WO2017116202A1 - 복합재료 스티칭 용 재봉틀 - Google Patents

복합재료 스티칭 용 재봉틀 Download PDF

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WO2017116202A1
WO2017116202A1 PCT/KR2016/015552 KR2016015552W WO2017116202A1 WO 2017116202 A1 WO2017116202 A1 WO 2017116202A1 KR 2016015552 W KR2016015552 W KR 2016015552W WO 2017116202 A1 WO2017116202 A1 WO 2017116202A1
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stitching
fiber
composite
sewing machine
vertical transfer
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PCT/KR2016/015552
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최진호
권진회
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경상대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a fastening structure of a composite structure, and more particularly, to a sewing machine for composite stitching, which can automatically and continuously stitch the composite structure into high rigid fibers to laminate and bond the composite material.
  • the most common method for producing a high performance polymer composite material is a molding method in which prepregs are cut into a predetermined size, laminated, and then cured by vacuum heating in an autoclave.
  • a simple laminated composite material has an interlayer separation that is easily split between layers by impact load during use.
  • the most effective method of suppressing the interlayer separation is to use a three-dimensional fiber arrangement through the fiber reinforcement in the thickness direction. Structures in the thickness direction can generally be obtained by three-dimensional weaving. Typical techniques include braiding, weaving, Z-pinning or stitching.
  • the three-dimensional braiding or weaving weaving process is limited to the size that can be manufactured and because the manufacturing time is very long is not used a lot except for special products.
  • the Z-pinning technique is a method of inserting a metal pin or a hardened composite pin into a plurality of composite laminates, and then molding the composite laminate, but the z-direction physical properties of the composite are somewhat increased. There is a disadvantage in that a lot of time and effort is required to insert the composite pin.
  • the stitching technique is a method of binding the entire laminated fabric by needle penetration in the thickness direction, which is not limited to the size of the product and has the advantage of very high productivity while the fiber due to the penetration of the needle There is a disadvantage that damage may occur and the resin impregnation may be incomplete when molding the composite material.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional stitching method.
  • the existing stitching method has a structure in which the upper thread (yellow) and the lower thread (green) are continuously twisted and connected, as shown in FIG. 1, and thus, the upper thread and the lower thread are each bent at an angle of 180 degrees, thereby making a soft fiber.
  • you can only stitch In the case of the composite material, polymer-based fibers having excellent flexibility such as aramid fibers are mainly used for stitching, and high-strength, high-strength carbon fibers do not exhibit sufficient strength because of the breakage of the stitching fibers during the stitching process or use. Therefore, there is an increasing demand for a sewing machine capable of stitching high rigidity and high strength carbon fiber to the composite material for improving z-direction physical properties of the composite material.
  • the strength of the z-direction is weak when the prepreg is laminated and bonded, it is required to develop a sewing machine for composite stitching using a stitching structure that is easy to manufacture while improving the z-direction strength.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to penetrate a single high-strength fiber having a predetermined length along the stacking direction of a composite material laminate in which a plurality of composite materials are laminated and Composite material applied with composite stitching structure reinforced with z-direction fiber, where the ends are projected to the outside of the composite structure and the protruded ends are arranged and bent within 90 degrees in the composite plane direction and bent to join a plurality of composite laminate structures.
  • a sewing machine for stitching In providing a sewing machine for stitching.
  • the present invention provides a sewing machine for composite stitching that can automatically and continuously stitch the composite stitching structure.
  • the stitching needle is connected to the fiber storage reel made of a needle inside the hollow to receive the fiber and discharge to the other end by pneumatic; A stitching head portion for vertically reciprocating the vertical transfer head portion including the stitching needle; And a fiber cut portion for cutting the top of the stitched fiber after one stitching.
  • the sewing machine for stitching the composite material may further include a horizontal transfer unit which is movable by a stitching interval in a horizontal direction during one vertical reciprocating movement of the stitching needle.
  • the vertical transfer head, the pneumatic pressure supply to the stitching needle through the fiber, the pneumatic control unit and the tension control unit for adjusting the air pressure to adjust the length and length of the supplied fiber may include.
  • the tension control portion, the friction material disposed on one end of the fiber storage reel is wound fiber; And friction adjusting means for adjusting the frictional force between the fiber storage reel and the friction material.
  • the stitching head unit a motor; A link connecting the motor and the vertical transfer head to vertically reciprocate the vertical transfer head by rotation of the motor; And a vertical transfer rail engaged with the vertical transfer head to guide vertical transfer of the vertical transfer head.
  • the horizontal transfer unit may include: a driving wheel connected to the head rail of the vertical transfer head unit to horizontally transfer the stitching head unit by using this as a driving force when the vertical transfer head unit moves upward; A one-way bearing which is connected to the driving wheel so that the driving wheel rotates in only one direction, and a transfer wheel which is connected to the driving wheel to rotate in conjunction with the rotation of the upper wheel driving wheel and a one-way bearing which transmits a rotational force to the driving wheel.
