[논문]열가소성 복합재 적용 자동차 도어 임팩트 빔 개발

김원석; 김경철; 정우철; 김화남

doi:10.7234/composres.2020.33.6.383

열가소성 복합재 적용 자동차 도어 임팩트 빔 개발
Automotive Door Impact Beam Development using Thermoplastic Composite 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.6, 2020년, pp.383 - 389

김원석 (Lotte Chemical Co., Ltd.) , 김경철 (CAMS Co., Ltd.) , 정우철 (CAMS Co., Ltd.) , 김화남 (G-Geumgang Co., Ltd.)

초록
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열가소성 복합재료를 적용하여 자동차 도어 임팩트 빔을 설계하고 시생산을 통해 생산성 및 성능을 검증하였다. 자동차 안전법규는 지속적으로 강화되어 왔으며 최근 자동차 산업에서 경량화가 필수 요건이 되면서 고성능 경량 부품에 대한 요구가 크게 증대되고 있다. 본 연구는 섬유강화 열가소성 복합소재를 도입하여 기존 탄소강 제품 대비 경량화 되면서 성능은 향상된 도어 임팩트 빔 개발을 목표로 하였다. 연속섬유 복합재료와 장섬유 복합재료(LFT)를 혼합 적용한 도어 임팩트 빔 제작 공정을 제시하며, 생산성이 우수한 인서트 사출 공정을 활용하여 구현하였다. 시생산된 도어 임팩트 빔은 3점 굽힘 시험을 통하여 성능을 평가하였다. 열가소성 복합재료는 경량화 설계와 함께 높은 생산성 구현이 가능하여 다양한 자동차 부품으로 복합소재의 적용을 확대시킬 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermoplastic composite is introduced to design an automotive door impact beam, and the manufacturing process is demonstrated. The safety regulation for vehicles has been steadily tightened, and weight-reduction has become a mandatory factor in the automotive industry. Hence, both high-performance and lightweight are demanded for automotive components. The aim of the present study is to develop an automotive door impact beam using fiber-reinforced thermoplastic composites to reduce the weight of the impact beam while increasing its mechanical performance. A new production method which combines continuous fiber-reinforced composite and LFT(Long Fiber-reinforced Thermoplastic) is implemented by using insert injection molding process. The mechanical performance of the composite impact beam was evaluated using 3-point bending tests. Thermoplastic composite will expand its application range to various automotive components due to its light-weight design capability and high productivity.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Tube-type door impact beam
그림 Fig. 2. Panel-type door impact beam
그림 Fig. 3. Door impact beam embedded with continuous fiber-reinforced rod-type composite: (a) transparent view, (b) cross section
그림 Fig. 4. Numerical results for 3-point bending of door impact beam: (a) stress distribution of over-molded LFT (b) stress distribution of embedded continuous fiber-reinforced composite rod
표 Table 1. Mechanical properties of thermoplastic composites
그림 Fig. 5. Injection mold: (a) Rod-type composite is inserted into the injection mold (b) rod-type insert attached to the injection mold using insert holder (c) insert holder
표 Table 2. LFT Injection Conditions used for the door impact beam
그림 Fig. 6. Optical microscopy of the insert/over-mold interface
그림 Fig. 7. 3-point bending test of door impact beam
그림 Fig. 8. Load–deflection curve comparison between injection beam and insert-injection beam(injection condition case 1)
$Fig. 9. Fracture mode comparison between injection beam and insert-injection beam; (a) injection beam fracture, (b) insert-injection beam fracture, (c) continuous fiber breakage of insert rod$ 그림 Fig. 9. Fracture mode comparison between injection beam and insert-injection beam; (a) injection beam fracture, (b) insert-injection beam fracture, (c) continuous fiber breakage of insert rod
그림 Fig. 10. Load–deflection curve comparison between injection beam and insert-injection beam(injection condition case 2)

AI 본문요약
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문제 정의

장섬유 강화 복합재(LFT)의 보강섬유 길이는 원소 재인 펠렛(pellet) 상태에서는 10~25mm이지만, 사출 성형 후 제품 내에서는 잔존섬유 길이가 평균 2mm 수준으로 짧아지기 때문에 경량화 효율 증대에 한계가 있다[18]. 본 연구에서는 장섬유 복합재(LFT) 사출품의 물성 한계를 극복하기 위해 연속섬유 복합재와 장섬유 복합재(LFT)를 혼합 적용한 도어 임팩트 빔 설계를 제시한다. 봉(rod) 형태로 인발(pultrusion) 성형된 연속섬유 복합재를 제작한 후 사출 금형 내에 인서트하고 장섬유 복합재(LFT)를 사출 소재로 적용하여 오버몰딩(over-molding) 하는 방식의 인서트 사출 공정을 제시하고 시생산을 수행하여 생산성을 검증하였다.

