KR20180044623A - 이종소재 접합 구조체 및 접합 방법 - Google Patents

이종소재 접합 구조체 및 접합 방법 Download PDF

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Abstract

이종소재 접합 구조체가 개시된다. 개시된 이종소재 접합 구조체는 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재 판재를 기계적인 접합 방식으로 접합한 것으로서, 셀프 피어싱 리벳이 서로 겹쳐진 스틸소재의 판재와 플라스틱 복합소재의 판재를 순차적으로 관통하며 그 관통 단이 별도로 구비된 금속 블랭크에 압입된 구조로 이루어질 수 있다.

Description

이종소재 접합 구조체 및 접합 방법 {ADHERING STRUCTURE AND METHOD OF DIFFERENT KINDS MATERIALS}
본 발명의 실시 예는 이종소재 접합장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재를 기계적인 접합 방식으로 접합한 이종소재 접합 구조체 및 그 이종소재를 접합하는 방법에 관한 것이다.
최근에는 차체의 고강도 경량화 추세에 따라 차체 소재로서, 초고장력강 등과 같은 강판, 알루미늄 또는 마그네슘 등과 같은 비철 금속판재, 이 뿐만 아니라 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic), 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS) 등과 같은 플라스틱 복합소재의 판재를 적용하는 사례가 빈번해 졌다.
여기서, 플라스틱 복합소재는 강도, 탄성률, 경량성, 안정성이 우수하기 때문에, 항공 분야나 자동차 분야에서 주요한 재료 중 하나로 각광받고 있으며, 당 업계에서는 플라스틱 복합소재의 향후 사용이 더욱 확대되고, 제조량 또한 비약적으로 증가될 것으로 기대하고 있다.
플라스틱 복합소재는 플라스틱 수지류에 섬유소재를 함침하여 경화시킨 것으로, 예를 들면 섬유소재를 와인딩 모양이나 직물 모양으로 제조한 후, 그 섬유소재를 플라스틱 수지류에 함침하여 경화시킴으로써 제조될 수 있다.
즉, 플라스틱 수지류는 경도가 우수한 반면 인장강도가 약해 쉽게 끊어지고, 섬유소재는 인장강도가 높지만 굽힘 반발력이 없기 때문에, 플라스틱 복합소재는 이들 플라스틱 수지류와 탄소섬유를 결합하여 제조될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 플라스틱 복합소재를 판재로서 제조하고 그 플라스틱 복합판재를 차체에 적용하기 위해서는 플라스틱 복합판재와 스틸판재의 접합이 가능해야 하는데, 두 소재의 물성적 특성에 의해 레이저 용접이나 스폿 용접은 불가능하다.
이에 당 업계에서는 구조용 접착제를 이용한 본딩 방식이나 체결부품을 이용한 기계적인 접합 방식의 매우 제한적인 접합 방식으로서 이종소재의 플라스틱 복합판재와 스틸판재를 접합하고 있는 실정이다.
그러나, 구조용 접착제를 이용한 본딩 방식에서는 열 경화성 접착제를 사용하는 경우를 예로 들 수 있는데, 이 경우는 접착제 경화 시의 열 변형으로 인해 플라스틱 복합판재의 뒤틀림 변형이 발생할 수 있다. 또한, 구조용 접착제를 이용한 본딩 방식에서 상온 경화 접착제를 사용하기도 하나 이 경우는 최소 1일 이상의 접착제 경화 시간을 필요로 하기 때문에, 공정 상의 사이클 타임 면에서 불리하다.
한편, 블라인드 리벳 등과 같은 체결부품을 이용한 기계적인 접합 방식에서는 플라스틱 복합판재에 프리홀을 가공하는 등의 공정 상 번거로움이 있으며, 수밀이나 부식에 취약하고, 플라스틱 복합판재의 접합 부위 크랙으로 국부적인 취성이 발생할 수 있다.
상기와 같은 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 셀프 피어싱 리벳과 금속 블랭크를 활용하여 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재 판재를 기계적인 접합 방식으로 접합한 이종소재 접합 구조체 및 접합 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체는, 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재 판재를 기계적인 접합 방식으로 접합한 것으로서, 셀프 피어싱 리벳이 서로 겹쳐진 스틸소재의 판재와 플라스틱 복합소재의 판재를 순차적으로 관통하며 그 관통 단이 별도로 구비된 금속 블랭크에 압입된 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 셀프 피어싱 리벳은 상기 스틸소재 판재의 표면을 지지하는 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되고, 상기 스틸소재의 판재와 플라스틱 복합소재의 판재를 순차적으로 관통하며 상기 금속 블랭크에 인터록 되는 속이 빈 형태의 섕크부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 금속 블랭크는 원형 혹은 다각형의 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 금속 블랭크는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 플라스틱 복합판재는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재로 이루어질 수 있다.
