KR101833431B1 - 하이브리드 재료를 이용한 차량 도어 내부 패널 - Google Patents

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KR101833431B1
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얀-안데르스 에드빈 만손
만손 퀸 창
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이이엘씨이이주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 차량 내부 도어 패널은 탄소섬유강화 복합소재로 성형되고, 제1 개구부를 포함하는 상측 프레임부와 제2 개구부를 포함하는 하측 프레임부로 이루어지는 일체형 패널, 제1 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제1 보강재, 제2 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제2 보강재 및 하측 프레임부의 외곽라인을 따라 보강되는 제3 보강재를 포함하고, 제1 내지 제3 보강 프레임은, 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 및 상기 심재 상에 형성되는 섬유층을 포함한다. 이는 탄소섬유강화 복합소재로 이루어진 일체형 패널을 이용하기 때문에 중량이 매우 작고, 강성이 높은 하이브리드 재료를 이용하기 때문에 구조적 강성이 뛰어나다. 아울러, 일체형 패널을 이용할 수 있기 때문에 부품의 개수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.

Description

하이브리드 재료를 이용한 차량 도어 내부 패널{CAR DOOR INNER PANEL USING HYBRID MATERIAL}
본 발명은 차량 도어 내부 패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 재료로 이루어진 보강재를 포함하는 차량 도어 내부 패널에 관한 것이다.
자동차의 사이드 바디(side body)를 이루는 차량 도어는 차량 내외의 밀폐, 충돌시 차량 내부 공간의 안전성 확보 등이 요구되는 매우 중요한 부위로, 내부 패널과 외부 패널을 결합한 폐단면 구조로서 강성을 높이고 충분한 강도를 확보해야 한다. 종래 차량용 도어는 고장력강(high tensile steel)으로 이루어진 외부 패널과 연강(mild steel)으로 이루어진 내부 패널을 포함한다.
이때, 내부 패널 역시 강(steel)으로 제조하기 때문에 차량용 도어의 형상을 만들기 위해서는 복수의 부품(예를 들어, 사이드 루프레일 이너, 리어필터 이너 등)을 제조한 후 각 부품을 조립해야 하며, 이는 부품 개수가 증가하고 제조 공정을 복잡하게 하는 등의 문제점이 있다. 내부 패널은 나아가, 내부 패널과 외부 패널 모두가 무거운 재질로 이루어지기 때문에 중량이 매우 커진다.
이를 위해 중량이 작은 재료를 이용해 내부 패널을 성형하는 방법이 제안되었지만, 강으로 이루어진 내부 패널에 비해 강성이 매우 약해진다. 특히, 도어와 차량 본체가 연결되는 힌지 부분에서는 도어 처짐이 생길 수 있고, 도어가 차량 본체에 체결되는 래치(latch) 부분에서도 강성이 매우 취약해진다.
성형에 의해 제조된 내부 패널의 구조적 취약성은 장력강으로 이루어진 외부 패널에 의해 보완되기 어렵기 때문에 차량 충돌시 매우 큰 피해를 초래할 가능성이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일체형 패널을 이용하여 부품 개수를 줄이고 제조 공정을 단순화하며, 경량의 구조적 강성이 뛰어난 차량 도어 내부 패널을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량 도어 내부 패널은 탄소섬유강화 복합소재로 성형되고, 제1 개구부를 포함하는 상측 프레임부와 제2 개구부를 포함하는 하측 프레임부로 이루어지는 일체형 패널; 상기 제1 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제1 보강재; 상기 제2 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제2 보강재; 및 상기 하측 프레임부의 외곽라인을 따라 보강되는 제3 보강재;를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 보강 프레임은, 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재; 및 상기 심재 상에 형성되는 섬유층;을 포함하는 하이브리드 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른차량 도어 내부 패널은 탄소섬유강화 복합소재로 성형되고, 제1 개구부를 포함하는 상측 프레임부와 제2 개구부를 포함하는 하측 프레임부로 이루어지는 일체형 패널; 상기 제1 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제1 보강재; 상기 제2 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제2 보강재; 및 상기 하측 프레임부의 외곽라인을 따라 보강되는 제3 보강재;를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 보강 프레임은, 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재; 상기 심재 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층; 및 상기 고분자 화합물 코팅층 상에 형성되는 섬유층;을 포함하는 하이브리드 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 차량 도어 내부 패널은 탄소섬유강화 복합소재로 이루어진 일체형 패널을 이용하기 때문에 중량이 매우 작고, 강성이 높은 하이브리드 재료를 이용하기 때문에 구조적 강성이 뛰어나다. 아울러, 일체형 패널을 이용할 수 있기 때문에 부품의 개수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널에 이용되는 하이브리드 재료를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 하이브리드 재료를 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 차량 도어 내부 패널에 이용되는 하이브리드 재료의 또 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 하이브리드 재료를 B-B'를 따라 절단한 단면도이다.
도 10은 하이브리드 재료를 이용해 본 발명의 차량 도어 내부 패널에 포함되는 각 보강재를 형성하는 조형 시스템을 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템에 대해 상세히 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 구조, 사용, 응용 방식을 한정하려는 의도를 갖지 않는다. 본 발명의 실시예에 대한 설명은 첨부된 도면과 연관되어 이해할 수 있고, 첨부된 도면은 본 발명에 대한 설명의 일부로 간주될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널(1000)의 개략도이다. 도 1에 도시된 차량 도어 내부 패널(1000)은 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200), 제3 보강재(1300)를 포함한다.
일체형 패널(1010)은 제1 개구부(1020)를 포함하는 상측 프레임부(UF)와 제2 개구부(1030)를 포함하는 하측 프레임부(LF)로 구성된다. 상측 프레임부(UF)와 하측 프레임부(LF)로 구성된 일체형 패널(1010)은 탄소섬유강화 복합소재(carbon fiber reinforced composite material)를 이용하여 일체적으로 성형될 수 있다.
