KR101756678B1 - 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법은 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그를 맨드릴에 감아 제 1카본섬유층을 형성하는 단계; 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 2카본섬유 프리프레그를 제 1카본섬유층 위에 감아 제 2카본섬유층을 형성하는 단계; 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 3카본섬유 프리프레그를 제 2카본섬유층 위에 감아 제 3카본섬유층을 형성하는 단계; 제 1 내지 제 3카본섬유층이 일부 경화시 맨드릴을 제거하여 관 형상의 제 1스프링소재를 수득하는 단계; 제 1스프링소재를 헬리컬 형상의 성형공간을 가지는 금형에 투입하는 단계; 금형에 투입된 제 1스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하여 제 1 내지 제 3카본섬유층이 각각 확장되면서 서로 일체화되어 제 1스프링소재가 헬리컬 형상의 제 3스프링소재로 경화되도록 하는 단계; 경화된 헬리컬 형상의 제 3스프링소재를 금형으로부터 분리하는 단계; 및 헬리컬 형상의 제 3스프링소재를 설정된 길이로 절단하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링 완성품을 제조하는 단계;로 이루어질 수 있다.
Description
본 발명은 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카본섬유에 수지를 함침시켜서 제작되는 겔(gel)화된 프리프레그와 편직 형상의 프리프레그를 이용하여 스프링소재를 제조한 후 이를 금형에 투입하여 헬리컬 형상의 스프링소재로 성형할 수 있는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법에 관한 것이다.
CNT(Carbon Nano Tube)를 비롯한 나노입자는 전기전도도와 열전도도 및 강도가 우수하여 고분자에 소량 첨가되더라도 원래 고분자의 구조/기능적 특성보다 매우 향상된 특성이 있는 나노복합재료를 얻을 수 있다. 특히 최근에는 CNT를 다양한 재료에 첨가하여 요구되는 향상된 물성을 갖도록 한 복합재료 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나 CNT가 함유된 복합재료는 기존의 마이크로 섬유 보강 복합재료에 비해 기계적 특성이 10∼20% 수준에 머무르고 있기 때문에 나노복합재료를 구조용 및 다기능용으로 사용하기 위해서는 마이크로섬유와 CNT를 하이브리드화하거나 CNT의 첨가량을 획기적으로 증가시킬 수밖에 없는 실정이다.
그리고, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이 CNT가 함유된 복합재료는 경량의 고강도 소재로서 특히 항공우주 및 방위산업 분야에서 폭넓게 적용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나, 고분자 재료의 낮은 구조/기능 특성으로 인해 두께 방향의 특성이 취약하여 복합재료의 광범위한 적용을 저해하며 재료 특성 데이터 베이스가 충분치 못하여 신뢰성과 안정성이 취약하다. 이에 따라 CNT가 혼합된 수지를 카본섬유에 함침하여 고강도 및 고강성이 요구되는 구조용 복합재료를 제조하는데 많은 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 카본섬유 강화 복합소재에 의해 제조되는 스프링의 기계적, 열적, 전기적/전자적, 화학적/물리화학적 특성을 향상시킬 수 있는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 목적은, a1) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그를 맨드릴에 감아 제 1카본섬유층을 형성하는 단계; b1) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 2카본섬유 프리프레그를 제 1카본섬유층 위에 감아 제 2카본섬유층을 형성하는 단계; c1) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 3카본섬유 프리프레그를 제 2카본섬유층 위에 감아 제 3카본섬유층을 형성하는 단계; d1) 단계 a1), b1), (c1)에서 형성된 3층의 제 1 내지 제 3카본섬유층이 일부 경화시 맨드릴을 제거하여 관 형상의 제 1스프링소재를 수득하는 단계; e1) 단계 d1)에서 수득된 제 1스프링소재를 헬리컬 형상의 성형공간을 가지는 금형에 투입하는 단계; f1) 단계 e1)에서 금형에 투입된 제 1스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하여 3층의 제 1 내지 제 3카본섬유층이 각각 확장되면서 서로 일체화되어 제 1스프링소재가 헬리컬 형상의 제 3스프링소재로 경화되도록 하는 단계; g1) 단계 f1)에서 경화된 헬리컬 형상의 제 3스프링소재를 금형으로부터 분리하는 단계; 및 h1) 헬리컬 형상의 제 3스프링소재를 설정된 길이로 절단하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링 완성품을 제조하는 단계; 를 포함하여 구성되는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은 a2) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그를 맨드릴에 감아 제 1카본섬유층을 형성하는 단계; b2) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 2카본섬유 프리프레그를 제 1카본섬유층 위에 