KR20170084725A - 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20170084725A
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Abstract

높은 수준의 강성 및 충격 강도를 확보할 수 있으면서도 우수한 성형성의 확보로 복잡한 형상으로 성형하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 결합력을 향상시킬 수 있는 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 자동차 시트백 프레임은 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재가 첨가된 제1 섬유수지 복합재로 이루어지며, 프레스 성형으로 형성된 내장 프레임; 및 제2 장섬유 및 제3 열가소성 수지를 포함하는 제2 섬유수지 복합재로 이루어지며, 상기 내장 프레임의 외측을 덮도록 인서트 사출 성형된 외장 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법{SEAT-BACK FRAME FOR AUTOMOBILE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

시트백 프레임은 착석자, 승객, 운전자에게 편안하고 안정된 자세를 취할 수 있도록 도움을 주어 편안함 및 안정감을 부여하는 시트백의 기본 골격으로서, 이를 이용하는 사람들의 안전과 밀접한 관련이 있어 특정 수준의 힘, 충격에 대해 변형 및 파손이 없을 것을 요구하는 다수의 관련 법규가 존재하고 있다.

이러한 법규를 충족하여 사람들의 안전을 도모하기 위해 시트백 프레임은 스틸(steel) 재질로 형성되었으나, 이로 인해 비용 및 중량을 증가시키는 문제가 있다. 특히, 차량의 경우 중량이 증가함에 따라 구동성능 및 연비 효율이 현저히 저하되는 문제가 있다. 게다가, 승객, 운전자들의 더 많은 편의를 제공하기 위해 암레스트를 포함하는 경우에는 시트백 프레임 및 암레스트 프레임을 각각 별개로 제조한 이후 이들을 용접하는 제조공정이 추가되어 하므로 시간 및 비용이 더욱 소모되어 생산성 및 경제성이 떨어지는 문제도 있다.

이에, 스틸 재질, GMT(glass mat thermoplastic) 재질 또는 장섬유강화 열가소성 수지 재질의 단일 재질을 사용하여 시트백 프레임을 제조하였으나, 외부 충격에 대하여 충분한 강성 및 강도를 갖지 못해 두께를 두껍게 형성해야 하며 프레스 성형에 의해 제조되어 디자인의 자유도가 매우 낮았다.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0125577호(2014.10.29. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법이 기재되어 있다.

본 발명의 목적은 높은 수준의 강성 및 충격 강도를 확보할 수 있으면서도 우수한 성형성의 확보로 복잡한 형상으로 성형하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 결합력을 향상시킬 수 있는 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임은 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재가 첨가된 제1 섬유수지 복합재로 이루어지며, 프레스 성형으로 형성된 내장 프레임; 및 제2 장섬유 및 제3 열가소성 수지를 포함하는 제2 섬유수지 복합재로 이루어지며, 상기 내장 프레임의 외측을 덮도록 인서트 사출 성형된 외장 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임 제조 방법은 (a) 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 프레스 성형으로 성형하여 내장 프레임을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 내장 프레임의 외측을 덮도록 제2 장섬유 및 제3 열가소성 수지를 포함하는 제2 섬유수지 복합재를 인서트 사출 성형하여 외장 프레임을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법은 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 프레스 성형을 실시하는 것에 의해 내장 프레임이 형성되므로, 높은 수준의 강성 및 충격 강도를 확보할 수 있으면서도 장섬유 복합재의 첨가를 통해 우수한 성형성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법은 내장 프레임의 외측을 덮는 외장 프레임 역시 장섬유강화 열가소성 수지로 이루어진 제2 섬유수지 복합재를 이용한 인서트 사출 성형에 의해 형성되므로, 복잡한 형상으로 성형하는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 내장 프레임의 제1 장섬유와 외장 프레임의 제2 장섬유가 동종 재질로 이루어짐에 따라, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 결합력을 개선할 수 있게 된다.

