KR101794844B1

KR101794844B1 - Cfrp 루프 패널

Info

Publication number: KR101794844B1
Application number: KR1020160000815A
Authority: KR
Inventors: 조정민; 최치훈; 박상윤; 윤상재; 양준호; 황경정
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2017-11-08
Also published as: KR20170082163A

Abstract

본 발명은 차량의 루프 패널에 관한 것으로서, 루프 패널의 형상 자유도를 높이면서도 그 비틀림 강성 및 굽힘 강성을 확보할 수 있는 CFRP 루프 패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명에 의하면, 직물(woven fabric)로 형성되는 루프 패널 및 상기 루프 패널의 하부에 위치하며, 연속 탄소 섬유층과 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층으로 형성되는 보강 부재를 포함하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 루프 패널을 제공한다.

Description

CFRP 루프 패널{Carbon Fiber Reinforced Plastic Roof-Panel}

본 발명은 차량의 루프 패널에 관한 것으로서, 루프 패널의 형상 자유도를 높이면서도 그 비틀림 강성 및 굽힘 강성을 확보할 수 있는 CFRP 루프 패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic; 이하 'CFRP'로 약칭함)은 경량이며, 고강성이고 내부식성도 우수하기 때문에 차량을 비롯한 각종 운송 기기의 외부 패널로의 사용이 시도되고 있다. 예컨대, 차량의 본넷 또는 휀더 등의 외부 패널에 CFRP가 적용되고 있다.

최근에는 CFRP가 차량의 루프 패널에도 적용되는 추세인데, 종래기술에 의한 CFRP 루프 패널은 복합재의 다층 구조로 형성되어 있으며, 차체의 비틀림 강성 확보를 위해 루프 패널의 비틀림 강성을 강화하는 복합재 층을 포함하고 있었다.

위와 같은 복합재 층은 NCF(Non Crimp Fabrics)라는 단방향 연속섬유를 일정한 교차각으로 적층하고 고분자 섬유로 직조하여 제작되는데, 이와 같은 복합재 층으로 말미암아 차체의 내구성을 확보할 수는 있으나, 루프 패널의 형상 자유도를 떨어뜨리며, 루프 패널 제조공정도 복잡해지는 문제점이 있었다.

그렇다고 루프 패널에서 상기 복합재 층을 삭제하면 차량의 고속 주행 시 공기역학적 내외부 압력 차이로 인해, 루프 패널이 변형되고 조립에 적용된 접착제 층에 피로하중을 받게 되는 또 다른 문제점이 발생하게 된다.

따라서, CFRP 루프 패널에서 NCF 층 등의 복합재 층을 삭제하더라도 루프 패널의 구조를 자유로이 형성할 수 있고 그 제작 공정도 단순화 할 수 있으면서도 공기역학적 작용력에 의한 루프 패널의 변형을 최소화 함으로써 차량 조립 내구성을 향상시킬 수는 CFRP 루프 패널 구조가 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 루프 패널의 비틀림 강성 및 굽힘 강성을 배가시켜 안정성이 확보될 수 있는 차량의 CFRP 루프 패널을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 루프 패널의 구조를 자유로이 형성할 수 있으며, 루프 패널의 프리포밍 공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있는 차량의 CFRP 루프 패널의 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 직물(woven fabric)로 형성되는 루프 패널 및 상기 루프 패널의 하부에 위치하며, 연속 탄소 섬유층과 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층으로 형성되는 보강 부재를 포함하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 루프 패널을 제공한다.

