KR101365961B1 - 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속섬유를 포함한 언더바디용 박판형 열가소성 복합소재에 관한 것으로, 표면층과 이면층 사이에 형성된 중간층을 갖되, 상기 중간층은 단방향 보강섬유가 단일방향으로 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 시트가 교차 적층되어 이루어지며, 상기 표면층에는 단열성능을 갖는 표면기재층이 라미네이트되어 이루어진 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 있어서; 상기 언더바디는 상기 복합소재로 성형된 후 언더바디에 생긴 굴곡부의 높이차가 50mm 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디를 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존의 사출이나 프레스 공정을 통해 제작되던 자동차용 언더바디 또는 언더커버 제품의 두께를 1.5mm 이하까지 제작하여, 설계자유도를 높이고 중량을 획기적으로 절감할 뿐만 아니라 별도의 보강재 없이도 충격물성이 우수한 언더바디 제품을 제조할 수 있고, 표피층을 통해 NVH 성능을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

Description

연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디{AUTOMOBIL UNDER BODY MANUFACTURED THIN TYPE THERMOPLASTICS COMPLEX MATERIALS WITH CONTINUOUS FIBER}

본 발명은 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 언더바디용 소재보다 가볍고 충격물성이 우수한 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 관한 것이다.

중량은 줄이면서 강도는 향상시킨 유리섬유 강화 열가소성수지, 통상 열가소성 복합소재라고 불리우는 소재들이 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 특히 자동차 내,외장용 부품과 관련하여 활발하게 응용되고 있다.

이러한 열가소성 복합소재는 여러 개의 층들이 교차 적층된 구조를 갖추도록 함으로써 강도와 충격 물성을 향상시키고 있고, 표면층과 중간층 및 이면층으로 이루어진 박판형 소재가 개시되어 중량 절감에 기여하고 있다.

이와 같은 박판형 소재는 단방향의 연속적인 유리섬유 등의 보강재에 열가소성 수지가 함침되어 테이프 형태로 제조된 열가소성 복합소재를 광폭으로 제조하고, 이를 교차 적층하거나 테이프 형태에서 직조 후 라미네이션을 통해 광폭의 다층구조를 가짐으로써 뛰어난 강도와 충격 물성을 가지고 있다.

이 박판형 소재는 주로 판상의 시트로 벽(wall) 등의 특수용도로 일부 사용되고 있다.

또한, 박판형 소재는 얇은 두께 및 높은 보강재 함량으로 오븐 가열 후에 빠른 열손실이 발생하여 제품 성형가공이 어려울 뿐만 아니라 제품 굴곡 부위에서 찢어짐 발생과 유리섬유 등의 보강재 배열이 흐트러져 물성이 불균일하게 되어 단일소재로 자동차용 내외장용 부품에 적용된 사례가 거의 없다.

다만, 기존 성형소재에 강도 향상을 목적으로 부분적으로 보강 적층하는 방법으로 사용되고 있는 실정이다. 예를 들면, 상기 박판형 소재를 프리 포밍한 후 금형 내부에 인서트한 다음, 사출 성형하는 방법으로 시트백, 언더커버 등에 일부 적용되고 있다.

그러나, 단일소재로 자동차용 언더바디 등에 적용된 사례는 찾아보기 힘들다.

자동차 외장용 부품 중 언더바디에 주로 사용되는 소재로는 내충격 PP시트, GMT, 습식법 또는 건식법에 의해 제조된 저비중 유리섬유 복합재가 있다.

이 중에서, PP시트는 타소재 대비 충격강도가 취약하여 널리 적용되지 못하고 있고, 현재 국내에서는 수지의 흐름성을 향상시킨 GMT(Glass fiber Mat Thermoplastics)를 주로 사용하고 있으나, 성형시 흐름성의 제약으로 제품두께 1.8mm 이하로 성형하기에는 어려움이 있어 중량 절감의 한계가 있다.

또한, 플로우 몰딩(Flow Molding)의 특성상, 제품의 사이드 부위에는 유리섬유 함량이 적고, 단섬유의 분포도가 높아 충격강도가 약한 단점을 가지고있다.

