KR20200015715A - Cfrp 패치를 성형될 강판 상에 적용시키는 프로세스 - Google Patents

Cfrp 패치를 성형될 강판 상에 적용시키는 프로세스 Download PDF

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KR20200015715A
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Abstract

복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스로서, 표면 처리된 강 부분(1)에 오스테나이트를 성형하기 위해 상기 강 부분을 오스테나이트 온도로 가열하는 단계, 강 부분을 원하는 형상으로 성형하는 단계, 강 부분을 500 ℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계; 프리프레그 섬유 강화 폴리머 패치(2)를 상기 강 부분의 적어도 일부에 적용시키는 단계, 및 적용된 섬유 강화 폴리머 패치(2)를 강 부분(1)에 접착되도록 프레스하고, 상기 프레싱 툴 내에 상기 패치를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

CFRP 패치를 성형될 강판 상에 적용시키는 프로세스
[0001] 본 발명은 섬유 강화 폴리머(fibre reinforced polymer)의 일부를 강 부분(steel part)에 적용시키는 프로세스에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 CFRP 패치(patch)를 차량 부분에 성형될 강판(steel plate)에 적용시키는 프로세스에 관한 것이다.
[0002] 차량 산업에서, 충돌 시와 같이 높은 스트레인(strain)을 겪을 때 예측가능한 방식으로 변형되는(deform) 높은 연성(ductility)을 갖는 부분들을 제공하는 것이 중요하다. 섬유 강화 폴리머들을 차량 부분들의 중대한 영역들에 적용시킴으로써 강 부분들을 강화시키는(strengthen) 것이 당해 기술 분야에서 전통적이게 되었다. 이는 제품의 무게를 최소로 유지하면서 제품을 국부적으로 강화시키는 유리한 방법이다.
[0003] 섬유 강화 폴리머 패치들을 강판에 적용시키는 당해 기술 분야의 과제들은 강 부분 사이에 양호한 본딩(bonding)을 달성하고 동작의 생산성을 유지하는 것을 포함한다.
[0004] EP 1 908 669 B1에는, 차량 부분을 생산하는 프로세스가 개시되며, 여기서 2개의 부분들이 접착제에 의해 서로 접합(join)되고, 여기서 제2 컴포넌트, 통상적으로 섬유 강화 폴리머가 강판에 접합되며, 여기서 강판의 열간 가공(hot working) 프로세스로부터의 잔류 열이 컴포넌트들 사이의 접착 접합부(adhesive joint)를 생성하기 위해 사용된다.
[0005] 강 부분과 섬유 강화 폴리머 패치 사이의 양호한 접착(adhesion)을 달성하고 강화 폴리머 패치의 정확한 맞춤(fit)을 달성하기 위해, 섬유 강화 폴리머 패치를 프리프레그(prepreg)로서 적용시키고, 그것이 강판에 접착될 때 그것을 경화(cure)시키는 것이 요구된다. 그러한 프로시저와 관련된 문제는 프리프레그 섬유 강화 폴리머의 경화에 통상적으로 상당한 시간이 걸리고, 이는 프로세스를 느리게 한다는 것이다.
[0006] 따라서, 프리프레그 섬유 강화 폴리머 패치를 강 부분에 접합시키는 생산적 프로세스가 요구된다.
[0007] 본 발명의 목적은 구체적으로 자동차 산업을 위해 강 부분들을 생산하는 효과적 프로세스를 제공하는 것이다.
[0008] 이 목적은 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스에 의해 달성되고, 프로세스는:
- 표면 처리된 강 부분에 오스테나이트(austenite)를 성형하기 위해 상기 강 부분을 오스테나이트 온도로 가열하는 단계;
- 강 부분을 원하는 형상으로 성형하는 단계;
- 강 부분을 500 ℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계;
- 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분을 상기 강 부분의 적어도 일부에 적용시키는 단계; 및
- 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분을 강 부분에 접착되도록 프레스(press)하고, 상기 섬유 강화 폴리머 부분을 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 포함한다.
