KR101741861B1 - 접합 방법, 접합 기구 및 체결 요소 - Google Patents

접합 방법, 접합 기구 및 체결 요소 Download PDF

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칼스텐 비어
레인홀트 오퍼
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뉴프리 엘엘씨
아우디 아게
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Abstract

본 발명은 부품(32)의 표면 부분(34)에 체결 요소(26)를 접합하기 위한 방법에 관한 것으로, 체결 요소(26)는 열 용융가능하고 열 고정가능한 접착제(30)가 도포되는 접착 면(109)을 가지며, 이 방법은
-접착제를 용융하기 위해 제1 온도(T1)로 접착제(30)를 사전가열하는 단계;
-제2 온도(T2)로 표면 부분(34)을 사전가열하는 단계; 및
-표면 부분(34) 상에 접착 면(109)을 배치하는 단계를 포함하고;
접착제(30)는 접착 면(109)이 표면 부분(34)에 배치된 후 접착제를 고정하여 체결 요소(26)를 부품(32)에 영구 고정시키기 위해 제3 온도(T3)로 주 가열된다.

Description

접합 방법, 접합 기구 및 체결 요소{JOINING METHOD, JOINING APPLIANCE AND FASTENING ELEMENT}
본 발명은 부품의 표면 부분 상으로 체결 요소를 접합하기 위한 방법에 관한 것으로, 체결 요소는 초기에 열 용융가능하고 그 후에 열 고정가능한 접착제가 도포되는 접착 면을 갖는다.
추가로, 본 발명은 특히, 전술된 방법에 따라서 부품의 표면 부분에 체결 요소를 접합하기 위한 접합 기구에 관한 것으로, 따라서 이와 같은 체결 요소에 관한 것이다.
전술된 접합 방법은 특히 차량 엔지니어링의 도메인에 적용될 수 있다. 차체 구조물 내에서 금속 시트(차체 시트)와 같은 부품에 체결되는 요소를 체결할 필요가 있다. 이 경우, 이러한 체결 요소는 종종 예를 들어, 전선과 제동 라인과 같은 추가 물품을 체결하기 위한 앵커로서 제공된다. 종종, 이러한 경우, 플라스틱 클립이 체결 요소에 끼워맞춤되고, 상기 물품은 그 뒤에 차례로 플라스틱 클립에 부착된다. 또한, 체결 요소에 직접 고정되도록 부품, 카펫, 부속품 등을 대향시킬 필요도 있다.
차체는 통상적으로 금속(시트 스틸 또는 알루미늄)으로 제조된다. 이러한 경우, 스터드의 형태로 체결 요소를 접합시킬 목적으로, 스터드 용접의 실시가 공지되었으며, 이 용접에서 몸체 패널과 금속 시트의 마주보는 면은 아크에 의해 서로 용융되고, 그 뒤 금속 시트와 스터드 사이에 금속 접합이 형성된다.
열가소성 재료로 제조된 체결 요소는 열가소성 부품에 접합되고, 상호 마주보는 표면은 서로에 대해 용융되고, 게다가 재료 결합이 궁극적으로 구현되는 방법도 또한 공지되었다.
그러나, 또한 임의의 표면, 예를 들어, 도장된 금속 시트, 또한 유리-섬유 보강 플라스틱 부품 또는 탄소-섬유 보강 플라스틱 부품에 접합되는 일반적인 특성의 체결 요소에 대한 필요가 있다.
최근에, 경량 구조물의 차체에 대한 트렌드가 증가되고, 몸체 부분으로서 유리-섬유 보강 플라스틱 부품 또는 탄소-섬유 보강 플라스틱 부품의 사용도 증가되고 있다.
부품에 대한 체결 요소의 접착 결합은 이러한 일반적인 접합 작업에 대해 적합할 수 있다. 이러한 경우에, 접착제는 체결 요소의 접착 면에 도포된다. 이 경우, 접착제는 바람직하게는 접착제가 도포된 체결 부품이 벌크 재료 또는 이와 유사한 것으로서 제공될 수 있도록 고상 유형의 접착 면에 도포되는 유형이다. 이는 일련의 제조에 매우 중요하다.
이러한 접착제는, 접착 면이 부품의 표면 부분에 배치된 후 고정 이후에 차량의 수명에 대해 지속되는 접착 결합이 형성될 수 있도록 가열에 의해 점성 상태로 이뤄진다.
이러한 부품을 캐리어 면에 체결하기 위한 접합 기구는 문헌 제DE 10 2004 012 786 Al호에 공지되었다. 그 경우에, 부품은 유도 가열가능한 재료로 제조되는, 플랜지 부분과 생크 부분을 갖는 스터드로서 구성된다. 캐리어 면에 배치하기에 앞서 접착제의 가열은 유도적으로 수행되며, 여기서 유도 에너지는 유도 필드 쉐이퍼에 의해 체결 요소의 플랜지 부분 내로 유입되고, 이에 따라 체결 요소, 간접적으로는 이에 도포된 접착제가 가열된다. 체결 요소가 캐리어 부품에 부착된 후, 유도 에너지의 공급은 중단되고, 접착제는 접착 결합을 형성하기 위해 응고된다.
체결 요소를 캐리어 면에 접착 결합하기 위한 추가 기구가 문헌 제EP 1 250 391 Bl호에 공지되었으며, 여기서 체결 요소는 열의 작용을 통하여 재활성화가능한 핫-멜트 접착제(hot-melt adhesive)로 코팅된다. 캐리어 면에 도포하기에 앞서, 접착제는 고온 공기로 가열되고, 캐리어 면은 동시에 가열된다. 체결 요소가 캐리어 면에 배치된 후, 열 공급은 중단된다. 캐리어 면으로 체결 요소의 점착은 이 방식으로 구현된다. 그러나, 접착제의 후속 최종 고정 및 최종 경화는 이 문헌에서 언급되지 않는다. 이에 따라 구현된 접착 결합은 단지 어려움 없이 접착제-결합된 부품이 이동될 수 있는 기능적 강도를 구현하는 것이다.
