WO2022014869A1 - 3차원 구조체와 이의 제조 방법 - Google Patents

3차원 구조체와 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2022014869A1
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dimensional
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polymer phase
reinforced polymer
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에드빈 만손얀-안데르스
퀸 창만손
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이이엘씨이이주식회사
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    • B29K2105/0872—Prepregs

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, a method for manufacturing a three-dimensional structure by combining a multilayer composite including a fiber-reinforced polymer phase and a metal sheet with a hybrid material, and structural integrity (structural integrity) integrity) and to a three-dimensional structure with high strength and durability.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • the molding process using prepreg which is an intermediate material in the form of a sheet in which the reinforcing fibers are pre-impregnated with a thermosetting or thermoplastic resin, is an autoclave molding, It is divided into various methods such as vacuum bag forming, sheet rolling forming, and press forming, but manual work still occupies a considerable part.
  • body parts such as vehicle inner doors not only have various surface structures (straight/curved, bent, opening, hole, protruding structure, attachment, etc.), but also have various structures accommodated (inserted) inside the body part. Because there is, there is a problem in that in order to apply a separate material such as reinforcing fiber after forming the steel panel separately as in the prior art, several work processes must be performed depending on the surface structure or structure. Bonding composites to metal has so far largely relied on fasteners, which require drilling holes to damage the load-bearing fibers. Although bonding using an adhesive has been used, it is difficult to combine a plurality of materials in this way, and the adhesive has a problem in that it adds material and weight.
  • the bidirectionality of continuous fiber-reinforced composite materials that provide excellent physical properties to complex 3D shapes overcome difficult designs, and have excellent high-speed molding, light weight and improved physical properties, while having automated dimensional stability, various surfaces
  • Patent Document 1 Korean Patent No. 10-0581123B1 (Registered on May 10, 2006)
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 4825348B2 (registered on September 16, 2011)
  • the present invention has been devised in view of the above technical needs, and the problem to be solved by the present invention is to combine a multi-layer material and a hybrid material that can simplify the molding process while having light weight and improved physical properties to achieve structural integrity (A method for manufacturing a three-dimensional structure having structural integrity and high strength and durability, and a three-dimensional structure manufactured by the method are provided.
  • the present invention can achieve perfect full 3D formability of composite materials and isotropic 3D composite materials, and provides parts, surface structures, etc. with unique performance integration of composites and metals and design features suitable for unique materials.
  • a method capable of manufacturing a three-dimensional structure capable of achieving high perfection in the formation of various design structures including the single forming process, and a three-dimensional structure manufactured thereby.
  • the present invention provides a method for manufacturing a three-dimensional structure capable of using an existing high-speed metal and polymer manufacturing infrastructure such as a compression press or an injection molding machine as it is, and a three-dimensional structure manufactured by the method.
  • a three-dimensional structure manufacturing method a multi-layer forming step of thermocompression bonding a fiber reinforced polymer phase and a metallic sheet to form a multi-layer; An opening processing step of processing at least one or a plurality of openings in the multi-layer; and a bonding step of manufacturing a three-dimensional structure by combining the multi-layer having the opening and the hybrid material, wherein the bonding step includes pressing the hybrid material and the multi-layer using a press device to reinforce the fiber
  • a polymer phase forms at least one reinforcing structure coupled to the opening and/or to the hybrid material.
  • a three-dimensional structure manufacturing method processing at least one or a plurality of openings (opening) in a metal sheet (metallic sheet), opening processing step; A fiber reinforced polymer phase (fiber reinforced polymer phase) and thermocompression bonding the metal sheet to form a multi-layer, a multi-layer forming step; Including; a bonding step of manufacturing a three-dimensional structure by combining the multi-layer having the opening and the hybrid material, wherein the bonding step presses the hybrid material and the multi-layer using a press device to form the fiber-reinforced polymer A phase forms at least one reinforcing structure coupled to the opening and/or to the hybrid material.
  • the multi-layer and the mold are pressed using the press device, so that the fiber-reinforced polymer phase is formed in the opening and the empty space formed in the mold By flowing to the first reinforcing structure may be formed.
  • a second reinforcing structure in which the fiber-reinforced polymer phase surrounds the hybrid material and a third reinforcing structure in which the fiber-reinforced polymer phase surrounds an edge of the metal sheet may be formed using the press device.
  • the fiber-reinforced polymer phase is a discontinuous fiber, and may include a fiber composite material of a strand or platelet type having a random arrangement.
