프리프레그로 이루어진 반제품, 3차원 프리폼 및 오버몰드된 부품{SEMI-FINISHED PRODUCT MANUFACTURED FROM PREPREG, THREE-DIMENSIONAL PREFORMED BODY AND OVERMOULDED PART}
본 발명은 프리프레그 제품 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프리프레그로 이루어진 반제품과, 3차원 프리폼과, 반제품으로 이루어진 오버몰드된 부품에 관한 것이다.
합성 재료를 제조하는데 흔히 사용되는 중간 재료(intermediate material)인, 프리프레그(prepreg)는 대체로 레진 매트릭스(resin matrix)와 매트릭스에 내재된(impregnated) (섬유(fibers) 또는 직물(fabrics)과 같은) 보강재(reinforcement)로 이루어진다. 프리프레그는 보강재의 개재로 인한 더욱 큰 기계적 강도를 가지며, 자동자 부품들과 같은, 부분적이거나 전체적으로 보강될 필요가 있는 부품들을 제조하는데 사용되곤 한다. 상업적으로 이용가능한 프리프레그들은 대체로 시트(sheet) 또는 롤(roll) 형태이다. 보강될 필요가 있는 자동차 부품들은 대체로 3차원이고, 종종 복잡한 형상을 가진다. 그러한 3차원의 부품을 제조하는 알려진 방법은 이하의 단계들을 포함한다: 단계 1 : (원하는 3차원의 프리폼을 2-차원으로 전개함으로써 얻어지는) 적절한 형상 및 크기로 구매한 프리프레그를 절단하고 반제품을 형성하도록 요구되는 바와 같이 적절한 형상과 치수의 프리프레그들의 복수의 층들을 적층하는 단계; 단계 2 : 3차원 프리폼을 형성하도록 반제품을 가열하고 나서 핫 스탬핑(hot stamping)하는 단계; 단계 3 : 원하는 최종 치수 및 기하학적 구성이 형성되도록 냉각 후 3차원 프리폼을 핫 스탬핑 다이(die)에서 꺼내고 나서 그것을 (외형 처리(contour finishing) 또는 드릴링과 같이) 기계적으로 가공하는 단계; 단계 4 : 차후 오버몰딩에서 우수한 접착력을 가지는 오버몰드된 레진과 프리프레그 레진 매트릭스를 제공하도록, 프리프레그 레진 매트릭스의 녹는점보다 높은 온도로 3차원 프리폼을 재-가열하는 단계; 단계 5 : 사출 성형에 의해 3차원 프리폼 상에 열가소성 레진부를 오버몰드하기 위해 오버몰딩 다이로 고온의 3차원 프리폼을 이송하여, 최종적으로 오버몰드된 레진부와 (3차원 프리폼으로 이루어진) 보강재를 포함하는 3차원 부품을 얻는 단계. 도 1은 상기 방법을 사용하여 단계 3 이후에 획득되는 3차원 프리폼을 도시한다. 도 2는 3차원 프리폼이 두 개의 프리프레그 층들(10 및 12)을 포함하는, 단계 4 이후에 획득되는 3차원 프리폼을 도시한다. (도 1에 도시된 바와 같은) 3차원 프리폼의 원래의 3차원 형상이 도 2에 도시된 바와 같이 유지될 수 없고 변형되는 것은, 본 단계에서, 3차원 프리폼이 프리프레그 레진 매트릭스의 녹는점보다 높은 온도까지 재가열될 경우, 레진 매트릭스가 용융 상태로 변하여 3차원 프리폼은 연화되고 이후 재료 자체의 중력 하에 변형되는 것에 기인하며, 이러한 점은 원하는 3차원 부품들을 제조하는데 명백히 불리하다.
