KR102100198B1 - 압축 성형용 금형 및 이를 이용한 차량용 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

압축 성형용 금형이 제공된다. 일 실시예에 따른 압축 성형용 금형은 성형부가 상면에 형성된 하부 금형; 성형부에 삽입되는 코어; 하부 금형의 상면에 결합되고, 성형부 상에 탄소복합재료의 충진을 위한 공동을 형성하는 중간부 금형; 중간부 금형의 상방에 승강 가능하게 배치되고, 탄소복합재료의 압축을 위한 압축부가 하면에 형성된 상부 금형; 및 코어가 결합되는 코어 결합구가 형성된 허브 부싱을 포함하고, 중간부 금형은 측방향에서 서로 맞대어지는 복수의 분할 금형으로 형성되고, 코어에는 상하로 관통된 이형 볼트 체결구가 형성된다.

Description

압축 성형용 금형 및 이를 이용한 차량용 부품의 제조 방법{MOLD FOR COMPRESSION MOLDING AND MANUFACTURING METHOD OF PART FOR VEHICLE USING THE SAME}

본 개시는 탄소복합재료를 압축 성형하기 위한 금형 및 이를 이용한 차량용 부품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 개시는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원의 산업기술혁신사업 지원의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제고유번호: 10076991, 연구과제명: 단섬유/ Hot Press 공법을 이용한 Steel 대비 40% 경량화 된 차량용 탄소복합재 Knuckle 개발 (Development of CFRP Knuckle using Discontinuous Carbon Fiber and Hot Press Process)]

최근 차량용 부품의 경량화에 대한 관심이 높아지면서, 복합재료(composite materials)를 적용시킨 차량용 부품 및 이의 제조 기술이 개발되고 있다. 이와 관련한 일 예로서, 탄소복합재료를 금형을 사용하여 압축 성형하는 기술이 제안되고 있다.

종래의 탄소복합재료를 압축 성형하여 차량용 부품을 제조하는 방식에 따르면, 탄소복합재료가 충진(채워 넣어짐)된 암형을 수형으로 폐쇄한 후 열을 가한 상태에서 압축하여 부품이 성형되고, 성형된 부품을 금형으로부터 탈형시키는 공정이 수행된다. 그러나, 탄소복합재료의 열팽창계수와 금형의 열팽창계수의 차이로 인해 부품에 불균일한 수축이 발생되고, 탄소복합재료에 포함된 수지로 인해 부품이 금형에 고착되어, 성형된 부품을 금형으로부터 탈형시키기 어려웠다. 경우에 따라서는, 성형된 부품을 금형으로부터 무리하게 탈형시키는 중에, 부품이 손상되거나 파손될 수 있었다. 또한, 종래에는, 탄소복합재료가 충진되는 암형이 일체형으로 형성되어, 냉각, 세척 및 이형제 도포와 같은 전처리를 수행하기 어려웠고, 탄소복합재료의 압축 성형 도중 잉여 수지를 원활하게 배출시키기 어려웠다. 즉, 종래의 탄소복합재료를 압축 성형하여 차량용 부품을 제조하는 방식은, 제조 시간 및 제조 비용을 증가시키는 문제점이 있었다.

본 개시의 실시예들은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분할 구조를 갖는 압축 성형용 금형 및 이를 이용한 차량용 부품의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 개시의 실시예들은, 부품 탈형을 위한 볼트 체결 구조를 갖는 압축 성형용 금형 및 이를 이용한 차량용 부품의 제조 방법을 제공한다.

본 개시의 일 측면에 따른 실시예들은 압축 성형용 금형에 관한 것이다. 대표적 실시예에 따른 압축 성형용 금형은 성형부가 상면에 형성된 하부 금형; 성형부에 삽입되는 코어; 하부 금형의 상면에 결합되고, 성형부 상에 탄소복합재료의 충진을 위한 공동을 형성하는 중간부 금형; 중간부 금형의 상방에 승강 가능하게 배치되고, 탄소복합재료의 압축을 위한 압축부가 하면에 형성된 상부 금형; 및 코어가 결합되는 코어 결합구가 형성된 허브 부싱을 포함하고, 중간부 금형은 측방향에서 서로 맞대어지는 복수의 분할 금형으로 형성되고, 코어에는 상하로 관통된 이형 볼트 체결구가 형성된다.

일 실시예에 있어서, 압축 성형용 금형은 코어의 이형 볼트 체결구에 체결되고, 코어를 하부 금형의 성형부로부터 상승시키도록 회전되는 이형 볼트를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 압축 성형용 금형은 하부 금형의 성형부에 삽입되는 볼트 부싱을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 하부 금형에는 볼트 부싱을 위치 고정시키는 자성체가 내장될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 하부 금형의 성형부는 코어 삽입홈이 형성된 허브부 및 허브부를 에워싸는 금형 지지부를 포함하고, 하부 금형을 상방에서 볼 때, 성형부는 비대칭 형상을 가질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 복수의 분할 금형의 각각은 금형 지지부에 면 접촉되도록 하부 금형에 결합될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 복수의 분할 금형의 각각은 중간부 금형의 적어도 하나의 코너부를 포함하도록 형성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 복수의 분할 금형의 각각은 하부 금형의 상면에 나사 결합될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 탄소복합재료는 카본칩을 포함할 수 있다.