  • the multi-layer in the multi-layer forming step may be formed by locally melting the contact interface between the fiber-reinforced polymer phase and the metal sheet, and then cutting it into a sheet form.
  • the multi-layer in the multi-layer forming step further comprises an isotruss layer or foam layer
  • the multi-layer forming step is thermocompression bonding the fiber-reinforced polymer phase, the isotruss layer or foam layer, and the metal sheet. to form the multi-layer.
  • the opening may include at least one of a hole, a slit, and a slot.
  • the metal composite three-dimensional iso-truss structure may be a structure in which the three-dimensional iso-truss structure and a metal are combined.
  • the metal composite three-dimensional iso-truss structure may be a structure in which the three-dimensional iso-truss structure, the metal, and the tow are combined.
  • the tape composite may be one in which a plurality of tapes having directionality are stacked in a plurality of directions.
  • a three-dimensional structure includes a hybrid material; a metal sheet having at least one or multiple openings; and a fiber-reinforced polymer phase including a first reinforcing structure protruding outward through the opening of the metal sheet.
  • the fiber-reinforced polymer phase may further include a second reinforcing structure surrounding the hybrid material.
  • the fiber-reinforced polymer phase may further include a third reinforcing structure surrounding the edge of the metal sheet.
  • the opening may include at least one of a hole, a slit, and a slot.
  • the hybrid material is, tow (or pre-impregnated preform, prepreg), functionalized three-dimensional tow (functional 3D tow), M- tow (M-Tow fiber braided tow), three-dimensional iso It may be any one of a truss (3D Isotruss) structure, a metal composite 3D Isotruss, and a UD tape composite.
  • the metal composite three-dimensional iso-truss structure may be a structure in which the three-dimensional iso-truss structure and a metal are combined.
  • the metal composite three-dimensional iso-truss structure may be a structure in which the three-dimensional iso-truss structure, the metal, and the tow are combined.
  • the tape composite a plurality of tapes having one direction may be laminated in multiple directions (tailored blanks, laminate).
  • it may further include an isotruss layer or a foam layer disposed between the metal sheet and the fiber-reinforced polymer phase.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A to 2B are diagrams for explaining the multi-layer forming step 110 shown in FIG. 1 .
  • FIG 3 is a view for explaining a fiber composite (fiber composite) constituting the fiber-reinforced polymer phase of the multi-layer material according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining the opening forming step 130 shown in FIG. 1 .
  • FIG. 6 to 7 are views for explaining the step 150 of combining the multi-layer and hybrid material shown in FIG. 1 .
  • FIG. 8 is a flowchart of a method for manufacturing a three-dimensional structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A to 9B are diagrams for explaining the opening processing step 210 and the multi-layer forming step 230 shown in FIG. 8 .
  • FIG. 10 is a diagram showing several examples of an M-Tow (fiber braided tow) as a hybrid material 400, 400'.
  • M-Tow fiber braided tow
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a three-dimensional isotruss structure usable as the hybrid materials 400 and 400' shown in FIG. 7 .
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a metal composite three-dimensional isotruss structure usable as the hybrid materials 400 and 400' shown in FIG. 7 .
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of another metal composite 3D isotruss composite usable as the hybrid materials 400 and 400' shown in FIG. 7 .
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of another UD tape composite 400'''' usable as the hybrid material 400, 400' shown in FIG. 7 .
  • 16 is a cross-sectional view of a battery pack that may be manufactured by a 3D structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention.
  • the three-dimensional structure manufacturing method may include a multi-layer forming step 110 , an opening processing step 130 , and a multi-layer and hybrid material combining step 150 . have.
  • a multi-layer is formed by thermocompression bonding a fiber reinforced polymer phase and a metallic sheet. Thermocompression bonding may be performed using a hot press apparatus.
  • manufacturing is simple, fast, and inexpensive compared to conventionally attaching fibers to a metal sheet in the form of a fabric or a laminate.
  • FIG. 2A to 2B are diagrams for explaining the multi-layer forming step 110 shown in FIG. 1 .
  • the multi-layer 115 may be formed by locally melting the contact interface between the fiber-reinforced polymer phase 112 and the metal sheet 111 by heat, and then cutting it into a sheet shape.
  • the fiber-reinforced polymer phase 112 is positioned on the metal sheet 111 , it is not limited thereto, and the position may be reversed.
  • the bonding of the fiber-reinforced polymer phase 112 and the metal sheet 111 may be performed in various ways, such as induction/infrared heating, adhesive/scratched metal joining/coating, etc. .