상기 스틸소재의 판재는 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 방법은, 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재 판재를 접합하는 것으로서, 셀프 피어싱 리벳 장치의 다이 상에 금속 블랭크, 플라스틱 복합소재의 판재 및 스틸소재의 판재를 순차적으로 셋팅하고, 상기 셀프 피어싱 리벳 장치의 펀치를 통해 셀프 피어싱 리벳에 가압력을 인가하여 상기 셀프 피어싱 리벳의 섕크부를 상기 스틸소재의 판재와 플라스틱 복합소재의 판재에 순차적으로 관통시키며, 상기 섕크부의 관통 단을 상기 금속 블랭크에 압입하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 방법은, 상기 셀프 피어싱 리벳의 헤드부가 상기 스틸소재 판재의 상면을 지지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 방법은, 상기 금속 블랭크로서 알루미늄 블랭크를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 셀프 피어싱 리벳과 금속 블랭크를 활용하여 스틸소재의 스틸판재와 플라스틱 복합소재의 복합판재를 기계적인 접합 방식으로 이종 접합할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 복합판재에 프리홀을 가공하지 않고서도 셀프 피어싱 리벳과 금속 블랭크를 통하여 플라스틱 복합소재 및 스틸소재의 이종소재 판재를 기계적인 접합 방식으로 접합할 수 있으므로, 전체적인 이종소재 접합 공정을 단순화시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 금속 블랭크가 스틸판재와의 사이에 복합판재를 두고 그 복합판재의 셀프 피어싱 리벳 접합 부위를 지지하므로, 수밀이나 부식에 강하고, 복합판재의 접합 부위 크랙이 발생하지 않는 고품질의 이종소재 접합 제품을 확보할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체를 도시한 단면 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체를 도시한 단면 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체(100)는 차체의 경량화를 도모하기 위해 이종소재의 판재(1, 2)가 기계적인 접합 방식으로 접합된 접합체로서, 예를 들면 차체 패널과 같은 차체 조립용 부품으로 구성될 수 있다.
이러한 이종소재의 접합 구조체(100)는 상기한 바와 같이 차체용 패널에 적용되는 것으로 한정되지 않고, 차체용 멤버 및 차체 프레임 등과 같은 각종 차체 구조물에 적용될 수도 있다.
더 나아가, 본 발명의 보호범위가 차체 조립용 부품의 이종소재 접합체에 반드시 한정되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 다양한 종류 및 용도의 구조물에 채용되는 이종소재의 접합체라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
여기서, 이종소재의 판재(1, 2)는 스틸소재의 판재(1)(이하에서는 편의 상 "스틸판재" 라고 한다)와, 플라스틱 복합소재의 판재(2)(이하에서는 편의 상 "복합판재" 라고 한다)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 스틸판재(1)는 일반적인 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판 등과 같은 스틸소재의 금속판재를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복합판재(2)는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 판재를 포함할 수 있으며, 더 나아가서는 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic) 판재를 포함할 수도 있다.
상기 복합판재(2)는 플라스틱 수지류에 섬유소재(예를 들면, 탄소섬유)를 함침한 다수 매의 소재 레이어들을 적층하고 그 플라스틱 수지류를 경화하여 제작된 판재로 구비될 수 있다.
이러한 복합판재(2)는 섬유소재를 강화재로 하며, 고강도고탄성의 경량 구조재서 주목받고 있는 첨단 복합 재료이고, 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성을 갖고 있다. 그리고, 상기 복합판재(2)는 스틸 소재 대비 강도 및 탄성율이 우수하고 반복 피로에 뛰어나며, 열팽창 계수가 작기 때문에 치수 안정성이 뛰어나고, 전기 전도성, 내식성, 진동 감쇠 성능이 우수한 특성도 있다.
이하에서는 도면을 기준(상하 기준)으로 할 때 스틸판재(1)를 복합판재(2)의 상면에 겹쳐 놓은 상태로 그 스틸판재(1)와 복합판재(2)를 기계적인 접합 방식으로 접합하는 예를 설명하기로 한다.
그러나, 상기와 같은 방향의 정의는 상대적인 의미로서, 스틸판재(1)와 복합판재(2)의 기준 위치 및 접합장치의 접합 방향 등에 따라서 그 방향이 달라질 수 있으므로, 상기한 방향이 본 실시 예의 기준 방향으로 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시 예는 셀프 피어싱 리벳(10)과 금속 블랭크(30)를 활용하여 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재 판재(1, 2)를 기계적인 접합 방식으로 접합한 이종소재 접합 구조체(100)를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체(100)는 셀프 피어싱 리벳(10)이 서로 겹쳐진 스틸판재(1)와 복합판재(2)를 순차적으로 관통하며 그 관통 단이 별도로 구비된 금속 블랭크(30)에 압입된 구조로 이루어진다.
상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 헤드부(11)와, 그 헤드부(11)에 일체로 연결되며 속이 빈 중공 축 타입으로 구비되는 섕크부(13)를 포함한다. 상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 스틸 소재의 표면에 알루미늄 도금(ALMAC) 또는 아연도금(ZnNi)의 도금층을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 다이(die) 상으로 순차적으로 지지된 금속 블랭크(30), 복합판재(2) 및 스틸판재(1)에 대해 소정의 펀칭 가압력에 의해 스틸판재(1) 및 복합판재(2)를 순차적으로 관통하며 그 관통 단이 금속 블랭크(30)에 압입되며 인터록 될 수 있다.
