KR102337320B1 - Manufacturing method of lightweight stiffener with cfrtpc insert injection molding - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연속섬유복합재가 금형 캐비티 내에서 충돌이 이루어지는 측면 부분을 따라 배치되고, 장섬유복합재가 금형 캐비티 내에 측면에 배치되는 연속섬유복합재의 내측에 배치되도록 발포 사출되는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 스티프너의 경량화, 생산 비용 절감 및 생산 공정 단축을 도모할 수 있다.The present invention relates to a lightweight stiffener in which CFRTPC is insert injection molded. More specifically, the continuous fiber composite is disposed along the side portion where the collision is made in the mold cavity, and the long fiber composite is foamed and injected so that it is disposed inside the continuous fiber composite disposed on the side in the mold cavity. Accordingly, it is possible to reduce the weight of the stiffener, reduce production cost, and shorten the production process.
Description
본 발명은 CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연속섬유복합재가 금형 캐비티 내에서 충돌이 이루어지는 측면 부분을 따라 배치되고, 장섬유복합재가 금형 캐비티 내에 측면에 배치되는 연속섬유복합재의 내측에 배치되도록 발포 사출되는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 스티프너의 경량화, 생산 비용 절감 및 생산 공정 단축을 도모할 수 있다.The present invention relates to a lightweight stiffener in which CFRTPC is insert injection molded. More specifically, the continuous fiber composite is disposed along the side portion where the collision is made in the mold cavity, and the long fiber composite is foamed and injected so that it is disposed inside the continuous fiber composite disposed on the side in the mold cavity. Accordingly, it is possible to reduce the weight of the stiffener, reduce production cost, and shorten the production process.
최근, 전세계적으로 환경과 연비에 대한 규제가 엄격해지면서 차량의 무게를 줄여 연비를 개선하는 경량화가 자동차 산업의 주요한 화두로 자리매김하고 있다.Recently, as regulations on environment and fuel efficiency are getting stricter around the world, weight reduction, which improves fuel efficiency by reducing the weight of a vehicle, has become a major topic in the automobile industry.
미국과 유럽을 비롯한 주요국의 자동차 최저 연비 규제 수준은 2015년 리터 당 14.5 ~ 18.1km에서 2020년에는 리터 당 19.9 ~ 26.5km까지 강화될 전망으로, 차량의 무게를 줄여 연비를 개선하고자 하는 경량화는 완성차 업체들의 가장 큰 해결해야하는 과제로 자리잡고 있다.The minimum fuel efficiency regulation level for automobiles in major countries including the United States and Europe is expected to be strengthened from 14.5 to 18.1 km per liter in 2015 to 19.9 to 26.5 km per liter in 2020. It has become the biggest challenge for companies to solve.
자동차 경량화를 위해 중량 절감이 요구되는 부품 중 하나인 범퍼의 하단에 설치되는 스티프너(Stiffener)는 강도를 높일 경우 중량과 비용이 급증하고, 중량 및 비용을 줄이게 되면 강도가 낮아져 그 기능을 충분히 수행할 수 없게 된다.The stiffener installed at the bottom of the bumper, which is one of the parts that requires weight reduction to reduce the weight of automobiles, increases the weight and cost rapidly when the strength is increased. becomes impossible
기존 과거의 금속 대체의 경량화 대응 기술로서는 재생수지 제품과 열가소성수지 사출이 주를 이루었지만, 이는 강도와 강성이 부족한 문제점이 있다.Recycled resin products and thermoplastic resin injection were mainly used as light-weighting technologies for replacing metals in the past, but these have a problem in that they lack strength and rigidity.
이후에 개발이 진행된 분야는 유리섬유나 탄소섬유 등의 보강재를 단섬유 형태로 수지에 분산시킨 컴파운드 소재인 SFT(Short-Fiber Reinforced Thermoplastic(통상 사출성형용으로 사용되는 각종 단섬유 강화 콤파운드는 GMT(Glass Mat Thermoplastic)로 일반화됨)가 주를 이루었으나 이러한 소재들도 금속을 대체하기는 어려운 실정이다.The field that was developed later was SFT (Short-Fiber Reinforced Thermoplastic), which is a compound material in which reinforcing materials such as glass fiber or carbon fiber are dispersed in a resin in the form of short fibers. Glass Mat Thermoplastic) was mainly used, but it is difficult to substitute metal for these materials.
이를 해결하기 위한 방안으로 장섬유 또는 연속섬유를 보강한 열가소성 복합재가 사용되고 있는 추세이다.As a solution to this problem, a thermoplastic composite material reinforced with long fibers or continuous fibers is being used.
장섬유가 보강된 열가소성 복합재는 LFT(Long Fiber Thermoplastics)로, 기존의 단섬유강화 복합재인 GMT에 비해 구조강도, 충격강도, 굴곡탄성률 등이 우수하여 최근 주목받고 있다.Long-fiber reinforced thermoplastic composites are LFT (Long Fiber Thermoplastics), which are attracting attention recently due to their superior structural strength, impact strength, and flexural modulus compared to GMT, which is a conventional short-fiber reinforced composite material.
