초정밀 응용 기술에 유용한 작고 가벼운 탄소 복합 압축 스프링

MW Industries

설계 엔지니어는 새로운 과제를 해결하기 위해 끊임없이 최신 기술을 찾는다. 설계된 강도 특성을 계속 유지하기 위한 경량 부품도 그중 하나이다. 새로운 탄소 복합 압축 스프링은 최신 애플리케이션에 적합하다.

소개

이제까지 디스크 스프링은 금속으로 만들었다. 그것은 꾸준하게 사용되었으나 다른 성능 기준을 요구하는 새로운 애플리케이션의 사양에는 맞지 않았다.
그래서 최초로 60% 가벼운 탄소 복합 압축 스프링(carbon composite compression spring)이 개발되었다. 디스크 스프링 디자인과 CFRP(carbon fiber reinforced polymer: 탄소 섬유 강화 폴리머)를 활용하여, 단일 요소나, 여러 요소로 이루어진 시스템으로 고성능의 가볍고 설계 유연성이 있는 압축 스프링을 제작한다.

중요 요인

현저하게 가벼운 무게 외에도, CFRP로 디스크 스프링은 금속 대체제로써 금속으로는 불가능한 다양한 기능을 구현한다. (참조: CFRP 디스크 스프링의 이상적인 용도) 일반적인 금속 디스크 스프링은 스탬핑으로 만든다. 이는 주문제작에 드는 비용과 프로세스 때문에, 원하는 기능 요소를 많이 제한한다.

CFRP 디스크 스프링을 압축 성형으로 제조하면, 별도의 비용 없이 물리적, 기능적 특성을 추가할 수 있다. 예를 들어 립과 플랜지(lip and flange)를 사용하면 스택을 정렬하는 추가 가이드 없이 여러 부속품을 쉽게 쌓을 수 있다. 이 기능을 금형 설계에 적용하면 제조 시간이나 비용을 허비하지 않고 복잡한 프로파일을 갖는 부품을 생성한다.
독특한 동적 특성과 설계 유연성이 주는 장점으로 CFRP 디스크 스프링은 새로운 과제에 대한 최첨단 솔루션을 제공한다.

작동 원리

CFRP가 과거에는 정적(구조) 애플리케이션에 사용되었지만, 디스크 스프링에 사용되는 소재 엔지니어링의 기술은 동적 특성을 최적화하는 데 있다. 따라서 어떤 성능 특성이 가장 중요한지 다시 결정해야 한다. 예를 들어, 오로지 강성만 고려하기보다, CFRP를 동적으로 사용하려면 높은 유연성에 의한 높은 강도가 필요하다.

적당히 높은 압축 강도는 우선순위를 높이는 또 다른 특성이다.
CFRP 부품은 수지나 고분자, 탄소 섬유 보강 두 가지 기본 원자재로 구성된다. 글로벌 합성소재 산업이 빠르게 성장하면서, 애플리케이션만큼이나 많은 수지와 섬유의 종류를 선택할 수 있다. 주로 구조적 애플리케이션에서 이러한 합성소재 사용이 증가했다.

설계방식은 두 가지다. Type 1은 인접한 부분이 서로 중심을 맞출 수 있도록 통합된 립과 플랜지가 있는 스택형 시스템(stackable system)이다. 설계 엔지니어는 기존 금속 디스크 스프링 스택의 방향을 지정하는 데 불필요한 부품을 제거할 수 있다. 이렇게 하면 더 가볍고 덜 복잡하게 설치할 수 있다. 기본 스프링 솔루션이 나선형 코일인 경우에도 이상적인 설계가 된다.

헬리컬 코일의 일반적인 마운트는 상단과 하단의, 전체 길이의 일부분만 스프링을 잡는다. 이것은 단일 부품이기 때문에 코일 스프링에 잘 작동한다. 금속 디스크 스프링 스택을 그 자리에 장착하려면 스프링의 전체 길이에 ID나 OD 가이드를 다시 장착해야 한다. 이는 일반적으로 설계 범위 제한으로 인해 문제가 되지 않는다. 그러나 립과 플랜지가 있으면, 최소의 압축력이 항상 적용되는 한 Type 1의 자기 정렬 특성은 ID나 OD 가이드가 필요 없다.

