KR20230145626A - 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법 - Google Patents

금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 및 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치는 금속 모재에 복합재 테이프를 공급하는 피더 롤러; 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가열하기 위한 열을 인가하는 열 공급기; 상기 열 공급기를을 통해 인가된 열에 의해 접합된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가압하여 접착시키는 제1 가압 롤러; 상기 제1 가압 롤러에 의해 접착된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 냉각시키는 냉각 롤러; 및 상기 냉각 롤러에 의해 냉각된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프에 열과 압력을 인가하는 제2 가압 롤러를 포함할 수 있다.

Description

금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법 {MANUFACTURING APPARAGUS OF STEEL-COMPOSITES HYBRID PART AND METHOD THE SAME}
본 발명은 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속 소재의 모재와 복합재 패치를 접합하여 접합력과 강도가 향상된 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
내연 기관을 사용하는 자동차의 연비 향상과 전기 및 수소 자동차의 항속 거리를 향상시키기 위해 자동차 산업에서 차체 경량화는 계속적인 이슈가 되어 왔다.
차체의 경량화를 위해 기존 대비 강도가 향상된 초고장력 강판의 적용량을 확대하여 왔으나, 차체 부품의 성능을 확보하기 위해서는 초고장력 강판의 적용만으로 한계가 있다.
따라서, 알루미늄 등의 경량 금속을 차체에 적용하는 비율이 증가하고 있고, 더 나아가 금속보다 가벼운 CFRP(carbon fiber reinforced plastic) 등의 복합재를 차체 부품에 적용하는 것도 검토되고 있다.
하지만, 복합재의 경우 무게가 금속에 비해 가볍지만, 가격이 비싸고, 금속과의 접합이 어려운 문제가 있었다. 따라서, 복합재를 성능 보강이 필요한 부위에 국부적으로 적용하는 기술들이 개발되고 있다.
복합재를 성능 보강이 필요한 부위에 국부적으로 적용하는 기술의 대표적인 예로, 금속 소재의 모재에 복합재 테이프를 롤러를 통해 공급하면서 레이저 등의 열 공급기로로 가열함으로써, 복합재를 금속 모재에 직물과 같이 결합하여 부품을 제작하는 AFP(Automated Fiber Placement) 공정 기술이 개발되어 왔다. 이러한, AFP 공정 기술은 항공기의 날개 부품 등에 적용되고 있다.
하지만, AFP 공정을 1,470MPa 정도의 인장 강도를 갖는 마르텐사이트(Martensite) 조직의 금속에 적용하는 경우, 접합용 열 공급기에 의해 마르텐사이트 조직이 연화되어 오히려 강도가 저하되는 현상이 발생한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 1,470MPa 정도의 인장 강도를 갖는 금속의 인장 강도 평가 결과를 살펴보면, 섭씨 300도 이상의 온도에서 인장 강도가 약 1,000MPa 수준으로 감소되는 것을 확인할 수 있다. AFP 공정의 경우, 적용되는 열 공급기의 온도가 섭씨 300도를 초과하기 때문에, 열 공급기에 의한 금속 모재의 물성 저하는 불가피하다.
또한, 금속 모재의 물성 저하를 방지하기 위해, 열 공급기의 온도를 낮추는 경우, 금속 모재와 복합재 사이의 접합력이 저하되기 때문에, 금속 모재와 접합재가 서로 분리되는 문제가 발생한다.
따라서, 열적 연화(thermal softening)가 발생하지 않으면서, 금속과 복합재가 접합될 수 있는 새로운 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 높은 접착력과 강도를 갖는 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치는 금속 모재에 복합재 테이프를 공급하는 피더 롤러; 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가열하기 위한 열을 인가하는 열 공급기; 상기 열 공급기를을 통해 인가된 열에 의해 접합된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가압하여 접착시키는 제1 가압 롤러; 상기 제1 가압 롤러에 의해 접착된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 냉각시키는 냉각 롤러; 및 상기 냉각 롤러에 의해 냉각된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프에 열과 압력을 인가하는 제2 가압 롤러를 포함할 수 있다.
