KR20220009166A - 3차원 구조체와 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 구조체와 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬유 강화 폴리머 페이즈와 금속 시트를 포함하는 멀티층 복합체를 하이브리드 재료와 결합하여 3차원 구조체를 제조하는 방법과 구조상의 무결성(structural integrity)과 높은 강도와 내구성을 지닌 3차원 구조체에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법은, 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase)와 금속 시트(metallic sheet)를 열압착하여 멀티층을 형성하는, 멀티층 형성 단계; 상기 멀티층에 적어도 하나 또는 다수의 개구부(opening)를 가공하는, 개구부 가공 단계; 및 상기 개구부를 갖는 멀티층과 하이브리드 재료를 결합하여 3차원 구조체를 제조하는, 결합 단계;를 포함하고, 상기 결합 단계는, 프레스 장치를 이용하여 상기 하이브리드 재료와 상기 멀티층을 프레싱하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 개구부 및/또는 상기 하이브리드 재료에 결합된 적어도 하나 이상의 강화 구조물을 형성한다.

Description

3차원 구조체와 이의 제조 방법{3D STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 3차원 구조체와 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬유 강화 폴리머 페이즈와 금속 시트를 포함하는 멀티층 복합체를 하이브리드 재료와 결합하여 3차원 구조체를 제조하는 방법과 구조상의 무결성(structural integrity)과 높은 강도와 내구성을 지닌 3차원 구조체에 관한 것이다.
합성수지를 이용한 성형품의 사용이 다양한 산업 분야에서 광범위하게 이루어지고 있다. 자동차, 전자, 정밀기계 부품 등의 영역에 이용되는 합성수지 성형품은 경량화와 물성 향상이 요구되기 때문에, 이를 충족시키기 위한 강화섬유에 대한 연구개발도 꾸준히 지속되고 있다. 예를 들어, 최근 경량화 소재로 각광받고 있는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 복합재료 등이 그 예이다.
다양한 강화섬유를 이용한 프레스 성형과 관련하여, 강화용 섬유에 열경화성 또는 열가소성 수지를 미리 함침시킨 시트 형태의 중간재인 프리프레그(Preimpregnated Materials)를 이용한 성형 공정은 열과 압력을 주는 방식에 따라 오토클레이브 성형, 진공백 성형, 시트 롤링성형, 프레스 성형 등 다양한 방법으로 구분되는데, 아직까지는 수작업이 상당히 많은 부분을 차지하고 있다.
특히, 차량 이너도어와 같은 차체부품은 다양한 표면 구조(직선/곡선, 굽힘, 개구(opening), 홀, 돌출 구조, 부착 등)를 가질 뿐만 아니라, 차체부품 내부에 수용(삽입)되는 다양한 구조물이 존재하기 때문에, 종래와 같이 스틸 패널을 별도로 성형한 뒤 강화섬유 등의 별도 소재를 적용하려면 표면 구조나 구조물에 따라 수차례의 작업 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있다. 복합재를 금속에 결합시키는 것은 지금까지 대부분 파스너(fasteners)에 의존하고 있으며, 이는 하중지지 섬유를 손상시키는 드릴링 구멍을 필요로 한다. 접착제(Adhesive)를 이용한 결합이 사용되기도 했으나, 이러한 방식으로 다수의 물질이 결합하기 어려울 뿐만 아니라 접착제는 재료와 무게를 추가하는 문제점이 있다.
또한, 강화 섬유 중간재 결합을 위해 금속 패널의 표면 구조에 고가의 사전 처리(laser pretreating metal)가 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 복잡한 3D 형상에 우수한 물성치를 제공하는 연속섬유 강화 복합재료의 이방향성이 어려운 설계를 극복하게 하고, 고속 성형이 우수하며, 경량화와 향상된 물성을 가지면서, 자동화된 치수 안정성을 갖도록, 다양한 표면 구조를 갖는 성형 부품의 제조공정을 줄여 원가 절감 및 수율 향상을 도모할 수 있는 새로운 재료에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-0581123B1호 (2006.05.10. 등록) 일본등록특허 제4825348B2호 (2011.09.16. 등록)
본 발명은 상술한 기술적 요구를 감안하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 경량화와 향상된 물성을 갖는 동시에 성형 공정을 단순화할 수 있는 멀티층 재료와 하이브리드 재료를 결합하여 구조상의 무결성(structural integrity)과 높은 강도와 내구성을 지닌 3차원 구조체를 제조할 수 있는 방법과 이에 의해 제조된 3차원 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 복합 재료 및 등방성 3D 복합 재료의 완벽한 풀(full) 3D 성형성을 도모할 수 있고, 복합재와 금속의 고유한 성능 통합 및 고유 재료에 맞는 디자인 기능을 갖춘 부품, 표면 구조 등을 포함하는 다양한 설계 구조의 형성을 단일 성형 공정만으로 완성도 높게 달성할 수 있는 3차원 구조체를 제조할 수 있는 방법과 이에 의해 제조된 3차원 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 압축 프레스 또는 사출 성형기와 같은 기존의 고속 금속 및 폴리머 제조 인프라를 그대로 사용 가능하게 하는 3차원 구조체를 제조할 수 있는 방법과 이에 의해 제조된 3차원 구조체를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법은, 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase)와 금속 시트(metallic sheet)를 열압착하여 멀티층을 형성하는, 멀티층 형성 단계; 상기 멀티층에 적어도 하나 또는 다수의 개구부(opening)를 가공하는, 개구부 가공 단계; 및 상기 개구부를 갖는 멀티층과 하이브리드 재료를 결합하여 3차원 구조체를 제조하는, 결합 단계;를 포함하고, 상기 결합 단계는, 프레스 장치를 이용하여 상기 하이브리드 재료와 상기 멀티층을 프레싱하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 개구부 및/또는 상기 하이브리드 재료에 결합된 적어도 하나 이상의 강화 구조물을 형성한다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법은, 금속 시트(metallic sheet)에 적어도 하나 또는 다수의 개구부(opening)을 가공하는, 개구부 가공 단계; 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase) 및 상기 금속 시트를 열압착하여 멀티층을 형성하는, 멀티층 형성 단계; 상기 개구부를 갖는 멀티층과 하이브리드 재료를 결합하여 3차원 구조체를 제조하는, 결합 단계;를 포함하고, 상기 결합 단계는, 프레스 장치를 이용하여 상기 하이브리드 재료와 상기 멀티층을 프레싱하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 개구부 및/또는 상기 하이브리드 재료에 결합된 적어도 하나 이상의 강화 구조물을 형성한다.
여기서, 상기 멀티층에 형성된 상기 개구부 상에 몰드(mold)를 배치한 후, 상기 프레스 장치를 이용해 상기 멀티층과 상기 몰드를 프레싱하여, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 개구부와 상기 몰드에 형성된 빈 공간으로 유동됨으로써 제1 강화 구조물가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 프레스 장치를 이용해 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 하이브리드 재료를 둘러싸는 제2 강화 구조물 및 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 금속 시트의 가장자리를 둘러싸는 제3 강화 구조물을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는, 불연속(discontinuous) 섬유이고, 램덤 배열을 갖는 스트랜드(strand) 또는 플레이트렛(platelet) 타입의 섬유 복합재를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 멀티층 형성 단계에서의 상기 멀티층은, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈와 상기 금속 시트의 접촉 계면이 국부적으로 용융되어 형성된 후, 시트 형태로 절단되어 형성될 수 있다.