  • the horizontal transfer unit the drive wheel connected to the head rail of the vertical transfer head portion to horizontally transfer the lower transfer plate for fixing the stitching object by using this as a driving force when moving upward of the vertical transfer head portion;
  • a one-way bearing which is connected to the driving wheel so that the driving wheel rotates in only one direction, and a transfer wheel which is connected to the driving wheel to rotate in conjunction with the rotation of the upper wheel driving wheel and a one-way bearing which transmits a rotational force to the driving wheel.
  • the fiber cutting portion, the fiber discharged to the outside of the stitching needle is formed on the other end of the needle so that the stitching head portion is cut through the other end of the needle when penetrating the junction portion adjacent to the junction portion; And a flexible material sheet disposed on the stitching object to be cut by the friction shear force when cutting the fiber through the blade.
  • Sewing machine for composite material stitching of the present invention using a high-strength composite fiber for the bonding of the composite material automatically performs the stitching operation for the bonding of the composite material, and continuously performed The bonding process time is shortened and productivity is improved.
  • the composite stitching structure using the sewing machine of the present invention can minimize the damage of the stitching fibers, and the z-direction (lamination direction) physical properties of the composite structure is significantly improved.
  • 1 is a cross-sectional view of a conventional stitching structure
  • Figure 4 is a perspective view of a sewing machine for stitching composite material according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view of a sewing machine for stitching composite materials according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 6 is an enlarged perspective view of the stitching head portion, vertical transfer head portion and the stitching needle according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a stitching process of a sewing machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an enlarged perspective view of a horizontal transfer unit according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of a stitching process of the sewing machine for stitching composite material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a process diagram of a composite material stitching method using a sewing machine for composite material stitching of the present invention
  • FIG. 1 shows a conventional stitching structure in which the upper thread (yellow) and the lower thread (green) are continuously twisted, and the fiber bending is more than 180 degrees
  • FIG. 2 is a photograph showing a stitching fiber picture having the fiber bending more than 180 degrees.
  • the existing stitching structure inevitably causes the fiber to be bent more than 180 degrees, so the strength is weak when the z-direction load is generated, which is very likely to cause damage or breakage.
  • FIG. 4 is a perspective view of the sewing machine 1000 (hereinafter, referred to as a sewing machine) for stitching composite materials according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a projection of the sewing machine 1000 according to the second embodiment of the present invention. A perspective view is shown.
  • Sewing machine 1000 is a configuration in which the horizontal transfer unit 500 moves the stitching object horizontally and stitches the stitching object, and the sewing machine 1000 of the second embodiment has the horizontal transfer unit 500 stitched thereto. There is a difference in stitching the stitching object while moving the head 400 horizontally, and the rest of the configuration is large and small.
  • the sewing machine 1000 may include a work table 100, a vertical transfer head 200, a stitching needle 300, a stitching head 400, and a horizontal transfer unit 500.
  • Workbench 100 is mounted to each of the above-described sewing machine 1000, the configuration of a conventional workbench installed on the bottom may be applied.
  • the vertical transfer head 200 is wound around the fiber is stored therein, and serves to supply the fiber to the stitching needle 300 by pneumatic.
  • the vertical transfer head 200 serves to insert the fiber discharged from the stitching needle 300 into the bonding portion while the stitching needle 300 penetrates the bonding portion of the stitching object.
  • penetrating the neighboring junction is also performed to cut the top of the fiber inserted into the junction.
  • the detailed configuration of the vertical transfer head 200 will be described later with reference to FIG.
  • the stitching head 400 moves the vertical transfer head 200 downward so that the stitching needle 300 penetrates the joint portion, and moves the vertical transfer head 200 upward to stitch the stitching needle 300 at the joint portion. Configured to deviate. That is, the stitching needle 300 reciprocates up and down through the stitching head 400 to perform the stitching of the stitching object.
  • the stitching head 400 is engaged with the motor 410 and the link part 420 connecting the motor 410 and the vertical transfer head 200 and the vertical transfer head 200 to the vertical transfer head. It comprises a vertical transfer rail 430 for guiding the vertical reciprocating motion of (200). Accordingly, the stitching head part 400 is driven by the rotation of the motor 410, and the link part 420 is driven, and the stitching head part 200 is vertically reciprocated by the driving of the link part 420 and the vertical transfer rail 430. You exercise.
  • the horizontal transfer part 500 is configured to horizontally move a lower transfer plate on which a stitching object is mounted, and the stitching needle 300 stitches the joint part.
  • the stitching needle 300 is then stitched to successive neighboring joints.
  • the horizontal conveying part 500 may horizontally convey the lower conveying plate in association with the vertical conveying head part 200.
  • the horizontal transfer part 500 is configured to horizontally move the stitching head part 400, and the stitching needle 300 stitches the joint part.
  • the stitching needle 300 is then stitched to successive neighboring joints.
  • the horizontal transfer unit 500 may horizontally transfer the stitching head unit 400 in conjunction with the vertical transfer head unit 200. Detailed configuration thereof will be described in detail with reference to FIG. 8.
  • FIG. 6 is an enlarged perspective view of the vertical transfer head 200 and the stitching needle 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the vertical transfer head 200 includes a fiber storage reel 210, a pneumatic control unit 220, a pneumatic supply unit 230, and a tension control unit 240.
  • the fiber storage reel 210 is wound and stored in the fiber, it is configured to discharge the fiber through the stitching needle 300 by the pneumatic pressure supplied from the pneumatic supply unit 230.