이에 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)는 펀칭 가압력을 인가받는 부분으로, 스틸판재(1)의 표면(상면)을 지지한다. 그리고 상기 섕크부(13)는 스틸판재(1) 및 복합판재(2)를 순차적으로 관통하며 그 관통 단이 금속 블랭크(30)에 압입되며 인터록 된다. 이때 상기 섕크부(13)는 다이를 통해 외측 방향으로 소성 변형되면서 금속 블랭크(30)에 인터록 될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 금속 블랭크(30)는 스틸판재(1) 및 복합판재(2)를 관통한 섕크부(13)가 소성 변형되며 압입/인터록 되는 엘리먼트로서, 스틸판재(1)와의 사이에 복합판재(2)를 두고 그 복합판재(2)의 접합 부위(섕크부의 관통 부위)를 지지하는 기능을 하게 된다.
즉, 상기 금속 블랭크(30)는 복합판재(2)를 사이에 두고 셀프 피어싱 리벳(10)을 통해 스틸판재(1)와 결합되며, 그 스틸판재(1)와 복합판재(2)를 기계적인 접합 방식으로 접합할 수 있다.
이러한 금속 블랭크(30)는 섕크부(13)의 용이한 압입 및 인터록을 위해 알루미늄 소재로 이루어지며, 예를 들면, 알루미늄 소재의 판재에서 블랭킹 된 원형, 타원형, 및 다각형의 형상으로 구비될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 셀프 피어싱 리벳(10)은 스틸소재 표면에 알루미늄 도금(ALMAC) 또는 아연도금(ZnNi)을 코팅하고 있기 때문에, 서로 다른 소재 즉, 스틸소재의 셀프 피어싱 리벳(10)과 알루미늄 소재의 금속 블랭크(30)의 압입 결합에 따른 갈바닉 부식을 방지할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체(100)를 제조하기 위한 이종소재 접합 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 셀프 피어싱 리벳(10)을 리벳팅 하기 위한 셀프 피어싱 리벳 장치(101)를 제공한다. 상기 셀프 피어싱 리벳 장치(101)는 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)에 가압력을 인가하는 펀치(103)와, 그 펀치(103)의 가압력 및 접합 대상물을 지지하는 다이(105)(당 업계에서는 "엔빌" 이라고도 한다)를 포함하고 있다.
상기 펀치(103)는 셀프 피어싱 리벳(10)이 공급되는 부위로, 유압 또는 공압 실린더에 의해 상하 방향으로 이동되며 프레스 구동한다. 그리고, 상기 다이(105)는 펀치(103)로부터 셀프 피어싱 리벳(10)에 작용하는 가압력을 지지하는 엔빌 다이로 구비된다. 그리고 상기 다이(105)에는 성형 골(107)을 형성하고 있다.
이와 같이 상기 셀프 피어싱 리벳 장치(101)를 제공한 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 셀프 피어싱 리벳 장치(101)의 펀치(103)에 대응하는 다이(105) 상에 금속 블랭크(30), 복합판재(2) 및 스틸판재(1)를 순차적으로 셋팅한다.
그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 도 3에서와 같이, 셀프 피어싱 리벳 장치(101)의 펀치(103)를 통해 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11) 상면에 가압력을 인가하는데, 그 상면에 수직한 방향으로 펀치(103)의 가압력을 인가한다.
이에 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 섕크부(13)는 펀치(103)의 가압력에 의해 스틸판재(1) 및 복합판재(2)를 순차적으로 관통하며, 금속 블랭크(30)에 압입되고, 다이(105)의 성형 골(107)을 통해 외측 방향으로 소성 변형되면서 금속 블랭크(30)에 인터록 된다. 이 때, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)는 스틸판재(1)의 상면을 지지하며 외부로 노출된 상태에 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같이 셀프 피어싱 리벳(10)과 금속 블랭크(30)를 활용하여 스틸소재의 스틸판재(1)와 플라스틱 복합소재의 복합판재(2)를 기계적인 접합 방식으로 이종 접합할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시 예에서는 복합판재(2)에 프리홀을 가공하지 않고서도 셀프 피어싱 리벳(10) 및 금속 블랭크(30)를 통하여 플라스틱 복합소재 및 스틸소재의 이종소재 판재를 기계적인 접합 방식으로 접합할 수 있으므로, 전체적인 이종소재 접합 공정을 단순화시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 금속 블랭크(30)가 스틸판재(1)와의 사이에 복합판재(2)를 두고 그 복합판재(2)의 셀프 피어싱 리벳 접합 부위를 지지하므로, 수밀이나 부식에 강하고, 복합판재(2)의 접합 부위 크랙이 발생하지 않는 고품질의 이종소재 접합 제품을 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
1... 스틸판재
2... 복합판재
10... 셀프 피어싱 리벳
11... 헤드부
13... 섕크부
30... 금속 블랭크
100... 이종소재 접합 구조체
101... 셀프 피어싱 리벳 장치
103... 펀치
105... 다이
107... 성형 골