마지막으로, 해외에서는 GMT 소재 보다 가볍고, 흡음 성능이 우수한 저비중 복합소재가 사용되고 있는 추세이나, 이 소재 또한 충격강도가 취약한 문제가 있어물성 개선이 필요한 실정인데, 특히 제품의 조립 홀을 펀칭공정으로 뚫는 과정이나 제품을 상대물에 조립할 때 조립공구의 토크(Torque)로 인한 제품 파손 등의 문제가 있다.

따라서, 기존 제품에서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 도 1의 예시와 같이, 해당 부위를 두껍게 만들거나, 별도의 보강물을 덧붙여야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 표면층은 성형시 열손실을 방지하는 단열특성과, 이형성 및 중간층과의 접착성, 표면 외관성, 제품 굴곡부위의 찢어짐 방지, 보강재의 균일성 향상 등의 조건을 만족시키도록 구성되고; 중간층은 언더바디의 중요한 물성 중 하나인 충격강도를 만족시킬 수 있도록 개선된 구조와 배열을 갖는 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 표면층과 이면층 사이에 형성된 중간층을 갖되, 상기 중간층은 단방향 보강섬유가 단일방향으로 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 시트가 교차 적층되어 이루어지며, 상기 표면층에는 단열성능을 갖는 표면기재층이 라미네이트되어 이루어진 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 있어서; 상기 언더바디는 상기 복합소재로 성형된 후 언더바디에 생긴 굴곡부의 높이차가 50mm 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디를 제공한다.

또한, 본 발명은 표면층과 이면층 사이에 형성된 중간층을 갖되, 상기 중간층은 단방향 보강섬유가 단일방향으로 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 테이프가 직조되어 이루어진 직조 시트가 교차 적층되어 이루어지며, 상기 표면층에는 단열성능을 갖는 표면기재층이 라미네이트되어 이루어진 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 있어서; 상기 언더바디는 상기 복합소재로 성형된 후 언더바디에 생긴 굴곡부의 높이차가 50mm 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디를 제공한다.

이때, 상기 중간층은 1.5mm 이하의 두께를 갖는 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 중간층을 구성하는 단방향 보강섬유는 유리섬유, 카본섬유, 아라미드섬유 중에서 선택된 어느 하나인 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 단방향 보강섬유는 상기 열가소성 수지와 배합시 30-70중량% 포함되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 중간층을 구성하는 열가소성 수지는 PP, PA, PET, PEEK, PC/PBT 중에서 선택된 어느 하나인 것에도 그 특징이 있다.

나아가, 상기 단방향 보강섬유는 상기 열가소성 수지와 배합시 30-70중량% 포함되는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 사출이나 프레스 공정을 통해 제작되던 자동차용 언더바디 또는 언더커버 제품의 두께를 1.5mm 이하까지 제작하여, 설계자유도를 높이고 중량을 획기적으로 절감할 뿐만 아니라 별도의 보강재 없이도 충격물성이 우수한 언더바디 제품을 제조할 수 있고, 표피층을 통해 NVH 성능을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 박판형 언더바디 제품에서의 문제점을 제시한 부분적인 예시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 복합소재의 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따라 적용된 자동차 언더바디 제품의 형상을 설계한 도면이다.
도 6은 본 발명의 박판형 복합소재로 자동차 제품 제작을 위한 프레스 공정시에 발생하는 굴곡 부위의 성형성을 적용 전,후로 나누어 비교한 예시적인 사진이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 연속섬유를 포함한 언더바디용 박판형 열가소성 복합소재는 표면층(100)과 이면층(110) 사이에 적층된 1.5mm 이하(0mm 제외)의 박막형 중간층(200)을 갖는 구조로서, 상기 중간층(200)은 단방향 보강섬유가 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 시트가 적어도 2층 이상 교차 적층되어 이루어지며, 상기 표면층(100)은 단열성능을 갖는 표면기재층이 라미네이트된 구조로 이루어진다.

이때, 상기 중간층(200)의 두께는 1.5mm 이하(0mm 제외)를 가짐이 바람직하고, 중간층(200)을 구성하는 단방향 보강섬유는 유리섬유, 카본섬유, 아라미드섬유 중에서 선택된 어느 하나로서, 단일방향(Uni Directional)으로 균일하게 배열된다.

