KR102507815B1 - 금속시트 삽입형 복합재 - Google Patents

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Abstract

일정한 패턴을 이루는 통과홀이 형성된 복수의 금속시트; 복수의 금속시트와 교대로 적층되어 복수의 금속시트 사이에 배치된 복수의 강화섬유 레이어; 및 강화섬유 레이어를 함침시키며, 통과홀을 통과하여 금속시트를 사이에 둔 서로 인접한 강화섬유 레이어들을 일체로 연결시키는 수지;를 포함하는 금속시트 삽입형 복합재가 소개된다.

Description

금속시트 삽입형 복합재 {COMPOSITE WITH INSERTED METAL SHEET}
본 발명은 강화섬유 레이어 사이에 중공형 패턴을 갖는 금속 재질의 금속시트를 배치함으로써 하중에 대한 저항성을 높이고 강도 및 강성의 개선이 가능한 금속시트 삽입형 복합재에 관한 것이다.
탄소섬유 등을 이용한 복합소재의 이방성 특징으로 인해 차체에서 복합하중이 작용되는 부분에는 탄소섬유 등을 이용한 복합소재의 적용이 제한적이라는 문제가 있었다.
이에 따라 탄소섬유의 적층수를 늘리거나 불연속 탄소섬유를 사용하는 방법 등이 활용되었으나 탄소섬유의 적층수 증대로 인해 두께가 향상되고 불연속 탄소섬유의 사용으로 인해 연속 탄소섬유 대비 강도 및 강성이 저하되는 문제가 여전히 존재하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
10-2013-0096232 A
본 발명은 강화섬유 레이어 사이에 중공형 패턴을 갖는 금속 재질의 금속시트를 배치함으로써 하중에 대한 저항성을 높이고 강도 및 강성의 개선이 가능한 금속시트 삽입형 복합재를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속시트 삽입형 복합재는 일정한 패턴을 이루는 통과홀이 형성된 복수의 금속시트; 복수의 금속시트와 교대로 적층되어 복수의 금속시트 사이에 배치된 복수의 강화섬유 레이어; 및 강화섬유 레이어를 함침시키며, 통과홀을 통과하여 금속시트를 사이에 둔 서로 인접한 강화섬유 레이어들을 일체로 연결시키는 수지;를 포함한다.
강화섬유 레이어는 탄소섬유를 포함하고, 금속시트의 표면에는 절연성 재질로 코팅된 코팅층이 형성될 수 있다.
금속시트는 등방성 금속 재질로 형성될 수 있다.
금속시트는 탄소섬유 및 수지보다 연신율이 높은 금속 재질로 형성될 수 있다.
통과홀은 복수로 구성되어 일정한 패턴을 형성하되, 복수의 금속시트끼리 겹쳐질 때 상부에 적층된 금속시트의 통과홀을 통해 하부에 적층된 금속시트가 보이도록 금속시트마다 서로 엇갈리게 통과홀이 형성될 수 있다.
각각의 강화섬유 레이어는 일방향으로 배열된 형태일 수 있다.
강화섬유 레이어의 배열된 방향은 금속시트를 사이에 두고 인접한 강화섬유 레이어의 배열된 방향과 수직을 이룰 수 있다.
강화섬유 레이어의 배열된 방향은 금속시트를 사이에 두고 인접한 강화섬유 레이어의 배열된 방향과 평행할 수 있다.
통과홀을 따라 형성되며, 통과홀에서 수직 방향으로 연장된 연장부;를 더 포함할 수 있다.
연장부의 높이는 강화섬유 레이어와 수지가 구성하는 복합재층 두께의 반 이하일 수 있다.