본 발명의 목적은 상술한 기술적인 문제점들을 해결하는 것이다. 이를 위해, 본 발명은 적어도 제1 프리프레그 층과 제2 프리프레그 층을 포함하고, 금속 층이 제1 프리프레그 층과 제2 프리프레그 층 사이에 배치되는, 프리프레그로 이루어진 반제품을 제공한다. "프리프레그(prepreg)"라는 용어는 합성 재료를 제조하는데 통상적으로 사용되는 중간 재료이며, 합성 재료 분야에서의 통상적인 의미를 가지고, 즉, 엄격하게 제어된 조건들 하에서 보강재를 레진 매트릭스에 내재시킴으로써 획득되는 보강재와 레진 매트릭스의 조합이다. "반제품(semi-product)"라는 용어는 최종 제품을 제조하기 위해 추가적으로 처리될 필요가 있는 중간 제품을 의미한다. 본 발명에 따르면, 금속 층이 프리프레그 층들 사이에 추가되므로, 반제품으로 이루어지는 3차원 프리폼은 오버몰딩에 앞서 재가열 공정 동안 금속 층에 의해 지지될 수 있어, 변형되지 않고 그것의 3차원 형상을 양호하게 유지할 수 있다. 또한, 추가된 금속 층이 최종 오버몰드된 제품에 유지되므로, 보충적인 보강재의 역할을 하며 제품의 기계적인 강도를 강화할 수 있다. 본 발명에 따른 반제품은 또한 하나 이상의 이하의 특징들을 포함할 수도 있다: 제1 프리프레그 층과 제 프리프레그 층에 포함된 열가소성 레진이 연화될 경우, 금속 층은 여전히 고체 상태이다. 당업자는 사용된 열가소성 레진의 특성들에 따라 적절한 금속을 선정하여, 열성형 동안 프리프레그 층이 양호하게 지지될 수 있는 방식으로, 열가소성 레진이 연화되도록 반제품이 가열될 경우 금속 층이 녹지않을 수 있다. 바람직하게는, 금속 층은 금속 네트(net)이다. 대개 금속이 보다 강한 기계적인 강도를 가지고 추가되는 자성재 층이 최종의 오버몰드된 제품에 포함되므로, 그것은 또한 제품의 기계적인 강도를 강화할 수 있고 보충적인 보강재로서의 역할을 할 수 있다. 특히, 자성재 층이 일체로 상호연결되지 않고 그들 사이에 간격을 가지는 자성 금속 네트 또는 금속 시트들일 경우, 메쉬(meshes) 또는 간격은 최종 제품들의 중량을 감소시키고 제품 비용을 절감하는데 도움이 된다. 또한, 반제품들의 (핫 스탬핑과 같은) 추후의 공정에서, 프리프레그 레진 매트릭스들의 인접한 층들은 금속 네트의 메쉬를 통해 함께 연결되고 융합됨으로써, 더욱 견고하게 두 개의 프리프레그 층들 사이에 금속 네트를 고정시킬 수 있다. 바람직하게는, 제1 프리프레그 층과 제2 프리프레그 층은 금속 네트와 동일한 형상과 치수를 가진다. 이러한 경우, 금속 네트는 프리프레그 층 전체를 덮을 수 있어, "지지 맹점(support blind points)" 없이 모든 지점에서의 지지할 수 있다. 따라서, 반제품으로 이루어지는 3차원 프리폼은 오버몰딩에 앞서 재가열 공정 동안 그것의 3차원 형상을 보다 양호하게 유지할 수 있다. 바람직하게는, 금속은 철을 포함하며, 최종 제품들의 기계적인 특성들을 강화할 수 있다. 금속은 철, 연강(mild steel), 구리 합금 및 알루미늄 합금으로 구성되는 집합으로부터 선정될 수 있다. 폴리프로필렌 필름은 금속 네트와 제1 프리프레그 층 및/또는 제2 프리프레그 층 사이에 배치될 수도 있다. 폴리프로필렌 필름이 포집된(entrapped) 공기를 방출하도록 금속 메쉬를 충진할 수 있으므로, 제품의 균일도가 크게 개선될 수 있다. 또한, 이는 프리프레그 층들과 금속 층 사이의 접착력을 강화하는데 유리하다. 바람직하게는, 폴리프로필렌 필름은 금속 네트와 동일한 형상과 치수를 가진다. 바람직하게는, 프리프레그 내 보강재는 카본 또는 유리이다. 또한, 본 발명은 핫 스탬핑에 의해 반제품으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 3차원의 프리폼에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 하나 이상의 상술한 3차원의 프리폼과, 3차원의 프리폼 상에 오버몰드된 열가소성 레진부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 오버몰드된 부품에 관한 것이다. 바람직하게는, 오버몰드된 부품은 자동차 부품이며, 특히 자동차의 후방 폐쇄 부품이다.
도면들을 참조하여 이하에서 본 발명이 보다 상세하게 설명될 것이다. 본 명세서에서 설명되는 도면들은 오직 설명의 목적을 위한 것이며 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아닌 점은 당업자에게 용이하게 이해되어야 한다. 동일하거나 유사한 구조들은 동일하거나 유사한 참조 번호들로 지시된다. 설명의 목적을 위해, 본 도면들은 비율대로 도시될 필요는 없다.
도 1은 종래 기술에서의 가열 전 프리프레그 3차원 프리폼의 사시도이다.
도 2는 종래 기술에서의 가열 후 프리프레그 3차원 프리폼의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 프리프레그로 이루어진 반제품의 사시도이다.
