KR20220009173A - 다중층 재료, 입체구조용 복합적층재 및 이를 이용한 프레스 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 새로운 3D 하이브리드 기술에 따른 프레스 성형 방법은 금속 시트, 금속 시트상에 적층된 섬유 강화 폴리머 페이즈를 포함하고, 금속 시트는 가열 및 가압 중 적어도 하나에 의하여 용융된 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향 중 적어도 하나를 결정하는 가이드 구조가 사전 가공된 다중층 재료를 이용한다. 이를 이용해, 금속 시트(metallic sheet) 및 섬유 강화 폴리머 페이즈 (fiber-reinforced polymer phase)를 포함하는 다중층 재료를 제공하는 단계 및 다중층 재료에 대해 열 및 압력 중 적어도 하나를 인가하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈를 용융시키는 단계를 거쳐 성형을 수행한다. 본 발명에 따른 다중층 재료는 경량화와 향상된 물성을 갖는 동시에 성형 공정을 단순화할 수 있으며, 특히, 본 발명에 따른 프레스 성형 방법에 의하면 이러한 사전 가공된 가이드 구조가 미리 형성된 다중층 재료를 이용함으로써 복잡한 표면 구조를 포함하는 다양한 설계 구조의 형성을 단일 성형 공정만으로 완성도 높게 달성할 수 있게 된다.

Description

다중층 재료, 입체구조용 복합적층재 및 이를 이용한 프레스 성형 방법{MULTI-LAYER MATERIAL, COMPOSITE LAMINATED MATERIAL FOR THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE, AND PRESS FORMING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 다중층 재료, 입체구조용 복합적층재 및 이를 이용한 프레스 성형 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 가이드 구조를 갖는 다중층 재료를 이용하여 복잡한 표면 구조를 포함하는 다양한 설계 구조의 형성을 단일 성형 공정만으로 달성할 수 있는 다중층 재료, 입체구조용 복합적층재 및 이를 이용한 프레스 성형 방법에 관한 것이다. 새로운 재료(다중층 재료, 입체구조용 복합적층재) 형태의 독창성은 압축 프레스 또는 사출 성형기와 같은 기존의 고속 금속 및 폴리머/복합 재료 제조 인프라를 사용하여 부품 및 제품으로 고속가공 할 수 있다. 취급 및 성형 용이성을 위하여, 결합된 섬유 강화 중합체 및 얇은 금속 시트를 포함하는 신규한 물질 형태 및 그의 조합을 단일 고속성형 공정으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
합성 수지를 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 파스터(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, 강화섬유 중간재 결합을 위해 금속 패널의 표면 구조에 고가의 사전 처리(laser pretreating metal)가 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 복잡한 3D형상에 우수한 물성치를 제공하는 연속섬유 강화 복합재료의 이방향성에 따른 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 발명의 목적은 경량화와 향상된 물성을 갖는 동시에 성형 공정을 단순화할 수 있는 다중층 재료, 입체구조용 복합적층재 및 이를 이용한 프레스 성형 방법을 제공함에 있다. 또한, 본 발명의 목적은 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 다중층 재료, 입체구조용 복합적층재 및 이를 이용한 프레스 성형 방법을 제공함에 있다. 또한, 본 발명의 목적은 압축 프레스 또는 사출 성형기와 같은 기존의 고속 금속 및 폴리머 제조 인프라를 그대로 사용 가능하게 하는 다중층 재료 및 입체구조용 복합적층재를 제공함에 있다.
금속의 고유성능 및 복합재료의 흐름 성형을 통한 완벽한 3D 부품의 성형 성능 및 맞춤형 블랭크(blanks)로 양면 성형 가능한 등방성 폴리머 페이즈(polymer phase)와 금속의 다중층 재료를 제공하고자 하는 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 프레스 성형 방법은 금속 시트(metallic sheet) 및 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber-reinforced polymer phase)를 포함하는 다중층 재료를 제공하는 단계; 및 상기 다중층 재료에 대해 열 및 압력 중 적어도 하나를 인가하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈를 용융시키는 단계;를 포함하고, 상기 금속 시트는 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향 중 적어도 하나를 결정하는 가이드 구조가 사전 가공(pre-machined)된다.
가능한 특징과 기능은 프레스 성형 양면 복합 구조, 프레스 성형 구형 (spherical) 구조, 알루미늄(Aluminium) 강화 구조, 복합재료 보강 구조물, 레이어 부착 노브(Knob), 3D-TOW 프리프레그(prepreg) 보강, 장착 위치의 설정, 모서리로 덮인 구조물들이다
또한, 상기 가이드 구조는 상기 금속 시트 또는 상기 다중층 재료에 대하여 사전 가공되는 슬롯(slot), 홀(hole), 슬릿(slit), 리브(rib). 홈(groove) 및 그리드(grid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 상기 금속 시트 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 분포(distribution of fiber)를 가질 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 섬유 분포 및 상기 가이드 구조 중 적어도 하나는 상기 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 촉진(promote)하거나 억제(inhibit)할 수 있다.
그리고, 상기 압력의 크기 및 인가 방향 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 가이드 구조에 의해 결정되는 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 실제로, 제안된 발명의 일 실시예는 특정 방향으로 섬유의 양 및 배향을 조정(tailor the amount and orientation of the fibers in specific location)하여 일부 방향으로 섬유 강화 중합체의 유동을 촉진시키고 다른 방향으로의 유동을 억제할 수 있다.
또한, 상기 가이드 구조는 상기 금속 시트의 에지(edge)에 형성되어, 상기 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 상기 금속 시트의 에지의 바깥 방향으로 가이드할 수 있다.
그리고, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 랜덤 배열을 갖는 스트랜드(strand) 또는 플레이틀렛(platelet)형 섬유 복합재를 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중층 재료는 금속 시트; 및 상기 금속 시트상에 적층된 섬유 강화 폴리머 페이즈;를 포함하고, 상기 금속 시트는 가열 및 가압 중 적어도 하나에 의하여 용융된 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향 중 적어도 하나를 결정하는 가이드 구조가 사전 가공(pre-machined)될 수 있다.
