KR20100086493A

KR20100086493A - 구성 요소의 벽 두께를 디자인하는 방법 및 구성 요소

Info

Publication number: KR20100086493A
Application number: KR1020107011767A
Authority: KR
Inventors: 스테판 글라세르; 안드레아스 뷔스트; 베르나드 아우메르
Original assignee: 바스프 에스이
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-07-30
Also published as: WO2009056442A1; US20100299108A1; JP2011505608A; EP2215571A1; AU2008317745A1

Abstract

본 발명은 영구 동적 및/또는 정적 로딩을 받는 구성 요소의 벽 두께를 디자인하는 방법에 관한 것으로, 상기 구성 요소는 섬유 강화 중합체 물질로 구성된다. 제1 단계에서, 구성 요소의 웰드 라인의 위치 및 섬유 강화 플라스틱의 섬유의 배향이 1차 시뮬레이션 계산에 의해 결정된다. 2차 시뮬레이션 계산에 의해 구성 요소의 강도의 이용률이 계산된다. 구성 요소의 벽 두께는 2차 시뮬레이션 계산의 결과에 조정되며, 벽 두께의 변화가 이루어지는 경우, 이전의 단계들이 반복된다. 또한 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 고안된 벽 두께를 갖는 섬유 강화 중합체 물질의 구성 요소에 관한 것이다.

Description

구성 요소의 벽 두께를 디자인하는 방법 및 구성 요소{METHOD FOR DESIGNING THE WALL THICKNESS OF COMPONENTS AND COMPONENT}

본 발명은 영구적으로 정적 및/또는 동적 로딩을 받는 구성 요소의 벽 두께를 디자인하는 방법에 관한 것이며, 상기 구성 요소는 섬유 보강 중합체 물질로 제조된다. 또한 본 발명은 영구적으로 정적 및/또는 동적 로딩을 받는 섬유 보강 중합체 물질의 구성 요소에 관한 것이다.

지지장치(supprt)는 일반적으로 지지장치를 보유하는 임의의 장치에 의해 연속적으로 정적인 힘을 받게 된다. 지지장치를 보유하는 장치가 엔진인 경우, 가능하게는, 예를 들어, 진동이 지지장치에 전달된다. 결과적으로 지지장치는 추가적으로 영구 동적 로딩을 받게 된다. 이러한 지지장치는 예를 들어, 자동차의 엔진 지지장치이다.

자동차의 엔진 지지장치는 통상적으로 금속성 물질로 제조된다. 금속성 물질은 가능하게는 금속의 상당한 강도 때문에 얇은(low) 벽 두께가 가능해진다. 그러나, 금속성 지지장치의 단점은 이의 상당한 무게이다.

대안적으로, 예를 들면, DE-A 103 29 461에는 섬유 보강 플라스틱으로 엔진 지지장치를 형성하는 것이 공지되어 있다. 탄소 섬유 보강 플라스틱은 특히 적절한 것으로 간주된다. 그러나, 지지장치에 작용하는 정적 및 동적 로딩과 관련하여 적당한 강도를 얻기 위해, 필수적으로 상당한 벽 두께의 지지장치를 형성하게 된다. 일반적으로 지지장치를 위해 일정한 벽 두께가 요구된다. 금속과 비교시 보강 플라스틱의 낮은 강도는 금속성 물질의 비슷한 지지장치의 경우보다 상당한 벽 두께를 가져야만 한다. 이것은 탄소 섬유 보강 엔진 지지장치가 설치된 경우 필요 공간이 증가하는 결과를 낳는다.

