KR20170048501A - 다층 복합 재료, 그 제조 방법 및 형상 기억 금속 재료를 갖는 반제품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 하나 이상의 비금속, 바람직하게는 플라스틱을 포함하는 층과, 하나 이상의 금속 층을 갖는 다층 복합 재료에 관한 것이며, 하나 이상의 금속 층은 제1 형상 기억 금속 재료를 포함한다. 본 발명의 기술적인 과제는, 성형 특성에 관한 상술된 문제점이 결정적으로 개선되거나 심지어 방지될 수 있는 다층 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이며, 하나 이상의 제2 금속 층이 제공되며, 2개 이상의 금속 층이 비금속 층의 대향하는 면에 배치됨으로써 해결된다. 또한, 본 발명은, 다층 복합 재료의 제조 방법 및 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 반제품을 사용하여 구성 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 하나 이상의 비금속, 바람직하게는 플라스틱을 포함하는 층 및 하나 이상의 금속 층을 갖는 다층 복합 재료에 관한 것이며, 하나 이상의 금속 층은 제1 형상 기억 재료를 포함한다. 또한, 본 발명은, 다층 복합 재료의 제조 방법 및 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 반제품을 사용하여 구성 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
다층 복합 재료는, 2개 또는 복수의 층들로 2개 이상의 다양한 재료로 이루어지며 전체적으로 또는 부분적으로 층을 이루는 복합재로 이해된다. 통상적으로, 다층 복합 재료는, 바람직하게, 예를 들어 2개의 외측 커버 층, 특히 커버 시트와 결합된 내측 코어 층에 의해 형성된 3개의 층으로 이루어진다. 커버 시트는 코어 층의 재료와는 다른 재료를 포함한다. 커버 시트는 서로 다르거나 동일한 재료를 포함할 수 있다. 이 경우에, 층들은 반드시 표면 커버형으로 형성될 필요는 없다.
다층 복합 재료에서, 특히 샌드위치 복합 재료에서 사용되는 층의 재료뿐 아니라 구조와 두께는, 결과적으로 개별 재료들의 특성의 바람직한 조합을 포함하는 다층 복합 재료를 얻기 위해, 각각의 사용 목적에 대한 그 특성을 참조하여 선택될 수 있다. 따라서, 다층 복합 재료의 사용은 다양한 재료 특성의 조합을 목표로 하는데, 이는 단일 재료로는 이루기 어렵거나 비용 집약적이거나 결코 구현되지 못할 수도 있다.
바람직한 재료 특성에는 예를 들어 높은 강도, 낮은 무게, 양호한 내부식성, 높은 경제성, 및 예를 들어 용접, 납땜 또는 접착을 이용하는 재료들의 결합과 관련된 개선된 특성이 속한다. 다층 복합 재료는 개선된 성형성 및 높은 마모 강도를 가질 수 있다. 바람직한 재료 조합에 의해, 개별 재료의 특성들의 합에 상응하는 다층 복합 재료의 재료 특성만 생성될 수 있는 것만은 아니다. 개별 특성들은, 다층 복합 재료가 그 특성에 있어서 개별 재료들의 기여도의 합을 능가하는 방식으로 보완될 수도 있다.
그러나 다이 성형, 형상 압연 또는 자유 성형을 통한 구성 부품으로의 다층 복합 재료의 목표에 따른 성형시에, 예를 들어 시트 형태의 샌드위치 복합 재료의 성형시에 종래 기술로부터 문제점이 알려져 있다. 다층 복합 재료의 층들의 다양한 재료 특성이 문제가 될 수 있는 것이다. 층들은 성형 공정에 대해, 예를 들어 굽힘, 연신 및 전단 응력 형태의 기계적 응력의 영향에 대해 다양한 반응을 나타낼 수 있다. 추가의 문제점은, 예를 들어 성형 공정 중에 재료 내의 온도차 및 온도 구배를 통해 또는 열 성형시에 너무 높게 설정된 온도를 통해 발생한다. 이에 의해, 개별 재료들 자체만 아니라, 다층 복합 재료에서 그들 상호간의 결합이 부하를 받는다.
이러한 유형의 문제점은, 예를 들어, 성형 후에 형성되는 재료의 두께가 바람직하지 못한 변동을 포함한다고 말할 수 있다. 이는, 특히 성형시에 층들의 상이한 재료 변위를 통해 유발될 수 있다. 예를 들어 적층된 복합 재료에서 층간 박리 형태로 층들이 서로 분리되는 현상이 발생할 수 있다. 이에 의해, 제조된 구성 부품이 구조적으로 성장하고 불량한 치수 안정성을 갖게 된다.
특히 금속 층, 특히 커버 시트에서 그리고 층, 특히 플라스틱으로 이루어진, 특히 섬유 보강 플라스틱으로 이루어진 코어 층에서, 특히 다층 복합 재료의 성형시에, 예를 들어 강으로 이루어진 커버 시트에서 높은 보유력은 주름 형성을 감소시키지만, 코어 층 내의 섬유 파단을 촉진시키는 어려움에 처한다. 이에 의해, 이러한 유형의 다층 복합 재료의 성형 정도가 제한된다.
종래 기술로서, 공개 공보 CN 103 895 287 A1이 참조된다.