  • the fiber in the vertical transfer head 200 is adjusted to the strength of the pneumatic pressure supplied from the pneumatic supply unit 230 through the pneumatic control unit 220 and the stitching needle 300 by adjusting the tension of the fiber in the tension control unit 240 It is configured to adjust the length of the fiber discharged from).
  • the tension control unit is characterized by consisting of a friction plate 260 and the bolt nut 270 that can adjust the rotational friction of the fiber storage reel (210) shaft.
  • Stitching needle 300 is composed of a needle inside the hollow to receive the fiber from one end through the vertical transfer head 400 to discharge to the other end.
  • the other end of the stitching needle 300 may be formed with a blade 310 to enable the cutting of the fiber.
  • the fibers are discharged in the state where the stitching needle 300 penetrates downwardly so that the fibers are inserted into the joint portion, and the stitching needle is inserted in the state where the fibers are inserted. After only moving 300, the fiber is configured to continue to be supplied even when the stitching needle 300 is horizontally moved. Next, the upper end of the fiber inserted into the previous joint is cut by the blade 310 when passing through the stitching needle 300 and the joint adjacent to the joint.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an embodiment of a stitching process of the sewing machine 1000.
  • a flexible friction sheet 320 such as rubber or polyurethane foam sheet is disposed on the upper side of the stitching object 330 so that the stitching needle 300 passes through the stitching object 330. Due to the shear friction force of the 300 and the flexible friction sheet 320 is configured in the form of the fiber is cut to facilitate the cutting of the fiber through the blade (310).
  • FIG 8 is an enlarged perspective view of the horizontal transfer unit 500 according to the second embodiment of the present invention.
  • the horizontal transfer unit 500 includes a horizontal transfer stage 510, a horizontal transfer rail 520, a driving wheel 530, a one-way bearing 540, a transfer wheel 550, a connecting shaft 560, and a fixed bracket 570. It may be configured to include).
  • the horizontal transfer stage 510 is formed in a plate shape in order to transfer the stitching head 400 in the horizontal direction, and may be disposed and fixed in a vertical direction on the upper surface of the work table 100.
  • a horizontal transfer rail 520 is formed on the horizontal transfer stage 510 to guide the movement.
  • the driving wheel 530 is configured such that the outer circumferential surface abuts against the head rail of the vertical transfer head 200. That is, the vertical transfer head 200 is configured to rotate when moved up and down.
  • the driving wheel 530 is a one-way bearing 540 between the driving wheel 530 and the connecting shaft 560 so that the vertical transfer head 200 can be configured to rotate only in one direction so as not to rotate during the downward rotation. ) Is provided.
  • the stitching needle 300 may be configured to contact and rotate only when the stitching needle 300 is separated from the joint of the stitching object. This stops the horizontal movement when the stitching needle 300 penetrates the joint and until it is detached from the joint.
  • the vertical transfer head is connected to the next joint through the horizontal movement of the stitching head 400. This is for the 200 to be moved.
  • the transfer wheel 550 may be connected to the driving wheel 530 through the connecting shaft 560 to rotate in conjunction with the rotation of the driving wheel 530.
  • the transfer wheel 550 is configured to engage the outer peripheral surface with the horizontal transfer rail 520 so that the stitching head 400 may move horizontally by the rotation of the transfer wheel 550.
  • FIG. 9 is a perspective view of the stitching process of the sewing machine 1000 for stitching composite material according to an embodiment of the present invention.
  • the stitching process is described sequentially, first, the first operation A1 of rotating the rotation shaft of the motor is performed. Next, the link unit is driven by the first operation A1, and the vertical transfer head unit is rotated downward by the driving of the link unit to perform a second operation A2 of the stitching needle passing through the joint. Next, the vertical transfer head rotates upward by the continuous driving of the link portion to perform the third operation A3 in which the stitching needle is separated from the joint portion. Next, a fourth operation A4 in which the driving wheel and the transfer wheel rotate by the upward rotation of the vertical transfer head portion is performed, and the vertical transfer head portion is horizontally moved by the fourth operation A4, so that the stitching needle is connected to the next joint portion. A fifth operation A5 is performed to reach. Next, the stitching needle continuously stitches the stitching object by repeatedly performing the second to fifth operations A2 to A5.
  • the single material composite fiber 120 is penetrated onto the composite stack 100 using the sewing machine 1000.
  • a needle structure in which the composite fiber 120 is continuously supplied for the penetration of the composite fiber 120 may be applied, and the composite fiber 120 may be supplied from the needle after first passing through the composite laminate 100 through the needle. ) May be accommodated on the pierced composite laminate 100.
  • one end 121 and the other end 122 of the composite fiber 120 protrudes outward from the outermost of the composite laminate 100. That is, one end 121 of the composite fiber 120 protrudes downward from the bottom of the composite fiber 120, and the other end 122 of the composite fiber 120 moves upward from the top of the composite fiber 120. It is configured to protrude.
  • one side of the composite laminate 100 is pressed in the other direction to bend and fix one end 121 of the composite fiber 120, and the other surface of the composite laminate 100 is pressed in one direction to the composite fiber 120. Bending step of the other end 122 of the) is performed.