대량 제조 시에, 접합 절차를 수행하기 위해 필요한 기간은 특히 중요하다. 2분 이상의 기간을 종종 필요로 하는 접착 절차의 실시에 대한 방법이 존재한다. 이는 전술된 스터드 용접의 경우보다 상당히 오랜 시간이 소요되며, 이에 따라 기간을 줄일 필요가 있다.
전술된 단점에 대해, 본 발명의 목적은 개선된 접합 방법, 개선된 접합 기구 및 개선된 체결 부품을 제공하는 것이다.
이 목적은 부품의 표면 부분에 체결 요소를 접합하는(joining) 방법에 의해 구현되는데, 체결 요소는 열 용융가능하고 열 고정가능한 접착제가 도포되는 접착 면을 가지며, 이 방법은 접착제를 용융하기 위해 제1 온도로 접착제를 사전가열하는 단계;제2 온도로 표면 부분을 사전가열하는 단계; 및 표면 부분 상에 접착 면을 배치하는 단계를 포함하고; 접착제는 접착 면이 표면 부분에 배치된 후 접착제를 고정하여 체결 요소를 부품에 영구 고정시키기 위해 제3 온도로 주 가열된다.
상기 목적은 특히 전술된 방법에 따라서 부품의 표면 부분에 체결 요소를 접합하기 위한 접합 기구에 의해 추가로 구현되는데, 체결 요소는 열 용융가능하고 열 고정가능한 접착제가 도포되는 접착 면을 가지며, 접합 기구는 체결 요소를 보유하기 위한 보유 장치를 포함하고, 보유 장치는 접합 축을 따라 이동하도록 설계되며, 접착제 및 표면 부분을 가열하도록 설계되는 하나 이상의 가열 장치를 포함하고, 제어 장치를 포함하고, 제어 장치는 접착제가 사전가열되는 하나 이상의 가열 장치를 제어하도록 설계되며, 보유 장치는 그 뒤 체결 요소를 표면 부분에 배치하기 위해 부품상으로 이동되고, 최종적으로 하나 이상의 가열 장치는 표면 부분과 체결 요소 사이의 접착제가 이 접착제를 고정하기 위해 가열되도록 제어된다.
따라서, 상기 목적은 전술된 방법과 함께 사용하기 위한 체결 요소에 의해 구현되며, 체결 요소는 생크 부분보다 넓은 단면적을 가지며 생크 부분에 접한 플랜지 부분 및 생크 부분을 가지며, 플랜지 부분은 생크 부분에 마주보는 측면 상에 및/또는 생크 부분을 향하는 측면 상에 열 용융가능하고 열 고정가능한 접착제가 도포되는 접착 면을 가지며, 하나 이상의 이격된 돌출부는 접착 면 상에 형성되고, 바람직하게는 하나 이상의 상승부는 접착 면과 마주보는 플랜지 부분의 측면에 형성된다.
본 발명에 따르는 접합 방법 및 본 발명에 따르는 접합 기구에 따라 체결 요소는 부품의 표면 부분에 접착-결합되고, 이는 60초 미만, 바람직하게는 30초 미만, 특히 10초 미만의 짧은 기간 내에 수행된다.
이 요인으로, 접착 면이 표면 부분에 배치되기 전에 접착제는 제1 온도로 사전가열되고, 뿐만 아니라 표면 부분은 또한 제2 온도로 사전가열되고, 제2 온도는 바람직하게는 제1 온도(예를 들어, 100 °C 초과 및 200 °C 미만의 범위)와 대략 동일하다.
게다가, 이에 따라, 접착제가 접착 표면에 배치된 후 제3 온도로 주 가열되어 접착제가 고정된다. 이 경우에, 제3 온도로의 주 가열에 따라 바람직하게는 접착제는 최종 경화된다.
접착제는 바람직하게는 상대적으로 짧은 기간에 경화가능한 에폭시 수지를 기반으로 한다.
이 경우에, 접착제의 품질 및 접착 공정의 지속 시간은 표면 부분의 사전가열에 정해진 방식으로 영향을 받을 수 있다.
표면 부분의 사전가열로 인해, 이 경우에, 배치 공정 이후 접착제의 온도가 재차 떨어지는 상태가 구현된다. 즉, 부품과 체결 요소 사이에 큰 온도 구배가 발생되지 않는다. 따라서, 접착제는 접착 면에서 경화되었지만 수분은 여전히 부품에서 증발되는 상태가 방지되며, 수분은 부품과 접착제 사이에 접착 결합을 지연시킨다. 또한, 표면 부분의 사전가열은 세척의 종류에 영향을 미치며, 사전가열로 인해 표면 부분 상의 불순물은 더 용이하게 분리되거나 또는 이상적으로 자체가 배출된다(부품으로부터 증발 또는 확산되는 수분을 통하여). 이형제 잔류물은 또한 표면 부분의 사전가열에 의해 제거된다.
바람직하게는, 접착제 및 표면 부분의 사전가열의 즉각적인 수행, 표면 부분상으로의 접착 면의 배치, 접착제의 최종 경화 및 그 후에 접착제의 완전한 고정이 주 가열 단계에 의해 실시된다.
접착 면 상에 이격된 돌출부가 형성됨에 따라, 사전정해진 힘을 체결 요소와 표면 부분에 형성된 이격된 돌출부에 인가하고, 표면 부분과 접착 면 사이에 사전정해진 간격을 제공함으로써(또한, 바람직하게는 이들 사이의 충분한 평행 관계) 표면 부분에 접착 면을 배치시킬 수 있다.
접착 면에 대한 이격된 돌출부의 높이는 바람직하게는 이에 대해 열 용융가능하고 열 고정가능한 높이보다 낮다.
열 용융가능하고 열 고정가능한 접착제는 바람직하게는, 접착제가 열에 의해 또는 열적으로 용융가능하고 더 높은 열에 의해 고정될 수 있도록 최종 경화 단계가 수행되지 않으며 접착 면에 도포되는, 액체 또는 고점도 상태인 접착제인 것으로 이해된다.
접착 면에 이격된 돌출부가 제공되지 않는다면, 접착 면과 표면 부분 사이의 거리는 또한 예를 들어, 체결 요소가 부품 상에 배치되는 위치 및/도는 힘의 조절을 통해 또 다른 방식으로 설정될 수 있다.
