KR102191809B1 - 라미네이트 제조 방법, 에너지 흡수 장치, 에너지 흡수 장치 조성물 및 성형 도구 - Google Patents

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크레이그 로렌스 밀른
그레고리 이. 트럼블리
다넨드라 쿠마르 내그완쉬
소마세카르 보바
아루나찰라 파라메쉬와라
매튜 디. 막스
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사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

일 구현예에 있어서, 에너지 흡수 장치는 다음을 포함할 수 있다: 폴리머 매트릭스 및 잘린 섬유(chopped fibers)를 포함하는 폴리머 보강재 구조물; 및 후방으로부터 연장되며 쉘 채널(shell channel)을 형성하는 2개의 벽들을 포함하고, 연속 섬유(continuous fibers) 및 수지 매트릭스를 포함하는 쉘(shell). 이때, 상기 폴리머 보강재 구조물은 상기 쉘 채널 내에 위치된다.

Description

라미네이트 제조 방법, 에너지 흡수 장치, 에너지 흡수 장치 조성물 및 성형 도구{METHOD OF MAKING A LAMINATE, AN ENERGY ABSORBING DEVICE, AN ENERGY ABSORBING DEVICE COMPOSITION, AND A FORMING TOOL}
본 발명은 차량의 구조체 및 이의 중량 감소에 관한 것이며, 구체적으로 고속 전방 및 전복 차량 충돌 대항 수단(crash countermeasures)을 충족하는 차량의 구조체 및 이의 중량 감소에 관한 것이다.
자동차 제조업체는 연비 및 배출 감소에 대한 늘어나는 정부 규제를 충족하도록 승용차의 중량을 지속적으로 감소시키고 있다. 차량의 구조체(일반적으로 BIW(body-in-white)로 알려진 것을 형성하는 구조물)는 차량의 가장 큰 구조물이므로, 중량 감소를 고려할 때 이상적인 부분이다. BIW는 다른 부품들, 즉 엔진, 섀시(chassis), 외부 및 내부 트림(trim), 시트(seats) 등이 결합될 차량의 구조물을 형성하는 용접된 판금(sheet metal) 부품을 의미한다. 그러나 본체 중량을 감소시키는 것은, 차량의 동력, 내구성 및 내충돌성에 영향을 미치는 주요 특성인 본체 강도와의 트레이드-오프(trade-off)를 포함한다.
이는, 내구성 및 내충돌성의 희생 없이 감소된 중량을 갖는 BIW를 설계할 필요를 발생시킨다.
개시된 것은, 다양한 구현예들에 있어서, 성형 도구, 라미네이트(laminates), 쉘(shell) 및 에너지 흡수 장치, 및 이들의 제조 및 사용 방법이다.
일 구현예에 있어서, 에너지 흡수 장치는 다음을 포함할 수 있다: 폴리머 매트릭스 및 잘린 섬유(chopped fibers)를 포함하는 폴리머 보강재 구조물; 및 후방에서부터 연장되며 쉘 채널(shell channel)을 형성하는 2개의 벽들을 포함하고, 연속 섬유(continuous fibers) 및 수지 매트릭스를 포함하는 쉘(shell). 여기서, 상기 폴리머 보강재 구조물은 상기 쉘 채널 내에 위치된다.
일 구현예에 있어서, 차량의 구조체는 다음을 포함할 수 있다: 캐비티(cavity)를 정의하는 벽들을 포함하고, 부품 길이를 갖는 중공의(hollow) 차량 부품; 및 상기 에너지 흡수 장치. 여기서, 상기 에너지 흡수 장치는 상기 캐비티 내에 위치된다.
일 구현예에 있어서, 차량은 다음을 포함할 수 있다: 구조적 차량 부품; 및 상기 구조적 차량 부품 내에 위치되는 에너지 흡수 장치; 엔진; 및 구동 메커니즘.
다른 일 구현예에 있어서, 차량은 다음을 포함할 수 있다: 에너지 흡수 장치인 구조적 차량 부품; 엔진; 및 구동 메커니즘.
이 특성들 및 다른 비한정적 특성들이 하기에서 보다 구체적으로 기술된다.
다음은 동일한 요소에 동일하게 번호가 부여된 도면들의 간단한 설명이고, 상기 도면들은 본 명세서에 개시된 예시적인 구현예들을 도시하기 위한 목적으로 제시되며 예시적인 구현예들을 한정하기 위한 목적으로 제시되지 않는다.
도 1은 보강될 수 있는 BIW의 예시적 영역의 부분 사시도이다.
도 2는 보강재를 위한 예시적 위치의 그림 표현(pictorial representation)이다.
도 3은 일 구현예의 폴리머 보강재 구조물의 사시도이다.
도 4는 일 구현예의 쉘의 사시도이다.
도 5는 일 구현예의, 도 4의 쉘 내에 위치되는 도 3의 폴리머 보강재 구조물의 사시도이다.
도 6은 UD 재료 및 라미네이트에 가능한 섬유 배향각을 도시한 것이다.
도 7은 일 구현예의 에너지 흡수 장치 제조를 도시한 것이다.
도 8은 다른 일 구현예의 에너지 흡수 장치 제조를 도시한 것이다.
도 9는 다른 일 구현예의 에너지 흡수 장치 및 이의 제조 방법, 및 특히 해당 쉘의 제조 방법을 도시한 것이다.
도 10은 일 구현예의, 게이트를 나타내는 사출 성형 도식, 및 이에 따라 보강된 폴리머 유동 도식을 도시한 것이다.
도 11은 에너지 흡수 장치가 위치될 구조적 차량 부품의 형상과 상보적인, 불규칙적이고 다양한 형상을 갖는 일 실시예의 에너지 흡수 장치를 도시한 것이다.
도 12는 중공(hollow) 채널 내 위치되는 에너지 흡수 장치를 갖는 일 실시예의 구조적 차량 부품의 부분적 내부 도해 단면도이고, 여기서 벌집 구조물의 채널은 주축을 가로질러(예컨대, 주축에 수직하여) 배향된다.
도 13은 쉘과 폴리머 보강재 구조물 사이 기계적 부착을 가능하게 하는 개구들을 포함하는, 본 명세서에 개시된 일 실시예의 에너지 흡수 장치를 도시한 것이다.
도 14는 일 구현예의 라미네이터(laminator)의 모식도이다.
도 15는 이중 벨트 라미네이터(twin belt laminator)를 통한 동력 라미네이션 공정의 모식도이다.
더 경량이고, 고속 충돌 동안에 주요 부분의 충격 에너지를 흡수할 수 있는 자동차용 BIW 부품을 제공하기 위해 많은 시도들이 이루어져왔다. BIW 부품에 고강도 강철의 사용이 급속히 증가하였다. 알루미늄 및 마그네슘 같이 더 경량의 금속이 또한 연구되어 왔다. 이 다양한 BIW 부품들의 벽 두께는 원하는 기능 및 다양한 규제 요건을 충족하도록 해당 요소에 바람직한 구조적 완전성을 부여하기에 충분하다.
발포 충진 부품을 통해, 중공 부분(hollow part)은 이의 최대 부피(full volume)까지 발포(foam)로 충진되고, 팽창된 발포 재료는 벽으로의 연결을 제공하며 이에 따라 힘의 흡수 및 하중의 분산을 제공한다. 해당 보강재 특성은 발포의 재표 특성에 기초한다. 그러나 발포 보강재 시스템은, 특히 입사 온도(incident temperature) 측면에서, 차량의 제조 공정에 맞춰야 하는 화학적 반응을 요구한다. 따라서 보강재 기능은 해당 공정 파라미터에 대한 정확하고 일정한 준수에 의존한다. 다른 단점으로는, 구조적 부품이 더 이상 서로 쉽게 분리될 수 없어서 재활용이 보다 어려워진다는 것이다. 또한, 발포로 해당 공간을 완전히 충진시키는 것은, 3차원의 여러 설계 요건을 고려할 수 없는 경우에도, 대략 동질의 보강 효과를 유발한다.
열경화성 접착제를 통해 판금(sheet metal)에 고정되는 강철 스탬핑(steel stamping)을 포함하는 충돌 대항 수단 시스템(crush countermeasure systems)에서, 상기 접착제는 페인트를 베이킹하는 오븐을 본체가 통과함에 따라 활성화되고 팽창할 것이다. 그러므로, 이러한 시스템은 최적이 아니다. 상기 스탬핑은 무거우며, 충돌 대항 수단으로부터 본체로의 견고한 결합을 보장하기 위해 일반적으로 과도한 접착제가 적용될 필요가 있었다.
몇몇 충돌 대항 수단 시스템은 열경화성 접착제를 통해 판금(sheet metal)에 고정되는 강철 스탬핑(steel stamping)을 포함한다. 상기 접착제는 페인트를 베이킹하는 오븐을 본체가 통과함에 따라 활성화되고 팽창할 것이다. 이러한 시스템은 최적이 아니다. 상기 스탬핑은 무거우며, 충돌 대항 수단으로부터 본체로의 견고한 결합을 보장하기 위해 과도한 접착제가 적용된다. 다른 시스템은 오버 몰드 사출(over mold injection) 주형 설계를 통해 판금(sheet metal)에 고정되는 강철 스탬핑(steel stamping)을 포함한다. 강철 구조는 드래프트(draft) 및 재료의 오버플로우 공급(overflow provision)을 통해 제공되었다. 부품이 냉각되면 강철 및 폴리머 사이에 물리적/기계적 결합이 형성된다.
앞서 언급한 방안보다 경량이며, 더 많은 충격 에너지를 흡수하고 및/또는 자동차 탑승자를 보호하는 능력을 제공하는 충돌 대항 수단을 포함하는 경량 BIW 부품을 제공하는 것이 유용할 것이다. 충돌 대항 수단, 예컨대 에너지 흡수 장치는, 예를 들어 차량 충돌 시나리오 동안 과도한 변형을 감소시키고 내충돌성을 향상시킴으로써 구조적 완전성을 향상시킬 수 있다. 쉽게 제조될 수 있으며 추가적인 가공 단계를 사용하지 않고 자동차에서 사용될 수 있는 충돌 대항 수단을 제공하는 것이 또한 유용할 것이다.
