KR101818293B1 - 코팅된 열가소성 구성요소들을 연결하기 위한 방법 및 플라스틱 구성요소 - Google Patents

코팅된 열가소성 구성요소들을 연결하기 위한 방법 및 플라스틱 구성요소 Download PDF

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KR101818293B1
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하이네르 잘츠만
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마그나 익스테리어즈 게엠베하
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Abstract

대향하는 표면이 에너지의 도입에 의해 적어도 부분적으로 용융되는 두 개의 열가소성 구성요소를 연결하는 방법이 제시된다.

Description

코팅된 열가소성 구성요소들을 연결하기 위한 방법 및 플라스틱 구성요소{METHOD FOR CONNECTING THERMOPLASTIC, COATED COMPONENTS AND PLASTIC COMPONENT}
본 발명은 두 구성요소의 대향하는 표면이 에너지의 도입에 의해 적어도 부분적으로 용융되어 두 개의 열가소성 구성요소를 연결하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 방법의 수단에 의해 연결되는 플라스틱 구성요소에 관한 것이다.
폴리머 재질 구성요소의 용접이 공지된 지는 오래되었다. 이는 복잡한 조립형 구조물이 개별 구성요소로부터 구축될 수 있도록 한다. 용접은 예컨대 자동차용 구성요소의 제조에 사용된다. 이 경우, 큰 치수의 구성요소, 예컨대 폴리머 재료로 제조되는 범퍼 클래딩이나, 외피를 형성하는 각각의 시트형 부품과 예컨대 보강 역할을 하는 구조적 요소로 제조되는 흙받이가 용접에 의해 접합된다. 구조적 요소는 외피를 형성하는 구성요소를 성형, 보강 및 체결하기 위한 용도로도 사용된다. 여기에서, 상기 구성요소의 치수 정확도 및 외양과 관련하여 매우 엄격한 요건이 설정된다. 용접은 일반적으로 "용접 돔(welding dome)", 즉 한 부품 상에 배열되고 제2 구성요소의 대응하는 개구를 통과하여 이 상태에서 초음파 용접 또는 초음파 리벳팅(riveting)에 의한 리벳팅 작용에 의해, 예컨대 연화 상태에서의 형상 변화를 통해 제2 구성요소를 연결시키는 러그에 의해 이루어진다. 그러나, 진동 용접, 회전 용접, 또는 역시 열 또는 방사선의 작용을 이용하는 용접과 같은 용접 기술도 있다. 이런 맥락에서, DE 202005013901은 개개의 리지(ridge)를 용접하는 방법을 개시한다. 그러나, 공지된 용접 방법은 코팅된 구성요소를 연결해야 하는 경우에 항상 문제가 발생했다.
적어도 부분적으로 코팅된 외측 쉘을 내측 쉘에 연결하기 위한 방안으로서, 종래 기술에서는 점착 접합(adhesive bonding)이 선택되지만, 이 역시 일반적으로 구성요소 표면의 전처리가 필요하다. 또한, 점착제는 낮은 강도 및 강성만을 가질 수 있기 때문에, 점착 접합부는 구성요소의 강성도가 취약한 부분에 해당하며, 그 결과 접합부가 점착 접합 지점에서 기계적으로 손상을 입게 된다.
PP, 즉 폴리프로필렌 또는 폴리프로펜이 차량의 제작에 광범위하게 사용된다. 특히 차량의 내부 트림(internal trim)은 물론 테일게이트 및 도어와 같은 대면적 구조물이 해당 플라스틱으로 제조된다.
예컨대, 고온 요소(hot element) 용접, 초음파 용접 또는 레이저 용접과 같은 여러 용접 방법이 PP 용접에 이용 가능하다. 이들 용접 방법은 용접 구역이 외부로부터의 에너지 공급에 의해 연화한다는 원리, 즉 성형될 수 있는 상태로 변환된다는 원리에 기초하는데, 이는 가열과 접합이 동시에 이루어지지 않기 때문에 여러 단계를 거치는 방법이다. 해당 방법에서는 플라스틱 부품의 연결점들이 융점에 도달할 때까지 가열 요소에 의해 가열되는 것을 예정한다. 이어서 연결점들은 서로에 대해 가압되고 완전히 냉각될 때까지 함께 압착된다.
본 발명의 목적은 적어도 부분적으로, 그리고 배면의 연결 영역에서도 코팅된 구성요소를 연결하는 방법을 제공하는 것이다.
본 목적은 청구항 제1항의 특징에 의해 달성된다. 상세하게는, 본 목적은 두 개의 열가소성 플라스틱 구성요소를 연결하는 방법으로서, 두 구성요소의 대향하는 표면이 에너지의 도입에 의해 적어도 부분적으로 용융되는 방법에 의해 달성된다. 이 경우, 두 플라스틱 구성요소 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 코팅을 갖되, 연결점 및/또는 연결면은 적어도 부분적으로 코팅된 표면 뒤에 위치하여 연결 공정 후에 연결 흔적이 코팅을 통해 드러나지 않는다. 본 발명에 따른 방법은 열가소성 플라스틱을 사용할 수 있고 코팅된 표면의 외관을 해치지 않는다는 장점을 가진다.