그리고, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 상기 금속 시트 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 분포(distribution of fiber)를 갖거나, 위치에 따라 불균일한 섬유 농도(nonuniformity of fiber concentration)를 갖는 시트(sheet)형 폴리머 페이즈이며, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 랜덤 배열을 갖는 스트랜드(strand) 또는 플레이틀렛(platelet)형 섬유 복합재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 섬유 분포, 섬유 농도 및 상기 가이드 구조 중 적어도 하나는 상기 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 촉진(promote)하거나 억제(inhibit)할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합적층재는 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase) 및 금속 시트(metallic sheet)가 열 및 압축에 의해 계면 결합을 갖고, 복수의 임의의 위치에는 구조나 형상이 단절된 불연속부(discontinuities)가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 불연속부는 홀(holes), 슬롯(slots), 슬릿(Slits) 또는 사전 가공된 컷아웃(Cut-outs) 구조의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 복합적층재는 금형 내에서 포밍 공정에 의한 3차원 형상의 부품 가공 소재로 사용되고, 상기 포밍 공정 상에서 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 상기 불연속부를 통해 상기 3차원 형상 형성용 상기 금형 내의 공간으로 플로잉(Flowing)될 수 있다.
그리고, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 섬유가 균일하고 랜덤하게 분포되어 시트로 압축되는 랜덤 매트 유형 구조(random-mat type construction), 다양한 종횡비의 단방향 또는 직조 복합 프리프레그(prepreg)의 소판이 시트로 가압되는 랜덤 플레이트렛(random-platelet) 구조일 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 플레이트렛(platelet) 또는 스트랜드(strand) 구조를 가질 수 있다.
그리고, 상기 불연속부를 통해 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈를 플로잉(Flowing)시켜, 리브(ribs), 마운팅 구조, 질감이 있는 영역(textured areas), 상기 금속 시트를 둘러싸는 캡슐 구조, 노브(knobs) 부착 레이아웃 구조, 모서리 커버 구조, 또는 기하학적 형태 구조를 하나 이상 형성할 수 있다.
또한, 상기 복합적층재는 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈 및 금속 시트가 일대일로 계면 결합되는 원-사이드(One-sided) 구조, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈를 기준으로 양측면에 금속 시트가 계면 결합되거나 상기 금속 시트를 기준으로 양측면에 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 계면 결합되는 투-사이드(Two-sided) 구조일 수 있다.
또한, 상기 복합적층재는 상기 금속 시트를 기준으로 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 표면적이 동일한 풀 커버리즈 구조, 상기 금속 시트를 기준으로 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 패치 형태로 다수개 접합되는 패치(Patches) 구조, 또는 상기 금속 시트의 양측부에 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 접합되지 않은 영역을 갖는 프리 엣지(free-edge) 구조일 수 있다.
그리고, 상기 불연속부는 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈와 상기 금속 시트에 형성되거나, 상기 금속 시트에만 형성될 수 있다.
또한, 상기 불연속부는 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈와 상기 금속 시트의 계면 결합력을 높이는 매개체일 수 있다.
본 발명에 따른 다중층 재료 및 복합적층재는 금속의 고유성능 및 복합재료의 흐름 성형을 통한 완벽한 3D 부품의 성형 성능 및 맞춤형 블랭크(blanks)로 양면 성형 가능한 등방성 폴리머 페이즈와 금속의 다중층 재료로 이용될 수 있고, 경량화와 향상된 물성을 갖는 동시에 성형 공정을 단순화할 수 있으며, 특히, 본 발명에 따른 프레스 성형 방법에 의하면 다중층 재료 또는 복합적층재를 이용함으로써 복잡한 표면 구조를 포함하는 다양한 설계 구조의 형성을 단일 성형 공정만으로 완성도 높게 달성할 수 있게 된다.
또한, 슬릿, 슬롯, 홀 또는 다른 불연속성 구조는 다양한 방식으로 절단(cut)될 수 있으며, 이를 통해 섬유 강화 폴리머 페이즈에 의하여 부품이나 세부 구조가 형성되는 작업이 이루어지는 동안 수지의 흐름을 원활하게 한다. 또한, 단면 또는 양면 툴링을 사용하여 리브, 마운팅 피처(feature), 위치 피처(feature), 질감이 있는 영역, 전체 금속상의 캡슐화 및/또는 모서리의 형태를 취할 수 있는 국부 섬유 강화 폴리머 페이즈의 디테일 피처(detailed feature) 를 형성할 수 있다. 또한, 연속 섬유와 같은 다른 강화 기능과의 결합이 가능해지고, 이에 따라 복합재 섬유 강화 및 금속시트 자동화된 고속 공정으로 결합되어, 폴리머/금속의 계면에서 폴리머 페이즈를 국부적으로 용융시킬 수 있게 된다.
또한, 폴리머 페이즈 및 금속 계면에서 폴리머 페이즈를 국부적으로 용융시킴으로써, 그 사이에 결합력을 향상시킴으로써 다양한 표면 구조를 갖는 성형 부품의 제조공정을 줄여 원가절감 및 수율향상을 도모할 수 있다. 또하, 결합된 재료 형태는 코일로 말리거나 시트로 절단될 수 있어 비용 절감을 이룰 수 있고, 운송 및 후속 제조 작업에도 매우 유리하다.
도 1은 본 발명에 따른 다중층 재료의 구조를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 다중층 재료의 제조공정을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 다중층 재료의 섬유 강화 폴리머 페이즈를 구성하는 섬유 복합재(fiber composite)를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다중층 재료의 다양한 성형품을 예시한다.
도 5는 본 발명에 따른 다중층 재료를 이용한 프레스 성형 방법을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 다중층 재료를 이용한 프레스 성형 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 다중층 재료를 이용한 프레스 성형 방법의 또 다른 일례를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 다중층 재료에 사전 가공된 세부사항을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 다중층 재료에 있어서 금속 시트 상에서의 섬유 강화 폴리머 페이즈의 섬유 분포를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 다중층 재료에 있어서 금속 시트 상에서의 섬유 강화 폴리머 페이즈의 영역별 섬유 농도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 다중층 재료 및 이를 이용한 프레스 성형 방법에 의해 제조된 자동차용 배터리 박스를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 다중층 재료의 다양한 실시예를 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 다중층 재료의 다양한 실시예를 도시한다.
