KR101743458B1 - 복합재 프리폼 제작용 부싱 - Google Patents

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Abstract

탄소섬유 토우를 이용한 3차원 프리폼 제작에 사용되는 부싱이 소개된다. 부싱은 관통홀이 형성된 베이스 플레이트(10) 및 베이스 플레이트(10)의 상에 서로 이격되어 복수 개 마련된 스풀(20)을 포함한다. 각 스풀(20) 선단에는 플랫 탑(22)이 마련되며 둘레 방향으로 외측면에 그루브(21)가 형성된다.

Description

복합재 프리폼 제작용 부싱{BUSHING FOR MAKING STRUCTURAL COMPOSITE PREFORMS}
본 발명은 부싱, 특히 차량용 복합재 구조 부품에 인서트 성형되는 프리폼 제작에 사용되는 부싱에 관한 것이다.
본 발명은 산업통상자원부(MOTIE)의 재원으로 한국산업기술평가관리원(KEIT)의 지원을 받아 수행한 "경제협력권산업육성사업"의 "탄소복합소재 고속성형기반 경량화율 20% 하이브리드 일체형 도어 모듈 개발" 과제에 기초한 것이다.
차량 제조업계에서 뜨거운 이슈들 중 하나는 경량화이다. 미국, 유럽 등에서 파격적으로 강화되고 있는 연비규제로 인해 경량화는 선택이 아닌 필수로 해결해야 하는 과제이다.
현재 초고장력강(UHSS)이나 열간 프레스포밍(Hot Press Forming) 공정의 적용 등 스틸의 고강도화를 통한 경량화가 주를 이루고 있으나, 향후 획기적인 경량화를 추진하기 위해서는 소재 변경이 불가피하다.
스틸을 대체 가능한 경량 소재로는 알루미늄합금, 마그네슘합금과 같은 비철금속, 그리고 엔지니어링 플라스틱, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등과 같은 폴리머 복합소재가 대표적이다.
위와 같은 경량 소재들 중 본 발명의 관심 대상이 되는 수지 소재는 미국특허 제6,286,879호, 미국특허 제6,817,638호, 미국특허 제8,376,426호 등 다수의 예에서 확인할 수 있듯이, 특히 범퍼빔에 활발하게 적용되고 있다.
미국특허 제8,376,426호에서는 GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastic)의 바디에 길이방향을 따라 보강재가 인서트된 범퍼빔이 소개되어 있다. 보강재의 소재로는 예로서 기계적 강도가 우수한 장섬유 강화 플라스틱이 사용될 수 있다.
위 범퍼빔은 보강재, 즉 3차원 골격의 프리폼을 제작하고 이를 바디 성형 시 인서트하여 함께 몰딩하는 방식으로 제작된다. 프리폼은 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 토우(tow)를 뽑아 내면서 이를 지그를 이용하여 해당 3차원 형상으로 감아 제작된다.
미국특허 제8,376,426호의 도 2에서 도면부호 35로 표시된 '⊃' 형상의 프리폼을 제작하기 위해서는, 예로서 중간에 적어도 2번 정도의 턴이 필요한데, 이를 위해 필요한 요소가 지그에 마련된다. 탄소섬유 토우는 로봇에 장착된 건을 통해 방사(discharged)되며, 신속히 경화된다.
이상 살펴보았듯이, 위의 보강재 또는 복합재 프리폼은 범퍼빔에 적용하기 위한 시도가 있었으나, 도어와 같은 패널 타입의 복합재 구조 부품에 적용된 예는 없다.
본 발명은 복합재 프리폼 제작 시 예로서 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 토우의 고정 포인트로 사용되거나 프리폼의 형상 부여를 위해 사용되는 부싱을 제공하고자 한다.
위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합재 프리폼 제작용 부싱은, 베이스 플레이트 상에 토우를 감기 위한 복수의 스풀이 레그 형태로 배치된 구조를 갖는다.
실시예에 의하면 부싱은 하나 이상의 관통홀이 형성된 베이스 플레이트; 및 베이스 플레이트의 상에 그 둘레를 따라 서로 이격되어 복수 개 마련된 스풀;을 포함한다.
실시예에 의하면 각 스풀은 베이스 플레이트로부터 연장되며, 그 선단에 플랫 탑이 마련되고 둘레 방향으로 외측면에 그루브가 형성된 구조를 갖는다. 플랫 탑에 의해 규정되는 베이스 플레이트의 대향 측이 개방된다.
또한 실시예에 의하면 부싱은 스풀들을 지지하도록 베이스 플레이트 상에 형성된 리브를 더 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 복합재 프리폼 제작용 부싱은 토우의 진입 및 진출 각도의 선택 자유도가 높다. 따라서, 프리폼의 형상 부여나 부싱의 설치 위치를 선택하는데 있어 자유도가 높다.
또한 본 발명에 의하면 프리폼 형상 부여의 자유도가 높아 부싱의 적용 개수를 최소한으로 줄일 수 있으며, 또한 CFRP와 같이 원가가 높은 토우의 사용량을 절감 가능하다.
또한 본 발명에 의하면 부싱은 프리폼과 일체로 제작되어, 복합재 구조 부품 사출 시 금형에 함께 인서트 몰딩된다. 부싱은 부품에 작용하는 외부 하중에 대한 지지 강성을 증대시킨다.
또한 본 발명에 의하면, 인서트 몰딩 시, 관통홀 등 부싱의 개방부를 통해 베이스 플레이트의 상부에도 사출물이 유입되어, 사출 성형물, 즉 복합재 구조 부품에 대한 부싱의 고정력이 우수하다.
또한 본 발명에 의하면 형상 부여의 자유도가 높아 토우의 텐션 향상이 가능하고, 이에 따라 복합재 구조 부품에 작용하는 하중에 대한 지지강성 및 흡수력의 증대가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부싱의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 부싱을 다른 각도에서 바라본 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 부싱의 평면도,
도 4는 도 1에 도시된 부싱의 측면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부싱을 차량 도어의 제조에 적용한 예를 보인 개략도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 부싱을 이용한 토우 감기의 예,