[0009] 본 발명은 또한 위에서 설명된 바와 같은 프로세스에 의해 생산된 성형된 강 부분 및 적용된 탄소 섬유 강화 폴리머 패치로 구성된 자동차 컴포넌트에 관한 것이다.
[0010] 본 발명의 프로세스의 이점은, 강판들을 성형하고 냉각시키기 위한 툴들이 강판들이 툴들의 외부로 냉각시키도록 세팅될 수 있는 더 짧은 시간 동안 사용될 수 있다는 점에서 생산율이 증가될 수 있다는 것이다.
[0011] 본 발명의 추가적 양상들 및 이점들이 다음의 설명 및 독립 청구항들로부터 명백해질 것이다.
[0012] 아래에서, 본 발명의 특정 양상들이 첨부한 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 특정 양상에 따른 프로세스의 개략적 다이어그램이다.
[0013] 도 1에, 본 발명의 특정 양상에 따라 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스의 개략적 다이어그램이 도시된다. 프로세스는 제1 서브-프로세스를 포함한 3개의 서브-프로세스들로 분할될 수 있고, 제1 서브-프로세스는 복합 차량 컴포넌트의 생산을 위한 강 부분을 준비하는 한 세트의 단계들(101-103); 동일한 생산을 위해 섬유 강화 폴리머 부분을 준비하는 제2 세트의 단계들(201-203); 및 상기 섬유 강화 폴리머 부분을 상기 강 부분에 접합시키고 상기 복합 차량 컴포넌트를 성형하는 제3 세트의 단계들(301-302)을 포함한다.
[0014] 도 1의 좌측 하단 부분을 참조하면, 프로세스는 강 부분(1)을 오스테나이트 온도, 통상적으로 약 900 ℃로 가열하는 단계(101); 강 부분을 약 600-850 ℃의 온도로 냉각시키게 허용하고 상기 강 부분을 상기 온도에서 원하는 형상으로 열간-성형(hot-forming)하는 단계(102)를 포함한다. 강 부분의 성형은 성형 툴에서 수행된다. 후속 단계에서, 열간-성형된 강 부분은 500 ℃ 미만의 온도로 냉각된다(103). 냉각은 바람직하게, 강 부분이 성형되었던 성형 툴 내부에서 이루어진다.
[0015] 강 부분(1)의 준비와 동시에, 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 강 부분(1)에 대한 후속 접착을 위해 준비된다. 제1 단계에서, 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 경화되지 않은 프리프레그 조건에서 제공된다(201). 프리프레그는 에폭시와 같은 열경화성 폴리머 매트릭스 재료가 이미 존재하는 사전-함침된(pre-impregnated) 복합 섬유들로서 해석될 것이다. 프리프레그의 열경화성 매트릭스는 그것의 최종 형상이 주어진 이후에 경화될 필요가 있을 것이다.
[0016] 후속 단계에서, 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 가열되고(202), 추가적 후속 단계에서, 만약 있다면, 가두어진 공기(trapped air)가 섬유 강화 폴리머 부분(2)의 층들 사이에서 제거된다(203). 이 단계는 또한 가열 동안 수행된다. 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 바람직하게, 강 부분(1)에 후속적으로 부착될 때 약 50-80 ℃의 온도를 갖는다.
[0017] 섬유 강화 폴리머 부분(2) 및 강 부분(1)의 접합은 강 부분이 열간 성형된 성형 툴과 상이한 프레싱 툴에서 수행된다. 강 부분은 트랜스퍼 라인(transfer line)을 성형 툴로부터 프레싱 툴로 트랜스퍼(transfer)된다. 그에 따라서, 강 부분을 성형 툴로부터 프레싱 툴로 이동시키기 위해 어떠한 로봇도 필요하지 않다.
[0018] 가열된 강 부분(1) 및 가열된 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 툴, 통상적으로 성형 툴에 복합 부분(3)을 성형하도록 접합되고, 여기서 가열된 강 부분(1) 및 가열된 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 상기 툴 내로 도입되며(301), 여기서 가열된 툴 내부에서 강화 폴리머 부분(2)을 적어도 부분적으로 경화시키기 위해 툴로부터 열이 제공된다(302).
