KR102507820B1 - 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법 및 그에 따라 제조되는 성형품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적층 공정이 없이 롤링 공정으로 적층구조가 구현되면서 한 쌍의 중공부를 갖는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법 및 그에 따라 제조되는 성형품에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법은 적어도 3개의 파트로 분리되는 인너금형을 준비하는 단계와; 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연결된 멀티 시트를 준비하는 단계와; 상기 인너금형의 외주면에 상기 멀티 시트가 권취되도록 상기 인너금형을 롤링하여 복수의 층을 갖는 파이프 형상의 멀티 코어를 준비하는 단계와; 상기 인너금형 중 적어도 하나의 파트를 권취된 멀티 코어의 내부에서 분리하여 멀티 코어의 내부에 더미중공부를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어의 외부에서 상기 더미중공부 방향으로 상기 멀티 코어를 가압하여 상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어에 수지를 함침시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법은 적어도 3개의 파트로 분리되는 인너금형을 준비하는 단계와; 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연결된 멀티 시트를 준비하는 단계와; 상기 인너금형의 외주면에 상기 멀티 시트가 권취되도록 상기 인너금형을 롤링하여 복수의 층을 갖는 파이프 형상의 멀티 코어를 준비하는 단계와; 상기 인너금형 중 적어도 하나의 파트를 권취된 멀티 코어의 내부에서 분리하여 멀티 코어의 내부에 더미중공부를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어의 외부에서 상기 더미중공부 방향으로 상기 멀티 코어를 가압하여 상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어에 수지를 함침시키는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법 및 그에 따라 제조되는 성형품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적층 공정이 없이 롤링 공정으로 적층구조가 구현되면서 한 쌍의 중공부를 갖는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법 및 그에 따라 제조되는 성형품에 관한 것이다.
종래에는 차량을 구성하는 차체 구조 및 각종 부품을 스틸 소재를 사용하여 제조하는 것이 일반적이었지만, 최근에는 경량화에 따른 연비 향상을 위해 섬유강화 수지복합재와 같은 복합소재가 스틸 소재를 대체하여 이용되고 있다.
일반적으로 섬유강화 수지복합재는 소재에 부가되는 하중을 담당하는 역할을 하는 강화재 및 강화재와 결합하여 소재의 전체적인 형상을 구현하면서 소재에 부가되는 하중을 강화재에 전달하는 역할을 하는 모재를 기본 구조로 한다. 이때 강화재로는 보통 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 섬유형 강화재가 많이 사용되고, 모재로는 페놀수지, 에폭시 수지 등을 포함하는 열경화성 수지나 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 수지 등을 포함하는 열가소성 수지와 같은 수지(resin)형 모재가 많이 사용된다.
이와 같은 섬유강화 수지복합재는 섬유사를 함침조(Die)에서 수지 함침하여 일정한 형상을 지닌 제품을 연속적으로 생산하는 인발성형(Pultrusion), 직조물 상태의 강화재를 금형안에 공급한 후 수지 함침하는 RTM(Resin transfer molding)공법 및 금형 안에서 수지를 직접 중합하는 RIM(Reaction injection molding)공법 등 강화재 또는 모재의 선택에 따라 다양한 공법으로 제조될 수 있다.
한편, 강화재로 사용되는 섬유형 강화재는 그 길이에 따라 단섬유, 장섬유 및 연속섬유로 구분되고, 이중 연속섬유는 섬유의 배열 방향에 따라 발현되는 물성에 차이가 발생된다. 최근에는 이러한 섬유의 배열 방향에 따른 이방성 특성을 활용하여 보다 향상된 물성을 획득하기 위하여 서로 다른 배열 방향을 갖는 직조물 상태의 강화재를 원하는 배열 방향으로 적층하여 사용하고 있다.
일반적으로 다층의 섬유강화 수지복합재를 제조하는 방법은, 서로 다른 배열 방향으로 직조된 직조물 상태의 섬유 시트에 수지를 함침시켜 특정 배열 방향의 강화 시트를 마련하고, 이렇게 마련된 강화 시트를 원하는 배열 방향으로 적층한 다음 접합하여 사용하고 있다.
