KR101199412B1 - 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법에 관한 것으로; 강화섬유로 이루어지는 종축지지대용 채움재 및 종축지지대용 채움재를 결합하여 접착제를 이용하여 일체로 결합하거나 리벳이나 볼트 및 너트의 체결을 통해 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 형성하는 제1단계;와 상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 상부몰드와 하부몰드의 사이에 설치하고, 상기 상부몰드와 하부몰드의 사이에 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 수지와 경화재를 혼합한 혼합수지를 주입하고 경화하는 제2단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임을 두 개의 종축지지대용 채움재와 종축지지대를 연결하는 1개 이상의 횡축지지대용 채움재를 결합한 상태에서 수지이송법으로 혼합수지를 스며들게한 후 경화하여 제작함에 따라 통상 복합소재를 이용해서 이러한 대차프레임을 제작할 때 요구되는 작업공정을 단순화 및 감소시켜 생산성을 향상시킴은 물론 대차프레임의 제작비용도 절감하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 핵심부품 중의 하나인 대차에 적용되는 대차프레임을 섬유강화 복합소재를 적용하여 일체형으로 제작하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 대차프레임은 철도차량에서 스프링 하중량을 제외한 차량의 모든 하중을 지지하는 부품으로 차량의 안전운행과 가장 밀접한 관련이 있는 부품이다.
이러한 대차프레임은 주로 지지하는 하중의 크기와 운행시 발생하는 힘의 크기에 따라 강성이 큰 철강소재를 이용하여 용접 구조의 형태로 제작되는 것이 일반적이다. 그러나 이러한 금속재 대차프레임을 제작할 경우 무게는 대략 1.3 ~ 2톤으로 무겁게 된다.
물론, 이러한 기존의 대차프레임을 경량화하기 위해 섬유강화 복합소재를 대차프레임에 적용하는 시도들이 있었다. 이 경우 기존 금속재 대차프레임 대비 무게를 25 ~ 50%까지 줄일 수 있다.
이와 같은 섬유강화 복합소재를 대차프레임 적용한 예로 유럽공개특허 제EP0260440호가 제시된 바 있다. 상기 유럽공개특허는 도 1에 도시된 바와 같은 철도차량용 복합소재 대차프레임의 제작에 관련된 것으로, 복합소재 대차프레임의 종축 지지대(4)와 횡축 지지대(6)로 이루어진다. 이러한 철도차량용 복합소재 대차프레임을 제작하기 위해 도 2에 도시한 바와 같은 채움재(10, 12, 16, 18로 구성됨)를 먼저 제작하고, 여기에 강화섬유를 수지에 함침하여 반경화시킨 프리프레그로 적층하거나, 미리 강화시켜 놓은 표면부(skin)(22, 26, 44)를 차례로 접착하여 제작한다.
그런데, 강화섬유를 수지에 함침하여 반경화시킨 프리프레그로 적층하여 표면부를 제작할 경우에는 적층을 위한 여러 층의 프리프레그를 절단, 재단 및 적층의 과정을 거쳐야 한다.
그리고, 적층과정에서 내부에 공기를 제거하기 위해 진공처리를 해야된다. 또한, 미리 강화시켜 놓은 표면부(skin)(22, 26, 44)를 차례로 접착하여 제작할 경우에는 여러 가지 형태의 표면부를 미리 성형해 두어야 하고, 이들을 2차 접착해야 한다. 이상의 공정들은 많은 수작업 과정이 요구되어 생산성 및 제작성 측면에서 비효율적이다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합재 등의 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 이용하여 수지이송법을 이용하여 일체로 대차프레임을 제작하는 방법을 제공함에 있다.
특히 본 발명은 복합소재를 이용해서 이러한 대차프레임을 제작할 때 요구되는 작업공정을 감소시켜 대차프레임을 제작시 생산성 및 제작비용을 절감할 수 있는 대차프레임을 제작하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
강화섬유로 이루어지는 종축지지대용 채움재 및 횡축지지대용 채움재를 결합하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 형성하는 제1단계;와 상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 상부몰드와 하부몰드의 사이에 설치하고, 상기 상부몰드와 하부몰드의 사이에 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 수지와 경화재를 혼합한 혼합수지를 주입하고 경화하는 제2단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법을 제공한다.