도 4는 도 3의 반제품의 분해사시도이다.
도 5는 3차원 프리폼으로 도 3의 반제품을 가공하는 과정을 도시한다.
도 6은 도 5의 과정에 의해 획득된 3차원 프리폼의 사시도이다.
도 7은 도 6의 3차원 프리폼의 내부 구조를 도시한다.
도 8은 상업적으로 이용 가능한 프리프레그로부터 최종 3차원 부품까지 전체 제조 과정을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 최종 3차원 부품의 일 실시예의 사시도이다.
도 1 및 도 2는 배경기술에서 설명되었으며, 반복하여 설명되지 않을 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리프레그로 이루어진 반제품(1)의 사시도이다. 도 4는 반제품(1)의 구조의 분해도이다. 본 실시예에서, 반제품(1)은 제1 프리프레그 층(10)과, 제2 프리프레그 층(12)과, 그 사이에 개재된 금속 층을 포함한다. 반제품(1)이 더 많은 프리프레그 층들 및/또는 금속 층들을 포함할 수 있다는 점이 이해될 수 있으며, 이는 구체적인 설계 목표들에 따라 당업자에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 반제품(1)은 제1 프리프레그 층과, 제2 프리프레그 층(3)과, 다른 것들의 상단에 쌓이는 제3 프리프레그 층을 포함하며, 금속 층은 두 개의 인접하는 프리프레그 층들 사이에 개재된다. 또 다른 실시예에서, 반제품(1)은 제1 프리프레그 층과, 제2 프리프레그 층과, 다른 것들의 상단에 쌓이는 제3 프리프레그 층을 포함하지만, 금속 층은 제1 프리프레그 층과 제2 프리프레그 층 사이에만 개재된다. "프리프레그"라는 용어는 매트릭스에 내재된 (섬유 또는 직물과 같은) 보강재와 레진 매트릭스로 가장 흔히 구성되며 합성 재료를 제조하는데 흔히 사용되는 중간 재료를 나타낸다. 본 실시예에서, 제1 프리프레그 층(10)과 제2 프리프레그 층(12)은 모두 매트릭스에 내재된 보강재와 열가소성 레진 매트릭스로 구성되며, 보강재는 카본(carbon) 및/또는 유리 섬유 또는 직물일 수 있다. 금속 층은 (철, 연강, 구리 알로이 및 알루미늄 알로이와 같은) 임의의 적절한 금속 또는 알로이로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 금속 층은, 최종 제품의 기계적인 특성들을 강화할 목적으로 철계 재료들(ferrous materials)로 이루어진다. 금속 층은 고체이거나 구멍들(perforations)을 가질 수도 있다. 본 실시예에서, 금속 층은 메쉬를 구비하는 금속 네트(14)이며, 이는 최종 제품의 중량을 감소시키고 제조 비용을 절감한다. 또한, 반제품의 (핫 스탬핑과 같은) 추후의 공정에서, 프리프레그 레진 매트릭스들의 인접한 층들은 금속 네트의 메쉬들을 통해 함께 연결되고 융합될 수 있어, 보다 견고하게 두 개의 프리프레그 층들 사이에 금속 네트를 고정시킬 수 있다. 바람직하게는, 폴리프로필렌 필름은 금속층과 그것의 인접한 프리프레그 층(10 및/또는 12) 사이에 배치될 수 있다. 폴리프로필렌 필름이 금속 메쉬를 채워 그 안에 포집된 공기를 방출시킬 수 있으므로, 제품의 균일도가 크게 개선될 수 있다. 또한, 이는 프리프레그 층들과 금속 네트 사이의 접착력을 강화하는데 유리하다. 도 3 및 도 4에 도시된 본 실시예들에서, 제1 프리프레그 층(10)과 제2 프리프레그 층(12)은 금속 네트(14)와 동일한 형상과 치수를 가진다. 따라서, 이후 공정 단계에서, 반제품(1)으로 이루어진 3차원 프리폼(도 6 및 도 7 참조)은 재가열 공정 동안 금속 네트(14)에 의해 완전하게 지지될 수 있어 그것의 3차원 형상을 양호하게 유지할 수 있다. 도 5는 도 3의 반제품(1)을 3차원의 프리폼(2)으로 가공하는 과정을 도시하며, 도 6 및 도 7은 공정에 의해 획득되는 3차원 프리폼(2)을 도시한다. 3차원의 프리폼(2)의 내부 구조를 명확하게 도시하기 위하여, 도 7에서 제2 프리프레그 층(12)의 부분은 생략되었다. 