일회(one-off), 불시의 로딩에 대한 벽 두께의 디자인은 예를 들어, 문헌[S. Glaser, A. Wuest, "Modellierung am Computer" [computer modeling], Kunststoffe 3/2005, pages 132-136]에 기술되어 있다. 이것은 자동차의 충돌 사건에서의 섬유 보강 중합체 물질의 지지장치의 거동을 시뮬레이션하는 것을 포함한다. 시뮬레이션은 자동차의 충격(crash) 거동에 최적화되는, 로딩되는 부분의 벽 두께의 디자인을 결정하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 상당한 로딩이 가해지는 영역은 상당한 벽 두께로 구성되며, 적은 로딩을 받게 되는 부분은 얇은 벽 두께로 구성된다. 구성 요소의 로딩에 대한 벽 두께의 적합성은 구성요소가 제조되는 설치 공간의 면에서 최적화되도록 한다.

그러나, 대응하는 디자인된 지지장치는 적절한 내충격성(crash resistance)만을 갖는다. 지지장치상의 엔진에 의해 가해지는 정적 및/또는 동적 로딩에 관한 충분한 강도는 고려되지 않는다. 따라서, 본 발명의 목적은 지지장치의 충분한 강도를 얻기 위해, 영구 정적 및/또는 동적 로딩을 받는 지지장치의 벽 두께가 지지장치에 가해지는 로딩에 적합하게 하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 영구적으로 정적 및/또는 동적 로딩을 받는 구성 요소의 벽 두께를 디자인하는 방법에 의해서 달성되며, 상기 구성 요소는 섬유 보강 중합체 물질로 제조되며, 하기 단계를 포함한다:

(a) 1차 시뮬레이션 계산에 의해 구성 요소의 웰드 라인 및 섬유 보강 플라스틱의 섬유의 배향을 결정하는 단계,

(b) 2차 시뮬레이션 계산에 의해 구성 요소의 강도의 이용률을 계산하는 단계,

(c) 구성 요소의 기하학 구조(geometry) 및/또는 하나 이상의 게이팅 포인트(gating point)의 위치를 2차 시뮬레이션 계산 결과에 조정하는 단계로서, 이용률이 미리 결정한 상한값을 초과하는 경우 벽 두께의 축소가 이루어지고, 이용률이 미리 결정한 하한선 미만인 경우, 벽 두께의 증가가 이루어지는 것인 단계, 및

(d) 단계 (c)에서 수행된 하나 이상의 게이팅 포인트의 위치 및/또는 구성 요소의 기하학적 구조가 변하는 경우, 단계 (a) 내지 (c)를 반복하는 단계.

중합체는 높은 로딩하에서 비선형적인 응력-변형 거동을 갖는 것으로 표명되어 있다. 일반적으로 이러한 거동은 변형율에 매우 의존적이다. 따라서, 매우 많이 높은 항복 응력은 느린 로딩하에서 보다 상당한 변형율에서 얻어진다. 게다가, 많은 중합체의 항복 응력은 인장 범위(tensile range)에서보다 압축 범위에서 훨씬 높다. 또한, 상당한 변형 하에서, 지속적인 비탄력 요소가 존재하게 되는데, 이는 로딩이 해제된 경우, 더 이상 완전히 이완되지 않는다. 따라서, 플라스틱은 매우 복잡하고, 비선형/점가소성 거동을 보인다.

섬유 보강 열가소성 수지 물질은 비보강된 열가소성 수지보다 향상된 기계적 특성을 보이며, 이러한 이유로 인해 흥미로운 내력성(load-bearing) 구조이다. 그러나, 처리 공정, 특히, 사출 성형은 유동에 의해 배향되는 섬유에 영향을 주기 때문에, 섬유 보강 열가소성 수지 물질의 기계적 특성이 더 이상 등방성(isotropic)이지 않다. 이것은 이방성(anisotropic), 즉, 물질의 분해시의 신장, 항복 응력 및 강성의 기계적 거동에 따라 직접적으로 달라지게 된다.