여기서, 상기 멀티층 형성 단계에서의 상기 멀티층은, 이소트러스층 또는 폼층을 더 포함하고, 상기 멀티층 형성 단계는, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈, 상기 이소트러스층 또는 폼층 및 상기 금속 시트를 열압착하여 상기 멀티층을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 개구부는, 홀, 슬릿 및 슬롯 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하이브리드 재료는, 상기 하이브리드 재료는, 토우(Tow, 또는 pre-impregnated preform 프리프레그(prepreg)), 기능화된 3차원 토우(functional 3D tow), 엠-토우(M-Tow=braided with glass, natural, carbon fiber tow), 3차원 이소트러스(3D Isotruss) 구조물, 금속 복합 3차원 이소트러스(metal composite 3D Isotruss) 및 UD 테이프 복합체 중 어느 하나일 수 있다.
여기서, 상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물과 금속이 결합된 구조물일 수 있다.
여기서, 상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물, 금속 및 상기 토우가 결합된 구조물일 수 있다.
여기서, 상기 테이프 복합체는, 방향성을 갖는 테이프 다수개가 다수의 방향으로 적층된 것일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 3차원 구조체는, 하이브리드 재료; 적어도 하나 또는 다수의 개구부를 갖는 금속 시트; 및 상기 금속 시트의 상기 개구부를 통해 외부로 돌출된 제1 강화 구조물을 포함하는 섬유 강화 폴리머 페이즈;를 포함한다.
여기서, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는, 상기 하이브리즈 재료를 둘러싸는 제2 강화 구조물을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는, 상기 금속 시트의 가장자리를 둘러싸는 제3 강화 구조물을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 개구부는, 홀, 슬릿 및 슬롯 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하이브리드 재료는, 토우(Tow, 또는 pre-impregnated preform, 프리프레그(prepreg)), 기능화된 3차원 토우(functional 3D tow), 엠-토우(M-Tow fiber braided tow), 3차원 이소트러스(3D Isotruss) 구조물, 금속 복합 3차원 이소트러스(metal composite 3D Isotruss) 및 UD 테이프 복합체 중 어느 하나일 수 있다.
여기서, 상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물과 금속이 결합된 구조물일 수 있다.
여기서, 상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물, 금속 및 상기 토우가 결합된 구조물일 수 있다.
여기서, 상기 테이프 복합체는, 일 방향성을 갖는 테이프 다수개가 다수의 방향으로 적층된 것일 수 있다 (접합 블랭크(tailored blanks,laminate)).
여기서, 상기 금속 시트와 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈 사이에 배치된 이소트러스층 또는 폼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 3차원 구조체와 이의 제조 방법에 의하면, 구조상의 무결성과 높은 강도와 내구성을 지닌 3차원 구조체를 얻을 수 있는 이점이 있다.
또한, 별도의 접착제 없이 멀티층을 형성할 수 있고, 멀티층의 섬유 강화 폴리머 페이즈를 유동시켜 멀티층에 형성된 개구부에 결합시킴으로서, 멀티층의 결합력을 향상시킬 수 있는 이점도 있다.
또한, 최소 2번의 프레스 작업으로 특정 형상의 3차원 구조물을 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법의 순서도이다.
도 2의 (a) 내지 (b)는 도 1에 도시된 멀티층 형성 단계(110)를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티층 재료의 섬유 강화 폴리머 페이즈를 구성하는 섬유 복합재(fiber composite)를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a) 내지 (b)는 도 1에 도시된 멀티층의 다른 일 예들을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 개구부 형성 단계(130)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 7은 도 1에 도시된 멀티층과 하이브리드 재료 결합 단계(150)를 설명하기 도면들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법의 순서도이다.
도 9의 (a) 내지 (b)는 도 8에 도시된 개구부 가공 단계(210)와 멀티층 형성 단계(230)를 설명하기 위한 도면이다.
도 10는 하이브리드 재료(400, 400')로서의 엠-토우(M-Tow, fiber braided tow)의 여러 예들을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 3차원 이소트러스 구조물의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법을 이용하여, 3차원의 이소트러스 구조물(400'')과 멀티층(115)을 결합시켜 특정 형상의 3차원 구조체를 제조한 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 14는 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 다른 금속 복합 3차원 이소트러스 복합체의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 15는 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 또 다른 UD 테이프 복합체(400''''')의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 16는 본 발명의 실시 형태에 따른 3D 구조체 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 배터리 팩의 단면도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 형태를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 형태는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 형태는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 형태에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 형태로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 형태 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법은, 멀티층 형성 단계(110), 개구부 가공 단계(130) 및 멀티층과 하이브리드 재료 결합 단계(150)을 포함할 수 있다.
멀티층 형성 단계(110)는 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase)와 금속 시트(metallic sheet)를 열압착하여 멀티층을 형성한다. 열압착은 핫 프레스 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 멀티층을 열압착으로 형성하면, 종래에 패브릭(fabric) 또는 라미네이트(laminate) 형태로 금속 시트에 섬유를 부착하는 것에 비해 제조가 간단하고 빠르며 저렴한 이점이 있다.
도 2의 (a) 내지 (b)는 도 1에 도시된 멀티층 형성 단계(110)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)와 금속 시트(111)를 열압착하여, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 멀티층(115)를 형성할 수 있다.
멀티층(115)은 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)와 금속 시트(111)의 접촉 계면이 열에 의해 국부적으로 용융되어 형성된 후, 시트 형태로 절단되어 형성된 것일 수 있다.
여기서, 금속 시트(111) 상에 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 위치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 위치가 뒤바뀔 수도 있다. 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)와 금속 시트(111)의 결합은 유도/적외선 가열(induction/Infrared heating), 접착/스크래치 금속 결합/코팅(adhesive /scratched metal joining/coating) 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.
금속 시트(111)는, 예를 들어, 알루미늄일 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 다양한 금속 재질로 형성된 시트일 수 있다. 특히, 프레스 성형 가능한 금속 재질로 제조될 수 있다.
금속 시트(111)에는 페인트 코팅(paint coating)이 될 수 있다.
금속 시트(111)에 표면 보호(surface protection), 표면에 접착(adhesive for surface), 또는 접착 전처리(adhesive pretreatment) 공정을 하지 않아도 된다. 본 발명의 실시 형태에 따른 3D 구조체 제조 방법에서는 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 포밍 플로우되어 개구부(홀)에 채워지기 때문에, 별도의 전처리 없이도 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)와 금속 시트(111)의 접착력이 강화될 수 있다. 따라서, 금속 시트(111)에 부식(corrosion)이 있다고 하더라도, 금속 시트(111)에 별도의 전처리 없이 바로 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)를 증착하여 결합시킬 수 있는 효과가 있다.
섬유 강화 폴리머 페이즈(112)는 섬유와 폴리머 페이즈의 혼합으로 제조될 수 있다.