  • the metal sheet 111 may be, for example, aluminum, but is not limited thereto, and may be a sheet formed of various metal materials. In particular, it may be made of a press-formable metal material.
  • the metal sheet 111 may be coated with paint.
  • the fiber-reinforced polymer phase 112 is formed to flow and fills the opening (hole), the fiber-reinforced polymer phase 112 and the metal sheet 111 without a separate pretreatment Adhesion may be enhanced. Therefore, even if there is corrosion (corrosion) in the metal sheet 111, there is an effect that can be bonded by directly depositing the fiber-reinforced polymer phase 112 on the metal sheet 111 without a separate pretreatment.
  • the fiber reinforced polymer phase 112 may be made from a mixture of fibers and polymer phases.
  • the polymer phase and fiber are processed and formed into a mixed material.
  • the polymer phase is made of various resin materials such as thermoplastic resin and thermosetting resin, specifically, polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyamide (PA), polyolefin elastomer (TPE), etc.
  • a resin material may be used, and as the fiber, various fiber materials used as reinforcing materials such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, etc. may be used alone or in combination.
  • an appropriate process may be added according to the final processing form of the polymer phase and the resin mixed material, and there may be differences in the process depending on the final processing form.
  • a UD tape unidirectional tape
  • a strand a strand
  • a platelet through a cooling process, a pulling process, a winding process/cutting process, etc.
  • a fiber-reinforced polymer phase 112 in the form of can be manufactured.
  • a surface activation process for performing chemical treatment on the material that has undergone the treatment process may be further included.
  • the UD tape unidirectional tape
  • strand strand
  • platelet platelet
  • the fiber-reinforced polymer phase 112 includes carbon fibers
  • the fiber-reinforced polymer phase 112 is carbon fiber
  • heat transfer efficiency generated in the battery cell is improved, so before cooling the battery pack or warming up/preheating the battery in cold weather Efficiency can be improved and the use of other energy to raise and lower the temperature within the battery pack can be reduced.
  • the fiber reinforced polymer phase 112 may be a fiber reinforced polymer phase of a strand or platelet type having a random arrangement as a discontinuous fiber reinforced polymer phase (COMPOSITES). It will be described in detail with reference to FIG. 3 .
  • FIG 3 is a view for explaining a fiber composite (fiber composite) constituting the fiber-reinforced polymer phase of the multi-layer material according to the present invention.
  • the fibers constituting the fiber-reinforced polymer phase 112 preferably have a discontinuous arrangement of a platelet or strand structure, and platelets or strands are randomly arranged in a stacked form. more preferably.
  • Fiber composites are divided into continuous fibers (long fibers, continuous) and discontinuous fibers (short fibers, discontinuous).
  • the fiber composite material which is the material of the fiber-reinforced polymer phase 112 according to the present invention, employs discontinuous fibers (short fibers, Discontinuous) in FIG. 3 .
  • the fiber composite material may employ a material made of aligned and random arrangement, but it is more preferable to employ a fiber composite material having a random arrangement structure.
  • the structure of the fiber can be divided into bidirectional (BD, Bidirectional), unidirectional (UD, Unidirectional), aligned, random arrangement, etc., Fabric, UD tape, Tow Prepreg, M-tow fiber braided can be implemented as a platelet, a strand, etc., and is braided with glass fiber, natural fiber, carbon fiber, etc. prepreg) can also be implemented.
  • BD bidirectional
  • UD unidirectional
  • UD unidirectional
  • aligned random arrangement, etc.
  • Fabric UD tape, Tow Prepreg
  • M-tow fiber braided can be implemented as a platelet, a strand, etc., and is braided with glass fiber, natural fiber, carbon fiber, etc. prepreg) can also be implemented.
  • the fiber composite material used for the fiber-reinforced polymer phase 112 according to the present invention is a discontinuous fiber and a platelet or strand having a random arrangement structure is selected as a laminate, and the fiber composite material of the corresponding specification and metal (especially aluminum) are combined By doing so, it is possible to enhance the technical effects of the present invention.
  • the stiffness, strength, or resistance to creep/stress relax of the fiber composite material exhibits superior properties from left to right.
  • the laminated structure of a platelet or strand-type fiber and metal in a random arrangement is isotropic ( isotropic) properties. That is, by adopting a platelet or strand-type fiber in a random arrangement, it becomes possible to secure direction control and molding uniformity during forming.