하지만, 이러한 다층의 섬유강화 수지복합재는 각 층을 접합하는 공정 중에 산포가 발생되고, 영역별로 접합 불량이 발생되는 단점이 있다.
또한, 섬유강화 수지복합재의 각 층을 형성하는 강화 섬유 사이에 연속성이 단절되고, 시트(sheet) 형상이 아닌 블록 형상의 제품을 구현하는데 한계가 있는 단점이 있다.
한편, 스틸 소재를 대체하여 섬유강화 수지복합재를 사용하여 스틸 소재 대비 경량화를 달성할 수 있지만, 보다 높은 수준의 경량화를 달성하면서 외부에서 충격이 발생되는 경우 이러한 충격을 완충시킬 수 있는 중공부를 갖는 구조의 섬유강화 수지복합재에 대한 요구가 있었다.
하지만, 종래의 적층 공정에 의한 섬유강화 수지복합재로 내부에 중공부를 형성하기 위해서는 시트(sheet) 형상의 수지복합재를 중공부가 형성된 구조로 말아서 성형하여야 하지만, 이러한 방법으로는 중공부가 폐단면을 형성하지 못하여 충분한 강도를 보장하지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 서로 다른 방향으로 배열되는 강화 섬유의 적층 공정이 없이 롤링 공정으로 적층구조가 구현되면서 충격과 같은 외부 요인에 완충 역할을 할 수 있는 한 쌍의 중공부를 갖는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법 및 그에 따라 제조되는 성형품을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법은 적어도 3개의 파트로 분리되는 인너금형을 준비하는 단계와; 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연결된 멀티 시트를 준비하는 단계와; 상기 인너금형의 외주면에 상기 멀티 시트가 권취되도록 상기 인너금형을 롤링하여 복수의 층을 갖는 파이프 형상의 멀티 코어를 준비하는 단계와; 상기 인너금형 중 적어도 하나의 파트를 권취된 멀티 코어의 내부에서 분리하여 멀티 코어의 내부에 더미중공부를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어의 외부에서 상기 더미중공부 방향으로 상기 멀티 코어를 가압하여 상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어에 수지를 함침시키는 단계를 포함한다.
상기 인너금형을 준비하는 단계에서 준비되는 인너금형은 한 쌍의 사이드 파트와; 상기 한 쌍의 사이드 파트 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 센터 파트를 포함하고, 상기 한 쌍의 사이드 파트와 센터 파트가 하나의 회전축선을 기준으로 일체로 회전되며, 상기 더미중공부를 형성하는 단계는, 상기 인너금형 중 센터 파트를 한 쌍의 사이드 파트에서 분리하여 멀티 코어의 내부에서 탈거시키는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계에서, 상기 한 쌍의 사이드 파트 중 적어도 어느 하나를 서로 가까워지는 방향으로 소정 간격만큼 이동시킨 상태에서 상기 멀티 코어의 소정 지점을 가압하는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계는 상기 멀티 코어의 소정 지점을 멀티 코어 외부에 구비되는 아우터금형으로 가압하되, 가압되는 멀티 코어의 가압 지점이 대향되는 멀티 코어의 소정 지점에 접하거나 근접되도록 하여 멀티 코어의 내부에는 각 사이드 파트의 외주면을 둘러싸는 한 쌍의 중공부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 시트를 준비하는 단계에서 상기 다수의 강화섬유시트는 동일 평면상에서 길이방향을 따라 순차적으로 배치되어 연속적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는, 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 직조된 다수의 강화섬유시트를 인접배치되는 강화섬유시트끼리 서로의 단부를 연결시켜서 멀티 시트를 마련하는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는, 서로 인접하는 강화섬유시트의 단부를 소정 길이만큼 오버랩시키고, 오버랩 구간을 스티치하여 연결시키는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는, 강화섬유를 영역별로 다른 배열방향을 갖도록 연속적으로 직조하여 멀티 시트를 마련하는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는, TFP(Tailored Fiber Placement) 설비를 이용하여 영역별로 서로 다른 배열 패턴을 갖도록 직조방향을 변경하면서 연속적으로 직조하는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 코어를 준비하는 단계는, 회전축선을 기준으로 회전되는 인너금형의 외주면에 상기 멀티 시트를 연속적으로 권취하여 복수의 층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 시트를 준비하는 단계에서 각 강화섬유시트의 길이는 상기 멀티 코어를 준비하는 단계에서 사용되는 인너금형의 외주면 둘레 길이에 대응하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 함침시키는 단계는, 상부 금형과 하부 금형이 합형되어 마련되는 캐비티에 상기 멀티 코어를 배치하고, 상기 캐비티에 수지를 주입하여 상기 멀티 코어에 수지를 함침시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조되는 