BIW 부품 이외에, 다른 차량 부품의 구조적 완전성을 유지하면서 중량을 감소시키는 것이 또한 바람직하다. 본 명세서에 개시된 에너지 흡수 장치로부터 유용할 수 있는 몇몇 다른 차량 부품은 계기판, 자동차 크로스 멤버(cross-car member), 도어 지지 바(door support bar), 시트 구조물(예컨대, 프레임(frames)), 현가 제어기(suspension controller)(예컨대, 컨트롤 암(control arms), 엔진 블록(engine block), 오일 펌프 커버(oil pump cover)를 포함할 뿐만 아니라, 감소된 중량의 높은 구조적 완전성 요소(a reduced weight high structural integrity element)로부터 유용할 수 있는 다른 부품을 포함한다. BIW 부품과 마찬가지로, 이러한 차량 부품은 에너지 흡수 장치에 의해 교체될 수 있거나 에너지 흡수 장치가 해당 부품의 중공 부분(hollow portion)에 위치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 구조적 완전성 및 내구성을 절충하지 않고 차량의 중량을 감소시키는 것이 바람직하다. 따라서, 강도를 희생시키지 않으면서 차량에 이용되는 금속의 양을 감소시키는 것이 바람직하다. 차량 전반에 이용되는 것은 중공의(hollow) 금속 구조물 요소(예컨대, 빔(beams)(예컨대, 범퍼 빔(bumper beam)), 레일(rail)(예컨대, 루프 레일(roof rail)), 필라(pillars)(예컨대, "A"필라, "B"필라, "C"필라, "D"필라), 로커(rocker)(예컨대, 플로어 로커(floor rocker)), 바(bars)(예컨대, 플로어 크로스-바(floor cross-bars), 및 섀시 래더(chassis ladder)의 크로스 바(cross bars)) 등)이다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 루프 레일(58), "A"필라(50), "B"필라(52), "C"필라(54), "D"필라(56) 및 플로어 로커(60)가 도시되어 있다. 본 명세서에 개시된 것은 에너지 흡수 장치, 예컨대 BIW 부품용 보강재이다. 에너지 흡수 장치에 가능한 몇몇 예시의 위치는 도 2의 위치들(70)에 도시되고, 도 1은 구동 메커니즘(76) 및 엔진(74)을 더 도시한다. 바람직하게는, 에너지 흡수 장치는 금속-플라스틱 하이브리드 보강재보다 경량이며, 모든 플라스틱 보강재, 금속-플라스틱 하이브리드 보강재 또는 발포 보강재보다 향상된 충돌 저항성을 제공한다.
에너지 흡수 장치, 예컨대 BIW 부품은 BIW 부품의 중공 채널(hollow channels) 내에 위치될 수 있는, 연속 섬유 보강-폴리머 복합체(continuous fiber reinforced-polymer composite) 및 짧은/긴 잘린 섬유 보강 복합재료 용액(short/long chopped fiber reinforced composite material solution)의 하이브리드이다. 이러한 하이브리드 구조는, 잘린 섬유(예컨대, 짧은 잘린 섬유(예컨대, 1mm 미만의 길이를 갖는 섬유) 및/또는 긴 잘린 섬유(예컨대, 1 내지 10 mm, 구체적으로 3 내지 5 mm의 길이를 갖는 섬유)) 보강 열가소성 수지의 구조물과 함께 오버몰딩된(over-molded) 연속 섬유 보강 폴리머의 쉘을 포함한다. 잘린 섬유 보강 재료로 형성된 구조물은 원하는 에너지 흡수 특성을 가능하게 하는 다양한 기하구조, 예컨대 립(rib) 패턴(예를 들어 크로스-립(cross-rib) 패턴, 벌집 기하구조 등)을 포함할 수 있다.
에너지 흡수 장치는, 예를 들어 다양한 방법을 통해 연속 섬유 보강-폴리머(continuous fiber reinforced-polymer)의 쉘 구조물을 제조함으로써 형성될 수 있다. 연속 섬유 보강-폴리머는 집합적으로 섬유 구조물로 지칭되는, 섬유 직물 및/또는 단향성(unidirectional, UD) 테이프를 포함할 수 있다. UD 테이프는 동일 방향으로 배향된 섬유를 90% 이상, 구체적으로 99% 이상 가질 수 있다. 직물은, 단일 평면이며 2개 이상의 방향으로 배향된 섬유(예컨대, 직조물)을 갖는다. 섬유 구조물(예컨대, 직물 및 테이프)은 (시트(sheet)로도 지칭되는)라미네이트(들)로 형성될 수 있고, 이때 상기 라미네이트는 중간체(들), 예비 성형품(들) 등으로 형성될 수 있다. 개별 층들은 60/40 내지 40/60의 중량비, 구체적으로 55/45 내지 45/55의 중량비, 60/40 내지 40/60의 중량비, 예를 들어 50/50의 중량비의 섬유 대 수지 매트릭스 비율을 포함한다. 이러한 비율은 70/30 내지 30/70, 바람직하게는 65/35 내지 35/65, 예를 들어 60/40의 섬유 대 수지의 부피비를 사용하여 해당 층을 형성함으로써 얻을 수 있다. 예를 들어, 40/60의 밀도로 수지 매트릭스/섬유 비율은, 3,000 토(tow) 또는 3,000 트윌 위브(twill weave)과 함께 50/50의 중량비를 산출할 수 있다. 구체적인 비율은 사용되는 재료, 및 섬유(예컨대, 직물)의 부피 밀도에 따를 수 있다. 구체적인 함량은 본 명세서의 정보로부터 쉽게 결정될 수 있다.
섬유 구조물을 레이업할(laying up) 때, 각각의 후속 층들은 섬유가 제1 층에서와 동일한 방향으로 연장되도록 배향(즉, 제1 층에 대하여 0도로 배향)될 수 있고, 또는 이전 층의 섬유와 상이한 각도, 예컨대 이전 층에 대하여 45도 또는 90도로 배향될 수 있다. 따라서, 레이업(layup)(및/또는 라미나(lamina))는 서로에 대하여 다양한 배향으로, 예컨대 ("0/90"으로도 지칭되는)0도 내지 90도, (0/90/0), (0/45/-45), 0/60/-60), (0/45/90/0) 등으로, 바람직하게는 0도 및 90도를 교대하여 배열되어, 원하는 구조적 완전성을 얻을 수 있다. 또한 바람직하게는, 레이업은, 하나의 층(즉, 직물 구조물)로부터 다음 층으로 레이업 중심까지 교대하다가 교대가 멈추고 역전되어 교대하는 섬유 방향(예컨대, (0/90/0/90/90/0/90/0), (0/90/45/0/0/45/90/0), (0/90/0/0/90/0) 또는 (0/60/90/90/90/60/0))을 갖는 다수의 층들을 포함하는 밸런싱된 레이업(“balanced" layup)이다. 도 6은 라미네이트/레이업 섬유 배향을 도시하며, 여기서 제1 층은 0(즉, 0도)에서 배향될 것으로 간주된다. 각각의 후속 섬유 구조물은 섬유 방향이 제1 섬유 구조물의 섬유 방향에 대하여 소정의 각도를 이루도록 배향된다. 바람직한 섬유 각도의 조합은 쉘의 원하는 강도에 따른다.
이용되는 층들의 수는 쉘의 원하는 두께 및 구조적 완전성에 기초한다. 상기 쉘은 0.2 내지 10 mm, 구체적으로 0.3 내지 3 mm, 보다 구체적으로 0.5mm 내지 2mm, 보다 구체적으로 0.5mm 내지 1.5mm의 총 두께를 가질 수 있다. 각 층은 0.1 내지 0.4 mm, 예를 들어 0.1 내지 0.2 mm의 두께를 가질 수 있다.
선택적으로, 레이업의 모든 섬유 구조물은 동일 유형(예컨대, 조성 및/또는 직경)의 섬유를 가질 수 있고, 또는 몇몇 섬유 구조물(들)은 상이한 유형(예컨대, 조성 및/또는 직경)의 섬유를 가질 수 있다.
레이업이 형성되어 쉘을 생성할 수 있다. 이후, 쉘은 잘린 섬유 보강 폴리머 재료(chopped fiber reinforced polymer material)로 오버몰딩(overmolded)되어, 쉘 내에 보강 요소(예컨대, 립(ribbed) 구조물 또는 벌집 구조물)을 형성할 수 있다.
이후, 에너지 흡수 장치는 BIW 부품에(예컨대, B-필라(B-pillar)에) 사용되어 구조적 완전성을 제공할 수 있다.
고속(예컨대, 29 km/hr(kmph) 이상의 속도) 전방 충돌 동안, 차량 섀시의 전면 부분(예컨대, 범퍼 빔, 에너지 흡수부 및 레일)은 최대량의 충격 에너지를 흡수한다. 고속 측면 충돌 동안, B-필라, 플로어 로커 및 플로어 크로스바(floor crossbars)는 에너지 흡수에 핵심 역할을 한다. 전복 또는 루프 충돌(roof-crush) 동안, A-필라(A-pillar), B-필라 및 루프 레일이 충격 에너지 흡수에 핵심 역할을 한다. 일반적으로, 앞서 언급한 부품들은 중공의(hollow) 금속 부분이다. 특정 요소에 요구되는 구조적 완전성에 따라, 에너지 흡수 장치는 해당 요소를 대체할 수 있고, 또는 해당 요소의 중공 캐비티(hollow cavity) 내로 삽입될 수 있다. 만약, 에너지 흡수 장치가 해당 요소 내에 위치되면, 해당 요소의 두께가 감소되어 차량 중량을 감소시킬 수 있다. 개시된 충돌 대항 수단은 전체가 금속으로 구성된 이전의 시스템 대비 경량의 구조물에 충격 저항성 및/또는 보강 특성을 제공한다. 충돌 대항 수단은 현재의 모든 금속 시스템에 필적할 만한 보호 기능을 갖는 경량의 충돌 시스템을 제공한다. 이에 따라, 승객의 안전 고려 사항에 대한 절충 없이 차량의 총 중량이 감소된다.