연장부의 연장된 방향은 인접하는 연장부의 연장된 방향과 반대일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 금속시트 삽입형 복합재에 따르면, 강화섬유 및 수지로 구성된 복합재의 경우 가질 수 있던 이방성 특징에 따라 특정방향으로부터의 하중에 취약했던 문제를 해결할 수 있도록 강화섬유 레이어 사이에 중공형 패턴을 갖는 금속 재질의 금속시트를 배치함으로써 하중에 대한 저항성을 높이고 강도 및 강성의 개선이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속시트 삽입형 복합재를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속시트를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속시트를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 금속시트를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 금속시트를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 금속시트를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅층이 형성된 금속시트를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차체에서 금속시트 삽입형 복합재가 적용되는 부분을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 금속시트 삽입형 복합재의 단면도를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제조과정을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제조과정을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 금속시트 삽입형 복합재는 도 1과 같이 일정한 패턴을 이루는 통과홀(110)이 형성된 복수의 금속시트(100); 복수의 금속시트(100)와 교대로 적층되어 복수의 금속시트(100) 사이에 배치된 복수의 강화섬유 레이어(200); 및 강화섬유 레이어(200)를 함침시키며, 통과홀(110)을 통과하여 금속시트(100)를 사이에 두고 서로 인접한 강화섬유 레이어(200)들을 일체로 연결시키는 수지(300);를 포함한다.
금속시트(100)는 도 2와 같이 스틸이나 알루미늄 재질로 이루어진다. 또한, 적층되어 다층구조를 형성할 수 있도록 두께 0.1~0.5mm의 시트 형상으로 형성된다. 금속시트(100)에는 상하가 관통된 통과홀(110)이 형성되며, 바람직하게는 복수로 구성되어 일정패턴을 형성한다.
일정패턴을 형성하는 각각의 통과홀(110)의 형상은 원형일 수 있으며 외에도 도 3 내지 6과 같이 직사각형, 정사각형, 마름모 등의 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
강화섬유 레이어(200)는 강화섬유로 이루어지며, 강화섬유에는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 강화섬유 레이어(200)는 일방향으로 배열된 UD(Uni Direction)일 수 있으며, 직조된 직물형태일 수 있다.
상기와 같은 금속시트(100)와 강화섬유 레이어(200)는 각각 복수로 구성되어 서로 번갈아가면서 교대로 적층된다. 수지(300)는 이렇게 교대로 적층되어 있는 복수의 금속시트(100)와 복수의 강화섬유 레이어(200)를 일체로 연결하는 역할을 한다.
수지(300)는 각각의 강화섬유 레이어(200)를 함침시키며, 금속시트(100)에 형성된 통과홀(110)을 통해 금속시트(100)를 사이에 둔 강화섬유 레이어(200)를 금속시트(100)에 함께 고정시킨다. 통과홀(110) 사이에 존재하는 수지(300)를 매개로 금속시트(100)를 사이에 둔 강화섬유 레이어(200)들이 연결된다. 수지(300)는 열경화성 수지(300), 열가소성 수지(300)가 이용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
일방향으로 배열된 강화섬유를 포함하는 복합재는 이방성 성질로 인해 특정방향으로부터의 하중, 이를테면 강화섬유의 배열된 방향과 수직한 방향으로부터의 하중에 취약한 성질을 가지게 된다. 이러한 문제를 해결할 수 있도록 본 발명에 따른 금속시트(100) 삽입형 복합재는 강화섬유 레이어(200) 사이에 중공형 패턴을 갖는 금속 재질의 금속시트(100)를 배치함으로써 하중에 대한 저항성을 높이고 강도 및 강성의 개선이 가능하다.
본 발명에 따른 금속시트 삽입형 복합재에서 강화섬유 레이어(200)는 탄소섬유를 포함하고, 금속시트(100)의 표면에는 도 7과 같이 절연성 재질로 코팅된 코팅층(120)이 형성될 수 있다.
강화섬유 레이어(200)가 탄소섬유로 구성될 경우 탄소섬유와 금속시트(100)의 접촉으로 인해 전위차에 따른 전위부식이 발생한다. 따라서 금속시트(100)의 표면을 도금하는 방식 등으로 절연성 재질로 코팅하여 표면에 코팅층(120)을 형성시킴으로써 전위부식 발생을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 금속시트 삽입형 복합재에서 금속시트(100)는 등방성 금속 재질로 형성될 수 있다.
도 8에서 실선으로 표시된 차체에서 충돌 시 복합하중이 작용하는 사이드실의 센터부 및 프론트필러의 로워부 등에 적용되는 금속시트(100) 삽입형 복합재는 금속시트(100)를 등방성 금속 재질로 구성하여 강화섬유 레이어(200)의 이방성 성질을 보완하고 복합하중에 대응한다. 바람직하게는 금속시트(100)는 단결정 금속이 아닌 등방성 성질을 갖는 다결정 금속의 금속 재질을 이용할 수 있다.
