KR102466802B1 - 복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품 - Google Patents

복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CFRP 성형품과 스틸 소재의 성형품 간의 스폿 용접을 가능케 하는 복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품에 관한 것으로 시트 형태의 복합재료 성형용 중간재인 프리프레그 상에 적어도 1개 이상의 관통홀을 형성하는 홀가공단계, 상기 프리프레그를 제 1금형의 캐비티에 삽입 고정시키고 상기 관통홀과 대응되는 위치에 시트 형태의 금속부재를 위치시키는 성형준비단계 및 상기 프리프레그가 상기 캐비티의 형상과 대응되도록 성형되는 동시에 상기 금속부재의 일부가 상기 관통홀에 삽입되는 돌출부로 성형되도록 상기 제 1금형에 제 2금형을 결합시키는 성형단계를 포함한다.

Description

복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품{Forming Method Of Composite Material And Product Using The Same}
본 발명은 복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품에 관한 것으로 보다 상세하게는 CFRP 성형품과 스틸 소재의 성형품 간의 스폿 용접을 가능케 하는 복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품에 관한 것이다.
일반적으로 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)는 탄소 섬유를 강화재로 하는 플라스틱계 복합재를 의미한다.
이러한 CFRP는 경량 구조용 재료로서 기계적 성질이 우수하고 성형성이 좋아 자동차, 항공 등을 포함한 다양한 분야에 널리 활용되고 있다.
특히, 최근에는 자동차 분야에서 경량화를 통한 연비 절감 등을 목적으로 차체에 CFRP를 많이 이용하고 있다.
그러나, 차체의 대부분이 스틸 재질로 형성됨에 따라 차체의 일부분을 CFRP로 형성하기 위하여 비교적 복잡한 조립 구조를 적용하거나 이종 접합을 위한 별도의 장비 구축이 필요한 문제점이 있다.
이를 위하여 대한민국 공개특허공보 제10-2000-0068796호에서는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 금속부재(10)의 표면에 CFRP부재(20)를 접착제(30)를 통하여 결합시킨 복합부재를 개시하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 복합부재는 접착제(30)가 외부 환경에 장시간 노출되면 접착력이 저하되는 문제점 등으로 인하여 자동차, 항공기 등과 같이 내구성 및 신뢰성이 중요한 분야에 활용에는 제한이 따른다.
또한, 이러한 종래의 복합부재는 상기 금속부재(10)가 알루미늄 등의 경금속으로 한정되는 바 자동차와 같이 주로 스틸 재질이 많이 활용되는 분야에는 더욱 적합하지 않다.
대한민국 등록특허공보 제10-1420119호(공고일 2014.09.25.)
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 CFRP부재와 스틸부재를 동시에 성형하여 스틸 재질의 차제 등과 스폿 용접 등에 의하여 견고하게 결합할 수 있는 복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 복합소재 성형방법은 시트 형태의 복합재료 성형용 중간재인 프리프레그 상에 적어도 1개 이상의 관통홀을 형성하는 홀가공단계, 상기 프리프레그를 제 1금형의 캐비티에 삽입 고정시키고 상기 관통홀과 대응되는 위치에 시트 형태의 금속부재를 위치시키는 성형준비단계 및 상기 프리프레그가 상기 캐비티의 형상과 대응되도록 성형되는 동시에 상기 금속부재의 일부가 상기 관통홀에 삽입되는 돌출부로 성형되도록 상기 제 1금형에 제 2금형을 결합시키는 성형단계를 포함한다.
보다 바람직하게 프리프레그는 CFRP 재질이며, 상기 금속부재는 스틸재질이다.
또한, 상기 관통홀에 삽압되어 외부로 노출되는 돌출부의 표면은 상기 프리프레그의 일면과 동일한 높이로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 복합소재 성형품은 상기한 바와 같은 복합소재 성형방법에 의하여 제조됨에 따라 적어도 1개 이상의 관통홀이 형성되는 강화플라스틱부재와 상기 관통홀에 각각 삽입되는 돌출부가 성형되는 금속부재를 포함한다.
이때, 상기 금속부재는 본 발명에 따른 복합소재 성형품과 결합되는 대상물과 동일한 금속 재질인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품은 CFRP부재와 스틸부재를 동시에 성형하여 스틸 재질의 차제 등과 스폿 용접 등에 의하여 견고하게 결합할 수 있으므로 내구성 및 신뢰성이 중요한 자동차, 항공기 분야 등에 널리 활용될 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 CFRP부재와 금속부재가 결합된 복합부재의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재 성형방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재 성형방법의 각 순서를 도시화한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재 성형방법을 이용한 복합소재 성형품과 스틸 재질의 차체가 결합된 상태를 도시한 단면도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시 예에 따른 복합소재 성형방법 및 이를 이용한 복합소재 성형품을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재 성형방법의 순서도이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재 성형방법의 각 순서를 도시화한 개념도이다.
도 2와 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 복합소재 성형방법은 홀가공단계(S100)와 성형준비단계(S200) 및 성형단계(S300)를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 홀가공단계(S100)는 시트 형태의 프리프레그(100)에 적어도 1개 이상의 관통홀(110)을 형성하는 단계이다.
여기서, 프리프레그(Prepreg, 100)는 탄소섬유나 유리섬유와 같은 섬유 강화제에 에폭시 수지 등과 같은 액상 합성수지를 침투시킨 복합재 중단단계의 소재를 의미한다.
또한, 상기 프리프레그(100)는 금형 내에서 열과 압력을 가하는 PCM(Prepreg Compression Molding) 공법 등을 통하여 기계적, 열적 물성이 우수하며 다양한 형상의 복합재 부품으로 성형할 수 있다.
보다 바람직하게 상기 프리프레그(100)는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics, 탄소섬유강화플라스틱) 재질이다.
또한, 상기 프리프레그(100)는 성형하고자 하는 대상의 크기에 따라 재단되는 여러 개의 얇은 시트가 적층되어 소정의 두께로 형성되는 시트 형태인 것이 바람직하다.
또한, 상기 관통홀(110)은 상기 프리프레그(100)가 금형 내에서 열과 압력을 받아 최종 성형품으로 성형되었을 때, 곡면이나 모서리 등과 같은 부분이 아닌 직선 구간에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 관통홀(110)은 행과 열을 이루도록 인접하여 복수 개가 인접 형성될 수 있다.
한편, 상기 성형준비단계(S200)는 상기 프리프레그를 제 1금형(M1)의 캐비티에 삽입 고정시키고 상기 관통홀(110)과 대응되는 위치에 시트 형태의 금속부재(200)를 정렬하는 단계이다.
이때, 상기 금속부재(200)는 다양한 형상으로 형성될 수 있으나 상기 관통홀(110)의 면적보다는 크게 형성된다.
또한, 상기 금속부재(200)는 상기 관통홀(110)이 행과 열을 이루어 하나의 영역을 형성하는 경우 그 영역의 전체 면적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속부재(200)는 스틸을 포함한 다양한 금속 재질로 형성될 수 있으나, 후술할 차체(B)의 재질과 동일한 재질인 것이 바람직하다.
한편, 상기 성형단계(S300)는 상기 프리프레그(100)에 열과 압력을 가하여 이를 기계적, 열적 물성이 우수한 복합재 부품으로 성형하기 위한 일반적인 PCM(Prepreg Compression Molding) 공법과 상기 금속부재(200)에 압력을 가하여 형상을 성형하는 금속 프레스 공법을 동시에 수행하는 단계이다.
보다 구체적으로 상기 성형단계(S300)는 상기 제 1금형(M1)에 대응되는 제 2금형(M2)을 결합하고 열과 압력을 가하여 상기 프리프레그(100)가 상기 캐비티의 형성과 대응되도록 성형되는 동시에 상기 금속부재(200)의 일부를 상기 관통홀(110)에 삽압되는 돌출부(210)로 성형하는 단계이다.
이때, 상기 관통홀(110)에 삽입되어 외부로 노출되는 돌출부(210)의 표면은 상기 프리프레그(100)이 일면과 동일한 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 돌출부(210)를 제외한 상기 금속부재(200)의 면은 평면으로 형성되는 것이 바람직하다.
이를 위하여 상기 금속부재(200)의 크기는 상기한 바와 같이 상기 관통홀(110)의 면적보다는 크되 상기 프리프레그(100)가 곡면 등으로 형성되는 영역을 침범하지 않도록 형성된다.
또한, 상기 성형단계(S300)는 상기한 바와 같이 상기 프리프레그(100)와 상기 금속부재(200)의 동시 성형이 완료된 이후 이를 냉각하고 금형으로부터 취출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재 성형방법을 이용한 복합소재 성형품과 스틸 재질의 차체가 결합된 상태를 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면 본 발명에 따른 복합소재 성형품은 적어도 1개 이상의 관통홀(110`)이 형성되는 강화플라스틱부재(100`)와 상기 관통홀(110`)에 삽입되는 돌출부(210)가 형성되는 금속부재(200)를 포함한다.
여기서, 상기 강화플라스틱부재(100`)는 상기 프리프레그(100)가 성형이 완료된 상태를 의미한다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 복합소재 성형품은 상기 돌출부(210)의 일면을 금속 재질의 차체(B)의 면과 접촉시킨 상태에서 스폿(Spot) 용접을 수행함에 따라 결합될 수 있다.
이때, 상기 자체(B)의 면과 접촉되는 상기 돌출부(210)의 일면은 상기 강화플라스틱부재(100`)의 일면과 동일한 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속부재(200)와 상기 차체(B)는 스폿(Spot) 용접 시 견고하게 결합할 수 있는 금속 재질이라면 이종의 재질로 형성될 수도 있으나 둘 다 스틸 재질인 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다.
아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
B. 차체
M1. 제 1금형
M2. 제 2금형
S100. 홀가공단계
S200. 성형준비단계
S300. 성형단계
100. 프리프레그
100`. 강화플라스틱부재
110,110`. 관통홀
200. 금속부재
210. 돌출부

