KR101637284B1 - 차량의 내충돌성 구조물 및 그것의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 내충돌성 구조물을 제조하는 방법 및 차량의 충돌 시 충격을 받는 빔 요소를 포함하는 내충돌성 구조물을 제공한다. 상기 방법은 100mm 이상의 길이를 가진 적어도 한 층의 섬유질을 배치하는 단계, 열가소성 수지를 형성하는데 필요한 요소들을 혼합하는 단계, 상기 요소들은 반응성 단량체(reactive monomer)를 포함하며, 그것에 의하여 상기 열가소성 수지의 액체 전구체(precursor) 혼합물을 형성하며, 상기 적어도 한 층의 섬유질에 액체 전구체 혼합물을 함침하는 단계, 그리고 상기 적어도 한 층의 섬유질에 함침된 액체 전구체 혼합물의 현장 중합 반응(in-situ polymerization reaction)에 의하여 빔 요소를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

차량의 내충돌성 구조물 및 그것의 제조 방법{CRASH-RESISTANT STRUCTURAL PART FOR AUTOMOBILE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 차량의 내충돌성 구조물 및 이러한 내충돌성 구조물을 제조하는 제조 방법에 관한 것이다. 더 나아가, 본 발명은 내충돌성 구조물을 포함하는 차량에 관한 것이다.
차량이 발명된 이래로 차량에는 범퍼 빔이 장착되게 되는데, 범퍼 빔은 충돌 발생 시 차량 내부 손상을 방지하거나 제한하기 위하여 충격력을 견디기 위한 내충돌성 구조물에 해당한다. 요즘은, 대부분의 법률이 차량의 전방과 후방 양측에 범퍼 빔을 요구하고 있는 반면, 유사한 내충돌성 구조물이, 예를 들어 사이드월 또는 차량의 지붕을 가로질러 추가적으로 제공되고 있다.
최근에 제조되고 있는 차량에서, 범퍼 빔은 통상적으로 차체 디자인에 맞추어 커버 아래에 시야로부터 감추어져 있으며, 강철로 제작되고, 충격 에너지를 흡수하기 위한 크래쉬 박스와 같은 추가적인 부분에 조립된다. 강철은 충돌 저항에 요구되는 필요한 강도와 경도를 가지고 있지만, 무겁고 차체 디자인에서 요구되는 복잡한 형상으로 제작되기가 어려워 추가적인 보강재와, 상기 보강재를 범퍼 빔에 연결하는 브라켓과 같은 추가적인 요소를 포함하는 범퍼 빔을 제작하는 것이 종종 필요하다. 이러한 점은 무게를 추가적으로 증가시키고 제조를 어렵게 한다.
이를 대체하기 위하여, 미국특허번호 제 US 6,346,325 B1은 해중합-재중합(depolymerization-repolymerization; DPRP) 메커니즘을 사용하여 섬유가 보강된 단단한 열가소성 복합 물품으로서 범퍼 빔을 제작하는 기술을 개시하고 있다. 상기 제조 방법은 열가소성 폴리우레탄을 해중합하기에 충분한 온도까지 촉매를 포함하는 단단한 열가소성 폴리우레탄을 가열함으로써 얻어지는 용해물을 통하여 연속적으로 섬유 묶음을 인발하는 단계와, 복합 용해물을 형성하기 위하여 일발된 섬유 묶음을 해중합된 열가소성 폴리우레탄으로 함침하는 단계와, 상기 복합 용해물을 제품으로 형성하는 단계를 포함한다. 상기 형성 단계에서 상기 제품은 열가소성 수지로 감싸게 된다.
그런데, 상기 용해물이 재중합되는 능력을 잃지 않고 가열될 수 있는 최대 온도가 존재하기 때문에, 섬유 묶음의 함침 공정 동안 상기 용해물의 점성은 해당하는 최소 점성에 의하여 제한되고, 이것은 섬유 함량과, 이에 따른 최종 제품에서 달성할 수 있는 무게에 대한 강도 비율의 상한을 부여하게 된다. 따라서, 적절한 무게에 대한 강도 비율과 제조하기 쉬운 범퍼 빔 또는 다른 차량용 내충돌성 구조물을 제공하는 것이 필요하다.
상기한 목적은 제1항에 따른 차량용 내충돌성 구조물을 제조하는 방법 및 제20항에 따른 차량과 함께 제7항에 따른 차량용 내충돌성 구조물에 의하여 해소될 수 있다.
