KR102278373B1 - 복합소재 적층 구조물 성형해석 기법을 활용하여 프리프레그가 선택적으로 보강적층된 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 확인 방법을 이용한 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법은, 장섬유 프리프레그, SMC 판재 및 상기 장섬유 프리프레그와 SMC 판재가 순차적으로 장입되는 금형 조립체를 준비하는 단계; 상기 금형 조립체를 이루는 하금형 상에 상기 장섬유 프리프레그를 1차적으로 배치한 상태에서 상금형을 하강하여 프레싱 성형을 행하는 단계; 및 상기 성형된 장섬유 프리프레그 상에 상기 SMC 판재를 올려놓은 상태에서 2차적으로 프레싱하여 SMC 프리프레그 복합물을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 확인 방법은, 복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 성형 해석을 위한 물성 및 성형 조건을 선정하는 단계; 선정된 물성에 따라 복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 구조 해석을 진행하는 단계; 상기 SMC 시트 소재 상에 적층된 복수의 보강재의 물성인 두께, SMC 시트 소재의 영률 및 압력에 따른 거동을 판단하는 단계; 및 상기 SMC 시트 소재 만을 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과 및 보강재가 충전 적층된 SMC 시트를 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과를 비교분석하여 적합한 하이브리드 복합 소재 구조물을 결정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

Description

복합소재 적층 구조물 성형해석 기법을 활용하여 프리프레그가 선택적으로 보강적층된 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법{Method for manufacturing hybrid Composite structure with prepreg selectively reinforced and stacked by using composite material laminated structure molding analysis technique}

본 발명은 복합소재 적층 구조물 성형해석 기법을 활용하여 센터 플로어 모듈에 대한 강도 경량 특성 향상 및 우수한 성형성을 확보하기 위하여 장섬유 프리프레그가 선택적으로 보강적층된 하이브리드 SMC를 활용한 하이브리드 복합 소재 구조물 제조 방안에 관한 것이다.

최근 자동차 환경 및 연비 관련 규제 강화로 인해 차체 부품 경량화가 가속화되면서 차세대 고강도 경량소재를 활용한 차량용 부품 제작 사례가 증가하고 있다. 온실가스 배출 규제 강화 정책에 대한 대응 및 친환경성 고연비 달성을 목적으로 주요 완성차업체들은 복합소재를 활용한 차량 경량화 기술개발을 지속적으로 진행 중인 상태이다.

자동차용 센터 플로어는 충돌에 의한 충격에너지를 흡수해 탑승자를 보호해야 하므로 강성이 높은 강판으로 구성되어 있다. 센터 플로어 모듈(Center Floor Module)은 센터 플로어 패널, 센터 플로어 보강재, Side sill Inner 등으로 구성되어 있으며, 차량의 강성 확보 및 외부 충격으로부터 탑승객을 보호하기 위한 기능성 구조용 부품이다.

센터 플로어의 시트 크로스 멤버를 통해 차량용 시트가 장착되며, 차량 주행 시에는 측면 충돌 시 충격 흡수로 승객을 보호하고, 차량 강성을 지지하는 역할을 한다.차량 전방의 충돌 특성을 향상시키기 위하여 센터 플로어 패널의 터널부 상부에 보강재를 사용하여 강성을 확보한다. 한편, 센터 플로어 패널의 하부에는 좌, 우 양단 센터 플로어 사이드 멤버가 구비되며, 이는 차량 전방의 프론트 범퍼와 접합되어 정면 충돌에 대한 탑승객의 안전성을 확보하는 구조를 이루게 한다.

현재 국내외 시장에서 개발 중인 센터 플로어 모듈은 강도 및 강성 증가와 경량화를 목적으로 높은 인장강도를 가지는 고장력강 적용이 확대되고 있으나, 획기적인 중량 절감에는 한계가 있는 실정이다.

차량의 경량화를 위한 차세대 고강도 경량소재로써 복합소재가 주목받고 있으며, 장섬유 프리프레그 복합소재(CFRP)의 경우 기계적 물성이 고장력강을 상회하지만 성형성의 한계로 인하여 자동차용 부품 상용화 사례가 미흡한 실정이다.

한편, 압축성형용 복합소재인 SMC 소재의 경우 표면품질 및 양산성이 우수하며 프레스 성형 공법을 활용하여 제품 양산성이 뛰어나기 때문에 다양한 고강도 경량 분야에 폭넓게 적용되고 있지만, 강화섬유로써 단섬유가 사용되기 때문에 구조용 부품에서 요구되는 고강도 경량 특성 극대화 과정에서 한계점이 있게 된다.