제안 방법

임팩트 빔을 자동차 도어에 장착한 실차를 이용하여 측면 충돌 시험을 수행하기 위해서는 막대한 비용이 소요되고, 실차 측면 충돌과정에는 도어 임팩트 빔 이외의 다양한 구조물이 에너지 흡수에 관여하기 때문에 도어 임팩트 빔 단일 부품의 성능비교 시험으로 유용하지 않다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 7과 같이 복합재 도어 임팩트 빔을 자동차 도어 패널에 장착하는 방식과 유사한 방법으로 양쪽 끝에 볼트를 체결하여 고정하고 길이 방향 중앙에서 변위 제어 방식으로 12 mm/ min. 속도로 하중을 인가하여 굴곡 거동을 측정하였다.
복합재 도어 임팩트 빔은 Fig. 2에 도시된 기존의 강판 소재 판재형 빔을 대체 대상으로 하여 설계하였으며, 기존 무게 1.9kg에서 20% 경량화 구현을 목표로 하였다. Fig.
복합재 도어 임팩트 빔의 성능을 평가하기 위해 시생산된 빔 단품의 3점 굽힘 시험을 수행하였다. 임팩트 빔을 자동차 도어에 장착한 실차를 이용하여 측면 충돌 시험을 수행하기 위해서는 막대한 비용이 소요되고, 실차 측면 충돌과정에는 도어 임팩트 빔 이외의 다양한 구조물이 에너지 흡수에 관여하기 때문에 도어 임팩트 빔 단일 부품의 성능비교 시험으로 유용하지 않다.
본 연구에서는 장섬유 복합재(LFT) 사출품의 물성 한계를 극복하기 위해 연속섬유 복합재와 장섬유 복합재(LFT)를 혼합 적용한 도어 임팩트 빔 설계를 제시한다. 봉(rod) 형태로 인발(pultrusion) 성형된 연속섬유 복합재를 제작한 후 사출 금형 내에 인서트하고 장섬유 복합재(LFT)를 사출 소재로 적용하여 오버몰딩(over-molding) 하는 방식의 인서트 사출 공정을 제시하고 시생산을 수행하여 생산성을 검증하였다. 시생산된 도어 임팩트 빔은 3점 굽힘 시험을 통해 구조 성능을 평가하였다.
설계한 인서트 사출 도어 임팩트 빔의 성능을 예측하기위해 3점 굽힘 시험을 유한요소 전산해석으로 수행하였다. 전산 구조해석에 사용된 재료 물성은 Table 1에 기술되었으며, 8-절점 육면체 요소(8-node Brick element)로 유한요소 모델 구성 후 상용 프로그램 LS-DYNA를 이용하여 수치해석하였다.
7과 같이 복합재 도어 임팩트 빔을 자동차 도어 패널에 장착하는 방식과 유사한 방법으로 양쪽 끝에 볼트를 체결하여 고정하고 길이 방향 중앙에서 변위 제어 방식으로 12 mm/ min. 속도로 하중을 인가하여 굴곡 거동을 측정하였다.
봉(rod) 형태로 인발(pultrusion) 성형된 연속섬유 복합재를 제작한 후 사출 금형 내에 인서트하고 장섬유 복합재(LFT)를 사출 소재로 적용하여 오버몰딩(over-molding) 하는 방식의 인서트 사출 공정을 제시하고 시생산을 수행하여 생산성을 검증하였다. 시생산된 도어 임팩트 빔은 3점 굽힘 시험을 통해 구조 성능을 평가하였다.
열가소성 연속섬유 복합소재를 인서트로 활용하고 열가소성 장섬유 복합소재를 사출 소재로 활용하는 인서트 사출 자동차 도어 임팩트 빔 설계를 제시하고, 시생산을 통해공정을 구현하였다. 사출 성형은 판금 성형 대비 단면의 형상설계 자유도가 높기 때문에 굴곡강성 및 굴곡강도를 극대화 하기 위한 최적 설계에 유리하다.
사출 성형은 판금 성형 대비 단면의 형상설계 자유도가 높기 때문에 굴곡강성 및 굴곡강도를 극대화 하기 위한 최적 설계에 유리하다. 이를 활용하여 기존의 초고장력 강판 도어 임팩트 빔 대비 20% 이상 경량화된열가소성 복합재 도어 임팩트 빔 설계를 구현하였다.
수행하였다. 전산 구조해석에 사용된 재료 물성은 Table 1에 기술되었으며, 8-절점 육면체 요소(8-node Brick element)로 유한요소 모델 구성 후 상용 프로그램 LS-DYNA를 이용하여 수치해석하였다.
측면 충돌 시험의 경우, 차량의 운전석에 인체모형(dummy)을 착석시킨 상태에서일반 승용 자동차의 전면부 형상 및 특성을 갖춘 구조물을차량 옆면에 충돌시키는 방법으로 시험을 진행한다. 측면충돌 과정 중 운전석에 착석시킨 인체모형(dummy)의 머리, 흉부, 복부 및 골반에서 측정된 가속도를 이용하여 인체모형이 받는 상해치를 평가하고 이를 기준으로 자동차의 안전 등급이 결정된다[1-3]. 국가별 안전 법규는 지속적으로 강화되어 왔기 때문에 강화된 규정에 대응하여 설계를 개선해야 하는 자동차 제조사와 부품 업체들에게 고성능 부품 개발 기술은 가장 중요한 경쟁력으로 자리잡았다[4, 5].