이 결과, 본 발명에 따른 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법의 경우, 내장 프레임은 150 ~ 400MPa의 인장강도 및 170 ~ 300MPa의 굽힘강도를 갖고, 외장 프레임은 100 ~ 120MPa의 인장강도 및 100 ~ 200MPa의 굽힘강도를 가지며, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 계면 결합력은 2.2 ~ 3.0kN를 갖는바, 적정 수준의 인장강도 및 굽힘강도를 가지면서, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 계면 결합력을 향상시킬 수 있게 된다.

이에 더불어, 본 발명에 따른 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법은 인서트 사출 성형에 의해 외장 프레임의 내부에 내장 프레임이 삽입되는 일체형으로 제작되므로, 내장 및 외장 프레임을 각각 독립적으로 제조한 후 상호 간을 부착하는 공정이 생략되므로 시간 및 비용을 더욱 절감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임을 나타낸 측 단면도.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임 제조 방법을 나타낸 공정 모식도.
도 6은 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1에 따른 시편의 계면 결합력을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 자동차용 시트백 프레임은 스틸 재질을 사용하여 프레스 성형하거나 또는, 열가소성 수지 재질 중에서 유리섬유매트 열가소성 수지 재질 또는 장섬유강화 열가소성 수지 재질을 사용하여 프레스 성형에 의해 단일 재질로 제조하고 있다.

이와 같이, 단일 재질로 형성하는 경우 차량의 충돌 등에 의한 외부 충격이 가해졌을 때 변형 또는 파손이 현저히 발생하여 착석자의 안전에 큰 위험을 초래하는 문제가 있다. 또한, 스틸 재질을 사용하여 프레스 성형하는 경우에는 시트백 프레임의 두께를 거의 일정하게 형성해야 하고 두꺼워지거나 얇아지는 등 가변적으로 형성할 수 없고, 다양한 외관을 형성하기 어려워 디자인의 자유도가 떨어졌다.

이를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임은 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 프레스 성형을 실시하는 것에 의해 내장 프레임을 제작한 후, 제2 장섬유 및 제3 열가소성 수지를 포함하는 제2 섬유수지 복합재를 이용하여 인서트 사출 성형을 실시하는 것을 통해 외장 프레임을 제작함으로써, 우수한 강성 및 충격 강도를 구현하여 안정성을 더욱 향상시키면서도 내장 프레임과 외장 프레임 간의 결합력을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 외장 프레임을 인서트 사출 성형을 통해 성형하는 것에 의해 성형성을 향상시켜 다양한 외관 표현이 가능하도록 하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임(100)은 내장 프레임(120) 및 외장 프레임(140)을 포함한다.

내장 프레임(120)은 연속섬유 복합재에 장섬유 복합재가 첨가된 제1 섬유수지 복합재로 이루어진다. 이때, 연속섬유 복합재는 강화용 연속섬유(122) 및 제1 열가소성 수지(124)를 포함하고, 장섬유 복합재는 제1 장섬유(126) 및 제2 열가소성 수지(128)를 포함한다.

이때, 연속섬유 복합재는 내장 프레임(120) 내에서 끊김 없이 연속적으로 배치되는 강화용 연속섬유(122)를 30 ~ 70 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 55 ~ 65 중량%를 제시할 수 있다. 이때, 상기 범위 내의 함량비로 강화용 연속섬유(122)를 포함함으로써 적절한 비용으로 높은 수준의 강성 및 충격 강도를 구현하여 외부 충격으로부터 차량 탑승자를 충분히 보호할 수 있으면서도, 연속섬유 복합재의 유동성을 적절히 조절하여 프레스 성형을 더욱 용이하게 할 수 있다. 또한, 내장 프레임(120)의 중량을 적절히 낮은 수준으로 구현하여 차량의 구동성능 및 연비 효율의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 연속섬유 복합재는 제1 열경화성 수지(124)를 30 ~ 50 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 35 ~ 45 중량%를 제시할 수 있다. 제1 열가소성 수지(124)를 상기의 범위 내의 함량으로 포함함으로써 연속섬유 복합재의 유동성을 적절히 조절하여 프레스 성형을 더욱 용이하게 하면서 프레스 성형에 의해 소정의 형상을 충분히 구현할 수 있다.