또한, 고강도 경량 특성 및 성형성을 동시에 확보하기 위한 장섬유 프리프레그가 선택적으로 보강적층된 하이브리드 SMC 부품 설계 및 제조공정 기술은 선행 연구사례가 미흡한 상태이다.

SMC 공정기술은 자동차 내외장 부품 및 건축 자재의 용도로 사용되고 있으며, 고강도 내구성을 요하는 부품산업에 적극적으로 적용되고 있다.

최근에 친환경 운송수단에 대한 전세계 환경 산업적 니즈가 반영된 경량화와 내구성을 확보한 다양한 운송수단 부품의 하나로써, 모터 사이클 차체 뿐만 아니라 탑박스를 경량화하려는 경향이 포착된다.

대한민국 등록특허 10-2002137은 난연성 SMC 시트를 적층하여 성형품의 표면에 한지의 표면 질감이 유지되고 난연 특성이 우수한 난연성 한지융착형 SMC 성형품 제조 방안을 제안한다.

(특허문헌 1) KR 10-2002137 B

본 발명은 복합소재 적층 구조물 성형해석 기법을 활용하여 하이브리드 복합 소재 구조물 형상의 최적화 및 장섬유 프리프레그 보강적층 최적설계 기술을 확보하기 위하여 장섬유 프리프레그가 선택적으로 보강적층된 하이브리드 SMC를 활용한 하이브리드 복합 소재 구조물 제조 방안을 제공하는 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 SMC로 실제 자동차용 부품인 센터 플로어를 성형하기 전에 사전 검증을 통해 성형시 발생할 수 있는 문제들을 예측하여 금형수정 등의 비용발생을 최소화하고 사전 검증을 통해 실제품의 유효성을 증대시킬 수 있도록 한 방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 확인 방법을 이용한 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법은,

장섬유 프리프레그, SMC 판재 및 상기 장섬유 프리프레그와 SMC 판재가 순차적으로 장입되는 금형 조립체를 준비하는 단계; 상기 금형 조립체를 이루는 하금형 상에 상기 장섬유 프리프레그를 1차적으로 배치한 상태에서 상금형을 하강하여 프레싱 성형을 행하는 단계; 및 상기 성형된 장섬유 프리프레그 상에 상기 SMC 판재를 올려놓은 상태에서 2차적으로 프레싱하여 SMC 프리프레그 복합물을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 확인 방법은, 복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 성형 해석을 위한 물성 및 성형 조건을 선정하는 단계; 선정된 물성에 따라 복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 구조 해석을 진행하는 단계; 상기 SMC 시트 소재 상에 적층된 복수의 보강재의 물성인 두께, SMC 시트 소재의 영률 및 압력에 따른 거동을 판단하는 단계; 및 상기 SMC 시트 소재 만을 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과 및 보강재가 충전 적층된 SMC 시트를 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과를 비교분석하여 적합한 하이브리드 복합 소재 구조물을 결정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 SMC 시트 소재의 구조 해석 단계는, 복합 소재 구조물의 서피스 모델, 하중 조건, 이산화, 및 경계 조건을 선정하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 SMC 시트 소재는, Glass SMC를 채용하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 SMC 시트 소재 및 보강재에 대한 서피스 모델을 가정하는 경우에 4절점사각형 요소로 설정하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 보강재의 SMC 시트 소재에의 충전 단계는, 상기 SMC 시트 소재에 배치되는 상기 보강재 한쌍을 상기 상기 SMC 시트 소재의 중심을 이루는 터널부 상에서 겹치는 방식으로 배치하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 센터 플로어 모듈은 터널부와 상기 터널부의 양측으로 형성되는 사이드 플로어를 갖는 센터 플로어 패널, 상기 센터 플로어 패널의 터널부를 덮는 방식으로 결합되는 센터 플로어 보강재, 상기 사이드 플로어를 가로지르는 방식으로 상기 터널부에 접속되는 시트 크로스 멤버를 포함하며, 상기 센터 플로어 패널의 일측에서 상기 사이드 플로어를 가로질러 상기 터널부 덮는 방식으로 상기 한쌍의 하이브리드 SMC 중 하나를 1차적으로 보강하고, 상기 센터 플로어 패널의 타측에서 사이드 플로어를 가로질러 상기 터널부 까지를 덮어 상기 한쌍의 하이브리드 SMC 중 다른 하나를 2차적으로 보강하여, 2차적으로 보강된 하이브리드 SMC는 상기 터널부 상에서 1차적으로 보강된 하이브리드 SMC의 상단에 적층되는 방식인 것이 바람직할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 복합소재 적층 구조물 성형해석 기법을 활용하여 프리프레그가 선택적으로 보강적층된 하이브리드 복합 소재 구조물 제조 방안을 통해 복합 소재 구조물 형상 최적화, 장섬유 프리프레그 보강적층 최적설계 및 압축성형 공정 최적화를 가능하게 함으로써 센터 플로어 모듈과 같은 복합 소재 구조물의 고강도 경량 특성을 제어한다.