종래 기술로부터, 본 발명의 기술적 과제는, 성형 특성에 관한 상술된 문제점이 결정적으로 개선되거나 심지어 방지될 수 있는 다층 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 기술적 문제점은 제1 교시에 따라, 하나 이상의 제2 금속 층이 제공되고, 2개 이상의 금속 층을 비금속 층의 대향하는 면 상에 배치함으로써 해결된다. 이에 의해, 형상 기억 금속 재료의 특성은, 성형 중에 또는 부하 중에도, 비금속 층의 구조적 일체성을 획득하는데 이용될 수 있다. 특히, 금속 층 또는 비금속 층의 너무 높은 응력이 성형시에 형상 기억 특성 없이 억제되도록, 형상 기억 금속 재료의 유사 가소성(pseudo plastic) 또는 유사 탄성(pseudo elastic) 탄력성이 사용될 수 있다. 이로써, 예를 들어 금속 층으로부터 비금속 층으로의 높은 굽힘력 또는 전단 응력의 전달이 방지될 수 있다. 유사 가소성 상태에서 형상 기억 금속 재료의 높은 연신성은, 특히 연신 가능한 재료를 포함하는 비금속 층과 관련하여 바람직하다. 형상 기억 합금으로 이루어진 하나 이상의 외측 커버 층을 포함하는 샌드위치 복합 재료 형태의 다층 복합 재료는 외측에 놓인 금속 층으로 인해 특히 비금속 층의 일체성을 얻게 된다. 본 발명에 따른 다층 복합 재료를 위해, 하나 이상의 제2 금속 층, 예를 들어 형상 기억 금속 재료를 포함하는 제2 커버 시트가 제공되며, 2개 이상의 금속 층, 예를 들어 2개 이상의 커버 시트가 예를 들어 코어 층의 비금속 층의 대향하는 면에 배치된다. 층들의 배치를 위해 상이한 조합이 가능하며, 복수의 금속 층들이 제공될 수 있거나 복수의 비금속 층들이 제공될 수 있다. 이 경우에, 다층 복합 재료에서 하나 이상의 비금속 층이 외측에 배치되는 것도 가능하다. 그러나 바람직하게는, 하나 이상의 비금속 층이 특히 코어 층이 내측에 놓이며, 2개의 면에서 금속 층을 통해 예를 들어 커버 시트를 통해 덮여진다. 이에 의해, 커버 시트가 기계적 부하 및 노화 효과에 대한 보호 기능을 제공한다. 또한, 이에 의해 다층 복합 재료가 예를 들어 용접 또는 납땜을 통해 특히 다른 금속 구성 부품과 면에서 결합될 수 있다. 더 바람직하게는, 코어 층의 대향하는 면에 배치된 금속 층이 형상 기억 금속 재료를 포함하며, 특히 금속 층들은 하나의 금속 형상 재료로 형성된다. 이에 의해, 개별 금속 층들의 성형 특성이 양 측에서 조합되어 금속 층들의 형상 기억 재료의 협동 작용이 구현될 수 있다. 특히, 다층 복합 재료의 구조는 두께를 따라 대칭일 수 있기 때문에, 다층 복합 재료, 특히 샌드위치 복합 재료가 2개의 면의 동일한 성형 특성을 포함한다. 대안적으로, 적어도 제2 금속 층은 형상 기억 특성을 가질 수 없다.
또한, 형상 기억 금속 재료는 높은 강제 결합력 및 형상 결합력을 제공한다. 또한, 형상 기억 금속 재료는 많은 비금속 재료에 비해, 예를 들어 기계적 부하와 관련하여, 또는 노화 및 부식에 대해 더 내구성이 있으며, 이로써 고품질 표면을 형성할 수 있는 장점을 포함한다.
바람직하게, 예를 들어 커버 시트로서 기능할 수 있는 하나 이상의 금속 층은 완전히 형상 기억 금속 재료로 형성된다. 이에 의해, 금속 층 또는 커버 시트가 형상 기억 금속 재료의 바람직한 특성을 그 면 상에 균질하게 포함한다. 그러나 금속 층 또는 커버 시트가 단지 부분적으로 형상 기억 금속 재료로 형성되는 것도 가능한데, 예를 들어 형상 기억 금속 재료로 이루어진 스트립, 패치 또는 직물이 금속 층 또는 커버 시트 내로 삽입 처리된다.
또한, 하나 이상의 금속 층 또는 하나 이상의 커버 시트의 형상 기억은 바람직하게 다층 복합 재료의 성형 특성을 위해 이용될 수 있다. 다층 복합 재료의 바람직한 구성에서, 형상 기억 재료는 이전에 제공된 형상의 형상 기억을 갖는다. 이에 의해, 형상 기억 재료는 적어도 활성화 온도로 가열되고 형상 기억으로 인해 발생하는 형상 변경이 다층 복합 재료의 성형을 지원하는 방식으로, 형상 기억 재료가 활성화될 수 있다. 가열을 통해 활성화된 형상 기억 재료에 대한 대안으로, 본 발명에 따라, 자기장을 통해 활성화되는 형상 기억 재료가 사용될 수 있다.