본 발명에서 상기 보강 부재는, 상기 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층 위에 연속 탄소 섬유층을 접합하여 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 보강 부재는, 상기 루프 패널의 하부 양단을 지지하는 적어도 하나 이상의 보강 부재로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 보강 부재는, 상기 루프 패널의 하부 양단의 사선 방향으로 교차되는 적어도 한 쌍 이상의 보강 부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 한 쌍 이상의 보강 부재의 교차각(Θ)은 각각 0°초과 55°이하의 범위에서 결정되도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 보강 부재는, 그 양단 영역(t1, t3)보다 중간 영역(t2)의 두께가 더 두껍도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 보강 부재는, 그 일단 영역(t1)의 두께가 타단 영역(t3)보다 더 두껍도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 루프 패널은, 복수의 프리프레그(prepreg)를 적층하되, 그 섬유 배열 방향이 위로부터 0°/90°가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층은 불포화 폴리에스테르 (Unsaturated Polyester; UP) 또는 비닐 에스테르(Vinyl Ester: VE)를 포함하는 것이 바람직하다.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 타측면에 의하면, 루프 패널의 프리폼을 형성하는 단계 및 상기 프리폼과 보강 부재를 동시에 압축하여 일체 성형하는 단계를 포함하는 CFRP 루프 패널 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 프리폼 형성단계는, 프리프레그(prepreg)를 적층하는 단계, 상기 프리프레그를 가열하는 단계 및 상기 가열된 프리프레그를 압축 및 프리포밍하여 루프 패널의 프리폼을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 CFRP 루프 패널에 의하면, 차량의 루프 패널에 있어서 그 비틀림 강성 및 굽힘 강성을 증가시켜 루프 패널의 안정성이 확보될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 CFRP 루프 패널의 제조방법에 의하면, 루프 패널의 구조를 자유롭게 형성할 수 있으며, 루프 패널의 프리포밍 공정을 일체성형으로 단순화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널에 적용되는 보강부재의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널의 보강 부재의 교차각에 따른 비틀림 강성을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널 및 그 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 루프 패널 프리폼을 형성하는 공정을 순서대로 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널의 제조 공정을 순서대로 나타낸 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 CFRP 루프 패널에서 NCF 층 등의 복합재 층을 삭제하더라도 루프 패널의 구조를 자유로이 형성할 수 있고 그 제작 공정도 단순화 할 수 있으면서도, 공기역학적 작용력에 의한 루프 패널의 변형을 최소화 함으로써 차량 조립 내구성을 향상시킬 수는 패널 구조에 착안하여 고안되었다.

즉, 본 발명은 루프 패널에서NCF(Non Crimp Fabrics)층 등으로 형성될 수 있는 복합재 층의 기능을 대체할 수 있는 보강 부재를 루프 패널 하부에 특정한 구조로 일체 성형하여, 루프 패널의 비틀림 강성 및 굽힙 강성을 확보하여 종국적으로는 차량의 내구성을 확보하고자 하는 점에 착안되어 고안되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널에 적용되는 보강부재의 단면도이다.

본 발명은 직물(woven fabric)로 형성되는 루프 패널(100)과 상기 루프 패널의 하부에 위치하며, 연속 탄소 섬유층(111)과 탄소 SMC층(112)으로 형성되는 보강 부재(110)를 포함하여 형성될 수 있다.

상기 보강 부재(110)는 상기 탄소 SMC층(112) 위에 연속 탄소 섬유층(111)을 접합 또는 적층하여 형성될 수 있다.

상기 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층(112)은, 불포화 폴리에스테르 (Unsaturated Polyester; UP) 또는 비닐 에스테르(Vinyl Ester: VE)를 포함하여 형성될 수 있다.

상기 연속 탄소 섬유층(111)은 연속 섬유 상태로 평직, 능직, 수자직 등의 직물 형태로 형성될 수 있는데, 질량에 비해서 얇고, 섬유가 넓어진 구조를 갖고 있어서 섬유의 두께 방향의 물결침이 작기 때문에 강도 및 강성을 증대시키면서도 경량화가 가능한 장점이 있다.

본 발명에서는 상기 탄소 SMC 층(112)에 연속 탄소 섬유층(111)을 보강하게 되는데, 이는 비연속 탄소 섬유를 이용하는 경우에는 연속 탄소 섬유를 이용하는 경우보다 강성이 낮으므로 보강 부재(110)의 두께는 커지고, 강성을 확보하기 위해서는 반드시 경량이 되지 않을 수 있기 때문이다.

위와 같이 보강 부재(110)는 연속 탄소 섬유층(111)을 보강 하여, 탄소 섬유의 특징의 하나인 높은 탄성률과 강도를 발현시킬 수 있고, 외부 충격에 대한 저항, 강성 및 강도를 경량으로 달성할 수 있다. 즉, 비연속 탄소 섬유로는 달성할 수 없는 경량 형성, 강성 및 충격 특성이 얻어지며, 더 나아가 변형 저항, 최대 하중, 변위량, 에너지 흡수도 증대될 수 있다.

상기 연속 탄소 섬유층(111)은 PAN(폴리아크릴니트릴)계 탄소 섬유, 핏치계 탄소 섬유중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있으며, PAN계의 탄소 섬유는 강도, 탄성률, 신도의 밸런스 상에서 직물을 만드는 데에 있어서 보다 바람직하다.

또한, 본 발명의 연속 탄소 섬유층(111)은 발명의 필요에 따라 탄소 섬유 이외에, 유리 섬유, 알루미나 섬유, 질화 규소 섬유 등의 무기 섬유, 아라미드계 섬유나 나일론 등의 유기 섬유를 첨가하여 형성할 수도 있다.

위와 같이 탄소 SMC층(112) 및 연속 탄소 섬유층(111)으로 형성되는 보강 부재(110)는 루프 패널(100)의 하부에 배치되어 루프 패널의 비틀림 강성, 굽힘 강성을 확보하게 된다.

