KR102429167B1 - 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 금속판과 섬유강화플라스틱이 적층된 구조로, 섬유강화플라스틱이 박리되는 것을 방지하는 한편, 우수한 충돌 성능을 확보할 수 있도록 섬유강화플라스틱에 의해 강도가 보강된 차량용 금속판 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다. 이를 위해 본 발명에서는 특정 방향으로 배향된 섬유들이 금속판 구조체의 바닥부에서 단절된 형태로 형성됨으로써 충분한 충돌 성능을 확보하면서도 섬유층과 금속층 간의 분리가 일어나지 않도록 구성할 수 있다.

Description

섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체 및 그 제조 방법 {Folded metal plate structure reinforced by fiber reinforced plastic and manufacturing method for the same}

본 발명은 차량용 금속판 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속판 구조체의 강도를 국부적으로 보강하기 위하여 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic)이 적용된 차량용 금속판 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic: FRP)의 경우 기존 강판 대비 높은 강성 및 낮은 밀도로 인하여 자동차 부품에 적용이 확대되고 있으나, 기존 금속재료로 구성된 차체에 적용하는 경우 금속-플라스틱간 접합 난이도가 높으며 접합부의 강도가 저하되는 단점이 있다.

기존 부품과의 접합방법을 점용접으로 동일하게 유지하고, 강판의 강도를 국부적으로 보강하기 위하여 강판 위에 프레스 성형을 통하여 섬유강화플라스틱 시트를 접합하는 공법이 개발되어 적용되고 있다. 그러나 강판-고분자 간 열팽창 계수의 차이로 인하여 차체 도장공정 통과 시 온도 상승으로 인한 열응력이 발생한다. 이로 인하여 강판-고분자 계면간 분리가 발생하며, 이는 부품의 강도 및 강성을 저하시키게 된다.

일례로, 대한민국 등록특허 제10-1436454호에서는 섬유강화플라스틱(FRP), 특히 탄소삼유강화플라스틱(CFRP)을 성형하는데 있어, 배향된 섬유에 고분자 수지를 주입 또는 함침하여 반경화된 물질(Prepreg)를 고압/고온 성형하여 경화하는 방법을 개시하고 있다. 또한, 대한민국 공개특허 제2010-0075142호에서는 강판과의 접합을 위하여, 강판위 탄소섬유강화수지를 적층한 상태로 가열된 프레스를 통하여 부품 형상으로 가압 및 열융착을 하는 기술을 제시하고 있다.

이러한 기술들의 경우, 성형 직후에는 강판-FRP간 접합이 유지된다. 제작된 부품은 차체 BIW(Body In White)에 조립되며 전체 BIW는 도장공정 중 도장층의 경화를 위하여 특정 온도범위 (150~250℃) 로 가열하는 공정을 거치게 된다. 승온 및 냉각 과정에서 강판과 FRP의 열팽창과 수축이 발생하며, 강판-FRP 간 열팽창계수 차이로 인하여 계면 간 분리가 발생하게 된다.

그러므로, 강판에 FRP를 적층하기 위한 기술, 특히 열팽창 및 수축이 진행되더라도 균일한 접합품질을 확보할 수 있는 기술이 요구된다.

대한민국 등록특허 제10-1436454호 (2014.8.26) 대한민국 공개특허 제2010-0075142호 (2010.7.2)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 금속판과 섬유강화플라스틱이 적층된 구조로, 섬유강화플라스틱이 박리되는 것을 방지하는 한편, 우수한 충돌 성능을 확보할 수 있도록 섬유강화플라스틱에 의해 강도가 보강된 차량용 금속판 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 바닥부와 측벽부를 가지는 금속판 및 상기 금속판에 접합되는 섬유강화플라스틱층을 포함하는 차량용 금속판 구조체로서, 상기 섬유강화플라스틱층은 제1방향으로 배향된 섬유 및 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 배향된 섬유를 포함하고, 상기 제2방향으로 배향된 섬유는 상기 금속판의 일측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제1그룹의 섬유들과 상기 금속판의 타측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제2그룹의 섬유들을 포함하되, 제1그룹의 섬유들과 제2그룹의 섬유들은 진행 방향에 대해 서로 단절되는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제공한다.