또한, 유리하게는 플라스틱 구성요소의 재료로서 폴리프로필렌을 사용할 수 있다. 정확한 용접부를 생성하기 위해, 제1 단계에서 기계 공구의 공구부들이 함께 이동되고 보정된다. 이를 위해, 공구부들이 서로를 향해 이동되고, 이로써 삽입된 플라스틱 구성요소들이 최적으로 정렬된다. 비교적 대형인 구성요소의 양호한 용접을 위해, 유리하게는 가열 장치는 적어도 하나의 프레임형 가열 구역을 가진다. 또한, 유리하게는 가열 장치는 양측 방사 평면 상에 가열 구역을 가지며 가열 구역은 서로 별도로 제어될 수 있다. 또한, 유리하게는 각각의 방사 평면 상의 가열 구역은 그 작동 중에 별도로 제어된다.
또한, 코팅에 대한 영향을 최소화하기 위해 유리하게는 연결 지점 뒤에 코팅을 갖는 플라스틱 구성요소를 가열하는 가열 구역은 비코팅 영역에 비해 저감된 에너지 입력을 생성한다. 또한, 유리하게는 가열 구역은 폐쇄형 프레임 구조를 형성한다. 가열 구역이 연결 대상 구성요소의 가장자리로부터 가장자리 간격(a)만큼 이격되어 배열되는 것이 유리하다.
코팅을 갖는 구성요소로의 열 입력은 입력 폭(b)에 걸쳐 일어난다. 여기서, 입력 폭은 구성요소로의 열 분배가 완만하게 일어나도록 선택되는 것이 유리하다.
또한, 유리하게는 코팅을 갖는 구성요소에 대한 열 입력의 침투 깊이는 구성요소의 두께(z)의 1/2 이하 또는 2/3 이하인 것이 유리하다. 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 플라스틱 구성요소는 유리하게는 연결점 및/또는 연결면에서도 원재료의 강성을 보존한다.
유리한 실시예는 자동차의 후방 도어를 형성하는 플라스틱 구성요소이다. 또한, 이 경우에는 보강 요소가 구성요소 중 적어도 하나에 삽입되는 것이 유리하다.
도 1은 후방 도어의 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2는 구성요소를 연결하기 위한 기계의 개략도를 도시한다.
도 3은 가열 장치의 평면도를 도시한다.
도 4는 가열 장치와 열 분포의 상세도를 도시한다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 예로서 설명한다.
도 1은 두 개의 대면적 구성요소, 즉 외측 쉘(1)과 내측 쉘(2)로 구성되는 자동차의 후방 도어를 예시한다. 두 쉘(1, 2)은 후방 창의 삽입을 위해 마련되는 절개부(11)를 가진다. 힌지(12)용 돌출부가 외측 쉘의 상부 바아와 내측 쉘 상에 마련된다. 도면에서, 외측 쉘(1)은 그 외피가 도시되어 있다. 외피는 코팅(3)을 가진다. 구체예에서, 코팅은 절개부(11) 하부에 위치하는 외측 쉘(1)의 하부 영역을 덮는다. 이 단순화된 도면에서, 후방 창을 위한 절개부(11)를 구축하는 바아는 도시되어 있지 않다. 이들 측면 바아와 상부 바아도 코팅될 수 있다. 자동차 제조업체의 요건에 따라, 코팅되는 영역은 상이한 방식으로 배열된다. 예로 든 자동차 후방 도어의 경우, 제2 플라스틱 구성요소, 즉 내측 쉘(2)은 일반적으로 코팅되지 않는다. 내측 쉘(2)의 모습은 그 내면을 보여주는데, 해당 내면은 구성요소의 연결 후에는 더 이상 보이지 않는다. 예컨대, 보강 프레임으로서 절개부(11)를 둘러싸는 프레임(4)이 도 1에 도시되어 있다. 이런 종류의 보강 프레임은 폐쇄형 프레임으로 구성되거나, 아니면 대안으로서 U자 형태의 개방형 프레임으로 구성될 수 있다. 보강 프레임, 또는 대안으로서 개개의 보강 요소들이 내측 쉘(2)에 마련된 리세스에 삽입된다. 연결 공정 후에, 보강 요소는 두 구성요소 사이의 클램핑 작용에 의해 유지된다. 플라스틱 구성요소가 역시 보강 요소로서 사용되어 관형 구조물로서 내측 쉘(2)에 삽입되는 경우, 이들 플라스틱 구성요소는 시트형 구성요소의 연결과 동시에 용접될 수 있다. 물론 역순으로 제작하는 것도 가능한데, 이 경우 보강 요소는 구성요소가 연결되기 전에 외측 쉘에 배열된다.