도 1은 복합 소재 구조물인 센터 플로어 모듈에 대한 구조 해석 시뮬레이션 과정을 보인다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 SMC 시트 제조를 위한 성형장치를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 SMC 시트 제조를 위한 성형장치의 개략적인 구성요소를 나타내는 예시도이다.
도 4는 하이브리드 SMC를 활용한 센터 플로어 모듈을 제조하는 공정을 보인다.
도 5는 하이브리드 SMC 복합소재 성형 공정을 위해 장섬유 프리프레그 및 SMC 시트가 순차적으로 장입되는 금형 조립체를 보인다.
도 6은 금형 조립체를 이루는 하금형 상에 1차적으로 얇은 긴 판재 형상의 장섬유 프리프레그를 인서트하여 프레싱한 상태를 보인다.
도 7은 프레싱된 프리프레그가 놓인 하금형 상에 넓은 판재 형상의 SMC 판재를 3개로 분리하여 나눈 상태를 보인다.
도 8은 도 7 상태에서 2차적으로 프레싱을 행하여 SMC 판재가 넓게 펴지면서 연결되어져 결과적으로 하이브리드 SMC 복합소재 센터 플로어 판넬을 형성한 것을 보인다.
도 9는 카본 프리프레그의 흐름 억제를 위하여 SMC 추가 차징 부위를 기존의 카본 프리프레그 전면의 차징 부위에 덧대는 형상으로 이루어지게 항 상태를 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따라 탄소섬유 기반의 하이브리드 SMC를 프리프레그로 하여 선택적으로 보강적층한 하이브리드 SMC를 활용한 센터 플로어 모듈 제조 방법을 적용하는 과정에서 사용하는 SMC는 수지, 섬유 강화재, 충전제와 다양한 첨가제로 이루어진 sheet 상의 복합재료로서, 기본적으로 높은 부식 저항성, 강도, 강성, 충격 저항성 등의 우수한 기계적 특성을 가지며, 매우 복잡한 형상의 부품도 최종 요구 형상에 일치하도록 단일 공정으로 생산이 가능하며, 연간 생산량이 작은 경우 원가적 장점을 갖게 하는 것이 SMC를 적용하는 결정적인 이유가 되기도 한다.

SMC는 가벼운 부품 중량, 매우 높은 치수 안전성, 금속 소재와 비슷한 정도의 매우 효율적인 열팽창 특성, 우수한 내열성, 우수한 디자인, 형상 자유도, 높은 생산성, 낮은 성형압력 등에서의 우수한 생산성 등의 장점을 고루 갖추고 있어 가전제품, 건자재, 자동차용 내·외장재 등으로 점차 사용이 확대되고 있는 추세이다.

SMC는 불포화 폴리에스테르 수지에 충진제, 첨가제 등을 혼합시킨 Compound에 약 1인치 크기로 절단한 보강재(Carbon Fiber 또는 Glass Fiber)를 함침시켜 두께 1~3㎜의 Sheet상으로 만든 열경화성 복합성형재료로서, 기존 소재의 단점인 표면 평활도, 도장성능, 수축율, 치수안정성, 충격강도, 접착성능, 가공성능 등을 개선한다.

하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 확인 방법을 설명한다.

본 발명 상에서 하이브리드 복합 소재 구조물은 자동차용 부품인 센터 플로어 모듈을 적용하는 것일 수 있다.

먼저, 복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 성형 해석을 위한 입력 사항으로 물성 및 성형 조건을 선정한다.

SMC 시트 소재로는 Glass SMC 를 채용할 수 있는데, 수지 종류는 PE 수지를 기본으로 한 상태에서 강화섬유를 추가할 수 있다. 추가되는 강화섬유는 1 in 길이 및 30 wt%의 함량비를 가진다.