반제품(1)은 성형 다이 내로 배치되기 전에 프리프레그 레진 매트릭스의 녹는점보다 높은 온도로 가열된다. 그리고 나서, 고온의 반제품(1)은 3차원 성형을 위해 (도 5에서 핫 스탬핑 다이들(20, 22)과 같은) 성형 다이 내로 배치된다. 성형 단계에서, 반제품(1)의 금속층도 형성된다는 점이 유의되어야 한다. 그 후에, 반제품은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 원하는 3차원 형상의 3차원의 프리폼(2)을 얻도록 프리프레그 레진 매트릭스의 녹는점보다 더 낮은 온도에서 이형된다(demoulded). 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 3차원의 형상들은 오직 설명의 목적을 위한 것이며, 3차원의 프리폼(2)이 다른 적용을 위해 더욱 복잡한 3차원의 형상들을 가질 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 부분적이거나 전체적으로 보강될 필요가 있는 3차원 부품(4)을 제조하는 전체 과정은 도 8을 참조하여 이하에서 설명된다. 용이한 설명을 위해, 과정은 열 개의 단계로 나뉜다: 단계 A: (통상적으로 원하는 3차원 프리폼을 전개함으로써 획득되는) 적절한 형상과 치수로 구매된 프리프레그와 금속 네트를 절단하는 단계; 단계 B: 본 발명에 따른 반제품을 형성하는데 요구되는 바와 같이 적절한 형상과 치수의 금속 네트들 및 프리프레그들의 복수의 층들을 적층하는 단계; 단계 C: 프리프레그 레진 매트릭스의 녹는점보다 높은 온도로 반제품을 가열하는 단계; 단계 D: (핫 스탬핑 다이와 같은) 다이에 반제품을 3차원적으로 성형하는 단계; 단계 E: 원하는 3차원 형상의 3차원 프리폼(2)을 획득하도록 프리프레그 레진 매트릭스의 녹는점보다 낮은 온도에서 이형하는 단계; 단계 F: 원하는 최종 치수와 기하학적인 구성의 3차원 프리폼(3)을 형성하도록 냉각 후 3차원 프리폼을 (외형 처리 또는 드릴링과 같이) 기계적으로 가공하는 단계; 단계 G: 차후 오버몰딩 시 우수한 접착력을 가지는 오버몰드된 레진과 프리프레그 레진 매트릭스를 제공하기 위해, 프리프레그 레진 매트릭스의 녹는점보다 높은 온도로 3차원 프리폼(3)을 재가열하는 단계; 단계 H: 오버몰딩 다이로 고온의 3차원 프리폼을 이송하는 단계; 단계 I: 오버몰딩 다이에서 오버몰딩 단계, 즉, (예를 들면 사출 성형에 의해) 3차원 프리폼(3) 상에 열가소성 레진부(16)를 오버몰딩하는 단계를 수행하는 단계; 단계 J: 오버몰드된 레진부(16)와 (3차원 프리폼(3)으로 구성된) 보강재를 포함하는 3차원 부품(4)을 최종적으로 획득하도록 이형하는 단계. 그 결과로 생긴 3차원의 부품(4)은 예를 들면 후방 폐쇄 부품과 같은 자동차의 부품일 수 있다. 도 9는, 오버몰드된 레진부(16')와 금속 층을 구비하는 프리프레그 3차원 프리폼(3')으로 구성된 자동차 트렁크 폐쇄 부품(4')인, 3차원의 부품의 예시를 도시한다. 금속층이 프리프레그 층들 사이에 추가되므로, 3차원 프리폼은 단계 G 및 단계 H에서, 금속 층에 의해 지지되어 그것의 3차원 형상을 양호하게 유지할 수 있다. 따라서, 금속층을 이루기 위한 금속은 프리프레그 열가소성 레진 매트릭스보다 더 높은 녹는점을 가져야 하며, 이로써 단계 G에서 금속 층은 용융 상태로 변화하지 않고, 용융된 레진 매트릭스를 지지한다. 또한, 추가된 금속층이 최종 오버몰드된 제품에 유지되므로, 제품의 기계적인 강도를 강화시키고 보충적인 보강재 역할을 할 수 있다. 도면들과 상기 설명들은 본 발명의 비-제한적인 특정한 실시예들을 설명한다. 몇몇의 통상적인 양태들은 본 발명의 기본원리를 교시함에 있어 단순화 되거나 생략되었다. 당업자는 이러한 실시예들로부터의 변형들이 본 발명의 범위 내인 점을 인지해야 한다. 상술한 특징들이 본 발명의 복수의 변형들을 이루도록 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 이하의 청구범위들과 그것들의 균등물에 의해 규정되며, 상기 특정 실시예들에 제한되지 않는다. |