성형품은 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연속적으로 연결시킨 멀티 시트가 복수의 층을 갖는 파이프 형상으로 롤링된 상태에서 소정의 지점이 가압에 의해 대향되는 지점에 접하거나 근접되는 절곡부가 형성된 멀티 코어를 포함하고, 상기 멀티 코어에는 수지가 함침되는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 코어는 상기 멀티 시트의 일측 단부에서 타측 방향을 향하여 파이프 형상으로 롤링되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 코어의 내부는 폐단면을 갖는 한 쌍의 중공부가 상기 절곡부를 사이에 두고 멀티 코어의 폭방향을 따라 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 성형품은 차량용 백빔인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트를 길이방향을 따라 동일 평면상에서 순차적으로 배치하여 연결시켜 멀티 시트를 준비하고, 준비된 멀티 시트를 인너금형의 외주면에 권취함으로써, 적층 공정 없이 적층구조를 구현할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 이에 따라 공정 수를 축소할 수 있고, 적층 공정에 발생할 수 있는 소재 내에 산포가 발생하는 것과 같은 문제점을 해소할 수 있다.
또한, 멀티 시트를 형성하는 각 강화섬유시트의 길이를 인너금형의 외주면 둘레 길이에 대응하여 조절함으로써 원하는 위치에 원하는 배열방향을 갖는 강화섬유시트를 손쉽게 제조할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
그리고 차체를 구성하는 사이드실, 멤버, 필라 등과 같이 바(bar) 타입의 형상을 가지면서 강도 및 강성을 요구하는 부품을 손쉽게 제조하면서도 각 부품이 요구하는 물성을 충족시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 적어도 3개의 파트로 분리되는 인너금형을 사용하여 멀티 코어를 형성한 다음, 3개의 파트 중 중간 영역에 배치된 적어도 하나의 파트를 멀티 코어의 내부에서 분리하여 더미중공부를 형성하고, 이 공간을 가압하여 한 쌍의 폐단면 구조를 갖는 중공부를 형성함으로써, 충격과 같은 외부 요인에 완충 역할을 할 수 있는 한 쌍의 중공부를 갖는 다층 섬유강화 수지복합재를 비교적 간단한 공정으로 제조할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법을 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조되는 성형품의 단면을 보여주는 도면이며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 시트를 준비하는 방법을 보여주는 도면이고,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 차량용 백빔을 제조하는 방법을 보여주는 도면이며,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조된 차량용 백빔을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조되는 성형품의 단면을 보여주는 도면이며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 시트를 준비하는 방법을 보여주는 도면이고,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 차량용 백빔을 제조하는 방법을 보여주는 도면이며,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조된 차량용 백빔을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법을 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조되는 성형품의 단면을 보여주는 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 시트를 준비하는 방법을 보여주는 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 차량용 백빔을 제조하는 방법을 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법은 적어도 3개의 파트로 분리되는 인너금형(10)을 준비하는 단계와; 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트(111, 112, 113)를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연결된 멀티 시트(110)를 준비하는 단계와; 상기 인너금형(10)의 외주면에 상기 멀티 시트(110)가 권취되도록 상기 인너금형(10)을 롤링하여 복수의 층을 갖는 파이프 형상의 멀티 코어(210)를 준비하는 단계와; 상기 인너금형(10) 중 적어도 하나의 파트를 권취된 멀티 코어(210)의 내부에서 분리하여 멀티 코어(210)의 내부에 더미중공부(211)를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어(210)의 외부에서 상기 더미중공부(211) 방향으로 상기 멀티 코어(210)를 가압하여 상기 멀티 코어(210)에 절곡부(213)를 형성하는 단계와; 상기 멀티 코어(210)에 수지(120)를 함침시키는 단계를 포함한다.