한편, 상기 보강 부재(110)는, 그 양단 영역(t1, t3)보다 중간 영역(t2)의 두께가 더 두껍도록 형성되며, 그 일단 영역(t1)의 두께가 타단 영역(t3)보다 더 두껍도록 형성될 수 있다.

이는 차량의 운행 시 바람 등에 의한 양력을 가장 많이 받는 루프 패널의 하부에 보강 부재(100)를 두껍게 형성함으로써 굽힘 강성을 확보하기 위함이다. 도 1을 참조하면, 차량의 앞부분에 위치하는 부분이 t3이고, 차량의 뒷부분에 위치하는 부분이 t1이다.

또한, 이와 같이 본 발명의 보강 부재(110)는 일정한 두께를 갖는 것이 아니라 각 영역에 따라 두께를 달리하여 형성함으로써 CFRP 루프 패널 전체의 경량화를 확보할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널의 보강 부재의 교차각에 따른 비틀림 강성을 나타낸 그래프이다.

도 2를 참조하면, CFRP 루프 패널을 하부에서 바라본 모습을 도시하고 있으며, 복수의 보강부재(110)가 배치되어 있음을 확인할 수 있다.

상기 보강 부재(110)는 루프 패널(100)의 하부 양단을 지지하는 적어도 하나 이상의 보강 부재로 형성될 수 있는데, 도 2에서는 수직형으로 도시되는 보강 부재가 이의 예이며, 보강 부재(110)의 숫자가 증가할수록 당연히 비틀림 강성 및 굽힘 강성이 증대될 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에서는 비틀림 강성 및 굽힘 강성을 더욱 증대시키기 위하여 루프 패널(100)의 하부 양단의 사선 방향으로 교차되는 적어도 한 쌍 이상의 보강 부재를 더 추가할 수 있다.

본 발명에서 상기 한 쌍 이상의 보강 부재의 교차각(Θ)은 각각 0°초과 55°이하의 범위에서 결정되도록 형성될 수 있는데, 상기 교차각(Θ)은 20°내지 30°의 범위에서 형성되는 것이 더욱 바람직할 것이다.

도 3을 참조하면, 상기 교차각(Θ)은 각각 0°초과 55°이하의 범위일 때 평균 이상의 비틀림 강성을 확보할 수 있으며, 특히 20°내지 30°의 범위에서 뛰어난 비틀림 강성을 확보함을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널 및 그 단면도인데, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)에서 도시되는 CFRP 루프 패널을 A-A' 방향으로 자른 단면도 이다.

본 발명의 루프 패널(100)은 직물(woven fabric)로 형성될 수 있는데, 상기 루프 패널(100)은, 복수의 프리프레그(prepreg)를 적층하되, 섬유 배열 방향이 위로부터 0°/90°가 되도록 형성될 수 있다.

상기 직물은 단층이어서 본 발명에서와 같이 섬유 배열 방향이 위로부터 0°/90°가 되도록 직교하는 방식으로 제작하면, 한 방향으로 배열하는 프리프레그를 적층한 경우보다 적은 매수로 루프 패널(100)을 구성할 수 있으므로 패널의 경량화를 확보할 수 있다.

본 발명에서는 루프 패널(100)이 직물(woven fabric)로만 형성되고, 단방향 연속섬유를 일정한 교차각으로 적층하고 고분자 섬유로 직조하여 제작되는 NCF 층 등의 복합체 층을 배제하고 형성되는 것이기 때문에 루프 패널의 프리폼 형상 등을 보다 자유롭게 형성할 수 있는 장점이 있다.

다만, 상기 루프 패널(100)은 직물로만 형성되므로, 적정한 비틀림 강성을 확보할 수 없고 스틸 사양 대비 차체의 비틀림 강성이 저하될 수 밖에 없다.

그러나, 전술한 바대로 본 발명에서는 상기 루프 패널(100)의 하부에 복수의 보강 부재(110)를 접합시킴으로써 비틀림 강성을 확보할 수 있다.

한편, 상기 프리프레그는 결합재를 강화섬유에 미리 함침시킨 시트(Sheet) 형태의 제품으로서 복합재료의 중간재료일 수 있으며, 여기서, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등을 적용할 수 있고, 상기 결합재는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지 등 열경화성 또는 열가소성 수지를 이용할 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 루프 패널 프리폼을 형성하는 공정을 순서대로 나타낸 예시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 CFRP 루프 패널의 제조 공정을 순서대로 나타낸 예시도이다.

본 발명의 CFRP 루프 패널 제조방법은, 루프 패널의 프리폼을 형성하는 단계와, 프리폼과 보강 부재를 동시에 압축하여 일체 성형하는 단계로 형성될 수 있다.