상기 열 공급기는 제논 빔일 수 있다.
상기 냉각 롤러에 의한 냉각 속도는 설정 속도 이상일 수 있다.
상기 설정 속도는 20℃/s도 이상일 수 있다.
상기 제2 가압 롤러의 온도는 설정 온도 범위 이내일 수 있다.
상기 설정 온도 범위는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 방법은 피더 롤러에 의해, 금속 모재에 복합재 테이프를 공급하는 단계; 열 공급기에 의해, 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프에 열을 인가하는 단계; 제1 가압 롤러에 의해, 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가압하여 접착시키는 단계; 냉각 롤러에 의해, 접착된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 냉각시키는 단계; 제2 가압 롤러에 의해, 냉각된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프에 열과 압력을 인가하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 냉각 롤러에 의한 냉각 속도는 설정 속도 이상일 수 있다.
상기 설정 속도는 20℃/s이상일 수 있다.
상기 제2 가압 롤러의 온도는 설정 온도 범위 이내일 수 있다.
상기 설정 온도 범위는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법에 의하면, 금속 모재와 복합재를 접합한 후, 냉각 공정과 템퍼링 공정을 추가하여, 금속 모재와 복합제의 접합력이 향상되고, 금속 모재의 강성을 증가시킬 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래 기술의 제조 공정에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 응력과 변형률을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명과 종래 기술의 성능을 비교한 테이블이다.
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.
또한, 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.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치의 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치는 피더 롤러(10), 열 공급기(20), 제1 가압 롤러(30), 냉각 롤러(40), 및 제2 가압 롤러(50)를 포함할 수 있다. 상기 피더 롤러(10), 상기 제1 가압 롤러(30), 상기 냉각 롤러(40), 및 상기 제2 가압 롤러(50)는 금속 모재(1)의 이동 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.
상기 피더 롤러(10)는 설정된 방향으로 이동하는 금속 소재의 모재(이하, 필요에 따라 '금속 모재(1)'라고도 지칭한다)에 상부에 위치하고, 테이프 형식의 복합재(이하, 필요에 따라 '복합재 테이프(3)'라 지칭한다)를 공급한다.
상기 열 공급기(20)는 상기 피더 롤러(10)에 의해 상기 금속 모재(1) 및 상기 금속 모재(1) 상에 공급된 복합재 테이프(3)에 열을 인가한다. 즉, 상기 열 공급기(20)는 상기 금속 모재(1)와 상기 복합재 테이프(3)를 가열시킨다.
상기 열 공급기(20)는 열을 발생시키는 열 발생기(21), 및 상기 열 발생기(21)로부터 상기 금속 모재(1)와 상기 복합재 테이프(3)에 열을 인가하는 열 광학계(23)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 상기 열 공급기(20)는 제논 빔을 사용할 수 있으나, 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되지는 않는다.
상기 제1 가압 롤러(30)는 상기 피더 롤러(10)의 하류에 배치되고, 상기 제1 가압 롤러(30)는 상기 열 공급기(20)를 통해 가열된 상기 금속 모재(1)와 상기 복합재 테이프(3)에 압력을 인가하여 텍스처링 된 금속 모재(1)의 표면에 복합재 테이프(3)를 접합시킨다.
상기 냉각 롤러(40)는 상기 제1 가압 롤러(30)의 하류에 배치되고, 상기 냉각 롤러(40)는 상기 제1 가압 롤러(30)에 의해 접합된 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)를 냉각시킨다. 상기 냉각 롤러(40)에 의한 금속 모재(1)와 접합제 테이프의 냉각 속도는 설정 속도 이상으로 설정된다. 예를 들어, 상기 냉각 롤러(40)의 냉각 속도는 20℃/s이상이 되도록 설정될 수 있다. 상기 냉각 롤러(40)는 냉매 가스 순환기(41)로부터 차가운 냉기를 공급받아 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)를 냉각시킬 수 있다.
