KR20180052144A - 복합재 차체부품 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

단부가 서로 연결되어 길이방향으로 연장된 방향이 변하는 굽힘부가 형성된 제1맨드릴과 제2맨드릴의 외측면이 감싸지도록 프리프레그를 적층하는 적층단계; 상기 제1맨드릴 및 상기 제2맨드릴에 적층되어 상기 굽힘부에 대응되는 형상의 굽힘구간이 형성된 상기 프리프레그를 성형하는 제1성형단계; 상기 프리프레그로부터 상기 굽힘구간에서 서로 멀어지는 방향으로 상기 제1맨드릴과 상기 제2맨드릴을 분리하는 제1분리단계; 상기 프리프레그의 끝단에 제3맨드릴을 연결하고, 상기 프리프레그와 상기 제3맨드릴의 외측면이 감싸지도록 강화섬유를 브레이딩하는 직조단계; 상기 프리프레그와 상기 제3맨드릴에 직조된 상기 강화섬유에 수지를 함침시켜 성형하는 제2성형단계; 및 상기 수지에 함침된 상기 강화섬유로부터 상기 제3맨드릴을 분리하는 제2분리단계;를 포함하는 복합재 차체부품 제조방법이 소개된다.

Description

복합재 차체부품 및 그 제조방법 {COMPOSITE VEHICLE BODY PARTS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 연장된 길이방향이 변하는 굽힘구간이 형성되며, 두께가 달리 형성되어 일정구간이 보강된 복합재 재질의 차체부품 제조방법에 관한 것이다.
차체를 구성하는 멤버의 내부에 배치되는 보강물이 스틸 재질로 이루어질 경우 보강물 자체의 중량에 의해 차량의 무게가 증가하여 연비가 악화되는 문제가 있었다. 이에 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질을 이용하여 보강물을 구성하였다. 연장된 길이방향이 변하는 부분이 존재하는 A필러와 같은 차체 멤버의 경우 복합재로 중공형의 보강물을 제조함에 있어서 맨드릴이 이용되었다.
기존의 경우 보강물에서 연장된 길이방향이 변하는 부분인 굽힘구간으로부터 상기와 같은 맨드릴을 분리해내기가 어려워 보강물 내에 맨드릴을 그대로 남긴 채로 차체 멤버를 보강하였다. 이로 인해 중량이 증가하는 문제가 있었다.
또는 맨드릴을 파괴하는 방법으로 보강물로부터 맨드릴을 분리하는 방식이 이용되었으나 이에 따라 맨드릴의 재사용이 불가하여 제조원가가 증가되는 문제가 있었다.
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.
일본 공개특허공보 1993-084835
본 발명은 연장된 길이방향이 변하는 굽힘구간이 형성되며, 두께가 달리 형성되어 일정구간이 보강된 복합재 재질의 차체부품 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합재 차체부품 제조방법은 단부가 서로 연결되어 길이방향으로 연장된 방향이 변하는 굽힘부가 형성된 제1맨드릴과 제2맨드릴의 외측면이 감싸지도록 프리프레그를 적층하는 적층단계; 상기 제1맨드릴 및 상기 제2맨드릴에 적층되어 상기 굽힘부에 대응되는 형상의 굽힘구간이 형성된 상기 프리프레그를 성형하는 제1성형단계; 상기 프리프레그로부터 상기 굽힘구간에서 서로 멀어지는 방향으로 상기 제1맨드릴과 상기 제2맨드릴을 분리하는 제1분리단계; 상기 프리프레그의 끝단에 제3맨드릴을 연결하고, 상기 프리프레그와 상기 제3맨드릴의 외측면이 감싸지도록 강화섬유를 브레이딩하는 직조단계; 상기 프리프레그와 상기 제3맨드릴에 직조된 상기 강화섬유에 수지를 함침시켜 성형하는 제2성형단계; 및 상기 수지에 함침된 상기 강화섬유로부터 상기 제3맨드릴을 분리하는 제2분리단계;를 포함한다.