본 개시의 또 하나의 측면에 따른 실시예들은 전술한 압축 성형용 금형을 이용한 차량용 부품의 제조 방법에 관한 것이다. 대표적 실시예에 따른 차량용 부품의 제조 방법은 하부 금형의 성형부에 코어를 삽입시키고, 복수의 분할 금형이 중간부 금형을 형성하도록 하부 금형에 결합시키는 (a)단계; 하부 금형의 성형부와 중간부 금형 사이에 형성된 공동에 탄소복합재료를 충진시키는 (b)단계; 상부 금형을 중간부 금형을 향해 하강시켜 탄소복합재료를 압축하고, 코어가 허브 부싱에 삽입된 상태로 탄소복합재료를 경화시켜 허브 부싱과 일체화된 부품을 형성하는 (c)단계; 상부 금형을 중간부 금형으로부터 분리시키고, 중간부 금형을 복수의 분할 금형으로 분할하여 하부 금형으로부터 분리시키는 (d)단계; 및 부품이 하부 금형의 성형부로부터 상방으로 밀려 분리되도록 코어를 성형부로부터 상승시키고, 하부 금형으로부터 탈형된 부품의 허브 부싱에서 코어를 제거하는 (e)단계를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 (e)단계에서, 코어에 체결된 이형 볼트를 회전시켜 코어를 하부 금형의 성형부로부터 상승시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 이형 볼트가 회전할 때, 성형부의 상방으로 돌출된 부분이 부품의 하측부에 걸림되어, 부품은 하부 금형에 대한 회전이 방지되면서 상방으로 이동될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 (a)단계는, 하부 금형의 성형부에 볼트 부싱을 삽입시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 (c)단계에서, 볼트 부싱은 부품에 일체화되어 형성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 차량용 부품의 제조 방법은 하부 금형으로부터 탈형된 부품에 있어서의 볼트 부싱을 후가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 (b)단계에서, 하부 금형은 예비 설정 온도로 가열될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 (c)단계에서, 상부 금형 및 하부 금형은, 탄소복합재료를 경화시키도록 제1 온도로 제1 설정 시간 동안 가열한 후, 제2 온도로 제2 설정 시간 동안 가열될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 (c)단계에서, 상부 금형의 압축부에 허브 부싱을 결합시킨 상태에서 상부 금형을 하강시켜, 허브 부싱에 코어를 삽입시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 차량용 부품은 차량용 너클일 수 있다.

본 개시의 실시예들에 의하면, 탄소복합재료가 충진되는 공동이 하부 금형 및 복수의 분할 금형으로 형성되어 하부 금형에 결합되는 중간부 금형에 의해 형성된다. 또한, 부품에는 이형 볼트가 체결되는 코어가 삽입되어, 성형된 부품을 하부 금형으로부터 상방으로 밀어 분리시킬 수 있다. 따라서, 탄소복합재료를 압축 성형하여 제조된 부품을 금형으로부터 용이하게 탈형시킬 수 있다. 또한, 금형의 냉각, 세척 및 이형제 도포와 관련된 전처리를 간편하게 수행할 수 있다. 또한, 탄소복합재료의 압축 성형 도중 잉여 수지를 원활하게 배출시킬 수 있다. 즉, 탄소복합재료를 압축 성형하여 차량용 부품을 제조하는데 있어서, 제조 비용을 절감하고 제조 시간을 단축시켜, 차량용 부품의 제조 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 압축 성형용 금형을 포함하는 금형 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하부 금형을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 중간부 금형을 형성하는 복수의 분할 금형을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 상부 금형을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 코어를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 볼트 부싱을 도시한 사시도이다.
도 7은 도 5 및 도 6에 각각 도시된 코어 및 볼트 부싱이 삽입된 하부 금형을 도시한 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 허브 부싱을 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 허브 부싱이 결합된 상부 금형을 도시한 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 하부 금형 및 하부 금형에 결합된 중간부 금형을 도시한 사시도이며, 도 10의 (a) 및 도 10의 (b)는 탄소복합재료가 충진되기 전, 후의 상태를 각각 도시한다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 이형 볼트가 체결된 코어를 도시한 도면이며, 성형된 부품은 하부 금형의 성형부로부터 밀려 이동된 상태에 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 차량용 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 13은 도 12에 도시된 탄소복합재료 압축 성형 단계를 도시한 블록도이다.
도 14는 도 12에 도시된 부품 탈형 단계를 도시한 블록도이다.
도 15는 도 14에 도시된 부품 탈형 단계를 설명하기 위한 도면이다.

본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 개시에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.

본 개시에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.

본 개시에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.

본 개시에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.

본 개시에서 사용되는 "제1", "제2" 등의 표현들은 복수의 구성요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.

본 개시에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로, 또는 새로운 다른 구성요소를 매개로 하여 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 개시에서 사용되는 "상방", "상" 등의 방향지시어는 첨부된 도면에서 상부 금형이 하부 금형이나 중간부 금형에 대해 위치하는 방향을 기준으로 하고, "하방", "하" 등의 방향지시어는 그 반대 방향을 의미한다. 첨부된 도면에 도시하는 압축 성형용 금형은 달리 배향될 수도 있으며, 상기 방향지시어들은 그에 맞추어 해석될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 압축 성형용 금형(100)을 포함하는 금형 장치(1000)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 압축 성형용 금형(100)은 탄소복합재료(1)에 열을 가한 상태에서 압축 성형, 즉 열간 성형(hot pressing)할 수 있는 금형으로서, 탄소복합재료(1)를 차량용 부품(1')(도 11 및 도 15 참조)으로 성형시킬 수 있다. 압축 성형용 금형(100)은, 암형(female mold)을 형성하는 하부 금형(110) 및 중간부 금형(120)과, 암형에 대응되는 수형(male mold)을 형성하는 상부 금형(130)을 포함한다. 이하, 차량용 부품(1')은 간단히 '부품'이라고도 한다. 본 개시의 실시예들에서는, 차량용 부품(1')으로 너클(knuckle)이 예로 들어 설명되지만, 차량용 부품(1')은 이에 한정되지는 않는다. 예컨대, 다른 실시예에서는, 차량용 부품(1')으로 서스펜션 암(suspension arm) 등이 제조될 수 있다.