상기 제2 가압 롤러(50)는 상기 냉각 롤러(40)의 하류에 배치되고, 상기 냉각 롤러(40)에 의해 냉각된 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)에 열과 압력을 인가한다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품에 제조 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 피더 롤러(10)를 통해 설정된 방향으로 이동하는 금속 모재(1)에 복합재 테이프(3)가 공급된다(S10).
피더 롤러(10)에 의해 복합재 테이프(3)가 텍스처링된 금속 모재(1)의 표면에 공급되면, 열 공급기(20)에 의해 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)에 열이 인가된다(S20).
열 공급기(20)에 의해 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)가 가열되면, 가열된 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)에 제1 가압 롤러(30)에 의해 압력을 인가하여, 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)가 접합된다(S30).
제1 가압 롤러(30)에 의해 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)가 접합되면, 냉각 롤러(40)에 의해 접합된 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)가 냉각된다(S40). 이때, 냉각 롤러(40)의 냉각 속도는 20℃/s이상이 되도록 설정된다. 냉각 롤러(40)의 냉각 속도가 20℃/s 이하인 경우, 낮은 냉각 속도로 인해 금속 모재(1)의 내부에 탄소가 확산되어 시멘타이트 등의 석출물이 응집되어 물성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 냉각 롤러(40)에 의한 적절한 냉각 속도가 중요하다.
금속 모재(1)와 접합제 테이프가 냉각 롤러(40)에 의해 냉각되면, 제2 가압 롤러(50)에 의해 냉각된 금속 모재(1)와 접합제 테이프에 열과 압력이 인가된다(S50). 제2 가압 롤러(50)에 의해 금속 모재(1)에 열과 압력이 인가되면, 금속의 마르텐사이트 조직이 템퍼링되어 금속 모재(1)의 인성이 향상된다. 또한, 냉각 롤러(40)에 의해 금속 모재(1)과 복합재 테이프(3)가 냉각될 때, 금속과 복합재의 열팽창계수의 차이로 인해 저하될 수 있는 접합력이 강화된다.
제2 가압 롤러(50)를 통해 금속 모재(1)를 템퍼링 할 때, 제2 가압 롤러(50)의 온도는 설정된 온도 범위 이내이고, 예를 들어, 섭씨 150도 내지 섭씨 250도 사이이다. 제2 가압 롤러(50)의 온도가 섭씨 150도 미만이면, 낮은 온도로 인해 템퍼링 효과가 미미하다. 제2 가압 롤러(50)의 온도가 섭씨 250도를 초과하면, 금속의 물성이 저하되는 현상이 발생하고, 금속 모재(1)의 표면에 접합되어 있는 복합재 테이프(3)가 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 제2 가압 롤러(50)에 의한 템퍼링 온도가 적절한 온도 범위 내에서 결정되는 것이 중요하다.
도 4는 본 발명과 종래 기술의 성능을 비교한 테이블이다.
도 4에 표시된 성능 시험은 1,470MPa의 인장 강도를 갖는 두께 1.0mm의 강판을 금속 모재(1)로 사용하였고, 복합재는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: carbon fiber reinforced plastics) 50%와 PA6(Polyamide 6) 50%로 구성된 UD 테이프가 사용되었다.
UD 테이프는 모두 3겹을 패치 접합하였고, 냉각 롤러(40)에 의한 냉각 공정에서 냉각 속도, 및 제2 가압 롤러(50)에 의한 템퍼링 공정에서 제2 가압 롤러(50)의 온도를 변수로 하여 성능 평가(접합력 평가, 및 굽힙 평가)가 실시되었다.
도 4를 참조하면, 종래의 AFP 공정만 적용하여 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)를 접합한 경우(비교예 2 참조), 금속 모재(1)의 열 연화로 인해 굽힘 강도가 원소재(비교예 1 참조) 대비 약 15% 감소하는 것을 알 수 있다.