Claims (4)

  1. 시트 형태의 복합재료 성형용 중간재인 프리프레그 상에 적어도 1개 이상의 관통홀을 형성하는 홀가공단계;
    상기 프리프레그를 제 1금형의 캐비티에 삽입 고정시키고 상기 관통홀과 대응되는 위치에 시트 형태의 금속부재를 위치시키는 성형준비단계; 및
    상기 프리프레그가 상기 캐비티의 형상과 대응되도록 성형되는 동시에 상기 금속부재의 일부가 상기 관통홀에 삽입되는 돌출부로 성형되도록 상기 제 1금형에 제 2금형을 결합시키는 성형단계;
    상기 프리프레그와 금속부재의 동시 성형이 완료된 이후 냉각하고 취출하는 단계;를 포함하고,
    상기 관통홀은 상기 프리프레그가 금형 내에서 행과 열을 이루도록 인접하여 복수 개가 인접 형성되는 동시에 금형 내에서 직선 구간에 형성되며
    상기 금속부재는 상기 관통홀이 형성되는 영역의 전체 면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재 성형방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프리프레그는 CFRP 재질이며, 상기 금속부재는 스틸재질인 복합소재 성형방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 관통홀에 삽압되어 외부로 노출되는 돌출부의 표면은 상기 프리프레그의 일면과 동일한 높이로 형성되는 복합소재 성형방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 복합소재 성형방법으로 제조되는 복합소재 성형품.
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