감아 제 2카본섬유층을 형성하는 단계; c2) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 3카본섬유 프리프레그를 제 2카본섬유층 위에 감아 제 3카본섬유층을 형성하는 단계; d2) 단계 a2), b2), (c2)에서 형성된 3층의 제 1 내지 제 3카본섬유층이 일부 경화시 맨드릴을 제거하여 관 형상의 제 1스프링소재를 수득하는 단계; e2) 단계 d2)에서 수득된 제 1스프링소재를 봉 형상의 성형공간을 가지는 금형에 투입하는 단계; f2) 단계 e2)에서 금형에 투입된 제 1스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하여 3층의 제 1 내지 제 3카본섬유층이 각각 확장되면서 서로 일체화되어 제 1스프링소재가 관 형상의 제 2스프링소재로 경화되도록 하는 단계; g2) 단계 f2)에서 경화된 관 형상의 제 2스프링소재를 금형으로부터 분리하는 단계; h2) 관 형상의 제 2스프링소재를 헬리컬 형상의 제 3스프링소재로 성형하는 단계; 및 i2) 단계 h2)에서 헬리컬 형상으로 성형된 제 3스프링소재를 설정된 길이로 절단하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링 완성품을 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법에 의해 달성된다.
또한, 본 발명에 있어서 단계 a1), a2), b1), b2), c1), c2)에서 수지에는 수지에 대하여 1∼5중량부의 CNT(Carbon Nano Tube)가 첨가된다.
또한, 본 발명에 있어서 단계 a1), a2), b1), b2), c1), c2)에서 수지는 열경화성 수지로써 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 중 선택된 하나이다.
또한, 본 발명에 있어서 단계 a1), a2)에서 제 1카본섬유층은 제조하고자 하는 스프링소재의 직경에 대하여 7/10 ~ 9/10의 두께로 감긴다.
또한, 본 발명에 있어서 단계 a1), a2)에서 제 1카본섬유 프리프레그는 UD 테이프이다.
또한, 본 발명에 있어서 단계 b1), b2), c1), c2)에서 상기 카본섬유는 1K 카본섬유, 3K 카본섬유, 6K 카본섬유, 12K 카본섬유, 24K 카본섬유 중 선택된 하나의 카본섬유이다.
본 발명에 의하면 카본섬유 강화 복합소재의 스프링은 카본섬유에 수지를 함침시켜서 제작되는 겔화된 카본섬유 프리프레그와 편직 형상의 카본섬유 프리프레그를 이용하여 스프링소재를 성형한 후 이를 금형에 투입하여 헬리컬 형상의 스프링소재로 성형하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 성형함으로써, 금속에 비해 밀도가 낮고 인장 강도와 인장 탄성이 높으며 피로/강도에 대한 저항성이 강하며 마모 특성과 윤활성이 뛰어난 기계적 특성이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 카본섬유 강화 복합소재의 스프링은 직선상의 팽창계수가 작고 차원 안정성이 좋으며 열에 의한 기계적 특성, 파괴/악화에 대한 저항력이 강하며, 즉 열에 의해 기계적 특성이 파괴되는 것을 막아주며, 극도의 저온에서 열전도성이 낮다는 열적 특성이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 카본섬유 강화 복합소재의 스프링은 전기전도성(율), 전자파 방지, X-선 투과성에도 뛰어나다는 전기적 전자적 특성이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 카본섬유 강화 복합소재의 스프링은 화학적으로 안정성이 있고 산, 알칼리 등과 같은 각종 용제에 대한 저항성이 탁월하다는 화학적 물리화학적 특성이 있다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 제 1실시예에 의해 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 제조하는 공정을 보여주는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 의해 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 제조하는 공정 중 맨드릴이 제거된 스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하는 성형하는 공정을 보여주는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 의해 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 제조하는 공정 중 맨드릴이 제거된 스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하는 성형하는 공정을 보여주는 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 카본섬유 강화 복합소재 스프링은, 2가지 방법에 의해 제조할 수 있는데, 대부분의 제조과정은 동일하고 금형 내에서 카본섬유 강화 복합소재 스프링의 형상을 헬리컬 형상으로 성형하는 과정과, 금형 내에서 성형된 스프링소재를 별도의 성형과정을 거쳐 헬리컬 형상으로 성형하는 과정에서 차이를 보이는 것이 서로 다른 실시예다. 위와 같은 2가지의 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법에 대해 아래의 실시예 1과 실시예 2에서 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 제 1실시예에 의해 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 제조하는 공정을 보여주는 개략도이다.