상기 프리프레그는 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 제1적층물과 제2적층물로 구성되고, 상기 적층단계에서는 상기 제1맨드릴의 외측면에 상기 제1적층물을 적층하며, 상기 제2맨드릴의 외측면에 상기 제2적층물을 적층하되, 상기 제2맨드릴의 일단부는 상기 굽힘부에서 상기 제1적층물의 일단부와 오버랩되도록 적층할 수 있다.
상기 적층단계에서는 상기 제1적층물의 상기 강화섬유 배열방향이 상기 제1맨드릴의 길이방향과 나란하도록 상기 제1적층물을 적층하고, 상기 제2적층물의 상기 강화섬유 배열방향이 상기 제2맨드릴의 길이방향과 40~50°차이를 형성하도록 적층할 수 있다.
상기 적층단계에서는 상기 제2적층물의 타단부에는 상기 제2맨드릴의 길이방향을 따라 외측으로 연장되되, 외경은 일정하게 유지된 상태로 내경이 끝단으로 향할수록 증가하는 내경증가구간이 형성되도록 적층할 수 있다.
상기 제3맨드릴의 단부에는 외경이 끝단으로 향할수록 감소하는 외경감소구간이 형성되고, 상기 직조단계에서는 상기 외경감소구간의 외측면이 상기 내경증가구간에 의해 형성된 경사면과 접하도록 연결할 수 있다.
상기 직조단계에서는 강화섬유의 배열방향이 상기 프리프레그 및 상기 제3맨드릴의 길이방향과 0°, 45°, -45°를 형성하도록 번갈아가면서 직조될 수 있다.
상기 제1분리단계에서는 상기 제1맨드릴은 상기 굽힘구간으로부터 상기 제1적층물의 타단부 방향으로 취출하고, 상기 제2맨드릴은 상기 굽힘구간으로부터 상기 제2적층물의 타단부 방향으로 취출할 수 있다.
본 발명에 따른 복합재 차체부품은 중공형으로서 길이방향으로 연장된 방향이 변하는 굽힘구간이 형성된 복합재 재질의 내측부; 및 직조된 강화섬유 및 상기 강화섬유를 함침시키는 수지로 이루어진 재질로서 일측은 상기 내측부의 외측면을 감싸도록 연결되고, 타측은 일측으로부터 길이방향을 따라 연장된 외측부;를 포함한다.
상기 내측부는 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 일측부재; 및 단부가 상기 일측부재의 단부와 오버랩되도록 연결되어 상기 굽힘구간을 형성하며, 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 타측부재;를 포함할 수 있다.
상기 일측부재의 상기 강화섬유 배열방향은 상기 일측부재의 길이방향과 나란하게 형성되고, 상기 타측부재의 상기 강화섬유 배열방향은 상기 타측부재의 길이방향과 40~50°차이를 형성할 수 있다.
상기 외측부의 타측과 대응되는 방향의 상기 내측부 단부에는 외경은 일정하게 유지된 상태로 내경이 끝단으로 향할수록 증가하는 내경증가구간이 마련되어 상기 내측부의 내측면과 상기 외측부의 내측면을 연결하는 경사면이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 복합재 차체부품 제조방법에 따르면 연장된 길이방향이 변하는 굽힘구간이 형성되며, 두께가 달리 형성되어 일정구간이 보강된 복합재 재질의 차체부품 제조가 가능하다.
