[논문자료]복합재 사다리 설계(조종사 탑승용)

 

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조종사 탑승용 복합재 사다리 설계

알루미늄을 패브릭 복합재로 대체 적용한 사다리

 

최근 복합재를 적용한 경량화에 관한 연구가 지속적으로 수행됨에 따라 탄소섬유 복합재료를 사용하여 강성대비 경량화를 목표로 하는 부품 연구가 증가하고 있다.

 

복합재료는 등방성 재료와는 달리 적층판의 방향과 적층 순서에 따라 물리적 특성이 변화한다.

그러므로 복합재료 사다리의 경우 계획한 설계를 검증하기 위해서 구조 해석을 수행하는 것이 필수적이다.

 

본 연구에서는 패브릭 소재를 적용하여 사다리를 설계하였다.

 

 

논문자료 - https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201914456456933

 

 

또한 유한요소해석을 통하여 하중 위치가 사다리에 미치는 영향을 분석하고 가장 문제가 되는 위치를 선정하여 구조적 성능을 분석하였다.

 

다양한 적층 순서를 적용하여 구조해석을 실시하고 각 층에서의 파손 값을 측정함으로써 적층 순서가 사다리의 구조 강도에 미치는 영향을 분석하였다.

 

결과적으로,

기존에 사용 되고 있는 알루미늄으로 제작한 항공기 조종사 사다리를 패브릭 소재의 복합재로 대체하였는데

3~4kg의 무게 감소 효과를 얻을 수 있었고 파손이론을 사용하여 검증한 결과 안전도도 보장되었다.

 

긴급한 출동을 요하는 항공기 조종사의 사다리의 사용현장에서 기동성이 더욱 향상될 것이라고 판단된다.

 

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1. 복합소재란?

 서로다른 성분이나 형태의 재료를 조합하여 구성재료 고유의 특성을 극대화한 재료를 말한다.

각 성분의 장점은 강화하고 단점은 보완되는 이종 재료인데, 이러한 면에서 신소재와는 다른 특성을 가지며 여러 재료의 조합으로 신소재나 기존 소재의 한계를 뛰어넘을 수 있는 소재이다.

이런 특징들로 우주항공 분야에 많이 사용되고 있으며 자동차, 청도, 선박, 건설, 스포츠 용품, 에너지 분야 등에도 적용되어 산업발전에 크게 기여하고 있다.

 

2. 복합소재의 종류

• PMC : 고분자 수지와 각종 섬유로 구성
• MMC : 알루미늄과 같은 금속 재료를 기지 재료로 사용하는 것으로 자동차 산업에 많이 사용
• CMC : 고온에서 사용하는 재료로써 세라믹을 기지 재료로 사용

 

3. 오토클레이브 복합재 성형이란?

복합소재 성형기술
오토클레이브 성형	LCD Glass 이송용 로봇핸드, CFRP Support bar, 산업용 CFRP Roller
Filament winding process 성형	산업용 Roller, Drive shaft, Pipe, 압력용기
Press molding 성형	미사일 노즐, 방탄
Resin transfer molding 성형	각종 구조물 및 자동차용 부품
Infusion molding 성형	풍력 발전기용 블레이드, 난연성 철도차량 내장재
Pultrusion 공법 성형	FRP bar, beam

 

 프리플레그(Prepreg)를 여러 겹으로 원하는 형상의 몰드렝 적층한 후에 진공을 유지하기 위해 진공백으로 제품 전체를 포장하여 기체 가압부와는 차단하여 공정을 진행한다. 내부 진공을 유지하면 내부에 있는 수지로부터 발생되는 휘발성분을 제거하고, 여러 겹의 프리플레그를 접합시에도 기포가 제거되어 치밀하게 접합된 제품을 얻을 수 있다.

 

 

일신의 Composite Autoclave

 

 일신오토클레이브에서 제작하는 복합재성형 오토클레이브는 다양하며 복잡한 모양의 복합재 성형을 수행할 수 있는 설비로 제작하였으며, 제품의 성형 효율을 위해 다수의 제품 진공 라인을 구성하였고, 설비의 성능을 향상시키기 위해 온도 유지와 압축에 대한 정밀한 공정 수행이 이루어 질 수 있는 제품으로 만들었으며, 압력 용기의 안전성 부분에서 미국기계학회의 압력용기 인증인 ASME 규격에 맞추어 설계, 제작 및 인증을 받았고, 한국가스안전공사나 산업안전관리공단 인증을 통하여 안전하게 제작하였다.

 

4. 오토클레이브 성형 적층

복합재 오토클레이브 성형 적층

• 여러 장의 prepreg + 첨가제 + 보조재료를 조합하여 성형용 스택 제작
• 2~3개의 prepreg를 적층할 때 감압하여 기포 제거

 

5. 복합재성형 오토클레이브 세부사항

CMAS / CMAM / CMAP Series

 

PMC	고분자 수지와 각종 섬유로 구성됨(Carbon, Aramid, Glass) - FRP
MMC	알루미늄과 같은 금속 재료를 기지 재료로 사용, 주로 자동차 산업에 많이 사용됨
CMC	고온에서 사용하는 재료, 세라믹을 기재 재료로 사용, 주로 세라믹 섬유 보강재료로 사용됨

 

CMAS Series [1200/1500]
Series	Working Vessel Internal Diameter	Working Vessel Distance	Temperature	Pressure
CMAS-1200-3000L	1200 ㎜	3000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAS-1200-3000H	1200 ㎜	3000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAS-1200-4000L	1200 ㎜	4000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAS-1200-4000H	1200 ㎜	4000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAS-1200-5000L	1200 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAS-1200-5000H	1200 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAS-1500-3000L	1500 ㎜	3000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAS-1500-3000H	1500 ㎜	3000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAS-1500-4000L	1500 ㎜	4000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAS-1500-4000H	1500 ㎜	4000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAS-1500-5000L	1500 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAS-1500-5000H	1500 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠

 

CMAM Series [2000/2500]
Series	Working Vessel Internal Diameter	Working Vessel Distance	Temperature	Pressure
CMAM-2000-5000L	2000 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAM-2000-5000H	2000 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAM-2000-7000L	2000 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAM-2000-7000H	2000 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAM-2000-10000L	2000 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAM-2000-10000H	2000 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAM-2500-5000L	2500 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAM-2500-5000H	2500 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAM-2500-7000L	2500 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAM-2500-7000H	2500 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAM-2500-10000L	2500 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAM-2500-10000H	2500 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠

 

CMAP Series [3000/3500]
Series	Working Vessel Internal Diameter	Working Vessel Distance	Temperature	Pressure
CMAP-3000-5000L	3000 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAP-3000-5000H	3000 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAP-3000-7000L	3000 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAP-3000-7000H	3000 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAP-3000-10000L	3000 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAP-3000-10000H	3000 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAP-3500-5000L	3500 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAP-3500-5000H	3500 ㎜	5000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAP-3500-7000L	3500 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAP-3500-7000H	3500 ㎜	7000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠
CMAP-3500-10000L	3500 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	9 ㎏/㎠
CMAP-3500-10000H	3500 ㎜	10000 ㎜	200 ℃	20 ㎏/㎠