본 발명의 실시예는 차량의 내충돌성 구조물을 제조하는 방법을 제공하는데, 상기 내충돌성 구조물은 차량의 충돌 시 충격력을 받도록 된 빔 요소를 포함한다. 상기 방법은 100mm 이상의 길이를 가진 적어도 한 층의 섬유질을 배치하는 단계; 열가소성 수지를 형성하는데 필요한 요소들을 혼합하는 단계, 상기 요소들은 반응성 단량체(reactive monomer)를 포함하며, 그것에 의하여 상기 열가소성 수지의 액체 전구체(precursor) 혼합물을 형성하고; 상기 적어도 한 층의 섬유질에 액체 전구체 혼합물을 함침하는 단계; 그리고 상기 적어도 한 층의 섬유질에 함침된 액체 전구체 혼합물의 현장 중합 반응(in-situ polymerization reaction)에 의하여 빔 요소를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 액체 전구체 혼합물은 열가소성 중합체(polymer) 수지를 형성하기에 필요한 요소들을 혼합하여 준비되고, 상기 요소들은 반응성 단량체를 포함하므로, 상기 액체 전구체 혼합물은 작은 분자량의 상당히 작은 분자로 구성될 수 있으며, 이에 따라 화학적 악화의 위험이 있는 온도까지 가열하지 않고도 특히 작은 점성의 액체 전구체 혼합물을 제공하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 함침 단계에서 액체 전구체 혼합물은 작은 점성 때문에 적어도 한 층의 섬유질 내의 작은 구멍들에도 빠르게 침투하는 것이 가능하다. 따라서, 적어도 한 층의 섬유체들은 빽빽히 채워질 수 있고 결국 완성된 빔 요소의 높은 섬유 함량을 이끌며 내충돌성 구조물이 훌륭한 무게에 대한 강도 비율을 가질 수 있게 한다. 열경화성 수지와 비교할 때, 열가소성 수지의 사용은 구조물이 높은 내충돌성(10배까지 증가된)을 가질 수 있게 하고, 열을 가하는 것에 의하여 후성형(post-shaped)될 수 있게 한다. 더 나아가, 열가소성 수지의 사용은 구조물의 수명 만료 시 재생을 매우 용이하게 한다. 이것은 2015년부터 연간 차량당 평균 무게의 최소 85%까지 재사용되고 재생될 것을 요구하는 유럽연합 지침서(EU Directive) 2000/53/EC와 같은 차량의 재활용성에 관련된 최근 제정법에 직면하여 특히 중요하다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 적어도 한 층의 섬유질에 액체 전구체 혼합물을 함침하기 전에, 적어도 한 층의 섬유질을 예열하는 단계를 더 포함한다. 이러한 식으로, 섬유질과 열가소성 중합체 수지 사이의 특히 강한 연결을 야기하도록 내부에서 흐르는 액체 전구체 혼합물의 낮은 점성을 유지하는 반면 열가소성 중합체 수지를 형성하는 현장 중합 반응이 섬유체 부근에서 먼저 시작되고 빠르게 진행되는 것을 가능하게 한다.
실시예에 따르면, 상기 적어도 한 층의 섬유질을 함침하는 단계와 빔 요소를 형성하는 단계는 연속적인 인발(pultrusion) 공정에서 수행된다. 섬유체를 연속적으로 인발하기 때문에, 상기 빔 요소는 특히 높은 섬유 함량과 근본적으로 임의 길이를 가지도록 제작될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 반응성 단량체는 고리형 단량체(cyclic monomer)이며, 상기 현장 중합 반응은 상기 반응성 단량체의 고리열림중합(ring-opening polymerization)을 통하여 수행된다. 이러한 식으로, 특히 낮은 점성의 액체 전구체 혼합물 및 이에 따른 특히 높은 섬유 함량과 훌륭한 무게에 대한 강도 비율이 이루어질 수 있다. 바람직하게, 개개의 음이온성 고리열림반응(anionic ring-opening reaction)에서 음이온성 폴리아미드 6(anionic polyamide 6; APA6)이 카프로락탐(caprolactam)으로부터 형성되거나, APA12가 라우릴락탐(lauryllactam)으로부터 형성되어 액체 전구체 혼합물가 특히 낮은 점성을 가지도록 하며, APA6의 경우에 최저 점성이 제공된다.
실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 내충돌성 구조물의 적어도 하나의 오버몰딩된 요소(overmolded element)를 열가소성 물질로부터 사출 성형(injection molding)하는 단계를 더 포함하고, 그것에 의하여 적어도 하나의 주변 요소들을 빔 요소에 결합한다. 따라서, 내충돌성 구조물의 복잡한 형상이 다수의 요소들을 각각 제작하여 조립하지 않고도 용이한 방법으로 구현될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 적어도 한 층의 섬유질은 빔 요소의 체적에서 50% ~ 75%의 섬유 함량, 바람직하게는 70%의 섬유 함량을 포함한다. 이것은 내충돌성 구조물의 특히 훌륭한 무게에 대한 강도 비율을 가능하게 한다.
실시예에 따르면, 상기 적어도 한 층의 섬유질은 유리 섬유층 및/또는 탄소 섬유층을 포함한다. 이러한 식으로, 탄소 섬유에 의하여 제공되는 높은 휨 탄성율과 휨 강도와, 유리 섬유의 기계적 견고성 및 낮은 비용이 필요한 만큼 유연하게 조합될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 한 층의 섬유질은 중앙층과, 상기 중앙층의 양측에 대칭적으로 배열된 추가층들을 포함한다. 이러한 식으로, 예를 들어 유리 섬유와 탄소 섬유와 같이 서로 다른 열팽창계수를 가진 섬유질을 포함하는 층들과 같이 서로 다른 특성의 층들 사이의 내부 응력을 최소화할 수 있다. 바람직하게, 상기 중앙층은 직물 또는 비주름 섬유로 보강된 층일 수 있다. 이러한 식으로, 빔 요소에 곡률을 부여할 수 있는 반면, 상기 곡률을 위한 빔 요소 상의 압축-인장 활동을 최소화할 수 있다. 바람직하게, 상기 빔 요소는 곡률축 주위의 곡률을 포함하며, 상기 중앙층은 상기 곡률축과 거의 평행한 부분에 제공되고 상기 곡률축과 평행하지 않은 부분에는 제공되지 않는다. 이것은 직물 층 내에 과응력 또는 주름을 발생시키지 않고 구조물이 차량의 곡률 형상에 적합하도록 할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 중앙층은 유리 섬유를 포함하고, 상기 추가층은 유리섬유를 포함하는 외측층과 탄소 섬유를 포함하는 중간층을 포함하며, 각 중간층은 상기 외측층과 중앙층 사이에 배열된다. 이러한 식으로, 적은 비용과 외측층을 통하여 제공되는 견고함을 유지하면서 무게에 대한 강도 비율이 좋은 탄소 섬유를 활용할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 빔 요소는 주름진 단면을 포함하고, 이것은 훌륭한 무게 당 기계적 강도가 가능하게 한다. 바람직하게, 상기 단면은 빔 요소의 대칭면에서 대칭이고, 이것은 재료 및 제조 기계 특성치의 한계에 따라 단면 형상을 최적화할 수 있도록 한다.
