KR20050058246A - 자동차 조립체용 구조 강화재 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대체로 구조 충전 재료 및 성형 쉘의 외부와 접촉되는 팽창성 접착제로 충전된 성형 쉘을 포함하는 자동차 조립체에 사용되기 위한 구조 강화재 부품이고, 구조 충전 재료는 부품의 설치 이후 또는 자동차 조립 중에 어떠한 화학적 반응 또는 팽창을 수행하거나 또는 요구하지 않는다. 단순화된 구조 강화재 부품은 종래 기술의 현장 발포 공정을 요구하지 않고, 자동차 조립 중에 열에 노출될 때 팽창성 접착제에 의해 자동차 골격에 접착될 수 있는 경량의 강한 구조 요소를 제작한다. 상기 구조 요소는 벌크 시스템, 펌프 또는 추가의 장치를 요구하지 않으므로 용이한 설비를 제공한다.

Description

자동차 조립체용 구조 강화재 부품{STRUCTURAL REINFORCEMENT PARTS FOR AUTOMOTIVE ASSEMBLY}

본 발명은 자동차 제품에 유용한 구조 강화재 부품에 관한 것이다.

자동차 차량의 중량은 감소시키면서 안전 및 구조 성능은 유지하는 요구는 자동차 기술자들에게 직면한 핵심적인 설계 도전이다. 또한 차량 중량 최소화는 더 엄격해지는 연료 효율, CAFE(평균 연비 제도, Corporate Average Fuel Economy) 및 배출 요구를 충족시키는데 필수적이다. 기술자들은 기술 설계적 요구를 희생하지 않고 차량 중량을 최소화시키는 새로운 방법, 공정 및 기술을 찾아야 한다.

본체 구조 성능을 개선하기 위한 종래의 방법은 판금 두께 변경, 구조체 단면 치수 변경 및 추가의 강화재 및 판금편 추가를 포함한다.

미국 특허 출원 제5,194,199호에는 중공 금속 요소와 사전 제작된 경량재의 강화 코어로 형성된 차량 구조체용 빔과 같은 구성 부품을 개시하고 있다. 상기 부품은 코어에 열 발포성 재료의 쉘을 제공하고, 조립체를 열 침적 도장 작업하여 열 발포성 재료를 팽창시킴으로써 제작된다. 그러나 상기 공정은 쉘의 형상 및 크기의 불확정성을 허용하는 발포 쉘을 요구한다.

국제 특허 공보 제01/55523호에는 캐리어 및 열 팽창성 구조 강화 재료 요소를 포함하는 구조 구성 요소를 위한 강화 요소가 개시되어 있다. 열 팽창성 강화 재료는 자동차 제작 공정(예를 들어, 페인트 및 분말 도장 베이킹 단계)에서 고온 베이킹 중에 발포되는 합성 수지이다. 그러나 상기 현장 발포 공정은 코어 발포 팽창 경로 및 방향 제어와 코어 내에서 무게 및 발포체 사용량을 최소화하는 것이 어려우므로 바람직하지 않다.

국제 특허 공보 제01/58741호에는 골격 요소 및 강화재 시스템을 자동차 프레임에 접합하도록, 그 위에 배치되는 팽창성 재료를 포함하는 자동차 구조 강화재 시스템이 개시되어 있다. 국제 특허 공보 제01/68394호에는 폴리머 캐리어를 포함하는 열 활성 강화 슬리브 및 에폭시계 수지와 같은 열 활성 구조 발포체 강화재가 개시되어 있다. 그러나, 상기 시스템은 다중 강화 립(rib)을 포함하는 복잡한 프레임을 요구한다.

따라서, 자동차 프레임 및 본체 구조 제품에 사용하기 위한 고성능의, 경량의, 비용 효과적이고 공정에 편리한 구조 강화재 부품에 대한 지속적인 요구가 있다.

도A는 구조 강화재 부품의 단면도이며, I는 자동차 프레임의 주변 구조, Ⅱ는 팽창성 접착제, Ⅲ은 성형 쉘, Ⅳ는 구조 충전 재료이다.