  • the multi-layer 110 material according to the present invention has various detailed structures, which, briefly mentioned herein, determine at least one of the flow rate and flow direction of the fiber-reinforced polymer phase melted by at least one of heating and pressurization. It exists in a processed state, whereby the efficiency of press molding can be improved, and the perfection of the final molded product can be improved.
  • the degree of freedom of the forming flow during stamping is improved due to isotropic properties, as well as dimensional stability It also exhibits superior performance in terms of dimensional stability.
  • the conventional fabric (fabric) has the following disadvantages compared to using a strand or platelet of a random arrangement structure.
  • the fabric has an anisotropic structure, and in order to implement it as an isotropic structure, it can be laminated to have a predetermined angle (eg, 90 degrees), but the raw material itself is expensive, so the fabric is not economical
  • the fiber-reinforced polymer phase 112 may be composed of regenerated fibers and a polymer phase.
  • the multi-layer 115 has a variety of detailed structures, briefly referred to herein, in a processed state, wherein the detailed structures that determine at least one of a flow rate and a flow direction of the fiber-reinforced polymer phase melted by at least one of heating and pressurization are processed. , thereby increasing the efficiency of the press molding, it is possible to increase the degree of perfection of the final molding.
  • FIGS. 4A to 4B are views showing other examples of the multi-layer shown in FIG. 1 .
  • the multi-layer 115 ' may further include an isotruss layer (isotruss layer, 113) as compared to the multi-layer 115 shown in FIG. can
  • the iso-truss layer may include a three-dimensional iso-truss structure as a metal material.
  • the isotruss may mean a polygonal open pyramid shape.
  • This iso-truss layer has the advantage of improving the structural stability and strength of the multi-layer 115 ′, compared to the multi-layer 115 shown in FIG. 2 .
  • the multi-layer 115 '' may further include a foam layer (113') in addition to that of the multi-layer 115 shown in FIG. can
  • the foam layer 113 ′ may also be referred to as a cushion layer.
  • the foam layer 113 ′ may be made of a material such as polyurethane.
  • the foam layer 113 ′ may have a thickness greater than that of the metal sheet 111 and/or the fiber reinforced polymer phase 112 . Since the multi-layer 115'' includes the foam layer 113', there is an advantage that noise control of the three-dimensional structure is possible when the three-dimensional structure is manufactured by multi-ching 115''. In particular, when the three-dimensional structure is a part of a product used for a power train battery pack of an airplane, automobile, or electric vehicle, noise from the outside can be removed by the foam layer 113'. There are advantages that can be
  • the multi-layer 115 may be the multi-layers 115 ′ and 115 ′′ of FIGS. 4A to 4B .
  • FIG. 5 is a view for explaining the opening forming step 130 shown in FIG. 1 .
  • FIG. 5 shows that an opening is formed in the multi-layer 115 shown in FIG. 2, but an opening in the multi-layer 115' and 115'' shown in FIGS. 4A to 4B. It should be understood that the formation of the is also included in the present invention.
  • At least one or more openings 115o are machined in the multi-layer 115 formed in step 110 .
  • the opening 115o may be formed to pass through the metal sheet 111 of the multi-layer 115 and a portion of the fiber-reinforced polymer phase 112 together.
  • the position at which the opening 115o is processed may vary depending on the 3D structure to be manufactured.
  • the openings 115o may correspond to positions of one or more reinforcing structures, which will be described later.
  • the opening 115o may be processed using a laser, or the opening 115o may be processed by other methods.
  • the opening 115o may be defined as including at least one of a hole, a slit, and a slot.
  • the shape of the reinforcement structure to be described later may vary depending on the size or shape of the opening 115o.
  • the multi-layer 115 having the opening 115o and the hybrid material are combined to manufacture a three-dimensional structure.
  • the multi-layer 115 is inserted into a molding device or a press device, and pressure is applied from the top and/or bottom. At this time, high-temperature heat may be applied to the multi-layer material 115 together. That is, at least one of heat and pressure is applied to the multi-layer material 115 to melt the fiber-reinforced polymer phase 112 included in the multi-layer material 115 . At this time, if the lower mold of the molding apparatus is manufactured in a predetermined shape, the molten fiber-reinforced polymer phase 112 flows into the predetermined shape of the lower mold to form the structure of the predetermined shape in the 3D structure. A 3D structure with improved strength and durability can be formed by mixing a hybrid material here.
  • FIG. 6 to 7 are views for explaining the step 150 of combining the multi-layer and hybrid material shown in FIG. 1 .
