재하고 압착하는 모습을 나타내는 개략도이며, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치를 이용하여 S3-1단계에서 복합소재를 축방향보강하는 모습을 나타낸 평면도 및 일부 확대도이다.Figure 4a is a plan view showing the appearance of winding the composite material in the present invention, Figure 4b is a schematic diagram showing the state of mounting and pressing the mandrel to which the rubber and composite material of the present invention are wound in an autoclave, Figures 4c and 4d is a plan view and a partially enlarged view showing the axial reinforcement of the composite material in step S3-1 using the multifunctional composite winding device of the present invention.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 본 발명의 S3단계는 복합소재를 와인딩한 다음, 와인딩된 복합소재 표면에 진공 배깅 작업 후 양압을 제공하여 복합소재를 압착하는 S3-1단계와, 고무 스트립 표면에 복합소재를 후프 와인딩 또는 헬리컬 와인딩한 다음, 복합소재를 맨드릴의 축방향을 따라 수평하게 부착하는 축방향보강 작업을 수행하는 S3-2단계를 더 포함할 수 있다.4a to 4d, step S3 of the present invention includes a step S3-1 of winding the composite material and then compressing the composite material by providing positive pressure after vacuum bagging on the surface of the wound composite material, and the surface of the rubber strip. It may further include a step S3-2 of hoop winding or helical winding the composite material and then performing an axial reinforcement operation of horizontally attaching the composite material along the axial direction of the mandrel.
한편, S2단계, S3단계 및 S3-2단계는 고무 와인딩부 및 복합소재 와인딩부를 함께 구비한 다기능 복합 와인딩 장치를 통해 이루어질 수 있다.Meanwhile, steps S2, S3, and S3-2 may be performed through a multifunctional composite winding device having a rubber winding unit and a composite winding unit together.
본 발명의 다기능 복합 와인딩 장치(100)는 크게 맨드릴(10)을 회전가능하도록 지지하는 맨드릴 지지부(20)와, 상기 맨드릴 지지부(20)의 전방에 배치되는 가이드레일(121)과, 상기 가이드레일(121) 상에 설치되어 상기 맨드릴(10)의 축방향을 따라 이동하는 대차(101)와, 상기 대차(101)의 일측에 탑재되며 고무 스트립(A)을 상기 맨드릴(10) 표면에 와인딩하는 고무 스트립 와인딩부(110a)와, 상기 대차(101)의 타측에 탑재되며 복합소재(B)를 와인딩된 고무 스트립 표면에 와인딩하는 복합소재 와인딩부(110b)를 포함하여 이루어질 수 있다.The multifunctional composite winding
상기 지지부(20)는 상기 맨드릴(10)의 일단에 마련된 샤프트(11)를 지지하는 주축(21)과, 상기 맨드릴(10)의 타단에 마련된 샤프트(11)를 지지하는 테일스톡(22)과, 상기 주축(21)을 회전시키는 모터 등의 회전장치를 포함할 수 있다.The
상기 고무 스트립 와인딩부(110a)는 크게 제1크릴(creel)부(110a')와, 제1가이드부(111)와, 제1헤드부(117a)를 포함할 수 있다. The rubber
상기 제1크릴부(110a')는 고무 스트립을 공급하도록 고무 스트립이 감겨있다.A rubber strip is wound around the
상기 제1가이드부(111)는 상기 제1크릴부(110a')와 제1헤드부(117a) 사이에 배치되어 제1크릴부(110a')에서 공급되는 고무 스트립이 꼬이지 않고 안정적으로 공급되도록 가이드하는 역할을 한다.The
상기 제1헤드부(117a)는 고무 스트립(A)이 맨드릴(10) 표면에 와인딩되도록 안내하는 역할을 하는 것으로서, 제1지지몸체(115)에 회전가능하게 설치되며 중앙에 관통홀이 형성된 회전드럼(116)과, 상기 회전드럼(116)의 일단에 설치되어 상기 회전드럼(116)과 함께 회전하면서 상기 관통홀(116a)을 통해 인출된 고무 스트립(A)을 지지하는 가이드롤러부를 포함하는 것을 예시할 수 있다. The
마찬가지로, 상기 복합소재 와인딩부(110b)는 복합소재를 공급하는 제2크릴(creel)부(110b')와, 상기 제2크릴부에서 공급되는 복합소재(B)를 가이드하는 제2가이드부와, 제2헤드부(117b)를 포함할 수 있다.Similarly, the composite
이와 같이, 본 발명에서 S2단계, S3단계가 고무 와인딩부 및 복합소재 와인딩부를 함께 구비한 다기능 복합 와인딩 장치를 통해 이루어짐으로써, 기존 복수의 와인딩 장치를 이용하여 고무 스트립 및 복합조재를 와인딩하는 과정은 물론, 맨드릴의 축방향으로 보강작업을 모두 하나의 장치에서 수행할 수 있고, 그로 인해 설치 공간 및 설비 비용을 크게 줄일 수 있으며, 성형 공정의 효율성을 극대화할 수 있는 장점이 있다.As such, in the present invention, steps S2 and S3 are performed through a multifunctional composite winding device having a rubber winding unit and a composite material winding unit, so that the process of winding the rubber strip and the composite material using a plurality of existing winding devices Of course, all reinforcement work in the axial direction of the mandrel can be performed in one device, thereby significantly reducing installation space and equipment costs, and having the advantage of maximizing the efficiency of the molding process.