한 양태에서, 본 발명은 차량 제품에 사용하기 위한 구조 강화재 부품이며,

1) 구조 충전 재료와,

2) 충전 재료가 충분히 쉘의 공동을 점유하도록 구조 충전 재료를 포함하고 외부면을 구비하는 중합체 쉘과,

3) 중합체 쉘의 외부면과 접촉하여 열 활성되는 팽창식 접착제를 포함하고,

구조 충전 재료는 부품 설치 이후 또는 자동차 조립 중에 어떠한 화학 반응 또는 팽창을 수행하거나 또는 요구하지 않는다.

다른 양태에서, 본 발명은 청구항 제1항의 차량 조립체용 구조 강화재 부품을 제작하기 위한 방법이며,

1) 공동 및 외부면을 갖는 성형 중합체 쉘을 형성하는 단계와,

2) 공동이 충분히 충전되도록 구조 충전 재료 또는 구성 요소가 공동으로 주입되는 단계와,

3) 팽창성 접착제가 중합체 쉘의 외부면과 접촉하는 단계를 포함하고,

구조 충전 재료는 부품 설치 이후 또는 자동차 조립 중에 어떠한 화학 반응 또는 팽창을 수행하지 않는다.

상술된 재료 구성 요소의 특정한 특성 및 특징은 가능한 한 최소의 부품 중량을 위해 각 부품이 그 특정 제품 성능의 요구를 충족시키도록, 중요한 설계 가요성을 제공하기 위해 조작 또는 개조될 수 있다. 성형 쉘의 재료 유형, 형상, 두께 및 다수의 통합된 설계 특징이 변경될 수 있다. 또한, 구조 충전 재료 유형 및 밀도도 최적의 성능 레벨을 제공하도록 변경될 수 있다. 부품에 포함된 모든 재료의 결합된 특징은 강도, 강성 및 에너지 흡수 특성과 관련하여 유리한 구조 성능을 발생시킨다.

언급된 부품 구성 요소는 몇몇의 상이한 부품 실시예로 명시될 수 있다. 부품 강도의 대부분이 주변의 쉘 용기에 의해 제공되도록, 두꺼운 벽의 쉘은 낮은 밀도의 발포체에 둘러싸일 수 있다. 다른 실시예는 구조 요구가 두 재료 모두에 의해 분배되도록 고밀도의 구조 충전 재료로 충전된 얇은 반 구조 쉘을 포함한다. 다른 실시예는 고강도 및 에너지 흡수 코어 충전 재료를 위한 캐리어 및 전달제로 주로 기능하는 얇은 벽의 성형 쉘을 사용한다. 또한, 다양한 부품의 실시예가 음향 실러와 구조 강화재의 이중의 목적을 달성할 수 있다.

상기의 단순화된 구조 강화재 부품은 종래 기술처럼 구조 충전 재료의 현장 발포를 요구하지 않으며, 차량 조립 공정 중에 열에 노출될 때 팽창성 접착제를 통해 자동차 프레임에 접착될 수 있는 매우 경량의 구조 요소가 제작된다. 상기 구조 강화재 부품에는 큰 시스템, 펌프 또는 추가 장치가 요구되지 않으므로, 설치 용이성이 제공된다.

본 발명의 구조 강화재 부품은 고정된 형상 및 크기를 갖는 성형 쉘을 포함하고, 쉘은 내부면 및 외부면을 갖는 폴리머 벽과, 상기 내부면에 의해 한정되는 공간을 포함한다. 성형 쉘은 현저한 성능 저하를 나타내지 않고 공정 환경 조건 및 자동차 조립 공장의 오븐 온도를 견딜 수 있는 고온 저항 기능성 플라스틱으로부터 제작될 수 있다. 즉, 성형 쉘은 어떠한 불리한 변형 없이 자동차 조립 공정이 수행되는 온도에서도 그 크기와 형상이 유지될 것이다. 통상의 플라스틱 재료는 나일론 6, 나일론 6/6, 나일론 6/6/6과 같은 폴리아미드와, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀과, 규칙 배열 폴리스티렌(SPS, syndiotactic polystyrene)과 같은 규칙 배열 비닐 방향족 폴리머와, 이들의 혼합물을 포함하는 결정성 또는 반 결정성 재료를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 다른 잠재적인 폴리머는 폴리에스테르, 폴리에스테르아미드, 폴리아릴기, 폴리우레탄, 폴리요소, 폴레페닐렌 황화물 및 폴리에테르이미드를 포함한다.