본 경우에, 따라서, 용어 "접착 면 상의 배치"는 접착 면이 표면 부분으로부터 특정 거리에 배치되는, 즉 표면 부분과 접착 면 사이의 사전가열된 접착제가 완전히 이동되는 것을 방지하기 위하여 표면 부분에 근접해지는 것으로 이해된다.
전체적으로, 본 발명에 따르는 방법의 경우에, 모든 가열 단계는 부품의 접합 측면으로부터 수행될 수 있는 것이 선호된다. 차체 구조물에서, 특히 이는 중요한데, 이는 이 내에 사용된 차체 부품이 단지 일 측면으로부터 접근가능하기 때문이다.
체결 요소는 예를 들어, 열 경화성 플라스틱 또는 금속과 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 체결 요소에 대해 플라스틱이 사용되는 경우, 내부에 매립된 금속 입자에 따라 체결 요소가 유도 가열될 수 있는 것이 선호된다.
바람직하게는, 금속 입자는 접합제 또는 접착제 단독으로 혼합되어 접착제의 가장 신속한 가열이 용이해진다.
부품은 도장되거나 또는 비도장된 금속 부품일 수 있다. 게다가, 부품은 특히, 열경화성 플라스틱의 플라스틱 부품, 유리-섬유 보강 플라스틱 부품 또는 탄소-섬유 보강 플라스틱 부품일 수 있다. 플라스틱, 유리-섬유 보강 플라스틱 또는 탄소-섬유 보강 플라스틱(바람직하게는, 열경화성 매트릭스 수지를 가짐)의 용이한 가열을 위해, 바람직하게는, 더 우수한 전도성을 갖는 입자(특히, 금속 입자, 금속 격자 등)는 이들 입자가 외측으로부터 보이지 않도록 적어도 표면 부분의 영역에서 부품 내로 성형될 수 있다.
접착제가 주 가열되고 고정된 후, 원하는 경우 접착 부위를 냉각시킬 필요가 있다. 또한, 하나 이상의 장치는 새로운 체결 요소가 삽입되기 전에 재차 냉각될 수 있다. 본 발명에 따르는 접합 방법의 경우, 제3 온도가 제1 온도, 특히 제1 온도보다 높은 것이 특히 선호된다. 제3 온도는 예를 들어, 약 150°일 수 있다.
게다가, 접착제의 주 가열 및/또는 접착제의 사전가열은 체결 요소의 가열을 포함하고, 체결 요소로부터 접착제로 열 전도가 이뤄진다.
이 방식으로, 접착제는 유도 가열될 수 있다.
추가 선호되는 실시예에 따라서, 부품의 사전가열 및/또는 체결 요소의 가열은 유도 가열을 포함한다.
유도 기술에 의한 체결 요소의 가열은 예를 들어, 전술된 문헌 제DE 10 2004 012 786 Al호부터 공지되었다.
그러나, 유도 열 공급원이 또한 부품을 사전가열하는데 사용될 수 있으며, 부품은 금속을 함유하지만 또한 전체적으로 유리-섬유 보강 플라스틱 또는 탄소-섬유 보강 플라스틱(이들 재료들은 또한 간접 가열이 가능하도록 특정의 전도도를 가짐)으로 구성될 수 있다.
게다가, 바람직하게는, 부품의 사전가열은 열 대류 및/또는 열 복사에 의한 가열을 포함한다. 이러한 사전가열은 바람직하게는 표면 부분으로의 IR 열 방사 및/또는 표면 부분으로의 고온 공기의 지향 및/또는 표면 부분을 가열하기 위해 레이저의 이용(예를 들어, 스캐닝 방식으로)을 포함한다.
접착제 또는 체결 요소의 유도 가열이 선호될지라도, 부품의 가열이 또한 이 방식으로 수행될 수 있다.
따라서, 또한 표면 부분 또는 접착제를 가열하기 위하여 마찰 열 또는 전기적 저항 열을 사용할 수 있다.
모든 이들 가열 방법이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
전체적으로, 표면 부분의 사전가열 및 체결 요소의 사전가열의 수행시간이 중첩된다.
이에 따라 공정 시간이 단축될 수 있다. 게다가, 이들 경우에 또한 이들 목적으로 개별적인 가열 요소를 제공하는 것이 선호될지라도, 표면 부분의 사전가열 및 체결 요소의 사전가열은 단일의 가열 수단에 의해 수행될 수 있다.
특히 바람직하게는, 이 경우에 사전가열에 앞서 체결 요소는 부품에 대해 정해진 공간 위치로 이동된다.
정해진 공간 위치는 예를 들어, 다소 이격된 부품 표면에 대해 평행한 위치일 수 있다. 이러한 상대적인 위치설정의 경우에, 표면 부분을 사전가열하기 위한 수단과 체결 요소를 사전가열하기 위한 수단은 상대적으로 단순한 방식으로 로봇에 의해 이동되고 손으로 안내되는 접합 공구 내로 통합될 수 있다.
대안의 실시예에 따라서, 표면 부분의 사전가열과 접착제의 사전가열은 순차적으로 수행된다.
이 실시예의 경우에, 바람직하게는 서로 독립적으로 이동될 수 있는 개별 가열 수단을 사용할 수 있다. 이 선호되는 방법은 특히, 신속하게 부품상에 복수의 체결 요소를 제공하는데 적합할 수 있다. 이 경우에, 형성된 접합 부위의 표면 부분은 주 가열 작업이 수행되는 동안에 사전가열될 수 있다.
이 경우에, 바람직하게는, 표면 부분상으로 사전가열된 접착 면의 배치 및 표면 부분의 사전가열은 이러한 배치가 표면 부분의 사전가열이 완료된 후 소정의 기간 내에만 수행되도록 제어를 통해 연계된다.
이 실시예의 경우에, 본 발명에 따르는 이점이 더 이상 충분히 달성되지 못하는 정도로 표면 부분이 재차 냉각되는 것을 방지할 수 있다. 이는 특히, 표면 부분의 사전가열과 접착제의 사전가열이 연속하여 수행되는 경우에 적용된다.
