KR101198625B1

KR101198625B1 - 차량용 금속?복합재료 하이브리드 휠의 제조방법

Info

Publication number: KR101198625B1
Application number: KR1020100079994A
Authority: KR
Inventors: 임태성; 김민수; 장승환; 유성환
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단; 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-11-07
Also published as: US20120043014A1; US9259882B2; KR20120021824A

Abstract

본 발명은 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합재료의 인너 림(inner rim)을 압축성형함과 동시에 금속재료의 아웃터 림(outer rim)과 상기 인너 림을 접합 연결하고, 아웃터 림과 인너 림 간의 열팽창계수의 차이에 의해 압축성 잔류응력을 유도하여 접합부의 접착강도 및 내구성을 증대할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 금속재료의 아웃터 림의 접합부를 외부금형에 삽입 체결하는 단계; 인너 림의 성형을 위한 복합재료를 상기 아웃터 림의 접합부 및 외부금형의 내주면에 적층되게 삽입하는 단계; 상기 외부금형의 내부에 중간금형을 삽입하고, 이 중간금형의 내측에 내부금형을 삽입하여 금형 조립체를 형성하는 단계; 상기 금형 조립체를 히팅챔버에 넣고 승온시키는 단계;를 포함하며, 상기 중간금형의 열팽창 거동을 통해 발생되는 압력에 의해 인너 림을 압축성형함과 동시에 아웃터 림과 인너 림을 접합하는 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법을 제공한다.

Description

차량용 금속?복합재료 하이브리드 휠의 제조방법{Manufacturing method of the metal?composite hybrid wheel for vehicles}

본 발명은 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합재료의 인너 림(inner rim)을 압축성형함과 동시에 금속재료의 아웃터 림(outer rim)과 상기 인너 림을 접합 연결하고, 아웃터 림과 인너 림 간의 열팽창계수의 차이에 의해 압축성 잔류응력을 유도하여 접합부의 접착강도 및 내구성을 증대할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 바퀴는 공기나 질소가 충진되는 고무 재질 타이어의 중앙부에 금속재의 휠을 결합하여 차축에 견고하게 결합되는데, 보통 디자인이 우수하고 중량이 낮아 차량 연비가 향상되며 냉각 효율이 우수한 알루미늄 휠이 사용되고 있다.

최근에는 기계적 특성이 우수한 섬유강화 복합재료를 활용한 금속복합재료의 하이브리드 휠에 대한 관심이 증가하고 있으며, 상기 하이브리드 휠을 우수한 품질로 제조하기 위해 사용하는 방법으로는 진공백성형(Vacuum bag molding) 및 RTM 성형(Resin transfer molding) 등이 있다.

상기 진공백성형 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속금형에 프리프레그 등의 재료를 삽입 적층하고 그 내측에 중간금형을 장착한 다음 테프론필름으로 포장하는 공정 및 브리더를 사용하여 포장하는 공정 등을 거친 다음 제작한 진공백에 넣고 진공펌프를 이용하여 흡기한 후 오토클레이브 성형공정 등을 거쳐서 제품을 제작하게 된다.

그러나, 이러한 진공백성형 방법은 제품을 제작하기 위한 작업 공정이 복잡하고 고가의 재료(테프론필름이나 브리더 등)를 사용해야 하므로 대량생산에 부적합하고 생산비가 증가하게 되는 문제가 있다.

상기 RTM 성형 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부금형에 건섬유와 프리폼을 배치한 다음 상기 하부금형에 상부금형을 결합하고 가압 또는 클램핑한 후 RTM 머신을 사용하여 촉매를 혼합시킨 수지를 금형 내부에 주입하며, 수지의 함침이 완료되면 상온 또는 고온에서 경화시킨 후 탈형하여 제품을 완성하게 된다.