폴리머 페이즈(polymer phase)와 섬유(Fiber)는 처리 공정을 거쳐 혼합 재료로 형성된다. 폴리머 페이즈는 열가소성 수지(Thermoplastic Resin), 열경화성 수지(Thermosetting Resin) 등 다양한 수지 재료, 구체적으로, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리아미드(PA), 폴리올레핀일레스토머(TPE) 등의 수지 재료를 이용할 수 있고, 섬유(Fiber)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등의 보강재로 이용되는 다양한 섬유 재료가 단독으로 혹은 혼합하여 이용될 수 있다.
이후, 폴리머 페이즈와 수지의 혼합 재료의 최종 가공 형태에 따라 적절한 공정이 추가될 수 있으며, 이는 최종 가공 형태에 따라 공정의 차이가 있을 수 있다. 구체적으로, 냉각 공정(cooling process), 풀링 공정(pulling process), 와인딩 공정(winding process)/컷팅 공정(cutting process) 등을 거쳐 UD 테이프(unidirectional tape), 스트랜드(strand), 플레이틀렛(platelet) 형태의 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)를 제조할 수 있다. 그 밖에 처리 공정을 거친 재료에 대하여 약품처리를 수행하는 표면활성 공정 등이 더 포함될 수 있다.
마지막으로, UD 테이프(unidirectional tape), 스트랜드(strand), 플레이틀렛(platelet) 형태의 재료는 핫프레스 공정(hot press process)를 거쳐 평판 형상의 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)로 제조될 수 있다.
여기서, 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 탄소섬유를 포함하면, 제조되는 3D 구조체의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 제조될 3D 구조체가 배터리 팩일 경우에, 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 탄소섬유이면, 배터리 셀에서 발생되는 열 전달 효율이 향상되기 때문에, 배터리 팩의 냉각 또는 추운 날씨에 배터리 워밍업/예열 전 효율을 향상시킬 수 있고, 배터리 팩 내의 온도를 올리고 낮추기 위한 다른 에너지의 사용을 줄일 수 있다.
섬유 강화 폴리머 페이즈(112)는 불연속(discontinuous) 섬유 강화 폴리머 페이즈(COMPOSITES)로서 램덤 배열을 갖는 스트랜드(strand) 또는 플레이트렛(platelet) 타입의 섬유 강화 폴리머 페이즈일 수 있다. 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티층 재료의 섬유 강화 폴리머 페이즈를 구성하는 섬유 복합재(fiber composite)를 설명하기 위한 도면이다.
섬유 강화 폴리머 페이즈(112)를 구성하는 섬유는 플레이틀렛(Platelet) 또는 스트랜드(Strand) 구조의 불연속적 배열을 갖는 것이 바람직하며, 플레이틀렛 또는 스트랜드가 램덤(Random)하게 배열 적층된 형태를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
섬유 복합재는 연속섬유(장섬유, Continuous)와 불연속섬유(단섬유, Discontinuous)로 구분되고, 섬유의 성질과 별개로 섬유의 길이(단섬유 혹은 장섬유)도 재료의 강도나 강성에 영향을 주게 되는데, 본 발명에 따른 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)의 재료인 섬유 복합재는 도 3에서의 불연속섬유(단섬유, Discontinuous)를 채용한다.
이때, 섬유 복합재는 정배열(aligned)과 랜덤배열(random)이 이루어진 재료를 채용할 수 있으나, 램덤배열 구조의 섬유 복합재를 채용하는 것이 더욱 바람직하다.
섬유의 구조는 양방향성(BD, Bidirectional), 단방향성(UD, Unidirectional), 정배열(aligned), 랜덤 배열(random) 등으로 구분될 수 있고, 직물(Fabric), UD 테이프, 토우(Tow Prepreg), 플레이틀렛(Platelet), 스트랜드(Strand) 등으로 구현될 수 있으며, 유리섬유(glass fiber), 천연섬유(natural fiber), 탄소섬유(carbon fiber) 등으로 편조된 엠-토우(M-tow fiber braided prepreg)로 구현될 수도 있다.
본 발명에 따른 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)에 이용되는 섬유 복합재는 불연속섬유이고 랜덤배열 구조를 갖는 플레이틀렛 또는 스트랜드를 적층재로서 선택하며, 해당 사양의 섬유 복합재와 금속(특히, 알루미늄)이 결합함으로써 본 발명의 기술적 효과를 증강시킬 수 있게 된다.
도 3을 참조하면, 섬유 복합재의 강성(Stiffness), 강도(Strength) 또는 내변형성(Resistance to Creep/Stress relax)은 좌측에서 우측으로 갈수록 월등한 특성을 나타내게 된다.
또한, 섬유 복합재와 금속의 접합시 소정의 가압과 가열에 따른 섬유 복합재의 포밍 플로우(Forming Flow) 특성을 살펴보면, 랜덤배열의 플레이틀렛 또는 스트랜드형 섬유와 금속의 적층 구조는 포밍 플로우시 등방향성(Isotropic) 특성을 나타낸다. 즉, 랜덤배열의 플레이틀렛 또는 스트랜드형 섬유를 채택함으로써, 포밍시 방향 제어나 성형 균일성을 확보하는 것이 가능해진다.
이에 반해, 패브릭(Fabric), UD 테이프(unidirectional tape)의 연속 섬유는 이방향성(anisotropic) 특성을 가지므로, 설계하고자 하는 위치로 폴리머 페이즈의 흐름을 제어하는 것이 어렵게 된다. 특히, 토우(Tow, 또는 Prepreg)의 경우는 정해진 특정방향성(Tailored)을 갖기 때문에 마찬가지로 포밍 플로우의 제어를 통한 다양한 형태의 제품 생산의 난점을 갖는다
또한, 정배열된 플레이틀렛/스트랜드에 비하여 랜덤 배열된 플레이틀렛/스트랜드형 섬유 복합재를 이용하면 위와 같은 이점을 갖게 되며, 특히, 랜덤배열의 플레이틀렛 또는 스트랜드형 섬유를 채택할 때 상기 이점을 극대화할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 멀티층(110) 재료는 다양한 세부 구조, 여기서 간략히 언급하면, 가열 및 가압 중 적어도 하나에 의하여 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향 중 적어도 하나를 결정하는 세부 구조가 가공된 상태로 존재하며, 이에 의하여 프레스 성형의 효율성을 높이고, 최종 성형물의 완성도를 높일 수 있다.
정리하면, 본 발명에 따른 제조 방법에 있어서 랜덤 배열 구조의 플레이틀렛을 이용하는 경우, 등방성(isotropic) 성질에 의하여, 스탬핑(stamping)시 포밍 플로우(forming flow)의 자유도가 향상될 뿐만 아니라, 치수안정성(dimensional stability) 면에서도 월등한 성능을 발휘하게 된다.
반면, 종래의 패브릭(fabric)은, 랜덤 배열 구조의 스트랜드(strand)나 플레이틀렛(platelet)을 이용하는 것에 비하여 아래와 같은 단점이 있다.
