WO2022108014A1 - 복합재 임펠러 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 형태의 복합재로 일체 성형하여 정밀기계 가공 함으로써 제품의 재현성과 품질이 균일한 복합재 임펠러를 제공하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 탄소섬유나 유리섬유 재질의 날실과 씨실을 이용하여 제직(weaving)을 통하여 직물형상의 복합재를 얻는 평면 복합재 취득단계; 상기 평면 복합재를 복수층으로 적층하는 다층 복합재 취득단계; 상기 다층 복합재 상호간을 니들 실(needle yarn)을 통하여 수직방향으로 스티칭(stitching)하되, 스티칭 위치는 상하로 교차되게 배열하여 일정한 두께의 벌크 형상의 복합재를 취득하는 벌크 복합재 취득 단계; 금형에 상기 벌크 복합재를 투입하고 수지주입을 위해 진공백으로 밀봉한 다음, 수지의 점도를 조절하여 진공상태에서 수지를 주입하고 일정 온도에서 경화시켜 정형화된 형상의 복합재를 형성하는 블록 복합재 성형물 취득 단계; 및 상기 블록 복합재 성형물을 5축 가공기를 통해 임펠러 형상으로 가공하는 임펠러 가공단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

복합재 임펠러 제조방법

본 발명은 3D 형태의 복합재로 일체 성형하여 기계가공을 통하여 제조되는 복합재 임펠러 제조방법에 관한 것이다.

섬유강화 복합재(composite material)는 경량, 고강성, 내마모성 등 여러 가지 우수한 특성으로 인하여 항공우주용 자재, 토목, 건축재료 등의 분야로 다양하게 사용되고 있다.

특히, 복합재의 가장 큰 장점은 경량화로 인한 에너지 절감 및 특수 환경에서의 수명 연장 특성을 가장 잘 드러낼 수 있는 개발 부품으로서 기존의 금속재 임펠러를 대체하기 위한 복합재 임펠러(impeller)를 들 수 있다.

이와 같은 복합재 임펠러를 사용함으로써 펌프의 수명이 현저하게 연장되는 이유는 탁월한 내부식성이외에 경량화로 인한 시동 하중과 작동 하중이 낮기 때문에 베어링 및 기계적 seal의 수명이 길어지고, 또한 샤프트의 처짐이 최소화되어 기계적 밸런스가 오래 유지되기 때문이다.

이러한 수명 연장은 펌프의 비 가동 시간, 고장으로 인한 교체 시간 등을 줄여서 유지 및 보수 비용이 절감될 뿐아니라, 복합재료 자체의 특성으로 진동 및 소음이 감소되고 경량 및 self-rubricant 특성으로 마찰계수가 낮아서 효율이 증가된다.

이와 같은 장점을 가진 복합재 임펠러는 그 가격이 기존 재료에 비해 다소 비쌌기 때문에 활발한 재료 대체는 일어나지 않았으나, 최근 들어 복합재 제조 공정의 개선으로 인한 가격 경쟁력 가능, 임펠러에 대한 초기 투자비 대비 전 주기적인 비용의 절감 효과에 대해 산업계 현장에서의 인식 변화가 확산되어 복합재 임펠러 적용이 크게 증가하고 있다.

그러나, 이러한 복합재 임펠러는 주로 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유등 거의 모든 보강재와 에폭시, 비닐에스테르, 폴리에스테르, 페놀 및 폴리우레아등 거의 모든 기지재(수지)를 사용하여 수작업 또는 프레스 성형으로 제작되고 있어 품질 재현성이 없고 품질이 균일하지 못한 문제점있을 수 있어, 이를 개선할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 3D 형태의 복합재로 일체 성형하여 정밀기계 가공 함으로써 제품의 재현성과 품질이 균일한 복합재 임펠러를 제공고자 하는데 목적이 있다.