일반적으로, 바람직하게는 표면 부분은 후속 가열 시에 증가된 온도, 예를 들어, 제1 온도보다 높은 온도로 가열될 수 있다. 이 경우에, 예를 들어, 체결 요소의 배치 시에 표면 부분이 사전가열된 접착제와 대략 동일한 온도를 갖도록 표면 부분이 냉각되는 방식으로 체결 요소가 사전가열된 표면 부분상에 배치될 때까지의 기간에서 고려될 수 있다.
전체적으로, 게다가 바람직하게는 하나 이상의 제1 및 하나의 제2 체결 요소는 제1 및 제2 표면 부분에 각각 접합되며, 제1 체결 요소의 주 가열 및 제2 표면 부분의 사전가열이 수행되는 시간이 중첩(an overlap of time)수행된다.
이 실시예는 특히 복수의 체결 요소가 부품에 접합되는 경우에 적합하다. "가열 공정의 "인터리빙(interleaving)"에 따라 전체적으로 구현되는 공정 사이클 시간이 상당히 단축된다. 명확히, 이는 특히 표면 부분의 사전 가열이 접착제를 사전가열하기 위한 가열 요소와는 독립적인 가열 수단에 의해 수행되는 경우에 적용된다. 체결 요소가 사전정해진 패턴 또는 서로 이격되어 적용되는 경우, 이들 가열 수단은 또한 단일의 하우징 상에서 서로 대응하는 간격에 제공될 수 있다.
본 발명에 따르는 접합 기구의 경우, 바람직하게는, 하나 이상의 가열 장치는 접착제를 가열하기 위한 제1 가열 수단, 표면 부분을 가열하기 위한 제2 가열 수단을 포함하고, 제1 가열 수단과 제2 가열 수단은 접합 공구의 하우징상에 배열된다.
접합 공구 내에서, 접합되는 체결 요소는 보유 장치(holding device)에 의해 보유된다. 이 방식으로 보유된 체결 요소 또는 이에 도포된 접착제는 그 뒤 제1 가열 수단에 의해 가열될 수 있으며, 체결 요소는 보유 장치상에 보유된다. 보유 장치는 접착 면을 표면 부분에 배치시키기 위하여 접합 축을 따라 부품상으로 이동된다.
선호되는 실시예에 따라서, 제2 가열 수단은 또한 접합 공구의 하우징 상에 배열된다.
이에 따라, 구조가 단순 및 컴팩트해지며 또한, 핸드-헬드 피스톨(hand-held pistol) 응용에 적합하다.
제1 가열 수단은 바람직하게는, 유도 가열 수단을 포함한다. 제2 가열 수단은 바람직하게는 레이저 가열 수단, 고온-공기 가열 수단 또는 IR 열 방사 가열 수단이다.
게다가, 바람직하게는 이 경우에 보유 장치 및 제2 가열 수단 및/또는 제2 가열 수단으로 구성되는 유닛은 접합 공구상에서 이동가능하다.
이에 따라, 예를 들어, 접합 공구는 제1 접합 공정 동안 사전 정해진 위치로 이동되고, 제2 부분은 제2 가열 수단의 제1 이동 위치에서 사전가열되며, 동시에 제1 가열 수단은 접착제를 가열한다. 제2 가열 수단의 위치와 제1 가열 수단 및 보유 장치로 구성된 유닛의 위치는 부품상으로 접착 면의 배치에 따라 실제 접합 공정이 접합 공구의 하우징의 이동 없이 가능하도록 어느 정도 교환가능하다.
추가 선호되는 실시예에 따라서, 보유 장치, 제1 가열 수단 및 제2 가열 수단으로 구성되는 유닛은 접합 공구상에서 서로 독립적으로 이동가능하다.
이 실시예는 복수의 체결 요소가 신속하게 부품에 접합되는 자동화 설비, 또는 단순한 수동 설비에 특히 적합하다. 이러한 경우에, 다음의 표면 부분은 그 뒤 사전가열되고, 동시에 접합 작업이 수행되며, 이 표면 부분은 다음의 부품이 접합 공구에 의해 들어 올려지고 이의 접착제가 가열될 때 적합한 사전가열 온도를 갖는다.
일반적으로, 본 발명에 따르는 방법은 사전가열 단계 및 주가열 단계를 위한 단일의 가열 수단으로 수행될 수 있다. 이는 예를 들어, 유도 가열 수단일 수 있다. 대안적으로 접착제를 가열하고, 표면 부분을 가열하기 위한 상호 개별적인 가열 수단을 제공할 수 있다.
체결 요소는 예를 들어, 나사 연결부 또는 플라스틱을 수용하기 위한 체결 영역(예를 들어, 나사-산 또는 스냅 클로저)을 갖는 금속 또는 열경화성 플라스틱 스터드일 수 있다. 클립 형태의 열 경화성 플라스틱 체결 요소는 예를 들어, 체결 영역(라인 또는 소형 부품을 수용하기 위한 클램핑 클로저)를 가질 수 있다.
체결 요소는 바람직하게는 접착 기저를 포함하고, 이 접착 기저 상에서 접착 면이 형성된다. 사전도포되지만 재활성화가능한 도포된 접착제가 접착 면 상에 제공된다.
사용된 접착제는 바람직하게는 열 용융가능하고 고정가능하며(경화가능함), 예를 들어, 주 구성요소로서 에폭시 수지를 갖는다.
특히, 본 발명의 방법에 따라서 유리-섬유 보강 플라스틱 부품 또는 탄소-섬유 보강 플라스틱 부품상으로 접합되는 체결 요소의 경우에, 표면 부분의 사전가열은 수분 및 이형제 잔류물이 부품으로부터 제거될 수 있어서 접착제의 실제 고정 도는 경화(최종)가 수행되기 이전에 표면의 균일한 세척 및 활성화가 접착 구역에서 수행될 수 있도록 부품으로부터 제거될 수 있는 이점을 갖는다.
전술된 특징 및 하기 설명된 것들은 각각 특정의 조합으로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 조합하여 또는 단독으로 각각 특정의 조합에 따라 적용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예가 도면에 도시되고 하기 기술 내용에서 더 구체적으로 설명된다.
도 1은 사전가열 단계에서 본 발명에 따르는 접합 기구의 실시예의 예시적인 도면.