[0019] 상기 툴에서, 적용된 섬유 강화 폴리머 패치는 그 가열 동안 강 부분에 접착되도록 프레스되어서, 그에 의해, 상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)이 상기 툴 내에서 적어도 부분적으로 경화된다. 바람직하게, 강 부분(1) 및 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 섬유 강화 폴리머의 고유 폴리머 이외의 접착제들을 사용하지 않고 접합된다.
[0020] 바람직하게, 강 부분(1)을 성형하는 단계와 섬유 강화 폴리머 부분(2)을 상기 강 부분의 일부에 적용시키는 단계 사이에 강 부분에 대해 어떠한 표면 처리도 수행되지 않는다. 이는 강 부분이 스테인리스 강 부분, 코팅된 강 부분 또는 사전-처리된 강 부분이므로 가능하다. 사전-처리는, 그렇지 않으면 섬유 강화 폴리머 부분(2)에 대한 표면 본딩을 방해할 느슨한(loose) 철 산화물이 없는 강 부분 상에 표면을 생성하도록 이루어진다. 강 부분의 가열, 즉, 단계(101)는 산소가 없는 불활성 환경으로 밀폐되는 퍼니스(furnace)에서 수행될 수 있어, 철 산화물이 상기 가열 동안 성형되지 않을 것이다. 그러나, 강 부분이 퍼니스로부터 성형 툴로 이동되므로 강 부분을 불활성 환경으로 유지시키는 것이 더 어렵다.
[0021] 많은 종래 기술의 솔루션들에서, 이는, 섬유 강화 폴리머 부분이 강 부분에 접착되기 이전에 성형된 철 산화물을 제거하기 위해 강이 냉각될 때 강에 대해 표면 처리를 수행함으로써 해결된다. 그러한 표면 처리는, 예컨대, 숏 피닝(shot peening), 블라스팅(blasting) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 처리는 프로세스로 추가적 단계를 도입하고 전체 프로세스를 느리게 할 것이다.
[0022] 본 발명의 프로세스의 일 양상에 따라, 강 컴포넌트는 산화물 스케일 억제 층으로 처리된 강으로 생산된다. 이는, 강 부분의 가열 및 성형과 이에 대한 섬유 강화 폴리머 부분의 접착 사이에 강 부분의 임의의 표면 처리가 필요하지 않을 것이라는 이점을 갖는다.
[0023] 일 양상에 따라, 강 컴포넌트는 Al-Si 층으로 커버된 강으로 생산된다. 대안으로서, 강 컴포넌트는 가열 이전에 표면 처리된 강으로 생산되고, 이 표면 처리는 표면의 특성을 변화시키며, 섬유 강화 폴리머 패치가 부착될 수 있는 구조의 산화물을 성형하기 쉽게 한다. 이 표면 처리는 통상적으로, 철 산화물들(뷔스타이트(w
Figure pct00001
stite), 마그네타이트(magnetite), 및 헤마타이트(haematite))로 성형된 1,5-4 μm 두께의 스케일을 포함한다. 강 표면(steel surface)은 화학적으로 사전-처리되고, 이는
프레스 하드닝(press hardening) 동안 성형된 스케일이 강에 앵커링되는(anchored) 것으로 이어진다.
[0024] 추가적 대안으로서, 강 컴포넌트는 스테인리스 강으로 생산될 수 있고, 여기서 강 부분의 가열 이전이나 또는 상기 가열 이후에 어떠한 표면 처리도 필요하지 않을 것이다. 대부분의 애플리케이션들에 대해, 강 부분은 바람직하게 탄소 강으로 제조된다.
[0025] 강화 폴리머 부분(2)이 적어도 부분적으로 경화되는 복합 부분(3)의 가열(302) 동안, 툴은 바람직하게, 강 부분 상의 섬유 강화 폴리머 패치를 향해 40초 미만으로, 바람직하게는 30초 미만으로 프레스된 상태로 유지된다. 가장 바람직하게는, 툴은 바람직하게 20초 미만으로 프레스된 상태로 유지된다.