바람직하게, 다층 복합 재료의 성형은 형상 기억 재료의 활성화를 통해서만 수행될 수 있다. 다층 복합 재료는 자체 성형식이며, 성형을 위해 다이 또는 롤러와 같은 추가의 성형 공구가 요구되지 않는다. 다층 복합 재료는 단지 활성화 온도보다 높이 가열되거나 상응하는 자기장을 통해서 활성화되기만 하면 되는데, 이는 성형을 위한 비용을 현저히 감소시킨다.
비금속 층, 예를 들어 코어 층 내의 플라스틱으로서 매우 온도 안정적인 열경화성 플라스틱이 사용될 수 있다. 발포 플라스틱, 특히 가스 버블을 갖는 발포 플라스틱도 가능하다. 바람직한 일 실시예에서, 비금속 층 또는 코어 층은 열가소성 플라스틱을 포함한다. 열가소성 플라스틱은 예를 들어 폴리올레핀, 폴리 아미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 또는 다양한 플라스틱의 혼합물을 포함한다. 바람직하게, 비금속 층 또는 코어 층의 열가소성 플라스틱은 폴리아미드, 폴리에틸렌 또는 폴리아미드와 폴리에틸렌의 혼합물, 특히 접목된(grafted) 폴리에틸렌 및 반응성 공중합체의 분율을 갖는 PA6-폴리아미드를 기초로 한다. 두 열가소성 플라스틱은 매우 양호하게 처리될 수 있으며, 가열된 상태에서 쉽게 변형될 수 있다. 따라서, 다층 복합 재료의 성형 특성과 관련하여, 열가소성 플라스틱 및 형상 기억 재료는 매우 유리한 재료 조합을 구현한다. 선택적으로, 하나 이상의 비금속 층 또는 플라스틱 층은 형상 기억 특성을 포함할 수 있다.
다층 복합 재료의 다른 구성에 따르면, 열가소성 플라스틱의 유리 전이 온도 또는 용융 온도는 형상 기억 재료의 활성화 온도의 ±100℃, 특히 ±50℃, 바람직하게는 ±25℃의 범위 내에 있다. 유리 전이 온도 또는 용융 온도를 활성화 온도로 근사시킴으로써, 형상 기억 재료 및 열가소성 재료의 바람직한 성형 특성이 최적으로 사용될 수 있는데, 그 이유는 두 재료가 예를 들어 가열시에, 거의 동시에 매우 성형 가능한 상태가 되기 때문이다. 특히, 형상 기억 특성은 열가소성 특성과 관련하여 바람직하게 이용될 수 있다. 원하는 성형 정도에 따라, 비정질 열가소성 플라스틱에서 유리 전이 온도가 중요할 수 있지만, 반결정질 또는 고결정질 열가소성 플라스틱의 경우에 용융 온도가 사용될 수 있다. 반결정질 또는 고결정질 열가소성 플라스틱에서 용융 온도와 활성화 온도 간의 차이는 결정화의 정도에 상응하게 선택될 수 있으므로, 높은 결정질의 경우에 용융점에 더 근접하여 성형될 수 있다. 유리 전이 온도 또는 용융 온도가 활성화 온도보다 낮은 것이 바람직하기 때문에, 다층 복합 재료의 가열시에, 우선 열가소성 플라스틱이 양호하게 변형될 수 있고, 그 후 유사 가소성 상태로의 형상 기억 재료의 전이 및/또는 형상 기억의 활성화가 구현된다. 이 경우에, 각각의 온도는 DIN 51007에 따른 평가에 의해, 예를 들어 10K/분의 가열 속도로 시차 주사 열량 측정법에 의해 표준 조건하에 결정될 수 있다.
다층 복합 재료의 바람직한 구성에서, 비금속 층, 예를 들어 코어 층은 섬유 강화 플라스틱을 포함한다. 이를 위해, 플라스틱은 예를 들어 유리-, 탄소-, 아라미드-, 폴리에틸렌-, 현무암-, 붕소- 또는 금속-섬유를 포함한다. 특히 탄소 섬유는 특히 최저 무게에서 최대 강도를 제공하며, 따라서 낮은 무게에서 높은 부하 지지력이 요구되는 많은 적용에 적합하다.
따라서, 다층 복합 재료는 예를 들어 좁은 굴곡부를 갖는 성형시에, 종래 방식으로 섬유 직물의 드레이핑(draping)이 어려움을 제공할 수도 있는 것과 같은 방식으로 성형된 구성 부품의 제조를 가능케 한다. 섬유를 자체적으로 드레이핑하기 위해, 형상 기억 재료의 활성화에 의해 방출된 힘은 성형을 위해 충분한 것으로 판명되었다. 또한, 유사 가소성 또는 유사 탄성 형상 기억 재료의 탄력성은 성형시 섬유 파손의 위험을 감소시킨다.