한편, 장섬유 복합재는 섬유 길이가 2 ~ 100mm인 제1 장섬유(126)를 15 ~ 50 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 25 ~ 35 중량%를 제시할 수 있다. 이때, 상기 범위 내의 함량비로 제1 장섬유(126)를 포함함으로써, 내장 프레임(120)에 적절한 수준의 강성 및 충격 강도를 부여할 수 있으면서도 내장 프레임(120)의 유동성을 적절히 조절하여 프레스 성형성을 더욱 용이하게 할 수 있다.

또한, 장섬유 복합재는 제2 열가소성 수지(128)를 50 ~ 80 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 65 ~ 75 중량%를 제시할 수 있다. 이때, 상기 범위 내의 함량비로 제2 열가소성 수지(128)를 포함함으로써 제1 섬유수지 복합재의 유동성을 적절히 조절하여 프레스 성형을 더욱 용이하게 구현할 수 있다.

이와 같이, 내장 프레임(120)은 강도 및 강성을 개선하기 위해 강화용 연속섬유(122) 및 제1 열가소성 수지(124)로 이루어진 연속섬유강화 열가소성 수지(continuous fiber reinforced thermoplastic, CFT)에 성형성 향상 및 후술하는 외장 프레임(140)과의 결합력 향상을 위해 제1 장섬유(126) 및 제2 열가소성 수지(128)를 포함하는 장섬유 복합재가 첨가된 제1 섬유수지 복합재로 이루어진다.

일반적으로, 스틸 재질을 사용하여 프레스 성형으로 성형할 경우, 높은 압력 조건 하에서 수행되므로 성형물의 구조적 강성이 향상될 수 있으나, 다양한 외관을 형성하기 어려워 디자인의 자유도가 떨어졌다.

또한, 연속섬유강화 열가소성 수지는 장섬유강화 열가소성 수지에 비하여 외부 충격을 효과적으로 흡수하여 강성 및 충격 강도가 더욱 높지만, 유동성이 낮아 프레스 성형을 하는 경우 표면이 균일하게 형성되기 어려울 뿐만 아니라, 장섬유강화 열가소성 수지와의 결합력이 약하여 장 기간의 사용시 외부 충격에 취약할 수 밖에 없었다.

이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임(100)은 강화용 연속섬유(122) 및 제1 열가소성 수지(124)를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유(126) 및 제2 열가소성 수지(128)를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가하는 것에 의해, 연속섬유강화 열가소성 수지의 취약점인 프레스 성형성과 더불어 후술하는 외장 프레임(140)과의 결합력을 개선하였다.

특히, 장섬유 복합재는 연속섬유 복합재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 40 중량부의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 장섬유 복합재의 첨가량이 연속섬유 복합재 100 중량부에 대하여, 10 중량부 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미한 관계로 내장 프레임(120)의 프레스 성형성 향상 효과가 미미할 뿐만 아니라, 외장 프레임(140)과의 적정 수준의 결합력 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 장섬유 복합재의 첨가량이 연속섬유 복합재 100 중량부에 대하여, 40 중량부를 초과할 경우에는 프레스 성형시 유동성이 좋은 제1 장섬유(126)가 성형 과정에서 강화용 연속섬유를 끌고 가는 현상을 발생시켜 설계와 상이한 형상을 가짐에 따라 불량율을 증가시키는 문제를 초래할 수 있다.

외장 프레임(140)은 제2 장섬유(142) 및 제3 열가소성 수지(144)를 포함하는 제2 섬유수지 복합재로 이루어지며, 내장 프레임(120)의 외측을 덮도록 인서트 사출 성형된다.

