KR101484203B1 - 섬유 강화 수지 차체 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

섬유 강화 수지 차체 구조체 및 그 제조방법이 개시된다. 섬유 강화 수지 혹은 탄소 섬유 강화 수지로 제작되면서 다중 단면을 가진 제1골격체, 상기 제1골격체의 다중 단면 중에 어느 하나의 단면이 나머지 단면들보다 연장되어 연속되게 형성된 제2골격체를 포함하여, 이음매 없이 연속된 단면을 가진 강성이 강화된 차체 구조체를 제작할 수 있다.

Description

섬유 강화 수지 차체 구조체 및 그 제조방법{Fiber reinforced plastic vehicle body structure and manufacturing method thereof}

본 발명은 섬유 강화 수지 차체 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이음매가 없는 연속된 단면을 구비한 탄소 섬유 강화 수지로 제작된 섬유 강화 수지 차체 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래 차량의 차체 구조체로서 스틸 소재가 일반적으로 이용되고 있지만, 최근에는 경량화에 따른 연비 향상을 위해 섬유 강화 플라스틱 수지(FRP)나 혹은 탄소 섬유 강화 플라스틱 수지(CFRP)가 차체 구조체로서 이용되고 있다.

상기 섬유 강화 플라스틱 수지 혹은 탄소 섬유 강화 플라스틱 수지를 이용하여 차체 구조체를 제작할 때에는 소정 형상의 폼 코어를 제작한 다음에 상기 폼 코어에 프리프레그(Prepreg)를 감싼 후에 금형에 삽입하여 열과 압력을 가해서 성형하고 있었다.

상기와 같이 경량의 수지 차체 구조체를 성형한 다음에 차체를 구성하는 각 부위에 다른 차체 구조체들과 연결하여 차체를 형성하게 된다.

즉 도 1에 도시된 바와 같이, 대체로 ㄷ자 형상의 채널을 가진 제1차체 구조체(10)에 다수의 격벽(22)을 가진 제2차체 구조체(20)를 연결하여 차체의 일부를 구성할 경우에, 상기 제2차체 구조체(20)의 선단부에 폭방향으로 확장된 형태의 연결 플랜지(24)를 형성한다.

그리고 상기 연결 플랜지(24)에 접착제(26)를 도포하여 상기 제1차체 구조체(10)와 접합함과 더불어 접합 강성을 강건하게 하기 위해 상기 연결 플랜지(24)에 스크류나 혹은 볼트를 체결하여 제1차체 구조체(10)와 제2차체 구조체(20)를 상호 연결하게 되어 있다.

상기와 같이 접착제를 사용한 접합 및 기구적인 체결로 2개의 차체 구조체(10, 20)를 연결하여 차체를 구성할 경우에, 2개의 차체 구조체(10, 20) 사이의 탄소섬유의 연결이 불연속되어 연결 부위의 물성 및 강성이 저하된다.

그리고 상기 연결 부위의 강성 저하로 응력이 집중되면서 외부 하중에 의해 우선적으로 손상되거나 파손될 우려가 있고, 제1차체 구조체(10)와 제2차체 구조체(20) 사이의 상호간의 하중 전달이 원활하게 이루어지지 않아서 충돌 혹은 충격 대응 성능이 저하되고, 2개의 제1,2차체 구조체(10, 20)를 상호 연결하기 위한 연결 공정이 추가되어 생산성이 저하되거나 제조 단가가 상승되는 등의 결점이 있었다.

본 발명의 실시 예는, 이음매가 없는 연속된 단면을 갖도록 섬유 강화 플라스틱 수지로 성형되어 물성 및 강성이 증대되고, 설계 자유도도 향상되는 섬유 강화 수지 차체 구조체 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 수지 차체 구조체는, 섬유 강화 수지 혹은 탄소 섬유 강화 수지로 제작되면서 다중 단면을 가진 제1골격체, 상기 제1골격체의 다중 단면 중에 어느 하나의 단면이 나머지 단면들보다 연장되어 연속되게 형성된 제2골격체를 포함할 수 있다.