  • the bending fixing step is performed at the same time during the thermosetting process of the composite laminate 100, and has a structure to discontinuously reinforce the composite fiber 120 by cutting at a predetermined length interval.
  • link portion 430 vertical transfer rail

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Abstract

본 발명은 복합재 구조물의 체결구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합재료를 적층하여 접합하기 위해 복합재 구조물을 고강성 섬유로 자동 및 연속 스티칭 할 수 있는 복합재료 스티칭 용 재봉틀에 관한 것이다. 본 발명의 복합재료 스티칭 용 재봉틀은, 복합재료의 접합을 위한 고강성 복합재 섬유를 이용하여 복합재료의 접합을 위한 스티칭 작업을 자동으로 수행하고, 연속적으로 수행하여 복합재료의 접합 공정 시간이 단축되고 생산성이 향상되는 효과가 있다.

Description

복합재료 스티칭 용 재봉틀
본 발명은 복합재 구조물의 체결구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합재료를 적층하여 접합하기 위해 복합재 구조물을 고강성 섬유로 자동 및 연속 스티칭 할 수 있는 복합재료 스티칭 용 재봉틀에 관한 것이다.
고성능 고분자 복합재료를 제조하는 가장 일반적인 방법은 프리프레그를 일정한 크기로 절단하여 적층한 후 오토클레이브 내에서 진공 가열하여 경화시키는 성형법이다. 그러나 이러한 단순 적층 복합재료는 사용 중에 충격하중에 의하여 쉽게 층과 층 사이가 갈라지는 층간 분리가 일어난다.
이러한 층간분리를 억제하는 방법 중 가장 효과적인 것은 두께 방향의 섬유 보강을 통하여 3차원적인 섬유 배열구조를 사용하는 것이다. 두께 방향의 구조는 일반적으로 3차원 직조에 의하여 얻을 수 있는데 대표적인 기술로서 브레이딩(braiding), 위빙(weaving), Z-pinning 또는 스티칭(stitching) 등이 있다.
상기 3차원 브레이딩이나 위빙 직조 공정은 제조할 수 있는 크기가 제한되어 있고 제조시간이 매우 길기 때문에 특수한 제품 이외에는 많이 사용되지 않고 있다.
상기 Z-pinning 기술은 금속 핀 또는 경화된 복합재 핀을 복수 개의 복합재료 적층 구조물에 삽입한 후, 복합재료 적층 구조물을 성형시키는 방법으로 복합재의 z-방향 물성 증가는 다소 있으나, 금속 핀 또는 경화된 복합재 핀의 삽입에 많은 시간과 노력이 요구되어지는 단점이 있다.
또한 상기 스티칭 기술은 적층된 여러 장의 직물 전체를 두께방향의 바늘 관통에 의하여 결속시키는 방법으로, 이 기술은 제품의 크기에 크게 제한 받지 않으며 생산성이 매우 높은 장점이 있는 반면에 바늘의 관통으로 인하여 섬유 손상이 생기고 복합재료 성형 시 수지함침이 불완전 할 수 있다는 단점이 있다.
도 1에는 종래의 스티칭 방법에 대한 단면도가 도시되어 있다. 기존의 스티칭 방법은 도 1에서 보는 바와 같이 윗실(노랑)과 아랫실(초록)이 연속적으로 꼬여 연결되는 구조로 되어 있으며, 이로 인하여 윗실과 아랫실 각각이 180도 각도로 휘어짐이 발생해 부드러운 섬유만 스티칭 할 수 있는 단점이 있다. 복합재의 경우, 아라미드 섬유와 같이 유연성이 우수한 폴리머 계열의 섬유가 스티칭에 주로 사용되며 고강성, 고강도의 탄소섬유는 스티칭 과정 또는 사용 중에서 스티칭 섬유의 파손이 발생하므로 충분한 강도를 발휘하지 못하고 있다. 따라서 복합재의 z-방향 물성향상을 위하여 고강성, 고강도의 탄소섬유를 복합재에 스티칭할 수 있는 재봉틀에 대한 요구가 증가되고 있다.
특히 프리프레그를 적층하여 접합할 경우 z-방향(적층방향)의 강도가 취약하기 때문에 z-방향 강도를 향상시키면서 제조가 용이한 스티칭 구조를 적용한 복합재료 스티칭 용 재봉틀의 개발이 요구되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
일본공개특허공보 특개2013-000946호(2013.01.07.공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복수 개의 복합재료가 적층된 복합재료 적층체의 적층 방향을 따라 일정길이를 가진 고강도의 단일 섬유를 관통 배치시키고 섬유의 끝단이 복합재 구조물의 외측으로 돌출되도록 구성하여 돌출된 끝단을 90도 이내로 복합재 평면방향으로 배열, 절곡시켜 복수 개의 복합재료 적층 구조물을 접합시킨 z-방향 섬유로 보강된 복합재료 스티칭 구조를 적용한 복합재료 스티칭 용 재봉틀을 제공함에 있다.
또한, 위 복합재료 스티칭 구조를 자동 및 연속으로 스티칭 할 수 있는 복합재료 스티칭 용 재봉틀을 제공함에 있다.