탄소섬유강화 복합소재는 탄소섬유(carbon fiber)를 강화재로 하는 고강도, 고탄성의 경량 구조용 재료로서 비강도(specific strength) 및 비탄성률도 철강에 비해 뛰어나다. 따라서, 이를 소재로 하는 일체형 패널(1010)은 매우 높은 강도를 갖는다.
제1 보강재(1100)는 제1 개구부(1020)의 둘레를 따라 연장된다. 제1 보강재(1100)는 상측 프레임부(UF)의 제1 개구부(1020)를 따라 연장된 폐쇄 구조로 도시되었지만, 개방형 구조이어도 무방하다.
제1 개구부(1020)는 차량 도어의 윈도우(미도시)가 설치되는 부분으로, 그 프레임에 해당하는 상측 프레임부(UF)는 고강성을 가져야 하며, 제1 보강재(1100)는 상측 프레임부(UF)에 강성을 부가하는 기능을 갖는다.
제2 보강재(1200) 및 제3 보강재(1300)는 하측 프레임부(LF)에 형성된다. 도면에서는 제2 보강재(1200)와 제3 보강재(1300)가 폐쇄 구조로 도시되었지만, 개방형 구조를 가져도 무방하다.
한편, 제2 보강재(1200)는 하측 프레임부(LF)의 제2 개구부(1030)의 둘레를 따라 연장되며, 제3 보강재(1300)는 하측 프레임부(LF)의 외곽라인을 따라 연장될 수 있다. 다시 말해, 제3 보강재(1300)는 제2 보강재(1200)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
차량 도어는 힌지 영역(HA)에서 힌지 구조에 의해 본체에 힌지 연결되고, 래치 영역(LA)에서 래치 구조에 의해 차량 본체에 결합된다. 차량 본체와 직접 연결되는 힌지 영역(HA) 및 래치 영역(LA)은 상기 제2 보강재(1200) 및 제3 보강재(1300)에 의해 강성이 보장된다. 제2 보강재(1200) 및 제3 보강재(1300)에 의하여 힌지 영역과 래치 영역의 강성이 높아져 각 영역의 변형이 방지될 수 있다.
이때, 제1 내지 제3 보강재(1100,1200,1300)는 강성, 내구성 및 충격성이 보장될 뿐만 아니라, 차량 도어를 경량화할 수 있는 소재인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 제1 보강재 내지 제3 보강재(1100,1200,1300)의 소재로 하이브리드 재료를 이용한다. 하이브리드 재료는 두 가지 이상의 물질이 혼합된 혼합 재료를 의미한다. 하이브리드 재료는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 섬유층, 및 섬유층 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 하이브리드 재료는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층 및 고분자 화합물 코팅층 상에 형성되는 섬유층을 포함할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 하이브리드 재료는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 및 심재 상에 형성되는 섬유층을 포함할 수 있다. 하이브리드 재료의 구성, 재료, 제조 방법 및 그 특성에 대해서는 도 6 내지 9를 참조하면서 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널(1000)의 개략도이다. 도 2에 도시된 차량 도어 내부 패널(1000)은 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200), 제3 보강재(1300) 및 제4 보강재(1400)를 포함한다.
제1 실시예의 구성인 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200) 및 제3 보강재(1300)에 더하여, 제2 실시예는 제4 보강재(1400)를 더 포함한다.
제4 보강재(1400)는 하측 프레임부(LF)의 힌지 영역(HA)에 형성될 수 있다. 도 2에서는 제4 보강재(1400)가 힌지 영역(HA)의 중심부를 따라 길게 연장된 것으로 도시되었으나 이와 다른 형상을 가져도 무방하다.
제4 보강재(1400)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 섬유층 및 섬유층 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서는, 제4 보강재(1400)가 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층 및 고분자 화합물 코팅층 상에 형성되는 섬유층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 제4 보강재(1400)가 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 및 심재 상에 형성되는 섬유층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
하이브리드 재료의 구성, 재료, 제조 방법 및 그 특성에 대해서는 도 6 내지 9를 참조하면서 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널(1000)의 개략도이다. 도 3에 도시된 차량 도어 내부 패널(1000)은 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200), 제3 보강재(1300) 및 섬유 보강재(1510,1520)를 포함한다.
제1 실시예의 구성인 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200) 및 제3 보강재(1300)에 더하여, 제3 실시예는 섬유 보강재(1510,1520)를 더 포함한다.
제3 실시예에서는 하측 프레임부(LF)의 좌우 하단에 2개의 섬유 보강재(1510,1520)가 배치된 것으로 도시되었으나, 하측 프레임(LF)의 좌우 상단에 2개의 섬유 보강재가 배치되어도 무방하고, 좌우 하단 및 좌우 상단에 4개의 섬유 보강재가 배치되어도 무방하다. 필요에 따라서는, 하나의 섬유 보강재만 구비되어도 무방하다.
섬유 보강재(1510,1520)는 하측 프레임부(LF)의 강성을 향상시키기 위한 것으로 평판 형상을 갖는 것이 바람직하다. 다만, 다른 실시예에서는 스트립 혹은 라인 형상으로 이루어져도 무방하다.
섬유 보강재(1510,1520)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 섬유층 및 섬유층 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서는, 섬유 보강재(1510,1520)가 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층 및 고분자 화합물 코팅층 상에 형성되는 섬유층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 섬유 보강재(1510,1520)가 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 및 심재 상에 형성되는 섬유층 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다. 하이브리드 재료의 구성, 재료, 제조 방법 및 그 특성에 대해서는 도 6 내지 9를 참조하면서 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널(1000)의 개략도이다. 도 4에 도시된 차량 도어 내부 패널(1000)은 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200), 제3 보강재(1300), 섬유 보강재(1510,1520) 및 스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640)를 포함한다.
제3 실시예의 구성인 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200), 제3 보강재(1300) 및 섬유 보강재(1510,1520)에 더하여, 제4 실시예는 스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640)를 더 포함한다.
섬유 보강재가 하측 프레임부(LF)의 각 모서리에 배치되는 반면, 스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640)는 하측 프레임부(LF)의 상하좌우면에 스트립 형태로 배치되어, 하측 프레임부(LF)의 강성을 향상시킨다. 다만, 스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640)은 스트립 외의 다른 형상을 가질 수도 있다.