[0026] 종래 기술에서, 섬유 강화 폴리머가 경화되도록 허용하기 위해 약 120초 동안 약간의 압력을 유지시키고 가열하는 것이 전통적이다. 본 발명의 일 양상으로서, 경화 온도의 약간의 증가에 의해 경화가 가속화될 수 있다는 것이 테스트되었다. 결과적으로, 통상적 에폭시에 대해, 경화는 규정된 120초 대신에 약 20-30초 내에 수행될 수 있어서, 그에 의해, 프로세스가 실질적으로 촉진될 수 있다.
[0027] 일 양상에서, 프리프레그 섬유 강화 폴리머 패치는
적어도 하나의 굴곡 부분(bended portion)을 포함하도록 변형된 강 부분의 일부분에 부착되고, 여기서 프리프레그 섬유 강화 폴리머 패치는 상기 적어도 하나의 굴곡 부분의 내부 부분을 커버하도록 배열된다. 섬유 강화 폴리머 패치의 그러한 애플리케이션은 굴곡 또는 성형 부분을 겪는 영역에서 종종 요구되는 국부적 강화(local strengthening)를 제공할 것이다.
[0028] 프리프레그 섬유 강화 폴리머 패치는 바람직하게, 에폭시에 임베딩(embed)된 탄소 섬유들을 포함한다. 바람직하게, 에폭시는 스냅 경화 에폭시(snap cure epoxy)로 알려진 고속 경화 에폭시(fast hardening epoxy)이다.
[0029] 프리프레그 섬유 강화 폴리머가 적어도 부분적으로 경화되는 툴은 바람직하게, 섬유 강화 폴리머 패치를 강 부분으로 프레스하는 동안 150 ℃ 초과의 온도로 가열된다. 섬유 강화 폴리머 패치는 상기 강 부분이 냉각되기 이전에 강 부분에 부착되며, 여전히 적어도 150 ℃의 온도를 갖는다. 이는 전체 프로세스를 가속화할 때뿐만 아니라 섬유 강화 폴리머의 경화에서 강 부분의 잔류 열을 이용할 때 모두 유리하다. 강 부분 및 툴의 가장 적절한 온도는 사용되는 에폭시의 타입에 의존한다.
[0030] 통상적으로, 강 부분은 경화 프로세스의 개시 시에 툴보다 높은 온도를 갖도록 허용된다. 이는, 위에서 표시된 바와 같이, 전체 프로세스를 가속화할 때 및 섬유 강화 폴리머의 경화에서 강 부분의 잔류 열을 이용할 때 유리하다. 따라서, 강 부분은 섬유 강화 폴리머의 경화 동안 약간 냉각되도록 허용될 것이다.
[0031] 섬유 강화 폴리머 패치의 가열 동안, 이의 층들 사이에 가두어진 공기가 탈출하도록 허용될 것이다. 패치는 강 부분에 적용될 때 100 ℃ 초과의 온도를 가질 수 있다.
[0032] 강 부분은 담금질 없이 마르텐사이트계 구조를 성형하는 오스테나이트계 강으로 성형될 수 있고, 프로세스는 담금질 없이 적용된 탄소 섬유 강화 폴리머 패치로 강 부분을 냉각시키는 단계를 포함한다. 따라서, 강은 심지어 낮은 냉각 레이트로도 하드닝된 마르텐사이트계 구조의 생성을 허용하는 합금을 갖는다. 자유 대기(free air)로의 냉각이 충분하다. 이는 또한, 강 부분이 에어 하드닝될(air hardened) 수 있을 때 전체 프로세스를 가능하게 하여, 냉각이 덜 중대한 단계가 된다. 통상적으로, 강은 에어 하드닝된 UHSS(ultra high strength steel)이다.