Type 1을 사용하려면 단일 요소를 단독으로 사용하는 것은 불가능하다. 립과 플랜지는 한쪽 면의 요소 표면을 지나 연장되므로 하중 지지를 못한다. 따라서 직렬로 두 개의 요소를 쌓는 것이 최소 요구 조건이다.

Type 2는 매우 비슷하지만 립과 플랜지 디자인은 포함되지 않는다. 따라서 Type 2는 기존의 금속 디스크 스프링과 더 유사하다. Type 2도 단일하게 사용할 수 있지만, 일반적으로는 스택 방식이다. 스택에 사용하는 경우 ID나 OD 가이드를 사용하여 스택을 정렬하는 표준 디스크 스프링 접근 방식을 고려해야 한다.

Type 2의 요소가 립/플랜지 디자인을 사용하지 않더라도 압축 성형 공정과 유연한 금형 설계의 이점이 실현된다. 중점은 스택의 각 요소 접촉 인터페이스를 최적화하는 데 있다. 디스크 스프링 스택을 압축할 때 각 요소의 ID나 OD 모서리의 접합 부위가 움직이기 때문이다. 마찰을 최소화하는 데 주의하지 않으면 히스테리시스(hysteresis)로 문제가 된다. 사용된 제조 기술을 통해 이 마이크로 스케일 기능을 1차 제조 공정의 일부로 최적화할 수 있다. 만약 2차 공정에 도입되었다면, 이러한 세부 사항에 관한 관심과 관련 성능상의 이점은 금속 디스크 스프링에서만 가능하다.

응력 고려 사항과 설계 제약

탄소 섬유를 원자재로 사용하려면 원추형 스프링 설계를 위한 새로운 생각이 필요하다. 다음은 기존의 디스크 스프링 방정식에서 고려할 몇 가지 고유 사항이다.

1. 압축 vs 인장 응력 집중과 첫 번째 피로 지점

디스크 스프링에서, 설계에 중요한 세 가지 주요 응력 영역이 있다. 스프링 오목 면을 아래로 내려다보면, 상부 ID 코너(S1), 하부 ID 코너(S2), 하부 OD 코너(S3)가 있다. 이 영역은 압축이나 인장 응력을 나타낸다.

종래의 금속 디스크 스프링에서, S3 위치는 전형적으로 사용되는 재료의 한계에 도달하는, 최초의 국부적인 영역이므로 디자인을 제약하는 응력 영역이다. 금속은 극한 인장 강도로 제한되고 인장 응력보다 압축 강도가 훨씬 커서 인장 응력을 볼 수 있다. 그러나 높은 주기 빈도나 반복적인 깊은 편향과 같은 특정 사용 조건은 S1나 S2 위치에서 고장을 유발할 수 있다. CFRP를 디스크 스프링 재료로 고려한다면 응력 분석에 대한 이 종래의 접근법은 쓸모없다.

어떤 부품에서나 탄소 섬유로 금속을 대체하려 할 때, 기본적으로 탄소 섬유가 강철보다 강하고 가볍다는 추론을 한다.
이것은 사실이지만 인장 강도를 고려할 때만 가능하다. CFRP의 섬유 면에서 압축 하중을 전달하는 능력은 그 반대이다.
이 사고 실험(thought experiment)을 사용하여 관계를 시각화해야 한다. 볼링공을 신발 끈의 아래에 연결하고 고정 지점에서 수직으로 매달려 있는 상상을 하자. 그러면 신발 끈에 인장력이 작용한다. 신발 끈의 인장 한계에 도달할 때까지 볼은 끈에 매달려 있고, 그 후에는 끈이 끊어진다.