그러나 이러한 RTM 성형 방법은 완성한 제품에 기공이 생성되어 강도가 저하되며, 레진 리치 구역(RESIN RICH AREA)의 영향으로 인해 품질 조절이 어렵고 따라서 제품의 품질 균일성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.

다시 말해, 상기와 같은 진공백성형이나 RTM 성형 방법은 하이브리드 휠을 제조함에 있어서 금속재료의 아웃터 림과 복합재료의 인너 림을 일체화하여 성형하기 위해 접착 및 체결을 위한 여러 공정을 거쳐야 하므로 생산공정이 매우 복잡해지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 복합재료의 성형을 위한 고온의 성형온도에서 복합재료의 인너 림을 압축성형함과 동시에 인너 림의 접합부에 금속재료의 아웃터 림을 접합시킬 수 있는 단일 공정으로 제품을 제조하고, 아웃터 림과 인너 림 간의 열팽창계수의 차이에 의해 압축성 잔류응력을 유도하여 접합부의 접착강도 및 내구성을 증대할 수 있는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 금속재료의 아웃터 림의 접합부를 외부금형에 삽입 체결하는 단계; 인너 림의 성형을 위한 복합재료를 상기 아웃터 림의 접합부 및 외부금형의 내주면에 적층되게 삽입하는 단계; 상기 외부금형의 내부에 중간금형을 삽입하고, 이 중간금형의 내측에 내부금형을 삽입하여 금형 조립체를 형성하는 단계; 상기 금형 조립체를 히팅챔버에 넣고 승온시키는 단계;를 포함하며, 상기 중간금형의 열팽창 거동을 통해 발생되는 압력에 의해 인너 림을 압축성형함과 동시에 아웃터 림과 인너 림을 접합하는 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 금형 조립체를 상온으로 냉각시켜 아웃터 림과 인너 림의 접합부에 압축성 잔류응력을 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 중간금형은 고무소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 히팅챔버는 125 ~ 180℃ 로 승온하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 복합재료는 탄소섬유의 부피분율이 30 ~ 75% 인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 탄소섬유는 일방향 섬유 형태 또는 직조된 형태인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 중간금형의 두께 또는 소재를 변경하여 중간금형의 열팽창 거동에 의한 압력을 조정하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 아웃터 림의 접합부에 홈부를 형성하여 인너 림과의 접착강도를 증대하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠을 제공한다.

본 발명에 따른 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법에 의해 하이브리드 휠을 제조하게 되면 아웃터 림과 인너 림의 접합부 뿐만 아니라 복합재료의 인너 림의 성형이 동시에 이루어지므로 생산공정의 단순화 및 대량생산의 가능성을 확보할 수 있고, 고온의 성형온도에 의해 성형한 후 온도가 상온으로 떨어짐에 의해 금속재료의 아웃터 림과 복합재료의 인너 림 간의 열팽창계수 차이에 의해 아웃터 림의 접합부와 인너 림의 접합부 사이에 후프(hoop) 방향으로 압축성 잔류응력이 발생하여 접합부의 접착강도를 증가시키며, 이러한 휠 내부의 압축성 잔류응력은 제품의 피로수명을 증가시키므로 내구성을 증대하는 효과가 있다.

도 1은 종래 진공백성형 방법에 의한 제품 제조공정을 나타낸 도면,
도 2는 종래 RTM 성형 방법에 의한 제품 제조공정을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법에 의해 하이브리드 휠을 제조하는 공정을 나타낸 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명의 제조공정 중 형성되는 금형 조립체를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제조공정에 따라 고무소재 중간금형의 열팽창에 의해 복합재료 및 외부금형에 균일한 고압력이 가해짐을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 제조공정에 따라 하이브리드 휠을 제조함에 있어서 복합재료와 금속재료 간의 열팽창계수의 차이에 의해 접합부에 압축성 잔류응력이 발생함을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 금속복합재료의 하이브리드 휠을 도시한 도면.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 설명에 있어서 공지된 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

본 발명은 복합재료를 고온에서 압축성형하여 인너 림(20)을 성형함과 동시에 금속재료의 아웃터 림(10)과 상기 인너 림(20)을 접합 연결하고, 복합재료와 금속재료 간의 열팽창계수의 차이에 의해 인너 림(20)과 아웃터 림(10)의 접합부에 압축성 잔류응력을 유도하여 접합부의 접착강도 및 내구성을 증대할 수 있는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법을 상세하게 설명한다.