상기 제1골격체의 다중 단면은 서로 연결된 3개 이상의 단면을 포함할 수 있다.

상기 제1골격체의 다중 단면은 각각 사다리꼴 형상 혹은 삼각 형상으로 형성될 수 있다.

상기 제2골격체가 상기 제1골격체에 대해 직각으로 형성되어 L자 형상을 형성할 수 있다.

상기 제1골격체의 다중 단면 중에 상기 어느 하나의 단면은 L자 형상의 우측에 위치한 단면일 수 있다.

상기 제2골격체가 상기 제1골격체와 함께 T자 형상으로 형성될 수 있다.

상기 제1골격체의 다중 단면 중에 상기 어느 하나의 단면은 중앙에 위치한 단면일 수 있다.

상기 제1골격체의 각 다중 단면은 폼 코어에 상기 섬유 강화 수지 혹은 탄소 섬유 강화 수지가 피복될 수 있다.

상기 제1골격체는 2개의 가로 골격체를 포함하고, 상기 제2골격체는 상기 2개의 가로 골격체의 선단부를 일체로 연결하는 2개의 세로 골격체와, 상기 제1골격체의 길이 방향을 따른 중앙 부위에서 상기 제1골격체를 연결하는 중앙 골격체를 포함하여, 상기 제1골격체와 상기 제2골격체에 의해 루프 레일이 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 섬유 강화 수지 차체 구조체의 제조방법은, 다수개의 폼 코어를 제작하는 단계, 상기 다수개의 폼 코어에 각각 프리프레그를 감싸서 피복하는 단계, 상기 프리프레그로 피복된 다수개의 폼 코어를 적층하여 예비 조립체를 제작하는 단계, 상기 예비 조립체를 금형에 세팅하는 단계, 상기 금형을 성형기에 삽입하여 열과 압력을 가하여 성형하는 단계 및 성형된 완성품을 취출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 다수개의 폼 코어는 각각 발포 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.

상기 프리프레그는 섬유 혹은 탄소섬유 강화 시트에 에폭시를 함침하여 제작될 수 있다.

상기 다수개의 폼 코어는 메인 폼 코어와 다중 단면용 폼 코어를 각각 포함할 수 있다.

상기 메인 폼 코어는 직사각 바아 형상을 한 메인 바디와, 삼각 바아 형상을 한 서브 바디를 포함하고, 상기 다중 단면용 폼 코어는 삼각 바아 형상으로 형성될 수 있다.

상기 금형은 상기 예비 조립체를 안착시킬 수 있는 다이와, 상기 예비 조립체를 감싸서 밀봉시키는 진공 백을 포함할 수 있다.

상기 성형기는 상기 금형이 수용되는 수용공간을 가진 압력 챔버, 상기 압력 챔버에 열을 가하는 가열기, 상기 압력 챔버에 공기나 가스를 공급하여 압력을 가하는 압축기 및 상기 진공 백 내부의 공기나 가스를 흡입하는 진공발생장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 수지 차체 구조체 및 그 제조방법에 의하면, 이음매가 없이 다중 단면이 L자 형상 혹은 T자 형상과 같은 특정 형상을 형성하도록 연속되게 형성되어, 다른 대상 구조체를 연결할 필요가 없으므로, 연결 부우에서의 물성 저하 및 응력 집중 현상을 방지할 수 있다.

또한 연속된 단면을 통해 외부로부터의 충격이나 하중을 차체의 다른 부위로 원활하게 전달 수 있으므로, 충돌이나 충격에 효과적으로 대응할 수 있다.

그리고 플라스틱 폼을 사용하여 탄소 섬유 강화 플라스틱 수지로 특정 형상을 한번에 성형할 수 있으므로, 다른 차체 구조체를 연결하기 위한 접착 공정 혹은 기계적인 추가 공정이 불필요해져 생산성을 향상시키고, 제조 단가를 저하시킬 수 있다.