① 복잡한 3차원 모양의 설계(design)를 위한 패브릭(Fabric)의 이용시, 패브릭의 모양에 따라 이중 곡률, 삼중 곡률 또는 저곡률 모서리와 같은 자동차 부품이나 복잡한 사면체 형상에 있어서는, 복잡한 3D 형상의 금속 시트 위에 적층된 패브릭에 있어서 층내 섬유 미끄러짐(intra-ply yarn sliding)과 같은 문제점이 생김
② 복잡한 3D 설계를 위한 금속 시트 위에서 패브릭이 적층되면 설계 단계에서 발생할 수 있는 결함은 최종 부품의 예상 기계적 성능을 저하시킬 수 있음. 패브릭 내 슬라이딩은 자주 관찰되는 결함이므로 예비 성형 동안 그 메커니즘이 완전히 이해되지 않을 수 있음
③ 3D 형상의 설계를 위한 패브릭(Fabric)은 조직이 방향성을 갖고 있기 때문에, 포밍 플로우(forming flow)의 제어가 쉽지 않으며, 금속 시트 위에서 패브릭이 제대로 정렬되지 않으면, 겹쳐진 패브릭 조직의 방향성이 서로 어긋나 강성이나 표면 균일도를 저하시키는 원인으로 작용함
④ 패브릭은 이등방성(anisotropic) 구조이며, 이를 등방성(isotropic) 구조로 구현하기 위해서 소정의 각도(예: 90도)를 갖도록 하여 적층할 수 있지만, 패브릭은 원자재 자체가 고가이므로 경제적이지 않음
⑤ 금속 시트 위에서 두 겹 이상의 패브릭이 적층되면 가열이 제대로 이루어지지 않기 때문에 스탬핑 공정으로 3D 형상을 만들기가 곤란함
⑥ 성형 장치 공급시 패브릭의 컷팅이 필요하므로 스크랩 레이트(scrap rate)가 매우 높을 수밖에 없고, 이는 제조 단가의 상승을 가져옴
⑦ 금속 시트 위에 패브릭이 적층되면 3D 강화 및/또는 강화 설계를 위해 두 번째 사출 성형 또는 스탬프 성형 제조 작업이 필요하며 이는 모든 부품 형상에서 가능하지 않을 수 있음
⑧ 자동화된 성형 제조에서는 치수 안정성을 기대하기 어려움
결국, 종래의 패브릭을 대신하여 랜덤 배열의 플레이틀렛(platelet)이나 스트랜드(strand)을 채용하는 것에 의하여, 위에서 언급한 단점을 해소하고, 성형품의 퀄리티를 향상시키게 된다.
종래의 ATL(Automated Tape Laying), AFP(Automated Fiber Placement) 성형되는 라미네이트(laminate)나 블랭크(blank)는 랜덤 배열 구조의 플레이틀렛(platelet)을 이용하는 것에 비하여 스크랩 레이트(scrap rate)가 매우 높을 수밖에 없고, 복잡한 3D 설계를 위한 금속 시트 위에 라미네이트(laminate)나 블랭크(blank)가 적층되면 제조 단가가 상승할 수 있고, 높은 싸이클 타임(cycle time)과 높은 성형 가격, 복잡한 3D 설계의 어려움과 같은 많은 단점이 존재한다.
또한, 라미네이트/패브릭 복합재를 금속에 결합시키기 위해서는 접착제(Adhesive)가 필수적으로 요구되고, 이는 재료 공급에 따른 비용 상승과 무게 증가의 문제점이 있다. 뿐만 아니라 강화섬유 중간재 결합을 위해 금속 시트 또는 금속 패널의 표면에 고가의 사전 처리(laser pretreating)가 필요하다는 문제점도 존재한다.
한편, 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)는 재생 섬유와 폴리머 페이즈로 구성된 것일 수도 있다.
멀티층(115)는 다양한 세부 구조, 여기서 간략히 언급하면, 가열 및 가압 중 적어도 하나에 의하여 용융된 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향 중 적어도 하나를 결정하는 세부 구조가 가공된 상태로 존재하며, 이에 의하여 프레스 성형의 효율성을 높이고, 최종 성형물의 완성도를 높일 수 있다.
한편, 도 4의 (a) 내지 (b)는 도 1에 도시된 멀티층의 다른 일 예들을 보여주는 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 다른 일 예에 따른 멀티층(115')은 도 2에 도시된 멀티층(115)와 비교하여 추가로 이소트러스층(isotruss layer, 113)을 더 포함할 수 있다. 이소트러스층은, 금속 재질의 재료로서의 3차원의 이소트러스 구조물을 포함할 수 있다. 여기서, 이소트러스는 다각형의 개방형 피라미드 형태를 의미할 수 있다. 이러한 이소트러스층은, 도 2에 도시된 멀티층(115)과 비교하여, 멀티층(115')의 구조적 안정성과 강도를 향상시키는 이점이 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 다른 일 예에 따른 멀티층(115'')은 도 2에 도시된 멀티층(115)와 비교하여 추가로 폼층(foam layer, 113')을 더 포함할 수 있다. 폼층(113')은 쿠션(cushion)층으로도 명명될 수 있다. 폼층(113')은 폴리우레탄과 같은 재질로 구성될 수 있다. 폼층(113')은 금속 시트(111) 및/또는 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)의 두께보다 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 이러한 멀티층(115'')은 폼층(113')을 포함하기 때문에, 멀티칭(115'')으로 3차원 구조체의 제조 시, 3차원 구조체의 소음 제어(noise control)가 가능한 이점이 있다. 특히, 3차원 구조체가 비행기나 자동차, 또는 전기 자동차의 파워 트레인(power train) 배터리 팩(battery pack)에 사용되는 생산품의 부품인 경우에, 폼층(113')에 의해 외부로부터의 소음을 제거할 수 있는 이점이 있다.
다시 도 1을 참조하면, 개구부 형성 단계(130)는 110 단계에서 형성된 멀티층(115)에 적어도 하나 또는 다수의 개구부(opening)를 가공한다. 여기서, 멀티층(115)은 도 4의 (a) 내지 (b)의 멀티층(115', 115'')일 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 개구부 형성 단계(130)를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 5는 도 2에 도시된 멀티층(115)에 개구부를 형성하는 것을 도시하고 있으나, 도 4의 (a) 내지 (b)에 도시된 멀티층(115', 115'')에 개구부를 형성하는 것도 본 발명에 포함되는 것으로 이해해야 한다.
도 5를 참조하면, 110 단계에서 형성된 멀티층(115)에 적어도 하나 이상 또는 다수의 개구부(115o)를 가공한다.
개구부(115o)는 멀티층(115)의 금속 시트(111)와 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)의 일 부분을 함께 관통되도록 형성될 수 있다.
개구부(115o)가 가공되는 위치는 제작될 3D 구조체에 따라 달라질 수 있다. 개구부(115o)는 후술할 하나 또는 다수의 강화 구조물의 위치에 대응될 수 있다.
개구부(115o)는 레이저를 이용하여 가공될 수도 있고, 기타 다른 여러 방법으로 개구부(115o)가 가공될 수 있다.
개구부(115o)는 홀(hole), 슬릿(slit) 및 슬롯(slot) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
개구부(115o)의 크기나 형상에 따라 후술할 강화 구조물의 형상이 달라질 수 있다.