본 발명은 금속-복합재료의 하이브리드 휠을 제조하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 내주면에 휠의 외부형상을 가지는 금속소재의 외부금형(100)과 외주면에 휠의 내부형상을 가지는 중간금형(200) 및 이 중간금형(200)의 열팽창 거동시 중간금형(200)을 지지해주며 중간금형(200)의 압력 발생을 가능하게 하는 금속소재의 내부금형(300)을 사용한다.

하이브리드 휠의 제조를 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 금속재료의 아웃터 림(10)을 외부금형(100)에 장착하는데, 인너 림(20)이 접착하게 될 원통형 접합부만 외부금형(100)의 내측에 밀착되게 삽입하고 체결공정을 거쳐 삽입된 상태로 고정시킨다.

다음, 인너 림(20)의 성형을 위한 복합재료를 상기 외부금형(100)에 삽입하여 아웃터 림(10)의 접합부와 외부금형(100)의 내주면에 전체적으로 고르게 그리고 매개물 없이 직접 적층시킨다.

그 다음, 상기 외부금형(100)의 내부에 중간금형(200)을 삽입하고 움직이지 않도록 고정시킨 후, 상기 중간금형(200)의 내측에 내부금형(300)을 삽입하여 중간금형을 외부금형(100)에 간접적으로 밀착시키면서 금형 조립체(A)를 형성한다.

그리고, 상기 금형 조립체(A)를 복합재료의 성형온도(복합재료를 승온시켜 소정 형상으로 성형하기 위한 온도)인 125 ~ 180℃ 로 예열시킨 히팅챔버(C)에 넣어서 승온시킨다.

상기 복합재료는 열을 가할수록 가교 결합도가 높아지면서 단단하게 굳어져 큰 힘을 가하여도 변형되지 않는 특성을 가지는 열경화성 수지를 함유하고, 상기 중간금형(200)은 열팽창에 의해 반경방향으로 거동할 수 있도록 높은 열팽창계수를 가지는 고무소재로 이루어진다.

따라서, 상기 금형 조립체(A)를 125 ~ 180℃ 로 예열된 히팅챔버(C)에 투입함에 따라 복합재료는 열경화 과정을 거치게 되고, 중간금형(200)은 이러한 열에 의해 승온되면서 반경방향으로 열팽창하게 된다.

다시 말하면, 상기 복합재료는 금형 조립체(A)를 히팅챔버(C)에 넣고 승온시킴에 의해 성형되고, 중간금형(200)은 열팽창 거동을 통해 발생되는 압력에 의해 복합재료를 인너 림 형상으로 압축시키게 된다.

여기서, 고무소재 중간금형(200)의 열팽창 거동은 도 6과 같이 복합재료 및 외부금형(100)에 균일하면서도 높은 압력을 가하게 되고, 이러한 압력은 일반적인 복합재료의 성형압력보다 높기 때문에 복합재료의 압축성형 뿐만 아니라 금속-복합재료 하이브리드 휠의 접합부(아웃터 림의 접합부와 인너 림의 접합부가 접착된 부분)를 성형하게 된다.

이때, 아웃터 림의 접합부분에 미리 사포질과 같은 표면처리를 해두면 복합재료 인너림과의 접합부의 접착강도를 더욱 높일 수 있다.