압축 성형용 금형(100)을 포함하는 금형 장치(1000)는, 하부 금형(110)이 상측에 장착되는 하부 장착대(200), 상부 금형(130)이 하측에 장착되는 상부 장착대(300) 및 상부 장착대(300)를 하부 장착대(200)를 대해 승강시킬 수 있는 승강 장치(400)를 포함한다. 또한, 금형 장치(1000)는 하부 금형(110) 및 상부 금형(130)의 각각을 가열할 수 있는 가열 장치(500)를 더 포함할 수 있다.

금형 장치(1000)는, 하부 장착대(200)를 상부 장착대(300)의 하측으로부터 벗어난 금형 장치(1000)의 일 측방으로 이동시킬 수 있는 이동 장치(600)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 차량용 부품(1')을 제조할 때, 하부 금형(110)을 금형 장치(1000)의 일 측방으로 이동시킨 상태에서 하부 금형(110)과 중간부 금형(120)의 조립 공정, 탄소복합재료의 충진 공정, 성형된 부품의 탈형 공정 등을 간편하게 수행할 수 있다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하부 금형(110)을 도시한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 하부 금형(110)은 하부 장착대(200)에 안착 및 결합되는 베이스부(111)와, 베이스부(111)의 상면(111a)에서 돌출 형성되는 성형부(112)를 포함할 수 있다. 베이스부(111)는 직사각 형상의 플레이트로 형성될 수 있으며, 가열 장치(500)의 열선(미도시)이 설치될 수 있도록 복수의 열선 삽입구(111c)가 관통 형성된다.

일 실시예에서, 성형부(112)는 베이스부(111)의 상면(111a) 중 중앙 부분에서 돌출 형성된다. 베이스부(111)의 상면(111a) 중 성형부(112)를 둘러싸는 가장자리 부분에는 중간부 금형(120)을 결합시키기 위한 복수의 금형 결합구(111b)가 형성된다.

하부 금형(110)은 탄소복합재료(1)의 압축 성형 도중 가압력을 받더라도 변형이 발생되지 않도록 강성이 우수한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 하부 금형(110)은 탄소복합재료(1)를 가열할 수 있도록 열전도도가 우수한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서는, 하부 금형(110)이 스틸 재료로 형성된다.

성형부(112)는 부품 형체를 형성하는 부분이다. 일 실시예의 성형부(112)는 탄소복합재료(1)가 실질적으로 채워지는 허브부(112a) 및 허브부(112a)를 에워싸는 금형 지지부(112f)를 포함한다. 하부 금형(110)을 상방에서 볼 때, 성형부(112)는 비대칭 형상을 가진다.

허브부(112a)에는 원형의 코어 삽입홈(112b)이 형성된다. 또한, 코어 삽입홈(112b)의 내측 바닥면에는 한 쌍의 코어 고정구(112c)가 형성된다. 또한, 허브부(112a)에는 복수의 부싱 삽입홈(112d)이 형성된다. 부싱 삽입홈(112d)은 코어 삽입홈(112b)의 주변 부분에 형성될 수 있고, 금형 지지부(112f)와 인접한 부분에도 형성될 수 있다(도 2에는, 구분을 위해 금형 지지부와 인접한 부분에 형성된 부싱 삽입홈이 112d'로 표시되어 있다). 하부 금형(110)에 있어서, 부싱 삽입홈(112d)이 형성되는 부분에는 자성체(112e)가 내장될 수 있다.

금형 지지부(112f)는 인접한 허브부(112a)보다 상방으로 돌출되게 형성된다. 중간부 금형(120)이 상방 및 측방에서 각각 면 접촉되는 금형 지지부(112f)의 표면은 곡면을 포함할 수 있다. 따라서, 하부 금형(110)과 중간부 금형(120) 간의 접촉 면적을 증가시킬 수 있어, 압축 성형 과정에서 하방으로 가해지는 가압력에도 하부 금형(110)과 중간부 금형(120)의 결합 상태를 안정적으로 유지시킬 수 있다. 또한, 중간부 금형(120)을 형성하는 복수의 분할 금형이 금형 지지부(112f)의 서로 다른 표면에 접촉된 상태로 결합되어야 하므로, 복수의 분할 금형이 하부 금형(110)에 오조립되는 것을 방지할 수 있다.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 중간부 금형(120)을 형성하는 복수의 분할 금형(121 내지 124)을 도시한 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 중간부 금형(120)은 측방향에서 서로 맞대어질 수 있는 복수의 분할 금형(121 내지 124)을 포함한다. 복수의 분할 금형(121 내지 124)의 각각은 하부 금형(110)의 상면(111a)에 안착된 상태로 결합되고, 측방향에서 서로 맞대어진 상태에서 성형부(112)[구체적으로는, 허브부(112a)] 상에 탄소복합재료(1)가 충진될 수 있는 공동(캐비티)(10)(도 10의 (a) 참조)을 형성한다.