본 발명의 복합재료 스티칭 용 재봉틀은, 섬유 저장릴에 연결되어 상기 섬유를 공급받아 공압에 의해 타단으로 토출하도록 내부가 중공된 바늘로 이루어진 스티칭 바늘; 상기 스티칭 바늘을 포함하는 수직이송 헤드부를 상하 왕복 운동시키기 위한 스티칭 헤드부; 및 1회 스티칭 후 스티칭 된 섬유의 상단을 절단하는 섬유 절단부;를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 복합재료 스티칭 용 재봉틀은, 상기 스티칭 바늘의 1회 상하 왕복 운동 시 수평 방향으로 스티칭 간격만큼 이동이 가능한 수평이송부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수직이송 헤드부는, 공압을 통해 상기 섬유를 스티칭 바늘로 공급하되, 공급되는 섬유의 장력과 길이가 조절되도록 공압을 조절하는 공압조절부와 장력조절부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 장력조절부는, 섬유가 감겨있는 상기 섬유 저장릴의 한쪽 끝단에 배치되는 마찰재; 및 상기 섬유 저장릴과 상기 마찰재의 마찰력을 조절할 수 있는 마찰조절수단;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스티칭 헤드부는, 모터; 상기 모터의 회전에 의해 상기 수직이송 헤드부를 상하 왕복 운동시키도록 상기 모터와 상기 수직이송 헤드부를 연결하는 링크; 및 상기 수직이송 헤드부와 맞물려 상기 수직이송 헤드부의 수직이송을 안내하는 수직이송레일;로 구성될 수 있다.
또한, 상기 수평이송부는, 상기 수직이송 헤드부의 상방 이동 시 이를 구동력으로 하여 상기 스티칭 헤드부를 수평 이송시키도록 상기 수직이송 헤드부의 헤드 레일에 연결된 구동휠; 상기 구동휠이 일 방향으로만 회전하도록 상기 구동휠과 연결되어 상기 구동휠에 회전력을 전달하는 원웨이베어링 및 상구 구동휠 회전 시 연동하여 회전하도록 상기 구동휠과 연결되는 이송휠;로 이루어질 수 있다.
다른 실시 예로, 상기 수평이송부는, 상기 수직이송 헤드부의 상방 이동 시 이를 구동력으로 하여 스티칭 대상물 고정하는 하부 이송판을 수평 이송시키도록 상기 수직이송 헤드부의 헤드 레일에 연결된 구동휠; 상기 구동휠이 일 방향으로만 회전하도록 상기 구동휠과 연결되어 상기 구동휠에 회전력을 전달하는 원웨이베어링 및 상구 구동휠 회전 시 연동하여 회전하도록 상기 구동휠과 연결되는 이송휠;로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 섬유절단부는, 상기 스티칭 바늘의 외측으로 토출되는 섬유는 상기 접합부와 이웃하는 접합부에 상기 스티칭 헤드부가 관통 시 상기 바늘의 타단을 통해 절단되도록 상기 바늘의 타단에는 형성되는 날; 및 상기 날을 통해 상기 섬유 절단 시 마찰 전단력에 의해서 절단되도록 상기 스티칭 대상물 위에 배치되는 유연소재 시트;를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 복합재료 스티칭 용 재봉틀은, 복합재료의 접합을 위한 고강성 복합재 섬유를 이용하여 복합재료의 접합을 위한 스티칭 작업을 자동으로 수행하고, 연속적으로 수행하여 복합재료의 접합 공정 시간이 단축되고 생산성이 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명의 재봉틀을 이용한 복합재료 스티칭 구조는 스티칭 섬유의 손상을 최소화시킬 수 있고, 복합재 구조물의 z-방향(적층방향) 물성이 획기적으로 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 스티칭 구조 단면도
도 2는 섬유 꺾임이 180도 이상인 스티칭된 섬유의 사진
도 3은 z-방향 하중으로 인한 스티칭 섬유 손상 사진
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합재료 스티칭 용 재봉틀 사시도
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합재료 스티칭 용 재봉틀 사시도
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 스티칭 헤드부, 수직이송 헤드부 및 스티칭 바늘의 확대사시도
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 재봉틀의 스티칭 공정을 도시한 단면도
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수평이송부의 확대사시도
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 복합재료 스티칭 용 재봉틀의 스티칭 공정 사시도
도 10은 본 발명의 복합재료 스티칭 용 재봉틀을 이용한 복합재료 스티칭 방법 공정도
도 1에는 윗실(노랑)과 아랫실(초록)이 연속적으로 꼬여 섬유 꺾임이 180도 이상인 기존 스티칭 구조가 도시되어 있고, 도 2에는 섬유 꺾임이 180도 이상인 스티칭 섬유 사진을 나타낸 사진이 도시되어 있고, 복합재의 z-방향으로 하중이 작용할 때 도 3에서 보는 바와 같이 180도로 절곡된 부분에서 쉽게 파손이 발생함을 볼 수 있다.
즉 기존의 스티칭 구조는 180도 이상 섬유 꺾임이 필연적으로 발생되는 구조이기 때문에 z-방향 하중 발생 시 강도가 취약하여 손상 또는 파손이 발생될 가능성이 매우 높은 구조로 되어 있으며, 강도 보강을 위해 탄소 섬유와 같은 고강도 섬유의 적용이 불가능한 단점이 있다.
