[논문]복합소재 사출인서트 알루미늄 바 카울크로스멤버 표면처리 특성에 따른 접합강도 분석 연구

손동일; 소상우; 황현태; 최동혁; 최완규; 김선경; 김대일

doi:10.7234/composres.2020.33.6.360

복합소재 사출인서트 알루미늄 바 카울크로스멤버 표면처리 특성에 따른 접합강도 분석 연구
A Study on the Bonding Strength Analysis according to the Surface Treatment Characteristics of Aluminum Bar-Cowl Cross Member of Composite Material Injection Insert 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.6, 2020년, pp.360 - 364

손동일 (R&D Center, Dongkook Ind. Co.) , 소상우 (Automotive Parts Institute & Center, Ulsan Technopark) , 황현태 (Automotive Parts Institute & Center, Ulsan Technopark) , 최동혁 (R&D Center, Dongkook Ind. Co.) , 최완규 (R&D Center, Dongkook Ind. Co.) , 김선경 (R&D Center, Dongkook Ind. Co.) , 김대일 (School of Material Science & Engineering, University of Ulsan)

초록
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차량의 경량화를 위해 기존의 스틸로 제작된 카울크로스멤버를 마그네슘, 플라스틱으로 연구개발이 진행되었으나, 차량 장착상태의 성능적인 문제로 적용이 어려운 실정이다. 최근 부품양산에 가장 적합한 경량화 부품으로 복합소재 인서트 사출 카울크로스멤버에 대한 연구를 진행하고 있다. 이는 알루미늄 바에 복합소재 브라켓 부품을 인서트 사출하는 제조 공정으로 차량의 장착 상태를 고려할 때, 두 부품의 체결상태가 중요한 요소 중에 하나이다. 본 연구에서는, PA6-GF60 복합소재에 알루미늄 바를 인서트 사출하기 위한 연구로 알루미늄 바의 접합강도가 중요한 요소 중에 하나이다. 이를 위한 연구방법으로 알루미늄 바에 접착제를 분사하는 방식과 널링처리를 한 경우에 대해, 카울크로스멤버의 알루미늄 바와 복합재료 사출부품 형상간의 부분 파트별로 횡방향과 회전방향에 대한 접합강도를 분석 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although research and development of existing steel-made Cowl Cross Member(CCM) was carried out with magnesium and plastic to make vehicles lighter, it is difficult to apply them to performance problems in the vehicle's mounting condition. Recently, the company is conducting research on the injection CCM of the composite insert as a lightweight component that is most suitable for mass-production of automotive parts. This is a manufacturing process that inserts composite injection bracket parts into aluminum bar, and the adhesion of the two parts is one of the important factors considering the vehicle's mounting conditions. In this study, the joint strength of Aluminum bar is one of the important factors as a study for the injection of aluminum bar into PA6-GF60 composite material. For the analysis of these research, the method of spraying adhesive to the aluminum bar and the case of knurling treatment have been analyzed and the bonding strength of the direction of rotation and lateral direction has been analyzed for each part between the aluminum bar of the cowl cross member and the shape of the injection component of composite materials.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Injection mold with aluminum bar insert
그림 Fig. 2. A cross section of aluminum bar
그림 Fig. 3. A knurling of aluminum bar
그림 Fig. 4. A Cowl Cross Member with multi-material type (polymer+aluminum bar)
그림 Fig. 5. A lateral direction bonding strength test
그림 Fig. 6. A rotational direction bonding strength test
그림 Fig. 7. Test direction and specimen part (lateral)
그림 Fig. 8. Test direction and specimen part (rotational)
그림 Fig. 9. The graph of lateral direction strength
그림 Fig. 10. The graph of rotational direction strength
표 Table 1. Lateral direction bonding strength
표 Table 2. Rotational direction bonding strength

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 인서트 사출성형공정을 통한 카울크로스멤버 개발을 위한 복합소재와 금속소재간의 접합력을 높이기 위한 연구를 수행하였다.

제안 방법

각각의 Test 부품은 Fig. 7과 Fig. 8과 같이 3 파트로 구분하여 각각의 부품을 3개씩 최대하중을 기준으로 분석하고 평균 값을 명기하였다.
복합소재 알루미늄 인서트 바의 접합강도 시험를 위해 횡 방향에 의한 접합 강도시험과 복합재 사출파트의 회전을 통한 회전에 의한 접합강도시험으로 시험평가를 수행하였다. 횡방향 접합 강도시험은 Fig.
본 연구에서는 PA6(Polyamid)-GF60 장섬유 복합재를 이용하여 알루미늄 6063-T5소재의 압출 바를 금형에 인서트후 사출성형하는 방식으로 T자 형태의 시제품을 성형하였다. 연구하는 시제품은 차량의 I/P(Instrument Panel)을 지지하고, 주로 차체의 A-Pillar사이의 연결 역할을 하며, 다른 IP구성요소에 대한 구조적 지지대를 제공하고 차량의 구조적 강성을 향상시키는 역할을 하는 카울크로스멤버 부품이다[3].
본 연구에서는 알루미늄 인서트 바에 널링, 접착제를 사용한 표면처리한 방식과 알루미늄 바의 압출단면을 마름모형으로 제작한 형태에 PA6-GF60소재를 사출성형하는 방식으로 제작하고, 각각에 대해 접합강도를 분석하였다.
이종소재, 복합소재와 금속소재의 접합강도 분석을 하기위해 시편을 만들고 시험하는 방법[7]과 제품자체의 기존강성분석 방법으로 시험하는 방식이 있지만[8], 본 연구에서는 제품형상이 T자 형태의 사출품이 금속품을 감싸고 있는 형상으로 제품단위에서는 Slip에 의한 접합강도와 회전에 의한 제품체결 모멘트를 분석하는 방법으로 접합강도를 평가하였다.
표면처리는 접착제를 사용한 부품과 알루미늄 바에 널 링 처리를 한 부품으로 2가지 방식으로 실험하였다. 접착제는 Evonik Co.
횡방향 접합 강도시험은 Fig. 5와 같이 알루미늄 바를 고정하고 횡방향(알루미늄 바의 면방향)으로 하중을 부여하였고, 회전강도 시험은 Fig. 6와 같이 알루미늄 바의 양쪽을 고정하고 복합재 사출부품에 하중을 주어 회전 접합강도 시험을 분석하였다.