실시예에 따르면, 상기 주름진 단면은 중앙 골과, 상기 중앙 골의 양 측에 배치된 주변 골을 포함하고, 상기 중앙 골은 상기 주변 골보다 더 깊게 형성된다. 이것은 차량의 외측 방향을 향하여 거의 평면으로 생기는 것에 의하여 차폐물을 제공하는 반면 빔 요소의 큰 강도를 가능하게 한다.
실시예에 따르면, 상기 주름진 단면은 중앙 골과, 주름진 단면의 내부 공동을 형성하는 것에 의하여 상기 중앙 골을 폐쇄하는 전방월을 포함한다. 이러한 식으로, 비틀림 하중에 대한 강한 내성이 가능하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 무게에 대한 강도 비율이 좋은 차량의 내충돌성 구조물을 낮은 비용으로 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔 요소를 포함하는 차량용 내충돌성 구조물의 사시도이다.
도 2a는 도 1의 내충돌성 구조물의 단면을 도시한 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 내충돌성 구조물의 다른 단면을 도시한 개략도이다.
도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 요소를 차량용 내충돌성 구조물의 단면을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빔 요소와 오버몰딩된 요소를 포함하는 차량용 내충돌성 구조물을 도시한 사시도이다.
도 4는 빔 요소를 제거한 도 3의 내충돌성 구조물의 오버몰딩된 요소를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 제조 방법을 수행하는 인발 장치의 개략적인 정면도이다.
도 5a는 본 실시예에 따른 제조 방법을 수행하는 다른 인발 장치의 개략적인 정면도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 제조 방법의 오버몰딩 단계를 수행하는 사출 성형 장치의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 실시예에 따른 차량의 개략적인 측면도이다.
다르게 기재되지 않는 한, 도면들을 통하여 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 가리킨다.
도 1의 사시도에서, 차량(도시하지 않음)용 내충격성 구조물(700)은 범퍼 빔으로 기능하기 위하여 차량의 정면에 장착되도록 되어 있다. 도 1에서, 상기 내충돌성 구조물(700)은, 차량에 장착되었을 때, 차량의 전방 좌측 코너에 가까운 위치로부터 보았을 때의 모습이 도시되어 있다. 내충돌성 구조물(700)은 곡률축(110)을 중심으로 차량의 전방으로 볼록한 2000mm의 곡률 반경(R0)으로 된 미세한 길이 방향 곡률과, 도 2a의 상세 단면도에 도시된 주름진 프로파일(profile)을 가진 섬유 강화 열가소성 수지로 제작된 프로파일 빔 요소(profiled beam element)(100)로 전적으로 구성된다.
빔 요소(100)의 프로파일은, 도 2a의 좌측인 차량의 전방 끝단에 장착되었을 때 도 2a에 도시된 바와 같이, 전체 높이(D)가 110mm이고 전체 옆모습 깊이(C)가 60mm이며, 수평 대칭면(210)에 대하여 거울면 대칭이다. 단면의 중심(209)은 수평 대칭면(210) 상에 표시되어 있다. 추가적으로 표시되어 있는 것은 질량 중심(209)에서 수평 대칭면(210)을 수직으로 교차하고 상기 단면을 빔 요소(100)의 길이 당 동일한 질량의 두 개의 부분으로 분할하는 균형면(211)이다. 빔 요소(100)의 곡률에 의하여 상기 균형면(211)은 반경 R0의 원통면을 형성한다. 상기 프로파일은 주름진 패턴을 따르고 양 단이 각각 프로파일의 평평한 윗면(101)과 바닥면(102)에서 끝나는 프로파일 월(101-102)을 형성하고 있다. 상기 윗면(101)과 바닥면(102)은 차량의 내측을 향하여 대칭면(210)으로부터 멀어지도록 약간 각도를 이루고 있다. 바닥면(102)의 전단에서, 상기 프로파일 월(101-102)은 상부로 급하게 꺾여 3mm의 내부 곡률 반경을 가지고 180도 전환된다. 그 후, 상기 프로파일 월(101-102)은 다시 상부로 수직하게 연장되어 최대 10mm의 깊이(E)를 가지는 제1주변 골(215)을 형성한다. 제1주변 골(215)의 상단에서, 상기 프로파일 월(101-102)은 다시 프로파일의 전단을 향하여 꺾인 후 후방으로 급하게 꺾여 약 40mm의 깊이(F)와 8mm의 내부 높이(L)를 가진 중앙 골(212)을 형성한다. 결과적으로, 바닥면(102)의 바닥측의 최고점과 중앙 골(212)의 하측벽의 윗측 사이의 수직 거리(B)가 50mm가 된다. 상기 중앙 골(212)은 대칭면(210)에 대하여 대칭으로 형성된다. 더 나아가, 중앙 골(212)을 넘어 제2주변 골(214)을 통한 윗면(101)까지의 프로파일 월(101-102)의 전체 경로는 대칭면(210)에 대하여 대칭이므로, 반복된 설명은 생략하기로 한다.