이를 개선하기 위한 본 발명의 z-방향 섬유로 보강된 복합재료 스티칭 구조를 구현하기 위한 복합재료 스티칭 용 재봉틀을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합재료 스티칭 용 재봉틀(1000, 이하, 재봉틀)의 전체사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 재봉틀(1000)의 투영사시도가 도시되어 있다.
본 발명의 제1 실시 예의 재봉틀(1000)은 수평이송부(500)가 스티칭 대상물을 수평 이동시키며 스티칭 대상물을 스티칭하는 구성이고, 제2 실시 예의 재봉틀(1000)은 수평이송부(500)가 스티칭 헤드부(400)를 수평 이동시키며 스티칭 대상물을 스티칭한다는 점에서 차이가 있고, 나머지 구성은 대동소이 하다.
도시된 바와 같이 재봉틀(1000)은 작업대(100), 수직이송 헤드부(200), 스티칭 바늘(300), 스티칭 헤드부(400) 및 수평이송부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
작업대(100)는 상술된 재봉틀(1000) 각각의 구성이 거치되며, 바닥면에 설치되는 통상의 작업대의 구성이 적용될 수 있다.
수직이송 헤드부(200)는 내부에 섬유가 권취 저장되며, 공압에 의해 섬유를 스티칭 바늘(300)로 공급하는 역할을 수행한다. 수직이송 헤드부(200)는 스티칭 대상물의 접합부를 스티칭 바늘(300)이 관통한 상태에서 스티칭 바늘(300)에서 토출되는 섬유를 접합부에 삽입하는 역할을 수행한다. 또한, 이웃하는 접합부 관통 시 접합부에 삽입된 섬유의 상단을 절단하는 역할도 수행하게 된다. 수직이송 헤드부(200)의 세부 구성은 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
스티칭 헤드부(400)는 수직이송 헤드부(200)를 하방 운동시켜 상기 접합부에 스티칭 바늘(300)이 관통되도록 하며, 수직이송 헤드부(200)를 상방 운동시켜 상기 접합부에서 스티칭 바늘(300)을 이탈시키도록 구성된다. 즉 스티칭 헤드부(400)를 통해 스티칭 바늘(300)이 상하 왕복 운동하여 스티칭 대상물의 스티칭을 수행하게 된다. 이를 수행하기 위해 스티칭 헤드부(400)는 모터(410) 및 모터(410)와 수직이송 헤드부(200)를 연결하는 링크부(420) 및 수직이송 헤드부(200)와 맞물려 수직이송 헤드부(200)의 상하 왕복운동을 안내하는 수직이송레일(430)을 포함하여 구성된다. 따라서 스티칭 헤드부(400)는 모터(410)의 회전에 의해 링크부(420)가 구동되며, 링크부(420) 및 수직이송레일(430)의 구동에 의해 스티칭 헤드부(200)가 상하 왕복운동하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수평이송부(500)는 스티칭 대상물이 거치되는 하부 이송판을 수평 이동시키기 위한 구성으로, 스티칭 바늘(300)이 상기 접합부를 스티칭한 후 연속적으로 이웃하는 접합부에 스티칭 바늘(300)이 스티칭하도록 구성된다. 수평이송부(500)는 수직이송 헤드부(200)와 연동하여 상기 하부 이송판을 수평 이송시키게 된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3 실시 예에 따른 수평이송부(500)는 스티칭 헤드부(400)를 수평 이동시키기 위한 구성으로, 스티칭 바늘(300)이 상기 접합부를 스티칭한 후 연속적으로 이웃하는 접합부에 스티칭 바늘(300)이 스티칭하도록 구성된다. 수평이송부(500)는 수직이송 헤드부(200)와 연동하여 상기 스티칭 헤드부(400)를 수평 이송시키게 된다. 이에 대한 세부 구성은 도 8을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 수직이송 헤드부(200)와 스티칭 바늘(300)의 확대사시도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 수직이송 헤드부(200)는 섬유저장릴(210), 공압조절부(220), 공압공급부(230) 및 장력조절부(240)를 포함한다. 섬유저장릴(210)에는 섬유가 권취되어 저장되며, 공압공급부(230)에서 공급되는 공압에 의해 섬유를 스티칭바늘(300)을 통해 토출되도록 구성된다. 이때 수직이송 헤드부(200) 내의 섬유는 공압조절부(220)를 통해 공압공급부(230)에서 공급되는 공압의 세기를 조절하고 장력조절부(240)에서 섬유의 장력을 조절하여 스티칭 바늘(300)에서 토출되는 섬유의 길이를 조절할 수 있도록 구성된다. 장력조절부는 섬유저장릴(210) 축의 회전 마찰을 조절할 수 있는 마찰판(260) 및 볼트너트(270)로 구성되어짐을 특징으로 한다.