도 2는 주 가열 단계에서 도 1의 접합 기구의 일부를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따르는 접합 기구의 접합 공구의 추가 실시예의 예시적인 사시도.
도 4는 본 발명에 따르는 접합 기구의 접합 공구의 추가 실시예의 예시적인 상면도.
도 5는 본 발명에 따르는 접합 기구의 접합 공구의 추가 실시예의 예시적인 상면도.
도 6은 사전가열 단계에서 본 발명에 따르는 접합 기구의 추가 실시예의 예시적인 도면.
도 7은 주 가열 단계에서 도 6의 접합 공구를 도시하는 도면.
도 8은 접착-결합된 체결 요소의 분리 이후 도 7의 접합 공구를 도시하는 도면.
도 9는 복수의 체결 요소를 부품에 접합하기 위하여 본 발명에 따르는 접합 기구의 추가 실시예의 예시적인 도면.
도 10은 본 발명에 따르는 체결 요소의 실시예의 예시적인 측면도.
도 11은 본 발명에 따르는 체결 요소의 추가 실시예의 예시적인 측면도.
도 12는 도 11의 체결 요소의 상면도.
도 13은 본 발명에 따르는 접합 기구의 접합 공구의 추가 실시예의 예시적인 도면.
도 1에서, 본 발명에 따르는 접합 장치가 도면부호(10)로 지시된다. 접합 장치(10)는 공지된 방식으로 적어도 하나의 암(arm, 16)을 갖는 로봇(12)을 포함한다. 게다가, 접합 장치(10)는 로봇(12)에 연결된 제어/에너지-공급 유닛(14)을 갖는다.
가요성 튜브 조합(도시되지 않음)에 의해 제어/에너지-공급 유닛(14)에 연결되는 접합 헤드(joining head, 20)는 암(16) 상에 배열된다. 접합 헤드(20)는 접합 공구(joining tool, 22)를 포함한다. 접합 공구(22)는 체결 요소(26)용 보유 장치(24)를 가지며, 이중 화살표로 예시된 바와 같이 접합 축(28)을 따라 상부에 보유된 체결 요소(26)를 이용하여 이동되도록 설계된다.
체결 요소(26)는 더 상세히 도시되지 않은 접착제 표면을 가지며, 이 표면상에 초기에 열 용융가능하고 그 이후에 열 고정가능한 접착제(30)가 도포된다.
접합 장치(10)는 접합 축(28)을 따라 체결 요소(26)를 부품(32)에 접합하도록 설계된다. 더 구체적으로, 체결 요소(26)는 부품(32)의 표면 부분(34)에 접착-결합되고, 접착제(30)의 열 용융 및 열 고정에 의해, 표면 부분(34)에 배치되는 접착 면에 의해, 및 접착제(30)의 열 고정, 또는 경화에 의해 접합된다.
접합 헤드(20)는 가열 장치(36)를 추가로 포함한다. 가열 장치(36)는 접합 공구(22) 상에 배열된 제1 가열 수단(38)을 갖는다. 제1 가열 수단(38)은 접착제(30)를 가열시키고, 용융시키며, 그 뒤 이를 고정시키도록 설계된다. 제1 가열 수단(38)은 접착제(30)를 직접 가열하도록 설계될 수 있다. 이 경우, 그러나, 접착제(30)의 가열은 열 전달(40)을 통하여 가열 수단(38)이 체결 요소(26)를 가열하는 것에 영향을 미친다. 게다가, 접착제(30)의 가열은 체결 요소(26) 내에서 열 전달(42)을 통해 수행된다. 이 경우에, 체결 요소(26)는 바람직하게는 우수한 열 전도성을 가지며, 예를 들어, 내부에 포함된 열 전도성 (금속성) 입자를 갖는 플라스틱 재료 또는 금속성 재료로 제조된다. 접합 헤드(20)는 접합 공구(22)에 인접하게 배열되는 제2 가열 수단(44)을 추가로 포함한다. 접합 공구(22)는 접합 축(28)을 따라 제2 가열 수단(44)에 대해 이동될 수 있다. 제2 가열 수단(44)은 열 전달(46)을 통하여 표면 부분(34)을 가열시키도록 설계된다. 게다가, 접합 헤드(20)는 제2 가열 수단(44)과 함께 하우징(50) 내에 배열되는 제어 장치(48)를 포함한다. 접합 공구(22)는 접합 축(28)을 따라 하우징(50)에 대해 이동될 수 있다. 도면에는 접합 공구(22)와 하우징(50) 사이에서 상대적인 움직임 능(relative movement capability)을 나타내기 위한 분리 선(parting line, 52)이 도시된다. 이에 대안으로서, 그러나 제2 가열 수단(44)은 또한 접합 공구(22)와 함께 이동할 수 있다.
접합 장치(10)에 의해 접합 공정이 하기와 같이 수행될 수 있다. 접합 헤드(20)는 체결 요소(26)가 표면 부분(34)의 영역에 배열되고 표면 부분(34)이 가열될 수 있도록 제2 가열 수단(44)이 배치되는 영역으로 로봇(12)에 의해 우선적으로 이동된다. 그 뒤, 제1 가열 수단(38)은 예를 들어, 100 °C 초과 및 200 °C 미만일 수 있는 제1 온도(T1)로 접착제(30)를 가열하기 위하여 켜진다(switch on)(또는 이미 켜져 있다). 게다가, 이와 중첩하여 또는 동시에, 제2 가열 수단(44)은 표면 부분(34)을 가열하기 위하여 켜지며, 바람직하게는, 이는 제1 온도(T1)와 대략 동일한 제2 온도(T2)로 된다. 그 뒤, 접합 공구(22)는 가열로 인해 점성을 갖는 접착제(30)가 사전-가열된 표면 부분(34)에 도포되도록 접합 축(28)을 따라 표면 부분(34)으로 하강된다. 제2 가열 수단(44)은 그 뒤, 꺼지거나 또는 바로 전에 꺼진다. 체결 요소(26)는 체결 요소(26)의 접착 면이 표면 부분(34)으로부터 다소 이격되는 위치에 보유된다. 그러나, 위치는 점성 접착제(30)가 특정 정도로 외측을 향해 반경방향으로 이동하여 비드(53)가 도 2에 도시된 바와 같이 체결 요소(26)의 외측 주위에 형성되도록 선택된다. 이 상태에서, 제1 가열 수단(38)은 제1 온도(T1) 또는 제2 온도(T2)와 동일할 수 있지만 바람직하게는 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2)보다 높은 제3 온도(T3)로 접착제(30)를 가열하도록 작동된다. 제3 온도(T3)는 예를 들어, 150 °C 초과, 및 원하는 경우 200 °C를 초과할 수 있다. 접착제(30)를 제3 온도(T3)로 가열함에 따라 접착제(30)는 경화되고 이상적으로 완벽히 경화되며, 이로 인해 접착제가 완전히 고정되고 이의 실질적으로 완전한 접착 강도가 획득된다.