또한, 상기 바닥부의 내측을 기준으로, 상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 75% 내지 85% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제공한다.

또한, 상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 80% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제공한다.

또한, 상기 차량용 금속판 구조체는 모자 형상의 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제공한다.

또한, 상기 차량용 금속판 구조체는 다른 구조체와 접합될 수 있도록 양측에 접합부를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제공한다.

또한, 상기 제1그룹의 섬유들과 상기 제2그룹의 섬유들은 각각 2 이상의 섬유층으로 이루어지며, 각 그룹의 섬유층들은 다른 그룹의 섬유층들과 섬유의 진행 방향에 대해 서로 단절되는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제공한다.

또한, 상기 제1방향으로 배향된 섬유들은 섬유의 진행 방향으로 단절되지 않도록 구성되는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제공한다.

한편, 본 발명에서는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조방법에 있어서, (a) 금속판에 제1방향으로 배향된 섬유들과 제2방향으로 배향된 섬유들을 포함하는 섬유층을 적층하는 단계; (b) 상기 섬유층이 적층된 금속판을 프레스 하형 상에 위치시키는 단계; (c) 프레스 상형을 하강시켜 상기 섬유층이 적층된 금속판을 가압하여 바닥부와 한 쌍의 측벽부를 가지는 금속판 구조체를 제작하는 단계;를 포함하며, 상기 (c)단계에서 제작된 금속판 구조체에 있어서, 상기 제2방향으로 배향된 섬유는 상기 금속판의 일측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제1그룹의 섬유들과 상기 금속판의 타측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제2그룹의 섬유들을 포함하되, 제1그룹의 섬유들과 제2그룹의 섬유들은 진행 방향에 대해 서로 단절되는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 바닥부의 내측을 기준으로, 상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 75% 내지 85% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 80% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 (c)단계에서 제작된 상기 차량용 금속판 구조체는 모자 형상의 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 2회 반복하여 제작된 한 쌍의 차량용 금속판 구조체의 접합부를 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 제1그룹의 섬유들과 상기 제2그룹의 섬유들은 각각 2 이상의 섬유층으로 이루어지며, 각 그룹의 섬유층들은 다른 그룹의 섬유층들과 섬유의 진행 방향에 대해 서로 단절되는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 제1방향으로 배향된 섬유들은 섬유의 진행 방향으로 단절되지 않도록 구성되는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따른 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체 및 그 제조방법은 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 금속판과 섬유강화플라스틱 시트를 성형 및 접합한 부품을 제작함에 있어서, 차체 도장공정 시 각 이종재 간에 서로 다른 열팽창/수축이 발생하더라도, 도장 후 균일한 금속판-섬유강화플라스틱 간 접합품질을 확보할 수 있다.

둘째, 충분한 충돌 특성이 요구되는 차량 부품에서 외부 응력 방향에 따른 FRP의 최적 적층 구조를 도출함으로써, 우수한 강도 보강성을 확보하면서도 차량 부품의 경량화를 달성할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 박스형 단면을 가지도록 접합된 차량 구조체에 대한 섬유 배열 방향을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체로써, 모자 형상의 단면구조를 가지는 한 쌍의 구조체가 접합된 예를 도시한 것이고,
도 3은 도 2의 차량 구조체에 대한 충돌 시 파단 거동을 나타낸 것이고,
도 4는 도 2의 차량 구조체에서 금속판과 수지층 간의 분리가 발생하는 것을 개념적으로 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 예를 도시한 것이고,
도 6은 도 5에 따른 구조체에서 금속판과 섬유층 간의 계면 내 잔류응력이 완화되는 것을 도시한 것이고,
도 7은 도 5에 따른 구조체에서, 금속판의 바닥부 면적과 섬유 적용 면적에 따른 접착력 및 최대 반력에 대한 데이터를 나타내는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법을 도시한 것이다.

본 발명에서는 차량에 적용되는 부품 구조체로, 강판과 같은 금속판에 섬유강화플라스틱이 적층된 구조체에 대한 적층 구조를 포함하는 부품 형상 및 이를 제작하기 위한 제조 방법을 제시한다.