또한, 복합재 차체부품의 제조에 이용되는 맨드릴의 재사용이 가능해짐으로써 생산원가를 절감할 수 있다,
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제1맨드릴과 제2맨드릴의 외측면에 적층된 프리프레그 모습의 단면을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레그로부터 분리되는 제1맨드릴과 제2맨드릴 모습의 단면을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레그에 제3맨드릴이 결합된 모습의 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레그 및 제3맨드릴의 외측면에 브레이딩된 강화섬유 모습의 단면을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레그와 일체로 연결된 브레이딩되고 수지에 함침된 강화섬유로부터 분리되는 제3맨드릴 모습의 단면을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 복합재 차체부품의 모습을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제1맨드릴과 제2맨드릴을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제1맨드릴과 제2맨드릴을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 복합재 차체부품이 적용되는 A필러를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제1적층물 및 제2적층물 모습의 단면을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 A필러에 적용되는 내측부 및 외측부를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 복합재 차체부품이 적용된 A필러의 단면을 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 복합재 차체부품이 적용된 A필러의 단면을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 도 6을 참조할 때 본 발명에 따른 복합재 차체부품 제조방법은 단부가 서로 연결되어 길이방향으로 연장된 방향이 변하는 굽힘부가 형성된 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 외측면이 감싸지도록 프리프레그(100)를 적층하는 적층단계; 상기 제1맨드릴(10) 및 상기 제2맨드릴(20)에 적층되어 상기 굽힘부에 대응되는 형상의 굽힘구간(11)이 형성된 상기 프리프레그(100)를 성형하는 제1성형단계; 상기 프리프레그(100)로부터 상기 굽힘구간(11)에서 서로 멀어지는 방향으로 상기 제1맨드릴(10)과 상기 제2맨드릴(20)을 분리하는 제1분리단계; 상기 프리프레그(100)의 끝단에 제3맨드릴(30)을 연결하고, 상기 프리프레그(100)와 상기 제3맨드릴(30)의 외측면이 감싸지도록 강화섬유를 브레이딩하는 직조단계; 상기 프리프레그(100)와 상기 제3맨드릴(30)에 직조된 상기 강화섬유(200)에 수지를 함침시켜 성형하는 제2성형단계; 및 상기 수지에 함침된 상기 강화섬유(200)로부터 상기 제3맨드릴(30)을 분리하는 제2분리단계;를 포함한다.
도 1과 같이 적층단계에서는 먼저 길이방향으로 연장된 방향이 변하여 굽혀진 형태의 굽힘부가 형성되는 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)을 연결시킨다. 제1맨드릴(10) 및 제2맨드릴(20)은 길이방향으로 연장된 형태의 봉 형상으로 형성될 수 있다. 봉형태의 제1맨드릴(10)이 길이방향을 따라 연장되다가 접합부에서 제2맨드릴(20)로 이어짐으로써 제2맨드릴(20)의 길이방향으로 연장되어 방향이 변하게 된다.
바람직하게는 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20) 단부는 서로 결합 및 분리가 가능하도록 형성될 수 있다. 굽힘부에서 형성되는 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 접합면을 기준으로 접합면 방향으로 미는 힘으로 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 결합이 이루어지고 당기는 힘으로 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 분리가 이루어지도록 구성됨이 바람직하다.
이를테면, 도 7과 같이 제2맨드릴(20)의 단부에 수용홈이 형성되고 제1맨드릴(10)의 단부에는 수용홈(21)에 삽입되는 돌출부(12)가 형성되어 각각의 끝단이 접하여 접합면을 형성할 수 있다. 각각의 끝단에 자성체(12, 22)가 형성되어 접합면에서 자력결합이 이루어질 수 있으며 또는 도 8과 같이 제2맨드릴(20) 수용홈(21)의 내측면을 따라 끼움홈(23)이 형성되고 제1맨드릴(10) 돌출부(12) 외측면에 끼움홈(23)에 대응되는 끼움돌기(14)가 형성되어 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 체결이 이루어질 수도 있다.
상기 두 가지 경우 모두 접합면을 기준으로 접합면 방향으로 미는 힘으로 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 결합이 이루어지고 당기는 힘으로 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 분리가 이루어지도록 하는 구성이다.
제1맨드릴(10) 및 제2맨드릴(20)을 금속 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
한편, 서로 연결된 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 외측면으로 강화섬유가 수지에 예비 함침되어 있는 프리프레그(100)를 적층하여 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 외측면이 감싸지도록 한다. 여기서 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 중에서 선택되는 한 가지 이상의 섬유로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 수지의 경우 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등과 같은 열가소성수지 또는 폴리우레탄(PU) 등과 같은 열경화성수지로 이루어질 수 있다.
적층단계에서 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 외측면에 프리프레그(100)의 적층이 완료되면 제1성형단계를 통해 제1맨드릴(10) 및 제2맨드릴(20)에 적층된 프리프레그(100)를 오븐에 넣고 성형한다. 이에 따라 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)이 연결되어 형성하는 굽힘부에 대응되는 형상의 굽힘구간(11)을 갖는 프리프레그(100)의 성형이 이루어진다.