스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 섬유층 및 섬유층 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서는, 스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640)가 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층 및 고분자 화합물 코팅층 상에 형성되는 섬유층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640)가 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 및 심재 상에 형성되는 섬유층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
하이브리드 재료의 구성, 재료, 제조 방법 및 그 특성에 대해서는 도 6 내지 9를 참조하면서 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널(1000)의 개략도이다. 도 5에 도시된 차량 도어 내부 패널(1000)은 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200), 제3 보강재(1300) 및 임팩트 빔(1700)을 포함한다.
제1 실시예의 구성인 일체형 패널(1010), 제1 보강재(1100), 제2 보강재(1200) 및 제3 보강재(1300)에 더하여, 제5 실시예는 임팩트 빔(1700)을 더 포함한다.
차량 정면 충돌이 일어나는 경우 충돌 에너지에 의하여 차량 도어가 파괴되면 탑승자에게 치명적일 수 있다. 또한, 차량 측면 충돌이 일어나면 차량 도어의 구부러짐 혹은 파괴에 의하여 탑승자에게 치명적일 수 있다. 임팩트 빔(1700)은 정면 충돌시의 충돌 에너지를 탑승자에게 안전한 방향으로 전달하거나, 측면 충돌시차량 도어의 충돌 에너지가 탑승자에게 도달하지 못하도록 하여 충돌 안전성을 확보한다.
따라서, 임팩트 빔(1700)은 도 5에 도시된 바와 같이 하측 프레임부(LF)의 제2 개구부(1030)를 가로질러 배치된다. 특히, 임팩트 빔(1700)은 제2 개구부(1030)를 수평 방향으로 가로지르도록 배치되되, 힌지 영역(HA)에서 래치 영역(LA)으로 갈수록 높이가 낮아지도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 의하여 힌지 영역(HA)과 래치 영역(LA)에 부품 결합 공간을 보장할 수 있고, 정면 충돌시의 충돌 에너지를 탑승자에 안전한 방향으로 전달하거나, 측면 충돌시의 충돌 에너지가 직접적으로 탑승자에게 미치는 것을 방지할 수 있게 된다.
임팩트 빔(1700)은 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 섬유층 및 섬유층 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서는, 임팩트 빔(1700)이 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 심재 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층 및 고분자 화합물 코팅층 상에 형성되는 섬유층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 임팩트 빔(1700)이 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재, 및 심재 상에 형성되는 섬유층을 포함하는 하이브리드 재료로 형성될 수 있다.
상기 제1 내지 제5 실시예는 각각 독립된 형태로 구현될 수도 있고, 각 실시예가 조합되어 이용될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널(1000)의 각 보강재(1100,1200,1300,1400), 섬유 보강재(1510,1520), 스트립 섬유 보강재(1610,1620,1630,1640) 및 임팩트 빔(1700)을 이루는 하이브리드 재료의 구성, 재료 및 제조 방법에 대한 구체적인 설명을 이어가기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 도어 내부 패널(1000)에 이용되는 하이브리드 재료를 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6에 도시된 하이브리드 재료를 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다. 여기서는, 도 6 및 7에 도시된 실시예에 따른 하이브리드 재료의 도면번호를 100으로 표시하였다.
도 6 및 7을 참조하면, 하이브리드 재료(100)는 심재(core material, 120), 섬유층(140) 및 고분자 화합물 코팅층(160)을 포함한다. 다만, 본 발명의 다른 실시예에서 하이브리드 재료(100)는 심재(120) 및 섬유층(140)을 포함할 수 있다.
심재(120)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 심재(120)는 스트랜드(strand) 형태뿐만 아니라 밴드(band) 형태로 이루어질 수 있다. 나아가, 심재(120)는 얀(yarn), 토우(tow), 번들(bundle), 테이프(tape) 등의 형태와 실질적으로 동일할 수 있다. 심재(120)는 최종 생성물인 하이브리드 재료(100)의 기계적 성능(강성, 내구성 및 충격성 등) 또는 센싱(sensing) 및/또는 모양 적응(shape adaptation)과 같은 기능적 성능을 결정하는 주요 구성일 수 있다.
고분자 화합물은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 화합물은 폴리 젖산(PolyLactic Acid; PLA), 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE), 폴리프로필렌(PolyPropylene; PP), 폴리아미드(PolyAmide; PA), 에이비에스(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene; ABS), 폴리메타크릴산메칠(Poly Methyl MethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate; PET), 폴리부틸렌테레프탈레이드(PolyButylene Terephthalate; PBT), 폴리에테르이미드(PolyEtherImide; PEI), 폴리페닐렌설파이드(PolyPhenylene Sulfide; PPS), 폴리에텔에텔케톤(PolyEtherEtherKetone; PEEK), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA), 폴리우레탄(PolyUrethane; PU), 에폭시(EPoxy; EP), 불포화 폴리에스터(Unsaturated Polyester; UP), 폴리이미드(PolyImide; PI), 페놀릭(PHenolic; PF) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유재는 유리 섬유(Glass Fiber; GF), 탄소 섬유(Carbon Fiber; CF), 천연 섬유(Natural Fiber), 아라미드 섬유(Aramid Fiber; AF), 세라믹 섬유, 점조화 유체(Shear Thickening Fluid; STF) 섬유, 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy; SMA) 섬유, 광 섬유, 압전(piezoelectric) 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
고분자 화합물과 혼합되었을 때 섬유재는 고분자 화합물의 보강재일 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화(capsulated)될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블(cable) 구조를 가질 수 있다.
더욱이, 심재(120)는 섬유, 발포 물질(foaming material), 튜브 등과 같은 상이한 종류의 물질들로 이루어질 수 있다. 이는 종래의 섬유 매트릭스 합성물(fiber-matrix composite)을 포함할 수 있다.