도 1 내지 도 6에 의하면, 먼저, 카본섬유에 수지(열경화성 수지 또는 열가소성 수지)를 일정시간 함침시켜서 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(11)를 제조하고, 이를 봉 형상의 맨드릴(11)에 균일한 두께로 감아 제 1카본섬유층(21a)을 형성한다(도 1 참조). 이때 맨드릴(11), 즉 제 1카본섬유 프리프레그(21)에 의해 형성되는 제 1카본섬유층(21a)의 길이는 제조하고자 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링의 길이에 따라 달리할 수 있다.
그리고, 맨드릴(11)에 감겨 제 1카본섬유층(21a)을 형성하는 제 1카본섬유프리프레그(21)는 UD 테이프(Uni-Direction tape)로서, 제조하고자 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링소재의 직경에 대하여, 7/10∼9/10의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 카본섬유의 초기 제품인 원사(filament)는 카본섬유의 한 가닥이 1K 카본섬유, 3K 카본섬유, 6K 카본섬유, 12K 카본섬유, 24K 카본섬유 중 선택된 하나의 카본섬유가 사용된다.
위와 같이 맨드릴(11)에 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(21)를 균일한 두께로 감아 제 1카본섬유층(21a)을 형성한 후 이 제 1카본섬유층(21a) 위에 카본섬유에 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 2카본섬유 프리프레그(22)를 감아 제 2카본섬유층(22a)을 형성하는데, 제 2카본섬유 프리프레그(22)의 길이는 도 2에서 보이는 바와 같이 제 1카본섬유층(21a)의 원주에 대응하는 길이로 형성됨으로써 도 5에서와 같이 제 2카본섬유층(22a)은 단일층으로 이루어지게 된다. 이어서, 다시 한번 제 2카본섬유층(22a) 위에 카본섬유에 열경화성 또는 열경화성 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 3카본섬유 프리프레그(23)를 감아 제 3카본섬유층(23a)을 형성하는데, 제 3카본섬유 프리프레그(23)의 길이는 도 3에서 보이는 바와 같이 제 2카본섬유층(22a)의 원주에 대응하는 길이로 형성됨으로써 도 5에서와 같이 제 3카본섬유층(23a)은 단일층으로 이루어지게 된다.
즉, 제 2카본섬유층(22a)을 형성하는 제 2카본섬유 프리프레그(22)와 제 3카본섬유층(23a)을 형성하는 제 3카본섬유 프리프레그(23) 각각은 제 1카본섬유 프리프레그(21)가 여러 겹으로 감겨 형성되는 제 1카본섬유층(21a)과는 달리 한 겹으로 감겨 형성되는 단일층의 구조로 이루어진다. 제 2카본섬유 프리프레그(22) 및 제 3카본섬유 프리프레그(23)의 특성이나 제조하고자 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링의 용도 등에 따라 달리할 수 있음은 물론이다.
여기서, 맨드릴(11)에 감기는 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(21)와 편직형상의 제 2, 제 3카본섬유 프리프레그(22)(23)를 구성하는 수지로는 열경화성 수지들 중에서 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 등이 사용될 수 있다.