상당한 로딩이 발생하나 일반적으로 충격이 발생하는 속도에 따라 높은 변형율이 발생하는, 종래 기술에 공지된 충격 시뮬레이션으로부터의 차이점으로서, 영구적으로 정적 및/또는 동적 로딩을 받게 되는 구성 요소의 경우, 일정한 로딩을 고려하는 것이 필수적이다. 기습적인 상당한 변형율은 발생하지 않는다. 또한 이는 로딩되는 구성 요소에서 일어나는 경우와 같이, 지속적인 정적 및/또는 동적 로딩에서의 항복 응력이 매우 많이 적기 때문에, 결과적으로 심지어 약간의 로딩이 구성 요소의 파괴(failure)를 야기할 수 있는 효과를 갖게 된다. 벽 두께의 디자인을 위한 본 발명에 따른 방법은 이러한 거동을 고려한다.

본 발명에 따른 방법은 구성 요소의 기하학적 구조를 국소적으로 이루어지는 로딩에 적용시키게 한다. 본 발명의 목적을 위해, 구성 요소의 기하학적 구조는 예를 들어, 벽 두께, 늑재(rib) 높이, 및 구성 요소의 형태를 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 적은 로딩이 이루어지는 구성 요소의 영역은 얇은 벽 두께로 이루어지며, 높은 로딩을 받게 되는 구성 요소의 영역은 상당한 벽 두께로 이루어진 다. 이러한 디자인에 의해, 한편으로는 물질, 및 결과적으로 무게가 절약될 수 있으며, 반면, 대응 국소 로딩에 적합한 구성 요소의 벽 두께의 사실의 결과로서, 요구되는 설치 공간의 감소가 가능해진다.

단계 (a)에서의 웰드 라인 및 섬유의 배향의 결정은 바람직하게는 구성 요소의 제조 공정의 시뮬레이션에 의해 이루어진다. 섬유 및 웰드 라인의 배향 외에, 압력 분포 및 온도와 같은 본 방법에 포함되는 유사한 변수들이 제조 공정의 시뮬레이션에 의해 결정된다.

구성 요소의 섬유의 배향 분포 밀도는 일반적으로 불균일하며 제조 공정에 따라 달라진다. 사출 성형 공정의 경우도 섬유 보강 플라스틱으로부터 구성 요소를 제조하기 위해 본 공정을 일반적으로 사용하며, 섬유의 배향 분포 밀도는 예를 들어, G.B. Jeffery의 문헌["The motion of ellipsoidal particles immersed in a viscous fluid", Proc. of the Royal Society of London, Series A, 1922, pages 161 to 179]에 기술되어 있는 바와 같이, 확장형 제프리 식(extended Jeffery equation)으로부터의 수치 적분에 의한 사출 성형 방법의 시뮬레이션의 데이타로부터 계산된다. 이것은 배향 분포 밀도로부터의 추정치에 따르며, 이로부터 구성 요소의 매 위치에 대한 섬유 배향 텐서(tensor)를 제공한다.

단계 (b)에서 2차 시뮬레이션 계산에 의해 구성 요소의 강도의 이용률을 계산하는 것은, 섬유 보강 중합체 물질을 수적으로 기술하는 것을 필요로 한다. 수적 기술은 중합체 물질에 대한 점가소성 이론 및 섬유에 대한 탄성 모델을 기초로 하는 물질에 의해 이루어지며, 이는 물질 합성물, 즉, 섬유 보강 중합체 물질의 기술에 대한 마이크로기계 모델과 조합된다. 중합체 물질은 탄성-소성 물질 모델로 기술된다. 소성 포텐셜은 일반적으로 응력 텐서의 통상적인 1차 불변의 디비에이터(deviator) 뿐만 아니라, 2차 및 3차 불변의 다항식 정리도 포함한다. 유동 법칙(flow rule)은 관련 표현을 갖지 않는다. 유사하게 포텐셜은 1차 불변의 디비에이터 뿐만 아니라 2차 및 3차 불변 디비에이터를 포함한다. 점도는 유동 조건이 일시적으로 위반되도록 하여 표현된다. 항복 표면 상의 역투사(projection back)는 점성 기간에 걸쳐 시간 의존적이다. 영구 로딩의 경우, 해결책은 대응하는 긴 시간에 걸쳐 반복에 의해 수적으로 얻어진다. 중합체에 대한 강도 가설은 유사하게 응력 텐서의 1차 불변성 뿐만 아니라 2차 및 3차 불변성을 포함하는 파괴면(failure surface)상에 기초한다. 변형 의존율은 중량에 의한 파괴 기술에 혼입된다. 모델의 파라미터의 교정은 인장, 전단 및 압축 시험에 기초한다.