[0033] 본 발명의 프로세스의 주 목적은 위에서 설명된 바와 같은 프로세스에 의해 생산된 성형된 강 부분 및 적용된 탄소 섬유 강화 폴리머 패치로 구성된 자동차 컴포넌트를 생산하는 것이다.
[0034] 위에서, 본 발명은 본 발명의 특정 양상들을 참조하여 설명되었다. 본 발명이 본 발명의 범위 내에서 변할 수 있으며, 이는 다음의 청구항들에 의해서만 제한되는 것이 당업자에 의해 이해된다.

Claims (16)

  1. 복합 자동차 컴포넌트(composite motor vehicle component)를 생산하는 프로세스로서,
    - 표면 처리된 강 부분(steel part)(1)에 오스테나이트(austenite)를 성형하기 위해 상기 강 부분을 오스테나이트 온도로 가열하는 단계;
    - 상기 강 부분(1)을 원하는 형상으로 성형하는 단계;
    - 상기 강 부분(1)을 500 ℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계;
    - 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분(prepreg fibre reinforced polymer part)(2)을 상기 강 부분의 적어도 일부에 적용시키는 단계; 및
    - 상기 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분(2)을 상기 강 부분(1)에 접착되도록 프레싱하고, 상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)을 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 포함하는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강 부분(1)을 원하는 형상으로 성형하는 단계는 성형 툴(forming tool) 내에서 수행되고, 그리고
    상기 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분(2)을 상기 강 부분(1)에 적용시키는 단계는 상기 성형 툴과 상이한 프레싱 툴(pressing tool)에서 수행되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 강 부분은 트랜스퍼 라인(transfer line)을 통해 상기 성형 툴로부터 상기 프레싱 툴로 트랜스퍼(transfer)되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 부분을 성형하는 단계와 상기 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분(2)을 상기 강 부분의 적어도 일부에 적용시키는 단계 사이에 상기 강 부분(2)에 대해 표면 처리가 수행되지 않는 단계가 수행되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 강 부분(1) 및 상기 프리프레그 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)의 고유 폴리머 이외의 접착제들을 사용하지 않고 접합(join)되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레싱 툴은 상기 강 부분(1) 상의 상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)을 향해 40초 미만으로, 바람직하게는 30초 미만으로 프레스된 상태로 유지되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 성형 동안 변형(deform)된 상기 강 부분(1)의 일부분에 부착되고, 그리고
    상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 상기 강 부분의 변형된 부분의 적어도 일부를 커버(cover)하도록 배열되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 에폭시에 임베딩(embed)된 탄소 섬유들을 포함하는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레싱 툴은 상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)을 상기 강 부분(1)으로 프레스하는 동안 120 ℃ 초과의 온도로 가열되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)은 상기 강 부분(1)이 냉각되기 이전에 상기 강 부분(1)에 부착되고, 상기 강 부분에 적용될 때 여전히 적어도 150 ℃의 온도를 갖는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 부분(1)은 산화물 스케일 억제 층(oxide scale inhibiting layer)으로 처리된 강으로 생산되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 강 부분(1)은 Al-Si 층으로 커버된 강으로 생산되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 강 부분(1)은 상기 섬유 강화 폴리머 부분(2)이 부착될 수 있는 구조의 산화물을 성형하기 위해 표면 처리된 강으로 생산되고, 상기 성형된 산화물 구조는 철 산화물들로 성형된 1,5-4 μm 두께의 스케일을 포함하는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  14. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 부분(1)은 스테인리스 강으로 생산되는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 부분(1)은 에어 하드닝(air hardening)에 의해 마르텐사이트계 구조(martensitic structure)를 성형하는 오스테나이트계 강(austenitic steel)으로 성형되고, 그리고
    상기 프로세스는 급속 담금질(rapid quenching) 없이 상기 적용된 섬유 강화 폴리머 부분(2)으로 상기 강 부분을 냉각시키는 단계를 포함하는, 복합 자동차 컴포넌트를 생산하는 프로세스.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는, 성형된 강 부분(1) 및 적용된 섬유 강화 폴리머 부분(2)으로 구성된 자동차 컴포넌트.
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