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 발명에 따른 다중층 재료의 구조를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 다중층 재료(100)는 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)와 금속 시트(120)를 포함한다. 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)와 금속 시트(120)는 시트(sheet) 형상으로 이루어지며, 사각 이외의 다양한 모양을 취할 수 있다.
시트형 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)와 금속 시트(120)의 너비나 폭은 프레스 성형기의 재료 트레이 면적이나 최종 성형품의 크기 등에 의하여 결정될 수 있다.
금속 시트(120)는 알루미늄으로 제조되는 것이 바람직하다. 다만, 경우에 따라서는 알루미늄 이외의 프레스 성형 가능한 금속으로 제조될 수 있다.
섬유 강화 폴리머 페이즈(110)는 섬유와 폴리머의 혼합으로 제조된다. 도 2는 본 발명에 따른 다중층 재료의 제조공정을 도시하는데, 시트형 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 제조 공정이 포함되어 있다.
도 2를 참조하면, 폴리머 페이즈(polymer phase)와 섬유(Fiber)는 처리 공정(10)을 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.
구체적으로, 처리 공정(10)은 폴리머 페이즈를 용융시키는 용융 공정(melting process), 용융된 폴리머 페이즈에 섬유를 담그는 함침 공정(impregnating process), 폴리머 페이즈와 섬유를 혼합하는 혼합 공정(mixing process) 등을 포함할 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)(20), 풀링 공정(pulling process)(30), 와인딩 공정(winding process)/컷팅 공정(cutting process)(40) 등을 거쳐 UD 테이프(unidirectional tape), 스트랜드(strand), 플레이틀렛(platelet) 형태의 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)를 제조할 수 있다. 그 밖에 처리 공정(10)을 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)(50)를 거쳐 평판 형상의 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)로 제조된다.
섬유 강화 폴리머 페이즈(110)는 금속 시트(120) 상에 적층된 뒤 가열 및/또는 가압되어 다중층 재료(100)로 형성될 수 있다. 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)와 금속 시트(120)의 결합은 유도 가열(induction heating), 적외선 가열(infrared heating), 접착 결합(adhesive joining) 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 시트(120)는 사전 가공되지 않은 금속 시트(120-1)가 이용될 수도 있으나, 아래서 상세히 설명할 다양한 세부 구조가 사전 가공된 금속 시트(120-2)가 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)와 결합되어 다중층 재료(100)를 형성할 수도 있다. 만약, 사전 가공되지 않은 금속 시트(120-1)가 이용되는 경우에는 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)와 결합된 후에, 다양한 세부 구조가 가공될 수 있다.
한편, 금속 시트(120)에는 페인트 코팅(paint coating)이 될 수 있으며, 금속 시트(120)에 표면 보호(surface protection), 표면 접착(adhesive for surface), 또는 접착 전처리(adhesive pretreatment) 공정이 수행되지 않아도 된다. 본 발명에 따른 다중층 재료(100)는 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 흘러 개구, 홀 등의 가이드 구조에 채워지기 때문에, 금속 시트(120)에 대한 별도의 전처리 없이도 섬유 강화 폴리머 페이즈(120)와의 접착력이 강화될 수 있다. 따라서, 금속 시트(120)에 부식(corrosion)이 있다고 하더라도, 금속 시트(120)에 별도의 전처리 없이 바로 섬유 강화 폴리머 페이즈를 증착하여 결합시킬 수 있는 효과가 있다. 이는 금속 시트(120)의 재활용 가능성을 시사하기도 한다.
도 3은 본 발명에 따른 다중층 재료의 섬유 강화 폴리머 페이즈를 구성하는 섬유 복합재(fiber composite)를 설명하기 위한 도면이다.
섬유 강화 폴리머 페이즈(110)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(110)의 재료인 섬유 복합재는 도 3에서 점선으로 표시된 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(110)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 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 다중층 재료(100)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.
정리하면, 본 발명에 따른 성형 방법에 있어서 랜덤 배열 구조의 플레이틀렛을 이용한 다중층 재료를 이용하는 경우, 등방성(isotropic) 성질에 의하여, 스탬핑(stamping)시 forming flow의 자유도가 향상될 뿐만 아니라, 치수안정성(dimensional stability) 면에서도 월등한 성능을 발휘하게 된다.
만약, 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 문제가 발생
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 비등방성(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 곤란
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 적츠오디면 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 단가의 상승을 초래할 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 패널의 표면에 고가의 사전 처리(laser pretreating)가 필요하다는 문제점도 존재한다.
도 4는 본 발명에 따른 다중층 재료의 다양한 성형품을 예시한다.
본 발명에 따른 다중층 재료(100)의 가장 뛰어난 효과는 종래의 성형 장비(스탬핑(stamping) 장치, 압축(compress) 장치, 프레스(press) 장치 등 혹은 이들의 결합)를 이용하는 것이 가능하다는 것이다.
다양한 세부 구조를 포함하는 성형품을 종래의 성형 장비를 이용해서 제조하려면, 세부 구조마다 별도의 재료를 이용하거나, 별도의 공정을 요하기 때문에 시간과 비용이 많이 소모됐다.
하지만, 본 발명에 따른 다중층 재료(100)는 최종 성형품에 적합하게 사전 제조됨으로써, 종래의 성형 설비를 교체, 변경할 필요 없이 그대로 이용할 수 있게 되며, 본 발명에 따른 다중층 재료(100)를 이용하면, 도 4에 도시된 바와 같은 차량, 산업용 제품, 가전 제품, 전자 제품 등에 포함되는 다양한 부품을 완성도 높게 제조할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 다중층 재료를 이용한 프레스 성형 방법을 개략적으로 도시하고, 도 6은 본 발명에 따른 다중층 재료를 이용한 프레스 성형 방법의 순서를 도시한다.
도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 금속 시트(metallic sheet) 및 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber-reinforced polymer phase)를 포함하는 다중층 재료를 제공한다(S310).
이때, 다중층 재료(100)는 가이드 구조가 사전 가공될 수 있다. 도 5에서는 홀(H)이 형성된 것으로 도시되어 있다. 도 5에서는 홀(H)이 다중층 재료(100)를 관통하는 것으로 도시되었으나, 금속 시트(120)에 사전 가공되는 경우에는 다중층 재료(100)의 금속 시트(120) 층에만 홀(H)을 가질 수 있다.