대상 데이터

4와 같다. 본부품은 향후 연구개발 하고자 하는 카울크로스멤버의 조수석 제품이다.
1와 같이 금형에 인서트 후 사출을 통해 감싸는 구조로 되어 있다. 사출성형기는 LS 850Ton사출기를 사용하였고, 제품은 Fig. 2와 같이 단면적이 마름모 형태로 된 알루미늄 바와 원형으로 된 바를 사용하였다. 두께는 1.
알루미늄 사출 인서트 구조는 알루미늄 6063-T5 소재를 압출하여 Fig. 1와 같이 금형에 인서트 후 사출을 통해 감싸는 구조로 되어 있다. 사출성형기는 LS 850Ton사출기를 사용하였고, 제품은 Fig.
연구하는 시제품은 차량의 I/P(Instrument Panel)을 지지하고, 주로 차체의 A-Pillar사이의 연결 역할을 하며, 다른 IP구성요소에 대한 구조적 지지대를 제공하고 차량의 구조적 강성을 향상시키는 역할을 하는 카울크로스멤버 부품이다[3]. 폴리머 소재에 강성 확보를 위해 Glass fiber를 섞으면 초기는 강성이 20~30% 이상 증가하다가 Glass fiber 함량이 40% 이상부터는 강성이 10% 정도 증가한다.
접착제는 Evonik Co.의 VESTAMELT5741@Hylink 제품을 사용하였으며, 150^oC 이상에서 교차결합이 시작되고, 160^oC 이상에서 공정결합이 시작된다. 복합재의 수지온도가 200^oC 이상으로 공정상의 접착제 도포에는 적합한 재료이다.

성능/효과

널링 표면처리와 접착제 표면처리에 의한 복합소재와 금속소재 간의 인서트 사출공정에 대한 접합력 분석결과, 접착제에 의한 접합강도가 높게 나타나고, 일정한 품질을 확보할 수 있음을 알 수 있었다. 즉, 이는 본 연구에서 사용하고자 하는 이종소재 하이브리드 타입 카울크로스멤버의 경우, 접착제 사용을 통한 부품개발이 양산 공정에 적합함을알 수 있다.
널링 표면처리의 경우, 그동안 많은 연구를 통해 높은 접합력을 확보할 수 있는 방안을 제시하여 왔지만, 본 연구에서는 일정하고 균일한 접합강도 확보가 어려웠고, 적용하고자 부품에 따른 사출공정에 대한 최적화 및 널링 표면처리에 대한 상세 연구개발이 적용되었을 때, 양산공정에서 사용이 가능하다는 것을 역설적으로 추론 할 수 있다.
본 연구를 통해서 개발부품에 대한 다양한 형상과 파트에 따른 균일한 신뢰성을 가지는 공정연구가 양산화 부품개발을 위한 중요한 요소임을 고찰할 수 있었다.
전체적으로 접합면적이 많은 파트에서 접착제에 의한 효과가 높게 나타나며, 널링보다 접착제 효과가 높게 나타난다. 이는 최대하중을 기준으로 접합 면적에 대한 접합력을 고려할 때, 접착제의 효과가 일정하게 나타남을 알 수 있다.

참고문헌 (8)

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Bae, J.-H., Han, M.-G., and Chang, S.-H., "Formability of Complex Composite Structures with Ribs Made of Long Carbonfiber-reinforced Prepregs," Composite Structures, Vol. 168, 2017, pp. 56-64.

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Lam, K., Behdinan, K., and Cleghorn, W., "A Material and Gauge Thickness Sensitivity Analysis on the NVH and Crashworthiness of Automotive Instrument Panel Support," Thinwalled Structures, Vol. 41, No. 11, 2003, pp. 1005-1018.

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www.daicelpolymer.com.
Son, D.-S., Bae, J.-H., and Chang, S.-H., "A Study on the Bonding Strength of Co-cured T800/epoxy Composite-aluminum Single Lap Joint according to the Forming and Additional Pressures," Composites Research, Vol. 24, No. 5, 2011, pp. 23-28.

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Lee, S.-W., and Chang, S.-H., "A Study on Adhesion Characteristics of Co-cured Long Fiber Prepreg Sheet-aluminum Hybrid Structures," Composites Research, Vol. 31, No. 1, 2018, pp. 17-22.

원문보기 상세보기
Lee, S.-W., and Chang, S.-H., "Design of a Stainless Steel Insert for Mechanical Joining of Long Fiber-reinforced Composite Structures," Composites Research, Vol. 31, 2018, pp. 139-144.
Jin, J.-W., Choi, C.-W., Chang, B.-C., and Kim, Y.-K., "Stiffness Evaluation of Hybrid Control Arm with Metal and Plastic Insert Injection," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 27, No. 6, 2018, pp. 511-516.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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