프레스 성형 조건은 금형 상하형의 온도가 각각 155℃와 135℃, 1800ton의 금형 압력, 5mm/s의 압축 속도 및 120s의 압축시간을 갖는다.

성형 해석 진행 조건은 센터 플로어 모듈에 대하여 2,339,732 요소 수를 갖는 3차원 솔리드 요소 방식을 사용한다. 구체적으로는 필링(filling), 섬유 배향성(fiber orientation), 입자 추적(Particle tracing)을 포함한다.

수지 필링 과정은 챠징(charging)이 있는 경우 및 챠징이 없는 경우로 분리하여 진행한다. 압력 분포 결과를 통해서 에어 트랩(공극 발생 가능성)을 예측한다.

섬유 배향성은 X,Y,Z 축 방향 섬유 배향성을 해석한다.

입자 추적 과정은 유동 길이, 전체 속도, 압력 및 온도를 해석한다.

SMC 시트 소재로서의 Glass SMC 물성 도출 과정은 UTM 인장시험을 통해서 Glass SMC 인장 물성 실험 데이터를 도출한다.

SMC 중간재 강화섬유 초기 챠징 형상에서 SMC 복합소재를 활용한 평판 성형을 실시한다. 구체적으로는, SMC 복합소재의 평판 상의 상부 중앙 및 측부 중앙 상에 시편을 각각 배치한 상태에서 인장 강도,최대값 하중 및 영률에 대한 데이터를 획득한다.

한편, DIGIMAT 를 활용하여 구조 해석 물성 데이터를 도출한다.

선정된 물성에 따라 복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 구조 해석을 진행한다.

Glass SMC 물성에 따른 구조해석을 변위 분포 및 응력 분포에 따라 설명한다. 먼저, 하중으로 압력 1000Pa을 부과하는 경우에 변위 분포는 이방성 물성을 가정하는 경우에 등방성 대비 최대 변위 증가율이 3% 증가하는 것을 알 수 있다.

다음으로, 하중으로 압력 1000Pa을 부과하는 경우에 응력 분포는 이방성 물성을 가정하는 경우에 등방성 대비 최대 응력이 7.4% 감소하는 것을 알 수 있다.

구조 해석 입력 사항은 Glass SMC의 경우 인장시험 결과를 바탕으로 가정하여 구조재료 물성치를 획득한다.

설계 대상인 Glass SMC의 경우는 비교 대상인 스틸 내지 알루미늄과 물성치를 비교한다.

한편, Fabric / UD 보강재 물성치는 재료 종류인 E1~E3, G12,G13,G23, Nu12,Nu13,Nu23에 따른 물성치를 비교한다(강성단위:Mpa):

구조 해석시에 요소 종류는 센터플로어 및 보강재 서피스 모델을 가정하고 4절점 사각형 요소로 진행한다.

4절점 요소를 선정하는 이유는 3절점 삼각형 요소는 굽힘 강성이 과도하게 부과될 수 있다는 한계점 및 계단 형태의 지오메트리의 경우 처짐 결과가 부정확할 수 있다는 문제점이 있는바 이를 방지하는 차원에서 실시한다.

한편, 6절점 삼각형/8절점 사각형 요소는 해석 대상 형상에 따라 Mesh distortion 발생 가능성이 있다.

4절점 사각형 요소를 사용함으로써 Reduced Integration 적용하고 Shear locking을 방지한다.

상기 SMC 시트 소재의 구조 해석 단계는, 복합 소재 구조물의 서피스 모델, 하중 조건, 이산화, 및 경계 조건을 선정한다.

구체적으로, 복합 소재 구조물은 센터플로어 모듈을 선정하고, 1000/2500Pa의 하중 조건, 요소 수 21910 및 22236 절점 수의 이산화, 및 양 끝단 전 자유도 구속을 갖는 경계 조건을 포함한다.

상기 SMC 시트 소재 상에 적층된 복수의 보강재의 물성인 두께, SMC 시트 소재의 영률 및 압력에 따른 거동을 판단한다.

센터 플로어 보강재가 결합된 센터 플로어 복합체에 대한 구조 해석 단계는, 센터 플로어 구조물의 서피스 모델, 하중 조건, 이산화, 및 경계 조건을 선정한다.