스티칭 바늘(300)은 수직이송 헤드부(400)를 통해 일단으로부터 섬유를 공급받아 타단으로 토출하도록 내부가 중공된 바늘로 이루어진다. 이때 스티칭 바늘(300)의 타단 둘레는 섬유의 절단이 가능하도록 날(310)이 형성될 수 있다. 스티칭 바늘(300)의 스티칭 과정을 간단히 설명하면, 스티칭 대상물의 접합부를 스티칭 바늘(300)이 하방으로 관통한 상태에서 섬유를 토출하여 접합부에 섬유가 삽입되도록 하고, 섬유가 삽입된 상태에서 스티칭 바늘(300)만 상방으로 이동한 후 스티칭 바늘(300)이 수평이동 시에도 섬유는 계속 공급되도록 구성된다. 다음으로 상기 접합부와 이웃하는 접합부를 스티칭 바늘(300)을 통해 관통할 때 날(310)에 의해 이전 접합부에 삽입된 섬유의 상단이 절단된다.
도 7에는 재봉틀(1000)의 스티칭 공정의 실시 예를 도시한 단면도이다. 섬유의 절단을 더욱 용이하게 하기 위해 스티칭 대상물(330)의 상측에 고무, 폴리우레탄 폼 시트 등의 유연 마찰시트(320)를 배치하여 스티칭 바늘(300)이 스티칭 대상물(330)을 관통 시 스티칭 바늘(300)과 유연 마찰시트(320)의 전단 마찰력으로 인하여 섬유가 절단되는 형태로 구성되어 있어 날(310)을 통해 섬유의 절단을 더욱 용이하게 하였다.
도 8에는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수평이송부(500)의 확대사시도가 도시되어 있다.
수평이송부(500)는 수평이송스테이지(510), 수평이송레일(520), 구동휠(530), 원웨이베어링(540), 이송휠(550), 연결축(560) 및 고정브래킷(570)을 포함하여 구성될 수 있다.
수평이송스테이지(510)는 스티칭 헤드부(400)를 수평방향으로 이송시키기 위한 구성으로 판상으로 이루어지며, 작업대(100)의 상면에서 수직한 방향으로 배치되어 고정될 수 있다. 수평이송스테이지(510) 상에는 이동을 안내하기 위한 수평이송레일(520)이 형성된다.
구동휠(530)은 외주면이 수직이송 헤드부(200)의 헤드 레일에 맞닿아 회전하도록 구성된다. 즉 수직이송 헤드부(200)가 상, 하방으로 이동시 회전하도록 구성된다. 이때 구동휠(530)은 수직이송 헤드부(200)가 하방 회동 시에는 회전하지 않도록 일 방향으로만 회전하게 구성될 수 있도록 구동휠(530)과 연결축(560)사이에는 원웨이베어링(540)이 구비된다. 또한, 수직이송 헤드부(200)가 상방 회동 시에도 스티칭 바늘(300)이 스티칭 대상물의 접합부에서 이탈되었을 때에만 맞닿아 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 이는 스티칭 바늘(300)이 접합부를 관통할 때 및 접합부에서 이탈하기 전까지는 수평이동을 중지하며, 접합부의 스티칭이 완료되었을 때 스티칭 헤드부(400)의 수평 이동을 통해 다음 접합부에 수직이송 헤드부(200)가 이동되도록 하기 위함이다. 이송휠(550)은 구동휠(530)의 회전에 의해 연동하여 회전하도록 연결축(560)을 통해 구동휠(530)과 연결될 수 있다. 이송휠(550)은 외주면이 수평이송레일(520)에 맞물리도록 구성되어 이송휠(550)의 회전에 의해 스티칭 헤드부(400)가 수평 이동할 수 있도록 구성된다.
도 9에는 본 발명의 일실시 예에 따른 복합재료 스티칭 용 재봉틀(1000)의 스티칭 공정 사시도가 도시되어 있다.
스티칭 공정을 순차적으로 설명하면, 우선 모터의 회전축을 회전시키는 제1 동작(A1)을 수행한다. 다음으로 제1 동작(A1)에 의해 링크부가 구동하게 되고 링크부의 구동에 의해 수직이송 헤드부가 하방 회동하여 스티칭 바늘이 접합부를 관통하는 제2 동작(A2)을 수행한다. 다음으로 링크부의 지속적인 구동에 의해 수직이송 헤드부가 상방 회동하여 스티칭 바늘이 접합부에서 이탈하는 제3 동작(A3)을 수행한다. 다음으로 수직이송 헤드부의 상방 회동에 의해 구동휠 및 이송휠이 회전하는 제4 동작(A4)을 수행하게 되고, 제4 동작(A4)에 의해 수직이송 헤드부가 수평이동하게 되어 스티칭 바늘이 다음 접합부에 도달하도록 하는 제5 동작(A5)을 수행하게 된다. 다음으로 제2 내지 제5 동작(A2~A5)의 반복 수행을 통해 스티칭 바늘이 스티칭 대상물을 연속적으로 스티칭하게 된다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 재봉틀(1000)을 이용하여 스티칭 대상물을 접합하기 위한 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 우선 재봉틀(1000)을 이용하여 복합재 적층체(100) 상에 단일 소재 복합재 섬유(120)를 관통시키는 단계를 수행한다. 복합재 섬유(120)의 관통을 위해 복합재 섬유(120)가 연속적으로 공급되는 니들 구조를 적용할 수 있고, 상기 니들을 통해 우선 복합재 적층체(100)를 관통한 후 니들에서 공급되는 복합재 섬유(120)가 관통된 복합재 적층체(100) 상에 수용되도록 수행될 수 있다.