바람직하게는 내측부(300)를 이루는 제1맨드릴(10) 및 제2맨드릴(20)에 적층된 프리프레그(100)를 금형에 안착시키고 열 및 압력을 가하는 방법으로 성형이 이루어지는 PCM(Prepreg Compression Molding) 성형방법이 이용될 수 있다.
제1성형단계를 통해 프리프레그(100)를 성형한 다음 도 2와 같이 제1분리단계를 통해 성형된 프리프레그(100)로부터 굽힘구간(11)에서 서로 멀어지는 방향으로 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)을 분리한다. 바람직하게는 제1맨드릴(10)의 경우 제1맨드릴(10)의 길이방향으로 굽힘구간(11)에서 멀어지는 방향으로 취출하고 제2맨드릴(20)의 경우 제2맨드릴(20)의 길이방향으로 굽힘구간(11)에서 멀어지는 방향으로 취출하여 굽힘부 형상이 형성되되 중공형의 복합재 재질의 내측부(300)를 제조할 수 있다.
제1분리단계를 통해 내측부(300)의 제조가 완료되면 도 3 및 도 4와 같이 직조단계를 통해 내측부(300)를 이루는 프리프레그(100)의 끝단에 제3맨드릴(30)을 연결하고, 프리프레그(100)와 제3맨드릴(30)의 외측면이 동시에 감싸지도록 강화섬유를 브레이딩한다.
강화섬유의 브레이딩을 통해 내측부(300)를 이루는 프리프레그(100)와 제3맨드릴(30)을 동시에 감싸게 되어 내측부(300)를 이루는 프리프레그(100)를 맨드릴과 같은 금형으로 삼아 성형을 하게 된다.
여기서 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 중에서 선택되는 한 가지 이상의 섬유로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 제3맨드릴(30)의 경우 제1맨드릴(10) 및 제2맨드릴(20)과 마찬가지로 봉 형상으로 형성될 수 있다. 바람직하게는 제3맨드릴(30)의 단면의 직경은 내측부(300)를 이루는 프리프레그(100) 단면의 외경과 동일하게 구성될 수 있다. 제3맨드릴(30)은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
직조단계가 완료되면 제2성형단계를 통해 내측부(300)를 이루는 프리프레그(100) 및 제3맨드릴(30)에 브레이딩된 강화섬유(200)에 수지를 함침시키고 성형하여 외측부(400)의 형상이 이루어지도록 성형할 수 있다. 바람직하게는 내측부(300)를 이루는 프리프레그(100) 및 제3맨드릴(30)에 브레이딩된 강화섬유(200)를 금형에 안착시키고 금형 내부로 수지를 주입하는 RTM(Resin Transfer Molding) 성형방법이 이용될 수 있다.
여기서 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등과 같은 열가소성수지 또는 폴리우레탄(PU) 등과 같은 열경화성수지로 이루어질 수 있다.
제2성형단계를 통해 내측부(300)를 이루는 프리프레그(100) 및 제3맨드릴(30) 외측면에 브레이딩된 강화섬유(200) 및 수지로 이루어진 외측부(400)의 성형이 이루어지면 도 5와 같이 제2분리단계를 통해 제3맨드릴(30)을 분리함으로써 내측부(300)와 외측부(400)로 이루어진 복합재 차체부품 제조가 완료된다. 바람직하게는 제3맨드릴(30)은 제3맨드릴(30)의 길이방향으로 굽힘구간(11)에서 멀어지는 방향으로 취출할 수 있다.
도 6과 같이 본 발명에 따른 복합재 차체부품 제조방법에 따르면 연장된 길이방향이 변하는 굽힘구간(11)이 형성되며, 두께가 달리 형성되어 일정구간이 보강된 복합재 재질의 차체부품 제조가 가능하다. 또한, 복합재 차체부품의 제조에 이용되는 맨드릴의 재사용이 가능해짐으로써 생산원가를 절감할 수 있다,
여기서 차체부품은 중공형의 차체프레임 내부에 적용되는 복합재 재질의 보강물일 수 있으며 이를테면, 도 9와 같이 A필러(1)의 내부공간에 배치되는 보강물로 구성될 수 있다. 이러한 보강물의 적용을 통해 기존의 스틸 재질의 보강물에 비해 차체의 경량화가 가능해짐으로써 연비를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
바람직하게는 도 10과 같이 상기 프리프레그(100)는 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 제1적층물(110)과 제2적층물(120)로 구성되고, 상기 적층단계에서는 상기 제1맨드릴(10)의 외측면에 상기 제1적층물(110)을 적층하며, 상기 제2맨드릴(20)의 외측면에 상기 제2적층물(120)을 적층하되, 상기 제2맨드릴(20)의 일단부는 상기 제1적층물(110)의 일단부와 상기 굽힘부에서 오버랩되도록 적층할 수 있다.