접합 공구(22)는 그 뒤 재차 후방으로 이동하고, 보유 장치(24)는 부품(32) 상에서 접합되는 체결 요소(26)를 분리시킨다. 그 뒤, 추가 표면 부분(34)에 접합되는 추가 체결 요소(26)는 보유 장치(24)에 의해 들어올려 질 수 있다. 원하는 경우, 제2 가열 수단(44)이 꺼진 이후에 접착제(30)를 냉각하는 것이 선호될 수 있다(예를 들어, 냉각 공기에 의해). 원하는 경우, 또한 새롭게 들어올려 진 체결 요소(26)가 개시로부터 과도하게 과열되지 않도록 보유 장치(24)를 냉각시키는 것이 선호될 수 있다.
접합 기구, 접합 공구 및 이에 따라 수행되는 접합 방법의 추가 실시예가 하기에서 설명된다. 이 실시예는 일반적으로 도 1 및 도 2를 참조하여 기재된 접합 기구(10)에 대한 구조 및 기능을 기반으로 한다. 따라서, 동일한 요소는 동일한 도면부호로 지칭된다. 실질적으로, 차이가 하기에서 설명된다.
도 3은 접합 헤드(20)의 추가 실시예를 도시한다. 접합 헤드(20)는 공압식 수단(54)을 포함하고, 공압식 수단에 의해 예를 들어, 접합 축(28)을 따라 접합 공구의 움직임이 생성되며, 접합 움직임이 56으로 도시된다.
게다가, 접합 공구(22) 및 제2 가열 수단(44)은 적어도 2개의 교번 위치들 사이에서 하우징(50)에 대해 이동가능하며, 이는 재차 공압식 수단(54)에 의해 생성된다. 따라서, 예를 들어, 우선 제2 가열 수단이 표면 부분(34)을 사전가열하기 위하여 표면 부분(34) 위에 직접 배치될 수 있다. 그 뒤, 제2 가열 수단(44)과 접합 공구(22)의 위치는 접합 공구(22)가 그 뒤에 표면 부분(34) 위에 직접 배치되도록 "상호호환적"일 수 있다. 이들 교번 움직임은 60으로 도시된 바와 같이 회전 움직임을 통하여 또는 58로 도시된 바와 같이 하우징(50)에 대해 선형으로 수행될 수 있다.
추가로, 하우징(50) 상에는 제어 장치(48)가 제공될 뿐만 아니라 접합 헤드(20)를 로봇(12)의 암(16)에 부착하기 위한 로봇 도크(robot dock, 62)가 제공된다. 따라서, 접합 헤드(20)는 가요성 튜브 조합을 위한 커넥터(64)를 갖는다. 가요성 튜브 조합은 예를 들어, 공압식 수단(54)을 위한 압축된 공기와 또한 가열 수단(38, 44, 등)을 작동시키기 위한 전기적 에너지를 공급하기 위해 사용된다.
이러한 접합 헤드(20)는 도 4의 예시적인 상면도에 도시되고, 이 도면에서 선형 교번 움직임(58)으로 제2 가열 수단(44)과 접합 공구(22)가 하우징(50)에 대해 이동될 수 있는 것으로 도시된다. 접합 헤드(20)가 도 2에서 대응되는 방식으로 도시되며, 제2 가열 수단(44)과 접합 공구(22)는 예시된 회전 교번 움직임(60)으로 도시된 바와 같이 공통 회전 축 주위에서 회전할 수 있다.
도 6 내지 도 8에는 추가 접합 헤드(20)가 도시되며, 여기서 제1 가열 수단(38)과 제2 가열 수단(44)은 공통 가열 장치(36)로서 구성된다.
가열 장치(36)는 전자기 코일(72)을 가지며, 가성 연성 재료로 제조된 U-형태의 필드 쉐이퍼(field shaper, 70)를 갖는, 유도 가열 장치(68)이다. 필드 쉐이퍼(70)는 접합 축(28)에 대해 가로방향으로 연장되는 중간 부분(74)을 갖는다. 중간 부분(74)에는 개구(76)가 형성되며, 이 개구를 통하여 보유 장치(24)가 접합 축(28)을 따라 유도 가열 장치(68)에 대해 이동될 수 있도록 보유 장치(24)가 신장된다. 제1 U-림(U-limb, 78)과 제2 U-림(80)은 중간 부분(74)의 단부에 배열된다. U-림(78, 80)의 단부는 부품(32) 상으로 배치되도록 설계된다. 이 경우, 보유 장치(24)는 우선 체결 요소(26)가 표면 부분(34)으로부터 이격되는 이러한 위치에 배치된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 우선, 코일(72)에 제1 전류가 공급되는, 사전-가열 단계는 수행될 수 있다. 코일(72)을 통하여 흐르는 전류는 자성 회로(magnetic circuit, 82)(도 6 및 도 7에서 어둡거나 또는 필드 라인으로 예시됨)를 생성한다. 자속은 자계선(magnetic field line)이 U-림(78)들 중 하나의 U-림으로부터 발생되도록 필드 쉐이퍼(70)를 통과한다. 그 뒤, 자계선은 체결 요소(26) 또는 이에 부착된 접착제(30)를 침투하는 제1 필드 라인(field line, 84)으로 분할되고, 부품(32)으로 들어가는 제2 필드 라인(86)으로 분할된다. 제2 필드 라인(86)은 제2 U-림(80)의 단부까지 부품(32)을 통하여 연장된다. 게다가, 제3 필드 라인(88)은 체결 요소(26) 또는 접착제(30)의 반경방향으로 마주보는 단부로부터 제2 U-림(80)으로 연장되며, 이에 따라 자성 회로(82)는 폐쇄된다.