심재(120)는 일방향성(unidirectional)을 가질 수 있다. 예를 들어, 심재(120)는 일방향 스트랜드일 수 있다. 이를 위해 심재(120)는 예열된 재료 스트랜드를 압밀(consolidate)함으로써 형성될 수 있다. 즉, 심재(120)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 재료 스트랜드를 소정의 온도에서 압밀함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 크릴 유닛에 감겨있던 재료 스트랜드가 예열 유닛의 예열 위치에 연속적으로 공급될 수 있고, 예열 위치에서 재료 스트랜드가 기 설정된 온도로 예열될 수 있으며, 예열된 재료 스트랜드가 압축 유닛에 의해 압밀될 수 있다.
재료 스트랜드는 크릴 유닛이 구비한 적어도 하나의 보빈(bobbin)에 감길 수 있다. 실시예에 따라, 서로 다른 물질을 포함하는 2 이상의 재료 스트랜드들이 하나의 보빈에 감길 수 있다. 보빈은 재료 스트랜드를 정렬시킬 수 있고, 재료 스트랜드를 보관할 수 있다. 재료 스트랜드는 보빈에서 풀려나올 수 있고, 풀려나온 재료 스트랜드는 예열 유닛의 예열 위치로 공급될 수 있다.
예열 위치에서 재료 스트랜드는 기 설정된 온도로 예열될 수 있다. 여기서 기 설정된 온도는 재료 스트랜드가 압축(compact) 및 압밀되기에 충분한 온도일 수 있다. 재료 스트랜드는 예열 유닛에 의해 기 설정된 온도로 예열될 수 있고, 예열된 재료 스트랜드는 압축 유닛에 공급될 수 있다.
예열된 재료 스트랜드는 압밀될 수 있다. 기 설정된 온도를 갖는 재료 스트랜드는 압축 유닛에 의해 2 이상이 함께 압축 및 압밀될 수 있다. 예열 및 압밀 과정을 거치는 동안, 재료 스트랜드는 2 이상이 서로 합쳐질 수 있다. 그 결과, 일방향성을 갖는 심재(120)가 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 구성 물질이 서로 다른 재료 스트랜드가 서로 합쳐질 수 있다. 이 경우, 형성된 심재(120)는 2 이상의 물질을 포함할 수 있다.
섬유층(140)은 심재(120) 상에 형성될 수 있다. 섬유층(140)은 섬유재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층은 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블 구조를 가질 수 있다. 심재(120)에 포함된 섬유재와 섬유층(140)에 포함된 섬유재는 실질적으로 서로 동일할 수 있지만, 심재(120)에 포함된 섬유재와 섬유층(140)에 포함된 섬유재는 실질적으로 상이할 수 있다.
섬유층(140)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층(140)은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유층(140)은 편조 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 편조 유닛에 의해 심재(120) 상에 편조될 수 있다. 여기서, 편조 유닛은 섬유재를 감고 있는 다수의 보빈을 구비할 수 있고, 보빈은 동일 원주 상에 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 심재(120)가 원주 상의 중심을 통과할 때, 다수의 보빈은 회전함과 동시에 원주를 따라 이동할 수 있다. 이 때, 섬유재는 보빈으로부터 풀려나올 수 있고, 풀려나온 섬유재는 심재(120) 상에 편조됨으로써 편조 구조가 형성될 수 있다. 이렇게 편조된 섬유층(140)은 심재(120)가 방사상으로 가하는 압력(strain)이나 부하(load)를 견딜 수 있는 충분한 강성(rigidity/strength)을 가질 수 있다.
고분자 화합물 코팅층(160)은 섬유층(140) 상에 형성될 수 있다. 고분자 화합물 코팅층(160)은 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 고분자 화합물은 코팅 폴리머(coating polymer)를 포함할 수 있다.
코팅 폴리머는 하이브리드 재료(100)를 기초로 형성될 입체물을 결합시키기에 적절한 유동적 특성(rheological characteristic)을 가질 수 있다. 즉, 코팅 폴리머는 향후 하이브리드 재료(100)를 기초로 형성될 입체물이 인접한 물질과 적절한 결합(suitable bonding)을 갖도록 할 수 있다. 이를 위해, 코팅 폴리머는 적절한 화학적 및/또는 물리적 접착력을 갖는 물질 중 하나로 선택될 수 있다.
따라서, 하이브리드 재료(100)에 기초하여 입체물을 생성하는 3D 프린터 또는 몰딩 유닛이 사용하는 물질의 종류에 따라 코팅 폴리머는 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 형성된 하이브리드 재료(100)의 표면에 고분자 화합물 코팅층(160)이 위치하는 실시예에서 고점성(high viscosity)을 갖는 코팅 폴리머가 선택될 수 있다. 나아가, 코팅 폴리머는 향후 형성될 입체물이 인접한 물질과의 접촉면에서 발생되는 강한 전단력(shear)에도 견딜 수 있도록 선택될 수 있다.
한편, 특정 텍스처(texture)나 구조형태(configuration)가 하이브리드 재료(100)에 요구된다면, 그립핑 구조(gripping configuration)가 하이브리드 재료(100)의 표면에 형성될 수 있다. 즉, 고분자 화합물 코팅층(160)은 그립핑 구조를 포함할 수 있다. 그립핑 구조는 상호간의 기계적 결합력(bonding)을 향상시키는 구조일 수 있다. 예를 들어, 그립핑 구조는 편조 하이브리드 재료(100)와 후속으로 이루어지는 오버몰딩 물질 재료 사이의 결합력을 향상시킬 수 있다. 코팅 폴리머는 "화학적" 본딩을 제공할 수 있고, 그립핑 구조는 부가적인 "기계적" 본딩을 제공할 수 있다. 그립핑 구조는 하이브리드 재료(100)의 특정 표면 텍스처나 패턴을 구비할 수 있고, 전체적인 접촉 면적을 증가시킬 수도 있다.
고분자 화합물 코팅층(160)은 코팅 유닛에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅 유닛은 섬유층(140) 상에 고분자 화합물을 도포함으로써 스트랜드를 형성할 수 있고, 코팅 유닛은 스트랜드를 소정의 압력/힘/속도로 전달할 수 있다.