LFT 제조 방법으로는 수지와 섬유가 함침된 펠렛(Peelets)을 제조한 후에 사출 및 프레스 성형을 하는 LFT-G(Long Fiber Thermoplastic-Granules)공법과 탄소섬유를 원하는 길이로 바로 chopping하면서 수지와 함침하여 컴파운딩하는 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)공법이 있다.The LFT manufacturing method includes the LFT-G (Long Fiber Thermoplastic-Granules) method of manufacturing pellets impregnated with resin and fibers, followed by injection and press molding, and the LFT-G (Long Fiber Thermoplastic-Granules) method, which directly chops carbon fibers to the desired length, and impregnates them with resin. There is the LFT-D (Long Fiber Thermoplastic-Direct) method for compounding.
아울러, 연속섬유가 보강된 열가소성 복합재는 CFRTPC(Continuous-Fiber Reinforced Thermoplastic)가 대표적이다. In addition, CFRTPC (Continuous-Fiber Reinforced Thermoplastic) is a representative thermoplastic composite material reinforced with continuous fibers.
CFRTPC 제조 방법으로는 열가소성 수지에 함침된 프리폼(Preform)을 적층 및 가압하여 만드는 DBP(Double-Belt Pressing) 성형법이 있다.As a CFRTPC manufacturing method, there is a DBP (Double-Belt Pressing) molding method in which a preform impregnated with a thermoplastic resin is laminated and pressed.
열가소성수지 제품의 경우 디자인 자유도 높은 사출 공정을 사용하기에 제품 성형에는 유리하지만, 물성을 만족하지 못하며, 엔지니어링 열가소성수지를 사용할 경우 경제성에 합당하지 않게 된다.In the case of a thermoplastic resin product, it is advantageous for product molding because it uses an injection process with high design freedom, but it does not satisfy the physical properties.
이에 따라, 필요한 강도를 보강하면서 경량화를 만족할 수 있는 공정 방법 및 연속섬유 복합재의 기술개발이 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need to develop a process method and continuous fiber composite material that can satisfy weight reduction while reinforcing the required strength.
본 발명의 목적은 스티프너의 경량화, 생산 비용 절감 및 생산 공정 단축을 도모하기 위한 것이다. 이를 위해, 연속섬유복합재가 금형 캐비티 내에서 충돌이 이루어지는 측면 부분을 따라 배치되고, 장섬유복합재가 금형 캐비티 내에 측면에 배치되는 연속섬유복합재의 내측에 배치되도록 발포 사출된다.It is an object of the present invention to reduce the weight of the stiffener, reduce production cost, and shorten the production process. To this end, the continuous fiber composite material is disposed along the side portion where the collision is made in the mold cavity, and the long fiber composite material is foamed and injected so as to be disposed inside the continuous fiber composite material disposed on the side side in the mold cavity.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연속섬유복합재(CFRTPC)를 프리폼으로 금형 캐비티 내에 삽입하는 단계, 장섬유복합재(LFT)를 필렛 형태로 사출 성형기의 호퍼에 투입하여 상기 금형 내로 발포 사출하는 단계 및 상기 연속섬유복합재와 상기 장섬유복합재가 용착 및 성형되는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the step of inserting the continuous fiber composite material (CFRTPC) according to the present invention as a preform into the mold cavity, the long fiber composite material (LFT) in the form of a fillet is put into the hopper of the injection molding machine to foam injection into the mold and welding and molding the continuous fiber composite material and the long fiber composite material.
본 발명에 따르면, 상기 연속섬유복합재는 60wt% 함량의 유리섬유(Glass Fiber)로 구성된다.According to the present invention, the continuous fiber composite material is composed of glass fiber (Glass Fiber) of 60wt% content.
본 발명에 따르면, 상기 장섬유복합재는 20wt% 함량의 유리섬유로 구된다.According to the present invention, the long fiber composite material is obtained with glass fibers in an amount of 20 wt%.
본 발명에 따르면, 상기 발포 사출하는 단계에 있어서, 3wt% 함량의 발포제가 상기 호퍼에 투입된다.According to the present invention, in the foam injection step, a foaming agent having a content of 3 wt% is added to the hopper.
본 발명에 따르면, 마이크로 캡슐 형태의 발포제로 발포 사출하는 것이다.According to the present invention, foam injection is performed with a foaming agent in the form of microcapsules.
본 발명에 따르면, Gas(초임계 유체)를 주입시키는 물리적 형태의 발포제로 발포 사출하는 것이다.According to the present invention, it is to foam and inject a foaming agent in a physical form into which Gas (supercritical fluid) is injected.
본 발명에 따르면, 열분해 유기합성물로 구성된 첨가제인 화학적 형태의 발포제로 발포 사출하는 것이다.According to the present invention, foam injection is performed with a chemical type foaming agent, which is an additive composed of a thermally decomposed organic compound.
본 발명에 따르면, 장섬유복합재에 연속섬유복합재가 인서트 사출되고, 장섬유복합재는 발포 성형된다.According to the present invention, the continuous fiber composite material is insert-injected into the long fiber composite material, and the long fiber composite material is foam-molded.
본 발명에 따르면, 상기 장섬유복합재 발포 성형 시, 3wt% 함량의 발포제가 주입된다.According to the present invention, during foam molding of the long fiber composite material, a foaming agent in an amount of 3 wt% is injected.