냉각 롤러(40)에 의한 냉각 공정을 추가한 경우(실시예 1 내지 3 참조), 금속 모재(1)의 연화 현상이 방지되어 비교예 2와 대비하여 굽힘 강도는 증가하였으나, 금속-복합재의 접합력과 굽힘 에너지는 감소하는 것을 알 수 있다. 이는, 금속 모재(1)의 냉각 중 금속 모재(1)와 복합재의 열팽창계수 차이로 인해 접합력이 저하되고, 빠른 냉각으로 인해 금속 모재(1)에서 발생한 취성에 기인한다.
냉각 롤러(40)에 의한 냉각 공정에 이어 제2 가압 롤러(50)에 의한 템퍼링 공정이 추가되고, 템퍼링 온도가 섭씨 100도인 경우(실시예 4), 여전히 비교예 2와 대비하여 접합력과 굽힘 에너지가 저하된 것을 알 수 있다. 이는 낮은 템퍼링 온도로 인해 냉각 공정에서 취성이 심해진 마르텐사이트 조직이 회복되지 않고, 약해진 접합력이 개선되지 않아 발생한 것으로 확인된다.
템퍼링 온도가 섭씨 150도 내지 섭씨 250도 사이인 경우(실시예 5 내지 7), 접합력과 굽힙 성능 모두 비교예와 대비하여 향상된 것을 알 수 있다.
템퍼링 온도가 섭씨 300도인 경우(실시예 8), 비교예 대비 접합력과 굽힘 강도가 저하된 것을 알 수 있다. 이는 높아진 템퍼링 온도로 인해 금속 내부에 페라이트가 석출물 형태로 형성되어 물성이 저하되고, 접합된 복합재가 높은 온도로 재가열되어 접합력도 낮아진 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은, 본 발명의 실시 예에 따르면, 금속 모재(1)와 복합재 테이프(3)를 접합한 후, 냉각 공정을 통해 금속 모재(1)의 연화 현상을 방지하고, 템퍼링 공정을 통해 금속 모재(1)의 인장 강도를 확보할 수 있다.
이를 통해, 차량에서 국부적으로 강성 및 강도가 요구되는 부품에 본 발명에 의한 제조 기술을 적용하여, 차량의 전체 중량을 감소시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 금속 모재
3: 복합재 테이프
10: 피더 롤러
20: 열 공급기
21: 열 발생기
23: 열 광학계
30: 제1 가압 롤러
40: 냉각 롤러
41: 냉매 가스 순환기
50: 제2 가압 롤러

Claims (11)

  1. 금속 모재에 복합재 테이프를 공급하는 피더 롤러;
    상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가열하기 위한 열을 인가하는 열 공급기;
    상기 열 공급기를을 통해 인가된 열에 의해 접합된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가압하여 접착시키는 제1 가압 롤러;
    상기 제1 가압 롤러에 의해 접착된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 냉각시키는 냉각 롤러; 및
    상기 냉각 롤러에 의해 냉각된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프에 열과 압력을 인가하는 제2 가압 롤러;
    를 포함하는 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 공급기는 제논 빔인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 롤러에 의한 냉각 속도는 설정 속도 이상인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 설정 속도는 20℃/s이상인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가압 롤러의 온도는 설정 온도 범위 이내인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 설정 온도 범위는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치.
  7. 피더 롤러에 의해, 금속 모재에 복합재 테이프를 공급하는 단계;
    열 공급기에 의해, 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프에 열을 인가하는 단계;
    제1 가압 롤러에 의해, 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 가압하여 접착시키는 단계;
    냉각 롤러에 의해, 접착된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프를 냉각시키는 단계;
    제2 가압 롤러에 의해, 냉각된 상기 금속 모재와 상기 복합재 테이프에 열과 압력을 인가하는 단계;
    를 포함하는 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각 롤러에 의한 냉각 속도는 설정 속도 이상인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 설정 속도는 20℃/s이상인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 가압 롤러의 온도는 설정 온도 범위 이내인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 설정 온도 범위는 섭씨 150도 내지 섭씨 250도인 금속-복합재 하이브리드 부품의 제조 방법.
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