또한, 금속시트(100)는 탄소섬유 및 수지(300)보다 연신율이 높은 금속 재질로 형성될 수 있다.
도 8에서 점선으로 표시된 차체에서 프론트 사이드 멤버, 리어 사이드 멤버 및 센터필러 등에 적용되는 금속시트(100) 삽입형 복합재는 금속시트(100)를 탄소섬유 및 수지(300)보다 연신율이 높은 금속 재질로 구성하여 충돌 시에도 쉽게 파단이 일어나지 않도록 강도를 보완한다. 바람직하게는 금속시트(100)는 페라이트계 스테인리스강 또는 오스테나이트계 스테인리스강 등의 탄소섬유 및 수지(300)보다 연신율이 높은 금속 재질을 이용할 수 있다.
한편, 통과홀(110)은 복수로 구성되어 일정한 패턴을 형성하되, 복수의 금속시트(100)끼리 겹쳐질 때 상부에 적층된 금속시트(100)의 통과홀(110)을 통해 하부에 적층된 금속시트(100)가 보이도록 금속시트(100)마다 서로 엇갈리게 통과홀(110)이 형성될 수 있다.
금속시트 삽입형 복합재의 제조 시 수지(300)는 강화섬유 레이어(200)를 함침시킬 뿐 아니라 금속시트(100)의 통과홀(110)을 통과하면서 이동하여 복수의 강화섬유 레이어(200)와 복수의 금속시트(100)를 일체로 고정해야 한다.
금속시트(100)에 형성된 복수의 일정패턴을 형성하는 통과홀(110)이 상부에 적층된 금속시트(100)와 하부에 적층된 금속시트(100)에 서로 엇갈리게 형성되면 상부에 적층된 금속시트(100)의 통과홀(110)을 지난 수지(300)가 하부에 적층된 금속시트(100)의 통과홀(110)을 지나기 위해 수평으로 이동하게 되고 수평으로 이동하는 과정에서 강화섬유 레이어(200)를 함침시킬 수 있게 되므로 복수의 강화섬유 레이어(200)와 복수의 금속시트(100)가 효과적으로 일체로 고정될 수 있다.
통과홀(110)이 서로 엇갈리게 형성되어 연결 매개체로 작용하는 통과홀(110) 사이에 존재하는 수지(300)의 위치가 다양하게 분포되어 금속시트(100)에 형성된 복수의 일정패턴을 형성하는 통과홀(110)이 상부에 적층된 금속시트(100)와 하부에 적층된 금속시트(100)에 서로 동일한 위치에 형성되는 경우보다 견고한 열결상태의 유지가 가능하다.
본 발명에 따른 금속시트 삽입형 복합재에서 각각의 강화섬유 레이어(200)는 일방향으로 배열된 형태일 수 있다.
강화섬유 레이어(200)의 배열된 방향은 금속시트(100)를 사이에 두고 인접한 강화섬유 레이어(200)의 배열된 방향과 수직을 이룰 수 있다. 상기와 같은 차체에서 충돌 시 복합하중이 작용하는 사이드실의 센터부 및 프론트필러의 로워부 등에 적용되는 금속시트(100) 삽입형 복합재와 같은 경우 서로 인접한 강화섬유 레이어(200)의 배열된 방향은 달리 구성되어 복합하중에 대응할 수 있다.
반면, 강화섬유 레이어(200)의 배열된 방향은 금속시트(100)를 사이에 두고 인접한 강화섬유 레이어(200)의 배열된 방향과 평행할 수 있다. 상기와 같은 차체에서 프론트 사이드 멤버, 리어 사이드 멤버 및 센터필러 등에 적용되는 금속시트(100) 삽입형 복합재와 같은 경우 서로 인접한 강화섬유 레이어(200)의 배열된 방향을 동일하게 구성하여 강도를 보완함으로써 충돌에 대응할 수 있다.
본 발명에 따른 금속시트 삽입형 복합재는 도 9와 같이 통과홀(110)을 따라 형성되며, 통과홀(110)에서 수직 방향으로 연장된 연장부(130);를 더 포함할 수 있다.
금속시트(100)에 연장부(130)가 형성될 경우 금속시트(100)가 수지(300)와 접촉하게되는 접촉면적이 넓어짐에 따라 연장부(130)의 존재로 인해 금속시트(100)와 수지(300) 간의 결합력이 향상된다.