본 발명에 따르면, 상기 연속섬유복합재는 60% 함량의 유리섬유(Glass Fiber)로 구성된다.According to the present invention, the continuous fiber composite material is composed of 60% glass fiber (Glass Fiber).
본 발명에 따르면, 상기 장섬유복합재는 20% 함량의 유리섬유로 구성된다.According to the present invention, the long fiber composite material is composed of glass fibers in a content of 20%.
본 발명에 따르면, 마이크로 캡슐 형태의 발포제로 발포 사출하는 것이다.According to the present invention, foam injection is performed with a foaming agent in the form of microcapsules.
본 발명에 따르면, Gas(초임계 유체)를 주입시키는 물리적 형태의 발포제로 발포 사출하는 것이다.According to the present invention, it is to foam and inject a foaming agent in a physical form into which Gas (supercritical fluid) is injected.
본 발명에 따르면, 열분해 유기합성물로 구성된 첨가제인 화학적 형태의 발포제로 발포 사출하는 것이다.According to the present invention, foam injection is performed with a chemical type foaming agent, which is an additive composed of a thermally decomposed organic compound.
본 발명의 CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너에 의하면 연속섬유복합재는 금형 캐비티 내에서 충돌이 이루어지는 측면 부분을 따라 배치되고, 장섬유복합재는 금형 캐비티 내에 측면에 배치되는 연속섬유복합재의 내측에 배치되어 고속충돌성능을 만족시키면서, 동시에 부품 경량화를 실현시킬 수 있는 효과가 있다.According to the lightweight stiffener in which the CFRTPC of the present invention is insert injection-molded, the continuous fiber composite is disposed along the side portion where the collision occurs in the mold cavity, and the long fiber composite is disposed inside the continuous fiber composite disposed on the side in the mold cavity. While satisfying the high-speed impact performance, there is an effect that the weight of parts can be realized at the same time.
또한, 연속섬유복합재의 인서트 과정에서 3D 프린터의 필라멘트를 활용하여 프리폼을 형성하여 종래의 금형 제작으로 인한 제작비용 문제를 해결할 수 있을뿐만 아니라, 금형에서 트리밍 과정에서 발생되었던 로스율을 줄일 수 있고, 불량률까지 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, in the process of inserting the continuous fiber composite material, the preform is formed by using the filament of a 3D printer to solve the manufacturing cost problem caused by the conventional mold manufacturing, and the loss rate that occurred during the trimming process in the mold can be reduced, and the defect rate has the effect of reducing
또한, 종래의 금형을 통해 인서트되는 공정이 생략되어 종래의 금형의 트리밍 공정에 의한 필름 잔여물 감소로 산업폐기물이 저감되는 효과가 있다.In addition, since the process of inserting through the conventional mold is omitted, there is an effect that industrial waste is reduced due to the reduction of the film residue by the trimming process of the conventional mold.
또한, 펠렛 형태의 장섬유복합재를 발포제 함량이 3wt%가 되도록 발포 사출하여 최대 변위값에 긍정적인 효과를 지니면서, 경량화 및 비용 절감의 효과를 볼 수 있다.In addition, it is possible to see the effect of weight reduction and cost reduction while having a positive effect on the maximum displacement value by foaming and injection molding the long fiber composite material in the form of a pellet so that the foaming agent content is 3 wt%.
도 1은 본 발명에 의한 연속섬유복합재 및 장섬유복합재로 구성된 스티프너의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 금형 캐비티 내에 연속섬유복합재 및 장섬유복합재가 배치되는 위치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 연속섬유복합재 및 장섬유복합재로 구성된 스티프너가 제작되는 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명에 의한 스티프너의 정하중 및 최대변위를 실험하기 전의 상태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 스티프너의 정하중 및 최대변위를 실험한 후의 파단면이 생성된 상태를 도시한 것이다.1 is a perspective view of a stiffener composed of a continuous fiber composite material and a long fiber composite material according to the present invention.
2 is a view showing a position where the continuous fiber composite material and the long fiber composite material are disposed in the mold cavity according to the present invention.
3 is a flowchart illustrating a process in which a stiffener composed of a continuous fiber composite material and a long fiber composite material according to the present invention is manufactured.
4 is a view showing a state before the static load and maximum displacement of the stiffener according to the present invention is tested.
5 shows a state in which a fracture surface is generated after testing the static load and maximum displacement of the stiffener according to the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments, and thus is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, "comprise" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.