성형 쉘은 고정된 형상 및 크기를 갖는 쉘과, 내부면 및 외부면을 갖는 폴리머 벽과, 내부 폴리머 벽면 또는 쉘의 내부 경계면에 의해 한정되는 공간을 갖는 쉘이 제작되는 어떠한 성형 기술에 의해 제작될 수 있다. 통상의 성형 기술은 중공 성형, 사출 성형, 회전 성형, 압력 성형과 같은 공지된 공정을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

성형 쉘은 강도, 치수 안정성 및 질량 목표의 균형을 위해 공동의 소정의 크기 및 제품 요구에 따라 그 형상, 크기 및 두께가 변경될 수 있다. 유리하게는 성형 쉘은 수용 가능한 구조 팽창성 재료로 충전되는 쉘의 내부면에 의해 한정된 단일 공간을 갖는 직사각형 또는 정사각형이다. 또한, 성형 쉘 형상은 부품의 기능적 성능을 최적화하기 위해, 립, 부분 윤곽선 또는 택 오프(tack-offs)와 같은 다른 설계 특징을 통합할 수도 있다. 통상적으로, 폴리머 벽두께는 재료를 보호하고 중량을 감소시키도록 될 것이다. 벽두께는 통상적으로 사용된 재료 및 특정한 제품 요구에 따라 1.5mm 내지 10mm로 변경될 것이다.

구조 충전 재료는 성형 쉘에 구조 강화재를 제공하는데 사용될 수 있는 어떠한 재료일 수 있다. 재료는 특정한 제품에서 요구되는 특성에 따라 선택될 수 있다.

통상적으로, 성형 쉘은 부품 설치 이전에 팽창 및 경화되는 발포체 구조 충전 재료를 수용한다. 발포체 재료가 배치되어 폴리머 벽의 내부면 내에서 한정된 공간을 채운다. 다시 말하면, 발포체 재료는 폴리머 벽의 내부면과 대략 연속적으로 접촉된다. 완전히 팽창된 경우, 발포체 재료는 통상적으로 입방 피트 당 5 파운드(80kg/m3) 내지 입방 피트 당 25 파운드(400kg/m3)의 밀도를 가진다. 발포체 충전 재료는 자동차 본체 공동에 설치되기 이전에 성형 쉘에서 주입되고, 팽창되어 완전히 경화될 것이다.

한 실시예에서 구조 충전 재료는 폴리우레탄 열경화성 폴리머 발포체이다. 그러나, 다른 구조 충전 재료 유형도 에폭시, 폴리우레탄 하이브리드, 폴리올레핀, 규칙 배열체, 합성물 및 다른 경질 발포체를 포함하는 열경화성 및 열가소성 충전 재료와 마찬가지로 사용될 수 있다. 알루미늄 발포체, 유기 및 비유기(세라믹 및 금속) 발포체와 같은 비플라스틱 충전 재료도 사용될 수 있다.

성형 쉘로 유도하는 모든 방법이 구조 충전 재료의 배치에 사용될 수 있다. 통상적으로, 충전 재료는 자동차 본체 구조 공동 내에 삽입되기 이전에, 성형 쉘 공동 내에 배치되거나 또는 주입되어 완전히 반응한다. 펌프 유닛 또는 다른 적절한 주입 기술이 성형 쉘로 충전 재료를 주입하는데 사용될 수 있다.