도 6c는 비교예에 따른 부싱을 이용한 토우 감기의 예,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 부싱이 적용된 복합재 구조 부품의 단면도,
도 8은 비교예에 따른 부싱이 적용된 복합재 구조 부품의 단면도이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 부싱(100)은 베이스 플레이트(10) 상에 복수의 스풀(20)이 레그 형태로 배열된 구조를 갖는다.
베이스 플레이트(10)에는 하나 이상의 관통홀(11,12)이 형성된다. 실시예에 의하면 베이스 플레이트(10)의 중앙에 메인홀(11)이 형성되며 그 주변에 둘레방향을 따라 복수의 서브홀(12)이 형성된다.
베이스 플레이트(10) 상에는 그 둘레를 따라 4개의 스풀(20)이 서로 이격 배치된다. 각 스풀(20) 베이스 플레이트(10)로부터 상방향 연장되며, 그 선단에 마련된 플랫 탑(22)과, 둘레 방향으로 외측면에 형성된 그루브(21)를 구비한다.
스풀(20)의 그루브(21)에 토우가 감겨진다. 그루브(21)의 폭방향 양단이 높고 중앙이 낮다. 그루브(21)의 원주방향 양단(23)은 오목하게 형성된다. 둘레 방향으로 인접한 스풀들(30) 간의 개방부(30)는 아치형이다. 이 개방부(30)를 이용하여 토우의 부싱(100) 진입 방향이나 진출 방향을 변경할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 베이스 플레이트(10)의 대향 측, 스풀(20)의 플랫 탑(22)에 의해 규정되는 공간(50)은 개방된다. 플랫 탑(22)은 이 공간(50)을 전부 덮지 않으며 탑(22)에 수직하게 가해지는 하중을 견딜 수 있도록 적정한 길이와 폭으로 설계된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 베이스 플레이트(10) 상에는 스풀들(20)을 지지하기 위한 리브(40)가 형성된다. 리브(40)는 스풀들(20)의 지지 강성 확보를 위해 베이스 플레이트(10)를 가로질러 건너편 스풀(20)에도 서로 연결된다.
실시예에 의하면 베이스 플레이트(10) 상에 메인홀(11)을 갖는 칼럼(42)이 세워지고, 이 칼럼(42)을 중심으로 방사방향으로 스풀들(20)을 연결하는 리브(40)가 형성된다. 스풀(20)의 내측면을 지지하는 리브(40) 부위에는 둘레방향으로 토우를 안내하기 위한 홈(41)이 형성된다.
도 5를 참조하여 실시예에 따른 부싱(100)을 복합재 도어 인너(1)의 제조에 적용한 예를 살펴본다.
도어 인너(1)는 부싱(100)이 일체화된 프리폼(300)을 금형에 인서트하여 사출 또는 압축 성형하는 방식으로 제조된다. 프리폼(300)은 프리폼(30)의 형상화가 가능하도록 구성된 지그와 토우(200)의 방사가 가능한 로봇을 이용하여 제작된다.
프리폼(300)의 제작 시 프리폼(300)의 형상 및 부싱(100) 설치 위치의 설계가 중요하다. 부싱(100)은 여기에 토우(200)를 감아 프리폼(300) 형상을 부여하기 위해 필요하기도 하지만, 도어 인너(1)에 가해지는 하중을 견디는 강성 보강 부재로서도 기능한다.
부싱(100)은 강성이 필요한 부위에 설치된다. 도어 인너(1)의 경우, 예로서 임팩트빔(2)의 양단의 브래킷(3) 부근에 설치될 수 있다. 측면 충돌 시, 임팩트빔(2)이 충격을 충분히 흡수하기 전에 브래킷(3)이 이탈되면, 실내로의 침습이 커질 수 있다.
브래킷(3) 위치에 설치된 부싱(100)은 브래킷(3)보다 먼저 충돌 하중을 지지하며, 도어 인너(1)가 실내 측을 무너질 때에는 토우(200)의 텐션에 의해 충돌 하중을 지지 흡수할 수 있도록 한다. 부싱(100) 및 프리폼(300)은 도어 인너(1)의 아우터 측에 배치된다.
도 6a 및 도 8을 참조하여, 실시예에 따른 부싱(100)의 적용 예를 살펴본다.
도 6a에서 보듯이 프리폼을 제작하는 과정에 부싱(100)에서 90도 방향을 바꾸어야 하는 경우, 1~2개 정도의 스풀(20)에 이들의 그루브(21)를 따라 토우(200)를 감은 후, 제1 개방부(30a)로 인(in)시킨 후 건너편의 제2 개방부(30b)를 통해 아웃시켜 방향전환을 할 수 있다.
도 6b는 실시예에 따른 부싱(100)을 이용하여 도 6a에서와는 반대 방향으로 90도 방향 전환하는 경우를 보인 도면이다. 어느 경우든 실시예에 따른 부싱(100)을 이용하여 매우 편리하게 그리고 토우(200)의 텐션을 적정하게 유지하면서 방향 전환을 시킬 수 있다.
도 6c는 비교예에 따른 부싱(110)의 적용 예를 보인 것이다. 이 부싱(100)은 스풀의 양 사이드에 플랜지를 갖는 릴 형상으로, 부싱(100)을 이용하여 90도 방향 전환하기 위해서는 토우(200)를 부싱(110)의 둘레를 따라 1.5회 감아야 한다. 방향전환을 위해 토우의 사용량이 증가한다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 부싱(100)을 이용하는 경우, 프리폼의 인서트 몰딩 과정에 관통홀(11,12) 및 개방부(30)을 통해 사출물이 유입되어, 플랫 탑(22)에 의해 규정되는 공간(50)에 사출물이 채워진다. 사출물과 부싱(100) 간의 접촉면이 크고, 관통홀(11,12)을 갖는 베이스 플레이트(10)가 앵커 역할을 하여 성형체(1a)에 부싱(100)이 견고하게 고정된다.
도 8은 도 6c에 도시된 비교예의 부싱(110)을 이용된 성형체(1b)를 보인 것이다. 성형체(1b)에 대한 부싱(110)의 고정력은 도 7의 실시예에 비해 떨어진다.
이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.
10: 베이스 플레이트 11,12: 관통홀
20: 스풀 21: 그루브
22: 플랫 탑 40: 리브
41: 가이드홈 100: 부싱
200: 토우