제2 섬유수지 복합재는 섬유 길이가 2 ~ 100mm인 제2 장섬유(142)를 15 ~ 50 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 25 ~ 35 중량%를 제시할 수 있다. 이때, 상기 범위 내의 함량비로 제2 장섬유(142)를 포함함으로써 외장 프레임(140)에 적절한 수준의 강성 및 충격 강도를 부여할 수 있으면서도 제2 섬유수지 복합재의 유동성을 적절히 조절하여 사출 성형을 보다 용이하게 할 수 있다.

또한, 제2 섬유수지 복합재는 제3 열가소성 수지(144)를 50 ~ 80 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 65 ~ 75 중량%를 제시할 수 있다. 이때, 상기 범위 내의 함량비로 제3 열가소성 수지(144)를 포함함으로써 제2 섬유수지 복합재의 유동성을 적절히 조절하여 사출 성형을 더욱 용이하게 하면서 구현하고자 하는 시트백 프레임(100)의 형상을 충분히 구현할 수 있다. 이때, 시트백 프레임(100)의 형상은 발명의 목적 및 기능에 따라 다양하게 구현될 수 있고, 특별히 제한되지 아니한다.

이와 같이, 외장 프레임(140)은 제2 장섬유(142) 및 제3 열가소성 수지(144)로 조성된 제2 섬유수지 복합재, 즉 장섬유강화 열가소성 수지(long fiber reinforced thermoplastic, LFT)로 이루어지므로, 인서트 사출 성형을 실시하는 것을 통해 복합한 형상으로 성형하는 것이 가능해질 수 있다.

이때, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임(100)은 강화용 연속섬유(122) 및 제1 열가소성 수지(124)를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유(126) 및 제2 열가소성 수지(128)를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 프레스 성형을 실시하는 것을 통해 내장 프레임(120)이 형성되므로, 높은 수준의 강성 및 충격 강도를 확보할 수 있으면서도 장섬유 복합재의 첨가를 통해 우수한 성형성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임(100)은 내장 프레임(120)의 외측을 덮는 외장 프레임(140) 역시 장섬유강화 열가소성 수지로 이루어진 제2 섬유수지 복합재를 이용한 인서트 사출 성형에 의해 형성되므로, 복잡한 형상으로 성형하는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 내장 프레임(120)의 제1 장섬유(126)와 외장 프레임(140)의 제2 장섬유(142)가 동종 재질로 이루어짐에 따라, 내장 프레임(120)과 외장 프레임(140) 간의 계면 결합력을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 인서트 사출 성형에 의해 외장 프레임(140)의 내부에 내장 프레임(120)이 삽입되는 형태로 시트백 프레임(100)을 일체로 제작할 수 있으므로, 내장 및 외장 프레임(120, 140)을 각각 독립적으로 제조한 후 상호 간을 부착하는 공정이 생략되므로 시간 및 비용을 더욱 절감할 수 있게 된다.

이때, 내장 프레임(120)의 제1 및 제2 열가소성 수지(122, 128)와, 외장 프레임(140)의 제3 열가소성 수지(144) 각각은 폴리프로필렌 수지, 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리페닐렌설파이드 수지 중 선택된 1종 이상의 재질이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 내장 프레임(120)의 강화용 연속섬유(122) 및 제1 장섬유(126)와 외장 프레임(140)의 제2 장섬유(142)는 각각 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 폴리아미드 섬유 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이때, 강화용 연속섬유(122)의 길이는 10 ~ 500cm를 갖는 것이 바람직하며, 상기 범위 내의 길이를 가짐으로써 내장 프레임(120)이 높은 수준의 강성 및 충격 강도를 구현할 수 있다.