제1적층물(110) 및 제2적층물(120)은 시트 형상으로서 UD(Uni Direction)과 같이 강화섬유가 일정한 배열방향을 갖도록 형성될 수 있다. 적층단계를 통해 제1맨드릴(10)의 외측면에는 제1적층물(110)을 적층하고 제2맨드릴(20)의 외측면에는 제2적층물(120)을 적층할 수 있다. 다만, 제1적층물(110)의 일단부가 제2적층물(120)의 일단부와 굽힘부에서 오버랩되도록 적층할 수 있다.
이와 같이 굽힘부에서 제1적층물(110)과 제2적층물(120)의 일부가 서로 오버랩되도록 적층함으로써 제1적층물(110)과 제2적층물(120)의 연결부에서 발생되는 강화섬유의 불연속성에 따른 단절로 인한 기계적물성의 저하를 보완해줌이 가능하다.
또한, 단일의 적층물을 제1맨드릴(10)과 제2맨드릴(20)의 외측면에 한번에 적층할 경우 굽힘부에서 발생될 수 있는 적층물의 접힘을 방지할 수 있어 디자인의 자유도가 향상될 수 있다.
바람직하게는 상기 적층단계에서는 상기 제1적층물(110)의 상기 강화섬유 배열방향이 상기 제1맨드릴(10)의 길이방향과 나란하도록 상기 제1적층물(110)을 적층하고, 상기 제2적층물(120)의 상기 강화섬유 배열방향이 상기 제2맨드릴(20)의 길이방향과 40~50°차이를 형성하도록 적층할 수 있다.
제1적층물(110)의 경우 강화섬유의 배열방향이 제1맨드릴(10)의 길이방향과 나란하게 형성될 수 있고 제2적층물(120)의 경우 강화섬유의 배열방향이 제2맨드릴(20)의 길이방향에 대해 40~50°기울어지거나 -40~-50°기울어지도록 형성되어 제2맨드릴(20)의 길이방향과 40~50°차이를 이루도록 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 적층단계에서는 상기 제2적층물(120)의 타단부에는 상기 제2맨드릴(20)의 길이방향을 따라 외측으로 연장되되, 외경은 일정하게 유지된 상태로 내경이 끝단으로 향할수록 증가하는 내경증가구간(121)이 형성되도록 적층할 수 있다.
제2적층물(120)의 타단부에는 제2맨드릴(20)의 길이방향을 따라 외측으로 연장되어 내경증가구간(121)이 형성될 수 있다. 내경증가구간(121)은 제2맨드릴(20)의 외측면에 둘러지도록 적층됨으로써 중공형 형태를 갖는 제2적층물(120)에서 그 외경은 길이방향을 따라 끝단으로 향해도 일정하게 유지되나 내경은 길이방향을 따라 끝단으로 향할수록 증가함으로써 두께가 점차로 줄어드는 형태로 형성된 구간이다.
바람직하게는 제2적층물(120)이 제2맨드릴(20)의 외측면에 적층되기 전 상태를 살펴보면 제2적층물(120)의 경우 측면에서 바라볼 때 단부가 하부로부터 상향 경사지도록 형성되고 이러한 형태의 제2적층물(120)을 제2맨드릴(20)의 외측면에 적층함으로써 내경증가구간(121)이 형성될 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 제3맨드릴(30)의 단부에는 외경이 끝단으로 향할수록 감소하는 외경감소구간이 형성되고, 상기 직조단계에서는 상기 외경감소구간의 외측면이 상기 내경증가구간(121)에 의해 형성된 경사면과 접하도록 연결할 수 있다.