빔 요소(100)의 섬유 보강은 중앙층(203) 주위로 대칭으로 배치된 다섯 개의 층들(201-205)로 형성된다. 상기 층들(201-205)은 프로파일 월(101-102)의 수평부에서 th1, th2, th3, th4로 두께가 표시되고 수직부에서 tv1, tv2, tv3로 두께가 표시된 바와 같이, 프로파일 월(101-102)의 서로 다른 부분에서 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 중앙층(203)은 충돌 시 빔 요소(100)의 전체 파열을 방지하기 위한 고속 성능 및 빔 요소(100)의 비틀림 움직임을 방지하기 위하여 설계된 유리 섬유 직물재 또는 비주름 섬유 보강재로 형성된다. 본 실시예에서, 전체가 0.5mm 두께의 유리 섬유 직물이 사용된다. 중앙 직물층(203)은 각각이 빔 요소(100)의 길이를 따라 평행하게 연장된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 조방사(roving)로 형성된 두 개의 중간층(202, 204) 사이에 끼여 있다. 주름 골들(214, 212, 215) 내의 tv1, tv2, tv3로 표시된 프로파일 월(101-102)의 수직부에서 중간층(202, 204)의 두께는 0.75mm인 반면, th1, th2, th3, th4로 표시된 프로파일 월(101-102)의 나머지 부분에서 중간층(202, 204)의 두께는 0.5mm이다. 중간층(202, 204)의 중앙 직물층(203)의 반대쪽에는 각각이 0.5mm의 두께를 가지며 빔 요소(100)의 길이 방향을 따라 평행하게 연장된 유리 섬유를 포함하는 유리 섬유 조방사(roving)로 형성된 외측층(201, 205)이 위치한다.
앞에서 빔 요소(100)의 설명에 주어진 치수들은 단지 예시적인 것이며 다른 실시예들에서는 달라질 수 있다. 예를 들어, 곡률 반경(R0)은 바람직하게는 1000mm와 5000mm 사이의 값으로 선택될 수 있다. 또한, 수직 거리들(A, B)(여기서, A는 윗면(101)의 위측의 최하점과 중앙 골(212)의 상측벽의 하측 사이의 거리로, 본 실시예에서는 50mm임)은 바람직하게는 각각 25mm와 75mm 사이의 값일 수 있다. 또한, A와 B가 서로 다를 수 있으며, 바람직하게는 A+B는 100mm와 150mm 사이의 값일 수 있다. 유사하게, C는 50mm와 100mm 사이의 값으로 선택될 수 있는 반면, D는 100mm와 200mm 사이의 값으로 선택될 수 있다. 내부 곡률 반경(R1)은 빔 요소(100)의 제작 과정에서 빔 요소(100)의 표면에 주름이 생기지 않는 최소 반경에 따라 조절될 수 있다.
유사하게, tv1, tv2, tv3로 표시된 프로파일 월(101-102)의 수직부에서 중간층(202, 204)의 두께뿐만 아니라 전체 중앙 직물층(203)의 두께는 0mm(즉, 각 층(202-204)은 존재하지 않는다)와 3mm 사이의 값일 수 있는 반면, th1, th2, th3, th4로 표시된 프로파일 월(101-102)의 수평부에서 중간층(202, 204)의 두께뿐만 아니라 외측층(201, 205) 전체의 두께는 0mm(즉, 각 층(201, 202, 204, 205)은 존재하지 않는다)와 2mm 사이의 값일 수 있다. 각 층(201-205)뿐만 아니라 th1, th2, th3, th4, tv1, tv2, tv3로 표시된 프로파일 월(101-102)의 각 부분마다 서로 다른 값이 별개로 선택될 수 있다. 더 나아가, 다른 실시예에서는 상기 층들(201-205)을 위하여, 예를 들어 유리 섬유, 탄소 섬유, 케블라(Kevlar) 섬유 또는 현무암(basalt) 섬유와 같은 서로 다른 종류의 섬유들로 만들어진, 예를 들어 조방사, 직물층, 비주름 섬유층 또는 부직 매트와 같은 서로 다른 종류의 층들이 선택될 수 있다. 서로 다른 열팽창 계수에 따른 빔 요소(100)의 변형을 피하기 위하여, 각 종류의 층(즉, 중앙 직물층(203), 외측층(201, 205) 및 중간층(202, 204))은 균형면(211)의 양 측에 균등하게 분배될 뿐만 아니라 대칭면(210)의 양 측에 균등하게 분배되도록 상기 각 층들(201-205)이 배치될 수 있다.
빔 요소(100)의 섬유 보강재를 형성하는 상기 층들(201-205)은 액체 전구체 혼합물로 함침된 후 현장 중합 반응에 의하여 형성된 열가소성 수지의 공통 매트릭스(matrix)에 의하여 결합된다. 상기 열가소성 수지는, 예를 들어 음이온성 폴리아미드 6(anionic polyamide 6; APA6), 음이온성 폴리아미드 12(APA12), 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(polybutylene terephthalate; PBT), 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane; TPU) 또는 현장 중합 반응에 의하여 형성될 수 있는 다른 열가소성 수지일 수 있다. 각각 카프로락탐(caprolactam)과 라우릴락탐(lauryllactam)으로부터 형성되는 APA6 및 APA12의 경우, 촉매로서 작용하는 첨가제와 음이온성 중합을 위한 활성제로, 예를 들어 상표명 Bruggolenㄾ 또는 상표명 Addonylㄾ이 사용 가능하다. 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(PBT)는 상표명이 Cyclics CBTㄾ인 Cyclics Corporation으로부터 구할 수 있으며, TPU 수지는 상표명이 Estaneㄾ인 Lubrizon Corporation으로부터 구할 수 있다.