본 발명에 따른 CFRTPC가 인서트 사출성형된 경량화 스티프너는 연속섬유복합재(100) 및 장섬유복합재(200)룰 포함한다.The lightweight stiffener in which CFRTPC is insert injection-molded according to the present invention includes a continuous
여기서, 연속섬유복합재(100)는 열가소성수지로 구성되고, PP, PA6, PA66, TPU, PET, HDPE, PPS, PEEK 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있으며, 첨가되는 강화용 연속섬유로는 유리섬유(GF:Glass Fiber), 탄소섬유, 아라미드섬유 중 하나 또는 둘 이상의 조합이 사용될 수 있다.Here, the continuous
특히, 연속섬유복합재(100)는 폴리프로필렌수지(PP Resin)에 연속섬유 형태의 유리섬유 60wt%의 함량이 함침된 상태로 분산되게 구성된 CFRTPC(Continuous-Fiber Reinforced Thermoplastic)인 것이 바람직하다.In particular, the continuous
또한, 장섬유복합재(200)는 폴리프로필렌수지에 장섬유 형태의 유리섬유 20wt%의 함량이 함침된 상태로 분산되게 구성된 PP-LFT(Long Fiber Thermoplastic)로 구비된다.In addition, the long
위와 같은, 연속섬유복합재(100) 및 장섬유복합재(200)의 구성으로 본 발명에 따른 스티프너가 제작되고, 도 1과 같은 형상으로 구현된다.The stiffener according to the present invention is manufactured with the configuration of the continuous
상세하게, 도 1을 참조하면, 연속섬유복합재(100)는 스티프너로 제작되기 위해, 차량의 전면에서 사고 시, 충돌이 이루어지는 부분으로, 금형 캐비티(14) 내에서 측면 부분을 따라 배치되고, 장섬유복합재(200)는 금형 캐비티(14) 내 측면에 배치되는 연속섬유복합재(100)의 내측에 배치되는 것이 바람직하다.In detail, referring to FIG. 1 , the
이와 같은 배치는 종래 기술상의 제반 문제점을 해결하고자 창출된 것으로, 고속충돌성능을 만족시키면서, 동시에 부품 경량화를 실현시킬 수 있는 효과가 있다.This arrangement was created to solve various problems in the prior art, and while satisfying high-speed collision performance, it is possible to realize weight reduction of parts at the same time.
즉, 스티프너의 형태에서 강도가 필수로 요구되는 측면을 제외하고 강성이 특별히 요구되지 않는 부분에 장섬유복합재(200)를 투입하여 부품의 경량화를 도모할 수 있게 된다.That is, it is possible to reduce the weight of the parts by injecting the long
이하, 도 3을 참조하여 CFRTPC가 인서트 사출성형된 경량화 스티프너 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a lightweight stiffener in which CFRTPC is insert injection-molded will be described with reference to FIG. 3 .
본 발명에 따른 CFRTPC가 인서트 사출성형된 경량화 스티프너의 제조 방법에는 연속섬유복합재(CFRTPC, 100)를 프리폼으로 금형 캐비티(14) 내에 삽입하는 단계(S100), 장섬유복합재(LFT, 200)를 펠렛 형태로 사출 성형기의 호퍼(11)에 투입하여 상기 금형 내로 발포 사출하는 단계(S200) 및 상기 연속섬유복합재(100)와 상기 장섬유복합재(200)가 용착 및 성형되는 단계(S300)가 포함된다.In the method for manufacturing a lightweight stiffener in which CFRTPC is insert injection-molded according to the present invention, a continuous fiber composite (CFRTPC, 100) is inserted into the
먼저, 연속섬유복합재(CFRTPC, 100)를 프리폼으로 금형 캐비티(14) 내에 삽입하는 단계(S100)를 설명하도록 한다.First, the step (S100) of inserting the continuous fiber composite material (CFRTPC, 100) into the
연속섬유복합재(CFRTPC, 100)를 프리폼으로 금형 캐비티(14) 내에 삽입하는 단계(S100)에서 도 2를 참조하여, 연속섬유복합재(100)는 금형 캐비티(14)의 가장자리(측면)를 따라 배치되게 된다.Referring to FIG. 2 in the step (S100) of inserting the continuous fiber composite material (CFRTPC, 100) into the
연속섬유복합재(100)는 열가소성수지로 구성되고, PP, PA6, PA66, TPU, PET, HDPE, PPS, PEEK 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있으며, 첨가되는 강화용 연속보강섬유로는 유리섬유(GF:Glass Fiber), 탄소섬유, 아라미드섬유 중 하나 또는 둘 이상이 조합 사용될 수 있다.The continuous
특히, 연속섬유복합재(100)는 폴리프로필렌수지(PP Resin)에 연속섬유 형태의 유리섬유 60wt%의 함량이 함침된 상태로 분산되게 구성된 CFRTPC(Continuous-Fiber Reinforced Thermoplastic)인 것이 바람직하다.In particular, the continuous
이는, 스티프너의 형상에서 강도를 필요로 하는 부분으로, 높은 강성을 지닌 연속섬유복합재(CFRTPC, 100)를 배치시킴으로써, 스티프너의 고강성 및 강도 신뢰성을 만족시킬 수 있게 된다.This is a part that requires strength in the shape of the stiffener, and by arranging the continuous fiber composite material (CFRTPC, 100) with high rigidity, it is possible to satisfy the high rigidity and strength reliability of the stiffener.