다중층 재료(100)는 성형 장치나 프레스 장치 등에 삽입되어 상부 및/또는 하부로부터 압력이 가해진다. 이때, 고온의 열이 다중층 재료(100)에 대하여 함께 인가될 수 있다. 즉, 다중층 재료(100)에 대해 열 및 압력 중 적어도 하나를 인가하여 다중층 재료(100)에 포함된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)를 용융시킨다(S320). 이때, 성형 장치의 하부 몰드를 소정 형상(도 5에서는 돌출 형상(PH)으로 도시)으로 제작하면, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 하부 몰드의 소정 형상으로 흘러들어 최종 성형품에 상기 소정 형상의 구조물을 형성하게 된다.
다중층 재료(100)에 사전 가공된 홀(H)은 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 유량 및/또는 유동 방향을 결정한다. 또한, 다중층 재료(100)는, 위에서 설명한 바와 같이, 강성이 향상되고 자유도가 증강된 상태로 존재하기 때문에, 유량 및/또는 유동 방향의 조절이 매우 용이하다. 즉, 사전 가공된 홀(H)의 직경, 모양, 혹은 홀(H)을 정의하는 다중층 재료(100)의 표면 구조 등에 따라 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 유량/및 또는 유동 방향이 결정된다. 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.
사전 가공되는 가이드 구조는 슬롯(slot), 홀(hole), 슬릿(slit), 리브(rib) 및 그리드(grid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 대해서는 도 7 및 8을 참조하면서 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 다중층 재료를 이용한 프레스 성형 방법의 일 실시예를 도시한다.
먼저, 도 7(a)는 본 발명에 따른 다중층 재료(100)과 다양한 표면 구조물을 결합하여 성형하는 방법을 도시한다. 도 7(b)는 다양한 가이드 구조에 의한 표면 성형 결과물을 도시한다.
표면 구조물을 이용한 성형 방식과 관련하여, 도 5의 순서도를 다시 참조하면, 다중층 재료를 제공하는 공정(S310)과 열 및 압력 중 적어도 하나를 인가하여 다중층 재료(100)에 포함된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)를 용융시키는 공정(S320) 사이에, 표면 구조물을 제공하는 단계를 더 포함하는 것으로 설명할 수 있다.
표면 구조물은 성형품의 강성을 높이기 위한 구조물일 수 있고, 케이블 등의 연결 통로를 형성하기 위한 구조물일 수도 있으며, 성형품의 기능을 향상시키기 위한 구조물일 수 있고, 성형품에 기능을 추가하기 위한 구조물일 수도 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 표면 구조물이, 더 높은 강성이 요구되는 에지 영역을 보강하기 위한 보강 구조물(S1, S3)인 경우, 다중층 재료(100)와 표면 구조물을 적층시킨 상태에서 열/압력을 인가하면, 한번의 작업으로 양 에지 영역의 강성을 높일 수 있게 된다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 표면 구조물이 내부 통로를 갖는 관형 구조물(S2)인 경우, 다중층 재료(100)와 표면 구조물을 적층시킨 상태에서 열/압력을 인가하면, 한번의 작업으로 내부 통로를 갖는 성형품이 완성될 수 있다. 관형 구조물(S2)의 내부 통로는 광섬유, 압전섬유, 전기케이블 등의 통로로 기능할 수 있고, 물, 냉각액 등이 흐르는 튜브로 기능할 수 있으며, 감지 필라멘트나 센서 등의 부품이 삽입되는 수용 공간으로 기능할 수도 있다. 이때, 관형 구조물(S2)이 위치하는 영역에서는 다중층 재료(100)의 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 섬유 분포 또는 섬유 농도를 높게 함으로써, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 관형 구조물(S2)의 상부까지 커버할 수 있게 한다. 이때, 성형기의 상부 몰드의 내표면도 관형 구조물(S2)로부터 소정 거리 이격되도록 하여, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 관형 구조물(S2)의 상부까지 흐를 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
표면 구조물은 열과 압력에 강한 재료로 형성되어, 성형 장치로부터 인가되는 열이나 압력으로부터 영향을 덜 받는 것이 바람직하다.
도 7(b)는 다중층 재료(100)와 표면 구조물(S1, S2, S3)을 적층시킨 상태에서 성형 장치를 이용해 열/압력(MP)을 가한 뒤의 모습을 도시한다. 성형 장치의 상부 몰드와 하부 몰드의 단면은 각각 도 7(b)의 상면 라인과 하부 라인에 대응될 수 있을 것이다.
먼저, 제1 영역(A1)은 위에서 설명한 보강 구조물이 다중층 재료(100)의 에지 영역에 적층된 상태에서 열/압력(MP)을 인가하여 상부로 돌출되되 강성이 증강된 영역이다.
제2 영역(A2)은 가이드 구조인 홀(H)이 사전 가공된 다중층 재료(100)를 이용하여 열/압력(MP)을 인가하되, 하부 돌출 형상(PH)을 갖는 하부 몰드를 이용함으로써 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 하부 몰드의 하부 돌출 형상(PH) 안으로 흘러들어 하부로 돌출된 구조물이 형성된 영역이다.
제3 영역(A3)은 가이드 구조인 슬릿이 사전 가공된 다중층 재료(100)를 이용하여 열/압력(MP)을 인가하되, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 금속 시트(120)의 하면의 일부 영역을 덮도록 흘러들어, 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 금속 시트(120)로부터 이탈하지 않도록 하는 체결 구조물이 형성된 영역이다. 이때, 상부 및 하부 몰드 사이에 수직으로 연장된 관이나 기둥을 삽입하여, 최종 성형품의 상하부를 관통하는 통로를 형성할 수 있다. 종래의 성형 방법에 따르면, 베이스 프레임에 수지를 입힌 뒤 수작업으로 관통로를 형성해야 하는 번거로움이 있었지만, 본 발명에 따르면 다중층 재료(100)를 이용하여 한번의 성형/프레스로 상하 관통 구조물을 형성할 수 있게 된다.