이 방식으로, 제1 온도(T1)로의 접착제(30)의 사전-가열과 제2 온도(T2)로의 부품(32)의 표면 부분(34)의 사전가열은 코일(72)이 여자됨으로써 구현될 수 있다.
보유 장치(24)는 그 뒤, 체결 요소(26)가 부품(32) 상으로 하강되도록 도 7에 도시된 바와 같이 하강된다. 그 뒤, 코일(72)은 필요 시에 전류가 증가된 상태에서 지속적으로 여자된다. 그 결과, 제4 필드 라인(89)은 체결 요소(26), 또는 접착제(30)에 의해, U-림의 단부로부터 표면 부분(34)을 통하여 그 외의 다른 U-림(80)으로 통한다. 그 결과, 접착제(30)는 제3 온도(T3)로 가열되어 접착제의 완벽한 경화가 수행된다.
그 뒤, 보유 장치(24)는 접합 방향과는 대조적으로 체결 요소(26)로부터 분리 및 제거되며, 그 이후에 도 8에 도시된 바와 같이, 유도 가열 장치(68)가 또한 부품(32)으로부터 들어올려 질 수 있다. 전술된 접합 헤드(20)는 로봇(12), 또는 수동 접합 장치와 조합하여 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 실시예의 경우에, 제1 체결 요소(26A)는 제1 표면 부분(34A)에 접합되고, 제2 체결 요소(26B)는 그 뒤 제2 표면 부분(34B)에 접합된다.
이 실시예의 경우에, 접합 공구(22)와 제2 가열 수단(44)은 서로 독립적이다. 도 9의 예시는 제1 표면 부분(34A)이 적합한 온도(T2)로 이미 가열된 상태를 기반으로 한다. 그 뒤, 제1 단계(S1)에서, 제2 가열 수단(44)은 제2 표면 위치(34B)로 이동된다. 그 뒤, 제2 단계(S2)에서, 필요에 따라 이미 사전-가열되는 제1 체결 요소(26A)를 포함하는 접합 공구(22)는 제1 표면 부분(34)을 향하여 이동한다. 그 뒤, 제2 표면 부분(34B)은 사전-가열되고, 실질적으로 이와 동시에 제1 체결 요소(26A)는 제1 표면 부분(34A)에 접합된다. 후속 단계(S3)에서, 제2 가열 수단(44)은 그 뒤 제2 표면 부분(34B)(예를 들어, 제3 표면 부분에 대해)으로부터 이격되도록 이동된다.
그 뒤, 접합 헤드(22)는 제2 체결 요소(26B)를 이동시키고(단계 S4), 단계(S5)로 예시된 바와 같이 제2 표면 부분(34B)을 향하여 이동된다. 전체 순서는 바람직하게는 접합 공구(22) 및 제2 가열 수단 모두의 움직임을 제거하는 제어 장치(48)에 의해 자동화된 방식으로 수행된다.
상이한 유형의 체결 요소(26)가 도 10 내지 도 12에 도시된다. 도 10에는 기저 몸체(100) 및 이에 대해 이동가능한 커버(102)를 갖는 플라스틱 클립으로 구성되는 체결 요소(26')가 도시된다. 커버(102)가 폐쇄될 때, 전기 선, 브레이크 라인 등과 같은 물품을 수용하기 위한 하나 이상의 수용부(receiver, 104)가 체결 요소(26') 내에 형성된다. 기저 몸체(100)의 하측면에는 접착 면(109)이 형성되고, 이 접착 면으로 초기에 열 용융가능하고 그 뒤 열 고정가능한 접착제(30)가 도포된다. 체결 요소(26')는 플라스틱으로부터 제조될 수 있다. 이 경우, 접착제(30)는 예를 들어, IR 방사선, 고온 공기 등에 의해 직접 가열된다. 그러나, 체결 요소(26')는 또한 적어도 기저 몸체(100) 내에 금속 입자를 포함할 수 있으며, 이 경우, 접착제(30)의 유도 가열이 기저 몸체(100)에 의해 직접 수행될 수 있다.
도 11 및 도 12에는 플랜지 부분(108)을 가지며, 생크 부분(106)(예를 들어, 나사 산이 제공될 수 있음)을 갖는, 스터드와 같이 구성된, 체결 요소(26")의 추가 실시예가 도시된다. 접착 면(109)은 플랜지 부분(108)의 하측부에 형성된다. 복수의 이격된 돌출부(110)가 접착 면(109) 상에 제공된다. 이격된 돌출부(110)는 상대적으로 간단한 방식으로 최종 접합 위치를 배열하기 위해 사전정해진 힘으로 표면 부분(34)에 대해 체결 요소(26")를 압축할 수 있도록 표면 부분(34)과 접착 면(109) 사이에 간격을 형성한다. 값들이 도 11에서 대략 동일한 치수를 갖는 것으로 도시되지만, 이격된 돌출부(110)의 축방향 길이는 바람직하게는 접착 면(109)에 가해진 접착제(30)의 두께보다 얇다.
상승부(112)는 플랜지 부분(108)의 상측부에 형성된다. 상승부(112)는 제1 가열 수단(38)을 구성하는 유도 가열 장치를 이격시키기 위해 제공된다. 그러나, 이들은 또한 접착제가 도 11에서의 30a에 도시된 바와 같이 체결 요소의 생크(106)를 향하는 접착 플랜지의 측면에 도포되는 경우 접착 구역의 두께를 형성하는데 사용될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 체결 요소(26")는 바람직하게 3개의 이격된 돌출부(110) 및 대응하는 개수의 상승부(112)를 갖는다.
체결 요소(26")는 예를 들어, 금속으로 제조될 수 있지만, 이에 도포된 접착제(30)를 직접 가열할 수 있도록 내부에 매립된 금속 입자를 갖는 열경화성 플라스틱으로부터 형성될 수 있다.
도 13에 도시된 접합 유닛(91)은 도 1 내지 도 8에 도시된 접합 기구들 중 하나 내에 통합을 위해 사용될 수 있고, 제1 가열 수단(38) 및 보유 장치(24)를 구성한다.