대상 데이터

사출소재로 사용한 장섬유 복합재(LFT)는 유리섬유 보강 나일론(GF/PA6) 소재이며 유리섬유 함량 30wt% 로 구성된 롯데케미칼㈜ 제품 PA1330을 채택하였다. 선정된 소재 구성으로 설계된 도어 임팩트 빔의 무게는 1.
사출소재로 사용한 장섬유 복합재(LFT)는 유리섬유 보강 나일론(GF/PA6) 소재이며 유리섬유 함량 30wt% 로 구성된 롯데케미칼㈜ 제품 PA1330을 채택하였다. 선정된 소재 구성으로 설계된 도어 임팩트 빔의 무게는 1.5kg 이며 경량화율 21%를 구현한 설계이다.
인서트 보강재로 사용한 연속섬유 복합재는 유리섬유 보강 폴리프로필렌(GF/PP)이며 유리섬유 함량 40wt%로 제작하였다. 사출소재로 사용한 장섬유 복합재(LFT)는 유리섬유 보강 나일론(GF/PA6) 소재이며 유리섬유 함량 30wt% 로 구성된 롯데케미칼㈜ 제품 PA1330을 채택하였다.

성능/효과

8은 연속섬유 보강 복합재를 인서트하여 사출한 도어 임팩트 빔과 연속섬유 복합재 도입 없이 사출 성형한 도어 임팩트 빔의 굴곡 거동을 비교한 그래프이다. Table 2의 Case-1에 명시된 공정 조건으로 사출한 결과 연속섬유 복합소재로 제작한 봉(rod) 형태 보강재를 인서트한 빔의 최대 굴곡하중은 인서트 보강재 없이 사출된 빔의 굴곡하중대비 16% 증가하였으며, 에너지 흡수량은 105% 증가하였다. 인서트 사출 빔과 인서트 보강재 없이 사출한 빔은 동일 무게 1.
그러나 장섬유 복합소재의 낮은 파단신율로 인한 취성 거동은 공정 설정으로 해결할 수없어 에너지 흡수량 개선 효과가 부족함을 알 수 있다. 개선된 공정조건에서 연속섬유 복합소재가 인서트되어 있는빔은 인서트 보강재 없이 사출된 빔 대비 최대 굴곡하중 15%, 에너지 흡수량 157% 증가를 보여주었다. 따라서 사출 조건개선에 따라 제품 성능이 개선되는 경우에도 연속섬유 복합소재를 인서트 보강하여 사출품의 기계적 물성을 증대할 수 있으며 특히 공정 개선으로 해결할 수 없는 에너지 흡수량을 100% 이상의 높은 수준으로 증대시킬 수 있음을 확인하였다.
개선된 공정조건에서 연속섬유 복합소재가 인서트되어 있는빔은 인서트 보강재 없이 사출된 빔 대비 최대 굴곡하중 15%, 에너지 흡수량 157% 증가를 보여주었다. 따라서 사출 조건개선에 따라 제품 성능이 개선되는 경우에도 연속섬유 복합소재를 인서트 보강하여 사출품의 기계적 물성을 증대할 수 있으며 특히 공정 개선으로 해결할 수 없는 에너지 흡수량을 100% 이상의 높은 수준으로 증대시킬 수 있음을 확인하였다.
생산이 구현될 수 있는 공정의 개발이 필요하다. 본 연구에서 제시하는 연속섬유 복합재 인서트 사출 공정은 전통적인 프리프레그(prepreg) 적층 방식 대비 대량 생산 구현이 가능한 생산성을 가지며, 단면 형상의 설계 자유도 또한 프레스 성형 대비 높기 때문에 경량화 설계에도 유리하다. 본 연구에서 제시하는 열가소성 연속섬유 복합소재와 장섬유 복합소재를 혼합 적용한 인서트 사출 공정은 복합재료를 대량생산 제품에 도입하기 위한 하나의 대안이 될 수 있으며 도어 임팩트 빔 이외의 다양한 자동차 부품들에 적용 가능하다.