제3맨드릴(30)의 단부에는 외경이 끝단으로 향할수록 점차로 감소하게 되는 외경감소구간이 형성될 수 있다. 이와 같은 외경감소구간의 외측면은 내경경사구간에 의해 형성된 경사면과 접하도록 연결되어 접촉면적이 증가하게 된다.
바람직하게는 외경감소구간으로 돌입하기 전 제3맨드릴(30) 단면의 직경은 내경감소구간의 외경과 동일하게 구성되고 내경감소구간으로 돌입하기 전 제2적층물(120)의 내경은 외경감소구간 끝단의 외경과 동일하게 구성될 수 있다.
이에 따라 제2분리단계를 통해 제3맨드릴(30)이 분리될 경우 내측부(300)를 구성하는 프리프레그(100)의 내측면과 외측부(400)를 구성하는 수지에 함침된 강화섬유(200)의 내측면이 내경증가구간(121)이 형성하는 경사면을 통해 자연스럽게 연결될 수 있다. 이를 통해 내측부(300)와 외측부(400)의 결합면적이 증가될 수 있고 외측부(400)로부터 내측부(300)가 박리되는 현상을 방지할 수 있다.
바람직하게는 상기 직조단계에서는 강화섬유의 배열방향이 상기 프리프레그(100) 및 상기 제3맨드릴(30)의 길이방향과 0°, 45°, -45°를 형성하도록 번갈아가면서 직조될 수 있다.
직조단계에서는 브레이딩 장치를 통해 강화섬유를 프레프레그 및 제3맨드릴(30)의 외측면에 직조하되 강화섬유의 직조방향이 프리프레그(100) 및 제3맨드릴(30)의 길이방향과 0°, 45°, -45°를 형성하도록 번갈아가면서 직조됨으로써 본 발명에 따른 복합재 차체부품의 강도 및 강성과 같은 기계적물성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
바람직하게는 상기 제1분리단계에서는 상기 제1맨드릴(10)은 상기 굽힘구간(11)으로부터 상기 제1적층물(110)의 타단부 방향으로 취출하고, 상기 제2맨드릴(20)은 상기 굽힘구간(11)으로부터 상기 제2적층물(120)의 타단부 방향으로 취출할 수 있다.
상기에서도 언급한 바와 같이 제1맨드릴(10)의 경우 제1맨드릴(10)의 길이방향으로 굽힘구간(11)에서 멀어지는 방향으로 취출하되 중공형의 제1적층물(110) 타단부에 형성된 제1타단홀을 통해 분리하고 제2맨드릴(20)의 경우 제2맨드릴(20)의 길이방향으로 굽힘구간(11)에서 멀어지는 방향으로 취출하되 중공형의 제2적층물(120) 타단부에 형성된 제2타단홀을 통해 분리하여 굽힘구간(11) 형상이 형성되되 중공형의 복합재 재질의 내측부(300)를 제조할 수 있다.
이에 따라 제1맨드릴(10) 및 제2맨드릴(20)의 재사용이 가능해지게 되어 차체부품의 제조원가를 절감시키는 것이 가능하다.
도 11 내지 13을 참조할 때 본 발명에 따른 복합재 차체부품은 중공형으로서 길이방향으로 연장된 방향이 변하는 굽힘구간(11)이 형성된 복합재 재질의 내측부(300); 및 직조된 강화섬유 및 상기 강화섬유를 함침시키는 수지로 이루어진 재질로서 일측은 상기 내측부(300)의 외측면을 감싸도록 연결되고, 타측은 일측으로부터 길이방향을 따라 연장된 외측부(400);를 포함한다.
내측부(300)에 형성된 굽힘구간(11)은 길이방향을 따라 연장된 방향이 변경되는 부분을 의미한다. 이와 같이 굽힘구간(11)을 기점으로 굽혀진 형상을 갖는 내측부(300)는 강화섬유 및 수지를 포함하는 복합재 재질로 형성되며 여기서 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 중에서 선택되는 한 가지 이상의 섬유로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 수지의 경우 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등과 같은 열가소성수지 또는 폴리우레탄(PU) 등과 같은 열경화성수지로 이루어질 수 있다.