구체적으로, 복합 소재 구조물은 보강재가 결합된 센터플로어 모듈을 선정하고, 1000/2500Pa의 하중 조건, 요소 수 26679 및 27487 절점 수의 이산화, 및 양 끝단 전 자유도 구속을 갖는 경계 조건을 포함한다.

이상과 같이, SMC 시트 소재 만을 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과 및 보강재가 충전 적층된 SMC 시트를 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과를 비교분석하여 적합한 하이브리드 복합 소재 구조물을 결정한다.

도 1을 참조하여, 복합 소재 구조물인 센터 플로어 모듈에 대한 구조 해석 시뮬레이션 과정을 다시 설명하면 다음과 같다.

센터 플로어의 초기 형상을 설정한다. 센터 플로어 성형 조건에 따른 성형해석을 진행한다. 센터 플로어 성형 시 발생되는 부위별 섬유배향 예측을 실시한다.

센터플로어 섬유배향이 고려된 구조해석을 진행하고, 센터 플로어 취약부위 선정한다.

한편, 센터 플로어 보강재 초기 형상을 선정한다.

보강재가 고려된 센터 플로어에 대한 구조해석을 진행한 결과를 토대로 센터 플로어 보강재 형상을 최적화한다. 보강재가 추가된 센터 플로어에 대한 구조적 강도 검증을 실시한다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 탄소섬유 기반의 SMC 시트 제조 방법을 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따라 SMC 시트 제조를 위한 성형장치는 이송부(20), 컨베이어부(30), 도포섬유공급부(40), 및 압착롤러부(60) 및 섬유분산 공급유닛(200)으로 구성된다.

이송부(20)는 하나이상의 이송롤러로 이루어질 수 있으며, 권취된 상태의 원필름(10)을 설비 내측으로 이송시키는 기능을 한다. 이때, 원필름(10)은 수지필름이나 데코필름이 선택적으로 채택될 수 있다.

컨베이어부(30)는 이송부(20)를 따라 이송되는 원필름(10)에 액상의 불포화 폴리에스테르 수지를 도포하도록 도포박스(32)가 마련된다. 또한 컨베이어부(30)에는 원필름(10)을 이송시키기 위해 컨베이어 벨트(33)와 작동롤러(31)가 설치되며, 상기 도포 박스(32)는 컨베이어 벨트(33)의 상부에 위치되도록 설치된다.

도포섬유공급부(40)는 상기 컨베이어 벨트(33)를 따라 이송되는 원필름(10)에 카본섬유(41)나 유리섬유를 도포하여 가공필름(100)을 형성하는 역할을 한다.

이를 위한 구성으로, 도포섬유공급부(40)는 복수의 이송롤러(42,43)가 설치됨으로써, 이동되는 원필름(10)에 카본섬유나 유리섬유가 내재되도록 한다. 이때 상기 카본섬유나 유리섬유는 별도로 장착된 재단설비에 의해 1~70mm로 재단된 상태로 공급될 수 있음은 물론이다.

압착롤(60)은 도포섬유공급부(40)에서 인출되는 가공필름(100)을 압착 및 함침시키는 구성이다. 즉, 압착롤(60)로 인입되는 가공필름(100)에는 카본섬유(41)나 유리섬유 등과 같은 다수의 필름이 적층된 상태로 인입되는데, 상기 압착롤(60)을 통과하면서 이 필름들은 고압으로 압착되어 상호간에 접착이 이루어진다.

한편, 도포섬유공급부(40)와 압착롤러부(60) 사이에 는 필름 공급부(50)가 설치될 수 있다. 이 필름 공급부(50)는 이송되는 가공필름(100)에 APP 필름(51)이나 데코 필름을 제공하는 역할을 한다.

이를 위한 구성으로, 필름 공급부(50)는 공급필름이 권취된 공급롤(52)과, 공급되는 필름을 이송시키기 위한 다수의 이송롤(55)로 이루어진다. 여기서 이송롤(55) 사이에는 상술한 도포박스(53)가 설치되어 있어, 이 도포박스(53)를 통해 이송되는 원필름(10)에 열경화성수지를 도포할 수도 있다.

상기와 같은 열경화성수지(불포화 폴리에스테르수지)는 필름과 필름 사이에서 접착매개로 작용한다.