다층 복합 재료의 다른 구성에 따르면, 형상 기억 재료로서 철 기반 형상 기억 합금이 사용된다. 형상 기억 합금은 매우 높은 강제 결합력 또는 형상 결합력을 제공할 수 있다. 예를 들어 형상 기억 합금으로서, 니켈-티타늄, 니켈-티타늄-구리-, 구리-, 니켈-알루미늄, 구리-알루미늄-니켈-, 니켈-망간-갈륨-, 철-팔라듐-, 철-팔라듐-백금-, 철-망간-규소-, 철-망간-규소-크롬- 또는 철-망간-규소-크롬-니켈-기반의 형상 기억 합금이 고려된다. 상기 철계, 즉, 철-망간-규소, 철-망간-규소-크롬 또는 철-망간-규소-크롬-니켈은, 다른 합금계에 비해 상대적으로 저렴하기 때문에 대량 생산에 사용될 수 있다. 또한, 철계는 효율적인 유도 가열을 통해 형상 기억 특성의 활성화를 보장할 가능성을 제공함으로써, 활성화가 특히 간단한 방식으로 수행될 수 있으며 -부분적으로는- 의도적으로 도입될 수 있다. 유사하게 다른 철 기반 합금에 대해 적용된다.
예를 들어, 형상 기억 합금은 철 및 불가피한 불순물 이외에, 이하의 합금 원소를 중량%로 포함한다:
12%≤Mn≤45%,
1%≤Si≤10%,
Cr≤20%,
Ni≤20%,
Mo≤20%,
Cu≤20%,
Co≤20%,
Al≤10%,
Mg≤10%,
V≤2%,
Ti≤2%,
Nb≤2%,
W≤2%,
C≤1%,
N≤1%,
P≤0.3%,
Zr≤0.3%,
B≤0.01%.
상응하는 합금계는 상이한 합금 구성 요소의 선택을 통해 특정 강도 특성에 매우 양호하게 조절될 수 있다. 강도는 예를 들어 탄소, 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 니오브 또는 바나듐의 첨가시에 확실히 증가한다.
망간, 탄소, 크롬 또는 니켈의 첨가는 오스테나이트 상을 안정화시키며, 이는 활성화 온도의 증가에 이용될 수 있다. 한편으로 바나듐, 티타늄, 니오브 및 텅스텐의 그룹으로부터의 적어도 각각 하나의 원소와, 그리고 다른 한편으로 탄소, 질소 및 붕소의 그룹으로부터의 적어도 각각 하나의 원소의 조합은 미세 구조 내의 침전물의 형성 및 열 기계적 재료 처리의 단순화 또는 제거를 유도하는데, 그 이유는 예를 들어, 침전물 주변의 응력 장이 상 변환의 핵 생성(nucleation) 위치로서 이용되기 때문이다.
유사 가소성 또는 유사 탄성 형상 기억 합금은 예를 들어, 철 및 불가피한 불순물 이외에 형상 기억 합금이 이하의 합금 원소를 중량%로 포함하는 경우에 제공될 수 있다:
25%≤Mn≤32%,
3%≤Si≤8%,
3%≤Cr≤6%,
Ni≤3%,
C≤0.07%, 바람직하게는 0.01%≤C≤0.07% 및/또는
N≤0.07%, 바람직하게는 0.01%≤N≤0.07%,
0.1%≤Ti≤1.5% 또는
0.1%≤Nb≤1.5% 또는
0.1%≤W≤1.5% 또는
0.1%≤V≤1.5%.
다층 복합 재료, 예를 들어 샌드위치 복합 재료의 다른 실시예에 따르면, 금속 층, 예를 들어 커버 시트의 두께는 예를 들어, 0.15 내지 1.0mm, 특히 0.2 내지 0.5mm이다. 언급된 두께 범위는 다층 복합 재료의 용이한 성형을 가능케 하고, 동시에 높은 수준의 안정성을 제공하며, 코어 층으로의 충분한 열 전달을 가능케 하는 것으로 나타났다. 또한, 형상 기억 재료의 활성화시에, 언급된 두께 범위 내의 금속 층은, 특히 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 비금속 층과 관련하여 다층 복합 재료의 성형을 위한 충분한 성형력을 발휘한다. 샌드위치 복합 재료의 경우, 비금속 층이 코어 층으로도 형성될 수 있다.
바람직하게 비금속 층의 두께는 0.3 내지 2.0mm, 특히 0.4 내지 1.0 mm이다. 언급된 층 두께에서 한편으로 복합재의 필요한 강도 및 강성이 주어진다. 다른 한편으로, 고체 재료에 비해 충분한 무게 감소가 달성된다. 비금속 층의 두께에 대한 금속 층의 두께의 비율이 0.4 내지 0.6, 특히 0.45 내지 0.55인 경우 더 바람직하다. 이러한 비율은 형상 기억 재료의 활성화 하에 성형 특성에 바람직한 것으로 나타났다.
다층 복합 재료의 다른 실시예에서, 금속 층들 중 하나, 특히 커버 시트들 중 하나는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함한다. 바람직하게, 금속 층들 중 하나는 전체가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 특히 그 낮은 무게로 인해 경량의 다층 복합 재료에 적합하다. 특히, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 하나 이상의 커버 시트를 갖는 코어 층 내에서의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 조합은 높은 강도를 갖는 동시에 다층 복합 재료의 낮은 무게를 형성한다. 높은 내부식성으로 인해 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 외측 커버 시트에 사용하기에 바람직하다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 형상 기억 재료로 사용되지 않는 한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 형상 기억 재료로 이루어진 하나 이상의 금속 층을 갖는 다층 복합 재료에서 조합되는 경우, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 낮은 항복점으로 인해 쉽게 성형될 수 있다.