이때, 상기 종축지지대용 채움재는 복합소재 리브 사이에 포상물질을 메워서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 복합소재 리브는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등의 강화섬유가 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 경화시키거나, 강화섬유 프리폼(preform)에 수지를 주입하여 경화시킨 후 원하는 크기와 형상으로 절단하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 횡축지지대용 채움재는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합재 등의 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 횡축지지대용 채움재는 알루미늄이나 강재 등의 금속재로 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 횡축지지대용 채움재는 그 단면이 원형 또는 다각형의 실린더 형상인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제1단계 이후 제2단계 이전에, 상기 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 체결하여서 이루어지는 복합소재 대차프레임용 기본구조재의 표면에 프리폼(prefrom)을 적층하여 스킨부를 더 형성하는 제3단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 프리폼은 탄소, 유리, 아라미드 또는 이들의 혼합 섬유로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 상부몰드와 하부몰드에는 혼합수지를 주입하기 위한 주입구와 주입된 혼합수지가 배출가능한 퇴출구가 형성되며, 상기 혼합수지는 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 순수수지와 경화재를 펌프로 강제이송시켜 믹서에서 혼합한 후 상기 주입구로 주입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합수지의 상부몰드와 하부몰드내 주입압력은 1기압 이상인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 종축지지대용 채움재 및 횡축지지대용 채움재는 접착제를 이용하여 일체로 결합하거나 리벳이나 볼트 및 너트에 의해 결합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임을 두 개의 종축지지대용 채움재와 종축지지대를 연결하는 1개 이상의 횡축지지대용 채움재를 결합한 상태에서 수지이송법으로 혼합수지를 스며들게한 후 경화하여 제작함에 따라 통상 복합소재를 이용해서 이러한 대차프레임을 제작할 때 요구되는 작업공정을 단순화 및 감소시켜 생산성을 향상시킴은 물론 대차프레임의 제작비용도 절감하는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 종래 복합소재로 이루어지는 대차프레임의 일예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 결합한 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 복합소재 대차프레임용 기본구조재에 스킨부를 형성하는 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 상부몰드 및 하부몰드를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임 제작을 위한 수지이송 구성도이다.
도 3은 본 발명의 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 결합한 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 복합소재 대차프레임용 기본구조재에 스킨부를 형성하는 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 상부몰드 및 하부몰드를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임 제작을 위한 수지이송 구성도이다.
본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 이용하여 수지이송법으로 제작된다. 이하에서는 본 발명의 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작과정을 순차적으로 상세히 설명한다.
먼저, 도 3은 본 발명에 따른 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임을 제작하기 이전에 준비된 종축지지대용 채움재(110)와 횡축지지대용 채움재(120)를 나타낸 것이다.
이때, 상기 본 발명의 복합소재 대차프레임은 두 개의 종축지지대와 이 종축지지대를 연결하는 1개 이상의 횡축지지대로 구성되기 때문에 이러한 종축지지대와 횡축지지대를 구성하는 종축지지대용 채움재(110)와 횡축지지대용 채움재(120)는 수지이송법을 이용한 복합소재 대차프레임의 기본 구조를 형성하게 된다.
먼저, 상기 종축지지대용 채움재(110)는 복합소재 리브(112)의 사이에 포상물질(114)을 메워서 이루어진다.
좀 더 상세하게는 상기 종축지지대용 채움재(110)를 구성하는 복합소재 리브(112)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유가 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 경화시키거나, 강화섬유 프리폼(preform)에 수지를 주입하여 경화시킨 후 원하는 크기와 형상으로 절단하여 제작된다. 그리고, 상기 포상물질(foam)(114)은 복합소재 리브(112) 사이의 공간을 메우는 가볍고 변형이 쉬운 물질(foam)로 구성된다.
이와 같은 종축지지대용 채움재(110)의 구성요소들의 두께, 길이 및 폭 등은 적용되는 철도차량의 하중크기에 따라 변하게 된다. 그리고 종축지지대용 채움재(110)를 제작하기 위해서는 종축지지대용 채움재(110)를 구성하는 복합소재 리브(112) 및 포상물질(114)을 접착제를 이용하여 접착하게 된다.