이러한 부품 구조체를 설명함에 있어서, 본 발명에서는 특정 단면 구조를 예시하고, 이를 토대로 설명하고 있으나, 특허청구범위에 기재된 발명은 이러한 단면 구조에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술 요지를 벗어나지 않는 범위에서 변형될 수 있으며, 단면 구조 또한 설계적 요소에 따라 변경될 수 있다. 또한, 구조체의 단면은 폐단면일 수도 있으며, 개단면일 수도 있으며, 부재의 접합 방식은 기공지된 다양한 접합 방식을 적용할 수 있다. 또한, 본 명세서에서, 섬유층이란, 섬유를 포함한 층을 의미하고, 바람직하게는 FRP와 같은 플라스틱계 복합재료층을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1은 박스형 단면을 가지도록 접합된 차량 구조체에 대한 섬유 배열 방향을 설명하기 위한 도면이다. 구체적인 설명에 앞서, 섬유강화플라스틱 내에 존재하는 섬유의 배향을 설명한다.

섬유강화플라스틱은 섬유방향에 따라 상이한 강도를 가지는 이방성 물질로, 강도 및 강성 보강을 목적으로 단일한 방향으로 섬유를 배향하지 않고, 복합적인 방향으로 섬유를 배향한다. 즉, 도 1에 도시된 것처럼, 섬유방향(0도)의 기계적 물성이 가장 우수하며, 섬유수직방향(90도)의 물성이 가장 열위하다. 따라서 단일 방향으로 섬유강화플라스틱(FRP)을 배향하지 않고, 0도 방향과 90도 방향의 섬유를 복합적으로 적층하여 적용한다. 예를 들어, CFRP 0/0/0(또는 0/0/0)이라 함은 0도 방향으로 배향된 탄소 섬유가 3겹으로 적층된 구조를 말하고, FRP 90/0/0(또는 90/0/0)이라 함은 90도, 0도, 0도 방향으로 배향된 탄소 섬유가 3겹으로 적층된 구조를 말한다.

본 명세서에서는 구분을 위해, 부품 구조체에 대하여 배열의 기준이 되는 방향을 제1방향이라 하고, 그에 수직이 되는 방향을 제2방향으로 정의하고, 이러한 방향의 정의에 따라 이하에서 설명한다. 이와 같이 방향을 구분하는 것은 섬유방향에 따라 물성의 차이를 보이는 것 때문이며, 따라서, 제1방향 및 제2방향은 아래에 예시된 0도와 90도 방향으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, ±45도 방향을 각각 제1방향 및 제2방향으로 설정할 수도 있으며, 각 방향이 정확하게 90도 차이가 나야하는 것 또한 아니다.

도 1은 부품 구조체 상에 제1방향 및 제2방향으로 배열된 섬유들을 도시하고 있다. 도 1에서와 같이, 금속 부재에 FRP를 적용함에 있어서, 제1방향(0도 방향)으로 배열된 섬유 및 제2방향(90도 방향)으로 배열된 섬유를 함께 적용할 수 있다.

도 2는 이와 같이 배향된 강판(11a, 11b) 및 섬유(12a, 12b)를 포함하는 모자형상의 구조체의 단면을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 바닥부-측벽부로 구성된 부품을 적용하는 경우 측벽부의 제2방향(90도 방향)으로 배열된 섬유가 외부 응력에 가장 효과적으로 작용하게 된다.

일반적으로 외부 충격에 의해서 해당구조를 가진 부품이 파단될 때, 도 3과 같은 거동을 따르게 된다. 즉, 외부 충격이 가해질 때, 충격이 가해지는 면의 절곡부(R부)가 무너지고, 이후 상부 측 파단이 일어난다. 즉, 충돌 시, R부의 90도 방향 섬유 파단이 1차적으로 발생하고, 측벽부가 펼쳐지면서 하판까지 변위 증대되고, 강판과 FRP 계면 간 파단이 발생하게 된다.