그러나 다층 복합 재료는 예를 들어 부식 방지를 위해 추가의 금속 층, 특히 커버 시트, 특히 외측 커버 시트를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 금속, 유기 또는 무기-유기 코팅을 사용하여 금속 층 또는 비금속 층의 단면 또는 양면 코팅이 가능하다. 이러한 코팅은 특히 부식 방지층의 기능을 갖거나 원하는 광학 효과를 가져올 수 있다.
다층 복합 재료는 코일 또는 시트 형태인 것이 바람직하다. 이는, 높은 공정 안정성으로 경제적인 처리를 가능케 하며, 다층 복합 재료의 취급 및 운반 및 저장을 용이하게 한다.
본 발명의 제2 교시에 따르면, 다층 복합 재료의 제조 방법, 특히 본 발명에 따른 다층 복합 재료의 제조 방법과 관련된 상술한 기술적 과제는, 형상 기억 재료를 포함하는 하나 이상의 금속 층이 바람직하게는 플라스틱을 포함하는 하나 이상의 비금속 층과 결합됨으로써 해결된다.
하나 이상의 금속 층과 하나 이상의 비금속 층, 예를 들어 커버 시트 및 코어 층 사이의 결합은 특히 압력 및 온도의 영향을 통해 가능하다. 이러한 결합은 예를 들어 비금속 층을 금속 층 상으로 압연, 캘린더 링, 라미네이팅, 접착 또는 압출시킴으로써 생성될 수 있다. 비금속 층의 재료는 결합 이전에 이미 층 형태로 제공될 수 있으며, 그 다음에 금속 층에 결합될 수 있다. 그러나 비금속 층의 재료는 예를 들어 캘린더링 또는 압출에 의해 비금속 층의 생성 중에 금속 층과 직접 결합시키는 것도 가능하다.
상기 공정에서, 바람직한 일 실시예에서, 예를 들어, 형상 기억 재료를 포함하는 제1 금속 층이 적어도 활성화 온도로 가열되고 예비 성형된 다음, 이어서 형상 기억 재료를 포함하는 금속 층이 활성화 온도 아래로 냉각되고 다시 성형된다. 이에 의해, 형상 기억의 자체 성형 특성이 제조된 다층 복합 재료에서 이용될 수 있다. 이 경우, 금속 층은 예를 들어 비금속 층과 결합되기 이전에 예비 성형되고 성형될 수 있다. 또한, 먼저 금속 층과 비금속 층의 결합이 형성되고, 다층 복합 재료에서의 금속 층의 예비 성형 및 성형이 실행될 수 있다.
형상 기억 재료를 포함하는 금속 층의 성형은 바람직하게 플라스틱을 포함하는 비금속 층의 결합과 동시에 수행될 수 있다. 따라서, 금속 층의 예비 성형이 수행된 후에, 다층 복합 재료는 후속적으로 조합된 단일 작업 단계에서 제조될 수 있으며, 이는 공정의 경제성을 증가시킨다. 이 경우, 비금속 층의 재료는 바람직하게, 비금속 층의 성형성에 대한 요건과, 비금속 층의 특성 결정 온도를 형상 기억 재료의 활성화 온도와의 목표한 비율로 제공할 가능성으로 인해, 열가소성 플라스틱을 기반으로 한다. 섬유 강화 플라스틱이 사용되는 경우, 특히 플라스틱 매트릭스에서 섬유의 적층과 동시에 금속 층의 성형이 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 비금속 층은 바람직하게 형상 기억 재료로 이루어진 하나 이상의 제2 금속 층과 결합된다. 형상 기억을 갖는 하나 이상의 제2 금속 층을 제공함으로써, 다층 복합 재료에는 추가적인 성형성 및 안정성이 부여될 수 있다. 특히, 이에 의해 층들의 대칭 배치가 가능하게 된다.
비금속 층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 하나 이상의 다른 금속 층에 결합될 수 있다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 낮은 무게 및 높은 내부식성에 부가적으로, 압연 또는 프레스시에 양호한 특성을 포함함으로써, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 금속 층은 경제적으로 유리하고 공정 안정적으로 처리될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 추가의 금속 또는 비금속 층이 특히 추가의 코팅과 함께 처리될 수도 있다.
바람직한 일 실시예에서, 다층 복합 재료는 코일 대 코일(coil to coil) 공정에서 제조될 수 있다. 이는 경제적이며 공정 안정적인 공정을 가능케 한다. 이 경우, 금속 층 또는 금속 층들이 코일 상에 제공되어 디코일링될 수 있다. 비금속 층의 재료는 마찬가지로, 특히 사전 완성된 형태로 코일 상에 제공될 수 있다. 섬유 강화 플라스틱을 기반으로 하는 비금속 층의 경우에, 플라스틱의 구성 요소, 섬유 직물 및 플라스틱 매트릭스가 마찬가지로 코일 상에 제공되어 디코일링될 수 있다. 제조된 다층 복합 재료의 코일 상의 권취는 경제적인 추가 가공을 가능하게 하며, 취급 및 운반을 용이하게 하며, 제조된 다층 복합 재료의 저장을 용이하게 한다.