한편, 상기 횡축지지대용 채움재(120)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하거나 알루미늄이나 강재 등의 금속재를 이용하여 제작할 수 있다.
특히, 상기 횡축지지대용 채움재(120)는 종축지지대용 채움재(110)를 연결하기 위해 1개 이상이 이용되며, 그 단면이 원형 또는 다각형의 실린더 형상으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 종축지지대용 채움재(110)와 횡축지지대용 채움재(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 접착제를 이용하여 일체로 결합하거나 리벳이나 볼트 및 너트의 체결을 통해 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)를 제작하게 된다.
그리고, 종축지지대용 채움재(110)와 횡축지지대용 채움재(120)를 체결하여서 이루어지는 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)의 표면에는 도 5에 도시된 바와 같이 프리폼(prefrom)을 적층하여 스킨부(130)를 형성하게 된다.
이때, 상기 프리폼은 탄소, 유리, 아라미드 또는 이들의 혼합 섬유로 이루어지는 것으로, 프리폼은 요구되는 두께를 만족하도록 적층하여 스킨부(130)를 형성하게 된다. 이와 같이 스킨부(130)를 원하는 두께만큼 적층 형성한 후, 도 6에 도시된 바와 같은 상부몰드(200) 및 하부몰드(202)의 사이에 삽입하게 된다.
도 6에 의하면, 본 발명의 섬유강화 복합소재 대차프레임을 제작하기 위해 수지이송법을 이용한다. 이때, 스킨부(130)가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)는 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 사이에 설치한다.
상기 상부몰드(200)와 하부몰드(202)는 일반적으로 금속을 CNC가공을 통해 제작하거나 또는 유리섬유 강화복합소재에 금속재 보강재를 적용한 형태로 제작될 수 있다.
이때, 수지이송법을 이용하여 본 발명의 섬유강화 복합소재 대차프레임을 제작하는 경우 일정기압(예를 들면 1기압) 이상의 압력으로 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 수지와 경화재를 혼합한 혼합수지를 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 사이에 이송 및 주입시키기 때문에 상부몰드(200)와 하부몰드(202)는 이러한 기압하에서 변형이 발생하지 않도록 해야 한다.
한편, 상기 스킨부(130)가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)를 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 사이에 설치하기 전에 몰드의 내부면에 윤활제 등을 도포해주어 최종적으로 성형되는 본 발명의 섬유강화 복합소재 대차프레임을 상부몰드(200)와 하부몰드(202) 사이에서 용이하게 분리할 수 있도록 한다.
이와 같이 윤활제 등을 도포한 후, 스킨부(130)가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)를 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 사이에 설치하고 상부몰드(200)와 하부몰드(202)를 볼트 등의 체결수단(미도시됨)으로 체결하여 내부공기가 밖으로 새나오지 않도록 밀폐시키게 된다.
이 경우 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 수지와 경화재를 혼합한 혼합수지를 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 사이에 주입하는 과정에서 상부몰드(200) 또는 하부몰드(202)의 변형에 의한 누설(leakage) 발생을 방지하기 위해 상부몰드(200) 또는 하부몰드(202)의 테두리 결합부(200a,202a)의 사이에는 실링용 고무패킹(미도시도됨)을 삽입하고 볼트 등의 체결수단으로 체결함이 바람직하다.
이상과 같이 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 사이에 스킨부(130)가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)를 설치하고 상부몰드(200)와 하부몰드(202)를 볼트 등의 체결수단으로 체결한 상태에서 도 7에 도시된 바와 같이 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 수지와 경화재를 혼합한 혼합수지를 주입하게 된다.
이때, 상기 상부몰드(200)와 하부몰드(202)에는 혼합수지를 주입하기 위한 하나 이상의 주입구(204)와 주입된 혼합수지가 배출가능한 퇴출구(206)가 형성된다.
즉, 상부몰드(200)와 하부몰드(202)에 설치되는 주입구(204)와 퇴출구(206)의 수와 위치는 대차프레임의 형상 및 혼합수지의 유동을 고려하여 1개 이상씩 적절한 수로 형성함이 바람직하다.
따라서, 혼합수지를 스킨부(130)가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)가 삽입된 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 주입구(204)내부로 주입하면 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 내부를 채우면서 퇴출구(206)쪽으로 이동한다.