접합 유닛(91)은 축방향 관통-개구(116)를 갖는 슬리브-유형의 필드 쉐이퍼(70)를 포함한다. 체결 요소(예를 들어, 도 11 및 도 12의 체결 요소(26"))를 보유하기 위해 관통-개구(116)에 진공(118)이 인가될 수 있다. 이 경우, 생크 부분은 관통-개구(116) 내로 연장되고, 이의 직경은 생크 부분의 직경에 적합해진다.
필드 쉐이퍼(70)는 그 뒤 상승부(112) 상에 배열된다. 코일(72)은 필드 쉐이퍼(70) 주위에 배열된다. 코일(72)이 여자될 때, 자성 회로가 형성되고, 여기서 필드 라인은 필드 쉐이퍼(70)의 축방향 단부로부터 축방향으로 생성된다. 필드 라인은 체결 요소(26")의 플랜지 부분(108)으로 유입되어 이를 가열하고, 이에 따라 이의 하측부에 도포된 접착제(30)를 간접적으로 가열시킨다. 체결 요소(26")가 표면 부분(34) 상에 배치된 후, 코일(72)의 전류 강도는 증가될 수 있어서 접착제(30)가 제3 온도로 가열된다.
120에서, 온도 센서는 필드 쉐이퍼(70)의 하측 단부에 제공될 수 있는 것으로 도시되며, 이 센서는 생크 부분(108) 내에서의 온도를 측정하기 위하여 사용될 수 있다.
온도 센서(120)의 대응하는 전기적 연결이 필드 쉐이퍼(70) 내에서 축방향 채널(122)에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 이에 대안으로서, 온도 센서(120)는 또한 코일(72)에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는 광학 신호만이 채널(122)에 의해 전송되도록 광학 유형일 수 있다.
상승부(112)에 의해, 필드 쉐이퍼(70)는 플랜지 부분(108)의 상측부에 부착되는 것이 방지될 수 있다.

Claims (16)

  1. 체결 요소(26)는 열 용융가능하고 열 고정가능한 접착제(30)가 도포되는 접착 면(109)을 가지며 부품(32)의 표면 부분(34)에 체결 요소(26)를 접합하기 위한 방법으로서,
    -접착제를 용융하기 위해 제1 온도(T1)로 접착제(30)를 사전가열하는 단계;
    -제2 온도(T2)로 표면 부분(34)을 사전가열하는 단계; 및
    -표면 부분(34) 상에 접착 면(109)을 배치하는 단계를 포함하고;
    접착제(30)는 접착 면(109)이 표면 부분(34)에 배치된 후 접착제를 고정하여 체결 요소(26)를 부품(32)에 영구 고정시키기 위해 제3 온도(T3)로 주 가열되고, 접착제(30)의 사전가열 단계와 표면 부분(34)의 사전가열 단계가 수행되는 시간이 중첩(overlap)되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제3 온도(T3)는 제1 온도(T1)와 동일하거나, 또는 이보다 높은 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접착제(30)의 사전가열 또는 접착제(30)의 주 가열은 체결 요소(26)의 가열을 포함하고, 체결 요소(26)로부터 접착제(30)로 열 전도(42)가 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 체결 요소(26)의 가열 또는 부품(32)의 사전가열은 유도 가열을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 부품(32)의 사전가열은 열 대류 또는 열 복사에 의한 가열을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 체결 요소(26)는 사전가열에 앞서 부품(32)에 대해 소정의 공간 위치로 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 표면 부분(34)의 사전가열 및 표면 부분(34) 상으로의 사전가열된 접착 면(109)의 배치는 이러한 배치가 표면 부분(34)의 사전가열이 완료된 후 소정의 기간 내에만 수행되도록 제어를 통해 연계되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 하나 이상의 제1 및 하나의 제2 체결 요소(26A, 26B)는 제1 및 제2 표면 부분(34A, 34B) 상에 각각 접합되고, 제1 체결 요소(26A)의 주 가열 및 제2 표면 부분(34B)의 사전가열은 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 따르는 방법에 따라서, 부품(32)의 표면 부분(34)에 체결 요소(26)를 접합하기 위한 접합 설비(10)로서,
    체결 요소(26)는 열 용융가능하고 열 고정가능한 접착제(30)가 도포되는 접착 면(109)을 가지며,
    -체결 요소(26)를 보유하기 위한 보유 장치(24)를 포함하고, 보유 장치(24)는 접합 축(28)을 따라 이동하도록 설계되며,
    -접착제(30) 및 표면 부분(34)을 가열하도록 설계되는 하나 이상의 가열 장치(36, 38, 44)를 포함하고,
    -제어 장치(48)를 포함하고, 제어 장치(48)는 접착제(30)가 사전가열되는 하나 이상의 가열 장치(36, 38, 44)를 제어하도록 설계되며, 보유 장치(24)는 그 뒤 체결 요소(26)를 표면 부분(34)에 배치하기 위해 부품(32) 상으로 이동되고, 최종적으로 하나 이상의 가열 장치(36, 38, 44)는 표면 부분(34)과 체결 요소(26) 사이의 접착제(30)가 이 접착제를 고정하기 위해 가열되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 접합 설비.
  10. 제9항에 있어서, 가열 장치(36, 38, 44)는 접착제(30)를 가열하기 위한 제1 가열 수단(38)을 가지며, 표면 부분(32)을 가열하기 위한 제2 가열 수단(44)을 가지며, 제1 가열 수단(38)과 보유 장치(24)는 접합 공구(22)의 하우징(50) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 접합 설비.
  11. 제10항에 있어서, 제2 가열 수단(44)은 또한 접합 공구(22)의 하우징(50) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 접합 설비.
  12. 제11항에 있어서, 보유 장치(24), 제1 가열 수단(38) 또는 제2 가열 수단(44)으로 구성되는 유닛은 접합 공구(22) 상에서 이동가능한 것을 특징으로 하는 접합 설비.
  13. 제12항에 있어서, 보유 장치(24), 제1 가열 수단(38) 및 제2 가열 수단(44)으로 구성되는 유닛은 서로 독립적으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 접합 설비.
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