이러한 파단 거동을 고려할 때 충격 초기에 응력이 집중되며 초기 파단이 발생하는 R부 및 측벽부를 보강하는 것이 전체 면적 (바닥부 포함)을 보강하는 경우에 대비하여 효과적이다.

한편, 강도보강 효과가 가장 큰 90도 방향 섬유량을 증가시키거나, 90도 방향 섬유층의 적층 수를 늘림으로써, FRP 두께를 상향시키는 경우도 고려할 수 있으나, 이러한 경우 부품의 전체 중량이 증대될 뿐 아니라 도장으로 인한 계면 간 분리 측면에서도 불리하게 작용한다.

FRP의 경우 섬유 배향에 따라 열팽창계수가 상이하며, 도 2와 같은 단면 구조를 갖는 부품에서는 제2방향(90도 방향)의 섬유가 증가할수록 강판-FRP 계면 사이에서 분리되는 현상이 심화된다. 이는 승온 시 강판이 바깥방향으로 팽창하는 것에 비하여, 제2방향(90도 방향) FRP는 거의 팽창하지 않고 원래 형상을 유지함으로써 계면에서 분리응력이 발생하기 때문이다. 즉, 도 4에 도시되어 있듯이, 승온 과정에서 강판 팽창 시, 90도 방향 섬유는 대체로 원래의 형상을 유지하게 되고, 이러한 열팽창계수의 차이로 인해, 금속판과 섬유층 간의 분리가 발생하게 된다. 반면, 제1방향(0도 방향) 섬유의 경우 강판과의 열팽창계수 차이가 적고, 강판의 팽창방향에 따라가는 현상이 발생하여 계면 간 분리가 적게 발생한다.

한편, 아래 표 1은 강판과 CFRP의 접합 구조에 대한 계면 분리 실험을 수행한 결과이다. 실험은 190℃ 에서 25℃로 30분에 걸쳐 온도를 하강시키는 방식으로 실시되었으며, 배향 방향이 서로 다른 적층 구조를 비교할 수 있도록 실험하였다. 위 실험에서, 각 계면에 사용된 접착제의 응력 한계값은 각각 노멀 Z방향(바닥부에 수직한 방향)으로는 50MPa이고, 쉬어 YZ방향(측면부의 쉬어 방향)으로는 25MPa이다. 아래 표 1에서는 분리 특성에 관계된 쉬어 YZ방향에 대한 데이터만 첨부하였다.

	1	2	3
적층구조	S/GF/0/0/0/0//GF	S/GF/0/90/90/0//GF	S/GF/90/90/90/90//GF
분리	미발생	발생	발생
Shear YZ-잔류응력	20.5MPa	32MPa	26MPa

(S:강판, GF:유리섬유, 0: 0도방향 탄소섬유, 90: 90도방향 탄소섬유)

유리섬유층은 강판과 탄소섬유 계면 간 갈바닉 부식 방지 및 표면층의 외관 향상을 위하여 적용하였으며, 충돌 성능 및 분리 특성과는 무관하다.

위 표 1의 데이터를 고려할 때, 강도 보강을 위해 제2방향(90도 방향)의 탄소 섬유를 적용할 경우, 계면 분리가 발생될 가능성이 높아짐을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 구조체의 바닥부에서 단절된 형태의 제2방향(90도 방향) 섬유에 대한 단절 영역을 가지도록 구성함으로써 분리가 발생하지 않게 한다.

구체적으로, 도 5는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 예를 도시한 것이다. 특히, 본 구현예에서는 바닥부와 한 쌍의 측벽부를 가지는 금속판(101) 및 상기 금속판(101)에 접합되는 섬유강화플라스틱층을 포함하는 차량용 금속판 구조체(100)로서, 바닥부를 기준으로 단절된 두 개 그룹의 제2방향(90도 방향) 섬유들(102a, 102b)을 포함한다. 여기서 제2방향(90도 방향) 섬유들은 해당 섬유의 진행 방향(또는 길이 방향)에 대하여 단절되게 된다. 따라서, 도 5에서와 같이, 섬유 진행 방향에 대하여 단절된 영역, 즉, 섬유가 적용되지 않는 영역이 존재하게 된다.