제4 영역(A4)은 광섬유, 압전섬유, 내부 통로를 갖는 관형 구조물이 다중층 재료(100)에 적층된 상태에서 성형이 이루어져, 전선 통로, 튜브, 수용 공간 등으로 기능할 수 있는 수평 관형 구조물을 포함하는 영역이다.
제5 영역(A5)은 하부 몰드와 상부 몰드가 V자 형상을 가져 열/압력(MP)이 인가되면서 다중층 재료(100)가 벤딩되는 영역이다. 제5 영역(A5)에서는 다중층 재료(100)의 금속 시트(120)와 하부 몰드 사이에 적절한 이격 공간이 형성되어 있고, 다중층 재료(100)에 슬릿, 홀, 그리드 등의 가이드 구조가 형성되어 있다. 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 금속 시트(120)의 하부 영역을 전체적으로 감싸도록, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)는 형성된 슬릿, 슬롯, 홀, 개구(opening) 등을 통해 상기 이격 공간을 침투하여 흐른다. 이때, 그리드 등의 가이드 구조가 다중층 재료(100)의 하부면에 구비되어, 섬유 강화 폴리머 페이즈(100)의 침투 및 확산을 촉진할 수 있다.
제6 영역(A6)은 다중층 재료(100)에 슬릿, 홀 등의 가이드 구조가 형성되어 있고, 상부 몰드가 해당 영역에서 상부로 돌출된 형상을 갖는 돌출부를 갖고 있다. 이에 따라, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(100)가 해당 돌출부 안으로 침투하여, 상부로 돌출된 구조물이 형성된 영역이다.
제7 영역(A7)은 가이드 구조인 홀이 사전 가공된 다중층 재료(100)를 이용하여 열/압력(MP)을 인가하되, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 금속 시트(120)의 하면의 일부 영역을 덮도록 흘러들어, 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 금속 시트(120)로부터 이탈하지 않도록 하는 체결 구조물이 형성된 영역이다. 종래의 성형 방법에 따르면, 베이스 프레임에 수지를 결합시킨 뒤, 체결을 견고히 하기 위해 별도의 체결 장치(나사, 볼트 등)를 형성해야 하지만, 본 발명에 따르면 다중층 재료(100)를 이용함으로써 한번의 성형으로 그와 같은 구조물을 형성할 수 있게 된다.
제8 영역(A8)은 다중층 재료(100)의 에지에 형성된 가이드 구조에 의하여, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 흐름이 금속 시트의 에지의 바깥 방향으로 가이드되는 영역이다. 금속 시트의 에지에 형성되는 가이드 구조는 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 시트(110)의 에지 영역으로 갈수록 테이퍼진 형상으로 만들거나, 에지 영역을 곡선 형상으로 만들 수 있다. 또한, 에지 영역의 상면에 하나 혹은 다수의 직선형 돌출 라인이나 리브(rib)가 형성되도록 가공하되, 직선형 돌출 라인이나 리브는, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈가 흘러야 할 방향으로 연장될 수 있다. 직선형 돌출 라인이나 리브의 폭, 깊이 등은 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량을 결정하도록 설계될 수 있다.
종래의 성형 방법에 따르면, 베이스 프레임의 에지가 수지에 제대로 덮이지 않고 외부로 노출되는 경우, 에지 영역을 다듬거나, 수지를 더 부가하여 커버하는 별도의 작업을 수행해야 했다. 이에 반해, 본 발명의 성형 방법에서는 에지 영역에 가이드 구조가 형성되어, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 금속 시트(120)를 감싸며, 금속 시트(120)의 하부의 일부 영역까지 침투하여, 금속 시트(120)의 에지를 커버한다. 즉, 본 발명에 따르면 가이드 구조를 갖는 다중층 재료(100)를 이용함으로써 한번의 성형으로 금속 시트의 에지를 마무리할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 프레스 성형 방법은 상기 압력의 크기 및 인가 방향 중 적어도 하나를 제어하여 가이드 구조에 의해 결정되는 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 프레스 성형 방법은, 성형 장치의 압력 크기, 상부 몰드/하부 몰드의 프레스 방향(이동 방향)을 제어하여, 상술한 가이드 구조와 후술할 섬유 분포/섬유 농도 조절과 함께 본 발명의 기술적 효과를 한층 더 높일 수 있다.
압력의 크기 및 방향 제어와 관련하여, 도 6의 순서도를 다시 참조하면, 다중층 재료를 제공하는 공정(S310)과 열 및 압력 중 적어도 하나를 인가하여 다중층 재료(100)에 포함된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)를 용융시키는 공정(S320) 사이에, 압력의 크기 및 인가 방향 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함하는 것으로 설명할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 다중층 재료에 사전 가공된 세부사항을 도시한다. 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 가이드 구조 등의 세부사항은 금속 시트(120)에 미리 사전 가공된 후에 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)와 결합될 수 있다.
이와 달리, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 가이드 구조 등의 세부사항은 금속 시트(120)와 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 결합된 이후에, 다중층 재료(100)에 대해 가공될 수 있다.
가이드 구조 등의 세부사항은 슬롯(slot), 홀(hole), 슬릿(slit), 리브(rib), 홈(groove) 및 그리드(grid) 등일 수 있다. 도 8(a) 및 (b)에 형성된 슬릿(SL)은 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)를 금속 시트(120)의 하부 영역까지 침투할 수 있도록 하며, 소정 형상의 홈(GT)은 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 흐름을 제한하거나 촉진하는 동시에, 영역에 따른 유량도 제어할 수 있다.
종래의 성형 재료 및 성형 방식에 따르면 상부/하부 몰드에 의하여 형성되는 굴곡 영역, 경사 영역, 홈 영역, 돌출 영역 등에 따라 수지의 양을 조절할 수 없었기 때문에 베이스 프레임에 수지가 불균일하게 결합되거나, 에지 영역 밖으로 수지가 넘치거나 에지 영역을 제대로 마감하지 못하는 문제점이 있었으나, 도 8에 도시된 다양한 가이드 구조는 상기 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 촉진(promote)하거나 억제(inhibit)하기 때문에 최종 성형품의 완성도를 높이게 된다.