이와 더불어 차체 구조체의 부분적인 특정 목적에 맞게 다중 단면의 형상을 변화시켜 모멘트 강성이나 응력 대항력을 조절할 수 있으므로, 설계자유도도 향상된다.

도 1은 종래 기술에 따른 섬유 강화 플라스틱 수지를 사용하여 제작된 차체 구조체들의 연결을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 에에 따라 섬유 강화 플라스틱 수지를 사용하여 제작된 차체 구조체로 차체의 일부를 구성한 사시도이다.
도 3은 도 2의 C부 확대 단면도이다.
도 4는 도 2의 A-A선 단면도이다.
도 5는 도 2의 D부 확대 단면도이다.
도 6은 도 2의 B-B선 단면도이다.
도 7 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 수지 차체 구조체의 제조방법을 설명하는 도면으로서, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 T형 다중 단면 폼 코어의 분리 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 T형 다중 단면 폼 코어에 프리프레그를 감싼 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 T형 다중 단면 폼 코어에 프리프레그를 감싸서 적층한 예비 조립체의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 T형 다중 단면 폼 코어에 프리프레그를 감싸서 적층한 예비 조립체를 금형에 세팅한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 T형 다중 단면 폼 코어에 프리프레그를 감싸서 적층한 예비 조립체를 금형에 세팅하여 성형기에 삽입한 상태도이다.
도 12는 본 발명의 실시 에에 따라 완성된 T형 차체 구조체의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 수지로 제작된 차체 구조체(100)가 차체의 다른 부위와 결합되어 차체의 일부를 구성한 상태가 도시되어 있는 바, 상기 차체 구조체(100)는 루프 레일을 형성하여 측부 차체(200)들과 결합되어 있다.

본 발명의 실시 예에서 차체 구조체(100)가 루프 레일을 형성한 예를 도시하였지만, 차체의 다른 부위들, 예를 들면 측부 차체나 프레임 혹은 패널 등을 구성할 수 있다.

상기 차체 구조체(100)는 대체로 직사각 구조체 형상을 하고서, 차량의 길이 방향을 따라 전후로 연장되게 형성됨과 더불어 차량의 폭방향을 따라 이격되게 배치된 2개의 가로 골격체(110) 혹은 제1골격체와, 차량의 폭방향을 따라 연장되게 형성됨과 더불어 차량의 길이 방향을 따라 전후로 이격되게 배치되어 상기 2개의 가로 골격체의 선단부들을 일체로 연결하는 2개의 세로 골격체(120) 혹은 제2골격체를 각각 포함한다.

상기 가로 골격체(110)와 세로 골격체(120)의 선단부들이 만나서 4개의 L형 연결부(130)가 형성된다.

또한 상기 가로 골격체(110)의 길이 방향을 따른 중앙 부위에서 차량의 폭방향을 따라 중앙 골격체(140) 혹은 제2골격체가 형성되어, 상기 중앙 골격체(140)와 가로 골격체(110)가 만나는 부위에 T형 연결부(150)가 형성된다.

도 3과 도 4를 각각 참조하면, 상기 L형 연결부(130)는 상기 가로 골격체(110)와 세로 골격체(120)의 선단부들이 접합되어 연결되는 것이 아니고, 이음매 없이 일체로 형성되는 것이다.

상기 L형 연결부(130)는 서로 연결된 3개의 단면(131, 132, 133)을 포함할 수 있다. 상기 3개의 단면(131, 132, 133)은 각각 후술하는 폼 코어에 프리프레그가 둘러싸인 형태를 가질 수 있다.

상기 3개의 단면(131, 132, 133)은 대체로 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.

상기 3개의 단면(131, 132, 133) 중에 어느 하나의 단면(133)은 연결 단면을 형성할 수 있다.

즉 상기 연결 단면(133)은 가로 골격체(110)와 세로 골격체(120)가 일체로 연속되게 이어진 L자 형상으로 형성될 수 있다.

상기 연결 단면(133)이 L자 형상을 형성을 할 경우에 모멘트를 가장 작게 받도록 상기 연결 단면(133)은 3개의 단면들 중에 L자 형상의 우측에 배치될 수 있다.