도 2b는 그 외부 형상은 동일하지만 도 2a에 도시된 단면과는 다른 단면을 도시하고 있다. 외부 형상이 동일하기 때문에, 도 1에 도시된 빔 요소(100)는 다른 실시예들에서 도 2a 및 도 2b에 도시된 단면들 중 하나를 포함하거나 빔 요소(100)의 다른 부분에 양 단면들을 모두 포함할 수 있다. 도 2b의 단면에서, 중앙 직물층(203)은 프로파일 월(101-102)의 세 개의 분리된 부분, 즉 균형면(211)에 평행하게 수직으로 연장된 프로파일 월(101-102)의 부분들에 형성된다. 게다가, 중앙 직물층(203)이 형성된 각 분리된 부분에서, 중앙 직물층(203)의 개개의 분리된 스트립(strip)은 균형면(211)에 평행하게 위치하게 되어 직물층(203)의 개개의 분리된 스트립 상의 지점들은 도 1에서 곡률 반경(R0)에 의하여 표시된 빔 요소(100)의 곡률축(110)으로부터 동일한 거리에 위치한다. 이것은 빔 요소(100)의 제조 동안 인발 공정에서 직물층(203)의 개개의 분리된 스트립을 서로 다른 속도로 당기는 것을 가능하게 하고, 그것에 의하여 제조하는 동안 과응력과 직물층(203)의 주름 발생을 피하도록 한다. 다른 실시예에서, 직물층(203)의 하나 이상의 추가 스트립이 또한 프로파일 월(101-102)의 수평부에 제공될 수 있으며, 각 추가 스트립은 제조 과정에서 개개의 스트립 내에 과응력과 직물층(203)의 주름 발생을 방지하기에 충분할만큼 좁은 두께를 가질 수 있다.
중앙 직물층(203)이 없는 프로파일 월(101-102)의 남은 부분에서, 중간층(202, 204)은 합해져서 섬유 조방사(206)의 중앙층을 형성한다. 프로파일 월(101-102)의 끝단에서, 유리 섬유 조방사의 외측층(201, 205)은 동일한 재질의 끝단 커버층(207)에 의하여 연결된다. 따라서, 빔 요소(100)의 전에 외곽이 유리 섬유에 의하여 형성되어 섬유 조방사(206)의 중앙층의 탄소 섬유와 중간층(202, 204)이 유리 섬유에 의하여 둘러싸인다. 이것은 탄소 섬유가 외부로 노출되어 물이나 습기에 접촉하는 것을 방지함으로써 부식으로부터 효과적으로 보호한다.
도 2(c)는 차량용 내충돌성 구조물(700)의 다른 빔 요소(100)를 도시하고 있는데, 상기 빔 요소(100)는 도 1에 도시된 빔 요소(100)와는 다른 외부 단면 형상을 가지고 있으나 그 외에는 반경 R0의 곡률을 가진 동일한 방식으로 형성된다. 본 실시예는 주변 골이 형성되지 않은 반면 중앙 골은 윗면(101)과 바닥면(102)의 전방 모서리 사이에서 수직으로 연장된 평평한 전방월(103)에 의하여 차량의 전방이 폐쇄되었다는 점에서 도 2(a), (b)에 도시된 실시예들과 다르다. 따라서, 빔 요소(100)의 전방월(103), 중앙 골(212)의 바닥면과 주변면에 의하여 둘러싸인 내부 공동이 단면 상에 형성되고, 상기 내부 공동에 매우 근접한 프로파일 월 표면에 제공되는 유리 섬유 조방사로 된 추가 외측층(208)을 포함한다. 상기 중앙 직물층(203)은 두 개의 분리된 스트립에 형성되는데, 그 각각은 전체 전방월(103)과 중앙 골(212)의 전체 바닥면을 통하여 연장된다. 따라서, 상기 중앙 직물층(203)은 상기 프로파일의 수직으로 연장된 모든 월에 형성된다. 본 실시예에서, 상기 중앙 돌(212)의 폐쇄된 형태는 빔 요소(100)의 큰 이너샤 및 비틀림 저항을 제공하고, 이에 따라 내충돌성 구조물(700)의 높은 성능을 가능하게 한다.
도 3은 전방 범퍼 빔 시스템인 차량용 내충돌성 구조물(701)의 다른 실시예의 사시도이다. 상기 전방 범퍼 빔 시스템은 짧은 길이의 섬유를 포함할 수 있는 열가소성 소재로 사출 성형에 의하여 형성된 오버몰딩된 요소들(311-315)과 함께 도 1의 빔 요소(100)와 동일한 빔 요소(100)를 포함한다. 상기 오버몰딩된 요소들(311-315)은 하부 보강재(311), 상기 하부 보강재(311)를 빔 요소(100)에 부착하기 위한 브라켓(312), 차량의 내부를 향하여 상기 빔 요소(100)의 양단에 부착되는 크래쉬 박스(313), 중앙 골(212)을 가로질러 지지력을 제공하기 위한 립들(ribs)(314), 그리고 추가 보강 요소들(315)을 포함한다. 도 4는 도 3의 사시도에서 빔 요소를 제거한 상태에서 오버몰딩에 의하여 빔 요소(100)에 단단하게 부착되는 오버몰딩된 요소들(311-315)만을 도시하고 있다.