제1 및 제2 장섬유(126, 142)는 각각 2 ~ 100mm의 길이를 갖는 것이 바람직하며, 상기의 범위 내의 길이를 가짐으로써 내장 프레임(120) 및 외장 프레임(140)에 각각 적절한 수준의 강성 및 충격 강도를 부여함과 동시에 프레스 성형 및 인서트 사출 성형시 성형성을 향상시켜 복잡한 형상으로의 성형이 가능해질 수 있다.

전술한 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임은 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 프레스 성형을 실시하는 것에 의해 내장 프레임이 형성되므로, 높은 수준의 강성 및 충격 강도를 확보할 수 있으면서도 장섬유 복합재의 첨가를 통해 우수한 성형성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임은 내장 프레임의 외측을 덮는 외장 프레임 역시 장섬유강화 열가소성 수지로 이루어진 제2 섬유수지 복합재를 이용한 인서트 사출 성형에 의해 형성되므로, 복잡한 형상으로 성형하는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 내장 프레임의 제1 장섬유와 외장 프레임의 제2 장섬유가 동종 재질로 이루어짐에 따라, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 결합력을 개선할 수 있게 된다.

이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임의 경우, 내장 프레임은 150 ~ 400MPa의 인장강도 및 170 ~ 300MPa의 굽힘강도를 갖고, 외장 프레임은 100 ~ 120MPa의 인장강도 및 100 ~ 200MPa의 굽힘강도를 가지며, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 계면 결합력은 내장 프레임과 외장 프레임 간의 계면 결합력은 2.2 ~ 3.0kN를 갖는바, 적정 수준의 인장강도 및 굽힘강도를 가지면서, 내장 프레임과 외장 프레임 간의 계면 결합력을 향상시킬 수 있게 된다.

이에 더불어, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임은 인서트 사출 성형에 의해 외장 프레임의 내부에 내장 프레임이 삽입되는 일체형으로 제작되므로, 내장 및 외장 프레임을 각각 독립적으로 제조한 후 상호 간을 부착하는 공정이 생략되므로 시간 및 비용을 더욱 절감할 수 있게 된다.

자동차용 시트백 프레임 제조 방법

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임 제조 방법을 나타낸 공정 모식도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 시트백 프레임 제조 방법은 프레스 성형으로 내장 프레임 형성 단계(S210) 및 인서트 사출 성형으로 외장 프레임 형성 단계(S220)를 포함한다.

프레스 성형으로 내장 프레임 형성

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 프레스 성형으로 내장 프레임 형성 단계(S210)에서는 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 프레스 성형으로 성형하여 내장 프레임(120)을 형성한다.

이와 같이, 내장 프레임(120)은 강도 및 강성을 개선하기 위해 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지로 이루어진 연속섬유강화 열가소성 수지(continuous fiber reinforced thermoplastic, CFT)에 성형성 향상 및 후술하는 외장 프레임과의 결합력 향상을 위해 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재가 첨가된 제1 섬유수지 복합재로 이루어진다.

이에 따라, 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지로 이루어진 연속섬유강화 열가소성 수지에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가하는 것에 의해, 연속섬유강화 열가소성 수지의 취약점인 프레스 성형성과 더불어 후술하는 외장 프레임과의 결합력을 개선할 수 있게 된다.

이때, 프레스 성형은 40 ~ 60℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기의 범위 내의 온도에서 수행됨으로써 제1 섬유수지 복합재의 프레스 가공성을 적절히 조절하여 구현하고자 하는 소정의 형상을 용이하게 형성할 수 있으면서 프레스 금형에 들러붙는 현상을 방지하여 원료 손실률을 저감시킬 수 있다.

또한, 프레스 성형은 100,000 ~ 300,000kgf/cm2의 압력 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 상기의 범위 내의 압력 하에서 프레스 성형을 실시하는 것에 의해, 내장 프레임의 소정의 형상을 충분히 견고하게 구현하여 구조적 강성을 더욱 향상시켜 우수한 강성 및 충격 강도를 부여할 수 있음과 더불어, 우수한 성형성을 확보할 수 있다.