Claims (9)

  1. 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재 판재를 기계적인 접합 방식으로 접합한 이종소재 접합 구조체로서,
    셀프 피어싱 리벳이 서로 겹쳐진 스틸소재의 판재와 플라스틱 복합소재의 판재를 순차적으로 관통하며 그 관통 단이 별도로 구비된 금속 블랭크에 압입된 구조로 이루어지는 이종소재 접합 구조체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 셀프 피어싱 리벳은,
    상기 스틸소재 판재의 표면을 지지하는 헤드부와,
    상기 헤드부에 일체로 연결되고, 상기 스틸소재의 판재와 플라스틱 복합소재의 판재를 순차적으로 관통하며 상기 금속 블랭크에 인터록 되는 속이 빈 형태의 섕크부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 블랭크는 원형 혹은 다각형의 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 블랭크는 알루미늄 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 복합판재는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 스틸소재의 판재는 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
  7. 플라스틱 복합소재와 스틸소재의 이종소재 판재를 접합하는 이종소재 접합 방법으로서,
    셀프 피어싱 리벳 장치의 다이 상에 금속 블랭크, 플라스틱 복합소재의 판재 및 스틸소재의 판재를 순차적으로 셋팅하고, 상기 셀프 피어싱 리벳 장치의 펀치를 통해 셀프 피어싱 리벳에 가압력을 인가하여 상기 셀프 피어싱 리벳의 섕크부를 상기 스틸소재의 판재와 플라스틱 복합소재의 판재에 순차적으로 관통시키며, 상기 섕크부의 관통 단을 상기 금속 블랭크에 압입하는 과정을 포함하는 이종소재 접합 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 셀프 피어싱 리벳의 헤드부가 상기 스틸소재 판재의 상면을 지지하는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 금속 블랭크로서 알루미늄 블랭크를 제공하는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 방법.
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