구조 충전 재료는 통상적으로 자동차 조립 공정에서 부품 배치 이전에 성형 쉘로 주입된다. 성형 쉘은 구조 충전 재료를 위한 삽입 홀과 같은 몇몇의 유도 수단을 구비할 것이다. 상기 수단은 구조 충전 재료 또는 그 구성 요소의 주입 또는 삽입을 가능케 하는 실시예일 수 있다. 통상적으로, 구성 요소는 폴리머 또는 단위체 및 발포체를 포함할 수 있다. 몇몇의 경우에서 재료는 대기 조건 하에서 경화되는 "A-측면" 및 "B-측면"의 결합으로부터 제작된다. 예를 들어, A-측면은 이소시아네이트 프리폴리머(isocyanate prepolymer) 또는 중합체 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(methylene diphenyl isocyanate, MDI)로 구성되고, B-측면은 공칭적으로 다양한 폴리올, 계면 활성제, 촉매제 및 물로 구성된 폴리올 혼합물로 구성될 수 있다. 또한, 충전 재료는 유리 비드, 요변성 접착제 및 다른 복합 섬유와 같은 충전재를 포함할 수 있다. 팽창제는 구조 충전 재료를 위해 선택된 재료와 함께 사용될 수 있는 어떠한 팽창제를 포함하고, 화학적, 물리적 팽창제 또는 그 조합일 수 있다. 팽창제는 사전 혼합된 상태에서 폴리머와 결합되고 성형 쉘로 주입되거나 또는 폴리머 또는 폴리머 구성 요소와 함께 동시에 첨가될 수 있다. 본원에서 참조되는 미국 특허 출원 제4,923,902호 및 제4,995,545호에 개시된 바와 같이, 단일 구성 요소 발포체 재료 및 시스템도 사용될 수 있다.

성형 쉘 및 구조 충전 재료 이 외에, 구조 강화재 부품도 성형 쉘의 외부면과 접촉하는 팽창성 접착제를 포함할 수 있다. 팽창성 접착제는 팽창되어 주변 구조에 접착되도록, e-도장, 페인팅 또는 실러 오븐과 같은 자동차 본체 관련 공정과 관련하여 수행되는 온도 즉, 110℃ 또는 그 이상에서 활성화될 수 있는 어떠한 유기 재료일 수 있다. 통상의 팽창성 접착제는 에폭시 수지 또는 에틸렌계 폴리머와 같은 중합체계 재료를 포함하며, 상기 재료가 적절한 성분(통상적으로 팽창제 및 경화제)과 화합되는 경우, 열이 적용될 때 신뢰성 있고 예측 가능한 방식으로 팽창되고 경화된다. 또한, 팽창성 접착제는 경화될 때 교차 결합되거나 또는 재료가 더 유동하거나 또는 그 형상이 변경되지 못하게 하여 최종 형상을 달성시킬 것이다. 적절한 조건 하에서 예측 가능하고 신뢰성 있는 방식으로 열 활성되고, 팽창되고 경화되면서, 선택된 응용의 요구를 충족하는 어떠한 재료가 사용될 수 있다. 다른 유용한 재료로는 미국 특허 제5,766,719호, 제5,755,486호, 제5,575,526호, 제5,932,680호에 개시된 바와 같이 폴리올레핀, 적어도 하나의 단위체 유형의 알파 올레핀을 갖는 공중합체 및 삼원 혼성 중합체, 페놀/포름알데히드 재료 및 높은 유리 전이 온도를 갖는 폴리우레탄 재료 및 페녹시 재료가 포함된다.

유동 가능한 팽창성 접착제는 침지(dipping), 적층(laminating), 브러싱(brushing), 압연(rolling), 공압출(co-extruding)을 포함하는 어떠한 방식으로 쉘 벽의 외부면에 제공될 수 있다. 추가로, 팽창성 접착제는 단편들로 사전 형성되거나 또는 다이 컷(die cut)될 수 있고, 상기 단편들은 쉘 벽의 외부면에 배치되거나 또는 접착될 수 있다. 일 실시예에서, 팽창성 접착제는 외부면의 주연부 전체에 걸쳐 대체로 연속적이다.