성형롤러부(70)는 압착롤러(60)의 수평선 상에 설치되어져 압착롤러(60)에서 인출되는 가공필름(100)을 소정의 형상으로 가열압착시키는 역할을 한다. 구체적으로는 다수의 가압롤러가 각각 상하 한쌍의 가압롤을 갖도록 설치된다. 가열압착 과정에서, 성형롤러부(70)에 배치된 다수의 가열소자를 통해서 인입되는 가공필름을 가열시킨다. 상기 성형롤러부(70)는 필요에 따라 SMC 복합체 제조 공정 상에서 제거되어질 수 있다.

다수의 가압롤러는 인입되는 필름의 진행방향으로 배치되는데, 각각의 가압롤러는 필름의 진행방향으로 갈수록 상하 가압롤의 각 외주면에 형성된 패턴부의 굴곡이 보다 깊게 형성되어져, 가공필름의 성형시 갑작스런 변형으로 가공필름의 평판 상에 주름이 형성되는 것을 방지하고자 순차적으로 패턴형상이 이루어지도록 한다.

먼저, Paste를 제조한 후에 증점제를 투여한다.

Duct Box에 Compound를 공급한 다음에, Film 상에 Compound를 1차적으로 투입한다.

Carbon Fiber(C/F)를 1차적으로 공급한 후에, Carbon Fiber를 2차적으로 공급한다. 이는 잘려진 섬유들의 양을 조절하고 한번에 많은 양의 섬유를 공급할 수 없기 때문에 1,2차로 나뉘어서 탄소 섬유를 공급한다.

다음으로, Film에 Compound를 2차적으로 투입한다. 1차 Compound 투입은 잘려진 탄소섬유들을 공급하기 전에 하부에 미리 공급하기 위한 투입이고, 2차 Compound 투입은 탄소섬유 위에 공급하여 Compound-Carbon Fiber-Compound가 되기 위한 과정이다.

다음으로, Sheet를 1차적으로 함침하고, Sheet를 2차적으로 함침한다.

마지막으로, Sheet 포장을 실시한 후에 숙성 및 출하를 실시한다.

SMC 재료 종류는 수지(UP), 저수축제 및 첨가제 등을 사용한다.

첨가제로는 분산제, 방지제, 개시제(경화제), 지연제(개시지연제), 개선제, 충진제 및 내부이형제 등을 사용한다.

SMC 투입 중량은 가로 X 세로 X 높이 X 비중의 식을 사용한다.

SMC 성형압은 가로 X 세로 X 압력의 식을 사용한다.

이하, 도 4를 참조하여 상기에서 제조된 SMC 시트 상에 장섬유 프리프레그를 보강 적층하여 하이브리드 SMC 복합소재를 성형하는 과정을 설명한다.

하이브리드 SMC 복합소재 성형 공정을 위해 장섬유 프리프레그(300) 및 SMC 시트(400)가 순차적으로 장입되는 금형 조립체(200)를 준비한다. 장섬유 프리프레그의 재료는 카본 프리프레그를 사용한다.

도 5를 참조하면, 금형 조립체(200)는 차량의 센터 플로어 모듈 형상에 부합하는 형상으로 내부 요철이 형성된다.

금형 조립체를 통해 생상되는 센터 플로어 모듈은 터널부와 상기 터널부의 양측으로 형성되는 사이드 플로어를 갖는 센터 플로어 패널, 센터 플로어 패널의 터널부를 덮는 방식으로 결합되는 센터 플로어 보강재, 사이드 플로어를 가로지르는 방식으로 상기 터널부에 접속되는 시트 크로스 멤버, 및 사이드 플로어의 가장자리를 따라 배치되는 사이드 씰 인너(side sill Inner)를 포함하는 구성일 수 있다. 금형 조립체(200)의 하금형(210) 상에는 사이드 플로어에 대응하는 측면 성형부(211), 터널부에 대응하는 중심 성형부(215), 측면 성형부(211)와 중심 성형부(215) 상에 형성되는 안착홈(214) 및 측면 성형부(211)에 형성되는 다양한 형상의 요철부(213)를 포함한다.

금형 조립체(200)를 이루는 하금형(210) 상에 장섬유 프리프레그를 1차적으로 배치한 상태에서 상금형(220)을 하강하여 프레싱을 행한다.