또한, 연속섬유복합재(100)가 금형 캐비티(14) 내의 측면을 따라 배치되는 경우에, 도 2에 도시된 바와 같이, 사각형 형상의 중공부를 갖도록 한정하지 않고, 금형 캐비티(14)의 측면을 따라 배치되어 차량 전면에서 사고로 인한 충돌 시, 충분한 강도를 지니게 하는 목적 한에서 다양하게 포진될 수 있다.In addition, when the continuous
이때, 3D 프린터의 필라멘트를 활용하여 프리폼을 형성하는 것이 바람직하고, 이로 인해, 종래의 금형 제작으로 인한 제작비용 문제를 해결할 수 있을뿐만 아니라, 금형에서 트리밍 과정에서 발생되었던 로스율을 줄일 수 있고, 불량률까지 줄일 수 있는 효과가 있다.At this time, it is preferable to form the preform by using the filament of the 3D printer, which not only solves the manufacturing cost problem due to the conventional mold manufacturing, but also reduces the loss rate that occurred during the trimming process in the mold, and the defect rate has the effect of reducing
따라서, 종래의 열가소성 테이프를 필요한 길이로 잘라 예비 가열하고, 일정 시간 후에 열가소성 테이프를 금형에 투입하는 예비 가열공정과 부형공정(2개의 공정)이 요구되는 프리폼 제작의 공정 수를 축소할 수 있고, 이에 관한 비용까지 절감시킬 수 있게 된다.Therefore, it is possible to reduce the number of preform manufacturing steps that require the conventional thermoplastic tape to be cut to the required length, preheated, and the preheating process of putting the thermoplastic tape into the mold after a certain period of time and the shaping process (two steps), It can also reduce costs related to this.
위와 같이, 다자유도 로봇 시스템의 삼각함수개념의 델타방식, 출력물이 바닥에 안정적으로 고정되게 하는 방식을 활용하여 수행함으로써, 다품종 소량생산 제품 생산에 대응이 가능하게 되고, 종래의 로드(Rod) 및 시트(Sheet) 삽입 인서트 사출 대비 설계 자유도, 경량화, 생상성 향상의 효과가 발생된다.As described above, by utilizing the delta method of the trigonometric concept of the multiple degree of freedom robot system and the method in which the output is stably fixed to the floor, it is possible to respond to the production of various types of small-volume products, and the conventional rod And sheet insertion, compared to insert injection, design freedom, weight reduction, and productivity improvement are generated.
서술된 연속섬유복합재(100)를 금형 캐비티(14) 내에 삽입시키는 프리폼 구성을 포함하는 인서트 사출은 금형 내에서 이질 또는 이색의 플라스틱이나 플라스틱 이외의 부품을 일체화시키는 사출성형 방법으로, 후술할 장섬유복합재(200)와 일체화 과정을 이루게 되고, 종래의 금형의 인서트와 인접한 플라스틱 부위에 금속인 금형과 수지의 열팽창 지수의 차이에 의한 크랙(Crack)의 발생을 제거할 수 있는 장점이 있다.Insert injection including a preform configuration in which the described continuous
다음으로, 장섬유복합재(LFT, 200)를 펠렛(Pellet) 형태로 사출 성형기의 호퍼(11)에 투입하여 금형 내로 발포 사출하는 단계(S200)로, 금형 캐비티(14) 내에 연속섬유복합재(100)가 삽입된 상태에서, 장섬유복합재(200)가 펠렛 형태로 사출 성형기의 호퍼(11)에 투입되는 단계이다.Next, the long fiber composite material (LFT, 200) in the form of pellets is put into the
상세하게 설명하자면, 장섬유복합재(200)는 펠렛 형태로, 복수 개가 호퍼(11)에 투입되어 실린더(12)에 의해 용융되어 노즐(13)을 통과해 금형 캐비티(14)를 향하여 이송될 수 있다. 여기서, 실린더(12)는 공지의 금형 부품인 실린더 및 사출 스크류의 형태일 수 있고, 회전속도, 압력, 온도에서 일정 값을 한정하여 장섬유복합재(200)의 사출을 도모할 수 있다(도 2참조).In detail, the long
실린더(12)는 호퍼(11)에 투입된 펠렛 형태의 장섬유복합재(200)를 압착시키고, 마찰 및 압력을 통해 열을 발생시킴으로써 용융시킬 수 있다.The
따라서, 스티프너의 형태에서 강도가 필수로 요구되는 측면을 제외하고 강성이 특별히 요구되지 않는 부분에 장섬유복합재(200)를 투입하여 부품의 경량화를 도모할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, there is an effect of reducing the weight of the parts by injecting the long
위와 같은 연속섬유복합재(100) 및 장섬유복합재(200)를 사용함에 따라, 종래의 GMT에 비해 구조강도, 충격강도, 굴곡탄성률 등이 우수할 뿐만 아니라, 성형 시간이 짧고, 재활용하기 쉬운 효과가 발생된다. 게다가, 공정 수의 감소로 제조 비용 절감 효과까지 볼 수 있다.By using the continuous
이때, 장섬유복합재(200)는 발포 사출되는 것이 바람직하고, 발포 방법으로는, 마이크로 캡슐 투입 방법, 물리적 발포 및 화학적 발포에 의한 발포제가 있다. At this time, the long
먼저, 마이크로 캡슐에 의한 발포에 있어서, 마이크로 캡슐을 투입하는 방법은 폴리머로 감싸고 있는 중공상태의 캡슐로, 성형온도에 의하여 내부 기공이 팽창하며, 폴리머 연신으로 의해 발포 가능한 구조의 발포제이며, 물리적 발포는 초임계 유체를 활용한 발포 방식으로, 사출기 노즐에 강제적으로 Gas(초임계 유체)를 주입시켜, 사출 시 금형 내부로 균일한 기공을 형성하도록 하는 발포제이며, 화학적 발포는 열분해 유기합성물로 구성된 첨가제로, 성형 과정에 열에 의한 성분 분해가 일어나며, 그 과정에서 발생하는 Gas로 제품 내부에 기공을 형성하는 발포제이다. 본 발명에서는 마이크로 캡슐이 가장 권장되나, 이에 한정하지 않고, 기공을 형성하는 발포제의 종류 및 형태의 제한이 없음을 밝혀둔다.First, in the foaming by microcapsules, the method of inserting the microcapsules is a hollow capsule wrapped with a polymer, the internal pores expand by the molding temperature, and is a foaming agent having a structure that can be foamed by stretching the polymer, and physical foaming. is a foaming method that utilizes supercritical fluid, and is a foaming agent that forcibly injects gas (supercritical fluid) into the injection machine nozzle to form uniform pores inside the mold during injection. Chemical foaming is an additive composed of pyrolytic organic compounds It is a foaming agent that decomposes components by heat during the molding process and forms pores inside the product with the gas generated in the process. In the present invention, microcapsules are most recommended, but the present invention is not limited thereto, and there is no limitation on the type and shape of the foaming agent for forming pores.