일 실시예에서와 같이, 중간부 금형(120)이 분할 구조로 이루어지므로, 일체형의 중간부 금형에 비해 공기 중에 노출되는 표면적이 증가되어 보다 신속하게 냉각시킬 수 있다. 또한, 공동(10)을 형성하는 표면에, 이전 압축 성형 공정 시 발생된 이물질이 남아 있는 경우에도, 이물질을 용이하게 제거할 수 있도록 세척할 수 있고, 이후 압축 성형 공정을 위해 이형제를 간편하게 도포할 수 있다.

중간부 금형(120)의 분할되는 형상 및 개수는, 제조하려는 부품(1')의 형상 및 크기에 따라 달라질 수 있고, 잉여 수지의 배출량 조절을 위해 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 중간부 금형(120)은 4개의 분할 금형(121 내지 124)으로 분할되며, 이 경우에 4개의 분할 금형(121 내지 124)의 각각은 중간부 금형(120)의 적어도 하나의 코너부를 포함하도록 형성된다. 중간부 금형(120)이 너무 적은 개수(예컨대, 2개나 3개)의 분할 금형으로 분할되면, 개별 분할 금형의 중량 및 부피가 상대적으로 커져서 취급 및 관리하기가 어렵다. 또한, 분할 금형 사이의 간격량이 감소하여 잉여 수지의 배출량을 증가시키는데 한계가 있다. 중간부 금형(120)이 과도한 개수의 분할 금형으로 분할되면, 중간부 금형(120)을 하부 금형(110)에 결합 또는 분리시키는데 소요되는 시간이 증가된다. 또한, 개별 분할 금형마다 세척 및 이형제를 도포해야 하는 시간이 증가되어, 차량용 부품의 제조 생산성이 저하될 수 있다.

복수의 분할 금형(121 내지 124)의 각각은, 인접한 다른 분할 금형과 맞대어지는 측면(120a)을 포함한다. 또한, 복수의 분할 금형(121 내지 124)의 각각은, 하부 금형(110)에 결합될 때, 베이스부(111)의 상면(111a)에 접촉되는 제1 하면(120b) 및 금형 지지부(112f)의 상면에 접촉되는 제2 하면(120c)을 포함한다. 즉, 복수의 분할 금형(121 내지 124)의 각각은, 하부 금형(110)에 결합될 때, 인접한 다른 금형과 측방에서 접촉되며 하부 금형(110)과 적어도 2군데에서 접촉된다. 따라서, 복수의 분할 금형(121 내지 124)을 하부 금형(110)에 견고하게 결합시킬 수 있다.

복수의 분할 금형(121 내지 124)의 각각은 하부 금형(110)에 나사 체결 방식으로 결합된다. 이를 위해, 복수의 분할 금형(121 내지 124)의 각각에는, 하부 금형(110)의 금형 결합구(111b)에 대응될 수 있는 금형 결합구(120d)가 관통 형성된다. 미도시되었지만, 압축 성형용 금형(100)은 상하로 정렬되는 금형 결합구(111b, 120d)에 체결되어 분할 금형들(121 내지 124)을 하부 금형(110)에 결합시키는 금형 결합 볼트를 포함할 수 있다. 금형 결합 볼트는 6각 볼트를 포함할 수 있으며, 이 경우 금형 결합 볼트는 렌치를 사용하여 풀리거나 조여질 수 있다.

복수의 분할 금형(121 내지 124)의 각각은, 공동(10)의 상방으로 개방된 부분(개구)을 형성하는 에지부(120e)를 포함한다. 에지부(120e)는, 복수의 분할 금형(121 내지 124)을 하부 금형(110)으로부터 용이하게 분리시킬 수 있도록, 상하 방향으로 라운드지거나 또는 테이퍼지게 형성될 수 있다.

중간부 금형(120)을 형성하는 복수의 분할 금형(121 내지 124)은, 하부 금형(110)으로부터의 열전달이 가능하도록 스틸 재료로 형성될 수 있다.

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 상부 금형(130)을 도시한 사시도이다.

도 4를 참조하면, 상부 금형(130)은 상부 장착대(300)에 부착되는 베이스부(131)와, 베이스부(131)의 하면(131a)에서 돌출 형성되는 압축부(132)를 포함한다. 베이스부(131)는 하부 금형(110)의 베이스부(111)에 대응하도록 직사각 형상의 플레이트로 형성될 수 있다.

압축부(132)는, 하부 금형(110)의 허브부(112a)와 상하로 대향될 수 있도록 베이스부(131)의 하면(131a)의 중앙 부분에서 돌출 형성된다. 베이스부(131)의 하면(131a)에 있어서, 압축부(132)를 둘러싸는 가장자리 부분에는, 상부 금형(130)을 상부 장착대(300)에 고정시키기 위한 복수의 금형 결합구(131b)가 형성된다.

상부 금형(130)은 스틸 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상부 금형(130)의 베이스부(131)에는, 가열 장치(500)의 열선이 설치될 수 있도록 복수의 열선 삽입구(131c)가 관통 형성된다.

압축부(132)는 부품 형체를 형성하는 부분으로서, 상부 금형(130)을 하강시킴에 따라 하부 금형(110) 및 중간부 금형(120)에 의해 형성되는 공동(10)으로 삽입되어 공동(10) 내에 충진된 탄소복합재료(1)를 압축시킬 수 있다. 이러한 압축부(132)에는 하부 금형(110)의 코어 삽입홈(112b)과 대향되는 위치에 허브 부싱 삽입홈(132a)이 형성된다.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 코어(140)를 도시한 사시도이다.