도 1의 내충돌성 구조물(700) 또는 도 1 내지 도 4 중 어느 하나에 도시된 빔 요소(100)를 제조하기 위한 제조 공정은 도 5를 참고로 설명될 것이다. 도 5는 개략적인 정면도에서 내충돌성 구조물(700)을 제조하기 위한 인발 장치(550)를 도시하고 있다. 상기 인발 장치(550)는 섬유층(201-205)을 위한 섬유 소재가 각각의 스풀(501-505)에 보관되는 섬유 소재 저장 장치(552), 제조될 빔 요소(100) 내에서 섬유층(201-205)의 의도된 배열에 따라 섬유 소재를 정렬하기 위한 정렬 장치(554), 정렬된 섬유 소재를 예열하기 위한 예열 장치(520), 열가소성 중합체 수지(512)를 형성하는데 필요한 요소들(506, 508)을 저장하기 위한 저장 탱크(507), 열가소성 중합체 수지(512)의 액체 전구체 혼합물(510)을 형성하기 위하여 상기 요소들(506, 508)을 혼합하기 위한 혼합 챔버(509), 가열 장치(521)가 장착되고 제작될 빔 요소(100)의 목표 외부 프로파일에 대응하는 내부 프로파일과 함께 빔 요소(100)의 의도된 곡률 반경(R0)에 대응하는 곡률 반경(R0)을 가진 인발 다이(522), 그리고 상기 인발 다이(522)로부터 섬유 소재와 열가소성 중합체 수지로 형성된 복합 가닥(composite strand)(525)을 끌어 당겨 제조 공정을 구동하는 당기는 장치(524), 그리고 상기 복합 가닥(525)을 목표 길이의 제작될 빔 요소(100)의 세그먼트들로 절단하기 위한 절단 장치(526)를 포함한다.
제작의 준비 단계에서, 상기 스풀들(501-505)에 저장된 섬유 소재는 연속적으로 정렬 장치(554), 예열 장치(520), 인발 다이(522), 당기는 장치(524), 그리고 절단 장치(526)을 통하여 안내된다. 또한, 상기 저장 탱크(507)는 열가소성 중합체 수지(512)를 형성하기 위해 필요한 요소들(506, 508)로 채워져 있는데, 상기 요소들 중 적어도 하나는 반응성 단량체(reactive monomer)를 포함하고 상기 요소들(506, 508)이 서로 분리되어 보관되고 있는 동안 실질적으로 중합 반응은 일어나지 않도록 준비된다. 상기 저장 탱크(507)는, 예를 들어 개개의 반응성 단량체의 녹는점보다 10K 이상 높은 온도와 같이 상기 요소들(506, 508)을 액체 상태로 보관하기에 충분히 높은 온도로 가열된다. 예를 들어, 상기 탱크(507)는 반응성 단량체가 녹는점이 69℃인 카프로락탐의 경우 79℃로 가열되고, 반응성 단량체가 녹는점이 152℃인 라우릴락탐의 경우에는 162℃로 가열된다.
제조 공정을 시작하기 위하여, 상기 섬유 소재는 당기는 장치(524)에 의하여 인발 다이(522)의 밖으로 연속적으로 또는 간헐적으로 끌어 당겨지고, 이것은 해당하는 양의 섬유 소재가 저장 장치(522)로부터 끌어 당겨지도록 한다. 정렬 장치(554)에서 정렬된 후, 상기 섬유 소재는 상승된 온도에서 인발 다이(522)로 진입하기 위하여 예열 장치(520)를 통과하는 동안 예열된다. 동시에, 상기 요소들(506, 508)은 혼합 챔버(509)에 도입되어 거기에서 액체 전구체 혼합물(510)을 형성하기 위해 친밀하게 혼합되는데, 상기 액체 전구체 혼합물(510)은 인발 장치(524)의 작동에 의하여 끌어 당겨진 섬유 소재가 들어가는 입구(560)에 가까운 위치에서 인발 다이(522)에 공급된다. 바람직하게는, 상기 액체 전구체 혼합물(522)은 인발 다이(522)에 공급되기 전에 중합 반응이 상당한 정도로 일어나는 것을 방지하기 위하여 충분히 낮은 온도에서 혼합되고 이송되며, 이러한 방식으로 액체 전구체 혼합물(510)의 낮은 점성이 유지된다.
인발 다이(522)에 들어가자 마자, 액체 전구체 혼합물(510)은 섬유 소재에 함침되는데, 낮은 점성 때문에 섬유들 사이의 미세한 공동들에도 들어가고 섬유들의 표면을 전체적으로 적신다. 당기는 장치(524)가 인발 다이(522)를 통하여 액체 전구체 혼합물(510)이 섬유들에 함침된 섬유 소재를 계속하여 끌어 당기는 동안, 가열 장치(521)는 액체 전구체 혼합물(510)이 인발 다이(522)를 통한 함침된 섬유 소재의 경로를 따라 완전히 중합되도록 인발 다이(522) 내의 온도 프로파일을 유지한다. 상기 중합 반응은 섬유 소재가 예열 장치(520) 내에서 예열되었기 때문에 섬유들의 표면에 가까운 곳에서부터 먼저 시작된다. 결과적으로, 제작될 빔 요소(100)의 성분, 프로파일 및 곡률을 가진 복합 가닥(525)은 출구(561)에서 계속하여 인발 다이(522)를 떠나고, 빔 요소(100)를 반복적으로 제공하기 위하여 절단 장치(526)에 의하여 절단된다.