다시 도 7을 참조하면, 상부/하부 몰드에 의하여 가열/가압되면 금속 시트(120)에 구조적 변형이 생기는데, 굴곡 영역, 경사 영역 등에 따라, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 양이 균일해지지 못하는 문제점이 생길 수 있다. 본 발명은 금속 시트 상에서의 섬유 강화 폴리머 페이즈의 섬유 분포(distribution of fiber)나 섬유 농도(nonuniformity of fiber concentration)를 조절하는 것에 의하여 이와 같은 문제점을 해소한다.
도 9는 본 발명에 따른 다중층 재료에 있어서 금속 시트 상에서의 섬유 강화 폴리머 페이즈의 섬유 분포를 도시한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 금속 시트(120)에 적층되는 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)는 금속 시트(120) 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 분포를 가질 수 있다. 즉, 금속 시트(120) 상에 적층된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)는 두껍게 적층된 영역(Da)과 얇게 적층된 영역(Db)을 가질 수 있다. 시트형 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 적층 개수를 달리하거나, 시트형 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 두께를 조절함으로써, 불균일한 섬유 분포를 만들 수 있다. 뿐만 아니라, 도 2에서 설명한 바와 같이, 플레이틀렛(platelet)이나 스트랜드로 가공된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)에 대해 핫 프레스 공정(50)을 수행할 때, 플레이틀렛이나 스트랜드로 가공된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 양을 위치에 따라 다르게 함으로써 금속 시트(120) 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 분포를 만들 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 다중층 재료에 있어서 금속 시트 상에서의 섬유 강화 폴리머 페이즈의 영역별 섬유 농도를 도시한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 금속 시트에 적층되는 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)는 금속 시트(120) 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 농도를 가질 수 있다. 그라데이션으로 도시된 도 10와 같이, 금속 시트(120) 상에 적층된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)는 섬유 농도가 높은 영역(Ca, Cc)과 섬유 농도가 낮은 영역(Cb)을 가질 수 있다. 이는 도 2에서 설명한 바와 같이, 처리 공정(10)에서 섬유의 양을 조절하여 폴리머 페이즈와 혼합함으로써 고섬유농도와 저섬유농도의 섬유 강화 폴리머 페이즈를 제조하고, 핫프레스 공정(50)에서 고섬유농도의 섬유 강화 폴리머 페이즈와 저섬유농도의 섬유 강화 폴리머 페이즈를 영역별로 다르게 분포시킴으로써, 금속 시트(120) 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 농도를 만들 수 있다.
종래의 성형 재료 및 성형 방식에 따르면 상부/하부 몰드에 의하여 형성되는 굴곡부, 경사부, 홈부 등의 위치에 따라 폴리머 페이즈의 양을 조절할 수 없었기 때문에 베이스 프레임에 폴리머 페이즈가 불균일하게 결합되거나, 에지 영역으로 폴리머 페이즈가 넘치거나 에지 영역을 제대로 마감하지 못하는 문제점이 있었으나, 도 9 및 10에 도시된 바와 같이 섬유 강화 폴리머 페이즈의 금속 시트 상에서의 위치에 따른 섬유 분포나 섬유 농도를 조절함으로써, 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 촉진(promote)하거나 억제(inhibit)하기 때문에 최종 성형품의 완성도를 높일 수 있게 된다.
도 11은 본 발명에 따른 다중층 재료 및 이를 이용한 프레스 성형 방법에 의해 제조된 자동차용 배터리 박스를 도시한다. 배터리 박스는 케이스 내에 다수의 프레임이 형성되어 있고, 프레임 사이에 배터리 모듈이 배치된다. 이때, 배터리의 과열을 막기 위한 냉각 요소(cooling component)가 배터리의 하부에 배치된다.
종래 방식으로 도 11에 도시된 바와 같은 배터리 박스를 만들려면, 먼저 케이스를 만들고, 프레임을 형성하되, 케이스와 배터리 모듈 트레이 사이에 냉각 요소를 삽입해야 하므로, 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 시간도 많이 소요되는 문제점이 있었다.
하지만, 본 발명에 따르면, 케이스, 프레임, 냉각요소를 한번의 공정으로 제조할 수 있게 된다. 다시, 도 7을 참조하면서 설명한 바와 같이, 다중층 재료(100)에 슬릿, 홀 등의 가이드 구조를 형성하고, 상부 몰드가 해당 영역에서 상부로 돌출된 형상을 갖는 돌출부를 갖도록 하며, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 해당 돌출부 안으로 침투하여, 상부로 돌출된 구조물(제6 영역(A6))을 형성시킴으로써 프레임 구조를 만들 수 있다.
특히, 종래 방식에서는 배터리 박스 내에 삽입되는 냉각 요소를 별도로 만들어 적절한 위치에 배치시킨 뒤 조립하거나, 성형 공정을 수행했으나, 본 발명에서는 냉각 요소도 한번의 성형 공정으로 동시에 형성시킬 수 있게 된다.
배터리 박스 내에 삽입되는 냉각 요소는 배터리의 열을 발산시키거나, 배터리의 온도를 낮추기 위한 냉각수가 흐르는 통로(WF)가 형성되어야 한다. 냉각수 통로(WF)는 내부에서 냉각수가 흐를 수 있는 관형 통로로, 배터리의 하부에 이격 혹은 접촉하여 배치될 수 있다. 배터리에 대한 접촉 면적을 넓히기 위하여 냉각수 통로(WF)가 구불구불한 모양으로 형성될 수 있으나, 직선형, 유선형, 곡선형 등 다양한 모양으로 형성될 수 있고, 하나 이상의 냉각수 통로(WF)가 구비될 수도 있다.
다시, 도 7을 참조하면, 내부 통로를 갖는 관형 구조물(S2)을 이용하여, 다중층 재료(100)와 관형 구조물(S2)을 적층시킨 상태에서 열/압력을 인가하면, 한번의 작업으로 내부 통로를 갖는 냉각 요소(cooling component)를 형성할 수 있다. 이때, 관형 구조물(S2)이 위치하는 영역에서는 다중층 재료(100)의 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 섬유 분포를 높게 함으로써, 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 관형 구조물(S2)의 상부까지 커버할 수 있도록 할 수 있고, 이를 이용하여 도 11의 배터리 모듈 트레이(battery modules tray)를 동시에 제작할 수 있게 된다. 나아가, 위에서 설명한 바와 같이, 상부로 돌출된 구조물(제6 영역(A6))을 형성함으로써 프레임이 형성된다.