지지하게 된다. 수치해석 결과 Fig. 4와 같이 3점 굽힘시험으로 최대 굴곡하중이 지지되는 상태에서 내부 삽입된 연속섬유 보강 복합재에 인가되는 최대 응력은 379MPa, 사출소재에 인가되는 최대 응력은 175MPa임을 확인하였다. 유한요소 해석에 입력된 사출소재는 Von-Mises 응력이 175MPa을 초과하면 파손되도록 물성카드를 작성하여 175MPa을 초과하는 응력 상태에 도달한 요소들이 제거됨으로 파손이 모사되었고, 잔존소재 최대응력은 175MPa을유지하였다.
연속섬유 복합소재가 사출 제품 내부에 삽입되도록 인서트 사출 공정을 적용하면 연속섬유 복합소재를 적용하지 않은 빔 대비 굴곡하중 15%, 에너지 흡수량 100% 이상증대시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서 사출소재 내부에연속섬유 복합소재가 삽입되도록 인서트 사출 공정을 적용하면, 사출 제품의 강도와 에너지 흡수량을 크게 증대시킬 수 있다.
Table 2의 Case-1에 명시된 공정 조건으로 사출한 결과 연속섬유 복합소재로 제작한 봉(rod) 형태 보강재를 인서트한 빔의 최대 굴곡하중은 인서트 보강재 없이 사출된 빔의 굴곡하중대비 16% 증가하였으며, 에너지 흡수량은 105% 증가하였다. 인서트 사출 빔과 인서트 보강재 없이 사출한 빔은 동일 무게 1.5kg이지만 인서트 보강재를 도입함으로 도어 임팩트 빔의 주요한 성능인 굴곡하중과 에너지 흡수량이 크게 증가함을 확인하였다. 따라서 금속과 연속섬유 복합소재 대비 낮은 기계적 물성을 갖는 사출 소재 적용 제품 내부에 기계적 물성이 높은 연속섬유 복합소재를 인서트하여 사출함으로 사출 제품의 기계적 성능을 증대시키는 것이 가능하다.
6는 성형된 제품 내부의 인서트 소재와 사출 소재의접착 계면을 관찰하기 위해 빔 단면을 현미경으로 관찰한영상이다. 일방향으로 배향된 연속섬유 복합소재가 방향배향이 없는 장섬유 복합소재 내부에 삽입되어 있으며 두소재 사이의 계면에 공극이 없음을 확인하였다. 사출 성형과정 중 고온으로 용융된 소재가 고압으로 금형내부를 충전하는 동안 인서트 소재와 사출 소재가 용접되었음을 보여준다.

후속연구

본 연구에서 제시하는 연속섬유 복합재 인서트 사출 공정은 전통적인 프리프레그(prepreg) 적층 방식 대비 대량 생산 구현이 가능한 생산성을 가지며, 단면 형상의 설계 자유도 또한 프레스 성형 대비 높기 때문에 경량화 설계에도 유리하다. 본 연구에서 제시하는 열가소성 연속섬유 복합소재와 장섬유 복합소재를 혼합 적용한 인서트 사출 공정은 복합재료를 대량생산 제품에 도입하기 위한 하나의 대안이 될 수 있으며 도어 임팩트 빔 이외의 다양한 자동차 부품들에 적용 가능하다.
Case-2는 Case-1 조건 대비 사출 온도 및 압력을 높이고 속도는 저하시킨 조건으로 생산 cycle-time이 증가하지만 장섬유 복합재(LFT)의 사출 공정 중 단사를 줄이고 압밀도를 높이기 위한 조건이다. 인서트 소재와 사출 소재의 용접에도 유리한조건이기 때문에 인서트 사출 제품의 추가적인 성능 개선에도 기여한다. Case-2의 공정 조건으로 사출 성형된 빔의최대 굴곡하중은 8.

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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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