한편, 외측부(400)는 직조된 강화섬유 및 상기 강화섬유를 함침시키는 수지로 이루어진 재질 이루어지며 마찬가지로 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 중에서 선택되는 한 가지 이상의 섬유로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 수지의 경우 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등과 같은 열가소성수지 또는 폴리우레탄(PU) 등과 같은 열경화성수지로 이루어질 수 있다.
외측부(400)의 일측은 내측부(300)의 외측면을 감싸도록 연결되고, 타측은 일측으로부터 길이방향을 따라 연장된 형태로 이루어진다. 이에 따라 선택적으로 외측부(400)의 일측에 대응되는 구간만 내부가 내측부(300)로 보강된 형태로 이루어진 복합재 재질로 이루어진 차체부품이 구성된다.
도 9의 A-A 단면을 표현한 도 12의 경우 A필러(1) 내에서 보강물로서 내측부(300)와 외측부(400)가 일체로 연결된 복합재 차체부품을 확인할 수 있고, 도 9의 B-B 단면을 표현한 도 13의 경우 A필러(1) 내에서 보강물로서 외측부(400)가 형성된 복합재 차체부품을 확인할 수 있다.
바람직하게는 상기 내측부(300)는 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 일측부재; 및 단부가 상기 일측부재의 단부와 오버랩되도록 연결되어 상기 굽힘구간(11)을 형성하며, 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 타측부재;를 포함할 수 있다.
내측부(300)를 구성하는 일측부재의 경우 상기의 제1적층물(110)에 대응될 수 있는 구성으로서 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유 및 강화섬유를 함침시키는 수지로 형성된 형태이다. 또한, 내측부(300)를 구성하는 타측부재의 경우 상기의 제2적층물(120)에 대응될 수 있는 구성으로서 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유 및 강화섬유를 함침시키는 수지로 형성된 형태이다.
굽힘구간(11)에서 일측부재와 타측부재의 일부가 서로 오버랩되도록 적층함으로써 일측부재와 타측부재의 연결부에서 발생되는 강화섬유의 불연속성에 따른 단절로 인한 기계적물성의 저하를 보완해줌이 가능하다.
바람직하게는 상기 일측부재의 상기 강화섬유 배열방향은 상기 일측부재의 길이방향과 나란하게 형성되고, 상기 타측부재의 상기 강화섬유 배열방향은 상기 타측부재의 길이방향과 40~50°차이를 형성할 수 있다.
일측부재에서는 강화섬유의 배열방향이 일측부재의 연장된 길이방향과 나란하게 형성될 수 있고 타측부재에서는 강화섬유의 배열방향이 타측부재의 연장된 길이방향에 대해 40~50°기울어지거나 -40~-50°기울어지도록 형성되어 타측부재의 길이방향과 40~50°차이를 이루도록 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 외측부(400)의 타측과 대응되는 방향의 상기 내측부(300) 단부에는 외경은 일정하게 유지된 상태로 내경이 끝단으로 향할수록 증가하는 내경증가구간(121)이 마련되어 상기 내측부(300)의 내측면과 상기 외측부(400)의 내측면을 연결하는 경사면이 형성될 수 있다.
내경증가구간(121)은 중공형 형태를 갖는 타측부재에서 그 외경은 길이방향을 따라 끝단으로 향해도 일정하게 유지되나 내경은 길이방향을 따라 끝단으로 향할수록 증가함으로써 두께가 점차로 줄어드는 형태로 형성된 구간이다.
내측부(300)의 내측면과 외측부(400)의 내측면이 내경증가구간(121)이 형성하는 경사면을 통해 자연스럽게 연결될 수 있다. 이를 통해 내측부(300)와 외측부(400)의 결합면적이 증가될 수 있고 외측부(400)로부터 내측부(300)가 박리되는 현상을 방지할 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.