섬유층(140) 상에 고분자 화합물을 도포하여 스트랜드가 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유층(140)이 형성된 심재(120)는 코팅 유닛을 통과할 수 있고, 코팅 유닛은 섬유층(140) 상에 고분자 화합물을 도포할 수 있다.
스트랜드는 소정의 압력/힘/속도으로 전달될 수 있다. 도포된 고분자 화합물의 두께는 실질적으로 균일하지 않을 수 있다. 따라서, 소정의 압력/힘/속도을 가해 스트랜드를 전달함으로써, 실질적으로 균일한 두께를 갖는 고분자 화합물 코팅층(160)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 스트랜드는 소정의 압력/힘/속도을 받아 구멍을 통과할 수 있고, 이를 통해 실질적으로 균일한 두께를 갖는 고분자 화합물 코팅층(160)이 형성될 수 있다.
고분자 화합물 코팅층(160)이 형성된 심재(120)의 온도를 조절하여 온도 조절된 토우가 형성될 수 있다. 예를 들어, 온도 조절된 토우는 온도 조절 유닛에 의해 형성될 수 있다. 온도 조절 유닛은 내부에서 이동하는 심재(120), 섬유층(140) 및 고분자 화합물 코팅층(160)의 온도를 균일하게 조절할 수 있다. 이 과정을 통해 심재(120), 섬유층(140) 및 고분자 화합물 코팅층(160) 중 적어도 하나 이상이 적절한 온도를 가질 수 있다.
온도 조절된 토우는 소정의 속도로 인취될 수 있다. 예를 들어, 온도 조절된 토우는 인취 속도를 조절할 수 있는 인취 유닛에 의해 인취될 수 있다. 인취 유닛의 속도조절에 의해 온도 조절된 토우가 소정의 속도로 인취될 수 있다. 이를 위해 인취 유닛은 적절한 힘으로 온도 조절된 토우를 끌어당길 수 있다. 인취 속도는 섬유층(140)이 형성되는 속도 및/또는 온도 조절된 토우의 두께에 기초하여 설정될 수 있다. 실시예에 따라, 인취 유닛은 벨트(belt)에 기초하여 온도 조절된 토우를 인취할 수 있다. 이 경우 인취 속도는 벨트의 이동 속도에 비례할 수 있다.
형성된 하이브리드 재료(100)는 와인딩될 수 있다. 인취 유닛에서 배출된 하이브리드 재료(100)는 와인더에 의해 와인딩될 수 있다. 여기서 와인더는 하이브리드 재료(100)를 와인딩하기에 적절한 직경을 가질 수 있다. 와인더에 의해 와인딩된 하이브리드 재료(100)는 3D 프린터 또는 몰딩 유닛에 공급될 수 있고, 3D 프린터 또는 몰딩 유닛의 원재료로 사용될 수 있다.
형성된 하이브리드 재료(100)는 절단될 수 있다. 인취 유닛에서 배출된 하이브리드 재료(100)는 절단 유닛에 의해 소정의 길이로 절단될 수 있다. 소정의 길이로 절단된 하이브리드 재료(100)는 3D 프린터 또는 몰딩 유닛에 공급될 수 있고, 3D 프린터 또는 몰딩 유닛의 원재료로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 하이브리드 재료는 심재, 섬유층 및 고분자 화합물 코팅층 사이의 물리적 상호작용에 기초하여 강성, 내구성 및 충격성 등의 성능을 조절할 수 있다. 또는, 본 발명의 실시예들에 따른 하이브리드 재료는 심재 및 섬유층 사이의 물리적 상호작용에 기초하여 강성, 내구성 및 충격성 등의 성능을 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명의 차량 도어 내부 패널(1000)에 이용되는 하이브리드 재료의 또 다른 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 9는 도 8의 하이브리드 재료를 B-B'를 따라 절단한 단면도이다. 여기서는, 도 8 및 9에 도시된 실시예에 따른 하이브리드 재료의 도면번호를 200으로 표시하고, 이를 이루는 각 구성의 도면번호를 도 6 및 7에 대응하여 200번대로 표시하였다.
도 8 및 9를 참조하면, 하이브리드 재료(200)는 심재(220), 고분자 화합물 코팅층(260) 및 섬유층(240)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 하이브리드 재료(200)는 고분자 화합물 외부 코팅층을 더 포함할 수 있다.
심재(220)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 심재(220)의 형태는 스트랜드 형태뿐만 아니라 밴드 형태 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 심재(220)의 형태는 연속적으로 이어진 스트랜드, 얀, 토우, 번들, 밴드, 테이프 등의 형태와 실질적으로 동일할 수 있다.
고분자 화합물은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 화합물은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 고분자 화합물과 혼합되었을 때 섬유재는 고분자 화합물의 보강재일 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블의 구조를 가질 수 있다.
더욱이, 심재(220)는 섬유, 발포 물질, 튜브 등과 같은 상이한 종류의 물질들로 이루어질 수 있다. 이는 종래의 섬유 매트릭스 합성물을 포함할 수 있다.
심재(220)는 일방향성을 가질 수 있다. 예를 들어, 심재(220)는 일방향 스트랜드일 수 있다. 이를 위해 심재(220)는 예열된 재료 스트랜드를 압밀함으로써 형성될 수 있다. 즉, 심재(220)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 재료 스트랜드를 소정의 온도에서 압밀함으로써 형성될 수 있다.
재료 스트랜드는 크릴 유닛이 구비한 적어도 하나의 보빈에 감길 수 있다. 실시예에 따라, 서로 다른 물질을 포함하는 2 이상의 재료 스트랜드들이 하나의 보빈에 감길 수 있다. 보빈은 재료 스트랜드를 정렬시킬 수 있고, 재료 스트랜드를 보관할 수 있다. 재료 스트랜드는 보빈에서 풀려나올 수 있고, 풀려나온 재료 스트랜드는 예열 유닛의 예열 위치로 공급될 수 있다.