액체 전구체 혼합물(510)을 형성할 상기 요소들(506, 508)은 별개로 저장되어 중합 반응이 일어나지 않는 한 다양한 방식으로 준비될 수 있다. 상기 액체 전구체 혼합물(510)은 인발 다이(522)에 들어간 후 열가소성 중합체 수지로 바뀌는 현장 중합 반응을 겪을 수 있다. 예를 들어, 음이온성 폴리아미드(APA), 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(PBT)를 형성하기 위한 반응 시스템이 선택될 수 있는데, 거기에서 반응성 단량체는 상기 요소들(506) 중 하나에 포함되는 반면 중합 반응을 개시하기 위하여 필요한 개시 물질은 다른 요소(508)에 포함될 수 있다. 제조 방법의 다른 실시예에서, 두 개 이상의 요소들이 액체 전구체 혼합물을 형성하기 위하여 혼합될 수 있다.
도 5(a)는 도 5에 도시된 인발 장치 대신 내충돌성 구조물(700)을 제조하기 위하여 사용될 수 있는 다른 형태의 인발 장치(550)를 도시하고 있다. 도 5와는 달리, 인발 다이(521)로부터 나오는 복합 가닥(526)을 냉각하기 위한 냉각 장치(590)가 제공되는 반면, 당기는 장치(524)는 캐터필러(caterpillar) 형상이다. 더 나아가, 상기 인발 다이(521)는 직선 형태를 가져, 도 5의 복합 가닥(526)의 곡률 반경(R0)와 비교하여 상기 복합 가닥(526)은 무한대의 곡률 반경(도시하지 않음)에 해당하는 곡률 없는 직선 가닥으로 형성된다. 결과적으로, 도 5(a)의 인발 장치(550)에서 나오는 복합 가닥(526)을 절단하는 것에 의하여 생성된 빔 요소(100)는 곡률을 가지지 않는다. 그런데, 원하는 경우, 스탬핑과 같은 추가 공정에 의하여 빔 요소(100)에 곡률이 후속적으로 주어질 수 있다. 이러한 방식으로, 빔 요소(100)에 일정치 않은 곡률을 부여하는 것도 가능하다. 상기 스탬핑은 별개의 단계로서 수행될 수 있거나 이하에서 설명될 오버몰딩 단계와 함께 효율적으로 수행될 수 있다.
도 3에 도시된 내충돌성 구조물(701)과 같은 오버몰딩된 요소들을 포함하는 내충돌성 구조물을 제조하기 위하여, 앞에서 설명한 바와 같이 제조된 빔 요소(100)는 도 6에 도시된 사출 성형 장치(650)에서 수행되는 오버몰딩 단계를 거칠 수 있다. 상기 사출 성형 장치(650)는 내충돌성 구조물(701)의 외관 형상에 해당하는 캐비티(651)가 형성된 상부 몰드(611)와 하부 몰드(612)를 포함하는 두 부분으로 된 다이를 포함한다. 상기 캐비티(651)를 두 부분으로 된 다이(611, 612)의 외부와 연결하는 적어도 하나의 공급 포트(652)가 두 부분으로 된 다이(611, 612)에 형성된다. 스크류 샤프트(602)가 그 내부에 구비되고 예를 들어 과립 상태로 있는 열가소성 물질을 함유하는 호퍼(601)에 연결된 가열된 사출 배럴(604)이 공급 포트(652)의 개구부에 위치한다.
작동 중, 두 부분으로 된 다이(611, 612)의 상부 몰드(611)는 하부 몰드(612)로부터 제거되어 앞에서 기재한 것처럼 사전 제조된 빔 요소(100)를 두 부분으로 된 다이(611, 612)가 다시 닫히기 전에 캐비티(651) 내에 위치시킨다. 이러한 방식으로, 도 6에서 예시적이고 개략적으로 보여진 립(314)과 같은 하나 이상의 오버몰딩된 요소들에 해당하는 캐비티(651)의 하나 이상의 부분들이 부분적으로 빔 요소(100)의 표면에 의하여 경계 지어진 빈 공간으로 형성된다. 그리고 나서 열가소성 물질(600)이 사출 배럴(604)에 공급되어 가열되고 스크류 샤프트(602)의 작동에 의하여 용융된 상태에서 공급 포트(652)를 통하여 립(314)에 해당하는 빈 공간으로 사출된다. 바람직하게는, 사출된 열가소성 물질과 두 부분으로 된 다이(611, 512)의 온도는 빔 요소(100)의 열가소성 수지가 사출된 열가소성 물질과 접촉하게 되면 표면적으로 녹아 각각의 녹는점 아래로 냉각되는 것에 의하여 양 자가 완전히 고형화된 후 립(314)이 되는 오버몰딩된 요소와 빔 요소(100) 사이의 고체 결합을 형성할 수 있도록 선택될 수 있다. 다음으로, 두 부분으로 된 다이(611, 612)는 다시 열려 완성된 내충돌성 구조물(701)을 배출한다.
상기 열가소성 물질(600)로는, 바람직하게는 앞에서 언급한 빔 요소(100)를 제조하는데 사용한 열가소성 수지(512)와 동일하거나 화학적으로 관련된 물질이 사용된다. 추가적인 강도를 위하여, 예를 들어 유리로 제작된 짧은 섬유가 추가될 수 있다. 만약 빔 요소(100)에 곡률을 부여하기 위한 스탬핑 공정이 오버몰딩 공정과 함께 수행된다면, 열가소성 수지 매트릭스를 부드럽게 하기 위하여 열이 빔 요소(100)에 가해지고, 사전 제작된 빔 요소(100)를 캐비티(651) 내에 위치시키며, 두 부분으로 된 다이(611, 612)를 닫고, 빔 요소(100)에 힘을 가하여 빔 요소(100)가 캐비티(651)의 형상에 부합하는 곡률을 가지게 된다.