인서트 사출 성형으로 외장 프레임 형성

도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 인서트 사출 성형으로 외장 프레임 형성 단계(S220)에서는 내장 프레임의 외측을 덮도록 제2 장섬유 및 제3 열가소성 수지를 포함하는 제2 섬유수지 복합재를 인서트 사출 성형하여 외장 프레임을 형성한다.

이와 같이, 외장 프레임은 제2 장섬유 및 제2 열가소성 수지로 조성된 제2 섬유수지 복합재, 즉 장섬유강화 열가소성 수지(long fiber reinforced thermoplastic, LFT)로 이루어지므로, 인서트 사출 성형을 통해 복합한 형상으로 성형하는 것이 가능해질 수 있다.

이때, 인서트 사출 성형은 50,000 ~ 300,000kgf/cm2의 압력 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 상기의 범위 내의 압력 하에서 인서트 사출 성형이 실시됨으로써 외장 프레임의 형상을 충분히 견고하게 형성하면서도 내장 프레임의 형상을 변형시키지 않아 인서트 사출 성형 이후에도 구조적 강성을 높은 수준으로 유지할 수 있게 된다.

또한, 인서트 사출 성형은 80 ~ 140℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 인서트 사출 성형 온도가 80℃ 미만일 경우에는 인서트 사출 성형 과정시 내장 프레임과 외장 프레임 간의 충분한 결합력을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 인서트 사출 성형 온도가 140℃를 초과할 경우에는 유동성이 좋은 제1 및 제2 장섬유가 성형 과정에서 강화용 연속섬유를 끌고 가는 현상을 발생시켜 설계와 상이한 형상을 가짐에 따라 불량율을 증가시키는 문제를 초래할 수 있다.

본 단계에서, 인서트 사출 성형에 의해 내장 프레임 및 외장 프레임을 일체형으로 제조할 수 있다. 이와 같이, 인서트 사출 성형에 의해 외장 프레임의 내부에 내장 프레임이 삽입되는 일체형으로 제작할 경우, 내장 및 외장 프레임을 각각 용접하거나 결합하는 공정이 생략되어 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 시편 제조

실시예 1

연속 유리섬유(continuous glass fiber, GF) 60wt% 및 폴리프로필렌수지 40 중량%를 포함하는 연속섬유 복합재 75g에 장 유리섬유(long glass fiber, GF) 25wt% 및 폴리프로필렌수지 75wt%를 포함하는 장섬유 복합재 17g을 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 50℃ 및 200,000kgf/cm2의 조건 하에서 프레스 성형하여 내장 프레임을 제조하였다.

다음으로, 유리섬유(long glass fiber, GF) 30wt% 및 폴리프로필렌수지 70wt%를 포함하는 제2 섬유수지 복합재 40g을 100℃ 및 100,000kgf/cm2의 조건 하에서 인서트 사출 성형하여 T자 형상의 외장 프레임을 제조하였다.

다음으로, 내장 프레임 상에 수직 방향으로 T자 형상의 외장 프레임을 접합시켜 시트백 프레임 시편을 제조하였다.

실시예 2

장 유리섬유(long glass fiber, GF) 30wt% 및 폴리프로필렌수지 70wt%를 포함하는 장섬유 복합재 27g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시트백 프레임 시편을 제조하였다.

실시예 3

장 유리섬유(long glass fiber, GF) 35wt% 및 폴리프로필렌수지 65wt%를 포함하는 장섬유 복합재 36g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시트백 프레임 시편을 제조하였다.

실시예 4

연속 유리섬유(continuous glass fiber, GF) 60wt% 및 폴리프로필렌수지 40 중량%를 포함하는 연속섬유 복합재 75g에 장 유리섬유(long glass fiber, GF) 25wt% 및 폴리프로필렌수지 75wt%를 포함하는 장섬유 복합재 27g을 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 50℃ 및 200,000kgf/cm2의 조건 하에서 프레스 성형하여 내장 프레임을 제조하였다.