그리고, 제 1카본섬유 프리프레그(21) 및 제 2, 제 3카본섬유 프리프레그(22)(23)를 구성하는 수지에는 수지 100중량부에 대하여 1∼5중량부의 CNT(Carbon Nano Tube)가 첨가됨으로써, 접착강도가 일반 에폭시수지보다 30% 이상 향상되고, 스프링의 탄성율의 20% 이상 상승된다.
이렇게 맨드릴(11)에 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(21), 제 2카본섬유 프리프레그(22) 및 제 3카본섬유 프리프레그(23)가 순차적으로 감겨 제 1 내지 제 3카본섬유층(21a)(22a)(23a)이 형성된 후 일정시간이 경과되어 각 제 1 내지 제 3카본섬유층(21a)(22a)(23a)을 구성하는 제 1카본섬유 프리프레그(21), 제 2카본섬유 프리프레그(22) 및 제 3카본섬유 프리프레그(23)가 일부 경화되면, 맨드릴(11)을 제거(도 4 및 도 5 참조)하여 본 발명에 의한 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 성형하기 위한 관 형상의 제 1스프링소재(20a)를 수득할 수 있다.
그리고, 위와 같은 과정을 거쳐 수득된 제 1스프링소재(20a)를 헬리컬 형상의 성형공간을 가지는 금형(31)(32)에 투입한 후 제 1스프링소재(20a)의 중공(20c)에 고압의 공기를 주입하여 3층의 제 1 내지 제 3카본섬유층(21a)(22a)(23a)이 금형(31)(32)의 성형공간에 밀착되도록 각각 확장되면서 서로 일체화되어 제 1스프링소재(20a)가 헬리컬 형상의 제 3스프링소재(20)로 경화되도록 한다(도 6 참조).
위에서는 내부금형(31)과 외부금형(32)이 수직으로 분리되는 것을 예로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 2개 이상의 금형이 수직 또는 수평방향으로 분리 결합될 수 있다. 또한, 내부금형(31) 및 외부금형(32) 내에서 성형되는 제 3스프링소재(20)는 단면이 원이나 사각 그 외에 제조하고자 하는 스프링의 용도에 맞게 변형할 수 있다. 이를 위해, 내부금형(31)의 외주면에 헬리컬요홈(31a)이 형성되며, 외부금형(32)의 내주면에 헬리컬요홈(32a)이 형성되어, 내부금형(31) 및 외부금형(32)이 상호 조립된 상태에서 금형의 내부에는 헬리컬 형상의 공간이 마련된다.
또한, 제 1스프링소재(20a)가 헬리컬 형상의 제 3스프링소재(20)로 성형될 때 필요한 시간 등을 확보하기 위해 금형(31)(32)은 별도의 가열장치나 냉각장치 등을 구비할 수도 있다.
마지막으로, 경화된 헬리컬 형상의 제 3스프링소재(20)를 금형(31)(32)으로부터 분리(도 7 참조)한 후 헬리컬 형상의 제 3스프링소재(20)를 용도에 따라 설정된 길이로 절단하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링 완성품을 제조한다.
실시예 2의 설명에서는 실시예 1과 동일한 과정에 대해서는 도 1 내지 도 5 및 도 7에 의해 설명하고, 실시예 1과 다른 과정에서 대해서는 도 8에 의해 설명한다. 여기서, 도 8은 본 발명의 제 2실시예에 의해 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 제조하는 공정 중 맨드릴이 제거된 스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하는 성형하는 공정을 보여주는 개략도이다.
도 1 내지 도 5, 도 7 및 도 8에 의하면, 먼저, 카본섬유에 열경화성 또는 열가소성 수지를 일정시간 함침시켜서 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(11)를 제조하고, 이를 봉 형상의 맨드릴(11)에 균일한 두께로 감아 제 1카본섬유층(21a)을 형성한다(도 1 참조). 이때 맨드릴(11), 즉 제 1카본섬유 프리프레그(21)에 의해 형성되는 제 1카본섬유층(21a)의 길이는 제조하고자 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링의 길이에 따라 달리할 수 있다.