멀티층과 하이브리드 재료 결합 단계(150)는, 개구부(115o)를 갖는 멀티층(115)과 하이브리드 재료를 결합하여 3차원 구조체를 제조한다.
멀티층(115)은 성형 장치나 프레스 장치 등에 삽입되어 상부 및/또는 하부로부터 압력이 가해진다. 이때, 고온의 열이 멀티층 재료(115)에 대하여 함께 인가될 수 있다. 즉, 멀티층 재료(115)에 대해 열 및 압력 중 적어도 하나를 인가하여 멀티층 재료(115)에 포함된 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)를 용융시킨다. 이때, 성형 장치의 하부 몰드를 소정 형상으로 제작하면, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 하부 몰드의 소정 형상으로 흘러들어 3D 구조체에 상기 소정 형상의 구조물을 형성할 수 있게 된다. 여기에 하이브리드 재료를 혼합하여 강도와 내구성을 향상시킨 3D 구조체를 형성할 수 있다.
도 6 내지 도 7는 도 1에 도시된 멀티층과 하이브리드 재료 결합 단계(150)를 설명하기 도면들이다. 구체적으로, 도 6는 하이브리드 재료(400, 400')와 멀티층(115)의 결합 전의 모습을 도시한 일 예이고, 도 7는 하이브리드 재료(400, 400')와 멀티층(115)을 결합하여 완성된 3D 구조체(500)의 일 예이다.
예를 들어, 도 6를 참조하면, 개구부(115o)를 갖는 멀티층(115)과 하이브리드 재료(400, 400')을 서로 마주보도록 위치시킨 후, 프레스 장치(예를 들면, 핫 프레스 장치)를 이용하여 멀티층(115)과 하이브리드 재료(400, 400')가 서로 결합되도록 프레싱함으로써, 도 7에 도시된 바와 같은, 3D 구조체(500)를 제조할 수 있다.
도 7에 도시된 3D 구조체(500)의 제1 강화 구조물(510)을 제조하는 상세 방법의 일 예를 도 6의 A를 참조하여 설명한다.
도 6의 A를 참조하면, 프레스를 이용하여 멀티층(115)과 하이브리드 재료(400, 400')가 서로 결합되도록 프레싱할 때, 멀티층(115)의 개구부(115o) 상에 미리 제작된 몰드(mold, M)가 배치될 수 있다. 이렇게 몰드(M)가 배치된 상태에서 프레스 장치에 의해 프레싱이 가해지면, 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 눌려 유동되어 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)의 일 부분이 개구부(115o)로 주입되고, 나아가 몰드(M)에 미리 형성된 빈 공간(S)으로 주입될 수 있다. 여기서, 상기 몰드(M)는 프레스 장치의 일 부분으로서 일체로 형성된 것일 수도 있고, 상술한 바와 같이 프레스 장치에 다양한 형태의 몰드가 장착될 수 있다.
멀티층(110)에 사전 가공된 개구부(115o)은 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)의 유량 및/또는 유동 방향을 결정한다. 또한, 멀티층(110)은, 강성이 향상되고 자유도가 증강된 상태로 존재하기 때문에, 유량 및/또는 유동 방향의 조절이 매우 용이하다. 즉, 사전 가공된 개구부(115o)의 직경, 모양, 혹은 개구부(115o)를 정의하는 멀티층(110)의 표면 구조 등에 따라 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)의 유량/및 또는 유동 방향이 결정될 수 있다. 위의 표면 구조는 슬릿 패턴, 그리드 패턴, 돌출 패턴 등의 다양한 패턴일 수 있으며, 상부 또는 하부로 갈수록 테이퍼진 형상(tapered shape)일 수도 있다.
이후, 개구부(115o)와 몰드(M)의 빈 공간(S)으로 주입된 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 경화되면, 금속 시트(111)의 개구부(115o)를 통해 외부로 돌출된 제1 강화 구조물(510)이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 제1 강화 구조물(510)은 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)와 일체로 형성되므로, 구조상의 무결성(structural integrity)이 추가될 수 있다.
도 7에 도시된 3D 구조체(500)의 제2 강화 구조물(520)은, 도 6에 도시된 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 하이브리드 재료(400)를 둘러싸 형성된 것일 수 있다. 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 하이브리드 재료(400)를 둘러싸기 위해서, 프레싱 장치에서 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)와 접촉하는 부분의 형상이 제2 강화 구조물(520)의 형상과 대응되도록 형성될 수 있다. 여기서, 프레스 장치와 섬유 강화 폴리머 페이즈(112) 사이에 제2 강화 구조물(520)의 외형에 대응되는 몰드가 배치되어, 프레스 장치의 동작 시에 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 유동되어 몰드에 의해 제2 강화 구조물(520)이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 제2 강화 구조물(510)은 섬유 강화 구조물(112)과 일체로 형성되므로, 구조상의 무결성(structural integrity)이 추가될 수 있다.
도 7에 도시된 3D 구조체(500)의 제3 강화 구조물(530)은, 도 6에 도시된 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 금속 시트(111)의 가장자리를 둘러싸 형성된 것일 수 있다. 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 금속 시트(111)의 가장자리를 둘러싸기 위해서, 프레싱 장치에서 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)와 접촉하는 부분의 형상이 제3 강화 구조물(530)의 형상과 대응되도록 형성될 수 있다. 여기서, 프레싱 장치와 섬유 강화 폴리머 페이즈(112) 사이에 제3 강화 구조물(530)의 외형에 대응되는 몰드가 배치되어, 프레싱 장치의 동작 시에 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)가 유동되어 몰드에 의해 제3 강화 구조물(530)이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 제3 강화 구조물(530)은 섬유 강화 구조물(112)와 일체로 형성되므로, 구조상의 무결성(structural integrity)이 추가될 수 있다.
도 7에 도시된 3D 구조체(500)는 앞서 상술한 제1 내지 제3 강화 구조물(510, 520, 530) 이외에 다른 강화 구조물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 기능화된 3차원 하이브리드 재료(400')를 둘러싸는 제4 강화 구조물(540)을 더 포함할 수도 있고, 금속 시트(111)와의 결합력을 강화하기 위한 노브(knob) 형태의 제5 강화 구조물(550)을 더 포함할 수도 있다. 또한, 금속 시트(111)와의 결합력을 강화시킴과 함께 3D 구조체(500)를 다른 구조체 또는 어셈블리와 결합시키기 위한 제6 강화 구조물(560)을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 제4 강화 구조물(540)은 제2 강화 구조물(520)과 동일 또는 유사한 방법으로 제조할 수 있고, 제5 강화 구조물(550)과 제6 강화 구조물은 제1 강화 구조물(510)과 동일 또는 유사한 방법으로 제조할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체의 제조 방법은, 다른 접착제 없이 섬유 강화 폴리머 페이즈와 금속 시트를 결합하여 멀티층을 형성하고, 형성된 멀티층에 개구부를 가공하여, 프레스 장치에 압착함으로써, 사용자가 원하는 3차원 구조체를 빠르고, 심플하고 저렴하게 제조할 수 있으며, 3차원 구조체의 리브, 노브(knob), 피처(feature), 질감, 캡슐화, 엣지(edge) 등의 형성이 자유로운 이점도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법의 순서도이다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법은, 개구부 가공 단계(210), 멀티층 형성 단계(230) 및 멀티층과 하이브리드 재료 결합 단계(250)을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법으로 도 7에 도시된 3D 구조체(500)를 제조할 수 있다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법이 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법과 비교하여 차이가 있는 것은, 개구부 가공 단계(210)가 멀티층 형성 단계(230) 전에 수행된다는 점이다. 도 9을 참조하여 이를 구체적으로 설명한다.