  • FIG. 6 is an example showing a state before the bonding of the hybrid materials 400 and 400' and the multi-layer 115
  • FIG. 7 is the hybrid material 400, 400' and the multi-layer 115 are combined. This is an example of the completed 3D structure 500 .
  • the multi-layer 115 having the opening 115o and the hybrid materials 400 and 400' are positioned to face each other, and then a press apparatus (eg, a hot press apparatus) is formed.
  • a press apparatus eg, a hot press apparatus
  • the 3D structure 500 as shown in FIG. 7 can be manufactured.
  • a mold prepared in advance on the opening 115o of the multi-layer 115 . (mold, M) may be disposed.
  • the fiber-reinforced polymer phase 112 is pressed and flowed, and a portion of the fiber-reinforced polymer phase 112 is injected into the opening 115o, and further It may be injected into the empty space S previously formed in the mold M.
  • the mold M may be integrally formed as a part of the press apparatus, and various types of molds may be mounted on the press apparatus as described above.
  • the pre-machined openings 115o in the multilayer 110 determine the flow rate and/or flow direction of the molten fiber reinforced polymer phase 112 .
  • the multi-layer 110 exists in a state in which rigidity is improved and the degree of freedom is increased, it is very easy to control the flow rate and/or the flow direction. That is, the flow rate/or flow direction of the fiber-reinforced polymer phase 112 may be determined according to the diameter, shape, or surface structure of the multilayer 110 defining the opening 115o pre-machined. .
  • the above surface structure may have various patterns such as a slit pattern, a grid pattern, and a protrusion pattern, and may have a tapered shape toward the top or bottom.
  • the first reinforcement protruding outward through the opening 115o of the metal sheet 111 A structure 510 may be formed. Since the first reinforcing structure 510 thus formed is integrally formed with the fiber-reinforced polymer phase 112 , structural integrity may be added.
  • the second reinforcing structure 520 of the 3D structure 500 illustrated in FIG. 7 may be formed in which the fiber-reinforced polymer phase 112 illustrated in FIG. 6 surrounds the hybrid material 400 .
  • the shape of the portion in contact with the fiber-reinforced polymer phase 112 in the pressing device may be formed to correspond to the shape of the second reinforcing structure 520 .
  • a mold corresponding to the outer shape of the second reinforcing structure 520 is disposed between the press device and the fiber-reinforced polymer phase 112 , and the fiber-reinforced polymer phase 112 flows by the mold during operation of the press device.
  • a second reinforcing structure 520 may be formed. Since the second reinforcing structure 510 thus formed is integrally formed with the fiber-reinforced structure 112 , structural integrity may be added.
  • the third reinforcing structure 530 of the 3D structure 500 shown in FIG. 7 may be formed in which the fiber-reinforced polymer phase 112 shown in FIG. 6 surrounds the edge of the metal sheet 111 .
  • the shape of the portion in contact with the fiber-reinforced polymer phase 112 in the pressing device is formed to correspond to the shape of the third reinforcing structure 530 .
  • a mold corresponding to the outer shape of the third reinforcing structure 530 is disposed between the pressing device and the fiber-reinforced polymer phase 112 , and the fiber-reinforced polymer phase 112 is flowed by the mold during the operation of the pressing device.
  • a third reinforcing structure 530 may be formed. Since the third reinforcing structure 530 thus formed is integrally formed with the fiber-reinforced structure 112 , structural integrity may be added.
  • the 3D structure 500 illustrated in FIG. 7 may further include other reinforcing structures in addition to the first to third reinforcing structures 510 , 520 , and 530 described above.
  • it may further include a fourth reinforcing structure 540 surrounding the functionalized three-dimensional hybrid material 400 ′, and a fifth reinforcing structure 540 in the form of a knob for strengthening bonding force with the metal sheet 111 .
  • a reinforcing structure 550 may be further included.
  • a sixth reinforcing structure 560 may be further included to strengthen the bonding force with the metal sheet 111 and to couple the 3D structure 500 with another structure or assembly.
  • the fourth reinforcing structure 540 may be manufactured in the same or similar manner as the second reinforcing structure 520 , and the fifth reinforcing structure 550 and the sixth reinforcing structure are the same as the first reinforcing structure 510 . Or it can be prepared in a similar way.