인너금형을 준비하는 단계는 다수개의 중공부(212a, 212b)를 갖는 다층 섬유강화 수지복합재를 성형하기 위한 인너금형(10)을 준비하는 단계로서, 본 단계에서 준비되는 인너금형(10)은 한 쌍의 사이드 파트(11, 12)와; 상기 한 쌍의 사이드 파트(11, 12) 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 센터 파트(13)를 포함한다. 이때 한 쌍의 사이드 파트(11, 12)와 센터 파트(13)는 하나의 회전축선(14)을 기준으로 일체로 회전되는 것이 바람직하다. 예를 들어 본 실시예에서는 한 쌍의 사이드 파트(11, 12) 사이에 하나의 센터 파트(13)가 마련된다.
부연하자면 인너금형(10)의 중간 영역에 센터 파트(13)가 배치되고, 센터 파트(13)의 양측으로 제 1 사이드 파트(11)와 제 2 사이드 파트(12)가 배치된다. 이때 센터 파트(13)와 제 1 사이드 파트(11) 및 제 2 사이드 파트(12)는 서로 밀착되어 준비되거나 소정의 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다. 다만, 센터 파트(13)와 제 1 사이드 파트(11) 및 제 2 사이드 파트(12)는 하나의 회전축선(14)을 기준으로 일체로 회전되기 위하여 상호간에 밀착되어 배치되는 것이 바람직하며, 회전되는 동안에는 다양한 체결방식에 의해 상호간에 고정되는 것이 바람직하다. 이때 체결방식은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어 상호 간에 서로 체결되는 홈과 돌기를 형성할 수 있거나 밴드와 같은 별도의 체결수단을 이용하여 상호간을 고정시킬 수 있을 것이다.
센터 파트(13)와 제 1 사이드 파트(11) 및 제 2 사이드 파트(12)는 성형하고자 하는 성형품의 형상에 따라 다양하게 변경되어 구현될 수 있을 것이다. 본 실시예에서는 전체적으로 사각형상의 단면을 갖는 사각기둥의 형상으로 구현하였다. 물론 사각기둥의 모서리부분은 후술되는 멀티 시트의 원활한 권취를 위하여 호 형상의 단면으로 가공되는 것이 바람직한다.
한편, 센터 파트(13)와 제 1 사이드 파트(11) 및 제 2 사이드 파트(12)는 하나의 회전축선(14)을 기준으로 일체로 회전하기 위하여 센터 파트(13)와 제 1 사이드 파트(11) 및 제 2 사이드 파트(12)가 일체로 고정된 상태에서 하나의 회전축(미도시)에 의해 회전되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 본 실시예에서는 도시하지 않았지만 센터 파트(13)에 회전축을 형성할 수 있다. 이때 회전축은 도 1에 도시된 가상의 회전축선(14) 상에 형성되는 것이 바람직하다. 물론 회전축의 설치 위치 및 개수는 센터 파트(13)와 제 1 사이드 파트(11) 및 제 2 사이드 파트(12)를 하나의 회전축선(14)을 기준으로 일체로 회전시킬 수 있다면 다양한 방식으로 변경되어 구현될 수 있을 것이다.
멀티 시트를 준비하는 단계는 길이방향을 따라 영역별로 서로 다른 배열방향을 갖는 멀티 시트(110)를 준비하는 단계로서, 예를 들어 0°, ±45° 및 ±90° 중 어느 하나의 각도로 일정하게 배열된 강화 섬유가 직조된 다수의 강화섬유시트(111, 112, 113)를 동일 평면상에서 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연속적으로 연결된 멀티 시트(110)를 준비할 수 있다.