도 6을 참조하면, 장섬유 프리프레그는 하금형 상에서 상하단을 따라 복수개가 이격 배치된다. 즉, 예를 들어 한쌍의 사이드 플로어 및 한쌍의 사이드 플로어 사이의 터널부를 가로지르는 방식으로 배치되는 띠 형상의 장섬유 프리프레그 3개를 상하부를 따라 이격 배치한다. 상기의 배치 과정에서 띠 형상의 장섬유 프리프레그들은 한쌍의 사이드 플로어 상에 형성된 상부 돌출부를 지나도록 배치한다. 한편, 장섬유 프리프레그 압축 성형시에, 상기 하금형 상에서의 장섬유 프리프레그의 요동을 방지하도록 소정의 안착홈이 형성된다. 즉, 장섬유 프리프레그를 덮도록 장입되는 SMC 시트와의 결합 시까지 정확한 결합 위치를 갖도록 하기 위하여 상기 안착홈을 이용한다.

다음으로, 도 7을 참조하면, 센터 플로어 패널 상에서 일측 사이드 플로어의 가장자리에서 사이드 플로어를 가로질러 터널부를 지난 상태에서 타측 사이드 플로어를 가로지르는 방식으로 SMC 판재를 적층한다.

여기에서, SMC 판재(400)는 센터 플로어 패널 상에서 다단으로 분리한 상태로 보강을 실시한다. 구체적으로는, 센터 플로어 패널의 중심을 가로지르는 중심 SMC 판재(410) 및 상기 중심 SMC 판재의 양측 상에 이격 배치되는 한쌍의 측방 SMC 판재(420)를 배치하는 것일 수 있다.

하금형 상에서, 한쌍의 측방 SMC 판재는 중심 SMC 판재에 비해 상부 상으로 더 높은 위치에 배치되는 것일 수 있다. 즉, 한쌍의 측방 SMC 판재와 중심 SMC 판재는 프레싱 전에는 분리된 상태로 배치된다.

상기와 같이, 성형된 장섬유 프리프레그 상에 SMC 판재를 올려놓은 상태에서 2차적으로 프레싱하여 SMC-프리프레그 복합물을 형성한다.

정리하면, 센터 플로어 판넬 형상이 구현된 상하 금형 상에 먼저 1차적으로 얇은 긴 판재 형상의 장섬유 프리프레그를 인서트하여 프레싱을 한다.

프레싱된 프리프레그가 놓인 금형 상에 넓은 판재 형상의 SMC 판재를 3개로 분리하여 나눈 상태에서 안착시킨다. 상기 상태에서 2차적으로 프레싱을 한다.

상기 2차 프레싱 과정에서 분리된 SMC 판재는 넓게 펴지면서 연결된다.

결과적으로, 도 8을 참조하면 센터 플로어 판넬 형상을 갖는 SMC 판재 상에 3줄의 프리프레그가 보강 결합되는 형상을 갖는다.

도 9를 참조하면, 성형된 장섬유 카본 프리프레그를 전체적으로 덮는 방식으로 SMC 판재를 올려놓은 상태에서 프레싱하는 과정 상에서, 카본 프리프레그의 흐름 억제를 위하여 SMC 추가 차징 부위를 기존의 카본 프리프레그 전면의 차징 부위에 덧대는 형상으로 이루어지게 한다. 이를 통해, Carbon prepreg 보강재에 대한 별도의 프리폼 성형 과정 없이 우수한 성형 특성을 구현할 수 있다.

한편, 센터 플로어 모듈에 배치되는 SMC 판재는 센터 플로어 패널의 터널부 상에서 겹치는 방식으로 배치 가능하다.

즉, 센터 플로어 패널의 일측에서 사이드 플로어를 가로질러 터널부 까지만 덮는 방식으로 SMC 판재를 1차적으로 배치하고, 센터 플로어 패널의 타측에서 사이드 플로어를 가로질러 터널부 까지를 덮어 SMC 판재를 2차적으로 배치한다. 상기 상태에서 한쌍의 SMC 판재는 터널부 상에서 겹치는 방식으로 적층되는 방식을 갖는다. 즉, SMC 판재는 프레싱된 프리프레그가 놓인 터널부 상에서 일부 겹치는 구조를 통해 강도적인 보강을 가능하게 한다.

예를 들어, 가로ㅧ세로가 1360mmㅧ1146.5mm인 센터 플로어 패널 상에서 1,2차 보강 SMC 복합소재를 700mmㅧ1,000mm 커팅한 상태에서 가운데를 겹치는 형태로 챠지한다. 겹치는 구간은 100~150mm 일 수 있다.

다음으로는, 양산성을 고려하여 하이브리드 SMC 열프레스 성형 과정을 설명한다.

SMC 소재의 흐름성을 고려하여 금형 내에 하이브리드 SMC 소재 안착 패턴을 개발한다.