예열 위치에서 재료 스트랜드는 기 설정된 온도로 예열될 수 있다. 여기서 기 설정된 온도는 재료 스트랜드가 압축 및 압밀되기에 충분한 온도일 수 있다. 재료 스트랜드는 예열 유닛에 의해 기 설정된 온도로 예열될 수 있고, 예열된 재료 스트랜드는 압축 유닛에 공급될 수 있다.
예열된 재료 스트랜드는 압밀될 수 있다. 기 설정된 온도를 갖는 재료 스트랜드는 압축 유닛에 의해 2 이상이 함께 압축 및 압밀될 수 있다. 예열 및 압밀 과정을 거치는 동안, 재료 스트랜드는 2 이상이 서로 합쳐질 수 있다. 그 결과, 일방향성을 갖는 심재(220)가 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 구성 물질이 서로 다른 재료 스트랜드가 서로 합쳐질 수 있다. 이 경우, 형성된 심재(220)는 2 이상의 물질을 포함할 수 있다.
고분자 화합물 코팅층(260)은 심재(220) 상에 형성될 수 있다. 고분자 화합물 코팅층(260)은 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 고분자 화합물은 코팅 폴리머를 포함할 수 있다.
코팅 폴리머는 하이브리드 재료(200)를 기초로 형성될 입체물을 결합시키기에 적절한 유동적 특성을 가질 수 있다. 즉, 코팅 폴리머는 향후 하이브리드 재료(200)를 기초로 형성될 입체물이 적절한 결합을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 하이브리드 재료(200)에 기초하여 입체물을 생성하는 3D 프린터 또는 몰딩 유닛이 사용하는 물질의 종류에 따라 코팅 폴리머는 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 형성된 하이브리드 재료(200)의 표면에 섬유층(240)이 위치하는 실시예에서 섬유층(240)이 고분자 화합물 코팅층의 블리딩(bleeding)을 방지할 수 있으므로 저점성(low viscosity)을 갖는 코팅 폴리머가 선택될 수 있다.
고분자 화합물 코팅층(260)은 코팅 유닛에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅 유닛은 섬유층(240) 상에 고분자 화합물을 도포함으로써 스트랜드를 형성할 수 있고, 코팅 유닛은 스트랜드를 소정의 압력/힘/속도로 전달될 수 있다.
섬유층(240) 상에 고분자 화합물을 도포하여 스트랜드가 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유층(240)이 형성된 심재(220)는 코팅 유닛을 통과할 수 있고, 코팅 유닛은 섬유층(240) 상에 고분자 화합물을 도포할 수 있다.
스트랜드는 소정의 압력으로 전달될 수 있다. 도포된 고분자 화합물의 두께는 실질적으로 균일하지 않을 수 있다. 따라서, 소정의 압력을 가해 스트랜드를 전달함으로써, 실질적으로 균일한 두께를 갖는 고분자 화합물 코팅층(260)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 스트랜드는 소정의 압력을 받아 구멍을 통과할 수 있고, 이를 통해 실질적으로 균일한 두께를 갖는 고분자 화합물 코팅층(260)이 형성될 수 있다.
섬유층(240)은 고분자 화합물 코팅층(260) 상에 형성될 수 있다. 섬유층(240)은 섬유재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층은 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블의 구조를 가질 수 있다. 심재(220)에 포함된 섬유재와 섬유층(240)에 포함된 섬유재는 실질적으로 서로 동일할 수 있지만, 심재(220)에 포함된 섬유재와 섬유층(240)에 포함된 섬유재는 실질적으로 상이할 수 있다.
섬유층(240)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층(240)은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유층(240)은 편조 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 편조 유닛에 의해 고분자 화합물 코팅층(260) 상에 편조될 수 있다. 여기서, 편조 유닛은 섬유재를 감고 있는 다수의 보빈을 구비할 수 있고, 보빈은 동일 원주 상에 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 고분자 화합물 코팅층(260)이 형성된 심재(220)가 원주 상의 중심을 통과할 때, 다수의 보빈은 회전함과 동시에 원주를 따라 이동할 수 있다. 이 때, 섬유재는 보빈으로부터 풀려나올 수 있고, 풀려나온 섬유재는 고분자 화합물 코팅층(260) 상에 편조됨으로써 편조 구조가 형성될 수 있다. 이렇게 편조된 섬유층(240)은 심재(220)가 방사상으로 가하는 압력이나 부하를 견딜 수 있는 충분한 강성(rigidity/strength)을 가질 수 있다.
고분자 화합물 외부 코팅층은 섬유층(240) 상에 형성될 수 있다. 고분자 화합물 외부 코팅층은 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 두께가 실질적으로 균일하지 않은 섬유층(240) 상에 고분자 화합물 외부 코팅층이 형성됨으로써 형성된 하이브리드 재료(200)의 표면이 실질적으로 균일해질 수 있다.
고분자 화합물 외부 코팅층은 코팅 폴리머를 포함할 수 있다. 고분자 화합물 코팅층(260)에 포함된 고분자 화합물과 고분자 화합물 외부 코팅층에 포함된 고분자 화합물은 실질적으로 서로 동일할 수 있지만, 고분자 화합물 코팅층(260)에 포함된 고분자 화합물과 고분자 화합물 외부 코팅층에 포함된 고분자 화합물은 실질적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 고분자 화합물 코팅층(260)에 포함된 고분자 화합물은 저점성을 갖는 코팅 폴리머를 포함할 수 있지만, 고분자 화합물 외부 코팅층에 포함된 고분자 화합물은 고점성을 갖는 코팅 폴리머를 포함할 수 있다.
한편, 특정 텍스처나 구조형태가 하이브리드 재료(200)에 요구된다면, 그립핑 구조가 하이브리드 재료(200)의 표면에 형성될 수 있다. 즉, 고분자 화합물 외부 코팅층은 그립핑 구조를 포함할 수 있다. 그립핑 구조는 상호간의 기계적 결합력을 향상시키는 구조일 수 있다. 코팅 폴리머는 "화학적" 본딩을 제공할 수 있고, 그립핑 구조는 부가적인 "기계적" 본딩을 제공할 수 있다. 그립핑 구조는 하이브리드 재료(200)의 특정 표면 텍스처나 패턴을 구비할 수 있고, 전체적인 접촉 면적을 증가시킬 수도 있다.