개시된 것은 에너지 흡수 장치이며, 상기 에너지 흡수 장치는 폴리머 매트릭스 내에 연속 섬유를 포함하는 쉘; 및 상기 쉘로부터 분리 불가능한 폴리머 보강재 구조물을 포함한다. 상기 장치는 구조적 차량 부품(예컨대, BIW 부품) 내에 위치될 수 있다. 본 명세서에 사용된 "분리 불가능한"은 해당 부품들 중 하나 또는 모두가 손상되지 않고 해당 부품들이 분리되는 것이 불가능함을 의미한다. 상기 장치는 구조적 차량 부품 도처에, 즉 구조적 차량 부품의 전략적 위치들에 ("국부적으로") 위치될 수 있고, 또는 구조적 차량 부품을 대체할 수 있다. 보강될 수 있는 BIW 부품은 빔(들)(beam(s)), 레일(들), 필라(들), 섀시, 플로어 로커 및 크로스-바(들)뿐 아니라, 이들을 하나 이상 포함하는 조합, 예컨대 A-필라 및 플로어 로커의 정션(junction)을 포함한다. 선택적으로, 상기 장치는 BIW 부품 이외에, 계기판, 자동차 크로스 멤버(cross-car member), 도어 지지 바(door support bar), 시트 구조물(예컨대, 프레임(frames)), 현가 제어기(suspension controller)(예컨대, 컨트롤 암(control arms), 엔진 블록(engine block), 오일 펌프 커버(oil pump cover)뿐 아니라 이들을 하나 이상 포함하는 조합과 같은, 다른 구조적 차량 부품을 보강하는 데 이용될 수 있다.
쉘은 1개 이상의 벽에 의해 정의되는 채널, 예를 들어 3면 U 채널(3 sided U channel)을 형성할 수 있다. 채널은, 예를 들어 3면 또는 4면을 가질 수 있고, 이에 따른 채널은 각 단부가 개방된다. 선택적으로, 측벽은 벽이지만 개구를 포함할 수 있어서, 보강재가 형성될 때 용융 폴리머가 개구를 통해 캐비티 내로 이동하고 굳어져, 쉘 내에 있는 폴리머 보강재 구조물을 더 고정시킬 수 있다. 선택적으로, 개구들(예컨대, 작은 개구들)은 채널의 자유 엣지(free edges) 주위에 있어서, 용융 플라스틱은 엣지 너머로 흐르고 굳어져 채널 및 보강재를 더 고정시킬 수 있다.
홀의 개수는 1개 이상, 구체적으로 2개 이상일 수 있고, 폴리머 흐름을 용이하게 하기 위해 예컨대 2 개 내지 4개의 홀들이 있을 수 있다. 홀의 (주축에 따른)직경은 20nm 이하(예컨대, 0.5mm 내지 20mm), 구체적으로 1mm 내지 10mm, 및 보다 구체적으로 2mm 내지 7mm(예컨대, 5mm)일 수 있다.
폴리머 보강재 구조물은 벌집 구조물, 예컨대 컬럼(columns) 및 채널의 어레이(array)를 가질 수 있다. 상기 구조물의 벌집은 5개 이상의 면을 갖는 형상, 예컨대 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 등과 같은 기하구조뿐 아니라 상기한 기하구조를 하나 이상 포함하는 조합일 수 있으며, 구체적으로 육각형 기하구조일 수 있다. 선택적으로, 벌집 구조물의 채널이 상기 구조물의 일 단부에서 상기 구조물의 다른 단부로 연장되어서, 상기 구조물은 양 단부가 개방된다. 여기서, 하나의 단부(예컨대, 상기 채널의 제2 단부)는 쉘의 측면과 물리적으로 접촉하도록 선택적으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 제2 단부를 효과적으로 막을 수 있다. 폴리머 벌집은, 압출된 폴리머 튜브들을 함께 결합시키거나, 폴리머 벌집을 사출 성형하거나, 벌집 구조를 압출함으로써 제조될 수 있으며, 또는 다른 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 해당 요소는 동일하거나 상이한 재료의 벌집을 갖는 공-압출된(co-extruded) 부품일 수 있고, 예컨대 인접하는 벌집들은 상이한 재료 조성을 포함할 수 있다. 선택적으로, 일부 또는 모든 벌집은 이들 내에 발포(foam)를 갖는다. 즉, 벌집은 개별적으로 중공(hollow)이거나 충진될 수 있으므로, 특정 벌집을 충진하는 것, 특정 벌집에 상이한 폴리머를 사용하는 것, 또는 이러한 방법을 하나 이상 포함하는 조합을 통해 구조적 완전성은 변경될 수 있다. 가능한 충진 재료는 발포(foam)이다. 바람직하게는, 벌집 구조물은 사출 성형 공정을 사용하여 쉘을 오버몰딩함으로써 형성된다.
폴리머 보강재 구조물은 추가적으로 또는 대안적으로 립(rib) 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 립(ribs)은 측벽 및/또는 후벽 사이에, 쉘의 채널을 가로질러 연장될 수 있다. 삼각형, 물결, 대각선, 교차 등을 포함하여, 다양한 립(rib) 설계가 가능하다. 예를 들어, 립(ribs)은 삼각형, 사각형, "X" 또는 다른 구조를 형성할 수 있다.
쉘 및 폴리머 보강재 구조물은 다양한 폴리머 재료, 예컨대 열가소성 수지, 열경화성 수지, 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합을 독립적으로 포함할 수 있다. 특정 재료가 이의 특성, 차량 내 바람직한 위치 및 해당 위치의 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예들에 있어서, 재료는 차량 제조 조건(예컨대, 30분 간 400℉의 온도에서의, 용접, 페이팅 등. 이러한 것들은 페인트 베이킹 동안 해당 부품이 자동차 본체와 함께 이동할 때 폴리머 보강재 구조물이 완전성을 유지할 수 있게 함) 하에서 보통의 강도(예컨대, 영 모듈러스가 0.8GPa 내지 30GPa, 구체적으로, 3GPa 내지 15GPa, 예를 들어 7.0GPa임), 우수한 연신율(예컨대, 1% 초과의 연신율), 내화학성 및/또는 내열성을 가질 수 있다. 폴리머의 예시는 열가소성 재료뿐 아니라, 열가소성 재료를 포함하는 조합을 포함한다. 가능한 열가소성 재료는 폴리카보네이트(polycarbonate); 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT); 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS); 폴리카보네이트(polycarbonate); 폴리카보네이트/PBT 블렌드(polycarbonate/PBT blends); 폴리카보네이트/ABS 블렌드(polycarbonate/ABS blends); 코폴리카보네이트-폴리에스테르(copolycarbonate-polyesters); 아크릴-스티렌-아크릴로니트릴(acrylic-styrene-acrylonitrile, ASA); 아크릴로니트릴-(에틸렌-폴리프로필렌 디아민 개질)-스티렌(acrylonitrile-(ethylene-polypropylene diamine modified)-styrene, AES); 페닐렌 에테르 수지(phenylene ether resins); 폴리페닐렌 에테르/폴리아미드의 블렌드(blends of polyphenylene ether/polyamide); 폴리아미드(polyamides); 페닐렌 설파이드 수지(phenylene sulfide resins); 폴리염화비닐(PVC); 고 충격 폴리스티렌(high impact polystyrene, HIPS); 폴리에틸렌(polyethylene)(예컨대, 저밀도/고밀도 폴리에틸렌(L/HDPE)); 폴리프로필렌(polypropylene, PP)(예컨대, 팽창된 폴리프로필렌(EPP)); 폴리에테르이미드(polyetherimide); 및 열가소성 올레핀(thermoplastic olefins, TPO)을 포함할 뿐만 아니라, 이들을 하나 이상 포함하는 조합을 포함한다. 예를 들어, 폴리머 보강재 구조물은 NorylTM GTX 수지, LEXANTM 수지, ULTEMTM 수지, VALOXTM 수지, CYCOLACTM 수지 및/또는 STAMAXTM 수지를 포함하고, 이들은 SABIC으로부터 구입 가능한 것들이다. 바람직하게는, 폴리머 보강재 구조물은 폴리프로필렌, 및/또는 폴리페닐렌 에테르/폴리아미드의 블렌드를 포함한다. 폴리머 보강재 구조물은, 예컨대 섬유, 입자, 조각(flake)뿐 아니라 이들을 하나 이상 포함하는 조합을 통해 선택적으로 보강될 수 있다. 이러한 섬유는 유리, 탄소, 대나무, 아라미드(aramid), 케블라(kevelar) 등을 포함할 수 있을 뿐 아니라, 이들을 하나 이상 포함하는 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 보강재 구조물은 SABIC으로부터 구입할 수 있는, 긴 유리 섬유로 보강된 폴리프로필렌인 STAMAXTM 재료로 형성될 수 있다. 또한, 폴리머 보강재 구조물 및/또는 쉘은 전술한 재료를 하나 이상 포함하는 조합 및/또는 보강재로, 예컨대 열경화성 재료를 갖는 조합으로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 쉘은, 폴리에테르이미드, 폴리아미드(나일론), 폴리페닐렌 산화물, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌뿐 아니라 이들을 하나 이상 포함하는 조합의 폴리머 매트릭스 내에 연속 섬유(예컨대, 유리, 탄소, 아라미드, 케블라뿐 아니라, 이들을 하나 이상 포함하는 조합)를 포함한다.
쉘 및 폴리머 보강재 구조물 사이의 우수한 부착력은 쉘의 폴리머 매트릭스와 폴리머 보강재 구조물의 폴리머 사이 호환성을 통해 획득될 수 있다. 예를 들어, 쉘은, 나일론 베이스 수지(base resin)와 함께 연속 탄소 섬유 보강 복합체(continuous carbon fiber reinforced composite)로 제조될 수 있으며, 또한 폴리머 보강재 구조물의 폴리머는 나일론 수지, 또는 SABIC의 NorylTM GTX와 같이 나일론과 함께 블렌딩되는(blended) 다른 수지를 포함할 수 있다. 다른 일 예시에서, 외부 쉘은, 수지 매트릭스로서 폴리프로필렌과 함께 연속 유리 섬유 보강 복합재료(continues glass fiber reinforced composite material)로 제조되며, 폴리머 보강재 구조물은 SABIC의 STAMAXTM 수지와 같이, 폴리프로필렌계 재료, 또는 짧은/긴 섬유로 보강된 폴리프로필렌 복합체를 포함할 수 있다.