도 5를 참조하면, 압축 성형용 금형(100)은 탄소복합재료(1)의 압축 성형 전 하부 금형(110)에 삽입되는 코어(140)를 더 포함할 수 있다. 코어(140)는 공동(10) 내에서 코어(140)가 점유하고 있는 부분에 탄소복합재료(1)가 충진되지 못하도록 한다. 원기둥 형상으로 형성되는 코어(140)는 압축 성형이 완료된 후 부품(1')에서 제거되어 부품(1')에는 다른 차량용 부품과 조립될 수 있는 구멍이 용이하게 형성될 수 있다. 부품(1')이 너클인 경우, 코어(140)를 제거하여 형성된 구멍에는 외륜이 삽입될 수 있다. 이러한 코어(140)는 고압 및 고압 하에서도 변형이 발생되지 않도록 금속 재료로 형성된다. 일 실시예의 코어(140)는 스틸 재료로 형성된다.

코어(140)에는 원형의 양 단면을 상하로 관통하는 이형 볼트 체결구(141)가 형성된다. 또한, 코어(140)에는 한 쌍의 고정 볼트 체결구(142)가 형성된다. 이형 볼트 체결구(141)는 코어(140)의 단면 중심을 지나도록 형성되고, 한 쌍의 고정 볼트 체결구(142)는 이형 볼트 체결구(141)를 기준으로 서로 마주하도록 형성될 수 있다.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 볼트 부싱(150)을 도시한 사시도이다.

도 6을 참조하면, 압축 성형용 금형(100)은 탄소복합재료(1)의 압축 성형 전 하부 금형(110)에 삽입되는 적어도 하나의 볼트 부싱(150)을 더 포함할 수 있다. 볼트 부싱(150)은 부품(1')의 후가공(예컨대, 부품에 구멍을 형성하기 위한 드릴링 등) 시 이종의 재료가 복합된 재료적 성질에 의해 부품(1')의 후가공되는 부분이 깨짐 등의 파손이 발생되지 않도록, 압축 성형되는 부품(1')에 일체로 형성된다.

볼트 부싱(150)은 원기둥 형상을 가지며, 상단 및 하단 각각에서 돌출되는 돌기(151, 152)를 포함한다. 볼트 부싱(150)의 상단에서 돌출되는 돌기(151)에는 홈(153)이 형성되어 있어, 볼트 부싱(150)을 도구를 사용하여 하부 금형(110)에 간편하게 삽입시킬 수 있다.

도 7은 도 5 및 도 6에 각각 도시된 코어(140) 및 볼트 부싱(150)이 삽입된 하부 금형(110)을 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 하부 금형(110)의 성형부(112)에 형성된 코어 삽입홈(112b)에는 코어(140)가 삽입된다. 이때, 코어(140)에 형성된 한 쌍의 고정 볼트 체결구(142)의 각각은 성형부(112)에 형성된 한 쌍의 코어 고정구(112c)(도 2 참조)의 각각에 정렬된다. 일 실시예의 압축 성형용 금형(100)은, 코어 삽입홈(112b)에 삽입된 코어(140)를 성형부(112)에 밀착시킬 수 있으며, 탄소복합재료(1)의 압축 성형 도중 움직임이 발생되지 않도록, 고정 볼트 체결구(142)를 통해 코어 고정구(112c)에 체결되는 코어 고정 볼트(113)를 더 포함할 수 있다.

볼트 부싱(150)은 하부 금형(110)의 성형부(112)에 형성된 복수의 부싱 삽입홈(112d)의 각각에 삽입된다. 부품(1')의 후가공 시 볼트 부싱(150)에 구멍이 형성될 수 있다. 볼트 부싱(150)에 형성된 구멍은 부품(1')이 차량에 장착될 수 있도록 다른 차량용 부품(예컨대, 외륜)에 형성된 구멍과 정렬될 수 있다. 부싱 삽입홈(112d)에 삽입된 볼트 부싱(150)은 자성체(112e)(도 2 참조)에 의해 부싱 삽입홈(112d)으로부터 임의로 분리되는 것이 방지된다.

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 허브 부싱(160)을 도시한 사시도이다.

도 8을 참조하면, 압축 성형용 금형(100)은 코어(140)와 결합되는 허브 부싱(160)을 더 포함할 수 있다. 이러한 허브 부싱(160)은, 코어(140)가 억지끼워맞춤되는 코어 결합구(163)가 형성된 링부(161)와, 링부(161)에서 반경 외측 방향으로 돌출하는 윙부(162)를 포함한다. 링부(161)는 억지끼워맞춤된 코어(140)가 임의로 분리되지 않도록, 코어(140)의 외주면과 충분한 면적에서 접촉되는 내주면을 갖는 원통 형상으로 형성될 수 있다.

허브 부싱(160)은 코어(140)에 결합된 상태로 부품(1')에 일체로 형성되고, 코어(140)를 부품(1')에서 제거할 때 차량용 부품(1')이 파손되지 않도록 한다. 이러한 허브 부싱(160)은 코어(140)가 제거되어 구멍으로 형성되는 부분의 강성이나 강도를 보강시킬 수 있다.

도 9는 도 8에 도시된 허브 부싱(160)이 결합된 상부 금형(130)을 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 허브 부싱(160)은 상부 금형(130)의 압축부(132)에 형성된 허브 부싱 삽입홈(132a)(도 4 참조)에 삽입된다. 허브 부싱(160)은 상부 금형(130)으로부터 임의로 분리되지 않도록 허브 부싱 삽입홈(132a)에 억지끼워맞춤된다.