또한, 다층 복합 재료는 코일 대 시트 공정에서 제조될 수 있다. 이에 의해, 다층 복합 재료는 먼저 코일 형태로 경제적으로 그리고 공정 안정적으로 제조될 수 있으며, 이어서 시트로 절단될 수 있다. 시트는 다층 복합 재료의 취급을 단순화하고 특히 쉽게 적재할 수 있다. 또한, 제조 공정 중에 시트가 이미 추가 공정을 위해 필요한 크기에 상응하는 크기로 제공될 수 있다.
제3 및 제4 교시에 따르면, 상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품에 의해 해결되며, 그리고 반제품이 적어도 형상 기억 재료의 활성화 온도로 가열되거나 자기장에 의해 활성화되고, 반제품이 형상 기억 재료의 형상 기억을 통해 원하는 구성 부품으로 성형되는 본 발명에 따른 반제품을 사용하여 부품을 제조하기 위한 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 반제품은 예를 들어, 본 발명에 따른 다층 복합 재료로부터 제공되며, 형상 기억 재료는, 다층 복합 재료 내의 형상 기억 재료의 형상과는 다른 형상에 대한 형상 기억을 갖는다. 반제품은 코일 형태 또는 시트 형태일 수 있지만, 기술적 또는 기하학적 범주에서 생산될 구성 요소의 최종 형태와 관련하여 선택적으로 이미 절단되었을 수도 있다. 이에 의해, 반제품은, 예를 들어 취급시에, 운송 중 또는 제조 공정에서 사용 중에 그의 특성에 있어서 바람직하다. 반제품은 상응하게 단순화된 형태로, 예를 들어 시트 또는 코일로서 고객에게 공급될 수 있다.
반제품으로 구성 부품을 제조하는 것은 형상 기억 재료의 성형 특성에 의해 크게 단순화된다. 형상 기억에 저장된 형상은 바람직하게 이미 구성 부품의 최종 형상에 상응한다. 따라서, 반제품의 가열 또는 상응하는 자기장에 의해 형상 기억 재료가 활성화될 수 있고 구성 부품이 제조될 수 있다. 이를 위해 추가의 성형 공구가 필요하지 않다.
다층 복합 재료의 제조 방법, 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품 및 본 발명에 따른 반제품을 사용하는 구성 부품의 제조 방법의 구성 및 장점에 대해, 본 발명에 따른 다층 복합 재료에 대한 실시예 및 도면이 참조된다.
도 1a는 다층 복합 재료의 제1 실시예의 단면도를 도시한다.
도 1b는 다층 복합 재료의 제2 실시예의 단면도를 도시한다.
도 1c는 다층 복합 재료의 제3 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 다층 복합 재료의 제조 방법의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2f 및 도 2g는 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 2개의 구성 부품의 단면도를 도시한다.
도 3a는 코일 대 코일 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제1 실시예를 도시한다.
도 3b는 코일 대 코일 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제2 실시예를 도시한다.
도 4a는 코일 대 시트 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제3 실시예를 도시한다.
도 4b는 코일 대 시트 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제4 실시예를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 반제품으로 제조된 구성 부품의 사시도를 도시한다.
도 1b는 다층 복합 재료의 제2 실시예의 단면도를 도시한다.
도 1c는 다층 복합 재료의 제3 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 다층 복합 재료의 제조 방법의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2f 및 도 2g는 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 2개의 구성 부품의 단면도를 도시한다.
도 3a는 코일 대 코일 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제1 실시예를 도시한다.
도 3b는 코일 대 코일 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제2 실시예를 도시한다.
도 4a는 코일 대 시트 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제3 실시예를 도시한다.
도 4b는 코일 대 시트 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제4 실시예를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 반제품으로 제조된 구성 부품의 사시도를 도시한다.
도 1a는 바람직하게 플라스틱을 포함하는 비금속 코어 층(4)이 금속 층과, 바람직하게 형상 기억 금속 재료를 포함하는 커버 시트(6)와 결합되는 다층 복합 재료(2)의 제1 실시예를 단면도로 도시한다. 바람직하게, 커버 시트(6)는 철 기반 형상 기억 합금을 포함하며, 코어 층(4)은, 섬유 강화 열가소성 플라스틱, 예를 들어 폴리아미드 및 폴리에틸렌으로 이루어진 탄소 섬유 강화 혼합재를 포함한다. 특히, 커버 시트(6)의 형상 기억 재료는 다층 복합 재료 내의 형상 기억 재료의 여기서 도시된 형상과는 다른 형상의 형상 기억을 갖는다.
도 1b는 다층 복합 재료(2')의 제2 실시예를 단면도로 도시하며, 도 1a에 도시된 실시예와 비교하여, 커버 시트(6)에 대향하는 면에서, 다른 금속 커버 시트(8)가 코어 층(4)과 결합된다. 이 경우에, 다른 커버 시트(8)는 다른 재료, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 그러나 커버 시트(8)는 커버 시트(6)와 마찬가지로 형상 기억 금속 재료를 포함할 수 있다. 이 경우에, 특히 커버 시트(8)의 형상 기억 재료는, 제1 커버 시트(6)의 형상 기억에 상응하여, 커버 시트(6, 8)의 성형 특성이 활성화시에 지원되는 형상 기억을 갖는다. 특히, 커버 시트(6, 8)가 대략 동일한 두께를 포함함으로써, 다층 복합 재료는 그 두께를 따라 대략 대칭이다. 대안적으로, 금속 커버 시트(8)가 형상 기억 특성 없이 사용될 수도 있다.