도 9의 (a) 내지 (b)는 도 8에 도시된 개구부 가공 단계(210)와 멀티층 형성 단계(230)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 (a)를 참조하면, 금속 시트(111')에 적어도 하나 또는 다수의 개구부(111o)를 가공한다.
개구부(111o)는 금속 시트(111')의 일 부분이 관통되도록 형성될 수 있다.
개구부(111o)가 가공되는 위치는 제작될 3D 구조체에 따라 달라질 수 있다. 개구부(111o)는 후술할 하나 또는 다수의 강화 구조물의 위치에 대응될 수 있다.
개구부(111o)는 레이저를 이용하여 가공될 수도 있고, 기타 다른 여러 방법으로 개구부(111o)가 가공될 수 있다.
개구부(111o)는 홀(hole), 슬릿(slit) 및 슬롯(slot) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
개구부(111o)의 크기나 형상에 따라 후술할 강화 구조물의 형상이 달라질 수 있다.
도 9의 (b)를 참조하면, 금속 시트(111') 상에 섬유 강화 폴리머 페이즈(112')를 형성하여 멀티층(115')을 형성한다. 여기서, 섬유 강화 폴리머 페이즈(112')와 금속 시트(111')를 열압착하여 멀티층(115')를 형성할 수 있다.
멀티층(115')은 섬유 강화 폴리머 페이즈(112')와 금속 시트(111')의 접촉 계면이 열에 의해 국부적으로 용융되어 형성된 후, 시트 형태로 절단되어 형성된 것일 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 멀티층과 하이브리드 재료 결합 단계(250)는 도 1 내지 도 7에서 상술한 멀티층과 하이브리드 재료 결합 단계(150)와 동일하므로, 이에 대한 설명은 상술한 내용으로 대체한다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법도 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')에 대해서 이하에서 상세히 설명한다.
하이브리드 재료(400, 400')는, 토우(Tow, the pre-impregnated preform (the prepreg)), 기능화된 3차원 토우(functional 3D tow), 엠-토우(M-Tow, fiber braided Tow), 3차원 이소트러스(3D Isotruss) 구조물, 및 금속 복합 3차원 이소트러스(metal composite 3D Isotruss) 구조물 중 어느 하나일 수 있다. 이하, 각각을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
토우(Tow)는 프리프레그(prepreg, 　the pre-impregnated preform)라고도 불리는 하이브리드 재료로서, 고분자 화합물과 섬유재가 혼합된 소재이다.
엠-토우(M-Tow, fiber braided tow)는, 토우와 같은 하이브리드 재료 스트랜드, 섬유(carbon, glass, natural, basalt)층, 및 코팅층으로 포함하는 복합재일 수 있다. 도 10을 참조하여 엠-토우의 일 예들을 설명한다.
도 10은 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 엠-토우의 여러 예들을 보여주는 도면이다. 구체적으로, 도 10의 (a)는 엠-토우의 일 예이고, 도 10의 (b)는 엠-토우의 다른 일 예이다.
도 10의 (a)를 참조하면, 엠-토우(100)는 하이브리드 재료 스트랜드(120), 하이브리드 재료 스트랜드(120)를 둘러싸는 섬유층(140) 및 섬유층(140)을 둘러싸는 코팅층(160)을 포함할 수 있다.
도 10의 (b)를 참조하면, 엠-토우(300)는 하이브리드 재료 스트랜드(320), 하이브리드 재료 스트랜드(120)를 둘러싸는 코팅층(360)및 코팅층(360)을 둘러싸는 섬유층(340)을 포함할 수 있다.
도 10의 (a) 내지 (b)에서, 하이브리드 재료 스트랜드(120, 320) 는 고분자 화합물과 섬유재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하이브리드 재료 스트랜드(120, 320) 의 형태는 스트랜드 형태뿐만 아니라 밴드 형태 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 재료 스트랜드(120, 320)의 형태는 연속적으로 이어진 스트랜드, 얀, 토우, 번들, 밴드, 테이프 등의 형태와 실질적으로 동일할 수 있다. 하이브리드 재료 스트랜드(120, 320)는 최종 생성물인 하이브리드 재료(300)의 기계적 성능(강성, 내구성, 충격성 등)을 결정하는 주요 구성일 수 있다.
고분자 화합물은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 화합물은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 고분자 화합물과 혼합되었을 때 섬유재는 고분자 화합물의 보강재일 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블의 구조를 가질 수 있다.
섬유층(140, 340)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층(140, 340)은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 섬유층(140, 340)은 탄소(carbon)를 포함할 수 있다. 섬유층(140, 340)이 탄소를 포함하면, 열 전달 효율이 향상될 수 있고, 강성도 높아질 수 있다. 특히, 특히, 제조될 3D 구조체가 배터리 팩일 경우에, 하이브리드 재료로서 엠-토우를 사용하고, 엠-토우의 섬유층이 탄소를 포함하면, 열 전달 효율이 향상되기 때문에, 배터리 팩의 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 배터리 팩 내의 온도를 낮추기 위한 다른 에너지의 사용을 줄일 수 있어 에너지 절감도 가능한 이점이 있다.
섬유층(140, 340)은 편조되어 하이브리드 재료 스트랜드(120, 320) 상에 형성될 수 있는데, 이렇게 편조된 섬유층(140, 340)은 하이브리드 재료 스트랜드(120) 가 방사상으로 가하는 압력(strain)이나 부하(load)를 견딜 수 있는 충분한 강성을 가질 수 있다.
코팅층(160, 360)은 코팅 폴리머일 수 있다. 코팅 폴리머는 엠-토우(100, 300)를 기초로 형성될 입체물이 적절한 결합(suitable bonding)을 갖도록 할 수 있다. 토우(100)의 표면에 코팅층(160)이 위치하는 실시 예에서 고점성(high viscosity)을 갖는 코팅 폴리머가 선택될 수 있다.
도 10의 (a) 내지 (b)에 도시된 실시 예들에 따른 엠-토우(100, 300)는 하이브리드 재료 스트랜드(120, 320), 섬유층(140, 340) 및 코팅층(160, 360) 사이의 물리적 상호작용에 기초하여 높은 강성, 내구성, 충격성을 가질 수 있다.
기능화된 3차원 토우(functional 3D tow)는 상술한 토우 또는 엠-토우를 기능적으로 변형시킨 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 내부가 빈 공간을 갖는 하이브리드 재료(400')일 수 있다. 내부의 빈 공간에 광섬유, 압전섬유, 전기케이블 등이 배치되거나, 내부의 빈 공간이 공조 시스템 상의 공기 유동 통로로 이용되거나 물, 냉각액 등이 흐르는 튜브로 기능하거나, 감지 필라멘트나 센서 등의 부품이 삽입되는 수용 공간으로 기능할 수도 있는 이점이 있다.