도 5는 본 발명의 S4단계가 이루어지는 유체 순환 시스템의 전체 구조를 나타내는 도면이다.5 is a view showing the overall structure of the fluid circulation system in which step S4 of the present invention is performed.
도 5를 참조하면, 본 발명의 S4단계는 고무 스트립을 가황시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 것으로서, 고무 스트립을 가류시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 단계는 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버 내에서 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 5, step S4 of the present invention is to vulcanize the rubber strip and at the same time harden and mold the composite material. At the same time as vulcanizing the rubber strip, the step of curing and molding the composite material is performed at high temperature and It can be done in a chamber providing a high-pressure environment.
그리고 상기 챔버 내부와 함께, 상기 맨드릴 내부로 가열 및 가압된 유체를 공급하되, 상기 챔버 내부에 수용된 가열 및 가압된 유체를 재활용하는 순환 송풍기를 포함하는 유체 순환 수단을 통해 상기 챔버 내부의 가열 및 가압된 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 것을 특징으로 한다.And heating and pressurizing the inside of the chamber through a fluid circulation means including a circulation blower supplying the heated and pressurized fluid into the mandrel together with the inside of the chamber and recycling the heated and pressurized fluid accommodated in the chamber. It is characterized in that the fluid is circulated into the mandrel.
상기 유체 순환수단(230)은 일측에서 상기 챔버 내부에 수용된 유체를 공급받아 타측으로 배출하는 유체 순환 송풍기(231)와, 일단은 상기 유체 순환 송풍기(231)에 연결되고 타단은 상기 맨드릴(100)의 일단에 마련된 제1샤프트에 연결되어 상기 유체 순환 송풍기에서 배출된 유체를 상기 맨드릴 내부로 공급하는 유체 공급 파이프(251)와, 상기 맨드릴(100) 내부로 공급되는 유체의 유량을 조절하도록 상기 유체 순환 송풍기(231)를 제어하는 컨트롤러(260)를 포함할 수 있으며, 상기 맨드릴 내부로 공급된 유체는 상기 맨드릴의 타단에 마련된 제2샤프트를 통해 배출되는 것을 예시할 수 있다.The fluid circulation means 230 is a fluid circulation blower 231 that receives the fluid contained in the chamber at one side and discharges it to the other side, and one end is connected to the fluid circulation blower 231 and the other end is connected to the mandrel 100 A
본 발명에서는 유체 순환수단인 유체 순환 송풍기를 이용하여 오토클레이브 내부의 유체를 맨드릴 내부로 직접 재순환시켜 열원을 공급하는 대류열전달 방식을 사용하며, 맨드릴 내부와 외부 온도 분포를 균일화하여 고무 스트립 및 복합소재의 밀접한 접착력을 제공함으로써, 맨드릴 내부와 외부 온도 분포의 불균일로 인한 제품 변형을 방지할 수 있다.In the present invention, a convective heat transfer method is used to supply a heat source by directly recirculating the fluid inside the autoclave into the inside of the mandrel using a fluid circulation blower, which is a fluid circulation means, and uniformizing the temperature distribution inside and outside the mandrel to make rubber strips and composite materials By providing close adhesion of the mandrel, it is possible to prevent product deformation due to non-uniformity of temperature distribution inside and outside the mandrel.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention described above is only exemplary, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, it will be well understood that the present invention is not limited to the forms mentioned in the detailed description above. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims. It is also to be understood that the present invention includes all modifications, equivalents and alternatives within the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.