일 실시예의 부품(1')에서는, 허브 부싱(160)이 노출되도록 부품(1')에 일체로 형성된다(도 15 참조). 즉, 상부 금형(130)이 하강되어 허브 부싱(160)이 코어(140)에 결합된 상태에서, 허브 부싱(160)의 상측 표면에는 탄소복합재료(1)가 덮이지 않는 상태로 압축 성형된다. 다른 실시예에서, 허브 부싱(160)이 거의 노출되지 않게 매립된 형태로 부품(1')에 일체로 형성되는 경우, 허브 부싱(160)은 상부 금형(130)에 삽입된 상태에서 코어(140)에 결합되지 않고, 코어(140)에 결합된 상태로 하부 금형(110)에 위치될 수 있다.

도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 하부 금형(110) 및 하부 금형(110)에 결합된 중간부 금형(120)을 도시한 사시도이다. 도 10의 (a) 및 도 10의 (b)는 탄소복합재료(1)가 충진되기 전, 후의 상태를 각각 도시한다.

도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 금형(110)에 중간부 금형(120)을 결합시키면 상방으로 개방되는 공동(10)이 형성된다. 이러한 공동(10)에는, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 탄소복합재료(1)가 충진된다. 탄소복합재료(1)는 탄소섬유강화플라스틱(carbon fiber reinforced plastic; CFRP)으로서, 카본칩(carbon chip)을 포함한다. 일 실시예의 카본칩은 카본 섬유(carbon fiber)에 에폭시 수지(epoxy resin)를 함침하여 형성된 시트 형태의 프리프레그(prepreg)를 슬리팅(slitting) 및 쵸핑(chopping)한 것으로, 가느다란 칩 형상을 가진다. 카본칩은 평상 시 냉동 보관되며, 상온에서 유동성을 갖도록 부드러워진다. 이러한 카본칩은 압축 성형에 의해 서로 단단하게 뭉쳐지고 경화된다.

도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 이형 볼트(170)가 체결된 코어(140)를 도시한 도면이며, 부품(1')은 하부 금형(110)의 성형부(112)로부터 밀려 이동된 상태에 있다.

도 11을 참조하면, 압축 성형용 금형(100)은 성형된 부품(1')을 하부 금형(110)으로부터 용이하게 분리시킬 수 있는 이형 볼트(170)를 더 포함할 수 있다.

이형 볼트(170)는 코어(140)에 형성된 이형 볼트 체결구(141)에 체결된다. 이형 볼트(170)를 회전시키면, 이형 볼트(170)가 체결된 코어(140)가 상승된다. 따라서, 코어(140)에 억지끼워맞춤된 허브 부싱(160) 및 허브 부싱(160)이 일체화된 부품(1')이 하부 금형(110)의 성형부(112)로부터 분리될 수 있도록 상승된다.

하부 금형(110)의 성형부(112)는 비대칭 형상으로 형성되어, 이형 볼트(170)를 회전시킬 때, 성형부(112)의 상방으로 돌출된 부분(예컨대, 금형 지지부의 융기된 부분)에 성형된 부품(1')의 하측부가 걸리게 된다. 따라서, 이형 볼트(170)의 회전에 의해 부품(1')은 하부 금형(110)에 대한 회전이 방지되면서 상방으로 이동, 즉 분리될 수 있다. 이와 같이, 일 실시예에서는, 압축 성형에 의해 하부 금형(110)에 부착된 부품(1')을 이형 볼트(170)를 회전시키는 것으로서 간단하게 분리시킬 수 있다.

이하, 전술한 일 실시예의 압축 성형용 금형(100)을 이용한 차량용 부품의 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 차량용 부품의 제조 방법(S1000)을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 차량용 부품의 제조 방법(S1000)은 재료 준비 단계(S100), 금형 전처리 단계(S200), 탄소복합재료 압축 성형 단계(S300), 부품 탈형 단계(S400) 및 부품 후가공 단계(S500)를 포함한다.

재료 준비 단계(S100)는, 부품 제조에 필요한 탄소복합재료(1)를 계량하는 단계를 포함한다. 탄소복합재료(1)의 계량은 상온에서 수행될 수 있으며, 계량 전, 후에 있어서의 탄소복합재료(1)는 냉동 보관된다. 탄소복합재료(1)는, 압축 성형 시의 소재 및 수지의 손실량을 고려하여, 실질적으로 부품(1')으로 형성되는 양보다 더 많게 계량된다. 한 개의 부품(1')을 제조하기 위해 계량된 탄소복합재료(1)는, 금형에 충진되기 전까지 냉동 보관된다.

금형 전처리 단계(S200)는, 금형[하부 금형(110), 중간부 금형(120) 및 상부 금형(130)]을 세척하고, 금형으로부터 성형된 부품(1')을 쉽게 탈형시킬 수 있도록 이형제를 도포하는 단계를 포함한다. 또한, 금형 전처리 단계(S200)는, 금형이 부품 제조를 위해 사용된 경우, 세척 및 이형제 도포 전에 냉각시키는 단계를 포함한다.

금형이 제조된 후 처음 사용되는 경우, 금형 전처리 단계(S200)는 금형 제조 시 발생된 오염물질을 금형에서 제거하는 세척 단계 및 금형에 형성된 미세한 흠집을 실러(sealer)로 채우는 도포 단계를 더 포함할 수 있다.

탄소복합재료 압축 성형 단계(S300) 및 부품 탈형 단계(S400)는 도 13을 참조하여 상세히 설명한다.