도 2는 공구 상부(5)와 공구 하부(6)을 갖는 기계를 개략적으로 보여준다. 이들 사이에는 도면에서는 공구부들로부터 측방으로 거리를 두고 배열되어 있는 가열 장치(7)가 배열된다. 외측 쉘(1)은 공구 상부(5)에 배치된다. 이는 진공 흡착에 의해 이루어지며, 코팅(3)은 공구 상부(5)의 방향으로 접촉한다. 내측 쉘(2)은 공구 하부(6)에 배치된다. 두 구성요소가 기계 공구에 배열되면, 두 공구부는 서로를 향해 이동한다. 일반적으로, 공구 하부는 고정식으로 배열되고 공구 상부가 공구 하부를 향해 수직 방향으로 이동하게 된다. 제1 단계에서, 공구부들은 실제 용접 공정 전에 플라스틱 구성요소의 상호 정렬을 최적화하고 정렬을 보정하기 위해 함께 이동된다. 보정이 완료되면, 공구 상부(5)가 다시 상향으로 이격 이동되고, 가열 장치(7)가 공구부들 사이로 수평으로 밀어 넣어진다. 가열 장치(7)는 두 개의 방사 평면, 즉 상부 방사 평면(7a)과 하부 방사 평면(7b)을 가진다. 이 예시된 실시예에서, 두 방사 평면(7a, 7b)은 서로 열적으로 분리되어 있고 별도로 제어될 수 있다. 가열 장치는 열원이 플라스틱 구성요소와 직접 접촉하지 않고 플라스틱 구성요소로의 에너지 입력만 일어나도록 공구부들로 둘러싸인다.
여기서, 외측 쉘(2)로의 열 에너지의 방사 정도는 내측 쉘(1)에 비해 낮을 것이다. 이는 용접 작업에 의해 코팅이 손상되어서는 안 된다는 점을 감안한 것이다.
소정 시간이 경과한 후에는, 가열 장치가 다시 공구부들 사이에서 제거되고, 이어서 공구부들이 즉각 폐쇄된다. 외측 쉘과 내측 쉘이 에너지의 도입에 의해 소정의 지점에서 융융되었기 때문에, 용융된 연결점들은 약간의 압력 하에서 서로 연결되고 냉각된다. 본 공정 중에, 압력은 재료가 부러지는 것을 방지하고 응력이 표면, 특히 코팅된 표면에 발생하는 것을 방지하기 위해 지나치게 높아서는 안 된다.
방사 평면(7a)의 평면도가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 본 구체예에서, 가열 장치(7)는 주연 프레임으로서 구성된 가열 구역(9)을 지닌다. 외측 쉘(1)의 구성요소의 외측 치수는 파선 윤곽(8)으로 표시되어 있다. 가열 구역은 구성요소의 가장자리 내부에 있다는 것을 알 수 있다. 본 구체예에서, 가열 구역(9)은 두께가 균일한 스트립으로서 구성된다. 대안 실시예에서는, 상이한 불연속적인 영역들을 사용하는 것도 가능한데, 이로써 개개의 영역들에 대한 별도 제어가 간단해진다. 열 분포는 가열 구역의 단면을 저감함으로써 영향을 받는다.
도 4는 가열 장치(7)와 내측 쉘(2)의 일부를 보여준다. 가열 장치는 입력 폭(b)에 걸쳐 영향을 미치는 가열 구역(9)을 포함한다. 폭(b)에 대한 열 방사의 함수가 상부 그래프에 예시되어 있다. 이는 열 입력이 최고점으로부터 영향을 받지 않는 영역으로 완만하게 전이되도록 하는 극한값을 갖는 가우스 분포이다. 방사 출력이 낮은 실선(10)은 코팅 때문에 지나치게 심하게 용융되어서는 안 되는 외측 쉘(1)로의 에너지 입력을 나타낸다. 파선(10')은 내측 쉘(2)로의 열 입력을 나타낸다. 여기서 최적 반치 도달 시간은 b/2이다.
하부 그래프는 내측 쉘과 외측 쉘의 두께에 대한 에너지 입력을 나타낸다. 여기에서도, 실선(11)은 코팅된 외측 쉘로의 에너지 입력을 나타내며, 파선으로 도시되어 있는 내측 쉘에 대한 에너지 입력은 보다 큰 침투 깊이에까지 미친다. 도면에 근거하면, 분명히 용접은 외측이 코팅되는 외측 쉘의 내면의 영역에서도 수행된다. 이는 연결 지점 및/또는 연결 표면이 적어도 부분적으로 코팅된 표면 뒤에 있다는 의미이기도 하다.
두 구성요소의 최적 용융 조건은 에너지 출력, 침투 깊이, 입력 폭 및 시간과 같은 다양한 파라미터를 설정함으로써 결정된다. 여기서, 구성요소로의 상이한 에너지 입력이 존재하기 때문에 용융은 비대칭적이다. 이 경우, 가열 구역의 배열은 용접된 접합부의 기능적 요건을 따른다. 후방 도어의 경우에, 두 쉘은 주연부를 따라 서로 용접된다. 이 경우, 가장자리로부터의 간격(a)이 선택된다. 가장자리 간격(a)은 가장자리에는 직접적으로 에너지 입력이 존재하지 않고 구성요소가 비틀리지 않도록 보장하기 위해 수 밀리미터이어야 한다.
구성요소의 쉘에 상이한 재료로 구성된, 보강 요소와 같은 삽입체가 존재하는 경우에는 열 도입에 대한 파라미터가 변경되어야 한다.
여기서 플라스틱 요소를 포함하는 보강재는 특별한 경우이다. 이들 플라스틱 요소가 두 쉘의 용접 중에 역시 용접되어야 하는 경우에는, 재료에 대한 에너지 출력 지점이 증가하여야 한다.
1: 외측 쉘
2: 내측 쉘
3: 코팅
4: 프레임
5: 공구 상부
6: 공구 하부
7: 가열 장치
7a: 상부 방사 평면
7b: 하부 방사 평면
8: 윤곽 구성요소
9: 가열 구역
10, 10': 수평 열 분포
11, 11': 수직 열 분포
12: 힌지
a: 가장자리 간격
b: 입력 폭
z: 두께