도 5와 도 6을 각각 참조하면, 상기 T형 연결부(150)는 상기 가로 골격체(110)와 중앙 골격체(140)가 접합되어 연결되는 것이 아니고, 이음매 없이 일체로 형성되는 것이다.

상기 T형 연결부(150)는 서로 연속된 3개의 단면(151, 152, 153)을 포함할 수 있다. 상기 3개의 단면(151, 152, 153)은 각각 후술하는 폼 코어에 프리프레그가 둘러싸인 형태를 가질 수 있다.

상기 3개의 단면(151, 152, 153)은 대체로 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.

상기 3개의 단면(151, 152, 153) 중에 어느 하나의 단면(152)은 연결 단면을 형성할 수 있다.

즉 상기 연결 단면(152)은 가로 골격체(110)와 중앙 골격체(140)가 일체로 연속되게 이어진 T자 형상으로 형성될 수 있다.

상기 연결 단면(152)이 T자 형상을 형성을 할 경우에 모멘트를 고려하여 3개의 단면들 중에 중앙에 배치될 수 있다.

상기 연결 단면(152)은 그 폭방향을 따라 중앙 골격체(140)의 전체 폭으로 확장된 연결부(152a)를 포함할 수 있고, 상기 연결부(152a)가 상기 가로 골격체(110)와 일체로 연결될 수 있다.

도 7내지 도 12를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 강화 수지 차체 구조체의 제조방법을 설명한다.

도 7을 참조하면, 먼저 차체 구조체의 형상을 선정한 다음에 폼 코어를 제작한다.

도 7에서는 T형 차체 구조체가 도시되어 있지만, L형 혹은 기타 형상의 차체 구조체를 제작할 수 있다.

T형 차체 구조체를 형성할 경우에는, T형 폼 코어(300) 혹은 메인 폼 코어와 다중 단면용 폼 코어(310)를 각각 별개로 제작한다.

상기 다중 단면용 폼 코어(310)는 2개 이상으로 제작할 수 있다.

상기 T형 폼 코어(300)는 직사각 바아 형상을 메인 바디(302)와, 이 메인 바디(302)로부터 수직하게 일체로 연장되어 형성된 삼각 바아 형상의 서브 바디(304)를 각각 포함한다.

상기 2개의 다중 단면용 폼 코어(310)는 상기 서브 바디(304)의 형상과 동일하게 각각 삼각 바아 형상으로 형성된다.

상기 각 폼 코어(300, 310)는 발포 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 T형 폼 코어(300)와 상기 다중 단면용 폼 코어(310)의 외측면에는 프리프레그(320)가 각각 감싸여진다.

상기 프리프레그(320)는 섬유 강화 시트(FRP) 혹은 탄소섬유 강화 시트(CFRP) 에폭시를 예비 함침한 반경화 상태의 성형 재료이다.

도 9를 참조하면, 프리프레그(320)를 감싼 상기 T형 폼 코어(300)의 서브 바디(304a)의 양측면에 프리프레그(320)로 감싼 다중 단면용 서브 바디(310a)를 각각 적층하여 예비 조립체(330)를 제작한다.

상기 T형 폼 코어(300)에 다중 단면용 폼 코어(310)를 적층하면 3개의 3각 단면이 결합된 사다리꼴 형상의 다중 단면이 형성된다.

즉 상기 예비 조립체(330)는 프리프레그로 감싸여진 직사각 바아 형상의 메인 바디(332)에 프리프레그로 감싸여진 사다리꼴 형상의 다중 단면을 가진 연결 바디(334)가 일체로 연결된 형상을 갖는다.

도 10을 참조하면, 상기 예비 조립체(330)를 금형(400)에 안착시킨다.

상기 금형(400)은 상기 예비 조립체(330)를 안착시킬 수 있는 다이(410)와, 상기 다이(410)에 안착된 예비 조립체(330)를 덮어서 감싸고, 밀봉시키는 진공 백(420)을 포함할 수 있다.

