플라스틱 및 복합재를 볼트로 체결하는 방법

폴리머 및 복합재의 사용은 산업 적용처에서 계속 증가하고 있습니다. 뛰어난 비강도와 내식성은 다양한 산업 용도에 적합합니다. 폴리머 및 복합재로 만들어진 부품은 자동차에서 풍력 터빈, 그리고 항공기에 이르기까지 거의 모든 산업에서 찾아볼 수 있습니다. 접착제는 폴리머 및 복합재 조립할 때 자주 사용되기도 합니다. 그러나 접착제 사용은 필요할 때 접합된 부품을 분리하는 것을 매우 어렵게 합니다. 이러한 이유로 산업 현장에서는 일반적으로 간편한 유지 보수를 위해 볼트 체결부를 사용하는 것을 선호합니다. 그러나, 볼트 체결부는 조인트에 도입된 새로운 소재에 영향을 받기도 하며, 침하(Settlement) 및 이완(Relaxation)으로 인한 느슨해짐(Slacking) 현상은 이러한 점점 더 일반적인 문제가 됩니다.

침하 (Settlement)
소재를 함께 볼트 체결할 때, 압력으로 인해 표면의 불규칙한 부분이 즉시 평평해지기 시작하며, 조여진 지 한 시간 내에 상당한 침하가 발생합니다.

이완 (Relaxation)
연질 금속, 복합재, 폴리머 등과 같은 특정 소재는 시간이 지남에 따라 수축하기 때문에, 이는 체결력의 추가적인 손실을 초래합니다.

볼트 체결부에 섬유 강화 플라스틱 소재 사용

고강도 적용처에서 자주 사용되는 소재로 섬유 강화 플라스틱(FRP)이 있습니다. FRP의 특성은 사용된 매트릭스 (기재)의 종류, 사용된 섬유의 종류, 사용된 섬유의 비율(%) 및 섬유의 방향성에 따라 다릅니다. 일반적인 섬유로는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유가 있습니다. 이 섬유는 가장 필요한 쪽으로 재료를 강화하는 방향으로 지향합니다. 3D 복합재를 제외하고 섬유 방향은 홀(Hole) 축에 수직 방향입니다. 이 특수성은 홀 축을 따라 복합재의 특성을 매트릭스 특성과 동일하게 설정합니다.

볼트 체결부에 FRP를 사용하는 경우의 단점은 복합재의 매트릭스 또는 수지가 폴리머로 만들어진다는 사실입니다. 대부분의 폴리머는 점탄성이므로 시간이 지남에 따라 기계적 특성이 변경되어, 크리프 및 이완이 발생합니다. 비교해보면 아래와 같습니다.

• 금속 소재의 두 부품을 볼트로 연결했습니다. 이 금속은 모재의 항복점을 초과하지 않는 한 볼트 체결부의 압력에 의해 탄성적으로 변경됩니다. 볼트 체결부의 조임을 풀었을 때 어떠한 변형도 보지 못하였다면, 이는 완전한 탄성 거동입니다.
• 이번에는 폴리머 소재의 두 부품을 볼트로 연결해 보겠습니다. 상대적으로 낮은 클램프 하중이 가해지더라도 압력에 노출되면 소재에 크리프가 발생하기 시작합니다. 크리프 현상으로 인해 볼트 체결부에 침하(Settlement) 및 느슨해짐(Slacking)이 발생하여 클램프 부하가 감소하고 최종적으로 두 부품은 더 이상 함께 고정되지 않습니다.

폴리머 소재는 금속 소재보다 부드러운 연질의 재료이므로 볼트 연결부가 느슨해질 위험이 높아 볼트 체결부의 안전성과 신뢰성에 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.

Nord-Lock X-시리즈 로 설계 가능성 확장

폴리머와 복합재를 통합하는 볼트 조인트의 설계 문제를 어떻게 해결할 수 있을까요? 한동안 업계에 나온 한 가지 솔루션으로 홀에 금속 인서트를 사용하는 것입니다. 금속 인서트는 홀을 강화하기 사용되며, 고정된 소재는 플라스틱으로 유지되는 반면, 볼트 연결부는 순금속으로 제작됩니다. 조인트 부분의 힘은 강하지만, 다른 한편으로는 제조 비용이 높습니다. 또한 이 솔루션은 진동 발생(공진 주파수)을 수정하고, 크리프와 이완, 자체 나사 풀림으로부터 체결력을 안전하게 확보할 수 없습니다.

업계에 새롭게 등장한 솔루션으로 Nord-lock X-시리즈 와셔가 있습니다. Nord-Lock X-시리즈 와셔의 원뿔 형상은 느슨해짐으로 인한 체결력 손실을 보상하기 위해 볼트 조인트에 예비 탄성력을 생성합니다. 스프링 효과는 쐐기 잠금 기술력과 결합하여, 볼트가 자체적으로 풀리지 않도록 볼트를 인장력으로 고정합니다. 이것은 심지어 낮은 클램프 부하에서도 체결부에 대한 최대한의 안정성을 제공합니다. 다기능 쐐기 잠금 기술은 기존의 볼트 고정 솔루션보다 많은 장점을 가지고 있습니다. 이는 완벽한 볼트 안정성을 보장하며 까다로운 소재, 설계 등의 조건을 포함하는 적용처에 이상적입니다.

적용 예시 – 엘라스토머 패드가 있는 크레인

엘라스토머(Elastomer)는 폴리머의 한 종류이며 텔레스코픽(Telescopic) 장비에서 흔히 사용되는 소재입니다. 이 소재는 붐의 슬라이딩 부품에 유연성을 더하고 마찰계수가 낮다는 큰 장점이 있습니다. 또한 부식에도 강합니다.

최근 심각한 볼트 풀림 문제를 겪은 한 크레인 제조업체는 Nord-Lock 영업 엔지니어에게 연락하여, 복합재를 볼트로 체결할 때 나타나는 매우 일반적인 문제를 문의했습니다. 고객사의 이동식 크레인 모델 중 하나의 텔레스코픽 붐 내부에 엘라스토머 패드를 고정하는 조인트 중 30%가 고객사에서 수리한 후 몇 달만에 볼트 풀림이 발생했습니다. 폴리머 소재, 짧은 클램프 길이 그리고 두꺼운 페인트 층의 조합이 볼트 접합부 침하와 이완의 원인이었습니다. 많은 볼트가 헐거워져 텔레스코픽 붐의 작동을 불가능하게 했으며, 제조업체의 보증이 적용되는 신속한 유지 보수가 필요했습니다. 이로 인해 크레인 제조업체에 막대한 비용이 발생하고 브랜드 이미지에 타격을 입게 되었습니다.

Nord-Lock X-시리즈 와셔를 해당 적용처에 도입하여 볼트 풀림 문제를 해결하고 수리 및 보증에 대한 추가 비용을 절감할 수 있었습니다. 적용처에 짧은 클램프 길이와 다중 레이어(케이스, 심, 와셔 및 패드)를 포함한 추가적인 설계 문제가 있음에도 불구하고, 이제 볼트 조인트는 Nord-Lock X-시리즈로 안전하게 고정됩니다. 와셔를 적용 후 붐에서 볼트 풀림 현상이 발견되지 않았습니다. 그 결과, 이 크레인 제조업체는 엘라스토머 패드의 이점을 가지면서도 볼트 연결부가 안전하게 고정하여 최종 사용자에게 제품이 안전하고 신뢰할 수 있음을 보장할 수 있었습니다.