그리고, 맨드릴(11)에 감겨 제 1카본섬유층(21a)을 형성하는 제 1카본섬유 프리프레그(21)는 UD 테이프로서, 제조하고자 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링소재의 직경에 대하여, 7/10∼9/10의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 카본섬유의 초기 제품인 원사(filament)는 카본섬유의 한 가닥이 1K 카본섬유, 3K 카본섬유, 6K 카본섬유, 12K 카본섬유, 24K 카본섬유 중 선택된 하나의 카본섬유가 사용된다.
위와 같이 맨드릴(11)에 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(21)를 균일한 두께로 감아 제 1카본섬유층(21a)을 형성한 후 이 제 1카본섬유층(21a) 위에 카본섬유에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 2카본섬유 프리프레그(22)를 감아 제 2카본섬유층(22a)을 형성하는데, 제 1카본섬유층(21a)에 감기는 제 2카본섬유 프리프레그(22)의 길이는 도 2에서 보이는 바와 같이 제 1카본섬유층(21a)의 원주에 대응하는 길이로 형성됨으로써 도 5에서와 같이 제 1카본섬유층(22a)은 단일층으로 이루어지게 된다. 이어서, 다시 한번 제 2카본섬유층(22a) 위에 카본섬유에 열경화성 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제 3카본섬유 프리프레그(23)를 감아 제 3카본섬유층(23a)을 형성하는데, 제 3카본섬유 프리프레그(23)의 길이는 도 3에서 보이는 바와 같이 제 2카본섬유층(22a)의 원주에 대응하는 길이로 형성됨으로써 도 5에서와 같이 제 3카본섬유층(23a)은 단일층으로 이루어지게 된다.
즉, 제 2카본섬유층(22a)을 형성하는 제 2카본섬유 프리프레그(22)와 제 3카본섬유층(23a)을 형성하는 제 3카본섬유 프리프레그(23) 각각은 제 1카본섬유 프리프레그(21)가 여러 겹으로 감겨 형성되는 제 1카본섬유층(21a)과는 달리 한 겹으로 감겨 형성되는 단일층으로 이루어지게 된다. 이외에도 제 2카본섬유 프리프레그(22) 및 제 3카본섬유 프리프레그(23)의 특성이나 제조하고자 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링의 용도 등에 따라 달리할 수 있음은 물론이다.
여기서, 맨드릴(11)에 감기는 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(21)와 편직형상의 제 2, 제 3카본섬유 프리프레그(22)(23)를 구성하는 수지로는 열경화성 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 이때, 열경화성 수지로서는 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지가 사용된다.
그리고, 제 1카본섬유 프리프레그(21) 및 제 2, 제 3카본섬유 프리프레그(22)(23)를 구성하는 수지에는 수지 100중량부에 대하여 1∼5중량부의 CNT가 첨가됨으로써, 접착강도가 일반 에폭시수지보다 30% 이상 향상되고, 스프링의 탄성율의 20% 이상 상승된다.
이렇게 맨드릴(11)에 겔화된 제 1카본섬유 프리프레그(21), 제 2카본섬유 프리프레그(22) 및 제 3카본섬유 프리프레그(23)가 순차적으로 감겨 제 1 내지 제 3카본섬유층(21a)(22a)(23a)이 형성된 후 일정시간이 경과되어 각 제 1 내지 제 3카본섬유층(21a)(22a)(23a)을 구성하는 제 1카본섬유 프리프레그(21), 제 2카본섬유 프리프레그(22) 및 제 3카본섬유 프리프레그(23)가 일부 경화되면, 맨드릴(11)을 제거(도 4 및 도 5 참조)하여 본 발명에 의한 카본섬유 강화 복합소재 스프링을 성형하기 위한 관 형상의 제 1스프링소재(20a)를 수득할 수 있다.
그리고, 위와 같은 과정을 거쳐 수득된 제 1스프링소재(20a)를 봉 형상의 성형공간을 가지는 금형(33)(34)에 투입한 후 제 1스프링소재(20a)의 중공(20c)에 고압의 공기를 주입하여 3층의 제 1 내지 제 3카본섬유층(21a)(22a)(23a)이 금형(33)(34)의 성형공간에 밀착되도록 각각 확장되면서 서로 일체화되어 제 1스프링소재(20a)가 관 형상의 제 2스프링소재(20b)로 경화되도록 한다(도 8 참조).