Claims (15)

  1. 2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법으로서, 열가소성 구성요소의 대향 표면들이 에너지의 도입에 의해 부분적으로 용융되는, 2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법에 있어서,
    2개의 열가소성 구성요소 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 코팅을 가지며, 연결점 및/또는 연결면은 부분적으로 코팅면 뒤에 위치하여 연결 공정 후에 연결 흔적이 코팅을 통해 드러나지 않으며,
    2개의 열가소성 구성요소는 공구 상부와 공구 하부에 배치되고, 이어서 가열 장치(7)가 공구부들 사이로 이동하고, 가열 장치(7)는 2개의 열가소성 구성요소와 직접 접촉하지 않은 상태에서 충분한 에너지가 도입되어 2개의 열가소성 구성요소의 대향 표면들을 부분적으로 용융시킨 후, 공구부가 폐쇄되어 열가소성 구성요소가 서로 접합되도록 가열 장치(7)가 퇴거(move out)되고,
    가열 장치(7)는 적어도 하나의 프레임형 가열 구역(9)을 가지며,
    연결점 후방에 코팅을 갖는 열가소성 구성요소를 가열하는 가열 구역은 비코팅 영역에 비해 저감된 에너지 입력을 생성하고,
    2개의 열가소성 구성요소는 자동차 후방 도어의 내측 쉘과 외측 쉘인 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 열 가소성 구성요소는 폴리프로필렌 또는 그의 유도체로 구성되는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서, 가열 장치가 공구부들 사이로 이동하기 전에 공구부들은 함께 이동되고 보정되는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서, 가열 장치(7)는 열가소성 구성요소의 대향측에 위치한 양면에 가열 구역을 가지는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  6. 제2항에 있어서, 가열 장치(7)는 방사 평면(7a, 7b)의 2개의 가열 구역을 별도로 활성화시키는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 방사 평면(7a, 7b) 상의 가열 구역은 그 작동 중에 별도로 제어되는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  9. 제1항에 있어서, 가열 구역은 폐쇄형 프레임 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  10. 제1항에 있어서, 가열 구역(9)은 연결 대상 구성요소의 가장자리로부터 가장자리 간격(a)만큼 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  11. 제1항에 있어서, 코팅을 갖는 구성요소로의 열 입력은 입력 폭(b)에 걸쳐 일어나는 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  12. 제1항에 있어서, 코팅을 갖는 구성요소에 대한 열 입력의 침투 깊이는 구성요소의 두께(z)의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는
    2개의 열가소성 구성요소를 연결하기 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제3항, 제5항, 제6항, 및 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따른 열가소성 구성요소에 있어서,
    연결점 및/또는 연결면이 열가소성 구성요소의 강성을 보존하는 것을 특징으로 하는 열가소성 구성요소.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서, 보강 요소가 구성요소 중 적어도 하나에 삽입되는 것을 특징으로 하는 열가소성 구성요소.
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