이때, 연속섬유복합재(100)는 GF 60wt%, 장섬유복합재(200)는 유리섬유는 20wt%, 발포 함량은 3wt%으로 구성된다.At this time, the continuous
이하, 첨가된 발포 함량에 따라 개선되는 효과에 대해 이하의 실험을 통해 증명하도록 한다.Hereinafter, the effect improved according to the added foaming content is to be proved through the following experiments.
제품 성능 평가 진행 방법으로는, 스티프너 상부에 정하중으로 가압하여 파손까지의 최대 하중값을 파악하는 정하중 평가, 가압 시 제품의 휨 현상이 발생하며 변형거리(변위량)을 측정하는 최대 변위 평가 및 제품 총 중량을 측정하여 경량화 정도를 파악하는 중량 평가로 진행된다. Product performance evaluation methods include static load evaluation to determine the maximum load value until failure by applying a static load to the upper part of the stiffener, maximum displacement evaluation to measure the deformation distance (displacement) when the product bends when pressurized, and total product It proceeds to weight evaluation to determine the degree of weight reduction by measuring the weight.
여기서, 발포는 마이크로 캡슐 형태의 발포제의 투입에 의해 이루어지고, 이를 기준으로 설명한다. 이때, 화학적 및 물리적 발포 형태의 발포제 또한 동일한 효과를 발현하나, 중복 설명 방지를 위해 생략하도록 한다.Here, the foaming is made by the injection of the foaming agent in the form of microcapsules, and will be described based on this. At this time, the foaming agent in the form of chemical and physical foaming also exhibits the same effect, but will be omitted to avoid overlapping description.
먼저, 이하 표 1을 참조하여 연속섬유복합재 및 장섬유복합재에 함침되는 유리섬유의 함량에 따른 영향을 비교하도록 한다.First, with reference to Table 1 below, the effect of the content of glass fibers impregnated in the continuous fiber composite material and the long fiber composite material is compared.
(연속섬유복합재 GF60%, 8Φ)Insert
(Continuous fiber composite material GF60%, 8Φ)
(g)Weight
(g)
(kgf)dead load
(kgf)
상기 표 1을 참조하면, 샘플(a)는 장섬유복합재(200)에 유리섬유 30wt%가 함량되고, 연속섬유복합재(100)의 인서트 과정이 없는 사출 성형으로 제작된 스티프너의 Weight, 정하중 및 최대변위를 측정한 것이고, 샘플(b)는 장섬유복합재(200)에 유리섬유 20wt%가 함량되고, 연속섬유복합재(100)의 인서트 과정이 진행된 사출 성형으로 제작된 스티프너의 Weight, 정하중 및 최대변위를 측정한 것이고, 샘플(c)는 샘플(b)와 동일하게 장섬유복합재(200)에 유리섬유 20wt%가 함량되고, 연속섬유복합재(100)의 인서트 과정이 진행되지만, 추가로 발포제 1wt% 함량이 더 포함되어 사출 성형으로 제작된 스티프너의 Weight, 정하중 및 최대변위를 측정한 것이다.Referring to Table 1, in sample (a), 30 wt% of glass fiber is contained in the long
서술한 바와 같이 각각 상이하게 제작된 샘플(a) 내지 (c)의 스티프너를 실험하여 도 4 및 도 5와 같은 형태로 실험(제품 성능 평가)하였다.As described above, the stiffeners of samples (a) to (c) manufactured differently were tested in the form shown in FIGS. 4 and 5 (product performance evaluation).