위에서는 상부금형(33)과 하부 금형(34)이 상하로 분리되는 것을 예로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 2개 이상의 금형이 상하 또는 전후좌우로 분리 결합될 수 있다. 또한, 금형(33)(34) 내에서 성형되는 제 2스프링소재(20b)는 단면이 원이나 사각 그 외에 제조하고자 하는 스프링의 용도에 맞게 변형할 수 있다.
또한, 제 1스프링소재(20a)가 관 형상의 제 2스프링소재(20b)로 성형될 때 필요한 시간 등을 확보하기 위해 금형(33)(34)은 별도의 가열장치나 냉각장치 등을 구비할 수도 있다.
마지막으로, 경화된 관 형상의 제 2스프링소재(20b)를 별도의 과정을 거쳐 헬리컬 형상의 제 3스프링소재(20)로 성형(도 7 참조)한 후 헬리컬 형상의 제 3스프링소재(20)를 용도에 따라 설정된 길이로 절단하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링 완성품을 제조한다.
위의 실시예에서는 열경화성 수지가 함침되는 섬유로서 카본섬유만을 예로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 탄소 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 고인성 PE 섬유, 아크릴 섬유, 나이론 섬유도 사용할 수 있다.
또한, 열경화성 수지에 함침되는 카본섬유에 부가되는 CNT 역시 위와 같이 카본섬유를 대신하여 탄소 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 고인성 PE 섬유, 아크릴 섬유, 나이론 섬유를 사용함에 따라 이에 대응해서 그의 양이 변경될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
11 : 맨드릴 20 : 제 3스프링소재
20a : 제 1스프링소재 20b : 제 2스프링 소재
20c : 중공 21 : 제 1카본섬유 프리프레그
21a : 제 1카본섬유층 22 : 제 2카본섬유 프리프레그
22a : 제 2카본섬유층 23 : 제 3카본섬유 프리프레그
23a : 제 3카본섬유층 31 : 내부금형
32 : 외부금형 33 : 상부금형
34 : 하부금형
20a : 제 1스프링소재 20b : 제 2스프링 소재
20c : 중공 21 : 제 1카본섬유 프리프레그
21a : 제 1카본섬유층 22 : 제 2카본섬유 프리프레그
22a : 제 2카본섬유층 23 : 제 3카본섬유 프리프레그
23a : 제 3카본섬유층 31 : 내부금형
32 : 외부금형 33 : 상부금형
34 : 하부금형
Claims (8)
- a1) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔(gel)화된 제1카본섬유 프리프레그를 맨드릴에 감아 제1카본섬유층을 형성하는 단계; b1) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제2카본섬유 프리프레그를 상기 제1카본섬유층 위에 감아 제2카본섬유층을 형성하는 단계; c1) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제3카본섬유 프리프레그를 상기 제2카본섬유층 위에 감아 제3카본섬유층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지되 상기 단계 a1), b1), c1)에서 상기 수지에는 상기 수지 100중량부에 대하여 1∼5중량부의 CNT(Carbon Nano Tube)가 첨가되며, 상기 제1카본섬유층은 제조하고자 하는 스프링소재의 직경에 대하여 7/10 ~ 9/10의 두께가 되도록 상기 제1카본섬유 프리프레그를 복수의 겹으로 감아 형성되도록 하고, 상기 제 2카본섬유층 및 제3카본섬유층의 형성을 위해 상기 제2카본섬유 프리프레그 및 상기 제3카본섬유 프리프레그를 단일층으로 감아 형성이 되도록 하는 단계;
d1) 상기 단계 a1), b1), c1)에서 형성된 3층의 상기 제1 내지 제3카본섬유층이 일부 경화시 상기 맨드릴을 제거하여 관 형상의 제1스프링소재를 수득하는 단계;
e1) 상기 단계 d1)에서 수득된 상기 제1스프링소재를 외주면에 헬리컬요홈이 형성된 내부금형과 내주면에 헬리컬요홈이 형성된 외부금형이 상호 조립되어 헬리컬 형상의 성형공간을 가지는 금형에 투입하는 단계;
f1) 상기 단계 e1)에서 상기 금형에 투입된 상기 제1스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하여 3층의 상기 제1 내지 제3카본섬유층이 각각 확장되면서 서로 일체화되어 상기 제1스프링소재가 헬리컬 형상의 제3스프링소재로 경화되도록 하는 단계;