여기서 상기 프리폼 형성단계는 도 5에서 도시한 바와 같이, i) 프리프레그(prepreg)를 적층하는 단계, ii) 상기 프리프레그를 가열하는 단계 및 iii) 상기 가열된 프리프레그를 압축 및 프리포밍하여 루프 패널의 프리폼을 형성하는 단계로 형성될 수 있다.

상기 프리프레그의 적층 단계는, 도 5의 (a)에서 볼 수 있듯이 복수의 프리프레그(prepreg)를 적층하되, 섬유 배열 방향이 위로부터 0°/90°가 되도록 배치된다. 즉, 본 발명에서와 같이 그 섬유 배열 방향이 위로부터 0°/90°가 되도록 직교하는 방식으로 제작하면, 한 방향으로 배열하는 프리프레그를 적층한 경우보다 적은 매수로 루프 패널(100)을 구성할 수 있으므로 패널의 경량화 및 그 형상의 자유도를 확보할 수 있다는 것은 전술한 바 있다.

한편, 도 6을 참조하면, 루프 패널의 프리폼(120) 및 탄소 SMC층에 연속 탄소 섬유층이 적층된 보강 부재(110)를 프레스에 하형에 올려두고, 프레스의 상형을 닫으며 소정의 온도와 압력을 가해 CFRP 루프 패널을 일체 성형하는 모습을 도시하고 있다.

이 때, 보강 부재의 열변형을 방지하기 위해 프레스에서 가해지는 온도는 250℃이하로 설정하는 것이 바람직하며, 또한 보강 부재의 압축 강도 등을 고려하여 프레스에서 가해지는 압력은 200Mpa 이하로 설정되는 것이 바람직할 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면 루프 패널의 형상, 구조를 자유롭게 형성할 수 있으며, 루프 패널의 프리포밍 공정을 일체성형으로 단순화할 수 있다. 또한, 루프 패널의 비틀림 강성 및 굽힘 강성을 확보하여 루프 패널의 내구성이 확보될 수 있는 장점이 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

100: 루프 패널
110: 보강 부재
111: 연속 탄소 섬유층
112: 탄소 SMC층
120: 루프 패널의 프리폼

Claims

직물(woven fabric)로 형성되는 루프 패널; 및
상기 루프 패널의 하부에 위치하며, 연속 탄소 섬유층과 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층으로 형성되는 보강 부재;를 포함하고,
상기 보강 부재는,
그 양단 영역(t1, t3)보다 중간 영역(t2)의 두께가 더 두껍도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 루프 패널.
직물(woven fabric)로 형성되는 루프 패널; 및
상기 루프 패널의 하부에 위치하며, 연속 탄소 섬유층과 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층으로 형성되는 보강 부재;를 포함하고,
상기 보강 부재는,
그 일단 영역(t1)의 두께가 타단 영역(t3)보다 더 두껍도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 루프 패널.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보강 부재는,
상기 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층 위에 연속 탄소 섬유층을 접합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보강 부재는,
상기 루프 패널의 하부 양단을 지지하는 적어도 하나 이상의 보강 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널.
제4항에 있어서,
상기 보강 부재는,
상기 루프 패널의 하부 양단의 사선 방향으로 교차되는 적어도 한 쌍 이상의 보강 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널.
제5항에 있어서,
상기 한 쌍 이상의 보강 부재의 교차각(Θ)은 각각 0°초과 55°이하의 범위에서 결정되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루프 패널은,
복수의 프리프레그(prepreg)를 적층하되, 그 섬유 배열 방향이 위로부터 0°/90°가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층은,
불포화 폴리에스테르 (Unsaturated Polyester; UP) 또는 비닐 에스테르(Vinyl Ester: VE)를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널.
루프 패널의 프리폼을 형성하는 단계; 및
상기 프리폼과 보강 부재를 동시에 압축하여 일체 성형하는 단계;를 포함하고,
상기 보강 부재는,
그 양단 영역(t1, t3)보다 중간 영역(t2)의 두께가 더 두껍도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 루프 패널 제조방법.
루프 패널의 프리폼을 형성하는 단계; 및
상기 프리폼과 보강 부재를 동시에 압축하여 일체 성형하는 단계;를 포함하고,
상기 보강 부재는,
그 일단 영역(t1)의 두께가 타단 영역(t3)보다 더 두껍도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 루프 패널 제조방법.
제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프리폼 형성단계는,
프리프레그(prepreg)를 적층하는 단계;
상기 프리프레그를 가열하는 단계; 및
상기 가열된 프리프레그를 압축 및 프리포밍하여 루프 패널의 프리폼을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널 제조방법.
제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보강 부재는,
상기 루프 패널의 하부에 위치하며, 연속 탄소 섬유층과 탄소 SMC(Sheet Molding Compound)층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 CFRP 루프 패널의 제조방법.