다음으로, 유리섬유(long glass fiber, GF) 25wt% 및 폴리프로필렌수지 75wt%를 포함하는 제2 섬유수지 복합재 25g을 100℃ 및 100,000kgf/cm2의 조건 하에서 인서트 사출 성형하여 T자 형상의 외장 프레임을 제조하였다.

다음으로, 내장 프레임 상에 수직 방향으로 T자 형상의 외장 프레임을 접합시켜 시트백 프레임 시편을 제조하였다.

실시예 5

유리섬유(long glass fiber, GF) 35wt% 및 폴리프로필렌수지 65wt%를 포함하는 제2 섬유수지 복합재 55g을 이용한 것을 제외하고는 실시예 4과 동일한 방법으로 시트백 프레임 시편을 제조하였다.

실시예 6

유리섬유(long glass fiber, GF) 40wt% 및 폴리프로필렌수지 60wt%를 포함하는 제2 섬유수지 복합재 70g을 이용한 것을 제외하고는 실시예 4과 동일한 방법으로 시트백 프레임 시편을 제조하였다.

비교예 1

연속 유리섬유(continuous glass fiber, GF) 60wt% 및 폴리프로필렌수지 40 중량%를 포함하는 연속섬유 복합재 75g을 50℃ 및 200,000kgf/cm2의 조건 하에서 프레스 성형하여 내장 프레임을 제조하였다.

다음으로, 유리섬유(long glass fiber, GF) 30wt% 및 폴리프로필렌수지 70wt%를 포함하는 장섬유 복합재 40g을 100℃ 및 100,000kgf/cm2의 조건 하에서 인서트 사출 성형하여 외장 프레임을 제조하였다.

2. 계면 결합력 측정

표 1은 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1에 따른 시편들에 대한 계면 결합력 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 6은 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1에 따른 시편의 계면 결합력을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

1) 실험 값 측정

PULL-OFF 실험을 통해 이종 재질의 내장 프레임과 외장 프레임 간의 계면 결합력을 측정하였다.

2) 시험 방법

도 6에 도시된 바와 같이, 내장 프레임(120) 상에 수직 방향으로 T자 형상의 외장 프레임(140)을 접합시킨 시트백 프레임 시편의 내장 프레임(120)에 4개의 홀(H)을 형성하였다. 다음으로, 4개의 홀(H)에 체결 나사(미도시)를 박아 내장 프레임(120)을 고정시킨 후, 외장 프레임(140)을 위로 잡아 당겨 내장 프레임(120)과 외장 프레임(140)의 계면 결합력을 측정하였다. 이때, T자 형상의 외장 프레임(140)은 내장 프레임(120)과 접합되는 면적이 10 ⅹ 50mm으로 설계된 것을 이용하였다.

[표 1]

Figure pat00001

표 1에 도시된 바와 같이, 연속섬유 복합재에 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 이용하여 내장 프레임을 제조한 실시예 1 ~ 6에 따른 시편들의 경우, 연속섬유 복합재만을 이용하여 내장 프레임을 제조한 비교예 1에 따른 시편에 비하여 계면 결합력이 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.

이때, 실시예 1 ~ 6에 따른 시편에서와 같이, 제1 장섬유 또는 제2 장섬유의 첨가량이 증가할수록 계면 결합력이 증가하는 것으로 측정되었으며, 시편 중량 역시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 섬유수지 복합재 중 제1 및 제2 장섬유가 각각 30wt%로 첨가된 실시예 2의 경우가 시편 중량이 142g으로 가벼우면서도 계면 결합력이 2.6kN으로 최적의 값을 나타내는 것을 확인하였다.

3. 인장강도 및 굽힘강도 측정

표 2는 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2에 따른 시편들에 대한 인장강도 및 굽힘강도 측정 결과를 나타낸 것이다.