지지체 내 채널에 대한(그리고 또한 구조적 요소 도처에 있는 개구에 대한) 벌집의 배향은 또한 보강 부품(예컨대, BIW 부품)의 에너지 흡수 특성을 얻도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 벌집은 쉘의 주축에 0도(예컨대, 평행하게) 내지 90도(수직하게) 배향될 수 있는 채널을 형성할 수 있다. 상기 주축은 채널 아래로 연장되는 축이다(예컨대, 도 3의 축 Ax를 참조하라). 즉, 몇몇 구현예들에 있어서, 벌집은 채널을 통해 일반적인 주축을 가질 수 있고 채널에 평행하게 연장될 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 벌집은 채널의 주축에 수직하게 연장될 수 있다. 결과적으로, 보강재가 (본 명세서에서 구조적 차량 부품 및 차량 부품으로도 지칭되는)구조적 부품 내에 배치될 때, 몇몇 구현예들에 있어서, 벌집은 구조적 부품 도처에 있는 개구와 함께 일반적인 주축을 가질 수 있으며, 반면 다른 구현예들에 있어서, 벌집은 구조적 부품 도처에 있는 개구에 수직하게 연장될 수 있다.
에너지 흡수 장치의 전체 크기는 BIW 내 이의 위치 및 구조적 부품 내 관련 개구의 크기에 따를 것이다. 나아가, 보강재의 특성은 특정 영역 내 바람직한 에너지 흡수 특성, 예컨대 단위 면적 당 벌집이나 립(ribs)의 개수, 벌집 벽 또는 립(ribs)의 두께, 및 플라스틱 보강재의 특정 재료에 따를 것이다. 벌집의 밀도(단위 면적 당 벌집의 개수)는 바람직한 강도, 충돌 특성 및 사용된 재료에 따른다. 몇몇 구현예들에 있어서, 상기 밀도는 100mm2 당 1 내지 20개의 벌집, 구체적으로 100mm2 당 1 내지 10개의 벌집, 보다 구체적으로 100mm2 당 1 내지 5개의 벌집일 수 있다. 다양한 구현예들에 있어서, 플라스틱 보강재의 벽 두께는 0.5mm 내지 10mm, 구체적으로 2mm 내지 5mm, 및 보다 구체적으로 2.5mm 내지 4mm일 수 있다. 일반적으로, 보강재는 10개 이상의 벌집, 구체적으로 20개 이상의 벌집, 및 보다 구체적으로 30개 이상의 벌집을 포함할 것이다.
쉘의 길이는 BIW의 특정 영역에 따르고, 반면 폴리머 보강재 구조물의 길이는 쉘 내 향상된 구조적 완전성의 양 및 위치에 따른다. 폴리머 보강재 구조물은 쉘의 길이에 비례하거나 쉘의 길이보다 짧은 길이를 가질 수 있다(예컨대, 폴리머 보강재 구조물은 국한될 수 있는데, 즉 특정 위치에만 배치되어 해당 위치의 향상된 구조적 완전성을 얻을 수 있다). 바람직하게는, 중량 감소를 최대화하기 위하여, 폴리머 보강재 구조물은 원하는 구조적 완전성(예컨대, 얇은 벽들이 없는 표준 금속 부품 이상의 구조적 완전성)을 얻는 데 요구되는 최소한의 중량을 추가할 수 있도록 국한된다. 에너지 흡수 장치는 1,000mm 이하, 구체적으로 800mm 이하, 및 보다 구체적으로 300mm 이하의 길이를 가질 수 있다. 보강재의 길이는 구조적 부품 길이의 80% 이하, 구체적으로 60% 이하, 보다 구체적으로 50% 이하, 및 보다 구체적으로 구조적 부품(즉, 에너지 흡수 장치를 통해 보강되는 구조적 부품) 길이의 10% 내지 35%일 수 있다. 예를 들어, 에너지 흡수 장치는, 예컨대 필라 또는 레일에 사용하기 위해, 150mm 내지 350mm의 길이, 구체적으로 200mm 내지 250mm의 길이를 가질 수 있다. 몇몇 다른 구현예들에 있어서, 에너지 흡수 장치는, 예컨대 플로어 로커에 사용하기 위해, 500mm 내지 800mm, 구체적으로 600mm 내지 700mm의 길이를 가질 수 있다. 구조적 부품은 중공의(hollow) 금속 요소이다. 보강재는 중공의(hollow) 공간에 배치된다. 보강재가 구조적 요소 내 중공의(hollow) 공간 도처에 배치되지 않을 경우, 보강재가 차량의 사용 동안 또는 충격 동안 축출되는 것을 방지하는 구조적 요소에 부착될 수 있다.
몇몇 가능한 구조적 부품 재료(들)은 폴리머(예컨대, 열가소성 및/또는 열경화성 폴리머), 복합체, 금속, 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합을 포함한다. 몇몇 금속은 알루미늄, 티타늄, 크롬, 마그네슘, 아연 및 강철을 포함할 뿐 아니라, 상기한 금속을 하나 이상 포함하는 조합을 포함한다. 구조적 부품의 벽 두께는 원하는 방향으로 강도를 향상시킬 수 있도록 모두 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 한 세트의 반대되는 벽들은 다른 세트의 반대되는 벽보다 두꺼운/얇은 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구현예들에 있어서, 구조적 부품은 1.6mm 이하, 구체적으로 1.0mm 내지 1.5mm, 보다 구체적으로 1.3mm 내지 1.4mm의 벽 두께를 갖는다. 일반적으로, 금속 벽(예컨대, 플로어 로커, 레일, 필라, 범퍼 빔 등)은 1.8mm 초과의 벽 두께를 갖는다. 따라서, 에너지 흡수 장치의 사용은 (구조적 부품의)벽 두께를 10% 이상, 구체적으로 20% 이상, 및 심지어 25% 이상으로 감소시킬 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 보강재는 차량의 다양한 영역, 예컨대 범퍼 빔(들) 및/또는 BIW 부품(예컨대, 레일(들), 필라(들), 섀시, 플로어 로커 및 크로스-바(들))뿐 아니라 이들을 하나 이상 포함하는 조합에 위치될 수 있다. 구조적 부품 내 보강재의 바람직한 구체적 위치는 충돌 결과를 이용하여 결정될 수 있다.
에너지 흡수 장치를 구조적 부품 내 부착시키는 고정 수단은 기계적이거나 및/또는 화학적일 수 있다. 기계적 고정 수단의 예시는 스냅(snaps), 후크(hooks), 나사, 볼트(예컨대, 나삿니 볼트, 리벳(rivets), 용접, 크림프(들)(crimp(s)(예컨대, 크림프형 금속 벽))을 포함한다. 또한, 보강재를 제자리에 유지시키는 데 마찰 맞춤(friction fit)이 사용될 수 있다. 화학적 고정 수단은 글루(glues), 접착제 등과 같은 결합제를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 부품, 공정 및 장치의 보다 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조로 하여 획득될 수 있다. (본 명세서에 "도(FIG.)"로도 지칭되는)이러한 도면들은 단지 편의 및 본 발명의 용이한 설명에 기초한 도식적 대표도이고, 따라서 해당 장치 또는 이들 부품의 상대적 크기 및 치수를 나타내거나 및/또는 예시적 구현예들의 범위를 정의하거나 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 명확성을 목적으로 하여 특정 용어들이 다음의 설명에 사용되었지만, 이러한 용어들은 단지 도면에서의 도시를 위해 선택된 구현예들의 특정 구조를 의미하는 것이고, 본 개시의 범위를 정의하거나 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 도면들 및 하기의 다음 설명들에서, 동일한 숫자 부호는 동일 기능의 부품을 지칭하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 차량 내 가능한 보강재 위치들의 그림 표현이다. 여기서, 에너지 흡수 장치는 식별된 위치 중 하나 또는 식별된 위치들의 조합에 위치될 수 있다. 예를 들어, A-필라(50)(예컨대, A-필라의 길이 중심 인근), B-필라(52)(예컨대, B-필라의 길이 중심 인근), C-필라(54)(예컨대, C-필라의 길이 중심 인근), D-필라(56)(예컨대, D-필라의 중심 인근), 루프 레일(58)(예컨대, 루프 레일의 길이를 따라 다수의 개별 위치; 예컨대, 창(들) 위 중심 부분) 및/또는 플로어 로커(60)(예컨대, B-필라가 플로어 로커를 만나는 영역), 및 A-필라 및 플로어 로커의 정션(junction). 예를 들어, 금속 부품 길이의 약 10% 내지 30%를 차지하는 부속품은 A-필라(50), B-필라(52), 루프 레일(58) 및 플로어 로커(60)에 위치될 수 있다. 이러한 보강재의 정확한 위치는 상이한 고속 충격 요건에 대한 내충격성 성능에 의존한다. 도시(예컨대, 도 4 내지 5)로부터 명확해지듯이, 벌집은 채널(18)을 형성한다. 상기 채널은 BIW 부품에 형성되는 중공의 개구 주축에 평행하게 배향될 수 있고, BIW 부품에 형성되는 중공의 개구 주축(도 12의 Mx)에 수직하게 채널이 배향되어, 추가적인 구조적 완전성을 제공할 수 있다.
도 5는 국소화된 보강재가 A-필라, B-필라, 루프 레일 및 플로어 로커 등의 식별된 위치에 제안되는 개념이 도시된 그림 표현이다. 도 5에 도시된 세부사항은 (예컨대, 함께 용접된 두 개의 금속 구조물로부터)형성된 구조적 부품, 즉 중공의 부품에 배치되는 보강재(도 3)와 함께 중공의 부품(도 4)으로부터 형성되는 구조적 부품을 도시한다. 이러한 보강재의 구체적인 위치는 상이한 고속 충격 요건에 대한 내충격성 성능에 의존한다.