즉, 본 발명에 따른 다중층 재료 및 이를 이용한 프레스 성형 방법에 의하면, 하나의 제품(배터리 박스)에 포함되는 다수의 구성요소(프레임, 트레이, 냉각요소 등)를 별도로 만들어 조립하는 등의 번잡한 작업이 불필요해지며, 가이드 구조를 갖는 이중층 구조의 재료를 이용하여, 단 한번의 공정만으로 해당 제품을 제조하는 것이 가능해진다.
도 12 및 13은 본 발명에 따른 다중층 재료의 다양한 실시예를 도시한다. 먼저, 도 12(a)는 다중층 재료(100)가 상하 뒤바뀐 구조를 도시한다. 즉, 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)가 금속 시트(120)의 하면에 형성된다.
도 12(b)는 본 발명에 따른 다중층 재료(100)에 대하여, 금속 시트층이 하나 더 포함된 것을 도시한다. 즉, 본 발명에 따른 다중층 재료는 하나의 금속 시트층이 더 포함되어, 제1 금속 시트(120-1), 섬유 강화 폴리머 페이즈(110), 제2 금속 시트(120-2)로 구성된 재료로 변형될 수 있다.
도 12(c)는 본 발명에 따른 다중층 재료(100)에 대하여, 섬유 강화 폴리머 페이즈가 하나 더 포함된 것을 도시한다. 즉, 본 발명에 따른 다중층 재료는 하나의 섬유 강화 폴리머 페이즈가 더 포함되어, 제1 섬유 강화 폴리머 페이즈(110-1), 금속 시트(120), 제2 섬유 강화 폴리머 페이즈(110-2) 로 구성된 재료로 변형될 수 있다.
한편, 도 13(a)에 도시된 바와 같이, 섬유 강화 폴리머 페이즈는 다수의 패치(110a, 110b, 110c)로 분할된 상태로 금속 시트(120) 상에 적층될 수 있다. 또한, 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 섬유 강화 폴리머 페이즈는 에지 영역이 오픈된 구조를 가질 수 있다. 도 13과 같은 다중층 재료(100)의 구조는 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈(110)의 흐름 제어를 용이하게 할 뿐만 아니라, 복잡하고 다양한 구조를 형성하는 데 도움을 준다.
본 발명에 따른 다중층 재료(100)는 성형하고자 하는 제품의 형성, 구조, 크기, 최적 사양 등에 따라 도 12 및 13에 도시된 바와 같이 다양한 구조 및 형상으로 변형될 수 있다.
한편, 위에서 설명한 다중층 재료는 후술하는 입체 구조 부품용 복합적층재로 구현될 수 있다. 입체 구조 부품용 복합적층재는 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase) 및 금속 시트(metallic sheet)가 열 및 압축에 의해 계면 결합을 가질 수 있으며, 복합적층재의 복수의 임의의 위치에는 구조나 형상이 단절된 불연속부(discontinuities)가 형성된다.
불연속부는 위에서 상세히 설명한 바와 같이 홀(holes), 슬롯(slots), 슬릿(Slits) 또는 사전 가공된 컷아웃(Cut-outs) 구조의 형태를 가질 수 있다.
이러한 복합적층재는 금형 내에서 포밍 공정에 의한 3차원 형상의 부품 가공 소재로 사용되고, 포밍 공정 상에서 섬유 강화 폴리머 페이즈는 불연속부를 통해 3차원 형상 형성용 금형 내의 공간으로 플로잉(Flowing)된다.
이때, 섬유 강화 폴리머 페이즈는 위에서 설명한 바와 같이, 섬유가 균일하고 랜덤하게 분포되어 시트로 압축되는 랜덤 매트 유형 구조(random-mat type construction), 다양한 종횡비의 단방향 또는 직조 복합 프리프레그(prepreg)의 소판이 시트로 가압되는 랜덤 플레이틀렛(random-platelet) 구조일 수 있다. 다만, 랜덤 플레이틀렛을 이용하여 제조되는 것이 바람직하며, 다른 소재 대비 랜덤 구조의 플레이틀렛을 이용하는 경우의 장점에 대해서는 위에서 설명한 바와 같다. 즉, 섬유 강화 폴리머 페이즈는 플레이틀렛(platelet) 또는 스트랜드(strand) 구조를 가질 수 있으나, 플레이틀렛 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 불연속부를 통해 섬유 강화 폴리머 페이즈를 플로잉(Flowing)시켜, 리브(ribs), 마운팅 구조, 질감이 있는 영역(textured areas), 금속 시트를 둘러싸는 캡슐 구조, 노브(knobs) 부착 레이아웃 구조, 모서리 커버 구조, 또는 기하학적 형태 구조를 하나 이상 형성할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 복합적층재는 섬유 강화 폴리머 페이즈 및 금속 시트가 일대일로 계면 결합되는 원-사이드(One-sided) 구조, 섬유 강화 폴리머 페이즈를 기준으로 양측면에 금속 시트가 계면 결합되거나 상기 금속 시트를 기준으로 양측면에 섬유 강화 폴리머 페이즈가 계면 결합되는 투-사이드(Two-sided) 구조일 수 있다. 이는, 도 12를 참조하면서 설명한 바와 같다.
복합적층재는 금속 시트를 기준으로 섬유 강화 폴리머 페이즈의 표면적이 동일한 풀 커버리즈 구조, 금속 시트를 기준으로 섬유 강화 폴리머 페이즈가 패치 형태로 다수 개 접합되는 패치(Patches) 구조, 또는 금속 시트의 양측부에 섬유 강화 폴리머 페이즈가 접합되지 않은 영역을 갖는 프리 엣지(free-edge) 구조를 가질 수 있으며, 이는 도 13을 참조하면서 설명한 바와 같다.
불연속부는 섬유 강화 폴리머 페이즈와 상기 금속 시트에 형성되거나, 금속 시트에만 형성될 수 있음은 위에서 설명한 바와 같다.
