KR20160132294A - 섬유강화복합소재를 이용한 인서트 사출 성형 방법 및 이를 이용한 사출 성형품 - Google Patents

섬유강화복합소재를 이용한 인서트 사출 성형 방법 및 이를 이용한 사출 성형품 Download PDF

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Abstract

인서트 사출 성형 방법 및 이를 이용한 사출 성형품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유강화복합소재를 인서트로 사용하는 사출 성형 방법 및 사출 성형품에 관하여 개시한다.
본 발명은 인서트 재료인 고강도 섬유가 수지에 함침된 섬유강화복합소재를 마련하는 단계; 상기 섬유강화복합소재를 예비 형상으로 성형하여 인서트를 제조하는 인서트 형성 단계; 및 상기 인서트를 사출 금형에 배치하고 수지를 주입하여 사출품을 제조하는 사출 성형 단계;를 포함하는 사출 성형 방법을 제공한다.

Description

섬유강화복합소재를 이용한 인서트 사출 성형 방법 및 이를 이용한 사출 성형품{INJECTION MODLDING METHOD AND INJECTION MOLDED PART USING FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 인서트 사출 성형 방법 및 이를 이용한 사출 성형품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유강화복합소재를 인서트로 사용하는 사출 성형 방법 및 사출 성형품에 관한 것이다.
섬유강화복합소재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드, 케블러 등의 고강도 섬유를 플라스틱 또는 에폭시 등의 고분자 기지재료에 함침하여 강도를 향상시킨 고성능재료이다.
섬유강화복합소재는 경량화와 고강도화에 있어서 큰 장점이 있으나, 구현할 수 있는 형상이 제한적이어서 디자인 자유도가 낮은 단점을 가진다.
예를 들어, 범퍼 백빔을 일반 플라스틱 재질로 제조하면 디자인 자유도가 우수하고 금속 재질에 비하여 경량화가 가능하고 원가를 절감할 수 있으나, 강성이 부족하여 충돌 성능이 미흡하다.
그런데, 범퍼 백빔을 섬유강화복합소재로 제조하면 강성이 확보되어 충돌 성능은 향상되나, 디자인 자유도에 제약이 있어서 단일품으로 제조하기가 어려원 일부 부품을 별도로 형성하여 이들과 추가적으로 조립하는 방식으로 제조해야 하기 때문에 원가가 상승하고 경량화 효과가 부족한 단점을 가진다.
본 발명은 섬유강화복합소재를 인서트로 이용하여 디자인 자유도가 높으며, 고강도화가 경량화에 장점을 가지는 섬유강화복합소재를 이용한 인서트 사출 성형 방법 및 이를 이용한 사출 성형품을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 섬유강화복합소재를 인서트로 이용하는 사출 성형 방법 및 이를 이용한 사출 성형품을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 디자인 자유도가 높고 고강도화와 경량화에 유리한 사출성형품 제조방법을 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인서트 재료인 고강도 섬유가 수지에 함침된 섬유강화복합소재를 마련하는 단계; 상기 섬유강화복합소재를 예비 형상으로 성형하여 인서트를 제조하는 인서트 형성 단계; 및 상기 인서트를 사출 금형에 배치하고 수지를 주입하여 사출품을 제조하는 사출 성형 단계;를 포함하는 사출 성형 방법을 제공한다.
상기 인서트 형성 단계에서 상기 인서트에 지지홈을 형성하고, 상기 사출 성형 단계의 상기 사출 금형에 상기 지지홈에 삽입되는 지지돌기를 마련하여, 상기 사출 성형 단계에서 상기 인서트가 상기 지지돌기에 결합된 상태에서 수지를 주입하여 상기 인서트가 사출 성형시 변형되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 인서트에 형성되는 지지홈은 상기 인서트에 형성되는 관통공 주변이나, 상기 사출 금형의 사출압력이 집중되는 부분에 구비되는 것이 바람직하다.
상기 지지홈은 관통홀로 형성되고, 상기 지지돌기는 상기 관통홀에 일부가 삽입되도록 다단으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 섬유강화복합소재의 수지와, 상기 사출 금형에 주입되는 수지는 동종의 수지를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 범퍼 백빔으로 사용되는 사출 성형품에 있어서, 고강도가 요구되는 구간에 섬유강화복합소재가 인서트로 매립 형성된 것을 특징으로 하는 사출 성형품을 제공한다.
상기 사출 성형품은 차체에 결합되는 연결면에 가이드핀이 형성된 금속판재가 인서트로 매립 형성되는 것이 바람직하다.
상기 금속판재는 관통공을 구비하여, 상기 관통공에 사출 수지가 채워지도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 인서트 사출 성형방법 및 이를 이용한 사출 성형품은 인서트 소재로 섬유강화복합소재를 사용함으로써, 우수한 강도를 가지며 디자인 자유도가 높은 장점을 가진다.