도 3 내지 5는 보강재의 요소들을 도시한다. 도 5는 쉘(6)의 채널(20) 내에 위치하게 될 폴리머 보강재 구조물(4)을 도시한다. 도 13에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 쉘(6)은 개구들(14)을 포함할 수 있어서, 폴리머 보강재 구조물(4)의 플라스틱이 개구(14)를 통과함으로써 기계적 결합을 형성하고 쉘(6) 및 폴리머 보강재 구조물(4)을 함께 고정시킬(locking) 수 있다. 개구들(14)은 연속 섬유가 상기 개구들 주위에 배향되도록 예비형성될 수 있다. 대안적으로, 개구들(14)은 해당 측면을 뚫고 쉘 내로 형성될 수 있고, 섬유 내로 형성될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 에너지 흡수 장치(1)는 구조적 부품(72)을 관통하는 개구의 형상에 상보적인 형상을 가질 수 있다. 벌집의 깊이(예컨대, 벌집 채널(18)의 길이)는 폴리머 보강재 구조물 도처에서 일정할 수 있거나, 예컨대 차량의 구조적 부품(72) 형상을 따르도록, 보강재의 길이를 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 보강재 구조물(4)의 벌집 깊이는 폴리머 보강재 구조물의 일 단부에서부터 폴리머 보강재 구조물의 반대 단부로 감소할 수 있다.
국소화된 보강재(예컨대, 구조적 부품 내에 위치되고 해당 에너지 흡수 장치의 내부를 관통하는 중공의 채널을 갖는 에너지 흡수 장치)의 사용은 구조적 부품(예컨대, BIW 부품)의 벽 두께를 15% 이상으로 감소시키는 한편 구조적 완전성은 유지시킬 수 있다.
도 6 및 7은 에너지 흡수 장치(1) 제조의 몇몇 예시들을 도시한다. 도 7은 연속 섬유로 보강된 플라스틱 재료의 단향성(UD) 테이프(22)를 사출 성형 도구 내에서 레이업하여(laying up) 에너지 흡수 장치(1)를 제조하는 것을 도시한다. 테이프 레이업(tape layup)은 자동 또는 수동으로 수행될 수 있다. 사출 성형 도구는 UD 테이프의 폴리머 메트릭스가 이의 유리전이온도에 도달하도록 예열될 수 있다. 이후, 가열된 레이업은 응고화를 위해 압축된 뒤, 압축된 레이업이 고형화되어 쉘(6)을 형성할 수 있다. 이후, 쉘(6) 내 폴리머 보강재 구조물(40)의 오버몰딩(26)은 섬유로 보강된 폴리머를 사출 성형 도구 내로 사출함으로써 달성된다. 다양한 배향 및 개수의 층들이 설계되어, 쉘의 다양한 기하구조와 두께 및 쉘의 사용자 정의된 특성을 얻을 수 있다.
도 8은 에너지 흡수 장치를 형성하기 위한 공정을 도시한다. 연속 섬유로 보강된 폴리머를 포함하는 예비형성 라미네이트(28)가 성형 도구(30) 내로 배치될 수 있다. 성형 도구(30)는 이러한 라미네이트(28)가 성형 가능해지고 이후에 도구 캐비티(tool cavity) 내에서 압축되어 요구되는 쉘(6) 형상을 취하도록 가열된다. 이후, 형성된 쉘(6)은 사출 성형 도구 내로 배치될 수 있고, 여기서 섬유 보강 플라스틱 재료(fiber reinforced plastic material) 가 사출되어 원하는 폴리머 보강재 구조물(4)을 오버몰딩할 수 있다.
도 9를 참조하면, 쉘(6)은 UD 층들을 레이업하거나(laying-up) 특정 레이업(예컨대, 열가소성 매트릭스 내에 연속 탄소 섬유 및/또는 유리 섬유의 층들을 갖는 레이업)을 갖는 라미네이트를 사용함으로써 제조된다. 이후, 쉘은, 예컨대 특별한 성형 도구를 사용하여, 레이업/라미네이트로부터 "U"형 채널로 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 성형 도구는 코어(80) 및 캐비티(82)를 갖고, 캐비티(82)는 제1 가압판(84) 및 힌지 가압판(hinged platen)(86) 사이에 위치되며, 코어(80)는 코어(80) 및 힌지 가압판(hinged platen)(86) 사이에 남아있는 공간을 통해 제1 가압판(84)으로부터(예컨대, 제1 가압판(84)에 고정되게 부착되어) 캐비티(82) 내로 연장된다. 힌지 가압판(hinged platen)(86)은 세 부분(86A, 86B 및 86C)를 포함한다. 이동 가능 부분(86A 및 86B)는 각각 힌지들(88A 및 88B)을 중심으로 중간 부분(86C)을 향해 움직여, 코어(80) 크기에 상보적인 크기를 갖는 U형 캐비티를 변화시킬 수 있다. 즉, 두 개의 외측 가압판 부분들(86A, 86B)은 평면으로부터 코어(80)에 인접하는 성형 배향(예컨대, 수직 배향)으로 (예컨대, 90도)회전하여, 쉘 형성용 U형 캐비티를 형성할 수 있다. 이동 가능 부분들(86A 및 86B)은 다양한 방법, 예컨대 실린더(90)(예컨대, 두 개의 가스(예컨대, 공기) 작동 실린더)를 이용하는 수압식 이용의 수동 방법을 사용하여, 휴지 자리(rest position)로부터 성형 자리로 움직여 U형 쉘을 형성할 수 있다.
공정은, 원하는 층 배향으로 놓이고 라미네이트를 형성하기 위해 통합된(consolidated) UD 층들을 포함할 수 있다. 통합된 라미네이트(92)는 측면으로 의도될 라미네이트 영역이 힌지 부분(86A 또는 86B) 위에 위치되도록 힌지 가압판(86) 상에 위치될 수 있다. 통합된 라미네이트(92)는 수지 매트릭스의 유리 전이 온도까지 가열된다. 이후, 코어(80)를 성형 자리로 하강시키고, 이동 가능 부분들(86A 및 86B)을 회전시켜, 예컨대 공기 실린더(90)를 통해 힌지 가압판 부분을 작동하여 성형 자리로 (예컨대, 90도) 회전시켜, 가열된 통합 라미네이트를 U 형상으로 블렌딩함으로써, 쉘(6)이 형성된다. 이동 가능 부분들(86A 및 86B)의 회전 각도는 쉘(60)의 원하는 측면 각도(예컨대, 평행한 측면들, 또는 상이한 각도로 배향된 측면들)에 따른 것이다. 코어(30) 및 이동 가능 부분들(86A 및 86B)이 성형 자리에 있으면, 가열된 통합 라미네이트가 냉각되어 해당 라미네이트를 고형화시키며 쉘(6)을 형성한다.
예를 들어, 라미네이트에 사용되는 층들은 수지 매트릭스의 필름(예컨대, 300μm 이하의 두께를 가짐)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 예비-통합된 라미네이트는 수지 매트릭스의 Tg(유리전이온도) 초과로 가열되어, 이들 다발 내 섬유들 사이로 수지가 흘러 수지 섬유 구조물을 형성할 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, NorylTM GTX 수지 필름(예컨대, 76.2μm(0.003 인치) 및 127μm(0.005 인치)의 두께를 가짐)은 섬유 또는 직물 내로 가열되어 층을 형성한다. 필름 두께는 원하는 라미네이트 부피비에 따른다. 예를 들어, 60/40 부피비는 3K 토 위브(toe weave) 또는 3K 트윌 위브와 함께 50/50 중량비를 일반적으로 산출할 것이다. 이는 또한 직물의 부피밀도에 따른다. 통합된 라미네이트에 GTX 수지의 사용은 형성된 라미네이트 쉘 및 플라스틱 오버몰딩 구조물 사이에 부착력을 더 향상시키는 데 도움이 될 것이다. 선택적으로, 라미네이트의 층들은 분말법을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 방법에서, 분말(예컨대, 분쇄 분말)이 섬유 구조물에 적용되어 분말 섬유를 형성한다. 분말 직물이 가열되어 분말이 직물 내로 반-용융(semimelt)됨으로써, 층을 형성하는 섬유 테이프 또는 직물 내로 분말이 함침(예컨대, 반-함침(semi-impregnating))된다. 예를 들어, 분말은 직물을 가로질러 분산(예컨대, 고르게 분산)되며, 이후 초음파 수단을 통해 섬유 다발들 사이에 공기 함침이 강제된 뒤 수지가 섬유 다발들을 코팅할 수 있도록 Tg를 초과하여 가열되고, 이후에 섬유 구조물이 롤링되며(rolled), 섬유는 예비-코팅되거나 반-함침되어 수지-섬유 구조물을 형성한다. 가능한 분말은 앞서 언급한 임의의 열가소성 재료, 예컨대 NorylTM GTX 수지, LEXANTM 수지, ULTEMTM 수지, VALOXTM 수지, CYCOLACTM 수지, STAMAXTM 수지, 및 이러한 수지의 일부 합금과 같은 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로부터 형성될 수 있다.