또한, 불연속부는 섬유 강화 폴리머 페이즈와 금속 시트의 계면 결합력을 높이는 매개체로 작용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 세부 사항은 청구된 주요 신규 발명 중 하나이며, 최종 부품 형상의 동시 제조 및 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름을 이용하여, 3D 강화 요소 및/또는 강화 설계 세부 요소를 단일의 스탬핑/프레스 공정으로 통합할 수 있도록 한다. 플레이틀렛/스트랜드에 사전 가공된 세부 설계 사항은 구조적 무결성(structural integrity)을 제공한다. 본 발명에 의하면, 기존의 스탬핑/프레스 장치를 수정하지 않고도 한 번의 제조 작업(ALL-IN-ONE-PROCESS)으로 치수 안정성을 유지하면서 완성도 높은 성형을 달성할 수 있게 된다.
또한, 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.
100: 다중층 재료
110: 섬유 강화 폴리머 페이즈
120: 금속 시트

Claims (20)

  1. 금속 시트(metallic sheet) 및 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber-reinforced polymer phase)를 포함하는 다중층 재료를 제공하는 단계; 및
    상기 다중층 재료에 대해 열 및 압력 중 적어도 하나를 인가하여 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈를 용융시키는 단계;를 포함하고,
    상기 금속 시트는 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향 중 적어도 하나를 결정하는 가이드 구조가 사전 가공(pre-machined)된 프레스 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 구조는 상기 금속 시트 또는 상기 다중층 재료에 대하여 사전 가공되는 슬롯(slot), 홀(hole), 슬릿(slit), 리브(rib), 홈(groove) 및 그리드(grid) 중 적어도 하나를 포함하는 프레스 성형 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 상기 금속 시트 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 분포(distribution of fiber)를 갖는 프레스 성형 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 섬유 분포 및 상기 가이드 구조 중 적어도 하나는 상기 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 촉진(promote)하거나 억제(inhibit)하는 프레스 성형 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압력의 크기 및 인가 방향 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 가이드 구조에 의해 결정되는 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향을 조절하는 단계;를 더 포함하는 프레스 성형 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 구조는 상기 금속 시트의 에지(edge)에 형성되어, 상기 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 상기 금속 시트의 에지의 바깥 방향으로 가이드하는 프레스 성형 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 랜덤 배열을 갖는 스트랜드 또는 플레이틀렛형 섬유 복합재를 포함하는프레스 성형 방법.
  8. 금속 시트; 및
    상기 금속 시트상에 적층된 섬유 강화 폴리머 페이즈;를 포함하고,
    상기 금속 시트는 가열 및 가압 중 적어도 하나에 의하여 용융된 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 유량 및 유동 방향 중 적어도 하나를 결정하는 가이드 구조가 사전 가공된(pre-machined) 다중층 재료.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 상기 금속 시트 표면의 위치에 따라 불균일한 섬유 분포(distribution of fiber)를 갖거나, 위치에 따라 불균일한 섬유 농도(nonuniformity of fiber concentration)를 갖는 시트(sheet)형 폴리머 페이즈이며,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 랜덤 배열을 갖는 스트랜드 또는 플레이틀렛형 섬유 복합재를 포함하는 다중층 재료.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 섬유 분포, 섬유 농도 및 상기 가이드 구조 중 적어도 하나는 상기 용융된 섬유 강화 폴리머 페이즈의 흐름(flow)을 촉진(promote)하거나 억제(inhibit)하는 다중층 재료.
  11. 섬유 강화 폴리머 페이즈(fiber reinforced polymer phase) 및 금속 시트(metallic sheet)가 열 및 압축에 의해 계면 결합을 갖고,
    복수의 임의의 위치에는 구조나 형상이 단절된 불연속부(discontinuities)가 형성되는, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조 부품용 복합적층재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 불연속부는 홀(holes), 슬롯(slots), 슬릿(Slits) 또는 사전 가공된 컷아웃(Cut-outs) 구조의 형태를 갖는, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조 부품용 복합적층재.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복합적층재는 금형 내에서 포밍 공정에 의한 3차원 형상의 부품 가공 소재로 사용되고,
    상기 포밍 공정 상에서 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 상기 불연속부를 통해 상기 3차원 형상 형성용 상기 금형 내의 공간으로 플로잉(Flowing)되는, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조 부품용 복합적층재.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 섬유가 균일하고 랜덤하게 분포되어 시트로 압축되는 랜덤 매트 유형 구조(random-mat type construction), 다양한 종횡비의 단방향 또는 직조 복합 프리프레그(prepreg)의 소판이 시트로 가압되는 랜덤 플레이트렛(random-platelet) 구조인, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조용 복합적층재.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 섬유 강화 폴리머 페이즈는 플레이트렛(platelet) 또는 스트랜드(strand) 구조를 갖는, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조용 복합적층재.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 불연속부를 통해 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈를 플로잉(Flowing)시켜, 리브(ribs), 마운팅 구조, 질감이 있는 영역(textured areas), 상기 금속 시트를 둘러싸는 캡슐 구조, 노브(knobs) 부착 레이아웃 구조, 모서리 커버 구조, 또는 기하학적 형태 구조를 하나 이상 형성할 수 있는, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조용 복합적층재.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 복합적층재는 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈 및 금속 시트가 일대일로 계면 결합되는 원-사이드(One-sided) 구조, 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈를 기준으로 양측면에 금속 시트가 계면 결합되거나 상기 금속 시트를 기준으로 양측면에 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 계면 결합되는 투-사이드(Two-sided) 구조인, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조용 복합적층재.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 복합적층재는 상기 금속 시트를 기준으로 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈의 표면적이 동일한 풀 커버리즈 구조, 상기 금속 시트를 기준으로 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 패치 형태로 다수개 접합되는 패치(Patches) 구조, 또는 상기 금속 시트의 양측부에 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈가 접합되지 않은 영역을 갖는 프리 엣지(free-edge) 구조인, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조용 복합적층재.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 불연속부는 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈와 상기 금속 시트에 형성되거나, 상기 금속 시트에만 형성되는, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조용 복합적층재.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 불연속부는 상기 섬유 강화 폴리머 페이즈와 상기 금속 시트의 계면 결합력을 높이는 매개체인, 고유한 재료 특성을 각각 갖는 입체 구조용 복합적층재.
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