그러나 다층 복합 재료(2")는 도 1c에 도시된 바와 같이, 코어 층(4a, 4b)으로서의 복수의 비금속 층을 포함할 수 있고, 형상 기억을 갖는 금속 층(6)이 층(4a, 4b)들 사이에 배치된다. 층들의 더 많은 조합 및 배치도 가능하다.
도 2a 내지 도2e는 다층 복합 재료(2, 2')의 제조 방법의 일 실시예의 단면도를 도시한다. 우선, 도 2a에서 금속 층, 예를 들어 형상 기억 재료를 포함하는 금속 커버 시트(6)가 제공된다. 커버 시트(6)는 코일 형태일 수 있다. 커버 시트는 적어도 형상 기억 재료의 활성화 온도로 가열되고, 예를 들어 도 2b에 도시된 바와 같이 원형 또는 타원형으로 예비 성형된다. 선택적으로 그 다음, 도 2c에서 커버 시트는 활성화 온도 아래의 온도로 냉각되고 예를 들어 코일 형태로 다시 성형된다. 그러나 예를 들어, 활성화는 상응하는 자기장을 통해 구현될 수 있다. 마지막으로, 커버 시트(6)는 비금속 층, 예를 들어 코어 층(4)과 결합되고, 커버 시트(6)의 성형은 도 2c에 도시된 바와 같이, 코어 층(4)과의 결합 이전에, 또는 도 2d의 코어 층(4)과의 결합과 동시에 수행될 수 있다. 도 2d의 다층 복합 재료(2)는 도 1a에 도시된 실시예에 상응하며, 형상 기억 재료는 도 2b에 도시된 형상에 대한 형상 기억 또는 대안적으로, 형상 기억 효과가 완전한 복원 변형이 실행되지 않도록 구성될 경우 도 2b와 도 2a 사이의 형상에 대한 형상 기억을 갖는다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 금속 층, 예를 들어 다른 커버 시트(8)가 코어 층(4)과 결합될 수 있고, 커버 시트(8)는 코어 층(4)과 제1 커버 시트(6)의 결합 이후에 또는 동시에 다층 복합 재료(2') 내에 배치될 수 있다. 도 2e의 다층 복합 재료(2')는 도 1b에 도시된 실시예에 상응하며, 형상 기억 재료는 도 2b에 도시된 형상 또는 도 2b와 도 2a 간의 형상에 대한 기억을 갖는다.
도 2f는 도 2d에 도시된 다층 복합 재료(2)로 제조된 구성 부품(10)의 단면도를 도시한다. 구성 부품(10)의 제조는 성형 공구에 의해 구현될 수 있으며, 추가로, 형상 기억 재료의 성형 특성은 적어도 활성화 온도로 가열함으로써 이용될 수 있다. 그러나 특히, 구성 부품(10)의 제조는 적어도, 커버 시트(6) 내의 형상 기억 재료의 형상 기억이 활성화되고, 도 2b의 커버 시트(6)의 형상 또는 도 2b와 도 2a 간의 형상이 복원되는 활성화 온도로 다층 복합 재료(2)가 가열됨으로써 이루어진다. 이 경우, 다층 복합 재료(2)는 자체 성형식이다.
이와 유사하게 도 2g는 도 2e에 도시된 다층 복합 재료(2')로 제조된 구성 부품(10')을 도시한다.
도 3a는 코일 대 코일 공정에서 다층 복합 재료(2)를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제1 실시예를 도시하며, 먼저 코일 형태의 금속 커버 시트(6)가 코일(12)로부터 디코일링된다. 제1 예비 성형 단계(14)에서 커버 시트(6)는 적어도 활성화 온도(TA)로 가열되어 예비 성형된다. 이어서, 제2 성형 단계(16)에서, 커버 시트(6)가 활성화 온도(TA) 아래로 냉각되고, 예를 들어 다시 코일 형태로 성형된다. 코어 층(4)의 재료는 제2 코일(18)로부터 디코일링되고, 결합 장치(20) 내에서 예를 들어 여기에 도시된 바와 같이 코일 프레스를 통해 커버 시트(6)와 함께 다층 복합 재료(2)로 결합된다. 도 3 및 도 4에서 간략화되어, 코어 층(4)의 재료를 제공하기 위한 단지 하나의 코일(18)을 도시하나, 코어 층 내의 섬유 강화 플라스틱을 위해서는, 복수의 코일, 예를 들어 섬유 직물 및 플라스틱 매트릭스를 위한 별도의 코일이 사용될 수 있다. 마지막으로, 제조된 다층 복합 재료(2)는 다른 코일(22) 상에 권취된다.
도 3b는 코일 대 코일 공정에서 다층 복합 재료(2)를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제2 실시예를 도시한다. 도 3b에 도시된 방법과 도 3a에 도시된 방법의 차이점은, 도 3b에서 별도의 제2 성형 단계(16) 및 결합 장치(20) 대신에, 커버 시트(6)의 성형이 활성 온도(TA) 아래에서 그리고 코어 층(4)과의 결합이 단일 결합 장치(24) 내에서 구현된다는 것이다. 이로써, 방법 단계가 절약될 수 있다.