이때 멀티 시트(110)를 준비하는 구체적인 공정은 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 멀티 시트(110)를 마련하기 위하여 먼저, 강화섬유가 0°로 직조된 제 1 강화섬유시트(111), 45°로 직조된 제 2 강화섬유시트(112) 및 90°로 직조된 제 3 강화섬유시트(113)를 각각 개별적으로 준비한다. 그리고, 제 1 강화섬유시트(111), 제 2 강화섬유시트(112) 및 제 3 강화섬유시트(113)를 선택적으로 길이방향을 따라 이어서 배치한 다음 연결한다. 이때 서로 인접배치되는 강화섬유시트(111, 112, 113)끼리는 서로의 단부를 소정 길이만큼 오버랩시켜서 오버랩 구간(110a, 110b)을 형성하고, 이 오버랩 구간(110a, 110b)을 스티치하여 서로 인접배치되는 강화섬유시트(111, 112, 113)를 연속적으로 연결시킨다. 물론 제 1 강화섬유시트(111), 제 2 강화섬유시트(112) 및 제 3 강화섬유시트(113)는 예시된 배열 각도에 한정되는 것이 아니라 다양한 각도로 변경되어 구현될 수 있고, 강화섬유시트의 개수 및 배치 순서도 다양하게 변경되어 구현될 수 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 멀티 시트(110)를 마련하기 위하여 복수의 구속핀(20)이 마련된 TFP(Tailored Fiber Placement) 설비를 이용한다. 그래서 강화섬유를 영역별로 다른 배열방향을 갖도록 연속적으로 직조한다. 이때 영역별로 서로 다른 배열 패턴을 갖도록 영역별로 직조방향을 변경하면서 연속적으로 직조한다. 예를 들어 직조 초반에는 강화섬유를 0°로 직조하여 제 1 강화섬유시트(111)를 형성하고, 이어서 45°로 직조하여 제 2 강화섬유시트(112)를 형성하며, 이어서 90°로 직조하여 제 3 강화섬유시트(113)를 형성하여, 영역별로 다른 배열방향을 가지면서 연속적으로 연결된 멀티 시트(110)를 마련할 수 있다. 이때도 마찬가지로 각 강화섬유시트는 예시된 배열 각도에 한정되어 직조되는 것이 아니라 다양한 각도로 변경되어 직조될 수 있다.
한편, 멀티 시트(110)를 마련하는데 사용되는 강화 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등과 같이 연속 섬유를 형성할 수 있는 다양한 종류의 섬유형 강화재가 사용될 수 있다.
멀티 코어를 준비하는 단계는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 적어도 3개의 파트로 분리되는 인너금형(10)의 외주면에 멀티 시트(110)를 권취하여 복수의 층을 갖는 파이프 형상의 멀티 코어(210)를 준비하는 단계로서, 멀티 시트(110)가 인너금형(10)의 외주면에 권취되도록 인너금형(10)을 롤링시킨다.
예를 들어 하나의 회전축선(14)을 기준으로 회전되는 인너금형(10)을 사용하여 멀티 코어(210)를 준비할 수 있다. 이때 인너금형(10)은 제품의 최종 형상에 대응하여 다양한 형상을 갖는 인너금형(10)이 사용될 수 있다.
부연하자면, 도 1 및 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 사이드 파트(11), 센터 파트(13) 및 제 2 사이드 파트(12)로 구성되는 인너금형(10)을 준비하고, 인너금형(10)의 일부분에 멀티 시트(110)의 단부를 고정시킨 상태에서 인너금형(10)을 롤링시켜서, 도 4의 (b)와 같이 인너금형(10)의 외주면에 멀티 시트(110)가 연속적으로 권취되면서 복수의 층을 형성한다. 이때 멀티 시트(110)는 길이방향을 따라 소정 길이만큼 일정한 배열방향으로 직조된 강화섬유시트(111, 112, 113)가 연속적으로 연결된바, 인너금형(10)에 소정 길이만큼은 일정한 배열방향으로 직조된 강화섬유시트(111)가 권취되고, 이어서 다른 배열방향으로 직조된 강화섬유시트(112, 113)가 권취되는 현상이 반복된다. 따라서 인너금형(10)의 외주면 둘레 길이에 대응하여 각 강화섬유시트(111, 112, 113)의 길이를 조절함에 따라 멀티 코어(210)를 형성하는 각 층별로 배치되는 강화섬유의 배열방향을 조절할 수 있다. 예를 들어 강화섬유시트(111, 112, 113)의 길이를 인너금형(10)의 외주면 둘레 길이에 대응되도록 준비하였다면, 해당 강화섬유시트(111, 112, 113)는 멀티 코어(210)에서 하나의 층을 형성하게 된다. 또한, 강화섬유시트(111, 112, 113)의 길이를 인너금형(10)의 외주면 둘레 길이의 2배에 대응되도록 준비하였다면, 해당 강화섬유시트(111, 112, 113)는 멀티 코어(210)에서 하나의 층을 형성하게 된다. 따라서, 각 강화섬유시트(111, 112, 113)의 길이는 인너금형(10)의 외주면 둘레 길이의 배수 길이로 결정하는 것이 바람직하다. 이때 인너금형(10)의 외주면 둘레 길이는 제 1 사이드 파트(11), 센터 파트(13) 및 제 2 사이드 파트(12)가 서로 고정된 상태에서 외부로 노출되어 멀티 시트(110)가 권취되는 영역의 둘레 길이를 의미한다.