이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합재 임펠러 제조방법은, 탄소섬유나 유리섬유 재질의 날실과 씨실을 이용하여 제직(weaving)을 통하여 직물형상의 복합재를 얻는 평면 복합재 취득단계; 상기 평면 복합재를 복수층으로 적층하는 다층 복합재 취득단계; 상기 다층 복합재 상호간을 니들 실(needle yarn)을 통하여 수직방향으로 스티칭(stitching)하되, 스티칭 위치는 상하로 교차되게 배열하여 일정한 두께의 벌크 형상의 복합재를 취득하는 벌크 복합재 취득 단계; 금형에 상기 벌크 복합재를 투입하고 수지주입을 위해 진공백으로 밀봉한 다음, 수지의 점도를 조절하여 진공상태에서 수지를 주입하고 일정 온도에서 경화시켜 정형화된 형상의 복합재를 형성하는 블록 복합재 성형물 취득 단계; 및 상기 블록 복합재 성형물을 5축 가공기를 통해 임펠러 형상으로 가공하는 임펠러 가공단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 3D 형태의 복합재로 일체 성형하여 정밀기계가공 함으로써 제품의 재현성과 품질이 균일한 복합재 임펠러를 얻을 수가 있는 이점이 있다.

이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재 임펠러를 제조하는 공정도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재 임펠러를 제조하는 단계를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

먼저, 본 발명에서 언급될 '3D 형태'라 함은, 통상 탄소섬유나 유리섬유 재질의 날실과 씨실을 이용하여 제직(weaving)을 통하여 직물형상으로 이루어진 평면 복합재를 두께방향으로 비교적 두꺼운 형태를 취하는 것으로 정의하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재 임펠러를 제조하는 공정도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재 임펠러를 제조하는 단계를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재 임펠러를 제조하는 단계는, 크게 평면 복합재 취득단계(S100), 다층 복합재 취득단계(S200), 벌크 복합재 취득단계(S300), 블록 복합재 성형물 취득단계(S400) 및 임펠러 가공단계(S500)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 평면 복합재 취득단계(S100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소섬유나 유리섬유 재질의 날실과 씨실을 이용하여 제직(weaving)을 통하여 직물형상의 복합재를 얻는 단계이다. 상기 평면 복합재는 섬유 직조형태에 따라 평직, 능직, 주자직이 포함될 수 있다.

다음으로, 다층 복합재 취득단계(S200)는 이와 같이 하여 취득된 평면 복합재(10)를 두께 방향으로 적층하는 방식으로 하여 상기 평면 복합재(10)를 복수층으로 적층하여서 된 다층 복합재(20)를 얻는 단계이다.

이때, 복합재는 이방성인 섬유를 포함하고 있기 때문에 길이 방향으로는 강도가 강하지만 수직방향으로는 강도가 떨어진다.

즉, 충격이 가해 졌을 때 섬유와 섬유간의 결합력이 낮아서 그 부분에서 파괴가 일어 날수 있으므로, 이를 보완하기 위하여 적층되는 상부 복합재는 하부 복합재에 대하여 날실과 씨실이 이루은 각도가 서로 다른 각도가 되도록 하는 방식으로 적층하도록 하여 수직방향으로 결합력을 보완하도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 적층된 복합재를 수직압력과 열을 가해 적층 사이 공간을 최소화하고 각층 복합재의 주름을 펴는 평탄화하는 단계를 더 포함할 수가 있다.

평면 복합재(10)가 두께방향으로 적층되어 이루어진 다층 복합재(20)는 각 평면 복합재가 다소의 굴곡진 표면형상을 가질 수가 있으며 그 결과 적층된 상태에서 각 평면 복합재 사이에 공간이 생길 수가 있다.

따라서, 수직방향으로 압력을 가하면서 동시에 가열을 할 경우 각 평면 복합재의 경직도를 완화시켜 보다 밀착이 될 수 있게 된다.

다음으로, 상기 단계에서 얻어진 다층 복합재(20) 상호간을 니들 실(100, needle yarn)을 통하여 수직방향으로 스티칭(stitching)하여 일정한 두께의 벌크(bulk) 형상의 복합재(30)를 취득하는 벌크 복합재 취득 단계(S300)를 갖는다.

본 발명에 사용되는 니들 실(100, needle yarn)은 열가소성 수지인 페놀계 화합물, 페녹시 화합물이 사용될 수 있으며, 열가소성 중합체 보다 구체적으로 방향족 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 케톤 케톤(PEKK) 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수도 있다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 다층 복합재(20)를 상하, 즉 두께방향으로 배치하고 상기 니들 실(100)로 스티칭(stitching)을 하게 되는데, 이때 스티칭 간격을 적절히 유지하는 것이 매우 중요하다.