다만, 상기와 같은 연장부(130)의 높이는 강화섬유 레이어(200)와 수지(300)가 구성하는 복합재층 두께의 반 이하로 형성되어 자칫 금속시트(100) 삽입형 복합재의 제조과정에서 강화섬유를 함침시키는 수지(300)의 수평이동을 연장부(130)가 방해하는 현상을 방지하고 또한, 연장부(130)에 의한 다른 금속시트(100)에의 손상을 방지할 수 있다. 따라서 연장부(130)의 높이는 강화섬유 레이어(200)와 수지(300)가 구성하는 복합재층 두께의 반 이하로 제한한다.
연장부(130)의 연장된 방향은 인접하는 연장부(130)의 연장된 방향과 반대일 수 있다. 이를테면 일 연장부(130)는 상방으로 연장되고 인접하는 다른 연장부(130)는 하방으로 연장되어 효과적으로 금속시트(100)와 수지(300) 간의 결합력을 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 금속시트 삽입형 복합재의 제조방법은 도 10과 같이 먼저 강화섬유 프리폼(210) 복수층을 알맞게 커팅하고 강화섬유 프리폼(210) 사이에 중공형 패턴을 갖는 금속 재질의 금속시트(100)가 배치되도록 강화섬유 프리폼(210)과 금속시트(100)를 번갈아 적층한다. 적층된 강화섬유 프리폼(210)과 금속시트(100)를 금형 내에 배치시킨 후 금형을 닫고 원하는 제품의 형상으로 성형한 후 불필요한 부분을 트리밍(Trimming)하는 방식으로 제조될 수 있다.
또 다른 금속시트 삽입형 복합재의 제조방법으로서 도 11과 같이 일측 롤러로부터 강화섬유 직물(220)을 풀어내면서 동시에 강화섬유 직물(220) 사이에 중공형 패턴을 갖는 금속 재질의 금속시트(100)를 배치하고 강화섬유 직물(220)과 금속시트(100)는 일체로서 수지(300)를 통과한 후 가열되고 다시 타측 롤러로 감기는 방식으로 제조될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 금속시트 110 : 통과홀
120 : 코팅층 130 : 연장부
200 : 강화섬유 레이어 210 : 강화섬유 프리폼
220 : 강화섬유 직물 300 : 수지

Claims (11)

  1. 일정한 패턴을 이루는 통과홀이 형성된 복수의 금속시트;
    복수의 금속시트와 교대로 적층되어 복수의 금속시트 사이에 배치된 복수의 강화섬유 레이어; 및
    강화섬유 레이어를 함침시키며, 통과홀을 통과하여 금속시트를 사이에 둔 서로 인접한 강화섬유 레이어들을 일체로 연결시키는 수지;를 포함하고,
    통과홀을 따라 형성되며, 통과홀에서 수직 방향으로 연장된 연장부;를 더 포함하며,
    통과홀은 복수로 구성되어 일정한 패턴을 형성하되,
    복수의 금속시트끼리 겹쳐질 때 상부에 적층된 금속시트의 통과홀을 통해 하부에 적층된 금속시트가 보이도록 금속시트마다 서로 엇갈리게 통과홀이 형성되고,
    연장부의 높이는 강화섬유 레이어와 수지가 구성하는 복합재층 두께의 반 이하인 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    강화섬유 레이어는 탄소섬유를 포함하고,
    금속시트의 표면에는 절연성 재질로 코팅된 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    금속시트는 등방성 금속 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    금속시트는 탄소섬유 및 수지보다 연신율이 높은 금속 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    각각의 강화섬유 레이어는 일방향으로 배열된 형태인 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
  7. 청구항 6에 있어서,
    강화섬유 레이어의 배열된 방향은 금속시트를 사이에 두고 인접한 강화섬유 레이어의 배열된 방향과 수직을 이루는 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
  8. 청구항 6에 있어서,
    강화섬유 레이어의 배열된 방향은 금속시트를 사이에 두고 인접한 강화섬유 레이어의 배열된 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    연장부의 연장된 방향은 인접하는 연장부의 연장된 방향과 반대인 것을 특징으로 하는 금속시트 삽입형 복합재.
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