구체적으로, 상기 섬유강화플라스틱층은 제1방향으로 배향된 섬유 및 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 배향된 섬유를 포함하는데, 상기 제2방향으로 배향된 섬유는 상기 금속판(101)의 일측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제1그룹의 섬유들(102a)과 상기 금속판(101)의 타측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제2그룹의 섬유들(102b)을 포함하되, 제1그룹의 섬유들(102a)과 제2그룹의 섬유들(102b)은 서로 단절되도록 구성된다.

즉, 도 5에 도시된 것처럼 제2방향(90도 방향) 섬유는 좌우측 측면부에서부터 바닥부 측으로 연장되는 섬유가 서로 연결되지 않고, 단절된 형태로 구성되는 것에 특징이 있다. 일측 측면부로부터 바닥부 측으로 연장된 제2방향 섬유는 맞은편 측면부 측으로 연장되지 않고, 바닥부 상에서 끊어진 형상으로 존재한다. 따라서, 도 2의 구조체처럼 제2방향(90도 방향) 섬유가 좌우측 측면부에 걸쳐 연결된 구조가 아니라, 분할된 제2방향(90도 방향) 섬유의 쌍을 가지게 된다.

반면, 상기 제1방향으로 배향된 섬유들은 섬유의 진행 방향으로 단절되지 않도록 구성될 수 있다.

또한, 본 구현예에 따른 차량용 금속판 구조체는 모자 형상의 단면 구조를 가지는 데, 모자 형상의 양쪽 단부에서는 다른 금속판 구조체(200)와 접합될 수 있도록 접합부(300)를 가지게 된다. 이러한 접합부(300)를 통해, 도 5에서와 같이 폐단면을 가지는 구조체를 구성할 수 있다.

도 6은 위와 같은 구현예에서, 금속판(101)과 섬유층 간의 계면 내 잔류응력이 완화되는 것을 도시하고 있다. 즉, 강판과 같은 금속판(101)이 좌우측으로 팽창할 경우, 도 6에서와 같이, 제2방향(90도 방향) 섬유들 또한 바닥부의 중심 위치에서 서로 단절되어 있기 때문에, 강판의 팽창 움직임을 따라 각각 좌우측으로 이동할 수 있게 되고, 그 결과 강판-섬유 계면에서의 분리를 방지할 수 있게 된다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2방향(90도 방향) 섬유의 적용 면적을 조정할 수 있으며, 이와 같이 섬유의 적용 면적을 조정함에 따라 계면에서의 접착력 변화 및 최대 반력(충돌 성능)이 변화하게 된다.

즉, 제2방향(90도 방향) 섬유는 충돌 시 강도 보강을 위해 기능하는 것인데, 계면 분리를 방지하기 위해 제2방향(90도 방향) 섬유의 적용 면적을 줄일 경우, 충돌 시 강성과 관련된 최대 반력이 감소하게 된다.

특히, 바닥부의 내측을 기준으로, 상기 바닥부의 전체 면적(Y)과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적(2X)의 비에 따라 접착력 및 최대 반력이 변화되는데, 본 명세서에서는 섬유의 적용 면적비를 2X/Y로 규정하고, 해당 비율에 따라 접착력 및 최대 반력의 변화를 고려한다.

이와 관련, 도 7에서는 금속판의 바닥부 면적과 섬유 적용 면적에 따른 접착력 및 최대 반력에 대하여 실시한 실험 데이터 결과를 나타내고 있다.

도 7에 도시된 것처럼, 최대반력과 계면에서의 접착력은 서로 반비례의 관계에 있으며, 충분한 충돌 성능을 확보하면서 계면에서 분리가 일어나지 않도록 하기 위해서는 최적의 섬유 적용 면적을 적용하여야 한다.

이와 관련, 계면에서의 접착력은 섬유 적용 면적이 80% 정도일 때 급격하게 감소되는 경향을 보이며, 최대 반력을 60% 정도 까지 급격하게 감소된다.