섬유 물질의 경우 탄성적으로 취성 거동으로 예측된다. 여기서 파라미터는 섬유 물질의 파괴 응력 및 강성이다.

물질 합성물의 마이크로기계 모델은 문헌[J.D. Eshelby, "The determination of the elastic field of an ellipsoidal inclusion, and related probelms", Proc. of the Royal Society of London, Series A, 1957, pages 376 to 396] 및 문헌[T. Mori 및 K. Tanaka, "Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions", Acta Metallurgica, Vol. 21, May 1973, pages 571 to 574]에 기술된 Mori-Tanaka의 균질화 공정을 기초로 한다. 여기서, 중합체 및 섬유로 일컬어지는, 2상 물질 거동에의 기여는 수적으로 서로에 대하여 증량된다. 여기서 파라미터로서 섬유 함량, 섬유의 기하학적 구조 및 섬유의 배향 분포 밀도가 고려된다.

물질 규칙(material law)은 공지의 인장/압축 비대칭성을 야기하는, 중합체 물질로부터 생성되는 변형 의존율, 비선형성, 및 중합체에서 섬유를 통한 이방성, 및 또한 파괴 거동의 결정을 가능하게 한다. 중합체 매트릭스가 파괴되는 경우, 파괴가 일어나며, 섬유는 분해되거나 매트릭스는 섬유로부터 탈착된다. 또한, 물질 규칙은 본 공정의 시뮬레이션과 간단한 방식으로 커플링될 수 있다.

단계(b)에서 강도의 이용률의 계산은 통상적인 수치 계산법으로 이루어진다. 이러한 수치 계산법은 일반적으로 유한차분법, 유한 요소법 및 유한 체적법이다. 유한요소법은 바람직하게는 강도의 이용률의 계산을 위해 사용된다. 수치 계산을 수행할 수 있도록 하기 위해, 그리드 네트워크(grid network)로 구성 요소를 기술하는 것이 필요하다. 이러한 목적에서, 구성 요소의 윤곽은 그리드 네트워크의 형태로 기술된다. 유한 요소법에 사용되는 통상의 그리드 네트워크는 삼각형 그리드 및 직사각형 그리드이다. 그리드의 메쉬 너비, 즉, 각각 결합된 2개의 포인트 간의 간격은 구성 요소의 충분히 정확한 기술이 그리드 네트워크에 의해 가능하도록 선택된다. 따라서 상당한 메쉬 너비가 덜 복잡한 영역에 적합한 반면, 복합체 영역은 작은 메쉬 너비를 요구한다. 강도 계산을 위해, 구성 요소의 표현을 모델화하는 것만이 적합한 것은 아니나 내부 영역(internal region)을 모델화하는 것이 필수적으로 요구되기 때문에, 전체 구성 요소는 공간적인 그리드 네트워크의 형태로 기술된다.

강도의 이용률을 계산하기 위해, 단계 (a)에서 1차 시뮬레이션 계산에서 결정된, 웰드 라인 및 섬유 보강 플라스틱의 섬유의 배향이 그리드 네트워크로 전달된다. 강도의 이용률 계산을 위해 필요한 추가 변수는 플라스틱 및 섬유의 물질 변수이다. 특히, 관련 물질 변수는 예를 들어, 탄성률, 포아송비(Poisson's ratio), 소성 포텐셜을 위한 파라미터, 점도 파라미터 및 중합체의 파열 강도(rupture strenght), 섬유 기학학 구조 및 박리 내성 뿐만 아니라 탄성율, 포아송비 및 섬유의 인장 강도이다. 개별적인 물질 데이타의 압력 및 온도 의존성 또한 각각 여기서 고려되어야 한다. 이들 변수로부터, 섬유 보강 중합체 물질에 대한 강도-상관관계 특성값은 물질 합성물의 기술을 위한 마이크로기계 모델에 의해 계산된다.