g1) 상기 단계 f1)에서 경화된 헬리컬 형상의 상기 제3스프링소재를 상기 금형으로부터 분리하는 단계; 및
h1) 헬리컬 형상의 상기 제3스프링소재를 설정된 길이로 절단하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링 완성품을 제조하는 단계; 를 포함하여 구성되는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법. - a2) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔(gel)화된 제1카본섬유 프리프레그를 맨드릴에 감아 제1카본섬유층을 형성하는 단계; b2) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제2카본섬유 프리프레그를 상기 제1카본섬유층 위에 감아 제2카본섬유층을 형성하는 단계; c2) 카본섬유에 수지를 함침시켜서 겔화된 편직 형상의 제3카본섬유 프리프레그를 상기 제2카본섬유층 위에 감아 제3카본섬유층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지되 상기 단계 a2), b2), c2)에서 상기 수지에는 상기 수지 100중량부에 대하여 1∼5중량부의 CNT(Carbon Nano Tube)가 첨가되며, 상기 제1카본섬유층은 제조하고자 하는 스프링소재의 직경에 대하여 7/10 ~ 9/10의 두께가 되도록 상기 제1카본섬유 프리프레그를 복수의 겹으로 감아 형성되도록 하고, 상기 제 2카본섬유층 및 제3카본섬유층의 형성을 위해 상기 제2카본섬유 프리프레그 및 상기 제3카본섬유 프리프레그를 단일층으로 감아 형성이 되도록 하는 단계;
d2) 상기 단계 a2), b2), c2)에서 형성된 3층의 상기 제1 내지 제3카본섬유층이 일부 경화시 상기 맨드릴을 제거하여 관 형상의 제1스프링소재를 수득하는 단계;
e2) 상기 단계 d2)에서 수득된 상기 제1스프링소재를 봉 형상의 성형공간을 가지는 금형에 투입하는 단계;
f2) 상기 단계 e2)에서 상기 금형에 투입된 상기 제1스프링소재의 중공에 고압의 공기를 주입하여 3층의 상기 제1 내지 제3카본섬유층이 각각 확장되면서 서로 일체화되어 상기 제1스프링소재가 관 형상의 제2스프링소재로 경화되도록 하는 단계;
g2) 상기 단계 f2)에서 경화된 관 형상의 상기 제2스프링소재를 상기 금형으로부터 분리하는 단계;
h2) 관 형상의 상기 제2스프링소재를 헬리컬 형상의 제3스프링소재로 성형하는 단계; 및
i2) 상기 단계 h2)에서 헬리컬 형상으로 성형된 상기 제3스프링소재를 설정된 길이로 절단하여 카본섬유 강화 복합소재 스프링 완성품을 제조하는 단계; 를 포함하여 구성되는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 단계 a1), b1), c1)에서 상기 수지는 열경화성 수지로써 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법. - 제 2항에 있어서,
상기 단계 a2), b2), c2)에서 상기 수지는 열경화성 수지로써 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법. - 제 3항에 있어서,
상기 단계 a1)에서 상기 제 1카본섬유 프리프레그가 UD테이프(Uni-Direction tape)인 것을 특징으로 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법. - 제 4항에 있어서,
상기 단계 a2)에서 상기 제 1카본섬유 프리프레그가 UD 테이프(Uni-Direction tape)인 것을 특징으로 하는 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 단계 b1), c1)에서 상기 카본섬유가, 1K 카본섬유, 3K 카본섬유, 6K 카본섬유, 12K 카본섬유, 24K 카본섬유 중 선택된 하나의 카본섬유인 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법. - 제 6항에 있어서,
상기 단계 b2), c2)에서 상기 카본섬유가, 1K 카본섬유, 3K 카본섬유, 6K 카본섬유, 12K 카본섬유, 24K 카본섬유 중 선택된 하나의 카본섬유인 카본섬유 강화 복합소재 스프링 제조방법.
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