이때, 상기 혼합수지를 주입하기 위해서는 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 순수수지(210)와 경화재(212)를 펌프(214)로 강제이송시키게 된다. 이때, 펌프(214)로 이송되는 순수수지(210)와 경화재(212)는 믹서(216)에서 혼합된다. 이와 같이 믹서(216)에서 혼합된 순수수지와 경화제의 혼합수지는 분배기(218)를 통해 상부몰드(200)와 하부몰드(202)에 형성된 다수의 주입구(204)로 동시에 주입된다.
이렇게 상부몰드(200)와 하부몰드(202)의 내부로 주입된 혼합수지는 스킨부(130)가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)의 프리폼 스킨부(130)을 통해 유동하여 퇴출구(206)를 통해 빠져나가게 된다. 이때, 혼합수지의 상부몰드(200)와 하부몰드(202)내 주입압력은 1기압 이상으로 주입함이 바람직하다.
이상과 같이 혼합수지를 상부몰드(200)와 하부몰드(202)내에 주입하며 일정 시간이 경과하여 스킨부(130)가 형성된 복합소재 대차프레임용 기본구조재(100)의 프리폼 스킨부(130) 전체에 골고루 혼합수지가 스며들면 수지의 주입과 퇴출을 중단하고 혼합수지를 경화시키게 된다.
이 경우 혼합수지를 경화시키는 방법은 상온에서 경화하는 자연경화 방법과 히터(heater) 등을 이용해 상부몰드(200)와 하부몰드(202)를 가열하여 경화하는 강제경화 방법 등을 선택적으로 수행할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
110: 종축지지대용 채움재 120: 횡축지지대용 채움재
130: 스킨부 200: 상부몰드
202: 하부몰드 204: 주입구
206: 퇴출구 210: 순수수지
212: 경화재 214: 펌프
216: 믹서 218: 분배기
130: 스킨부 200: 상부몰드
202: 하부몰드 204: 주입구
206: 퇴출구 210: 순수수지
212: 경화재 214: 펌프
216: 믹서 218: 분배기
Claims (11)
- 강화섬유로 이루어지는 종축지지대용 채움재 및 횡축지지대용 채움재를 결합하여 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 형성하는 제1단계;와
상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재를 상부몰드와 하부몰드의 사이에 설치하고, 상기 상부몰드와 하부몰드의 사이에 에폭시, 폴리에스터, 페놀 수지 중 어느 하나와 경화재를 혼합한 혼합수지를 주입하고 경화하는 제2단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 종축지지대용 채움재는 복합소재 리브 사이에 포상물질을 메워서 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 복합소재 리브는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 중 어느 하나의 강화섬유가 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 경화시키거나, 강화섬유 프리폼(preform)에 수지를 주입하여 경화시킨 후 원하는 크기와 형상으로 절단하여 제작되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 횡축지지대용 채움재는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 또는 이들의 혼합재인 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터, 페놀 중 어느 하나의 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 횡축지지대용 채움재는 금속재로 제작되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 횡축지지대용 채움재는 그 단면이 원형 또는 다각형의 실린더 형상인 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1단계 이후 제2단계 이전에,
상기 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 체결하여서 이루어지는 복합소재 대차프레임용 기본구조재의 표면에 프리폼(prefrom)을 적층하여 스킨부를 더 형성하는 제3단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 프리폼은 탄소, 유리, 아라미드 또는 이들의 혼합 섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 상부몰드와 하부몰드에는 혼합수지를 주입하기 위한 주입구와 주입된 혼합수지가 배출가능한 퇴출구가 형성되며,
상기 혼합수지는 에폭시, 폴리에스터, 페놀 순수수지 중 어느 하나 이상과 경화재를 펌프로 강제이송시켜 믹서에서 혼합한 후 상기 주입구로 주입되는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 혼합수지의 상부몰드와 하부몰드내 주입압력은 1기압 이상인 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 종축지지대용 채움재 및 횡축지지대용 채움재는 접착제를 이용하여 일체로 결합하거나 리벳이나 볼트 및 너트에 의해 결합하는 것을 특징으로 하는 수지이송법을 이용한 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임의 제작방법.
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