도 4a는 코일 대 시트 공정에서 다층 복합 재료(2)를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제3 실시예를 도시한다. 도 4a에 도시된 방법과 도 3a에 도시된 방법의 차이점은, 도 4a에서 다층 복합 재료(2)가 코일(22) 상에 권취되는 것이 아니라, 결합 장치(20)의 하류에 배치된 코일 분배기(26) 내에서 시트(28)로 처리된다는 것이다.
도 4b는 코일 대 시트 공정에서 다층 복합 재료를 제조하기 위한 방법의 개략적인 구성의 제4 실시예를 도시하며, 도 3b와 유사하게, 활성화 온도(TA) 아래에서 커버 시트(6)의 성형 및 코어 층(4)과의 결합이 단일 결합 장치(24)에서 구현된다.
도 5a는 본 발명에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품(30)의 실시예를 사시도로 도시한다. 이러한 실시예에서, 반제품은 코어 층(4) 및 커버 시트(6)를 갖는 다층 복합 재료(2)로 제조된다. 여기서, 다층 복합 재료(2)는 이미 제조된 구성 부품(10)에 상응하는 형상으로 절단되고 형상 기억 효과를 고려하는 목표 지향적 기술 특성을 포함한다.
도 5b의 구성 부품(32)의 제조를 위해, 반제품(30)은 먼저 적어도, 형상 기억 재료의 활성화 온도로 가열될 수 있고, 그 다음, 특히 형상 기억을 이용하여 구성 부품(32)의 최종 형상으로 성형될 수 있다. 바람직하게 반제품(30)의 커버 시트(6)는, 제조되는 구성 부품(32)에 상응하는 형상에 대한 형상 기억을 갖는다. 이 경우, 구성 부품(32)은 추가의 성형 공구 없이, 단지 활성화 온도(TA)보다 높게 반제품(30)을 가열함으로써 형상 기억 재료의 활성화를 통해 제조될 수 있다.
Claims (20)
- - 하나 이상의 비금속, 바람직하게는 플라스틱을 포함하는 층과,
- 하나 이상의 금속 층을 갖는 다층 복합 재료이며,
하나 이상의 금속 층은 제1 형상 기억 금속 재료를 포함하는 다층 복합 재료에 있어서,
하나 이상의 제2 금속 층이 제공되며, 2개 이상의 금속 층이 비금속 층의 대향하는 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료. - 제1항에 있어서, 형상 기억 재료는, 이전에 제공된 형상의 형상 기억을 갖는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 비금속 층은 열가소성 플라스틱, 바람직하게는, 폴리아미드, 폴리에틸렌 또는 폴리아미드와 폴리에틸렌의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제3항에 있어서, 열가소성 플라스틱의 유리 전이 온도 또는 용융 온도는 형상 기억 재료의 활성화 온도의 ±100℃, 특히 ±50℃, 바람직하게는 ±25℃의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 비금속 층은 섬유 보강 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 보강 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 형상 기억 재료로서 철 기반 형상 기억 합금이 제공되며, 특히 Fe-합금, Fe-Mn 합금, Fe-Mn-Si 합금, Fe-Mn-Si-Cr 합금 또는 Fe-Mn-Si-Cr-Ni 합금이 제공되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 층의 두께는 0.15 내지 1.0mm, 특히 0.2 내지 0.5mm인 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 비금속 층의 두께는 0.3 내지 2.0mm, 특히 0.4 내지 1.0mm인 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
- 형상 기억 금속 재료를 포함하는 하나 이상의 제2 층이 제공되며,
- 2개 이상의 금속 층이 비금속 층의 대향하는 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 층들 중 하나는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 다층 복합 재료는 코일 형태인 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료.
- 특히, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 다층 복합 재료의 제조 방법이며, 형상 기억 재료를 포함하는 하나 이상의 금속 층이 바람직하게는 플라스틱을 포함하는 하나 이상의 비금속 층과 결합되는 다층 복합 재료의 제조 방법에 있어서,
비금속 층은 하나 이상의 제2 금속 층과 결합되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료의 제조 방법. - 제12항에 있어서, 형상 기억 재료를 포함하는 제1 금속 층이 적어도 활성화 온도로 가열되고 예비 성형된 다음, 이어서, 형상 기억 재료를 포함하는 상기 금속 층은 활성화 온도 아래의 온도로 냉각되어 다시 성형되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 형상 기억 재료를 포함하는 층의 성형은 바람직하게는 플라스틱을 포함하는 비금속 층의 결합과 동시에 실행되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료의 제조 방법.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 금속 층은 형상 기억 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료의 제조 방법.
- 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 비금속 층은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 하나 이상의 다른 금속 층과 결합되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료의 제조 방법.
- 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 다층 복합 재료는 코일 대 코일 공정에서 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료의 제조 방법.
- 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 다층 복합 재료는 코일 대 시트 공정에서 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 복합 재료의 제조 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 다층 복합 재료로 제조된 반제품.
- 제19항에 따른 반제품을 사용하여 구성 부품을 제조하기 위한 방법이며, 반제품은 적어도 형상 기억 재료의 활성화 온도로 가열되며, 반제품은 형상 기억 재료의 형상 기억을 통해 원하는 구성 부품으로 성형되는 것을 특징으로 하는 구성 부품 제조 방법.
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