도 7은 몇 개의 내충돌성 구조물(701-705)이 서로 다른 위치에 장착된 차량(710)의 개략적인 측면도이다. 상기 내충돌성 구조물(701-705)은 전방 범퍼 빔(701), 후방 범퍼 빔(702), 차량(710)의 문(713)에 설치된 사이드 범퍼 빔(703), 차량(710)의 측벽(714)에 설치된 사이드 범퍼 빔(704), 사이드 실(side sill)(706), 그리고 롤오버 바(rollover bar)(705)를 포함한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (20)

  1. 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법에 있어서,
    상기 내충돌성 구조물은 차량의 충돌 시 충격력을 받도록 된 빔 요소를 포함하며,
    상기 방법은
    100mm 이상의 길이를 가진 적어도 한 층의 섬유질을 배치하는 단계;
    열가소성 수지를 형성하는데 필요한 요소들을 혼합하는 단계, 상기 요소들은 반응성 단량체(reactive monomer)를 포함하며, 그것에 의하여 상기 열가소성 수지의 액체 전구체(precursor) 혼합물을 형성하며;
    상기 적어도 한 층의 섬유질에 액체 전구체 혼합물을 함침하는 단계; 그리고
    상기 적어도 한 층의 섬유질에 함침된 액체 전구체 혼합물의 현장 중합 반응(in-situ polymerization reaction)에 의하여 빔 요소를 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 내충돌성 구조물의 적어도 하나의 오버몰딩된 요소(overmolded element)를 상기 열가소성 수지와 동일하거나 화학적으로 관련된 열가소성 수지로부터 사출 성형(injection molding)하는 단계를 더 포함하며, 그것에 의하여 적어도 하나의 오버몰딩된 요소를 상기 빔 요소에 결합하는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한 층의 섬유질에 액체 전구체 혼합물을 함침하기 전에, 적어도 한 층의 섬유질을 예열하는 단계를 더 포함하는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한 층의 섬유질을 함침하는 단계와 빔 요소를 형성하는 단계는 연속적인 인발(pultrusion) 공정에서 수행되는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응성 단량체는 고리형 단량체(cyclic monomer)이며, 상기 현장 중합 반응은 상기 반응성 단량체의 고리열림중합(ring-opening polymerization)을 통하여 수행되는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반응성 단량체는 카프로락탐(caprolactam) 또는 라우릴락탐(lauryllactam)인 것을 특징으로 하는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    충격력을 받도록 된 빔 요소는 차량의 전반 범퍼 빔, 후방 범퍼 빔, 사이드 빔, 도어 빔, 사이드 실(side sill), 롤오버 바(rollover bar) 중 하나인 것을 특징으로 하는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 한 층의 섬유질은 빔 요소의 체적에서 50% ~ 75%의 섬유 함량을 포함하는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한 층의 섬유질은 유리 섬유층 및/또는 탄소 섬유층을 포함하는 차량의 내충돌성 구조물의 제조 방법.
  11. 차량의 내충돌성 구조물로서,
    상기 내충돌성 구조물은 차량의 충돌 시 충격력을 받도록 된 빔 요소를 포함하며,
    상기 내충돌성 구조물은
    100mm 이상의 길이를 가진 적어도 한 층의 섬유질을 배치하는 단계;
    열가소성 수지를 형성하는데 필요한 요소들을 혼합하는 단계, 상기 요소들은 반응성 단량체(reactive monomer)를 포함하며, 그것에 의하여 상기 열가소성 수지의 액체 전구체(precursor) 혼합물을 형성하며;
    상기 적어도 한 층의 섬유질에 액체 전구체 혼합물을 함침하는 단계; 그리고
    상기 적어도 한 층의 섬유질에 함침된 액체 전구체 혼합물의 현장 중합 반응(in-situ polymerization reaction)에 의하여 빔 요소를 형성하는 단계;
    를 포함하는 방법에 의하여 제조되고,
    상기 적어도 한 층의 섬유질은 중앙층과, 상기 중앙층의 양측에 대칭적으로 배열된 추가층들을 포함하고,
    상기 중앙층은 직물층 또는 비주름 섬유층이며,
    상기 빔 요소는 곡률축 주위의 곡률을 포함하며, 상기 중앙층은 상기 곡률축과 평행한 부분에 제공되고 상기 곡률축과 평행하지 않은 부분에는 제공되지 않는 것을 특징으로 하는 차량의 내충돌성 구조물.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 중앙층은 유리 섬유를 포함하고, 상기 추가층은 유리 섬유를 포함하는 외측층과 탄소 섬유를 포함하는 중간층을 포함하며, 각 중간층은 상기 외측층과 중앙층 사이에 배열되는 차량의 내충돌성 구조물.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 빔 요소는 주름진 단면을 포함하는 차량의 내충돌성 구조물.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단면은 빔 요소의 대칭면에서 대칭인 차량의 내충돌성 구조물.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 주름진 단면은 중앙 골과, 상기 중앙 골의 양 측에 배치된 주변 골을 포함하고, 상기 중앙 골은 상기 주변 골보다 더 깊은 것을 특징으로 하는 차량의 내충돌성 구조물.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 주름진 단면은 중앙 골과, 주름진 단면의 내부 공동을 형성하는 것에 의하여 상기 중앙 골을 폐쇄하는 전방월을 포함하는 차량의 내충돌성 구조물.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 빔 요소에 결합된 열가소성 물질을 포함하는 적어도 하나의 오버몰딩된 요소를 더 포함하는 차량의 내충돌성 구조물.
  20. 삭제
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