도 4는 스티프너(샘플(a) 내지 (c)로 제작된)의 상부에 가압 구동 장치가 위치하여 가압하기 직전을 도시한 것이고, 도 5는 스티프너가 가압 구동 장치로부터 파손까지의 최대 하중을 받은 경우 파단면(A)이 발생됨을 도시한 것이다.4 shows the pressure driving device positioned on the upper part of the stiffener (made of samples (a) to (c)) just before pressing, and FIG. 5 is the stiffener receiving the maximum load from the pressure driving device to breakage. In this case, it is shown that the fracture surface (A) is generated.
표 1에서도 알 수 있듯이, 샘플(a) 내지 (c)의 정하중(스티프너 상부에서 제품을 가압할 때 버티는 하중)은 소폭으로, 큰 차이가 없지만, Weight 및 최대변위에서 차이가 존재함을 확인할 수 있다.As can be seen from Table 1, the static loads of samples (a) to (c) (the load endured when the product is pressed on the upper part of the stiffener) are small and there is no significant difference, but it can be confirmed that there is a difference in weight and maximum displacement. have.
즉, 인서트 사출성형이 진행되지 않은 경우 보다 유리섬유 60wt% 함량이 포함된 연속섬유복합재(100)가 인서트 사출성형된 스티프너의 무게가 가볍고, 정하중으로 가압하였을 때 제품이 변형되며 뒤로 밀리는 거리인 최대변위가 짧은 것을 확인할 수 있다.That is, when insert injection molding is not performed, the stiffener in which the
따라서, 유리섬유 60wt% 함량이 포함된 연속섬유복합재(100)가 장섬유복합재(200)에 인서트 사출성형된 스티프너가 경량화를 실천할 수 있는 본 발명의 목적에 부합하는 성형 공정임을 파악할 수 있다.Therefore, it can be understood that the stiffener in which the continuous
그러나, 장섬유복합재(200)에 연속섬유복합재(100)가 인서트 사출성형되는 것 보다 장섬유복합재(200)와 함께 발포제 1wt%의 함량이 추가로 구성되는 샘플(c)의 스티프너가 463g의 하중으로 가장 우수하게 경량화를 실천할 수 있다. 아울러, 샘플 (c)의 최대변위가 19.5mm로, 17.1mm인 샘플(b)와 비교하였을 때에 큰 차이를 보이지 않으므로, 본 발명의 목적인 스티프너의 경량화를 염두하였을 때, Weight가 상대적 가벼운 샘플(c)의 성형 공정이 우수한 것을 파악할 수 있다.However, rather than insert injection molding the continuous
위와 같이 스티프너 제작을 위한 발포 성형이 복합된 사출 성형에서 발포제가 첨가되는 구성이 스티프너의 경량화를 도모하기 위해 적합한 것을 확인하였다. 이때, 발포제 함량은 바람직하게는 3wt%이다.As described above, it was confirmed that the configuration in which the foaming agent is added in the injection molding in which the foam molding for the manufacture of the stiffener is combined is suitable for reducing the weight of the stiffener. At this time, the content of the blowing agent is preferably 3wt%.
상기 표 2는 연속섬유복합재(100)가 삽입된 금형에 용융한 유리섬유 20wt%가 함량된 펠렛 형태의 장섬유복합재(200)를 발포사출하는 공정에서, 발포제의 함량을 달리하여 제작된 샘플 값이다.Table 2 shows the sample values produced by varying the content of the blowing agent in the process of foaming and injecting the long
상기 표 2를 참조하면, 발포제 함량의 1wt%와 3wt%는 정하중 및 최대변위에서 큰 차이를 보이지 않지만, Weight에서 각각 463(g) 및 445(g)로 큰 차이를 보여, 발포제 함량이 3wt%인 샘플(j)가 스티프너 경량화 효과를 발생시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, 1wt% and 3wt% of the foaming agent content do not show a large difference in static load and maximum displacement, but show a large difference in weight of 463(g) and 445(g), respectively, so that the foaming agent content is 3wt% It can be seen that the phosphorus sample (j) can generate a stiffener weight reduction effect.
한편, 발포제 함량이 5wt%인 샘플(k)가 샘플(j) 보다 큰 폭으로 경량화 효과를 발생시킬 수 있지만, 발포제의 함량이 5wt%인 경우, 파손까지의 최대 하중값인 정하중이 101(kgf)로 발포제 함량 3wt% 보다 16(kgf)이 낮고, 가압 시에 휨 현상이 발생하는 변형거리는 35.2(mm)로 발포제 함량 3wt% 보다 15(mm)정도 오히려 증대함을 알 수 있다. 이로 인해, 제작 시 요구되는 설계 스펙을 만족시킬 수 없게 된다.On the other hand, the sample (k) having a foaming agent content of 5 wt% can generate a weight reduction effect to a greater extent than the sample (j), but when the foaming agent content is 5 wt%, the static load, which is the maximum load value up to breakage, is 101 (kgf) ), which is 16 (kgf) lower than the foaming agent content of 3 wt%, and the deformation distance at which the bending phenomenon occurs during pressurization is 35.2 (mm), which is rather increased by 15 (mm) than the foaming agent content 3 wt%. For this reason, it is impossible to satisfy design specifications required during manufacturing.