층들(즉, 수지-섬유 구조물)이 제조되면, 라미네이트가 형성될 수 있다. 층들(즉, 수지-섬유 구조물)은 레이업될(laid-up) 수 있고, 이후 해당 레이업은 라미네이터에 놓일 수 있다. 이후, 상기 레이업은 건조되어, 예컨대 잔류 수분이 표출되고 제거될 수 있게 한다. 건조 후, 상기 레이업은 진공 하에서 (예컨대, 수지 용융 온도까지)가열되어 섬유를 젖게 할 수 있다. 이후, 압력이 상기 레이업에 적용된다. 이후, 온도는 (예컨대, 빠르게 상온까지)감소하며, 이후에 압력이 해제된 뒤 라미네이트가 제거된다. 예를 들어, 도 14를 참조하면, 레이업(38)은 제1 가압판(32) 및 라미네이트 가압판(34) 사이에 배치된다. 라미네이터(40) 내 온도는 잔류 수분을 제거하는 데 충분한 온도(예컨대, 수지 매트릭스에 의존하여, 100℃ 내지 200℃, 구체적으로 125℃ 내지 165℃, 예컨대 150℃)까지 증가된다. 이러한 온도는 잔류 수분이 상기 레이업 상으로 표출되는 데 충분한 시간(예컨대, 30분 이하, 구체적으로 2 내지 20분, 보다 구체적으로 5 내지 10분의 유지 시간) 동안 유지될 수 있다. 실제 시간은 해당 수지의 수분 함량 및 해당 레이업의 두께에 의존할 것이다. 건조 유지 시한이 완료된 후, 진공 챔버(36) 내를 진공한다. (예컨대, 30 인치 미만의 수은(Hg), 구체적으로 28.8 Hg 미만, 및 보다 구체적으로 10 Hg의 압력까지)진공될 수 있고, 공정 온도는 증가될 수 있다. 상기 온도는 레이업 내 수지의 용융 온도 이상까지(예컨대, 205℃ 이상, 구체적으로 218℃, 보다 구체적으로 232 내지 400℃. 이때, 구체적인 온도는 특정 수지에 의존함) 증가될 수 있다. 공정 온도에 도달하면, 제1 가압판(32) 및 라미네이트 가압판(34) 사이 상대적 움직임을 생성함으로써 압력이 레이업(38)에 적용된다. 압력은 1 Mpa 이상, 구체적으로 1.5 Mpa 이상, 및 보다 구체적으로 1.75 Mpa 내지 2.5 Mpa, 예컨대 2 Mpa(예컨대, 평방 인치 당 약 300 파운드(약 300 psi))일 수 있다.
압력은 해당 레이업에 기초하여 조절되는데, 과도한 압력은, 예컨대 섬유 다발들을 함께 단단히 밀착시켜 해당 다발로 수지가 흐르는 것을 제한하기 때문에, 수지가 섬유를 적시는 것을 방해할 것이며, 반면 너무 적은 압력은 라미네이트가 원하는 두께를 갖지 못하게 할 것임을 유의해야 한다.
압력이 적용된 후 온도가 감소하여, 라미네이트가 굳어지고 라미네이터로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 온도는 38℃ 이하, 구체적으로 33℃ 이하, 및 보다 구체적으로 27℃ 이하까지 감소될 수 있다. 온도 감소는 (예컨대, 온도를 분 당 25℉ 이상으로 감소키는)급속 냉각을 통해 수행될 수 있다. 냉각되면, 진공 및 압력이 해제해될 수 있고 라미네이트가 제거될 수 있다.
대안적으로, 라미네이트는 동력 라미네이트 공정으로, 예컨대 가열된 이중 벨트 라미네이터를 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 공정에서, 필름 및 직물(또는 테이프)의 교호 공급물(alternating feeds)이 라미네이터로 공급되며, 필름 및 직물의 개수는 라미네이터의 원하는 두께에 따른다. 제1 단계인 건조 단계에서, 압력이 적용되어 수분이 방출되게 한다. 다음 단계인 용융 구역에서, 온도 및 압력이 증가되어 수지가 직물 내로 흐르게 한다. 냉각 구역에서, 레이업이 압력 하에 냉각되어 라미네이트를 완전히 고형화시킨다. 예를 들어, 도 15를 참조하면, 필름(102) 및 직물(104)이 이중 벨트 라미네이터(100)로 공급된다. 압력(예컨대, 10 파운드/평방 인치(psi) 이상, 예를 들어 10 psi 내지 25 psi의 압력)이, 예컨대 제1 단계 동안 건조 구역(106)에 적용되어 수분이 방출되게 한다. 다음 단계인 용융 구역(108)에서, 온도 및 압력이 증가되어 수지가 직물 내로 흐르게 한다. 특정 수지에 따른 온도는 이러한 수지의 용융 공정 온도 이내일 수 있다. 특정 수지, 특히 특정 수지의 용융 점도에 따른 압력은 50 psi 이상일 수 있고, 예를 들어 압력은 50 psi부터 500 psi까지 다양할 수 있다. 용융 구역(108)으로부터, 레이업은, 압력 하에 고형화되어 라미네이트(114)를 형성하는, 냉각 구역(110)을 통과한다. 이후, 라미네이트(114)는 원하는 길이로 선택적으로 절단될 수 있다. 연속 라미네이팅 공정(continuous laminating process)은 4 피트(feet) 폭의, 임의의 길이로 절단된 이후에 원하는 용도로 더 작은 조각이 절단될 수 있는, 시트 제품을 산출할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 사출 성형 도구에 순차적인 게이트 개구 시스템이 포함되어, 바람직한 섬유(짧은 및/또는 긴 섬유)의 정렬을 얻을 수 있고, 폴리머 보강재 구조물(4)(예컨대, 벌집 또는 립(ribbed) 기하구조)에 용접 라인을 최소화할 수 있다. 따라서, 사출 성형 캐비티는 하나의 단부로부터 다른 단부로 충진되어 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 기재된 구조적 부품(예컨대, 차량의 중공형, 금속성, 내 하중 부품(hollow, metal, load bearing component in the vehicle)) 및 하이브리드 보강재를 결합함으로써, 다음과 같은 몇 가지 장점이 실현된다: (i)디자인이 모든 금속성 부품 대비 경량이지만 동일한 구조적 요건을 여전히 충족할 수 있고, (ii)플라스틱 보강재가 다른 보강재 대비(예컨대, 발포, 팽창성 에폭시 및 강철 보강재 대비) 중량 비율로 높은 강도를 가지며, (iii) 발포 또는 에폭시 보강재 방안 대비 페인트 사이클(paint cycle) 동안 향상된 열 성능이 있고, 및/또는 (iv) 기존의 조립 라인에서 변화가 요구되지 않는데, 예컨대 충돌 대항 수단은 추가 공정 단계를 사용사지 않고 차량 내에서 제조될 수 있으며 사용될 수 있다. 또한, 동일한 구조적 완전성이 감소된 중량에서 획득될 수 있거나, 향상된 구조적 완전성이 모든 강철 구조적 부품(예컨대, BIW)의 동일한 표준 중량에서 획득될 수 있으므로, 이러한 디자인은 2016년까지 시행될 이산화탄소 배출 요건뿐 아니라, 전미 고속도로 교통 안전 위원회(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)의 안전 요건을 충족시키는 데 보다 적절하다.
하기에 설명되는 것은 본 명세서에 기재된 몇몇 구현예의 도구, 라미네이트, 쉘, 에너지 흡수 장치, 차량 및 구조적 부품이다.
구현예 1: 다음을 포함하는 에너지 흡수 장치: 폴리머 매트릭스 및 잘린 섬유를 포함하는 폴리머 보강재 구조물; 및 후방으로부터 연장되며 쉘 채널을 형성하는 2개의 벽을 포함하고, 연속 섬유 및 수지 매트릭스를 포함하는 쉘. 여기서, 상기 폴리머 보강재 구조물을 상기 쉘 채널 내에 위치된다.
구현예 2: 폴리머 매트릭스의 일부는 상기 쉘의 엣지에 있는 개구들 내에 위치되며, 상기 쉘 및 폴리머 보강재 구조물 사이에 기계적 결합을 형성하는, 구현예 1의 장치.
구현예 3: 상기 폴리머 보강재 구조물은 벌집 및/또는 립(ribs), 예컨대 크로스-립(cross-rib) 패턴 또는 벌집을 포함하는, 구현예 1 또는 2의 장치.
구현예 4: 상기 폴리머 보강재 구조물은 상기 벽들과 동일한 방향으로 후방을 향하여 연장되는 벌집을 포함하는, 구현예 1 내지 3 중 어느 하나의 장치.
구현예 5: 상기 쉘 채널은 주축을 가지며, 벌집 구조물은 벌집 채널을 포함하고, 상기 벌집 채널은 상기 주축에 수직하게 배향되는, 구현예 1 내지 4 중 어느 하나의 장치.
구현예 6: 상기 폴리머 보강재 구조물은 상기 쉘에 분리 불가능하게 부착되는, 구현예 1 내지 5 중 어느 하나의 장치.
구현예 7: 플라스틱 요소는 6각형 벌집 기하구조를 갖는 중공의 벌집 구조물을 가지며, 150mm 내지 350mm의 길이를 갖는, 구현예 1 내지 6 중 어느 하나의 장치.
구현예 8: 상기 쉘은 상기 벽들을 관통하는 복수 개의 홀들(holes)을 포함하는, 구현예 1 내지 7 중 어느 하나의 장치.
구현예 9: 상기 장치는 범퍼 빔, 레일, 필라, 섀시, 플로어 로커, 크로스-바, 계기판, 자동차-크로스 멤버, 도어 지지 바, 시트 구조물, 현가 제어기, 엔진 블록, 오일 펌프 커버, 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합을 포함하는 차량 부품을 형성하는, 구현예 1 내지 8 중 어느 하나의 장치.
구현예 10: 선택적 금속 섬유 이외에, 상기 장치는 무금속(metal free)인, 구현예 9의 장치.
구현예 11: 상기 장치는 금속 쉘, 코팅 또는 하우징(housing)을 포함하지 않는, 구현예 9의 장치.
구현예 12: 상기 에너지 흡수 장치는 무금속(metal free)인, 구현예 1 내지 11 중 어느 하나의 에너지 흡수 장치.
구현예 13: 상기 연속 섬유는 단향성인, 구현예 1 내지 12 중 어느 하나의 에너지 흡수 장치.
구현예 14: 다음을 포함하는, 차량의 구조체: 캐비티를 정의하는 벽들을 포함하며 부품 길이를 갖는, 중공의 구조적 차량 부품; 및 구현예 1 내지 13 중 어느 하나의 에너지 흡수 장치. 여기서, 상기 에너지 흡수 장치는 상기 캐비티 내에 위치된다.