섬유층(240)이 형성된 심재(220)의 온도를 조절하여 온도 조절된 토우가 형성될 수 있다. 예를 들어, 온도 조절된 토우는 온도 조절 유닛에 의해 형성될 수 있다. 온도 조절 유닛은 내부에서 이동하는 심재(220), 고분자 화합물 코팅층(260) 및 섬유층(240)의 온도를 균일하게 조절할 수 있다. 이 과정을 통해 심재(220), 고분자 화합물 코팅층(260) 및 섬유층(240) 중 적어도 하나 이상이 적절한 온도를 가질 수 있다.
온도 조절된 토우는 소정의 속도로 인취될 수 있다. 예를 들어, 온도 조절된 토우는 인취 속도를 조절할 수 있는 인취 유닛에 의해 인취될 수 있다. 인취 유닛의 속도조절에 의해 온도 조절된 토우가 소정의 속도로 인취될 수 있다. 이를 위해 인취 유닛은 적절한 힘으로 온도 조절된 토우를 끌어당길 수 있다. 인취 속도는 섬유층(240)이 형성되는 속도 및/또는 온도 조절된 토우의 두께에 기초하여 설정될 수 있다. 실시예에 따라, 인취 유닛은 벨트에 기초하여 온도 조절된 토우를 인취할 수 있다. 이 경우 인취 속도는 벨트의 이동 속도에 비례할 수 있다.
형성된 하이브리드 재료(200)는 와인딩될 수 있다. 인취 유닛에서 배출된 하이브리드 재료(200)는 와인더에 의해 와인딩될 수 있다. 여기서 와인더는 하이브리드 재료(200)를 와인딩하기에 적절한 직경을 가질 수 있다. 와인더에 의해 와인딩된 하이브리드 재료(200)는 3D 프린터 또는 몰딩 유닛에 공급될 수 있고, 3D 프린터 또는 몰딩 유닛의 원재료로 사용될 수 있다.
형성된 하이브리드 재료(200)는 절단될 수 있다. 인취 유닛에서 배출된 하이브리드 재료(200)는 절단 유닛에 의해 소정의 길이로 절단될 수 있다. 소정의 길이로 절단된 하이브리드 재료(200)는 3D 프린터 또는 몰딩 유닛에 공급될 수 있고, 3D 프린터 또는 몰딩 유닛의 원재료로 사용될 수 있다.
위에서 설명한 하이브리드 재료(100,200)는 심재, 섬유층 및 고분자 화합물 코팅층 사이의 물리적 상호작용에 기초하여 강성, 내구성 및 충격성 등의 성능을 조절할 수 있다.
도 10은 위에서 설명한 하이브리드 재료를 이용해 본 발명의 차량 도어 내부 패널(1000)에 포함되는 각 보강재를 형성하는 조형 시스템을 나타내는 개략도이다. 여기서는 하이브리드 재료의 도면번호를 300으로 표시하였다.
도 10을 참조하면, 하이브리드 재료(300)가 토출(discharge)된 후 적층됨으로써 각 보강재가 일체형 패널(1010)에 형성될 수 있다.
이를 위해 하이브리드 재료(300)는 가열될 수 있다. 예를 들어, 가열된 하이브리드 재료(300)는 로봇암과 로봇핸드를 포함하는 입체 형상 제조 로봇(320)에 공급될 수 있고, 로봇암에 연결된 로봇핸드의 토출구를 통해 토출될 수 있다. 또한, 가열된 하이브리드 재료(300)는 3D 프린터(340)에 공급될 수 있고, 3D 프린터에 포함된 핸드의 토출구를 통해 토출될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 관절들에 기초하여 공간 상의 동작이 제어되는 로봇암을 따라 로봇암에 연결된 로봇핸드의 토출구로 가열된 하이브리드 재료(300)가 운반될 수 있다. 여기서 로봇암은 복수의 관절들에 기초하여 공간 상의 동작이 제어될 수 있다. 운반된 하이브리드 재료(300)는 로봇핸드의 토출구를 통해 토출될 수 있고, 토출된 하이브리드 재료(300)는 적층됨으로써, 일체형 패널(1010) 상에 각 보강재(1100,1200,1300,1400,1510,1520,1610,1620,1630,1640) 및/또는 임팩트 빔(1700)이 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 2차원 평면 상에서 자유롭게 이동 가능한 핸드의 토출구로 가열된 하이브리드 재료(300)가 운반될 수 있고, 높낮이 조절이 가능한 베이스 또는 베이스 상에 형성되는 입체물 중 적어도 하나에 가열된 하이브리드 재료(300)가 적층될 수 있다. 예를 들어, 3D 프린터에 포함된 핸드는 2차원 평면 상에서 자유롭게 이동 가능할 수 있고, 핸드에 운반된 하이브리드 재료(300)는 핸드의 토출구를 통해 토출될 수 있다. 토출된 하이브리드 재료(300)는 높낮이 조절이 가능한 베이스 상에 적층됨으로써, 탄소섬유강화 복합소재로 성형된 일체형 패널(1010) 상에 각 보강재(1100,1200,1300,1400,1510,1520,1610,1620,1630,1640) 및/또는 임팩트 빔(1700)이 형성될 수 있다.
한편, 토출된 하이브리드 재료(300)가 형성한 보강재(1100,1200,1300,1400,1510,1520,1610,1620,1630,1640)를 인서트물로 활용하여 인서트 사출이 수행될 수 있다. 인서트 사출은 몰딩 유닛(molding unit, 360)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 몰딩 유닛(360)은 토출된 하이브리드 재료(300)가 형성한 보강재(1100,1200,1300,1400,1510,1520,1610,1620,1630,1640)에 기초하여 사출을 수행함으로써 차량 도어 내부 패널(1000)을 형성할 수 있다.