이에 따라, 발포제 함량 3wt% 투입 시, 파손 우려를 최소화하고, 경량화 효과를 10% 수준으로 확보할 수 있으므로, 발포제의 함량이 3wt%가 가장 바람직하다.Accordingly, when the blowing agent content is 3wt%, it is possible to minimize the risk of damage and secure the weight reduction effect at a level of 10%, so the content of the blowing agent is most preferably 3wt%.
다음으로, 상기 연속섬유복합재와 상기 장섬유복합재가 용착 및 성형되는 단계(S300)가 진행된다.Next, the step (S300) of welding and molding the continuous fiber composite material and the long fiber composite material is performed.
이 과정은 공지의 사출 성형에서 이루어지는 가소화과정, 보압 및 냉각단계로, 사출물의 표면을 계면활성화시켜, 접착제 없이도 본 발명의 연속섬유복합재(100)에 장섬유복합재(200) 및 발포제(300)를 부착시킬 수 있다. 위와 같은 상기 연속섬유복합재와 상기 장섬유복합재가 용착 및 성형되는 단계(S300)는 금형 캐비티(14)를 완전히 채울 수 있도록 강한 압력과, 고화될 때까지 낮은 압력을 유지하며 진행되며, 공지 기술로 상세한 설명은 생략하도록 한다.This process is a plasticizing process, holding pressure, and cooling step made in known injection molding, and the surface of the injection product is surface activated, and the long
서술된 일련의 과정을 통해 제작되는 스티프너는 원형상의 로드(Rod)로 형성될 수 있고, 반드시 원 형상에 국한되지 않으며, 타원은 물론 각을 갖는 다각형상이 될 수도 있다.The stiffener manufactured through the described series of processes may be formed as a circular rod, and is not necessarily limited to a circular shape, and may be an ellipse as well as a polygonal shape having an angle.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the
11 : 호퍼, 12 : 실린더,
13 : 노즐, 14 : 금형 캐비티,
100 : 연속섬유복합재, 200 : 장섬유복합재.11: hopper, 12: cylinder,
13: nozzle, 14: mold cavity,
100: continuous fiber composite material, 200: long fiber composite material.
Claims (14)
상기 연속섬유복합재보다 상대적으로 낮은 강성 및 낮은 무게를 지니는 장섬유복합재(LFT)를 필렛 형태로 사출 성형기의 호퍼에 투입하여, 상기 장섬유복합재(LFT)가 상기 연속섬유복합재의 내측에 위치하도록 상기 금형 내로 발포 사출하는 단계; 및
상기 연속섬유복합재와 상기 장섬유복합재가 용착 및 성형되는 단계;를 포함하고,
상기 프리폼은 3D 프린터의 필라멘트를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는
CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너 제조 방법.
Upon completion of the stiffener, manufacturing a continuous fiber composite (CFRTPC) as a preform so as to be positioned at a portion where a collision occurs in the case of an accident at the stiffener, and placing it along the side in a mold cavity having the shape of the stiffener;
Long fiber composite material (LFT) having relatively lower rigidity and lower weight than the continuous fiber composite material is put into the hopper of the injection molding machine in the form of a fillet, so that the long fiber composite material (LFT) is located inside the continuous fiber composite material. Foam injection into the mold; and
Including; welding and molding the continuous fiber composite material and the long fiber composite material;
The preform is manufactured using a filament of a 3D printer, characterized in that
CFRTPC insert injection molded lightweight stiffener manufacturing method.
상기 연속섬유복합재는 60wt% 함량의 유리섬유(Glass Fiber)로 구성된
CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너 제조 방법.
According to claim 1,
The continuous fiber composite material is composed of glass fiber (Glass Fiber) with a content of 60 wt%.
CFRTPC insert injection molded lightweight stiffener manufacturing method.
상기 장섬유복합재는 20wt% 함량의 유리섬유로 구성된
CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The long fiber composite material is composed of glass fibers with a content of 20 wt%.
CFRTPC insert injection molded lightweight stiffener manufacturing method.
상기 발포 사출하는 단계에 있어서,
3wt% 함량의 발포제가 상기 호퍼에 투입되는
CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너 제조 방법.
4. The method of claim 3,
In the foam injection step,
3wt% of the blowing agent is added to the hopper
CFRTPC insert injection molded lightweight stiffener manufacturing method.
마이크로 캡슐 형태의 발포제로 발포 사출하는 것인
CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너 제조 방법.
5. The method of claim 4,
It is a foam injection with a foaming agent in the form of microcapsules.
CFRTPC insert injection molded lightweight stiffener manufacturing method.
Gas(초임계 유체)를 주입시키는 물리적 형태의 발포제로 발포 사출하는 것인
CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너 제조 방법.
5. The method of claim 4,
It is a foaming injection with a foaming agent in a physical form that injects gas (supercritical fluid).
CFRTPC insert injection molded lightweight stiffener manufacturing method.
열분해 유기합성물로 구성된 첨가제인 화학적 형태의 발포제로 발포 사출하는 것인
CFRTPC가 인서트 사출 성형된 경량화 스티프너 제조 방법.
5. The method of claim 4,
It is a foaming injection with a chemical type foaming agent, which is an additive composed of thermal decomposition organic compounds.
CFRTPC insert injection molded lightweight stiffener manufacturing method.
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