특히, 도 7에서 접착력이 음수라는 것은 계면 분리가 발생하는 것을 의미하므로, 계면 분리가 일어나지 않는 정도 수준인 85% 이하, 바람직하게는 80% 이하로 제2방향(90도 방향) 섬유의 적용 면적을 유지할 필요가 있다.

반면, 80% 이하로 제2방향(90도 방향) 섬유 적용 면적을 유지하는 경우, 분리는 일어나지 않는 대신, 섬유 적용 면적을 감소시킴에 따라 충돌 특성에 관여하는 최대반력의 수치는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 섬유 적용 면적은 적어도 60%를 유지하고, 바람직하게는 75% 이상의 섬유 적용 면적을 가지도록 구성한다. 가장 바람직하게는, 최대 반력과 접착력의 상관 관계를 고려하여, 80% 수준으로 제2방향(90도 방향) 섬유 적용 면적을 유지한다.

이와 같은 구성을 갖는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법은 도 8에 도시되어 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에서는, 프레스 장비에 의해 모자 형상의 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체를 제작한다.

먼저, 금속판과 상기 금속판에 적층된 섬유층을 준비한다. 여기서, 섬유층은 프레스된 최종 제품의 형상을 고려하여 미리 설정된 위치에 배치될 수 있도록 적층되어야 한다. 또한, 적층 시 금속판과 사이에 접착제를 도포할 수 있으며, 바람직하게는 프레스 성형 과정에서 접착제에 의해 금속판과 섬유층이 적층될 수 있도록 한다. 이는 프레스 과정에서 소재들이 연신되기 때문이다.

다음으로, 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 섬유층이 적층된 금속판을 프레스 금형의 하형(400) 상에 위치시킨다. 이 때, 전술한 바와 같이, 섬유층에는 제2방향(90도 방향)으로 배향된 섬유들이 포함되며, 제2방향(90도 방향) 섬유들은 단절된 형태로 이루어진다. 본 구현예에서는 제2방향(90도 방향)으로 배향된 섬유층만을 도시하였으나, 제1방향(0도 방향)으로 배향된 섬유층이 추가될 수 있다. 또한, 도 8에서는 단일한 제2방향(90도 방향) 섬유층이 적용된 것을 예시하고 있으나, 적층 수는 가변될 수 있다. 예를 들어, 일측 측벽부에서의 제2방향(90도 방향) 섬유들로 구성된 제1그룹의 섬유들과 타측 측벽부에서의 제2방향(90도 방향) 섬유들로 구성된 제2그룹의 섬유들을 가지는 예에서, 각각의 그룹들은 2 이상의 섬유층으로 이루어질 수 있으며, 각 그룹의 섬유층들은 다른 그룹의 섬유층들과 섬유의 진행 방향에 대해 서로 단절되도록 구성할 수 있다.

다음으로, 도 8(b)에서와 같이, 상형(500)이 하강하면서 제2방향(90도 방향) 섬유층이 적층된 금속판을 가압하고, 도 8(c)에서와 같이 모자 형상의 금속판 구조체가 제작된다. 이 때, 도 8(c)에서와 같이, 제2방향(90도 방향) 섬유층은 금속판의 바닥부 상에서 비적용 면적을 가지도록 단절된 상태를 유지한다. 따라서, 프레스 성형을 통해 제작된 금속판 구조체는 일측 측면부에서 바닥부 측으로 연장되는 제2방향(90도 방향) 섬유들을 포함하는 제1그룹의 섬유와 타측 측면부에서 바닥부 측으로 연장되는 제2방향(90도 방향) 섬유들을 포함하는 제2그룹의 섬유를 포함하되, 제1그룹의 섬유와 제2그룹의 섬유는 서로 단절되도록 구성된다.

프레스 성형이 완료된 이후, 상형(500)이 다시 상부로 이동하고(도 8(d)), 모자 형상의 금속판 구조체가 탈형된다(도 8(e)).

위 도 8(a) 내지 도 8(e)의 과정을 반복하여 동일한 모자 형상의 금속판 구조체를 제작하고, 이를 도 8(f)에서와 같이 접합하여 폐단면을 갖는 차량 구조체를 완성한다.