섬유 보강 중합체 물질에 사용되는 플라스틱은 특히, 열가소성 중합체이다. 바람직한 플라스틱은 예를 들어, 폴리아미드(PA), 폴리부타디엔 테레프탈레이트(PBT), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르 설폰(PES) 및 폴리설폰 (PSU)이다.

사용되는 섬유는 특히, 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유이다. 절단섬유(chopped fiber)는 0.5 mm 미만의 섬유 길이를 갖는 섬유이며, 바람직하게는 0.4 mm 미만의 길이를 갖는 섬유가 일반적으로 사용된다. 그러나, 수 밀리미터 이하의 길이를 갖는 섬유, 바람직하게는 20 mm 이하의 길이를 갖는 섬유가 사용될 수 있다.

구성 요소를 제조하는 공정은 일반적으로 사출 성형 공정이다. 단계 (a)에서 구성 요소의 웰드 라인 및 섬유 보강 플라스틱의 섬유의 배향을 결정하기 위해 수행되는, 1차 시뮬레이션 계산은 결과적으로 사출 성형 공정의 모델링이다. 이러한 목적을 위해, 일반적으로 사출 노즐 및 사출 몰드가 그리드 네트워크에 의해 기술된다. 섬유를 포함하는 중합체 질량의 사출 공정은 모델링에 의해 기술된다. 이러한 목적으로 위해, 중합체 질량이 몰드 내로 사출되는 동안 전체적인 사출 공정을 기술하는 것이 필요하다. 또한 몰드의 3차원 국소 기술 외에, 몰드 내로의 사출 공정의 시간 프로파일이 기술되어야만 한다. 사출 공정의 시간 프로파일은 중합체 매스에서 시간에 따른 섬유의 배향을 제공한다. 동시에, 구성 요소의 웰드 라인의 위치가 이로써 기술된다.

제조 공정의 모델링에 의해 기술되는 추가 변수는 특히, 압력 변형 및 온도 변형이다. 일시적이며 국소적인 모든 이러한 경우에 압력 변형과 온도 변형이 나타난다.

일단 구성 요소의 섬유 보강 중합체 물질에 대한 강도 상관관계 특성값이 물질 데이타, 섬유의 배향 분포 밀도 및 웰드 라인의 위치로부터 결정되면, 강도의 이용률을 예측하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 강도 시뮬레이션이 구성 요소 상에서 수행된다.