이제 고정 지점과 무게(볼)를 바꾸어, 끈으로 공을 수직으로 받쳐 지지할 수 있을지 본다. 분명히, 끈은 볼의 무게를 지탱할 힘(압축력)이 없어 끈이 접히고 주저앉게 된다.
CFRP의 고분자 요소를 생각해 보자. 마른 섬유가 단단한 고분자나 수지로 캡슐화될 때, 지지력은 길이에 따라 달라진다(신발 끈을 감싸고 있는 PVC 파이프를 생각하면 된다). 이 ‘복합’ 구조는 가설에서 신발 끈의 접히고 주저앉는 부분을 대부분 방지한다. 이것은 섬유가 아닌 수지가 CFRP의 압축 강도에 가장 큰 기여를 한다는 것을 의미한다. 디스크 스프링 설계에 이것을 적용하면 두 가지 결론에 도달하게 된다. 첫째, 수지의 압축 성능은 유연한 CFRP 디스크 스프링의 중요한 설계 요소이다. 둘째, 응력의 제한 영역은 (S3이 아닌) S1에 있다.

이것은 탄소 섬유를 따라가는 것을 의미하지는 않는다. 오히려 정반대이다. 섬유 보강재의 합성이 최종 합성 소재의 전반적인 굽힘 강도(또는 탄성 계수)의 주된 매체이다. 하중과 응력을 계산하는 것은 설계 방정식에 사용되는 탄성 계수이다. CFRP 디스크 스프링의 추가 개발은 섬유 보강 성능을 향상시켜, 인성(toughness)과 압축 강도가 적절한 수지 개발을 유도해야 한다.

2. 복합 재료의 비등방성(Non-isotropic nature)

CFRP의 물리적 특성은 측정하는 축에 크게 의존한다. 일반적으로 등방성(모든 방향에서 동일한 특성을 나타냄)인 금속과 달리, 합성 소재는 그렇지 않다.
합성 소재의 구조가 단방향의 재료처럼 모두 한 방향으로 구성된 섬유로 이루어지고, 필요한 하중도 한 방향으로 실리면, 합성 소재의 비등방성은 상당히 간단하게 부품에 적용할 수 있다. 그러나 이는 CFRP를 고려하는 구성 부품에는 드물다. 디스크 스프링도 예외는 아니다.

여러 방향의 특성을 같게 하는 한 가지 방법은 부품에 하나 이상의 축을 포함시키는 것이다. 이것은 짠 직물이나 꼰 직물의 기본 개념으로, 가닥당 2~3개의 분리된 광섬유로 이루어진다. 축의 수는 재료 가닥을 서로 반대 방향으로 회전시켜 크게 증가시킨다. 이러한 방식으로, 준등방성 마감 합성 소재가 가능하다.

S1의 높은 압축 응력을 관리하면 수지 특성과 섬유 방향 균형을 이룬다. S1 영역의 강도는 주로 수지에서 비롯되지만 동일한 영역을 신중하게 교차하는섬유 경로는 응력 집중을 유발한다. 이것이 수평 재료 층에서보다 높은 응력을 발생시키지만, 이 응력의 교차 층 전파는 제한적이다. 복합 구조체의 자기 제어 특성은 디스크 스프링 설계에 중요하다. 앞으로 더 불연속적인 섬유를 스프링의 특정 부분에 사용하게 될 것이다.

3. 필수 디자인 범위

강철과 CFRP 사이의 압축성과 인장 강도를 비교하여 나온 중요한 결과는 주어진 디스크 스프링 파라미터 세트에는 CFRP 스프링이 강철 버전보다 물리적으로 더 커야 한다는 것이다. 추가 재료는 ID/OD 치수의 형태로 방사형으로 적용하거나 증가된 재료 두께를 통해 축 방향으로 적용한다. 추가 재료 양은 원하는 성능과 재료 한계의 적절한 균형을 찾아 결정한다.

어느 쪽이든, 일정한 부하를 받는 데 일정한 재료가 필요하다는 명제는 제법 맞는다. 더욱 많은 양의 재료가 필요한 경우에도, 최종 부품의 무게는 일반적으로 줄어든다. 따라서 설계 제한 범위가 더 클 때만 무게를 줄이는 것이 가능하다. 이 명백한 모순은 CFRP가 스프링 재료가 되는지 이해하는 데 중요하다.