부품 후가공 단계(S500)는, 금형으로부터 탈형된 부품(1')의 표면을 다듬는 단계(예컨대, 트리밍 단계)를 포함한다. 또한, 부품 후가공 단계(S500)는, 부품(1')에 일체화된 볼트 부싱(150)에 구멍을 형성하기 위해 드릴링하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 13은 도 12에 도시된 탄소복합재료 압축 성형 단계(S300)를 도시한 블록도이다.

도 13을 참조하면, 탄소복합재료 압축 성형 단계(S300)는, 하부 금형(110)의 성형부(112)에 코어(140)를 삽입시키고, 복수의 분할 금형(121 내지 124)이 중간부 금형(120)을 형성하도록 하부 금형(110)에 결합시키는 단계(S310), 하부 금형(110)의 성형부(112)와 중간부 금형(120) 사이에 형성된 공동(10)에 탄소복합재료(1)를 충진시키는 단계(S320) 및 상부 금형(130)을 중간부 금형(120)을 향해 하강시켜 탄소복합재료(1)를 압축하고, 코어(140)가 허브 부싱(160)에 삽입된 상태로 탄소복합재료(1)를 경화시켜 허브 부싱(160)과 일체화된 부품(1')을 형성하는 단계(S330)를 포함한다.

하부 금형(110)의 성형부(112)에 코어(140)를 삽입시키는 단계(S310)는, 하부 금형(110)의 성형부(112)에 볼트 부싱(150)을 삽입시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

탄소복합재료(1)를 공동(10)에 충진시키는 단계(S320)에서는, 탄소복합재료(1)가 상온 경화되는 것을 방지할 수 있도록, 계량 후 냉동 보관된 탄소복합재료(1)는 전량 상온에 꺼내어진 상태로 충진되지 않고, 충진에 소요되는 시간에 기초하여 상온으로 조금씩 꺼내어져 충진될 수 있다. 탄소복합재료(1)를 공동(10)에 충진시키는 단계(S320)에서, 탄소복합재료(1)는 공동(10)을 형성하는 하부 금형(110) 및 중간부 금형(120)이 설정된 예비 온도(예컨대, 80℃)에 도달된 후 충진될 수 있다.

허브 부싱이 일체화된 부품(1')을 형성하는 단계(S330)에서, 허브 부싱(160)을 상부 금형(130)의 압축부(132)에 삽입시킨 상태에서 상부 금형(130)을 하강시켜 허브 부싱(160)을 코어(140)에 삽입시킬 수 있다.

또한, 탄소복합재료(1)를 경화시키기 위해, 하부 금형(110)과 상부 금형(130)은 2단계의 설정 온도 및 설정 시간으로 가열될 수 있다(하부 금형과 상부 금형로부터 열전달을 받는 중간부 금형도 가열된다). 예컨대, 1단계에서 하부 금형(110)과 상부 금형(130)은 제1 설정 온도(예컨대, 100℃)에 도달될 때까지 가열된 후 제1 설정 시간(예컨대, 30분) 동안 유지될 수 있다. 또한, 제1 설정 시간이 경과된 후 하부 금형(110)과 상부 금형(130)은 제2 설정 온도(예컨대, 150℃)에 도달될 때까지 가열된 후 제2 설정 시간(예컨대, 60분) 동안 유지될 수 있다.

도 14는 도 12에 도시된 부품 탈형 단계(S400)를 도시한 블록도이고, 도 15는 도 14에 도시된 부품 탈형 단계(S400)를 설명하기 위한 도면이다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 부품 탈형 단계(S400)는 상부 금형(130)을 중간부 금형(120)으로부터 분리시키고, 중간부 금형(120)을 복수의 분할 금형(121 내지 124)으로 분할하여 하부 금형(110)으로부터 분리시키는 단계(S410)(도 14의 (a) 참조) 및 부품(1')이 하부 금형(110)의 성형부(112)로부터 상방으로 밀려 분리되도록 코어(140)를 성형부(112)로부터 상승시키고(도 14의 (b) 참조), 하부 금형(110)으로부터 탈형된 부품(1')의 허브 부싱(160)에서 코어(140)를 제거(도 14의 (c) 참조)하는 단계(S420)를 포함한다.

상부 금형(130)은 승강 장치(400)에 의해 상승됨으로써 중간부 금형(120)으로부터 분리될 수 있다. 중간부 금형(120)을 형성하는 복수의 분할 금형(121 내지 124)은 하부 금형(110)에 체결된 볼트를 해제함으로써 하부 금형(110)으로부터 분리될 수 있다.

코어(140)를 성형부(112)로부터 상승시키기 위해, 코어 고정 볼트(113)를 코어(140)로부터 분리시킨 후, 코어(140)에 이형 볼트(170)를 체결하고, 이형 볼트(170)를 회전시킬 수 있다. 이형 볼트(170)의 회전에 의해 코어(140)가 상승됨에 따라 코어(140)와 억지끼워맞춤된 허브 부싱(160)이 함께 상승된다. 따라서, 허브 부싱(160)이 일체화된 부품(1')도 하부 금형(110)의 성형부(112)로부터 분리되도록 상승될 수 있다. 이형 볼트(170)가 회전할 때, 하부 금형(110)에 있어서의 성형부(112)의 상방으로 돌출된 부분이 부품(1')의 하측부에 걸림된다. 이에 따라, 이형 볼트(170)와 같이 부품(1')이 회전되지 않고, 부품(1')은 하부 금형(110)에 대한 회전이 방지되면서 상방으로 이동될 수 있다. 이와 같이, 일 실시예에 따르면, 탄소복합재료(1)가 압축 성형에 의해 부품(1')으로 제조되는 과정에서, 하부 금형(110)의 성형부(112)에 고착될 수 있는 부품(1')을 간편하게 분리시킬 수 있어 부품 탈형에 소요되는 공정 시간을 현저하게 단축시킬 수 있다.