더미중공부를 형성하는 단계는 후술되는 단계에서 멀티 코어(210)의 내부에 폐단면을 갖는 한 쌍의 중공부(212a, 212b)를 형성하기 위하여 멀티 코어(210)를 절곡시키기 위한 공간을 확보하는 단계로서, 인너금형(10) 중 적어도 하나의 파트를 권취된 멀티 코어(210)의 내부에서 분리하여 멀티 코어(210)의 내부에 더미중공부(211)를 형성한다.
부연하자면, 더미중공부를 형성하는 단계는 도 4의 (c)와 같이 인너금형(10) 중 센터 파트(13)를 제 1 사이드 파트(11)와 제 2 사이드 파트(12)에서 분리하여 멀티 코어(210)의 내부에서 탈거시키는 단계이다. 그래서 센터 파트(13)가 탈거된 공간이 더미중공부(211)를 형성한다.
멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계는 멀티 코어(210)의 외부에서 더미중공부(211) 방향으로 멀티 코어(210)를 가압하여 멀티 코어(210)에 절곡부(213)를 형성하는 단계이다.
멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계에서 멀티 코어(210)의 외부에서 더미중공부(211) 방향으로 멀티 코어(210)를 가압하는 경우에 권취된 멀티 코어(210)를 원활하게 절곡시키기 위하여 도 4의 (d)와 같이 한 쌍의 사이드 파트(11, 12) 중 적어도 어느 하나를 서로 가까워지는 방향으로 소정 간격만큼 이동시킨다. 본 실시예에서는 제 1 사이드 파트(11)의 위치가 고정된 상태에서 제 2 사이드 파트(12)를 제 1 사이드 파트(11) 방향으로 소정 간격만큼 이동시킨다. 그래서 절곡부(213)의 형성시에 절곡되는 영역의 길이만큼의 여유 길이가 확보된다.
이렇게 제 2 사이드 파트(12)의 이동이 완료되면, 도 4의 (e)와 같이 멀티 코어(210)의 소정 지점, 즉 더미중공부(211)가 형성된 지점을 멀티 코어(210) 외부에 구비되는 아우터금형(20)으로 가압하여 절곡부(213)를 형성하단. 이때 아우터금형(20)에 의해 가압되는 멀티 코어(210)의 가압 지점이 대향되는 멀티 코어(210)의 소정 지점에 접하거나 근접되도록 하여 멀티 코어(210)의 내부에는 제 1 사이드 파트(11)와 제 2 사이드 파트(12)의 외주면을 둘러싸는 한 쌍의 폐단면을 갖는 공간이 형성되고, 이 공간은 추후에 제 1 사이드 파트(11)와 제 2 사이드 파트(12)의 제거에 의해 중공부(212a, 212b)를 형성시킨다.
멀티 코어에 수지를 함침시키는 단계는 멀티 코어(210)에 수지(120)를 함침시켜 최종 또는 중간 성형품을 성형하는 단계이다.
이때 수지(120)로는 복합재를 구현할 수 있는 다양한 수지가 선택적으로 적용되어 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어 페놀수지, 에폭시 수지등을 포함하는 열경화성 수지나 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 수지 등을 포함하는 열가소성 수지가 사용될 수 있을 것이다.
멀티 코어(210)에 수지(120)를 함침시키는 방법은 다양한 방법으로 구현될 수 있을 것이다. 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b)이 합형되어 마련되는 캐비티에 멀티 코어(210)를 배치하고, 캐비티에 수지(120)를 주입하고 경화시키는 방법으로 구현될 수 있다.