  • a multi-layer is formed by combining a fiber-reinforced polymer phase and a metal sheet without another adhesive, and an opening is processed in the formed multi-layer, and the By pressing, a user's desired 3D structure can be manufactured quickly, simply and inexpensively, and the formation of ribs, knobs, features, textures, encapsulation, and edges of the 3D structure is free. There are also advantages.
  • FIG. 8 is a flowchart of a method for manufacturing a three-dimensional structure according to another embodiment of the present invention.
  • the three-dimensional structure manufacturing method according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 8 may include an opening processing step 210 , a multi-layer forming step 230 , and a multi-layer and hybrid material bonding step 250 . .
  • the 3D structure 500 illustrated in FIG. 7 may be manufactured by the method for manufacturing a three-dimensional structure according to another embodiment of the present invention illustrated in FIG. 8 .
  • the opening processing step 210 is performed before the multi-layer forming step 230 . This will be described in detail with reference to FIG. 9 .
  • FIG. 9A to 9B are diagrams for explaining the opening processing step 210 and the multi-layer forming step 230 shown in FIG. 8 .
  • At least one or a plurality of openings 111o are machined in the metal sheet 111 ′.
  • the opening 111o may be formed so that a portion of the metal sheet 111' penetrates.
  • the position at which the opening 111o is processed may vary depending on the 3D structure to be manufactured.
  • the opening 111o may correspond to a position of one or a plurality of reinforcing structures to be described later.
  • the opening 111o may be processed using a laser, or the opening 111o may be processed by other methods.
  • the opening 111o may be defined as including at least one of a hole, a slit, and a slot.
  • the shape of the reinforcement structure to be described later may vary depending on the size or shape of the opening 111o.
  • a multi-layer 115 ′ is formed by forming a fiber-reinforced polymer phase 112 ′ on the metal sheet 111 ′.
  • the fiber-reinforced polymer phase 112 ′ and the metal sheet 111 ′ may be thermocompression-bonded to form a multi-layer 115 ′.
  • the multi-layer 115 ′ may be formed by locally melting the contact interface between the fiber-reinforced polymer phase 112 ′ and the metal sheet 111 ′ by heat, and then cutting it into a sheet shape.
  • a three-dimensional structure manufacturing method according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 8 can also obtain the same effect as the three-dimensional structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 8
  • Hybrid materials 400 and 400' are, Tow, the pre-impregnated preform (the prepreg), functional 3D tow, M-Tow, fiber braided Tow, 3 It may be any one of a 3D Isotruss structure, and a metal composite 3D Isotruss structure.
  • Tow is a hybrid material also called prepreg (the pre-impregnated preform), and is a material in which a polymer compound and a fiber material are mixed.
  • M-Tow fiber braided tow
  • fiber braided tow may be a composite material including a hybrid material strand such as tow, a fiber (carbon, glass, natural, basalt) layer, and a coating layer. Examples of the M-toe will be described with reference to FIG. 10 .
  • FIG. 10 is a diagram showing several examples of M-tows usable as hybrid materials 400 and 400' shown in FIG. 7 . Specifically, (a) of FIG. 10 is an example of the M-tow, and FIG. 10 (b) is another example of the M-tow.
  • the M-toe 100 is a hybrid material strand 120, a fiber layer 140 surrounding the hybrid material strand 120, and a coating layer 160 surrounding the fiber layer 140.
  • the M-toe 300 is a hybrid material strand 320, a coating layer 360 surrounding the hybrid material strand 120, and a fiber layer 340 surrounding the coating layer 360.
  • the hybrid material strands 120 and 320 may include at least one of a polymer compound and a fiber material.
  • the shape of the hybrid material strands 120 and 320 may include a band shape as well as a strand shape.
  • the shape of the hybrid material strands 120 , 320 may be substantially the same as the shape of a continuous strand, yarn, tow, bundle, band, tape, or the like.
  • the hybrid material strands 120 and 320 may be a major component that determines the mechanical performance (rigidity, durability, impact resistance, etc.) of the hybrid material 300 as the final product.
  • the polymer compound may include at least one of a thermoplastic resin and a thermosetting resin.
  • the high molecular compound is polylactic acid, polyethylene, polypropylene, polyamide, ABS, polymethyl methacrylate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyetherimide, polyphenylene sulfide, poly It may include at least one of ether ether ketone, ethylene vinyl acetate, polyurethane, epoxy, unsaturated polyester, polyimide, and phenolic.
  • the fiber material may include at least one of glass fiber, carbon fiber, natural fiber, aramid fiber, ceramic fiber, viscous fluid fiber, shape memory alloy fiber, optical fiber, and piezoelectric fiber.