구성 요소상의 국소 로딩은 강도 시뮬레이션에 대한 경계 조건으로서 사용된다. 본원에서 구성 요소가 반드시 가져야하는 필수 강도를 결정하도록 하기 위해서, 상당한 기간의 시간에 걸친 시간 프로파일을 결정하는 것이 다시 필수적이다. 특히, 구성 요소가 엔진 지지장치로서 작용하는 경우, 예를 들어, 엔진 진동의 결과로서 발생하는 것과 같은 것이 본원에서 반드시 고려되어야 한다. 구성 요소의 약한 포인트도 강도 시뮬레이션에 의해 결정된다. 예를 들어, 이것은 휘거나(bending) 전단이 일어나는 구성 요소의 포인트이 예를 들어, 소정의 로딩하에서 일어나는 것을 보여준다. 노출된 구성 요소에 대한 로딩보다 작은 로딩하에서 구성 요소에 대한 손상이 발생하는 경우, 이 포인트들에서의 벽 두께가 증가하는 것이 필요하다. 동시에, 구성 요소의 파괴가 일어나지 않는 포인트에서는, 보다 작은 벽 두께를 선택하는 것이 가능하다. 이런 방식으로, 구성 요소의 벽 두께는 발생하는 로딩에 각각 국소적으로 적합되어 질 수 있다. 이것은 전체 구성 요소가 최대 벽 두께로 제조되는 것이 필요하지 않기 때문에, 벽 두께의 최적화 디자인에 의해 구성 요소의 최종 제조에서 물질을 절약할 수 있는 효과를 갖게 된다. 추가 중량은 항상 높은 연료 소비를 의미하기 때문에, 이것은 특히 자동차 구조에서 바람직한 중량 절약을 유도하게 된다. 게다가, 이러한 방식에서, 구성 요소에 대한 설치 공간도 임의적으로 최적화될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 자동차에서 엔진 지지장치의 벽 두께를 디자인하는데 특히 적합하다. 엔진의 질량에 의한 정적 로딩 외에, 자동차의 엔진 지지장치는 엔진이 방출하는 진동에 의한 영구적인 동적 로딩을 받게 된다. 또한, 불규칙적인 로딩이 자동차의 운행 중에 발생된다. 이들은 예를 들어, 자동차가 운전하는 동안의 상이한 속도, 도로 상태 및 가속 및 브레이크 공정에 의해 영향받는다. 벽 두께를 디자인하기 위해서는, 또한 지지장치의 이러한 로드가 고려되어야만 한다. 모델을 해결하기 위한 힘 경계 조건으로서 로드가 사용된다.

본 발명에 따른 방법에 의해 디자인될 수 있는 구성 요소는 예를 들어, 자동차 구조에서의 엔진 지지장치와 같은 지지장치이다. 그러나, 엔진 지지장치에 대한 디자인 외에, 본 발명에 따른 방법은 예를 들어, 변속 크로스 멤버, 새시 마운트(chassis mount), 로드(rod), 바(bar) 및 지지장치(support)를 디자인하는데 적합하다. 섬유 보강 플라스틱의 모든 기타 높이 로딩되는 구성 요소, 특히 유리 섬유 보강 폴리아미드도 본 발명에 따른 방법에 의해 디자인될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 영구 정적 및/또는 동적 로딩을 받는 섬유 보강 중합체 물질의 구성 요소를 디자인하게 하며, 상기 구성 요소는 구성 요소 상에 작용하는 국소 로딩에 적합한 벽 두께를 갖는다.

본 발명의 예시적인 구체예는 도면에 도시되며 하기 발명의 상세한 설명에서 더욱 구체적으로 설명된다.