상술한 설명과 첨부된 도면은 본 발명의 가능한 실시예를 보여주고 있지만, 본 발명의 권리범위는 오로지 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 즉, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위나 사상으로부터 벗어나지 않는 한 다양한 부가, 변형 및 대체가 이루어질 수 있고, 다른 특정 형태, 구조, 배치, 성분, 크기로 구현되거나, 기타 요소, 물질, 부품과 함께 구현될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 기본적인 원리를 벗어나지 않으면서 특정 환경이나 동작 조건에 적응될 수 있을 것이며, 이는 당업자에 자명할 것이다.
100, 200, 300: 하이브리드 재료
120, 220: 심재
140, 240: 섬유층
160, 260: 고분자 화합물 코팅층
320: 입체 형상 제조 로봇
340: 3D 프린터
1000: 차량 도어 내부 패널
1010: 일체형 패널
UF: 상측 프레임부
LF: 하측 프레임부
HA: 힌지 영역
LA: 래치 영역
1020: 제1 개구부
1030: 제2 개구부
1100: 제1 보강재
1200: 제2 보강재
1300: 제3 보강재
1400: 제4 보강재
1510, 1520: 섬유 보강재
1610, 1620, 1630, 1640: 스트립 섬유 보강재
1700: 임팩트 빔

Claims (16)

  1. 탄소섬유강화 복합소재로 성형되고, 제1 개구부를 포함하는 상측 프레임부와 제2 개구부를 포함하는 하측 프레임부로 이루어지는 일체형 패널;
    상기 제1 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제1 보강재;
    상기 제2 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제2 보강재; 및
    상기 하측 프레임부의 외곽라인을 따라 보강되는 제3 보강재;를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 보강재는,
    고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재; 및
    상기 심재 상에 형성되는 섬유층;을 포함하는 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    차량 본체와 연결되는 상기 하측 프레임부의 힌지 영역에 배치된 제4 보강재;를 더 포함하고, 상기 제4 보강재는 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하측 프레임부는 평면 형상의 섬유 보강재;를 적어도 하나 포함하고, 상기 섬유 보강재는 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하측 프레임부의 둘레를 따라 배치된 적어도 하나의 스트립 섬유 보강재;를 더 포함하고, 상기 스트립 섬유 보강재는 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 개구부를 가로질러 배치된 임팩트빔(impact beam);을 더 포함하고, 상기 임팩트빔은 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  6. 탄소섬유강화 복합소재로 성형되고, 제1 개구부를 포함하는 상측 프레임부와 제2 개구부를 포함하는 하측 프레임부로 이루어지는 일체형 패널;
    상기 제1 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제1 보강재;
    상기 제2 개구부의 둘레를 따라 보강되는 제2 보강재; 및
    상기 하측 프레임부의 외곽라인을 따라 보강되는 제3 보강재;를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 보강재는,
    고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 심재;
    상기 심재 상에 형성되는 고분자 화합물 코팅층; 및
    상기 고분자 화합물 코팅층 상에 형성되는 섬유층;을 포함하는 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  7. 제6항에 있어서,
    차량 본체와 연결되는 상기 하측 프레임부의 힌지 영역에 배치된 제4 보강재;를 더 포함하고, 상기 제4 보강재는 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하측 프레임부는 평면 형상의 섬유 보강재;를 적어도 하나 포함하고, 상기 섬유 보강재는 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 하측 프레임부의 둘레를 따라 배치된 적어도 하나의 스트립 섬유 보강재;를 더 포함하고, 상기 스트립 섬유 보강재는 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 개구부를 가로질러 배치된 임팩트빔(impact beam);을 더 포함하고, 상기 임팩트빔은 상기 하이브리드 재료로 이루어진 차량 도어 내부 패널.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 화합물은 폴리 젖산(PolyLactic Acid; PLA), 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE), 폴리프로필렌(PolyPropylene; PP), 폴리아미드(PolyAmide; PA), 에이비에스(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene; ABS), 폴리메타크릴산메칠(Poly Methyl MethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate; PET), 폴리부틸렌테레프탈레이드(PolyButylene Terephthalate; PBT), 폴리에테르이미드(PolyEtherImide; PEI), 폴리페닐렌설파이드(PolyPhenylene Sulfide; PPS), 폴리에텔에텔케톤(PolyEtherEtherKetone; PEEK), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA), 폴리우레탄(PolyUrethane; PU), 에폭시(EPoxy; EP), 불포화 폴리에스터(Unsaturated Polyester; UP), 폴리이미드(PolyImide; PI), 페놀릭(PHenolic; PF) 중 적어도 하나를 포함하는 차량 도어 내부 패널.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유재 및 상기 섬유층 각각은 유리 섬유(Glass Fiber; GF), 탄소 섬유(Carbon Fiber; CF), 천연 섬유(Natural Fiber), 아라미드 섬유(Aramid Fiber; AF), 세라믹 섬유, 점조화 유체(Shear Thickening Fluid; STF) 섬유, 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy; SMA) 섬유, 광 섬유, 압전(piezoelectric) 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 차량 도어 내부 패널.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 심재는 스트랜드(strand), 얀(yarn), 토우(tow), 번들(bundle), 밴드 또는 테이프(tape) 중 하나의 형태를 갖는 차량 도어 내부 패널.
  14. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 심재는 일방향성(unidirectional)을 갖는 차량 도어 내부 패널.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유층은 편조 구조를 갖는 차량 도어 내부 패널.
  16. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 화합물 코팅층은 상호간의 기계적 결합력을 향상시키는 그립핑(gripping) 구조를 포함하는 차량 도어 내부 패널.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002531309A (ja) 1998-11-27 2002-09-24 ワゴン オートモーティブ ソシエテ アノニム 自動車ドアの構造要素とこの構造要素を具備する自動車ドア
JP2015160582A (ja) 2014-02-28 2015-09-07 アイシン精機株式会社 車両ドア
KR101628949B1 (ko) 2015-02-11 2016-06-10 주식회사 서연이화 차량용 도어모듈

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