본 발명에 따른 인서트 사출 성형방법으로 제조되는 범퍼 백빔은 추가 부재의 조립이 필요치 않아 경량화와 원가 절감에 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유강화복합소재를 이용한 인서트 사출 성형 방법을 나타낸 공정순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법에 있어서 사출 금형을 이용하여 섬유강화복합소재를 형성하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법에 있어서 인서트인 섬유강화복합소재의 고정 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법에 있어서 인서트인 섬유강화복합소재의 고정 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법으로 제조된 범퍼 백빔을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법으로 제조된 범퍼 백빔에 사용되는 금속 판재 인서트를 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유강화복합소재를 이용한 인서트 사출 성형 방법을 나타낸 공정순서도이다.
본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법은 섬유강화복합소재를 인서트로 사용하여 성형품의 강도를 확보하고, 복잡한 형상은 사출 성형에 의하여 구현될 수 있도록 함으로써 디자인 자유도를 향상시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법은 섬유강화복합소재를 마련하는 단계(S110)와, 인서트 형성 단계(S120)와, 사출 성형 단계(S130)을 포함한다.
섬유강화복합소재 마련 단계(S110)는 인서트로 사용될 섬유강화복합소재를 제조하는 단계이다. 섬유강화복합소재는 강화섬유에 기지재료인 고분자 수지를 함침하여 제조하는 것이다. 섬유강화복합소재는 일반적으로 판상이나 시트의 형상으로 제조되며, 특수한 형상으로 제조하기 위해서는 과도한 비용과 노력이 소모된다.
본 발명은 섬유강화복합소재를 인서트 재료로 사용하는 것으로, 섬유강화복합소재 마련 단계(S110)는 판상이나 시트 형상의 섬유강화복합소재를 마련하여, 필요한 크기로 재단하는 방법으로 이루어진다.
다음으로, 인서트 형성 단계(S120)는 마련된 섬유강화복합소재를 예비 형상으로 성형하는 단계이다. 사출 성형품이 판상의 형태인 경우에는 별도의 예비 형상이 필요치 않겠으나, 소정의 입체적 형상을 가지는 경우에는 섬유강화복합소재를 성형하여 예비 형상으로 성형해야 한다.
예비 형상으로의 성형은 섬유강화복합소재를 가열한 후 금형으로 가압하는 방법으로 이루어질 수 있다. 이 때, 별도의 금형을 마련하여 섬유강화복합소재를 성형할 수도 있으나, 사출성형용 금형을 이용하여 섬유강화복합소재의 형상을 성형할 수도 있다.
다음으로, 사출 성형 단계(S130)는 예비 형상으로 성형된 섬유강화복합소재인 인서트를 금형 내부에 배치하고, 사출 수지를 주입하여 사출 성형품을 완성하는 단계이다. 복잡한 형상은 사출 금형에 마련되어 있으므로 단일 부품으로 복잡한 형상을 구현할 수 있어서 설계의 자유도가 섬유강화복합소재만을 이용하여 제조하는 경우에 비하여 향상되며, 원가도 절감할 수 있는 효과를 가진다.
도 2는 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법에 있어서 사출 금형을 이용하여 섬유강화복합소재를 형성하는 공정을 나타낸 도면이다.
섬유강화복합소재의 수지로 열가소성 수지를 사용하는 경우, 섬유강화복합소재를 가열하고 가압하는 것으로 형상을 성형할 수 있다.
따라서, 섬유강화복합소재(10)를 가열한 후 사출 성형용 하부 금형(100)에 배치하고, 상부 금형(200)으로 섬유강화복합소재(10)를 가압하여 형상을 성형할 수 있다.
하부 금형(100)에는 탄성지지 되는 홀더(110)가 구비되어, 상부 금형(200)과 상기 홀더(110) 사이에 섬유강화복합소재(10)가 고정될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상부 금형(200)과 하부 금형(100)이 닫힌 상태에서 사출 성형용 수지를 수지 주입장치(150)를 이용하여 상부 금형(200)의 게이트(152)로 주입하고 성형함으로써 성형품의 제조를 완료할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법에 있어서 인서트인 섬유강화복합소재의 고정 방법을 나타낸 도면이다.
섬유강화복합소재를 인서트로 사출 성형용 금형의 내부에 배치한 상태에서 사출 성형용 수지를 주입하여 사출 성형품을 제조하게 되는데, 수지 주입되는 부분인 게이트(도 2의 152) 주변에 섬유강화복합소재(10)는 수지의 주입 압력에 의하여 뒤로 밀리는 등의 변형이 발생할 수 있다.