구현예 15: 상기 구조적 차량 부품은 범퍼 빔, 레일, 필라, 섀시, 플로어 로커, 크로스-바, 계기판, 자동차-크로스 멤버, 도어 지지 바, 시트 구조물, 현가 제어기, 엔진 블록, 오일 펌프 커버뿐 아니라 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 구현예 14의 구조체.
구현예 16: 상기 구조적 차량 부품은 플로어 로커인, 구현예 15의 구조체.
구현예 17: 다음을 포함하는 차량: 구조적 차량 부품; 상기 구조적 차량 부품 내에 선택적으로 위치되는, 구현예 1 내지 13 중 어느 하나의 에너지 흡수 장치; 엔진; 및 구동 메커니즘.
구현예 18: 다음을 포함하는 차량: 구현예 1 내지 13 중 어느 하나의 에너지 흡수 장치인 구조적 차량 부품; 엔진; 및 구동 메커니즘.
구현예 19: 다음을 포함하는, 라미네이트 쉘 형성용 성형 도구: 코어를 포함하는 제1 가압판; 제1 이동 가능 부분, 제2 이동 가능 부분, 및 제1 이동 가능 부분과 제2 이동 가능 부분 사이에 위치되는 중간 부분을 포함하는, 힌지 가압판; 상기 제1 이동 가능 부분 및 중간 부분을 연결시켜 상기 제1 이동 가능 부분이 평평한 자리로부터 상기 코어에 인접하는 성형 자리로 이동할 수 있게 하는, 제1 힌지; 상기 제2 이동 가능 부분 및 중간 부분을 연결시켜 상기 제2 이동 가능한 부분이 평평한 자리로부터 상기 코어에 인접하는 성형 자리로 이동할 수 있게 하는, 제2 힌지. 여기서, 상기 코어는 상기 제1 가압판으로부터, 상기 제1 가압판 및 힌지 가압판 사이에서 연장된다. 상기 제1 가압판 및 힌지 가압판은 이들 사이에 상대적 움직임을 생성하도록 구성되어, 상기 코어 및 중간 부분 사이의 거리를 감소시킨다.
구현예 20: 상기 성형 도구는, 상기 제1 이동 가능 부분; 또는 상기 제2 이동 가능 부분; 또는 상기 제1 이동 가능 부분 및 제2 이동 가능 부분;을 이동시키도록 배향되는 실린더를 더 포함하는, 구현예 19의 성형 도구.
구현예 21: 다음을 포함하는 라미네이트 형성 방법: 섬유 구조물 및 수지 필름을 가열된 벨트로 공급하여 레이업을 형성하는 것; 건조 압력을 선택적으로 적용하여 수분이 방출되게 함으로써, 건조 레이업을 형성하는 것; 온도 및 압력을 증가시켜 수지가 섬유 구조물 내로 흐르게 함으로써, 라미네이트를 형성하는 것; 및 상기 라미네이트를 냉각하여 상기 라미네이트를 고형화시키는 것.
구현예 22: 상기 라미네이트는 압력 하에서 냉각되는, 구현예 21의 방법.
구현예 23: 상기 라미네이트는 30 psi 이상의 압력, 또는 50 psi 이상의 압력, 또는 50 psi 내지 500 psi의 압력 하에서 냉각되는, 구현예 22의 방법.
구현예 24: 상기 건조 압력은 10 psi 이상인, 구현예 21 내지 23 중 어느 하나의 방법.
구현예 25: 온도 및 압력을 증가시켜 수지가 흐르도록 하는 것은, 온도를 수지의 용융 온도 이상까지 증가시키고 압력을 50 psi 이상까지 증가시키는 것을 포함하는, 구현예 21 내지 24 중 어느 하나의 방법.
구현예 26: 상기 레이업은 섬유 구조물 및 수지의 교호 층들(alternating layers)을 포함하는, 구현예 21 내지 25 중 어느 하나의 방법.
구현예 27: 상기 레이업은 섬유 구조물을 4개 이상 포함하는, 구현예 21 내지 26 중 어느 하나의 방법.
구현예 28: 상기 레이업은 섬유 구조물을 6개 이상 포함하는, 구현예 21 내지 27 중 어느 하나의 방법.
구현예 29: 다음을 포함하는, 라미네이트 형성 방법: 수지-섬유 구조물을 라미네이터 내에서 레이업하여(laying up) 레이업(layup)을 형성하는 것; 상기 레이업을 선택적으로 건조시키는 것; 상기 라미네이터 내를 진공시키는 것; 공정 온도까지 온도를 증가시키는 것; 상기 라미네이터의 가압판들 사이에 상대적 움직임을 생성하여 상기 공정 온도에서 상기 레이업에 압력을 가함으로써, 라미네이트를 형성하는 것; 상기 라미네이트를 냉각시키는 것.
구현예 30: 분말을 섬유 구조물에 적용하는 것; 직물 구조물로 상기 분말을 강제시키는 것; 수지의 Tg 초과까지 가열하여 가열된 섬유 구조물을 형성하는 것; 및 가열된 섬유 구조물을 롤링(rolling)하여 수지 섬유 구조물을 형성함으로써, 수지 섬유 구조물이 형성되는, 구현예 29의 방법.
구현예 31: 상기 분말은 초음파 공기 함침을 통해 섬유 구조물 내로 강제되는, 구현예 30의 방법.
구현예 32: 상기 방법은, 상기 레이업이 0도 및 90도를 교대하는 섬유 배향, 즉 (0/45/-45), (0/60/-60), (0/45/90/0), (0/90/0/90/90/0/90/0), (0/90/0/0/90/0), (0/90/45/0/0/45/90/0) 또는 (0/60/90/90/90/60/0)의 섬유 배향을 갖도록 상기 섬유 구조물을 레이업하는 것을 더 포함하는, 구현예 21 내지 31 중 어느 하나의 방법.
구현예 33: 상기 방법은, 상기 레이업이 밸런싱된 레이업(balanced layup)을 형성하는 섬유 배향을 갖도록 상기 섬유 구조물을 레이업하는 것을 더 포함하는, 구현예 21 내지 32 중 어느 하나의 방법.
구현예 34: 다음을 포함하는, 라미네이트 쉘 형성 방법: 구현예 21 내지 33 중 어느 하나의 라미네이트를 성형 도구의 힌지 가압판 상으로 배치하는 것; 상기 라미네이트를 가열하는 것; 제1 이동 가능 부분 및 제2 이동 가능 부분을 코어를 향해 이동시키고, 상기 코어 및 중간 부분 사이 거리를 감소시켜, 상기 라미네이트를 구부러지게 함으로써, 상기 쉘을 형성하는 것; 상기 쉘을 냉각시키는 것; 및 상기 성형 도구로부터 상기 쉘을 제거하는 것.
구현예 35: 상기 쉘은 0.2 내지 10 mm, 또는 0.3 내지 3 mm, 또는 0.5 mm 내지 2 mm, 또는 0.5 mm 내지 1.5 mm의 총 두께를 갖는, 구현예 34의 방법.
구현예 36: 다음을 포함하는, 에너지 흡수 장치의 제조 방법: 폴리머 보강재 구조물과 함께 구현예 34 또는 35의 쉘을 오버몰딩하여, 에너지 흡수 장치를 형성하는 것.
구현예 37: 상기 폴리머 보강재 구조물은 벌집 및/또는 립(ribs)을 포함하는, 구현예 36의 방법.
구현예 38: 상기 폴리머 보강재 구조물은, 상기 쉘의 측면에 평행하고 상기 쉘의 중간 부분에 수직하게 연장되는, 채널을 갖는, 구현예 36 또는 37의 방법.
구현예 39: 다음을 포함하는 에너지 흡수 장치: 폴리머 매트릭스 및 잘린 섬유를 포함하는 폴리머 보강재 구조물; 후방으로부터 연장되며 쉘 채널을 형성하는 2개의 벽을 갖고, 연속 섬유 및 수지 매트릭스를 포함하는 쉘. 여기서, 상기 수지 매트릭스는 폴리머 수지 매트릭스이다. 상기 폴리머 보강재 구조물은 상기 쉘 채널 내에 위치된다. 상기 쉘은 섬유 구조물의 레이업으로부터 형성되는 라미네이트를 포함하여, 해당 레이업이 2개 이상의 상이한 각도를 포함하는 섬유 배향각을 갖도록 한다.
구현예 40: 상기 각도는 0도 내지 90도, 즉 (0/45/-45), (0/60/-60), (0/45/90/0), (0/90/0/90/90/0/90/0), (0/90/0/0/90/0), (0/90/45/0/0/45/90/0) 또는 (0/60/90/90/90/60/0)로부터 선택되는, 구현예 39의 장치.
구현예 41: 상기 각도는 밸런싱된 레이업을 형성하는 섬유 배향을 포함하는, 구현예 39 또는 40의 장치.
구현예 42: 상기 폴리머 보강재 구조물은 벌집 및/또는 립(ribs)을 포함하는, 구현예 39 내지 41 중 어느 하나의 장치.
구현예 43: 상기 폴리머 보강재 구조물은, 상기 벽들과 동일한 방향으로 후방을 향하여 연장되는 벌집을 포함하는, 구현예 39 내지 42 중 어느 하나의 장치.
구현예 44: 상기 쉘 채널은 주축을 가지며, 벌집 구조물은 벌집 채널을 포함하고, 상기 벌집 채널은 상기 주축에 수직하게 배향되는, 구현예 39 내지 43 중 어느 하나의 장치.
구현예 45: 상기 폴리머 보강재 구조물은 상기 쉘에 분리 불가능하게 부착되는, 구현예 39 내지 44 중 어느 하나의 장치.
구현예 46: 플라스틱 요소는 6각형의 벌집 기하구조를 갖는 중공의 벌집 구조물을 갖는, 구현예 39 내지 45 중 어느 하나의 장치.
구현예 47: 상기 쉘은 상기 벽들을 관통하는 복수 개의 홀들을 포함하는, 구현예 39 내지 46 중 어느 하나의 장치.
구현예 48: 선택적 금속 섬유 이외에, 상기 장치는 무금속(metal free)인, 구현예 39 내지 47 중 어느 하나의 장치.