상기와 같은 제조방법으로 제조되는 성형품은 도 2에 도시된 바와 같이 강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트(111, 112, 113)를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연속적으로 연결시킨 멀티 시트(110)가 복수의 층을 갖는 파이프 형상으로 롤링된 상태에서 소정의 지점이 가압에 의해 대향되는 지점에 접하거나 근접되는 절곡부(213)가 형성된 멀티 코어(210)를 포함하고, 멀티 코어(210)에는 수지가 함침되어 이루어진다.
이때 멀티 코어(210)에 함침되는 수지를 몰딩층(220)이라 한다. 그리고 멀티 시트(110)가 롤링된 멀티 코어(210)의 내부에는 절곡부(213)의 형성에 의해 폐단면 구조를 갖는 한 쌍의 중공부(212a, 212b)가 형성된다. 이때 멀티 코어(210)의 전체적인 단면 형상은 인너금형(10)의 전체적인 외주면 형상 및 절곡부(213)의 형상에 의해 결정되지만, 대략적으로 원형 또는 다각형의 폐단면을 갖는 파이프 형상으로 구현된 상태에서 소정 지점이 가압된 형태로 구현될 것이다. 이때 멀티 코어(210)는 서로 다른 배열방향으로 직조된 강화섬유시트(111, 112, 113)가 다층으로 구현된다.
몰딩층(220)은 멀티 코어(210) 내부에 함침되는 수지가 경화되어 이루어진다. 이때 몰딩층(220)의 형상은 수지가 주입되는 공간, 예를 들어 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b)이 합형되어 마련되는 캐비티의 형상을 변경하여 다양하게 구현할 수 있다.
상기와 같은 제조방법으로 제조되는 성형품은 차량의 차체를 구성하는 사이드실, 멤버, 필라 등과 같이 바(bar) 타입의 형상을 가지면서 강도 및 강성을 요구하는 부품에 적용될 수 있다.
예를 들어, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조된 차량용 백빔을 보여주는 도면이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 백빔(200)의 중심에서 강성을 보강하는 멀티 코어(210)가 내부에 폐단면 구조를 갖는 한 쌍의 중공부(212a, 212b)를 형성하고, 몰팅층(220)이 전체적인 백빔의 형상을 구현한다. 이때 멀티 코어의 내부는 폐단면을 갖는 한 쌍의 중공부(212a, 212b)가 절곡부(213)를 사이에 두고 멀티 코어(210)의 폭방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 성형품.
이에 따라 백빔(200)의 경량화를 달성하면서, 멀티 코어(210)가 연속적으로 연결되어 형성됨에 따라 강도 및 강성을 향상시킬 수 있다. 또한 두 개의 중공부(212a, 212b)에 의해 외부의 충격을 완충시키는 공간을 확보할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 인너금형 11: 제 1 사이드 파트
12: 제 2 사이드 파트 13: 센터 파트
14: 회전축선 20: 아우터금형
30a: 상부금형 30b: 하부금형
40: 구속핀 50: 수지 공급수단
110: 멀티 시트 111, 112, 113: 섬유강화시트
120: 수지 200: 성형품(백빔)
210: 멀티 코어 211: 더미 중공부
212a:, 212b: 중공부 213: 절곡부
220: 몰딩층
12: 제 2 사이드 파트 13: 센터 파트
14: 회전축선 20: 아우터금형
30a: 상부금형 30b: 하부금형
40: 구속핀 50: 수지 공급수단
110: 멀티 시트 111, 112, 113: 섬유강화시트
120: 수지 200: 성형품(백빔)
210: 멀티 코어 211: 더미 중공부
212a:, 212b: 중공부 213: 절곡부
220: 몰딩층
Claims (16)
- 적어도 3개의 파트로 분리되는 인너금형을 준비하는 단계와;
강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연결된 멀티 시트를 준비하는 단계와;
상기 인너금형의 외주면에 상기 멀티 시트가 권취되도록 상기 인너금형을 롤링하여 복수의 층을 갖는 파이프 형상의 멀티 코어를 준비하는 단계와;
상기 인너금형 중 적어도 하나의 파트를 권취된 멀티 코어의 내부에서 분리하여 멀티 코어의 내부에 더미중공부를 형성하는 단계와;
상기 멀티 코어의 외부에서 상기 더미중공부 방향으로 상기 멀티 코어를 가압하여 상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계와;