Claims (6)

  1. 하나 이상의 관통홀이 형성된 베이스 플레이트; 및
    베이스 플레이트의 상에 그 둘레를 따라 서로 이격되어 복수 개 마련된 스풀;을 포함하며,
    스풀들 각각은, 베이스 플레이트로부터 연장되며, 그 선단에 플랫 탑이 마련되고 둘레 방향으로 외측면에 그루브가 형성된 구조를 가지며,
    플랫 탑에 의해 규정되는 베이스 플레이트의 대향 측이 개방된 것을 특징으로 하는 복합재 프리폼 제작용 부싱.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스풀들을 지지하도록 베이스 플레이트 상에 형성된 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 프리폼 제작용 부싱.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 스풀의 내측면을 지지하는 리브 부위에 둘레방향으로 가이드홈이 형성된 것을 특징으로 하는 복합재 프리폼 제작용 부싱.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 관통홀은,
    중앙에 위치한 메인홀과, 메인홀 주변에 배치된 서브홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 프리폼 제작용 부싱.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 베이스 플레이트 상에 상기 메인홀을 갖는 칼럼이 세워지고, 이 칼럼을 중심으로 방사방향으로 스풀들을 연결하는 리브가 형성된 것을 특징으로 하는 복합재 프리폼 제작용 부싱.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 그루브의 원주방향 양단은 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 복합재 프리폼 제작용 부싱.
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