110 : 분리형 맨드릴
120 : 외부 케이싱
130 : 내부 케이싱
150a, 150b : 제1, 2샤프트
170 : 보호링
110: detachable mandrel
120: outer casing
130: inner casing
150a, 150b: first and second shafts
170: protection ring
Claims (7)
상기 맨드릴의 표면에 고무 스트립을 와인딩하는 S2단계와;
상기 고무 스트립 표면에 복합소재를 와인딩하는 S3단계와;
상기 고무 스트립을 가황시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 S4단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법.
Step S1 of assembling a cylinder portion composed of a plurality of detachable segments and a mandrel composed of a dome portion;
Step S2 of winding a rubber strip on the surface of the mandrel;
Step S3 of winding a composite material on the surface of the rubber strip;
S4 step of vulcanizing the rubber strip and simultaneously curing and molding the composite material;
Method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials comprising a.
상기 S1단계는 조립된 맨드릴의 각 세그먼트가 맞닿는 외부 이음면에 수축 필름을 부착한 다음, 상기 맨드릴 표면에 진공 배깅 작업 후 수축 필름을 가열함으로써, 상기 외부 이음면을 밀폐시키는 단계 S1-1단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법.
According to claim 1,
In the step S1, a shrink film is attached to the outer joint surface where each segment of the assembled mandrel comes into contact with each other, and then the shrink film is heated after vacuum bagging on the surface of the mandrel to seal the outer joint surface. Method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials, characterized in that it comprises.
상기 S2단계의 고무 스트립을 와인딩하는 단계는,
미가류 고무 프리폼을 상기 맨드릴의 돔부에 결합한 다음, 상기 맨드릴의 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식과; 상기 맨드릴 돔부 및 실린더부에 고무 스트립을 와인딩하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법.
According to claim 1,
The step of winding the rubber strip of step S2,
a method of coupling an unvulcanized rubber preform to the dome portion of the mandrel and then winding a rubber strip to the cylinder portion of the mandrel; A pressure vessel manufacturing method using rubber and composite materials, characterized in that made by winding a rubber strip on the mandrel dome and cylinder.
상기 S3단계는 복합소재를 와인딩한 다음, 와인딩된 복합소재 표면에 진공 배깅 작업 후 양압을 제공하여 복합소재를 압착하는 S3-1단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법.
According to claim 1,
The step S3 is a step S3-1 of winding the composite material and then providing positive pressure after vacuum bagging on the surface of the wound composite material to compress the composite material; pressure using rubber and composite material, characterized in that it further comprises Container manufacturing method.
상기 S3단계는 상기 고무 스트립 표면에 복합소재를 후프 와인딩 또는 헬리컬 와인딩한 다음, 복합소재를 맨드릴의 축방향을 따라 수평하게 부착하는 축방향보강 작업을 수행하는 S3-2단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법.
According to claim 3,
The step S3 further includes step S3-2 of hoop-winding or helical-winding the composite material on the surface of the rubber strip and then performing an axial reinforcement operation of horizontally attaching the composite material along the axial direction of the mandrel. A method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials.
상기 S2단계, S3단계 및 S3-2단계는 고무 와인딩부 및 복합소재 와인딩부를 함께 구비한 다기능 복합 와인딩 장치를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법.
According to claim 5,
The steps S2, S3, and S3-2 are performed through a multifunctional composite winding device having a rubber winding unit and a composite material winding unit. Method for manufacturing a pressure vessel using rubber and composite materials.
상기 S4단계에서 고무 스트립을 가류시킴과 동시에, 상기 복합소재를 경화시켜 성형하는 단계는 고온 및 고압 환경을 제공하는 챔버 내에서 이루어지며,
상기 챔버 내부와 함께, 상기 맨드릴 내부로 가열 및 가압된 유체를 공급하되,
상기 챔버 내부에 수용된 가열 및 가압된 유체를 재활용하는 순환 송풍기를 포함하는 유체 순환 장치를 통해 상기 챔버 내부의 가열 및 가압된 유체를 상기 맨드릴 내부로 순환시키는 것을 특징으로 하는 고무 및 복합소재를 이용한 압력용기 제조방법.
According to claim 1,
At the same time as vulcanizing the rubber strip in step S4, the step of curing and molding the composite material is performed in a chamber providing a high temperature and high pressure environment,
Supplying a heated and pressurized fluid into the mandrel together with the inside of the chamber,
Pressure using rubber and composite materials, characterized in that for circulating the heated and pressurized fluid in the chamber into the mandrel through a fluid circulation device including a circulation blower that recycles the heated and pressurized fluid accommodated in the chamber Container manufacturing method.
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2021
- 2021-12-15 KR KR1020210179835A patent/KR102629780B1/en active IP Right Grant
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