도 11은 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 3차원 이소트러스(isotruss) 구조물의 일 예를 보여주는 도면이다.
3차원 이소트러스 구조물은, 도 11에 도시된 바와 같이, 금속 재질의 재료가 3차원의 이소트러스 구조를 갖는 것을 의미한다. 여기서, 이소트러스는 다각형의 개방형 피라미드 형태를 의미할 수 있다. 이러한 3차원 이소트러스 구조물은 구조적 안정성과 높은 강도를 갖는 이점이 있다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 3차원 구조체 제조 방법을 이용하여, 3차원의 이소트러스 구조물(400'')과 멀티층(110)을 결합시켜 특정 형상의 3차원 구조체를 제조한 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 3차원 이소트러스 구조물(400'')은 완성된 3차원 구조체의 강도와 내구성을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 13은 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 13을 참조하면, 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물(400''')은 도 11 또는 도 12에 도시된 바와 같은, 3차원 이소트러스 구조물(400'')와 금속(M)의 복합체일 수 있다. 이러한 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물(400''')을 하이브리드 재료로서 이용하여 3차원 구조체를 제조하면, 제조된 3차원 구조체의 강도와 내구성을 도 11 또는 도 12보다 더 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 14는 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 다른 금속 복합 3차원 이소트러스 복합체의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 14를 참조하면, 다른 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물(400'''')은 도 11 또는 도 12에 도시된 바와 같은 3차원 이소트러스 구조물(400'')과 금속(M)에 추가로 토우, 또는 도 10에 도시된 바와 같은 엠-토우(T)가 더 포함된 복합체일 수 있다. 이러한 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물(400'''')을 하이브리드 재료로서 이용하여 3차원 구조체를 제조하면, 제조된 3차원 구조체의 강도와 내구성을 도 13보다 더 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 15는 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400, 400')로서 이용가능한 또 다른 테이프 복합체(400''''')의 일 예를 보여주는 도면이다.
UD 테이프 복합체(400''''')는 도 3에 도시된 UD 테이프(tape)가 다수로 이용된 것일 수 있다.
도 15에 도시된 UD 테이프 복합체(400''''')는 다수의 UD 테이프(1500)를 포함한다. 다수의 UD 테이프(1500)는 다양한 방향으로 서로 겹쳐서 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 다수의 제1 테이프들이 제1 방향(d1)을 따라 배치될 수 있고, 다수의 제2 테이프들이 다수의 제1 테이프들 상에 제2 방향(d2)을 따라 배치될 수 있고, 다수의 제3 테이프들이 다수의 제2 테이프들 상에 제3 방향(d3)을 따라 배치될 수 있으며, 다수의 제4 테이프들이 다수의 제3 테이프들 상에 제4 방향(d4)을 따라 배치될 수 있다.
여기서, 다수의 제1 테이프들, 다수의 제2 테이프들, 다수의 제3 테이프들 및 다수의 제4 테이프들은 순차적으로 아래에서 위로 적층된 후, 맨 위에 배치된 다수의 제4 테이프들의 몇몇 부분에 소정의 압력을 가하여 다수의 제1 테이프들, 다수의 제2 테이프들, 다수의 제3 테이프들 및 다수의 제4 테이프들 서로 밀착시켜 결합시킬 수도 있다. 이 경우, 도 15에 도시된 바와 같이, 압력이 가하진 위치에 소정의 흠집(1550)이 남을 수 있다.
여기서, 제1 방향(d1)과 제2 방향(d2)는 서로 수직할 수 있고, 제3 방향(d3)과 제4 방향(d4)는 서로 수직할 수 있으며, 제1 방향(d1)과 제3 방향(d3)는 예각으로서 예를 들어 45도 각도를 이룰 수 있다.
여기서, 도 15는 테이프 복합체(400''''')는 일 예로서, 제5 방향 이상의 방향들로도 다수의 테이프들이 배치될 수 있다.
이와 같이, 일 방향성을 갖는 테이프(1500)를 다수개 이용하여 다양한 방향성을 갖도록 적층시킨 테이프 복합체(400''''')는 다양한 방향성을 갖게되므로, 도 1 또는 도 8에 도시된 3D 구조체 제조 방법에서 하이브리드 재료로서 이용되면, 섬유 복합체가 테이프 복합체(400''''')의 다양한 방향성을 따라 유동할 수 있게 된다. 따라서, 하나의 테이프(1500)에 의한 단일 방향성에 제한받지 않고, 여러 방향으로 섬유 복합체가 유동할 수 있게 되어 사용자가 원하는 2D로부터 3D에 가까운 3차원 구조체를 제작할 수 있다.
특히, 도 15에 도시된 테이프 복합체(400''''')를 도 1 또는 도 8에 도시된 2D to nearly 3D 구조체 제조 방법의 하이브리드 재료로서 이용되면, 비행기의 부품과 같은 대면적 또는 대형 부품을 한 번에 제조할 수 있는 이점도 있다.
도 16는 본 발명의 실시 형태에 따른 3D 구조체 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 배터리 팩(battery pack)의 단면도이다.
도 16에 도시된 배터리 팩은 전기 자동차의 전기 배터리를 수납하는 박스일 수 있다. 이러한 배터리 팩은 배터리 모듈(battery module, 1610), 프레임(frame, 1630), 배터리 모듈 트레이(battery module tray, 1650), 냉각부(cooling components, 1670) 및 배터리 커버부(battery cover components, 1690)을 포함할 수 있다.
베터리 모듈(1610)은 전기자동차에 전력을 공급하는 모듈일 수 있다. 다수로 배터리 팩 내에 배치될 수 있다.
프레임(1630)은 다수의 배터리 모듈(1610)들 각각을 분리시키고, 각 배터리 모듈(1610)을 보호하기 위한 것일 수 있다. 인접한 두 개의 프레임(1630) 사이사이에 배터리 모듈(1610)이 배치될 수 있다.
배터리 모듈 트레이(1650)는 다수의 배터리 모듈(1610)이 안착되는 트레이일 수 있다. 배터리 모듈 트레이(1650) 상에 다수의 프레임(1630)들이 일정 간격 떨어져 배치될 수 있다.
냉각부(1670)는 배터리 모듈 트레이(1650) 아래에 배치되고, 배터리 모듈(1610)으로부터 발생되는 열을 흡수하여 배터리 팩의 내부 온도를 낮추게 할 수 있다.
배터리 커버부(1690)은 배터리 팩의 외형을 구성할 수 있으며, 이러한 배터리 커버부(1690) 내에 베터리 모듈(1610), 프레임(1630), 배터리 모듈 트레이(1650) 및 냉각부(1670)이 배치될 수 있다.
배터리 커버부(1690)는 하판(1691), 측판(1693) 및 상판(1695)을 포함할 수 있다. 하판(1691) 상에 냉각부(1670)가 배치될 수 있으며, 측판(1693)은 하판(1691)의 가장자리 상에 결합될 수 있다. 상판(1695)은 측판(1693)들 상에 배치되어 배터리 모듈(1610)을 배터리 팩 내에 밀봉시킬 수 있다.