이때 복합재 섬유(120)의 일측 끝단(121)과 타측 끝단(122)이 복합재 적층체(100)의 최외각에서 외측으로 돌출되도록 배치시키는 것이 중요하다. 즉 복합재 섬유(120)의 일측 끝단(121)은 복합재 섬유(120)의 최하측에서 하방으로 돌출되며, 복합재 섬유(120)의 타측 끝단(122)이 복합재 섬유(120)의 최상측에서 상방으로 돌출되도록 구성된다.
다음으로 복합재 적층체(100)의 일면을 타방향으로 가압하여 복합재 섬유(120)의 일측 끝단(121)을 절곡 고정시키며, 복합재 적층체(100)의 타면을 일 방향으로 가압하여 복합재 섬유(120)의 타측 끝단(122)을 절곡 고정시키는 단계를 수행한다. 상기 절곡 고정 단계는 복합재 적층체(100)의 열경화 과정에서 동시에 수행되며, 일정길이 간격으로 절단하여 복합재 섬유(120)를 불연속적으로 보강하는 구조로 되어 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
[부호의 설명]
1000 : 복합재료 스티칭 용 재봉틀
100 : 작업대
200 : 수직이송 헤드부 210 : 섬유 저장릴
220 : 공압 조절부 230 : 공압공급부
240 : 장력 조절부 250 : 헤드 레일
260 : 마찰판 270 : 볼트너트
300 : 스티칭 바늘 310 : 날
320 : 유연 소재 시트 330 : 스티칭 대상물
400 : 스티칭 헤드부 410 : 모터
420 : 링크부 430 : 수직이송 레일
500 : 수평이송부 510 : 수평이송 스테이지
520 : 수평이송레일 530 : 구동휠
540 : 원웨이베어링 550 : 이송휠
560 : 연결축 570 : 고정 브래킷

Claims (8)

  1. 섬유 저장릴에 연결되어 상기 섬유를 공급받아 공압에 의해 타단으로 토출하도록 내부가 중공된 바늘로 이루어진 스티칭 바늘;
    스티칭 대상물의 접합부를 스티칭 하도록 상기 스티칭 바늘을 포함하는 수직이송 헤드부를 상하 왕복 운동시키기 위한 스티칭 헤드부; 및
    1회 스티칭 후 스티칭 된 섬유의 상단을 절단하는 섬유 절단부;
    를 포함하는, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스티칭 바늘의 1회 상하 왕복 운동 시 수평 방향으로 스티칭 간격만큼 이동이 가능한 수평이송부;를 더 포함하는, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수직이송 헤드부는,
    공압을 통해 상기 섬유를 스티칭 바늘로 공급하되, 공급되는 섬유의 장력과 길이가 조절되도록 공압을 조절하는 공압조절부와 장력조절부;를 포함하는, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 장력조절부는,
    섬유가 감겨있는 상기 섬유 저장릴의 한쪽 끝단에 배치되는 마찰재; 및
    상기 섬유 저장릴과 상기 마찰재의 마찰력을 조절할 수 있는 마찰조절수단;
    을 포함하는, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 스티칭 헤드부는,
    모터;
    상기 모터의 회전에 의해 상기 수직이송 헤드부를 상하 왕복 운동시키도록 상기 모터와 상기 수직이송 헤드부를 연결하는 링크; 및
    상기 수직이송 헤드부와 맞물려 상기 수직이송 헤드부의 수직이송을 안내하는 수직이송레일;
    로 구성된, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 수평이송부는,
    상기 수직이송 헤드부의 상방 이동 시 이를 구동력으로 하여 상기 스티칭 헤드부를 수평 이송시키도록 상기 수직이송 헤드부의 헤드 레일에 연결된 구동휠;
    상기 구동휠이 일 방향으로만 회전하도록 상기 구동휠과 연결되어 상기 구동휠에 회전력을 전달하는 원웨이베어링 및
    상구 구동휠 회전 시 연동하여 회전하도록 상기 구동휠과 연결되는 이송휠;
    로 이루어진, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 수평이송부는,
    상기 수직이송 헤드부의 상방 이동 시 이를 구동력으로 하여 스티칭 대상물 고정하는 하부 이송판을 수평 이송시키도록 상기 수직이송 헤드부의 헤드 레일에 연결된 구동휠;
    상기 구동휠이 일 방향으로만 회전하도록 상기 구동휠과 연결되어 상기 구동휠에 회전력을 전달하는 원웨이베어링 및
    상구 구동휠 회전 시 연동하여 회전하도록 상기 구동휠과 연결되는 이송휠;
    로 이루어진, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유 절단부는,
    상기 스티칭 바늘의 외측으로 토출되는 섬유는 상기 접합부와 이웃하는 접합부에 상기 스티칭 헤드부가 관통 시 상기 바늘의 타단을 통해 절단되도록 상기 바늘의 타단에는 형성되는 날; 및
    상기 날을 통해 상기 섬유 절단 시 마찰 전단력에 의해서 절단되도록 상기 스티칭 대상물 위에 배치되는 유연소재 시트;
    를 포함하는, 복합재료 스티칭 용 재봉틀.
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