  • the fiber material may be a reinforcing material of the polymer compound.
  • Some fibrous materials may be encapsulated.
  • the fibrous material may be coated in several layers. In this case, the fiber material may have a structure of a cable having a small diameter.
  • the fiber layers 140 and 340 may include at least one of a thermoplastic resin or a thermosetting resin.
  • the fiber layers 140 and 340 may include polylactic acid, polyethylene, polypropylene, polyamide, ABS, polymethyl methacrylate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyetherimide, and polyphenyl. It may include at least one of lensulfide, polyether ether ketone, ethylene vinyl acetate, polyurethane, epoxy, unsaturated polyester, polyimide, and phenolic.
  • the fiber layers 140 and 340 may include carbon.
  • heat transfer efficiency may be improved, and rigidity may be increased.
  • the 3D structure to be manufactured is a battery pack, using M-tow as a hybrid material, and when the fiber layer of M-tow contains carbon, heat transfer efficiency is improved, so that the cooling efficiency of the battery pack is improved.
  • the fibrous layers 140 and 340 may be braided and formed on the hybrid material strands 120 and 320 .
  • the braided fibrous layers 140 , 340 may be formed by a radially applied strain or load by the hybrid material strands 120 . It can have sufficient rigidity to withstand the load.
  • the coating layers 160 and 360 may be a coating polymer.
  • the coating polymer may allow the three-dimensional object to be formed based on the M-tows 100 and 300 to have suitable bonding.
  • a coating polymer having a high viscosity may be selected.
  • M-tow 100, 300
  • the M-tow (100, 300) is a hybrid material strand (120, 320), the fiber layer (140, 340) and the coating layer (160, 360) between Based on the physical interaction, it can have high rigidity, durability, and impact properties.
  • the functionalized 3D tow is a functional modification of the above-described tow or M-tow, and may be a hybrid material 400 ′ having an empty space therein, as shown in FIG. 7 .
  • Optical fibers, piezoelectric fibers, electric cables, etc. are arranged in the empty space inside, the empty space inside is used as an air flow path in the air conditioning system, functions as a tube through which water, cooling liquid, etc. flows, or parts such as a sensing filament or sensor There is an advantage that it can also function as a receiving space to be inserted.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a three-dimensional isotruss structure usable as the hybrid materials 400 and 400' shown in FIG. 7 .
  • the three-dimensional iso-truss structure means that, as shown in FIG. 11 , a metal material has a three-dimensional iso-truss structure.
  • the isotruss may mean a polygonal open pyramid shape.
  • Such a three-dimensional isotruss structure has advantages of structural stability and high strength.
  • the three-dimensional iso-truss structure 400 ′′ has the advantage of further improving the strength and durability of the completed three-dimensional structure.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a metal composite three-dimensional isotruss structure usable as the hybrid materials 400 and 400' shown in FIG. 7 .
  • the metal composite 3D iso-truss structure 400'' may be a composite of the 3D isotruss structure 400'' and the metal M, as shown in FIG. 11 or FIG. 12 . have.
  • the strength and durability of the manufactured three-dimensional structure can be further improved than in FIG. 11 or 12. have.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of another metal composite 3D isotruss composite usable as the hybrid materials 400 and 400' shown in FIG. 7 .
  • FIG. 14 another metal composite three-dimensional isotruss structure 400 ′′′′ is added to the three-dimensional isotruss structure 400 ′′ and the metal M as shown in FIG. 11 or 12 .
  • Tow, or as shown in FIG. 10 M- tow (T) may be further included in the composite.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of another tape composite 400'''' usable as the hybrid material 400, 400' shown in FIG. 7 .
  • the UD tape composite 400''''' may include a plurality of UD tapes shown in FIG. 3 .
  • the UD tape composite 400 ′′′′′′ shown in FIG. 15 includes a plurality of UD tapes 1500 .
  • a plurality of UD tapes 1500 may be arranged to overlap each other in various directions.
  • a plurality of first tapes may be disposed along a first direction d1
  • a plurality of second tapes may be disposed on the plurality of first tapes in a second direction d2.
  • a plurality of third tapes may be disposed along a third direction d3 on the plurality of second tapes
  • a plurality of fourth tapes may be disposed on the plurality of third tapes. It may be disposed along the 4 directions d4.