아울러, 상기 시트는 보강섬유가 연속적으로 균일하게 단일방향으로 스프레딩되어 열가소성 수지와 함침된 형태의 프리프레그를 통칭한다.

특히, 상기 단방향 보강섬유는 과량 첨가되면 압출성, 가공성을 떨어뜨리므로 상기 열가소성 수지와의 배합배율이 중량%로 최대 70%를 넘지 말아야 하며, 최소 30%는 첨가되어야 한다.

만약, 30중량% 미만으로 첨가되면 보강 기능이 떨어지므로 최소한 30중량% 이상은 첨가되어야 한다.

하지만, 압출성 및 성형성, 가공 후 물성 등을 고려할 때 가장 바람직한 첨가범위는 50-60중량%이다.

뿐만 아니라, 상기 열가소성 수지는 여러가지가 있을 수 있으나, PP, PA, PET, PEEK, PC/PBT 중에서 선택된 어느 하나가 바람직하다.

이때, 이들을 사용하는 이유는 일반적으로 PP수지를 주로 사용하나, 높은 내열성과 물성을 구현하고자 할 경우에는 PET, PEEK 등의 엔지니어링 플라스틱수지를사용하는 것이 유리하기 때문이다.

그리고, 상기 표면기재층은 니들 펀칭된 부직포와, 스펀본드(spunbond) 형태의 부직포가 적당한데, 일 예로 PET 부직포와 PET 스펀본드가 가장 바람직하고, 이들이 선택된 이유에 대하여는 하기에서 설명한다.

박판형 열가소성 복합소재에서 중간층(200)의 두께는 1.5mm 이하(0mm 제외)를 가지는데, 제품으로 성형하기 위해서는 성형 상의 여러가지 어려움이 있다.

가령 오븐에서 가열 후에 성형프레스로 이동하는 동안 빠른 열손실이 발생하여, 성형 이전에 소재가 굳어버려 원하는 형상의 제품을 성형하기 어려운 문제를 야기하는데 이는 소재의 두께가 얇은데다 단방향 보강섬유의 함량이 높아 외부온도에 의해 금방 식어버리기 때문이다.

또한, 성형시 연속섬유 보강 복합소재의 특성상 제품 굴곡 부위에서 유리섬유 등의 단방향 보강섬유가 찢어지거나, 보강재 배열이 흩트러져 물성이 균일하지 못한 문제도 야기시킨다.

이는 성형을 위하여 박판형 복합소재를 오븐에서 가열하면 표면온도가 약 200℃ 내외의 범위를 갖고, 이 소재가 성형프레스로 이동하여 성형되기까지 최소 15초 동안이 걸리기 때문에 성형을 위해서는 소재 표면온도가 150℃ 이상이 되어야 한다.

즉, 15초 동안 50℃ 이내의 범위에서 온도감소가 이루어지는 단열성능을 갖는 소재를 표면기재층으로 선정해야 한다는 것이다.

이를 만족시키는 소재로는 부직포 또는 스펀본드(Spunbond)가 적합하다. 이들은 단열성을 갖기 때문에 오븐과 프레스 사이에서 인슐레이션 기능을 수행하여 열손실을 방지하게 되므로 성형성을 좋게 하여 찢어짐, 물성 저하를 차단하게 된다.

다른 예로, 도 3과 같이, 중간층(200)을 테이프 형상의 연속섬유를 서로 직조하고, 라미네이팅 시킨 구조로도 구성할 수 있다.

이 경우, 테이프 형상의 연속섬유는 함침, 냉각, 인발, 커팅 및 리와인딩 과정을 거쳐 테이프 상으로 제조된 것을 말하며, 이렇게 테이프 상으로 제조된 연속섬유 테이프를 직조기에 넣고 직조하여 하나의 시트를 구성할 수 있다.

즉, 직조된 시트(woven)를 중간층(200)으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 또다른 실시예는 도 4와 같이, 이렇게 제조된 직조 시트(DF)를 대칭점으로 하여 상,하에 단방향 연속섬유(210,220)가 배열되고, 이들이 합체되게 함으로써 중간층(200)의 두께를 더 얇게 할 수도 있다.

아울러, 이 경우 표면층(100)과 이면층(110)은 도 1의 예와 같다.