구현예 49: 상기 장치는 금속 쉘, 코팅 또는 하우징(housing)을 포함하지 않는, 구현예 39 내지 48 중 어느 하나의 장치.
구현예 50: 상기 폴리머 수지 매트릭스 및 폴리머 매트릭스는, 폴리카보네이트; 폴리부틸렌테레프탈레이트; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌; 폴리카보네이트; 아크릴-스티렌-아크릴로니트릴; 아크릴로니트릴-(에틸렌-폴리프로필렌 디아민 개질)-스티렌; 페닐렌 에테르 수지; 폴리아미드; 페닐렌 설파이드 수지; 폴리염화비닐; 폴리스티렌; 폴리에틸렌; 폴리프로필렌; 폴리에테르이미드; 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로부터 독립적으로 선택되는, 구현예 39 내지 49 중 어느 하나의 장치.
구현예 51: 상기 폴리머 수지 매트릭스 및 폴리머 매트릭스는, 폴리카보네이트 블렌드; 폴리카보네이트/PBT 블렌드; 폴리카보네이트/ABS 블렌드; 코폴리카보네이트-폴리에스테르; 폴리페닐렌 에테르/폴리아미드의 블렌드; 폴리아미드; 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로부터 독립적으로 선택되는, 구현예 39 내지 50 중 어느 하나의 장치.
구현예 52: 상기 폴리머 수지 매트릭스 및 폴리머 매트릭스는, NorylTM GTX 수지, LEXANTM 수지, ULTEMTM 수지, VALOXTM 수지, CYCOLACTM 수지 및/또는 STAMAXTM 수지로부터 독립적으로 선택되는, 구현예 39 내지 51 중 어느 하나의 장치.
구현예 53: 상기 연속 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 대나무 섬유, 아라미드 섬유, 케블라 섬유, 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로부터 선택되는, 구현예 39 내지 52 중 어느 하나의 장치.
구현예 54: 상기 잘린 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 대나무 섬유, 아라미드 섬유, 케블라 섬유, 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로부터 선택되는, 구현예 39 내지 53 중 어느 하나의 장치.
구현예 55: 상기 연속 섬유 및 잘린 섬유는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로부터 독립적으로 선택되는, 구현예 39 내지 54 중 어느 하나의 장치.
구현예 56: 상기 장치는 무금속(metal free)인, 구현예 39 내지 55 중 어느 하나의 장치.
구현예 57: 상기 연속 섬유는 단향성인, 구현예 39 내지 56 중 어느 하나의 장치.
구현예 58: 다음을 포함하는, 차량의 구조체: 캐비티를 정의하는 벽들을 포함하고, 부품 길이를 갖는 중공의 구조적 차량 부품; 및 구현예 39 내지 57 중 어느 하나의 에너지 흡수 장치. 여기서, 상기 에너지 흡수 장치는 상기 캐비티 내에 선택적으로 위치된다.
구현예 59: 상기 구조적 차량 부품은 범퍼 빔, 레일, 필라, 섀시, 플로어 로커, 크로스-바, 계기판, 자동차-크로스 멤버, 도어 지지 바, 시트 구조물, 현가 제어기, 엔진 블록, 오일 펌프 커버뿐 아니라, 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 구현예 59의 구조체.
구현예 60: 상기 구조적 차량 부품은 플로어 로커인, 구현예 59의 구조체.
구현예 61: 다음을 포함하는 차량: 상기 구조적 차량 부품; 및 상기 구조적 차량 부품 내에 위치되는, 구현예 39 내지 57 중 어느 하나의 에너지 흡수 장치; 엔진; 및 구동 메커니즘.
본 명세서에 개시된 모든 범위는 종점(endpoints)을 포함하며, 해당 종점은 서로 독립적으로 조합될 수 있다(예컨대, "25 wt% 이하, 또는 보다 구체적으로 5 wt% 내지 20 wt%"의 범위는 "5 wt% 내지 25 wt%"범위의 종점들 및 모든 중간값들을 포함한다). "조합"은 블렌드, 혼합물, 합금, 반응물 등을 포함한다. 또한, 본 명세서의 용어 "제1", "제2" 등은 순서, 양 또는 중요성을 나타내기보다, 하나의 요소를 다른 요소로부터 식별하는 데 사용된다. 본 명세서의 용어 "a" 및 "an" 및 "the"는 수량의 제한을 나타내지 않으며, 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥에 의해 명백하게 모순되지 않는 한, 단수 및 복수를 모두 커버하는 것으로 이해된다. 본 명세서에 사용된 접미사 "들(s)"은 그것이 변경시키는 용어의 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 의도되어, 해당 용어의 하나 이상을 포함한다(예컨대, 필름(들)은 필름을 하나 이상 포함한다). "하나의 구현예", "다른 일 구현예", "일 구현예" 등에 대한 명세서 전반에 걸친 참조는, 해당 구현예와 연결되는 것으로 기재된 특정 요소(예를 들어, 특징, 구조 및/또는 특성)가 본 명세서에 기재된 하나 이상의 구현예에 포함되고, 다른 구현예들에서 나타나거나 나타나지 않을 수 있는 것을 의미한다. 또한, 기재된 요소는 다양한 구현예들에서 적절한 방식으로 조합될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 본 명세서의 "무(free)"는 불순물만을 포함하며 의도적으로 첨가된 원소는 포함하지 않는 것으로 의도된다.
특정 구현예들이 기재되었지만, 예상 밖이거나 예상 밖일 수 있는 대체, 수정, 변형, 개선 및 실질적 등가물이 출원인 또는 당해 분야의 다른 기술자에게 발생할 수 있다. 따라서, 출원 및 보정될 시 첨부된 특허 청구 범위는 이러한 모든 대체, 수정, 변형, 개선 및 실질적 등가물을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 에너지 흡수 장치(1)로서, 상기 에너지 흡수 장치(1)는
    폴리머 매트릭스 및 잘린 섬유(chopped fibers)를 포함하는 폴리머 보강재 구조물(4); 및
    후방으로부터 연장되며 쉘 채널(shell channel)(20)을 형성하는 2개의 벽들을 포함하고, 연속 섬유 및 수지 매트릭스를 포함하는 쉘(shell)(6);을 포함하며,
    상기 폴리머 보강재 구조물은 상기 쉘 채널 내에 위치되며,
    상기 폴리머 보강재 구조물은 벌집(18) 및 립(ribs) 중 적어도 하나를 포함하는, 에너지 흡수 장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쉘은 상기 벽들을 관통하는 복수 개의 홀들(holes) 및 상기 쉘의 엣지에 있는 개구들(14) 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 폴리머 매트릭스의 일부는 상기 홀들 및 개구들 중 적어도 하나 내에 위치되며, 상기 쉘 및 폴리머 보강재 구조물을 고정시키는, 에너지 흡수 장치(1).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 장치(1)는
    상기 벽들과 동일한 방향으로 상기 후방을 향하여 연장되는 벌집을 포함하는 폴리머 보강재 구조물인 특징; 및
    상기 쉘에 분리 불가능하게 부착되는 폴리머 보강재 구조물인 특징 중 하나 이상을 포함하는 에너지 흡수 장치(1).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 쉘 채널은 주축(Ax)을 가지며,
    벌집 구조물은 벌집 채널을 포함하고,
    상기 벌집 채널은 상기 주축에 수직하게 배향되는, 에너지 흡수 장치(1).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 보강재 구조물(4)은, 6각형의 벌집 기하구조를 갖는 중공의(hollow) 벌집 구조물인, 에너지 흡수 장치(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리머 보강재 구조물(4)은, 150mm 내지 350mm의 길이를 갖는, 에너지 흡수 장치(1).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수지 매트릭스는 폴리머 수지 매트릭스이고,
    상기 쉘은 섬유 구조물의 레이업(layup)으로부터 형성된 라미네이트(laminate)를 포함하여, 해당 레이업(layup)이 2개 이상의 상이한 각도를 포함하는 섬유 배향각을 갖도록 하는, 에너지 흡수 장치(1).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 잘린 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 대나무 섬유, 아라미드 섬유(aramid fibers), 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합으로부터 선택되는, 에너지 흡수 장치(1).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연속 섬유는 단향성인, 에너지 흡수 장치(1).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 장치(1)는, 범퍼 빔(bumper beam), 레일(rail), 필라(pillar), 섀시(chassis), 플로어 로커(floor rocker), 크로스-바(cross-bar), 계기판, 자동차 크로스 멤버(cross-car member), 도어 지지 바(door support bar), 시트 구조물, 현가 제어기(suspension controller), 엔진 블록(engine block), 오일 펌프 커버(oil pump cover), 및 이들을 하나 이상 포함하는 조합을 포함하는 구조적 차량 부품을 형성하는, 에너지 흡수 장치(1).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 장치(1)는 선택적 금속 섬유 이외에, 무금속(metal free)인 특징;
    상기 에너지 흡수 장치(1)는 금속 쉘, 코팅 또는 하우징(housing)을 포함하지 않는 특징; 및
    상기 에너지 흡수 장치(1)는 무금속(metal free)인 특징 중 하나 이상을 포함하는 에너지 흡수 장치(1).
  12. 차량의 구조체로서, 상기 구조체는
    캐비티(cavity)를 정의하는 벽들을 포함하며, 부품 길이를 갖는, 중공의(hollow) 구조적 차량 부품; 및
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 에너지 흡수 장치(1);를 포함하며,
    상기 에너지 흡수 장치(1)는 상기 캐비티 내에 위치되는, 차량의 구조체.
  13. 차량으로서, 상기 차량은
    구조적 차량 부품;
    엔진; 및
    구동 메커니즘;을 포함하고,
    상기 구조적 차량 부품이 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 에너지 흡수 장치(1)인, 차량.
  14. 차량으로서, 상기 차량은
    구조적 차량 부품;
    엔진; 및
    구동 메커니즘;을 포함하고,
    상기 구조적 차량 부품이 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 에너지 흡수 장치(1)이며,
    상기 차량이 상기 구조적 차량 부품의 캐비티 내에 위치되는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 에너지 흡수 장치(1)를 더 포함하는, 차량.
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