이상 일부 실시예들과 첨부된 도면에 도시된 예에 의해 본 개시의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 개시의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

100: 압축 성형용 금형, 110: 하부 금형, 120: 중간부 금형, 121 내지 124: 분할 금형, 130: 상부 금형, 140: 코어, 150: 볼트 부싱, 160: 허브 부싱, 170: 이형 볼트

Claims (18)

1. 성형부가 상면에 형성된 하부 금형;
   상기 성형부에 삽입되는 코어;
   상기 하부 금형의 상면에 결합되고, 상기 성형부 상에 탄소복합재료의 충진을 위한 공동을 형성하는 중간부 금형;
   상기 중간부 금형의 상방에 승강 가능하게 배치되고, 상기 탄소복합재료의 압축을 위한 압축부가 하면에 형성된 상부 금형; 및
   상기 코어가 결합되는 코어 결합구가 형성된 허브 부싱을 포함하고,
   상기 중간부 금형은 측방향에서 서로 맞대어지는 복수의 분할 금형으로 형성되고,
   상기 코어에는 상하로 관통된 이형 볼트 체결구가 형성되고,
   상기 이형 볼트 체결구에 체결되고, 상기 코어를 상기 성형부로부터 상승시키도록 회전되는 이형 볼트를 더 포함하는,
   압축 성형용 금형.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 성형부에 삽입되는 볼트 부싱을 더 포함하는, 압축 성형용 금형.
4. 제3항에 있어서,
   상기 하부 금형에는 상기 볼트 부싱을 위치 고정시키는 자성체가 내장된, 압축 성형용 금형.
5. 제1항에 있어서,
   상기 성형부는 코어 삽입홈이 형성된 허브부 및 상기 허브부를 에워싸는 금형 지지부를 포함하고,
   상기 하부 금형을 상방에서 볼 때, 상기 성형부는 비대칭 형상을 갖는, 압축 성형용 금형.
6. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 분할 금형의 각각은 상기 금형 지지부에 면 접촉되도록 상기 하부 금형에 결합되는, 압축 성형용 금형.
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 분할 금형의 각각은 상기 중간부 금형의 적어도 하나의 코너부를 포함하도록 형성되는, 압축 성형용 금형.
8. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 분할 금형의 각각은 상기 하부 금형의 상면에 나사 결합되는, 압축 성형용 금형.
9. 제1항에 있어서,
   상기 탄소복합재료는 카본칩을 포함하는, 압축 성형용 금형.
10. 하부 금형의 성형부에 코어를 삽입시키고, 복수의 분할 금형이 중간부 금형을 형성하도록 상기 하부 금형에 결합시키는 (a)단계;
    상기 하부 금형의 상기 성형부와 상기 중간부 금형 사이에 형성된 공동에 탄소복합재료를 충진시키는 (b)단계;
    상부 금형을 상기 중간부 금형을 향해 하강시켜 상기 탄소복합재료를 압축하고, 상기 코어가 코어 결합구가 형성된 허브 부싱에 삽입된 상태로 상기 탄소복합재료를 경화시켜 상기 허브 부싱과 일체화된 부품을 형성하는 (c)단계;
    상기 상부 금형을 상기 중간부 금형으로부터 분리시키고, 상기 중간부 금형을 상기 복수의 분할 금형으로 분할하여 상기 하부 금형으로부터 분리시키는 (d)단계; 및
    상기 부품이 상기 성형부로부터 상방으로 밀려 분리되도록 상기 코어를 상기 성형부로부터 상승시키고, 상기 하부 금형으로부터 탈형된 상기 부품의 상기 허브 부싱에서 상기 코어를 제거하는 (e)단계를 포함하고,
    상기 (c)단계에서, 상기 상부 금형의 압축부에 상기 허브 부싱을 결합시킨 상태에서 상기 상부 금형을 하강시켜, 상기 허브 부싱에 상기 코어를 삽입시키고,
    상기 (e)단계에서, 상기 코어에 체결된 이형 볼트를 회전시켜 상기 코어를 상기 성형부로부터 상승시키는,
    차량용 부품의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서,
    상기 이형 볼트가 회전할 때, 상기 성형부의 상방으로 돌출된 부분이 상기 부품의 하측부에 걸림되어, 상기 부품은 상기 하부 금형에 대한 회전이 방지되면서 상방으로 이동되는, 차량용 부품의 제조 방법.
13. 제10항에 있어서,
    상기 (a)단계는, 상기 하부 금형의 상기 성형부에 볼트 부싱을 삽입시키는 단계를 포함하고,
    상기 (c)단계에서, 상기 볼트 부싱은 상기 부품에 일체화되어 형성되는, 차량용 부품의 제조 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 하부 금형으로부터 탈형된 상기 부품에 있어서의 상기 볼트 부싱을 후가공하는 단계를 더 포함하는, 차량용 부품의 제조 방법.
15. 제10항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    상기 하부 금형은 예비 설정 온도로 가열되는, 차량용 부품의 제조 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 (c)단계에서,
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형은, 상기 탄소복합재료를 경화시키도록 제1 온도로 제1 설정 시간 동안 가열한 후, 제2 온도로 제2 설정 시간 동안 가열되는, 차량용 부품의 제조 방법.
17. 삭제
18. 제10항에 있어서,
    상기 부품은 차량용 너클인, 차량용 부품의 제조 방법.

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