더불어 본 발명의 제조방법에서는 상기 중간금형(200)의 두께 또는 열팽창계수를 변경 조절하여 중간금형(200)의 열팽창 거동에 의한 압밀 압력을 조정함으로써 공정 조건(예를 들면 복합재료의 종류 등)에 따라 적절한 압력을 제공할 수 있다.

즉, 중간금형(200)의 두께를 변경 조절하거나 또는 중간금형(200)의 소재를 변경하여 열팽창계수를 조정함으로써 승온에 의한 열팽창량을 조정하여 복합재료 및 외부금형(100)에 가해지는 압력을 조절할 수 있다.

따라서 본 발명은 복합재료의 인너 림(20)을 별도로 성형한 후 추가적으로 금속재료 아웃터 림(10)과 일체화하기 위한 체결 및 접착 공정이 불필요하며, 기존보다 단순화한 단일 성형 공정에 의해 금속-복합재료 하이브리드 휠을 제조할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 제조되는 금속-복합재료 하이브리드 휠은 금속재료와 복합재료 간의 열팽창계수의 차이에 의해 아웃터 림(10)의 접합부와 인너 림(20)의 접합부 사이에 후프(hoop)방향, 즉 원통형의 접합부 둘레 방향으로 압축성 잔류응력이 발생하여 아웃터 림(10)과 인너 림(20)을 접착시킨 접합부의 접착강도를 증대시킬 수 있다. 더불어 상기와 같은 하이브리드 휠 내부의 압축성 잔류응력은 구조 상의 피로수명을 증가시키게 되므로 내구성을 증대시킬 수 있다.

본 발명은 하이브리드 휠의 접합부에 상기와 같은 압축성 잔류응력을 유도하기 위하여, 히팅챔버(C)에서 승온시킨 금형 조립체(A)를 꺼내고 상온으로 냉각시키는 공정을 포함한다.

여기서 상온은 20 ~ 30 ℃ 의 온도를 가리킨다.

본 발명에 따른 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조공정에서 경화사이클을 살펴보면, 상온(예를 들면 25℃)에서 조립된 금형 조립체(A)를 복합재료의 성형온도 125 ~ 180 ℃ 로 승온시킨 다음 다시 상온으로 냉각시키게 되며, 이렇게 냉각시키는 과정에서 약 100℃ 이상의 온도차가 발생하게 된다.

즉, 본 발명은 승온시킨 금형 조립체(A)를 상온으로 냉각시킴으로써 복합재료의 성형온도와 상온 간의 온도차에 의해 금속-복합재료 하이브리드 휠의 접합부에 도 7과 같이 압축성 잔류응력을 유도하고 아웃터 림(10)과 인너 림(20) 간의 접착강도를 증가시킬 수 있다.

금속-복합재료 하이브리드 휠의 접합부에 유도되는 압축성 잔류응력(P)은 아래와 같은 수학식 1에 의해 산출할 수 있다.

여기서, ε_θ 는 후프방향 변형률, (ε_θ)_C 는 복합재료의 후프방향 변형률이다.

한편, 상기 복합재료는 탄소섬유의 부피분율이 30 ~ 75 % 인 것으로, 예를 들면 부피분율 30 ~ 75 % 의 탄소섬유와 부피분율 25 ~ 70 % 의 고분자 수지를 혼합 조성한 것을 사용하며, 상기 탄소섬유는 일방향 섬유 형태 또는 직조된 짜여진 형태인 것을 사용하고 고분자 수지는 에폭시와 폴리에스터 등의 열경화성 수지를 사용한다.

또한, 상기 복합재료는 탄소섬유의 종류에 따라 강성과 강도가 달라지므로, 사용하는 탄소섬유의 종류에 따라 휠의 후프 방향에 대해 적절한 각도를 가지고 적층함으로써 알루미늄과 복합재료 접착부에 발생하는 잔류열응력을 조절할 수 있다. 단, 탄소섬유를 후프방향으로 적층할 경우 알루미늄 아웃터 림(10)과의 접착부에 발생하는 잔류열응력을 극대화할 수 있는 점을 고려하여, 일반적으로 탄소섬유의 적층방향은 후프방향으로 배열되게 적층하는 것이 바람직하다. 또한 직조된 탄소섬유 복합재료를 이용할 경우에는 종방향 섬유를 휠의 후프방향으로 적층하는 것이 바람직하다.