CFRP 디스크 스프링에 이상적인 용도

1. 전체 조립품의 무게가 중요한 경우:

이 기능은 스프링이 어떤 식으로든 들어 올려지거나, 움직이면서 무게가 문제가 되거나, 중량을 줄이면 부품의 다른 곳에서 이득을 얻을 때 이상적이다. 지시된 실행을 위해 탄소 섬유 스프링 스택은 금속 대체물 무게의 60% 정도다.(사용 예: 우주 발사체, 자동차/비행기의 래치나 도어 메커니즘, 카운터 밸런스 스프링)

2. 빠른 동적 응답이 필요한 경우:

CFRP 스프링의 질량 감소로 인해 좋은 주파수 응답이 달성된다.

3. 속도나 처짐을 조정할 필요가 있을 때:

성능을 조절할 수 있는 스프링이 필요하거나 필요한 성능이 아직 확실하지 않을 때 CFRP 디스크 스프링을 사용하기도 한다.스택 배열에 type 1이나 type 2를 사용하면 스택 구성 방법이 변경되어 최종 매개 변수를 조작할 수 있다. (사용 예: 탄성이 어떻게 되는지 알 수 없는 초기 프로토타입 단계. 테스트할 때 스프링 조작이나 조정할 기회를 제공한다.)

4. 단열재가 필요한 경우:

금속은 좋은 도체이므로 열은 스프링의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 빠르게 전달된다. 반대로 복합수지는 우수한 절연체이다. 특정 보강 섬유는 이러한 특성을 향상시킨다. 표준 섬유는 카본이지만, 케블라(Kevlar)나 다른 아라미드(aramid) 섬유와 같은 다른 재료가 사용될 수 있다. (사용 예: 단열 마운트)

5. 인터페이싱 하드웨어의 측면 로딩을 피할 때:

기존 솔루션이 나선형 코일 스프링이지만, 압축 중에 발생하는 횡 방향 하중을 견딜 수 없는 경우 type 1 요소는 대체 솔루션이 된다.
Type 1은 코일 스프링을 대체하기 위해, 립과 플랜지 디자인을 사용하여 짝을 이루는 부품의 마찰과 마모를 줄여 부품이 의도대로 작동하게 한다. (사용 예: 액추에이터에 장착된 스프링)

6. 비자성 스프링이 필요할 때:

탄소 섬유 합성 소재는 비자성이며 금속의 부식을 유발하는 많은 액체와 화합물에 영향을 받지 않는다.

7. 고부가가치 애플리케이션에 적합:

성능 지향적인 제품에 이상적이다.

CFRP 디스크 스프링이 이상적이지 않는 용도

1. 탄소 섬유

스프링은 금속보다 강하지 않음:

따라서 금속의 한계를 넘거나 금속 스프링이 충분하지 않은 애플리케이션은 적합하지 않다.

2. 극심한 고온:

복합 재료는 일반적으로 저온 환경에서 잘 작동하지만 온도가 상승할 수 있다. 고온 성능은 수지 종류에 따라 크게 달라진다. 고온에 잘 맞는 전통적인 수지 화합물은 강하고 부서지기 쉬운 성질로 동적인 스프링 사용에는 적합하지 않다. 수지를 선택하면 고온 안정성과 같은 다른 성능의 저하를 관리하면서 원하는 스프링 특성을 균형 있게 달성한다.

3. 유지 보수 없이 사용 기간 연장:

CFRP 스프링의 수명은 설계 응력과 사이클 주파수, 하중 매개 변수에 따라 다르다. 정확한 사용 수명은 예측하기 어렵지만 일반적으로 금속 스프링의 수명보다 짧다.

디자인 팁: 어느 단계에서 고려해야 하는가?

이상적으로 CFRP 디스크 스프링에 대한 고려는 프로토타이핑 전에 개념이나 초기 설계 단계에서 이루어져야 한다. 이것은 기존 옵션보다 독특하고 장점이 많다. 그러나 물리적으로 더 크다.
해당 애플리케이션의 구성 부품이 이미 협소한 공간에 금속 스프링 주위에 설계되고, 최적화되어 있다면 복합 스프링을 재장착하기는 어려울 것이다.

자료 제공: MW Industries(www.mw-ind.com)