강화재 구조 부품이 제작되면, 구조 부품은 자동차 생산 조립 중에 소정의 공동에 배치될 수 있다. 110℃ 또는 그 이상의 온도에 노출될 때, 쉘의 외부 상의 팽창성 접착제는 발포되고, 제품 프레임에 추가로 접착되지만, 반면에 구조 발포체 재료는 이러한 조건 하에서 더 반응하거나 또는 팽창하지 않을 것이다. 접착제가 활성화될 때까지 위치에 고정되도록, 구조 부품이 몇몇의 유형의 임시의 기계 고정 장치 또는 접착제를 요구할 수 있다. 추가로, 외부 팽창성 재료와 주변 프레임 또는 구조 사이에 제공되는 간극을 채우도록 접착제가 팽창될 것이다.

본 발명은 성형 쉘 및 구조 충전 재료의 두 가지 모두를 위한 재료 선택의 자유를 위해, 구조 강화재 부품의 설계에 있어서 최대 가요성을 허용한다. 중량이 가볍고, 부품 재료의 강도는 발포체 밀도의 증가 또는 감소, 쉘 두께, 쉘 재료 유형, 쉘 설계 특징 또는 전체 쉘 형상에 의해 최적화될 수 있다.

일 실시예에서, 성형 쉘은 나일론 폴리머를 포함하는 합성물로부터 제작되고, 구조 충전재는 폴리우레탄 발포체이며, 팽창성 접착제는 열 활성되는 팽창성 발포체이다.

Claims (10)

1. 차량 제품에 사용하기 위한 구조 강화재 부품이며,

   1) 구조 충전 재료와,

   2) 충전 재료가 충분히 쉘의 공동을 점유하도록 구조 충전 재료를 포함하고 외부면을 구비하는 중합체 쉘과,

   3) 중합체 쉘의 외부면과 접촉하여 열 활성되는 팽창식 접착제를 포함하고,

   구조 충전 재료는 부품 설치 이후 또는 자동차 조립 중에 어떠한 화학 반응 또는 팽창을 수행하거나 또는 요구하지 않는 구조 강화재 부품.
2. 제1항에 있어서, 성형 쉘은 폴리아미드, 폴리올레핀, 규칙 배열 비닐 방향족 폴리머 또는 그 혼합물로부터 제작되는 구조 강화재 부품.
3. 제1항에 있어서, 성형 쉘은 폴리아미드로부터 제작되는 구조 강화재 부품.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구조 충전 재료는 폴리우레탄 발포체 또는 알루미늄 발포체인 구조 강화재 부품.
5. 제4항에 있어서, 구조 충전 재료는 폴리우레탄 발포체인 구조 강화재 부품.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창성 접착제는 팽창성 에폭시, 폴리올레핀 또는 열가소성 폴리우레탄인 구조 강화재 부품.
7. 차량 조립체용 구조 강화재 부품을 제작하기 위한 방법이며,

   1) 공동 및 외부면을 갖는 성형 중합체 쉘을 형성하는 단계와,

   2) 공동이 충분히 충전되도록 구조 충전 재료 또는 구성 요소가 공동으로 주입되는 단계와,

   3)팽창성 접착제가 중합체 쉘의 외부 표면과 접촉하는 단계를 포함하고,

   구조 충전 재료는 부품 설치 이후 또는 자동차 조립 중에 어떠한 화학 반응 또는 팽창을 수행하지 않는 방법.
8. 제7항에 있어서, 성형 쉘은 중공 성형 또는 회전 성형 또는 주입 성형되는 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 팽창성 접착제는 폴리머 벽의 외부면 상에 도장되는 방법.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 팽창성 접착제는 사전 형성되거나 또는 절삭되어 폴리머 벽의 외부면에 접착되는 방법.