  • a plurality of first tapes, a plurality of second tapes, a plurality of third tapes, and a plurality of fourth tapes are sequentially stacked from bottom to top, and then some portions of a plurality of fourth tapes disposed on top
  • the plurality of first tapes, the plurality of second tapes, the plurality of third tapes, and the plurality of fourth tapes may be bonded to each other by applying a predetermined pressure thereto.
  • a predetermined scratch 1550 may remain at the position where the pressure is applied.
  • first direction d1 and the second direction d2 may be perpendicular to each other
  • third direction d3 and the fourth direction d4 may be perpendicular to each other
  • first direction d1 and the second direction d4 may be perpendicular to each other.
  • the three directions d3 may form an acute angle, for example, at an angle of 45 degrees.
  • FIG. 15 shows the tape composite 400''''' as an example, in which a plurality of tapes may be disposed in a fifth direction or more.
  • the fiber composite 400 ′′′′′′ stacked to have various directions using a plurality of tapes 1500 having one directionality has various directions
  • the 3D structure shown in FIG. 1 or FIG. 8 is manufactured.
  • the fiber composite can flow along the various directions of the tape composite 400 ′′′′′′. Therefore, the fiber composite can flow in several directions without being limited by the single directionality of one tape 1500, so that a user's desired 3D structure from 2D to 3D can be manufactured.
  • tape composite 400'''' shown in FIG. 15 is used as a hybrid material of the 2D to nearly 3D structure manufacturing method shown in FIG. 1 or FIG. 8, a large area or large part such as a part of an airplane There is also the advantage of being able to manufacture at one time.
  • 16 is a cross-sectional view of a battery pack that may be manufactured by a 3D structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack illustrated in FIG. 16 may be a box for accommodating an electric battery of an electric vehicle.
  • These battery packs are a battery module (battery module, 1610), a frame (frame, 1630), a battery module tray (battery module tray, 1650), a cooling part (cooling components, 1670) and a battery cover part (battery cover components, 1690) may include
  • the battery module 1610 may be a module that supplies power to the electric vehicle. A number may be disposed within the battery pack.
  • the frame 1630 may be for separating each of the plurality of battery modules 1610 and protecting each of the battery modules 1610 .
  • the battery module 1610 may be disposed between two adjacent frames 1630 .
  • the battery module tray 1650 may be a tray on which a plurality of battery modules 1610 are mounted.
  • a plurality of frames 1630 may be spaced apart from each other on the battery module tray 1650 .
  • the cooling unit 1670 may be disposed under the battery module tray 1650 , and may reduce the internal temperature of the battery pack by absorbing heat generated from the battery module 1610 .
  • the battery cover unit 1690 may constitute the external shape of the battery pack, and the battery module 1610 , the frame 1630 , the battery module tray 1650 , and the cooling unit 1670 are disposed within the battery cover unit 1690 . can be
  • the battery cover unit 1690 may include a lower plate 1691 , a side plate 1693 , and an upper plate 1695 .
  • a cooling unit 1670 may be disposed on the lower plate 1691 , and the side plate 1693 may be coupled to an edge of the lower plate 1691 .
  • the top plate 1695 may be disposed on the side plates 1693 to seal the battery module 1610 in the battery pack.
  • the battery cover unit 1690, the frame 1630 and the cooling unit 1670 are manufactured through the 3D structure manufacturing method according to the embodiment of the present invention shown in Fig. 1 or Fig. 8 above. can do. Additionally, the battery module tray 1650 may be manufactured together with the battery cover unit 1690 , the frame 1630 , and the cooling unit 1670 through the 3D structure manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
  • the cooling unit 1650 may be formed of the hybrid material 400' and the metal sheet 111 shown in FIGS. 6 to 7, and the lower plate 1691 and the side plate ( 1693) and at least two or more of the frame 1630 may be formed of the fiber-reinforced polymer phase 112 shown in FIGS. 6 to 7 .
  • the battery module tray 1650 may also be formed from the fiber-reinforced polymer phase 112 at a time.
  • the cooling unit 1650 may be formed of the hybrid material 400 ′ and the metal sheet 111 shown in FIGS. 6 to 7 , and in particular, the cooling water may fill the internal empty space formed in the hybrid material 400 ′.
  • the cooling unit 1650 shown in FIG. 16 can be manufactured in one process.
  • the upper plate 1695 of the battery cover unit 1690 may be separately manufactured and mounted on the side plate 1693 of the battery cover unit 1690 after the battery module 1610 is mounted in the battery pack.

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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
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.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-0581123B1호 (2006.05.10. 등록)
(특허문헌 2) 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.
[부호의 설명]
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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