상기 아웃터 림(10)은 알루미늄, 마그네슘, 티타늄과 같은 금속재료를 사용하여 제작하고, 인너 림(20)은 전술한 바와 같이 섬유강화 복합재료를 포함하는 복합재료를 사용하여 성형한다.

또한, 본 발명은 상기 아웃터 림(10)의 접합부에 도 4와 같이 오목하게 파인 홈부(11)를 형성한다. 그럼 복합재료의 압축성형과 동시에 인너 림(20)과 아웃터 림(10)의 접합부가 접합될 때 접합부의 접합을 강화하여 하이브리드 휠 접합부의 접착강도를 증대시키고 후프 방향으로의 토크를 원활히 전달시킬 수 있도록 한다.

즉, 아웃터 림(10)의 접합부에 홈부(11)를 형성함으로써 복합재료의 압축성형시 인너 림(20)의 접합부를 성형하는 복합재료의 일부가 상기 홈부(11)에 삽입된 상태로 경화되어 하이브리드 휠 접합부의 접착강도를 증대시킨다.

상기와 같은 본 발명의 하이브리드 휠 제조방법은 금속재료의 아웃터 림과 복합재료의 인너 림을 동시경화접착(co-cure bonding) 방식을 통해 단일공정으로 성형 및 접착하여 하이브리드 휠을 제조할 수 있으며, 이에 의해 원가 절감 및 생산공정의 단순화가 가능하고 대량생산의 용이성 및 가능성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 중간금형의 열팽창으로 인한 균일한 압력이 가해짐에 의해 우수한 품질의 금속-복합재료 하이브리드 제품을 성형할 수 있고, 특히 최종 성형제품의 접합부에 압축성 잔류응력을 부여하여 접합부의 접착강도를 증가시키고 내구성을 증대시키는 등 우수한 기계적 성능을 갖는 제품 제작이 가능하다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 일실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

A : 금형 조립체
C : 히팅챔버
10 : 아웃터 림
11 : 홈부
20 : 이너 림
100 : 외부금형
200 : 중간금형
300 : 내부금형

Claims

삭제
금속재료의 아웃터 림의 접합부를 외부금형에 삽입 체결하는 단계;
인너 림의 성형을 위한 복합재료를 상기 아웃터 림의 접합부 및 외부금형의 내주면에 적층되게 삽입하는 단계;
상기 외부금형의 내부에 중간금형을 삽입하고, 이 중간금형의 내측에 내부금형을 삽입하여 금형 조립체를 형성하는 단계;
상기 금형 조립체를 히팅챔버에 넣고 승온시키는 단계;
를 포함하며, 상기 중간금형의 열팽창 거동을 통해 발생되는 압력에 의해 인너 림을 압축성형함과 동시에 아웃터 림과 인너 림을 접합하고,
상기 금형 조립체를 상온으로 냉각시켜 아웃터 림과 인너 림의 접합부에 압축성 잔류응력을 유도하는 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 중간금형은 고무소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 히팅챔버는 125 ~ 180℃ 로 승온하는 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 복합재료는 탄소섬유의 부피분율이 30 ~ 75% 인 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 탄소섬유는 일방향 섬유 형태 또는 직조된 형태인 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 중간금형의 두께 또는 소재를 변경하여 중간금형의 열팽창 거동에 의한 압력을 조정하는 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 아웃터 림의 접합부에 홈부를 형성하여 인너 림과의 접착강도를 증대하도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠의 제조방법.
청구항 2 내지 8 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 금속-복합재료 하이브리드 휠.