이와 같은 구조를 갖는 복합소재는 도 5 및 도 6과 같이 본 발명 차량용 언더바디로 제조된다.

이때, 언더바디 성형시 성형된 제품에 생기는 굴곡부위의 높이차를 50mm 이하로 유지되게 하여야 한다.

여기에서, 상기 굴곡부위의 높이차를 반드시 50mm 이하(0mm 제외)로 유지해야 하는 이유는 굴곡부위의 높이차가 50mm를 초과할 경우 제품 성형시 소재의 균열이 발생하기 때문이다.

물론, 표면기재층을 라미네이션하거나 중간층(200)에 직조형태를 구현함으로써 어느 정도 억제력을 갖출 수도 있지만, 굴곡부위가 과다하게 높을 경우 급격한 경사도로 인해 소재의 특성상 균열을 피하기는 어려운 측면이 있다.

그러므로, 언더바디 제품에서 굴곡부위는 차체 부위와 조립되는 부분으로써 균열이 발생할 경우 제품 파단의 원인이 되므로 이를 방지하는 것은 필요불가결한 사항이며 매우 중요하다.

덧붙여, 굴곡부위가 과다하게 높을 경우 성형시 굴곡부위에 성형소재를 추가 적층하여 성형함으로써 이를 보완할 수 있으나, 성형시간이 지연되어 추가적인 비용이 발생하게 되는 문제가 있다.

이에 따라, 차량용 언더바디 설계시에도 별도의 보강재 없이 충격물성을 높일 수 있고, 중량 절감에 따른 경량화도 달성할 수 있게 된다.

100 : 표면층 110 : 이면층
200 : 중간층

Claims (7)

1. 표면층과 이면층 사이에 형성된 중간층을 갖되, 상기 중간층은 단방향 보강섬유가 단일방향으로 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 시트가 2층 이상 교차 적층되어 1.5mm 이하(0mm 제외)의 두께를 갖도록 이루어지며, 상기 표면층에는 15초 동안 50℃ 이내의 범위에서 온도감소가 이루어지는 단열성능을 갖는 부직포 또는 스펀본드로 된 표면기재층이 라미네이트되어 이루어진 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 있어서;
   상기 언더바디는 상기 복합소재로 성형된 후 언더바디에 생긴 굴곡부의 높이차가 50mm 이하(0mm 제외)로 유지되는 것을 특징으로 하는 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디.
   
2. 표면층과 이면층 사이에 형성된 중간층을 갖되, 상기 중간층은 단방향 보강섬유가 단일방향으로 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 테이프가 직조되어 이루어진 직조 시트가 2층 이상 교차 적층되어 1.5mm 이하(0mm 제외)의 두께를 갖도록 이루어지며, 상기 표면층에는 15초 동안 50℃ 이내의 범위에서 온도감소가 이루어지는 단열성능을 갖는 부직포 또는 스펀본드로 된 표면기재층이 라미네이트되어 이루어진 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 있어서;
   상기 언더바디는 상기 복합소재로 성형된 후 언더바디에 생긴 굴곡부의 높이차가 50mm 이하(0mm 제외)로 유지되는 것을 특징으로 하는 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디.
   
3. 표면층과 이면층 사이에 형성된 중간층을 갖되, 상기 중간층은 샌드위치 구조로서 단방향 보강섬유가 단일방향으로 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 테이프가 직조되어 이루어진 직조시트가 코어층을 이루고, 단방향 보강섬유가 단일방향으로 연속적으로 배열된 상태에서 열가소성 수지로 함침된 시트가 상하층으로 이루어지되 1.5mm 이하(0mm 제외)의 두께를 가지며, 상기 표면층에는 15초 동안 50℃ 이내의 범위에서 온도감소가 이루어지는 단열성능을 갖는 부직포 또는 스펀본드로 된 표면기재층이 라미네이트되어 이루어진 복합소재로 제조된 차량용 언더바디에 있어서;
   상기 언더바디는 상기 복합소재로 성형된 후 언더바디에 생긴 굴곡부의 높이차가 50mm 이하(0mm 제외)로 유지되는 것을 특징으로 하는 연속섬유를 포함한 박판형 열가소성 복합소재로 제조된 차량용 언더바디.
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