또한, 사출 성형품이 관통홀을 구비하는 경우에 관통홀 주변의 섬유강화복합소재가 수지의 주입압력에 의하여 밀려나면서 성형 불량이 발생할 수도 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 인서트 성형 단계에서 섬유강화복재료에 지지홈(12)을 형성하고, 인서트인 섬유강화복합소재(10)가 배치되는 하부금형(100)에 상기 지지홈(12)에 삽입되는 지지돌기(120)를 마련하여, 섬유강화복합소재에 형성된 지지홈(12)이 하부 금형(100)에 형성된 지지돌기(120)에 결합되도록 함으로써, 인서트 재료인 섬유강화복합소재(10)가 수지의 압력에 의하여 형상이 변화하지 않고 일정한 형태를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 지지홈(12)과 지지돌기(120)는 수지가 주입되는 게이트 부분이나, 성형품에 형성되는 관통홀의 주변에 배치되어, 성형 불량이 발생할 수 있는 부분들을 견고하게 고정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법에 있어서 인서트인 섬유강화복합소재의 고정 방법을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 섬유강화복합소재(10)에 형성되는 지지홈(14)을 관통홀로 형성하고, 지지돌기(130)를 다단으로 형성하여 인서트인 섬유강화복합소재(10)가 하부금형과 일정간격을 가지도록 한 것이다.
물론 지지홈(14)은 앞선 실시예와 마찬가지로 관통공이 아닌 홈의 형태로 형성될 수도 있다.
지지돌기(130)는 지지홈(14)의 내경에 대응하여 지지홈(14)에 삽입되는 부분인 소경부(134)와 상기 지지홈(14)보다 큰 단면적을 가지게 형성되어 상기 지지홈(14)에 삽입되지 않고 지지하는 대경부(132)를 포함한다.
인서트 재료인 섬유강화복합소재(10) 하부 금형(100)의 사이에 유격을 형성하게 되면, 주입되는 수지가 그 유격을 채우게 되므로, 섬유강화복합소재(10)가 주입되는 수지에 양면이 감싸지면서, 인서트가 외부로 노출되지 않고 매립되는 형태를 가지는 사출 성형품을 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법으로 제조된 범퍼 백빔을 나타낸 도면이다.
범퍼 백빔은 종래에는 금속 재질로 제조되었으나, 원가절감과 경량화를 위하여 플라스틱 재질의 범퍼 백빔의 개발이 진행되고 있다.
범퍼 백빔을 일반적인 플라스틱 재질을 이용하여 사출 성형으로 제조하는 경우에는 디자인 설계 자유도가 높아 복잡한 형상을 가지는 범퍼 백빔을 단일 부품으로 제조할 수 있어서 원가절감의 효과와 경량화의 효과가 크다. 그러나 일반 플라스틱 재질은 강도에 한계가 있어서 충돌 성능 확보가 미약한 한계를 가지고 있었다.
또한, 섬유강화 복합재료를 이용하여 범퍼 백빔을 제조하는 경우에는 고강도화가 가능하여 충돌 성능 확보의 측면에서는 장점을 가지나, 디자인 설계 자유도에 한계가 있어서 복잡한 형상을 단일 부품으로 제조하는 데 한계가 있어서 추가 부품을 별도로 조립해야하므로, 원가절감이나 경량화의 측면에서 불리하다.
그러나, 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법은 섬유강화복합소재를 인서트로 사용하고, 복잡한 형상은 사출 성형을 통해서 구현하게 되므로, 복잡한 형상의 부품을 단일화할 수 있고, 요구되는 충돌 성능도 확보할 수 있다.
도시한 바와 같이, 범퍼 백빔(300)에 섬유강화복합소재가 인서트로 매립됨으로써, 필요한 강도를 확보할 수 있으며, 외부의 복잡한 형상들은 사출 성형에 의하여 일체화할 수 있게 된다.
도면에서, 관통공(310)의 주변에 지지홈(312)이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 상술한 바와 같이 관통공(310) 주변의 섬유강화복합소재의 형상이 사출 성형 과정에서 변형되는 것을 방지하기 위한 것이다.
한편, 범퍼 백빔이 차체와 결합되는 부붐에는 금속재 인서트를 추가로 구비할 수 있다.
범퍼 백빔이 차체와 결합되는 부분에는 가이드 핀(410)이 필요한데, 이 가이드 핀(410)을 금속 판재에 일체로 형성하고, 상기 금속 판재를 인서트로 매립하여 사출 성형함으로써 가이드 핀(410)이 일체로 성형된 범퍼 백빔을 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 인서트 사출 성형 방법으로 제조된 범퍼 백빔에 사용되는 금속 판재 인서트를 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 범퍼 백빔에 인서트 되는 금속 판재(400)는 가이드핀(410)이 일체로 형성되며, 복수개의 관통홀(420)을 구비한다.
사출 성형시 관통홀(420)의 내부로 사출 성형 수지가 채워지게 되므로, 이로 인하여 금속 판재(400)가 보다 견고하게 매립되어 충돌시 계면이 분리되는 문제점을 해결할 수 있다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S110 : 섬유강화 복합소재 마련단계
S120 : 인서트 형성단계
S130 : 사출 성형단계
10 : 섬유강화복합소재
12, 14 : 지지홈
100 : 하부 금형
110 : 홀더
120, 130 : 지지돌기
132 : 대경부
134 : 소경부
200 : 상부 금형
300 : 범퍼 백빔
310 : 관통공
312 : 지지홈
400 : 금속 판재 인서트
410 : 가이드핀
420 : 관통홀