한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 도 8(a) 내지 도 8(f)와 같은 제조 방법과는 달리, 섬유층으로 형성된 판과 금속판을 미리 프레스 성형한 다음, 이를 접합하는 방법에도 동일하게 적용될 수 있다.

즉, 위 도 8의 예에서는, 섬유층과 금속판을 서로 접합한 다음, 이를 일체로 프레스 성형하는 방식을 제시하고 있으나, 본 발명은 각각을 프레스 성형으로 먼저 제작한 다음, 서로 접합하여 완성된 금속판 구조체를 제작하도록 구성할 수 있다.

다만, 이와 같은 예에서도, 프레스 성형된 섬유판은 금속판의 바닥부 상에서 비적용 면적을 가지도록 단절된 형태로 접합되어야 한다.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

100, 200: 차량용 금속판 구조체
101: 금속판
102a, 102b: 제2방향 섬유
300: 접합부
400: 하형
500: 상형

Claims (14)

1. 바닥부와 측벽부를 가지는 금속판 및 상기 금속판에 접합되는 섬유강화플라스틱층을 포함하는 차량용 금속판 구조체로서,
   상기 섬유강화플라스틱층은 제1방향으로 배향된 섬유 및 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 배향된 섬유를 포함하고,
   상기 제2방향으로 배향된 섬유는 상기 금속판의 일측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제1그룹의 섬유들과 상기 금속판의 타측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제2그룹의 섬유들을 포함하되, 제1그룹의 섬유들과 제2그룹의 섬유들은 진행 방향에 대해 서로 단절되고,
   상기 제1방향으로 배향된 섬유들은 섬유의 진행 방향으로 단절되지 않도록 구성되는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 바닥부의 내측을 기준으로, 상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 75% 내지 85% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 80% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 차량용 금속판 구조체는 모자 형상의 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 차량용 금속판 구조체는 다른 구조체와 접합될 수 있도록 양측에 접합부를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1그룹의 섬유들과 상기 제2그룹의 섬유들은 각각 2 이상의 섬유층으로 이루어지며, 각 그룹의 섬유층들은 다른 그룹의 섬유층들과 섬유의 진행 방향에 대해 서로 단절되는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체.
   
7. 삭제
8. 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조방법에 있어서,
   (a) 금속판에 제1방향으로 배향된 섬유들과 제2방향으로 배향된 섬유들을 포함하는 섬유층을 적층하는 단계;
   (b) 상기 섬유층이 적층된 금속판을 프레스 하형 상에 위치시키는 단계;
   (c) 프레스 상형을 하강시켜 상기 섬유층이 적층된 금속판을 가압하여 바닥부와 한 쌍의 측벽부를 가지는 금속판 구조체를 제작하는 단계;를 포함하며,
   상기 (c)단계에서 제작된 금속판 구조체에 있어서, 상기 제2방향으로 배향된 섬유는 상기 금속판의 일측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제1그룹의 섬유들과 상기 금속판의 타측 측벽부에서 바닥부 측으로 연장되는 제2그룹의 섬유들을 포함하되, 제1그룹의 섬유들과 제2그룹의 섬유들은 진행 방향에 대해 서로 단절되고,
   상기 제1방향으로 배향된 섬유들은 섬유의 진행 방향으로 단절되지 않도록 구성되는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 바닥부의 내측을 기준으로, 상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 75% 내지 85% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 바닥부의 전체 면적과 상기 바닥부 상에 제2방향 섬유가 적용된 면적의 비는 80% 인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법.
    
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 (c)단계에서 제작된 상기 차량용 금속판 구조체는 모자 형상의 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    (d) 상기 (a) 내지 (c) 단계를 2회 반복하여 제작된 한 쌍의 차량용 금속판 구조체의 접합부를 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 금속판 구조체의 제조 방법.
    
13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1그룹의 섬유들과 상기 제2그룹의 섬유들은 각각 2 이상의 섬유층으로 이루어지며, 각 그룹의 섬유층들은 다른 그룹의 섬유층들과 섬유의 진행 방향에 대해 서로 단절되는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱이 보강된 차량용 금속판 구조체의 제조 방법.
    
14. 삭제

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