상기 멀티 코어에 수지를 함침시키는 단계를 포함하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 인너금형을 준비하는 단계에서 준비되는 인너금형은 한 쌍의 사이드 파트와; 상기 한 쌍의 사이드 파트 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 센터 파트를 포함하고, 상기 한 쌍의 사이드 파트와 센터 파트가 하나의 회전축선을 기준으로 일체로 회전되며,
상기 더미중공부를 형성하는 단계는, 상기 인너금형 중 센터 파트를 한 쌍의 사이드 파트에서 분리하여 멀티 코어의 내부에서 탈거시키는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계에서, 상기 한 쌍의 사이드 파트 중 적어도 어느 하나를 서로 가까워지는 방향으로 소정 간격만큼 이동시킨 상태에서 상기 멀티 코어의 소정 지점을 가압하는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 멀티 코어에 절곡부를 형성하는 단계는 상기 멀티 코어의 소정 지점을 멀티 코어 외부에 구비되는 아우터금형으로 가압하되, 가압되는 멀티 코어의 가압 지점이 대향되는 멀티 코어의 소정 지점에 접하거나 근접되도록 하여 멀티 코어의 내부에는 각 사이드 파트의 외주면을 둘러싸는 한 쌍의 중공부가 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 멀티 시트를 준비하는 단계에서 상기 다수의 강화섬유시트는 동일 평면상에서 길이방향을 따라 순차적으로 배치되어 연속적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는,
강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 직조된 다수의 강화섬유시트를 인접배치되는 강화섬유시트끼리 서로의 단부를 연결시켜서 멀티 시트를 마련하는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는,
서로 인접하는 강화섬유시트의 단부를 소정 길이만큼 오버랩시키고, 오버랩 구간을 스티치하여 연결시키는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는,
강화섬유를 영역별로 다른 배열방향을 갖도록 연속적으로 직조하여 멀티 시트를 마련하는 것을 특징으로 하는 다층 섬유 강화 수지 복합재의 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 멀티 시트를 준비하는 단계는,
TFP(Tailored Fiber Placement) 설비를 이용하여 영역별로 서로 다른 배열 패턴을 갖도록 직조방향을 변경하면서 연속적으로 직조하는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 멀티 코어를 준비하는 단계는,
회전축선을 기준으로 회전되는 인너금형의 외주면에 상기 멀티 시트를 연속적으로 권취하여 복수의 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 멀티 시트를 준비하는 단계에서 각 강화섬유시트의 길이는 상기 멀티 코어를 준비하는 단계에서 사용되는 인너금형의 외주면 둘레 길이에 대응하여 결정되는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 함침시키는 단계는,
상부 금형과 하부 금형이 합형되어 마련되는 캐비티에 상기 멀티 코어를 배치하고, 상기 캐비티에 수지를 주입하여 상기 멀티 코어에 수지를 함침시키는 것을 특징으로 하는 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법.
- 청구항 1에 따른 다층 섬유강화 수지복합재의 제조방법에 의해 제조된 성형품으로서,
강화 섬유가 서로 다른 배열방향으로 마련된 다수의 강화섬유시트를 길이방향을 따라 순차적으로 배치하여 연속적으로 연결시킨 멀티 시트가 복수의 층을 갖는 파이프 형상으로 롤링된 상태에서 소정의 지점이 가압에 의해 대향되는 지점에 접하거나 근접되는 절곡부가 형성된 멀티 코어를 포함하고,
상기 멀티 코어에는 수지가 함침되는 것을 특징으로 하는 성형품.
- 청구항 13에 있어서,
상기 멀티 코어는 상기 멀티 시트의 일측 단부에서 타측 방향을 향하여 파이프 형상으로 롤링되어 형성되는 것을 특징으로 하는 성형품.
- 청구항 14에 있어서,
상기 멀티 코어의 내부는 폐단면을 갖는 한 쌍의 중공부가 상기 절곡부를 사이에 두고 멀티 코어의 폭방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 성형품.
- 청구항 13에 있어서,
상기 성형품은 차량용 백빔인 것을 특징으로 하는 성형품.
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