10 : 제1맨드릴 11 : 굽힘구간
20 : 제2맨드릴 30 : 제3맨드릴
100 : 프리프레그 110 : 제1적층물
120 : 제2적층물 121 : 내경증가구간
200 : 브레이딩된 강화섬유 300 : 내측부
400 : 외측부

Claims (11)

  1. 단부가 서로 연결되어 길이방향으로 연장된 방향이 변하는 굽힘부가 형성된 제1맨드릴과 제2맨드릴의 외측면이 감싸지도록 프리프레그를 적층하는 적층단계;
    상기 제1맨드릴 및 상기 제2맨드릴에 적층되어 상기 굽힘부에 대응되는 형상의 굽힘구간이 형성된 상기 프리프레그를 성형하는 제1성형단계;
    상기 프리프레그로부터 상기 굽힘구간에서 서로 멀어지는 방향으로 상기 제1맨드릴과 상기 제2맨드릴을 분리하는 제1분리단계;
    상기 프리프레그의 끝단에 제3맨드릴을 연결하고, 상기 프리프레그와 상기 제3맨드릴의 외측면이 감싸지도록 강화섬유를 브레이딩하는 직조단계;
    상기 프리프레그와 상기 제3맨드릴에 직조된 상기 강화섬유에 수지를 함침시켜 성형하는 제2성형단계; 및
    상기 수지에 함침된 상기 강화섬유로부터 상기 제3맨드릴을 분리하는 제2분리단계;를 포함하는 복합재 차체부품 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리프레그는 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 제1적층물과 제2적층물로 구성되고,
    상기 적층단계에서는,
    상기 제1맨드릴의 외측면에 상기 제1적층물을 적층하며, 상기 제2맨드릴의 외측면에 상기 제2적층물을 적층하되, 상기 제2적층물의 일단부는 상기 굽힘부에서 상기 제1적층물의 일단부와 오버랩되도록 적층하는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 적층단계에서는,
    상기 제1적층물의 상기 강화섬유 배열방향이 상기 제1맨드릴의 길이방향과 나란하도록 상기 제1적층물을 적층하고, 상기 제2적층물의 상기 강화섬유 배열방향이 상기 제2맨드릴의 길이방향과 40~50°차이를 형성하도록 적층하는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 적층단계에서는,
    상기 제2적층물의 타단부에는 상기 제2맨드릴의 길이방향을 따라 외측으로 연장되되, 외경은 일정하게 유지된 상태로 내경이 끝단으로 향할수록 증가하는 내경증가구간이 형성되도록 적층하는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제3맨드릴의 단부에는 외경이 끝단으로 향할수록 감소하는 외경감소구간이 형성되고,
    상기 직조단계에서는,
    상기 외경감소구간의 외측면이 상기 내경증가구간에 의해 형성된 경사면과 접하도록 연결하는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 직조단계에서는,
    강화섬유의 배열방향이 상기 프리프레그 및 상기 제3맨드릴의 길이방향과 0°, 45°, -45°를 형성하도록 번갈아가면서 직조되는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품 제조방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1분리단계에서는,
    상기 제1맨드릴은 상기 굽힘구간으로부터 상기 제1적층물의 타단부 방향으로 취출하고, 상기 제2맨드릴은 상기 굽힘구간으로부터 상기 제2적층물의 타단부 방향으로 취출하는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품 제조방법.
  8. 중공형으로서 길이방향으로 연장된 방향이 변하는 굽힘구간이 형성된 복합재 재질의 내측부; 및
    직조된 강화섬유 및 상기 강화섬유를 함침시키는 수지로 이루어진 재질로서 일측은 상기 내측부의 외측면을 감싸도록 연결되고, 타측은 일측으로부터 길이방향을 따라 연장된 외측부;를 포함하는 복합재 차체부품.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 내측부는,
    일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 일측부재; 및
    단부가 상기 일측부재의 단부와 오버랩되도록 연결되어 상기 굽힘구간을 형성하며, 일정한 배열방향을 갖는 강화섬유를 포함하는 타측부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 일측부재의 상기 강화섬유 배열방향은 상기 일측부재의 길이방향과 나란하게 형성되고, 상기 타측부재의 상기 강화섬유 배열방향은 상기 타측부재의 길이방향과 40~50°차이를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 외측부의 타측과 대응되는 방향의 상기 내측부 단부에는 외경은 일정하게 유지된 상태로 내경이 끝단으로 향할수록 증가하는 내경증가구간이 마련되어 상기 내측부의 내측면과 상기 외측부의 내측면을 연결하는 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 복합재 차체부품.
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