도 11을 참조하면, 상기와 같이 예비 조립체(330)가 세팅된 금형(400)을 성형기(500)에 삽입한다.

상기 성형기(500)는 대체로 원형을 이루고서 상기 금형(400)을 수용한 수 있는 수용 공간을 가진 압력 챔버(510)를 포함한다.

상기 압력 챔버(510)의 내부에는 압력 챔버(510)를 가열할 수 있는 가열기(520)가 설치된다.

또한 상기 압력 챔버(510)에 가스나 공기를 압축하여 공급할 수 있는 압축기(530)가 설치되고, 상기 진공 백(420) 내부의 공기나 가스를 흡입하여 진공 백(420)의 내부를 진공으로 만드는 도시되지 않은 진공발생장치가 진공 호스 혹은 진공 파이프(540)를 통해 상기 진공 백(420)과 연결된다.

상기 성형기(500)는 내부에 안착된 예비 조립체(330)에 가열기(520)를 통한 열과, 상기 압축기(530)를 통한 압력을 가해서 예비 조립체(330)를 완제품으로 성형한다.

상기 진공발생장치는 예비 조립체(330)에 열과 압력을 가할 때에 발생할 수 있는 기포나 가스 등을 흡입하여 제거하는 역할을 한다.

상기와 같이 성형기(500)를 통해 예비 조립체(330)를 성형하여 완제품을 완성한 다음에 성형기로부터 완제품을 취출하면 도 12에 도시된 바와 같은 섬유 강화 수지 혹은 탄소 섬유 강화 수지로 제작된 차체 구조체(100)가 완성된다.

본 발명의 실시 예에 따른 차체 구조체의 제조방법에서 T형 차체 구조체를 예를 들어 설명하였지만, L형 차체 구조체를 제작할 수 있고, 또한 L형과 T형이 조합되어 형성된 루프 레일과 같은 차체 구조체 혹은 측부 차체나, 패널 또는 프레임 등을 제작할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

100: 차체 구조체 110: 가로 골격체
120: 세로 골격체 130: L형 연결부
140: 중앙 골격체 150: T형 연결부
200: 측부차체 300: T형 폼 코어
310: 다중 단면용 폼 코어 320: 프리프레그
330: 예비조립체 400: 금형
410: 다이 420: 진공 백
500: 성형기 510: 압력 챔버
520: 가열기 530: 압축기
540: 진공 파이프

Claims (16)

1. 섬유 강화 수지 혹은 탄소 섬유 강화 수지로 제작되면서 다중 단면을 가진 제1골격체; 및
   상기 제1골격체의 다중 단면 중에 어느 하나의 단면이 나머지 단면들보다 연장되어 연속되게 형성된 제2골격체를 포함하고;
   상기 제1골격체는 2개의 가로 골격체를 포함하고;
   상기 제2골격체는 상기 2개의 가로 골격체의 선단부를 일체로 연결하는 2개의 세로 골격체와, 상기 제1골격체의 길이 방향을 따른 중앙 부위에서 상기 제1골격체를 연결하는 중앙 골격체를 포함하여;
   상기 제1골격체와 상기 제2골격체에 의해 루프 레일이 형성된 섬유 강화 수지 차체 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1골격체의 다중 단면은 서로 연결된 3개 이상의 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 차체 구조체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1골격체의 다중 단면은 각각 사다리꼴 형상 혹은 삼각 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 차체 구조체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2골격체가 상기 제1골격체에 대해 직각으로 형성되어 L자 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 차체 구조체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1골격체의 다중 단면 중에 상기 어느 하나의 단면은 L자 형상의 우측에 위치한 단면인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 차체 구조체.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2골격체가 상기 제1골격체와 함께 T자 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 차체 구조체.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1골격체의 다중 단면 중에 상기 어느 하나의 단면은 중앙에 위치한 단면인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 차체 구조체.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1골격체의 각 다중 단면은 폼 코어에 상기 섬유 강화 수지 혹은 탄소 섬유 강화 수지가 피복되어 형성된 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 차체 구조체.
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