1) 인장강도

ASTM D638에 의거하여 측정하였다.

2) 굽힘강도

ASTM D790에 의거하여 측정하였다.

[표 2]

Figure pat00002

표 2에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 6에 따른 시편들의 경우, 내장 프레임 및 외장 프레임의 인장강도 및 굽힘강도가 목표값을 모두 만족하는 것을 확인하였다.

반면, 비교예 1에 따른 시편의 경우, 외장 프레임은 실시예 1과 동일한 인장강도 및 굽힘강도를 가지나, 내장 프레임은 실시예 1에 비하여 상당히 높은 값으로 측정된 것을 알 수 있으며, 이로 인해 성형성 확보에 어려움이 있다는 것을 확인하였다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

100 : 자동차용 시트백 프레임 120 : 내장 프레임
122 : 강화용 연속섬유 124 : 제1 열가소성 수지
126 : 제1 장섬유 128 : 제2 열가소성 수지
140 : 외장 프레임 142 : 제2 장섬유
144 : 제3 열가소성 수지
S210 : 프레스 성형으로 내장 프레임 형성 단계
S220 : 인서트 사출 성형으로 외장 프레임 형성 단계

Claims (14)

  1. 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재가 첨가된 제1 섬유수지 복합재로 이루어지며, 프레스 성형으로 형성된 내장 프레임; 및
    제2 장섬유 및 제3 열가소성 수지를 포함하는 제2 섬유수지 복합재로 이루어지며, 상기 내장 프레임의 외측을 덮도록 인서트 사출 성형된 외장 프레임;
    을 포함하는 자동차용 시트백 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 열가소성 수지 각각은
    폴리프로필렌 수지, 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리페닐렌설파이드 수지 중 선택된 1종 이상을 포함하는 자동차용 시트백 프레임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강화용 연속섬유와 제1 및 제2 장섬유 각각은
    유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 폴리아미드 섬유 중 선택된 1종 이상을 포함하는 자동차용 시트백 프레임.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장섬유 복합재는
    상기 연속섬유 복합재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 40 중량부로 첨가된 자동차용 시트백 프레임.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강화용 연속섬유의 길이는
    10 ~ 500cm를 갖는 자동차용 시트백 프레임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 장섬유의 길이는 각각
    2 ~ 100mm를 갖는 자동차용 시트백 프레임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내장 프레임은
    150 ~ 400MPa의 인장강도 및 170 ~ 300MPa의 굽힘강도를 갖는 자동차용 시트백 프레임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외장 프레임은
    100 ~ 120MPa의 인장강도 및 100 ~ 200MPa의 굽힘강도를 갖는 자동차용 시트백 프레임.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 내장 프레임과 외장 프레임 간의 계면 결합력은
    2.2 ~ 3.0kN를 갖는 자동차용 시트백 프레임.
  10. (a) 강화용 연속섬유 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 연속섬유 복합재에 제1 장섬유 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 복합재를 첨가한 제1 섬유수지 복합재를 프레스 성형으로 성형하여 내장 프레임을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 내장 프레임의 외측을 덮도록 제2 장섬유 및 제3 열가소성 수지를 포함하는 제2 섬유수지 복합재를 인서트 사출 성형하여 외장 프레임을 형성하는 단계;
    를 포함하는 자동차용 시트백 프레임 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 프레스 성형은
    40 ~ 60℃에서 실시하는 자동차용 시트백 프레임 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프레스 성형은
    100,000 ~ 300,000kgf/cm2의 압력 조건으로 실시하는 자동차용 시트백 프레임 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 인서트 사출 성형은
    80 ~ 140℃에서 실시하는 자동차용 시트백 프레임 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 인서트 사출 성형은
    50,000 ~ 300,000kgf/cm2의 압력 조건으로 실시하는 자동차용 시트백 프레임 제조 방법.
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