Claims (9)

  1. 인서트 재료인 고강도 섬유가 수지에 함침된 섬유강화복합소재를 마련하는 단계;
    상기 섬유강화복합소재를 예비 형상으로 성형하여 인서트를 제조하는 인서트 형성 단계; 및
    상기 인서트를 사출 금형에 배치하고 수지를 주입하여 사출품을 제조하는 사출 성형 단계;를 포함하는 사출 성형 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인서트 형성 단계에서 상기 인서트에 지지홈을 형성하고,
    상기 사출 성형 단계의 상기 사출 금형에 상기 지지홈에 삽입되는 지지돌기를 마련하여, 상기 사출 성형 단계에서 상기 인서트가 상기 지지돌기에 결합된 상태에서 수지를 주입하여 상기 인서트가 사출 성형시 변형되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 사출 성형 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금형에 형성되는 지지돌기는 상기 인서트에 형성되는 관통공 주변에 구비되는 것을 특징으로 하는 사출 성형 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 금형에 형성되는 지지돌기는 상기 사출 금형의 사출압력이 집중되는 부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 사출 성형 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지돌기는 상기 지지홈에 일부가 삽입되도록 다단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 사출 성형 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유강화복합소재의 수지와, 상기 사출 금형에 주입되는 수지는 동종의 수지인 것을 특징으로 하는 사출 성형 방법.
  7. 범퍼 백빔으로 사용되는 사출 성형품에 있어서,
    고강도가 요구되는 구간에 섬유강화복합소재가 인서트로 매립 형성된 것을 특징으로 하는 사출 성형품.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 사출 성형품은 차체에 결합되는 연결면에 가이드핀이 형성된 금속판재가 인서트로 매립 형성된 것을 특징으로 하는 사출 성형품.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속판재는 관통공을 구비하여, 상기 관통공에 사출 수지가 채워진 것을 특징으로 하는 사출 성형품.

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