탄소섬유 기반 하이브리드 SMC 복합소재의 성형 환경조건을 확립한다.

금형온도, 프레스 압력, 프레스 하강시간, 성형시간, 습도, 진공압력, 이형제 도포, 밀핀 등에 대한 조건을 설정한다.

성형 조건은 금형 상형 및 금형 하형의 온도를 각각 155도 및 135도로 설정한다. 상기 상태에서, 금형의 압력을 1800톤으로 유지한다.

금형 프레스는 3속으로 제어한다.

최종 압력이 가해지는 구간은 3번째 구간으로 이때에 상형 금형과 하형 금형 간의 높이는 30mm 정도이다.(속도 5mm/s)

금형 상형을 하강하는 과정에서 단계적인 3속 제어를 구체적으로 설명한다.

프레스 최대 상승 구간에서 예압 시작점까지 프레스 하강을 1번 속도인 최고 속도로 실시한다.(속도 180mm/s)

금형 하형의 80~100mm 높이 상에서 2번 속도로 예압을 가한다.(속도 40mm/s)

한편, 금형 하형의 30mm 높이 상에서 3번 속도로 가압한다.(속도 5mm/s)

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 확인 방법을 이용한 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법에서,
   장섬유 프리프레그, SMC 판재 및 상기 장섬유 프리프레그와 SMC 판재가 순차적으로 장입되는 금형 조립체를 준비하는 단계;
   상기 금형 조립체를 이루는 하금형 상에 상기 장섬유 프리프레그를 1차적으로 배치한 상태에서 상금형을 하강하여 프레싱 성형을 행하는 단계; 및
   상기 성형된 장섬유 프리프레그 상에 상기 SMC 판재를 올려놓은 상태에서 2차적으로 프레싱하여 SMC 프리프레그 복합물을 형성하는 단계;를 포함하고,
   상기 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 확인 방법은,
   복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 성형 해석을 위한 물성 및 성형 조건을 선정하는 단계;
   선정된 물성에 따라 복합 소재 구조물의 기본 골조를 이루는 SMC 시트 소재의 구조 해석을 진행하는 단계;
   상기 SMC 시트 소재 상에 적층된 복수의 보강재의 물성인 두께, SMC 시트 소재의 영률 및 압력에 따른 거동을 판단하는 단계; 및
   상기 SMC 시트 소재 만을 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과 및 보강재가 충전 적층된 SMC 시트를 이용한 복합 소재 구조물에 대한 구조 해석 결과를 비교분석하여 적합한 하이브리드 복합 소재 구조물을 결정하는 단계;를 포함하고,
   상기 SMC 시트 소재의 구조 해석 단계는,
   복합 소재 구조물의 서피스 모델, 하중 조건, 이산화, 및 경계 조건을 선정하며, 상기 SMC 시트 소재 및 보강재에 대한 서피스 모델을 가정하는 경우에 4절점사각형 요소로 설정하는, 하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 SMC 시트 소재는,
   Glass SMC를 채용하는,
   하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 보강재의 SMC 시트 소재에의 충전 단계는,
   상기 SMC 시트 소재에 배치되는 상기 보강재 한쌍을 상기 상기 SMC 시트 소재의 중심을 이루는 터널부 상에서 겹치는 방식으로 배치하는,
   하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이브리드 복합 소재 구조물은 센터 플로어 모듈에 해당하며,
   상기 센터 플로어 모듈은, 터널부와 상기 터널부의 양측으로 형성되는 사이드 플로어를 갖는 센터 플로어 패널, 상기 센터 플로어 패널의 터널부를 덮는 방식으로 결합되는 센터 플로어 보강재, 상기 사이드 플로어를 가로지르는 방식으로 상기 터널부에 접속되는 시트 크로스 멤버를 포함하며,
   상기 센터 플로어 패널의 일측에서 상기 사이드 플로어를 가로질러 상기 터널부 덮는 방식으로 한쌍의 하이브리드 SMC 중 하나를 1차적으로 보강하고, 상기 센터 플로어 패널의 타측에서 사이드 플로어를 가로질러 상기 터널부 까지를 덮어 상기 한쌍의 하이브리드 SMC 중 다른 하나를 2차적으로 보강하여, 2차적으로 보강된 하이브리드 SMC는 상기 터널부 상에서 1차적으로 보강된 하이브리드 SMC의 상단에 적층되는 방식인,
   하이브리드 복합 소재 구조물의 제조 방법.

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