즉, 스티칭 간격이 너무 크면 단위면적당 스티칭 수가 매우 작기 때문에 복합재의 두께 방향으로 효과적으로 결합이 어려우며, 반대로 스티칭 간격이 좁으면 단위면적당 너무 많은 스티칭이 존재하여 복합재가 두께 방향으로 과다 압밀(consolidation)되며, 공정 중 한쪽으로 순간 응력이 집중되어 물성저하 뿐 만 아니라 휨 현상이 발생될 수가 있다.

다음, 도 2에서 보듯이, 새로운 다층 복합재(20)를 다시 두께 방향으로 배치하고 스티칭을 하게 되며, 이때 스티칭 위치는 하부측 스티칭 위치에 대하여 상하로 교차되게 배열되도록 하여 스티칭하는 것이 두께 방향으로의 결합력을 향상시키는 측면에서 바람직하다.

이와 같은 방법으로 하여 필요한 두께 만큼의 다층 복합재(20)를 적층하면서 스티칭한 다음, 최종 도 2와 같이 일정한 두께의 벌크 형상의 복합재(30)를 취득하게 된다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 평면 형태의 복합재를 두께 방향으로 비교적 두꺼운 두께를 가지는 3D 형태의 벌크 형상의 복합재를 취득할 수가 있게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 스티칭된 다층 복합재를 100 ~ 300℃의 고온 가압으로 니들 실(needle yarn)을 용융시켜 결착시키는 단계를 포함할 수 있는데, 상기 단계는 도 2에서 보듯이 다층 복합재(20)를 층 단위로 스티칭(stitching)한 다음 바로 수행하거나, 최종 스티칭(stitching)을 완료한 다음 벌크 복합재(30)에다 바로 수행할 수도 있다.

다음으로, 블록 복합재 성형물 취득단계(S400)는 이와 같이 하여 취득된 벌크 형상의 복합재(30)를 수지로 일정 온도에서 경화시켜 정형화된 형상의 복합재를 형성하는 블록 복합재 성형물(40)을 얻는 단계이다.

이를 위하여, 먼저 금형(미도시)을 준비하고, 상기 금형에다 전 단계에서 취득된 벌크 복합재(30)를 투입하고 진공백(vacuum bag)으로 밀봉을 수행한다.

그 다음, 수지주입(resin-infusion)을 위하여 수지의 점도를 조절하면서 진공상태에서 수지를 주입을 한 다음, 일정 온도에서 경화시키게 되면 원기둥 또는 육면체 등 임펠러의 다양한 형상을 고려하여 기계 가공시 최소의 재료손실이 발생될 수 있도록 하는 정형화된 형상의 블록 복합재 성형물(40)을 얻을 수가 있게 된다.

마지막으로, 블록 복합재 성형물(40)을 기계 가공하기 위하여 5축 가공기에서 원하는 임펠러 형상으로 가공을 하는 단계(S500)를 수행하게 되면, 최종 복합재 임펠러가 제조되게 되는 것이다.

상기에서는 본 발명에 따른 복합재 임펠러 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.

Claims (1)

1. 탄소섬유나 유리섬유 재질의 날실과 씨실을 이용하여 제직(weaving)을 통하여 직물형상의 복합재를 얻는 평면 복합재 취득단계;

   상기 평면 복합재를 복수층으로 적층하는 다층 복합재 취득단계;

   상기 다층 복합재 상호간을 니들 실(needle yarn)을 통하여 수직방향으로 스티칭(stitching)하되, 스티칭 위치는 상하로 교차되게 배열하여 일정한 두께의 벌크 형상의 복합재를 취득하는 벌크 복합재 취득 단계;

   금형에 상기 벌크 복합재를 투입하고 수지주입을 위해 진공백으로 밀봉한 다음, 수지의 점도를 조절하여 진공상태에서 수지를 주입하고 일정 온도에서 경화시켜 정형화된 형상의 복합재를 형성하는 블록 복합재 성형물 취득 단계; 및

   상기 블록 복합재 성형물을 5축 가공기를 통해 임펠러 형상으로 가공하는 임펠러 가공단계를 포함하는 복합재 임펠러 제조방법.

Images