도 16에 도시된 배터리 팩에서, 배터리 커버부(1690), 프레임(1630) 및 냉각부(1670)를 앞서 도 1 또는 도 8에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 3D 구조체 제조 방법을 통해 제조할 수 있다. 추가적으로 배터리 모듈 트레이(1650)도 본 발명의 실시 형태에 따른 3D 구조체 제조 방법을 통해 배터리 커버부(1690), 프레임(1630) 및 냉각부(1670)와 함께 제조할 수 있다.
예를 들어, 냉각부(1650)를 도 6 내지 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400')와 금속 시트(111)로 형성할 수 있고, 배터리 커버부(1690)의 하판(1691)과 측판(1693) 및 프레임(1630) 중 적어도 둘 이상을 도 6 내지 도 7에 도시된 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)로 형성할 수 있다. 나아가 배터리 모듈 트레이(1650)도 섬유 강화 폴리머 페이즈(112)로 한 번에 형성할 수도 있다.
여기서, 냉각부(1650)를 도 6 내지 도 7에 도시된 하이브리드 재료(400')와 금속 시트(111)로 형성할 수 있는데, 특히, 냉각수가 하이브리드 재료(400')에 형성된 내부 빈 공간을 통해 흘러 배터리 팩 내부의 온도를 낮출 수 있고, 금속 시트(111)가 열 전도율을 높여 배터리 팩 내부의 온도를 빠르게 퍼트릴 수 있게 되는 이점이 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 3D 구조체 제조 방법을 이용하면, 도 16에 도시된 냉각부(1650)를 한 번의 공정으로 제작할 수 있는 이점이 있다.
한편, 배터리 커버부(1690)의 상판(1695)는 별도로 제조되어, 배터리 모듈(1610)이 배터리 팩 내에 장착된 이후에 배터리 커버부(1690)의 측판(1693) 상에 장착될 수 있다.
이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
111: 금속 시트
112: 섬유 강화 폴리머 페이즈
115: 멀티층
115o: 개구부

Claims (21)

  1. 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase)와 금속 시트(metallic sheet)를 열압착하여 멀티층을 형성하는, 멀티층 형성 단계;
    상기 멀티층에 적어도 하나 또는 다수의 개구부(opening)를 가공하는, 개구부 가공 단계; 및
    상기 개구부를 갖는 멀티층과 하이브리드 재료를 결합하여 3차원 구조체를 제조하는, 결합 단계;를 포함하고,
    상기 결합 단계는, 프레스 장치를 이용하여 상기 하이브리드 재료와 상기 멀티층을 프레싱하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 개구부 및/또는 상기 하이브리드 재료에 결합된 적어도 하나 이상의 강화 구조물을 형성하는, 3차원 구조체 제조 방법.
  2. 금속 시트(metallic sheet)에 적어도 하나 또는 다수의 개구부(opening)을 가공하는, 개구부 가공 단계;
    섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase) 및 상기 금속 시트를 열압착하여 멀티층을 형성하는, 멀티층 형성 단계;
    상기 개구부를 갖는 멀티층과 하이브리드 재료를 결합하여 3차원 구조체를 제조하는, 결합 단계;를 포함하고,
    상기 결합 단계는, 프레스 장치를 이용하여 상기 하이브리드 재료와 상기 멀티층을 프레싱하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 개구부 및/또는 상기 하이브리드 재료에 결합된 적어도 하나 이상의 강화 구조물을 형성하는, 3차원 구조체 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 결합 단계는,
    상기 멀티층에 형성된 상기 개구부 상에 몰드(mold)를 배치한 후, 상기 프레스 장치를 이용해 상기 멀티층과 상기 몰드를 프레싱하여, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 개구부와 상기 몰드에 형성된 빈 공간으로 유동됨으로써 제1 강화 구조물가 형성되는, 3차원 구조체 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 결합 단계는,
    상기 프레스 장치를 이용해 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 하이브리드 재료를 둘러싸는 제2 강화 구조물 및 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 상기 금속 시트의 가장자리를 둘러싸는 제3 강화 구조물을 형성하는 3차원 구조체 제조 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는, 불연속(discontinuous) 섬유이고, 램덤 배열을 갖는 스트랜드(strand) 또는 플레이트렛(platelet) 타입의 섬유 복합재를 포함하는, 3차원 구조체 제조 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 멀티층 형성 단계에서의 상기 멀티층은,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈와 상기 금속 시트의 접촉 계면이 국부적으로 용융되어 형성된 후, 시트 형태로 절단되어 형성되는, 3차원 구조체 제조 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 멀티층 형성 단계에서의 상기 멀티층은, 이소트러스층(isotruss layer) 또는 폼층(foam layer)을 더 포함하고,
    상기 멀티층 형성 단계는, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈, 상기 이소트러스층 또는 폼층 및 상기 금속 시트를 열압착하여 상기 멀티층을 형성하는, 3차원 구조체 제조 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개구부는, 홀, 슬릿 및 슬롯 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 3차원 구조체 제조 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 하이브리드 재료는, 토우(Tow), 기능화된 3차원 토우(functional 3D tow), 엠-토우(M-Tow), 3차원 이소트러스(3D Isotruss) 구조물, 금속 복합 3차원 이소트러스(metal composite 3D Isotruss) 구조물 및 테이프 복합체 중 어느 하나인, 3차원 구조체 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물과 금속이 결합된 구조물인, 3차원 구조체 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물, 금속 및 상기 토우와 상기 엠-토우 중 어느 하나가 결합된 구조물인, 3차원 구조체 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 테이프 복합체는, 일 방향성을 갖는 테이프 다수개가 다수의 방향으로 적층된 것인, 3차원 구조체 제조 방법.
  13. 하이브리드 재료;
    적어도 하나 또는 다수의 개구부를 갖는 금속 시트; 및
    상기 금속 시트의 상기 개구부를 통해 외부로 돌출된 제1 강화 구조물을 포함하는 섬유 강화 폴리머 페이즈;를 포함하는, 3차원 구조체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는, 상기 하이브리즈 재료를 둘러싸는 제2 강화 구조물을 더 포함하는, 3차원 구조체.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는, 상기 금속 시트의 가장자리를 둘러싸는 제3 강화 구조물을 더 포함하는, 3차원 구조체.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 개구부는, 홀, 슬릿 및 슬롯 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 3차원 구조체.
  17. 제 13 항에 있어서
    상기 하이브리드 재료는, 토우(Tow), 기능화된 3차원 토우(functional 3D tow), 엠-토우(M-Tow), 3차원 이소트러스(3D Isotruss) 구조물, 금속 복합 3차원 이소트러스(metal composite 3D Isotruss) 구조물 및 테이프 복합체 중 어느 하나인, 3차원 구조체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물과 금속이 결합된 구조물인, 3차원 구조체.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 복합 3차원 이소트러스 구조물은, 상기 3차원 이소트러스 구조물, 금속 및 상기 토우와 상기 엠-토우 중 어느 하나가 결합된 구조물인, 3차원 구조체.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 테이프 복합체는, 일 방향성을 갖는 테이프 다수개가 다수의 방향으로 적층된 것인, 3차원 구조체.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 시트와 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈 사이에 배치된 이소트러스층 또는 폼층을 더 포함하는, 3차원 구조체.
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