도면에서:
도 1은 진자 지지장치의 3차원 대표도를 도시한 것이며,
도 2는 제1 게이팅 포인트를 갖는, 도 1에 따른 진자 지지장치의 섬유 배향 모델을 도시한 것이고,
도 3은 도 2에 따른 섬유 분포를 갖는 진자 지지장치에서의 파괴값(failure value)의 분포를 도시한 것이며,
도 4는 대안 게이팅 포인트를 갖는, 도 1에 따른 진자 지지장치의 섬유 배향 모델을 도시한 것이고,
도 5는 도 4에 따른 섬유 배향을 갖는 진자 지지장치의 파괴값의 분포를 도시한 것이다.
도 1은 예를 들어, 자동차 구조에서 사용되는 것과 같은 진자 지지장치의 3차원 대표도를 보여준다.
통상적으로 진자 지지장치는 이에 작용하는 상당한 힘 때문에 금속으로 제조된다. 그러나, 이것은 진자 지지장치가 상당한 질량을 가져야 하는 단점으로 이어진다. 그러나, 자동차의 연료 소비를 줄이기 위해, 자동차의 질량은 감소되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 플라스틱과 같이 작은 밀도를 갖는 물질을 사용하는 것이 한가지 대응책이다. 그러나, 플라스틱은 일반적으로 금속보다 낮은 강도를 갖기 때문에, 특히, 높은 로딩을 받는 구성 요소의 경우, 플라스틱이 사용된다면, 이것을 파괴될 것으로 추측된다.
진자 지지장치(1)는 제1 통과 개구(3) 및 제2 통과 개구(5)를 갖는다. 제1 통과 개구(3)는 고리 모양의 구조(7)로 둘러싸여 있다. 안정화를 위해, 고리 모양 구조는 늑재(9)를 갖는다. 이것은 고리 모양 구조(7)의 벽 두께를 감소시키며, 결과적으로 중량을 줄이게 한다. 고리 모양 구조(7)는 바(11)에 방사형 방향으로 인접하게 된다. 고리 모양 구조와 유사한 방법으로, 바(11)는 고체로 제조되지 않지만, 늑재(13)로 보강된 더블 T 구조의 형태로 제조된다. 제2 통과 개구(5)는 바(11)의 말단에 형성된다. 이 영역의 작은 면적 때문에, 제2 통과 개구(5)는 고체 고리 모양 벽(15)으로 둘러싸이게 된다.
진자 지지장치(1)는 제2 통과 개구(5)에 의해 고정된다. 공정 중, 힘(17)이 부분(11)의 반대 측에 있는 제1 통과 개구(3)의 면상에서 측 방향으로 작용한다. 진자 지지장치(1)상의 연속적인 로딩의 예의 경우, 힘(17)은 30 kN의 크기로 추정된다.
도 2에서, 도 1에 따른 진자 지지장치에서의 섬유 분포가 도시된다.
진자 지지장치는 섬유 보강 플라스틱으로부터 사출 성형된다. 열가소성 수지가 플라스틱으로서 특히 적합하다. 예를 들어, 폴리아미드(PA), 폴리부타디엔 테레프탈레이트(PBT), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르 설폰(PES) 및 폴리설폰(PSU)이 특히 바람직하다.
특히, 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유가 섬유로서 사용된다. 일반적으로 잘린 섬유, 즉, 0.5 mm 미만의 섬유 길이를 갖는 섬유, 바람직하게는 0.4 mm 미만의 길이를 갖는 섬유가 사용된다. 그러나, 수 밀리미터 이하의 길이를 갖는 섬유, 바람직하게는 20 mm 이하의 길이를 갖는 섬유가 또한 사용될 수 있다.
파괴값의 하기 계산은 플라스틱으로, 0.3 mm의 평균 섬유 길이를 갖는 유리 섬유로 보강된 플라스틱인, 폴라아미드 PA66(바스프 AG의 Ultramid® A3WG10CR)를 위해 수행한다.
도 2에서, 섬유(21)는 게이팅 포인트(23)로부터의 유동 방향에 평행하게 배향된 것을 볼 수 있다. 결과적으로 진자 지지장치(1)의 로딩 방향에 따른 섬유의 배향이 얻어진다. 일 예외는 웰드 라인(25)이다. 웰드 라인(25)은 사출 공정 동안 양 측면상에서 제1 통과 개구(3) 주변의 유동이 다시 함께 흐르는 중합체 용융물의 영역이다. 이것은 웰드 라인(25)의 영역에서의 섬유의 축 배향을 야기한다. 잠재적으로 약한 포인트가 형성된다.
도 3은 도 2에 따른 섬유 분포를 갖는 진자 지지장치(1)의 파괴값을 보여준다. 바(11)가 고리 모양 구조(7)에서 떨어져 분리된 영역에서의 진자 지지장치(1)에는 상당한 응력이 작용한다. 그러나, 진자 지지장치(1)의 물질은 이 영역에서 섬유(21)의 배향에 의해 안정화되어, 바(11)가 고리 모양 구조(7)에서 떨어져 분리된 영역에서는 이의 파괴가 예상된다. 그러나, 웰드 라인(25)의 영역에서의 이들의 배향 때문에, 섬유(21)는 고리 모양 구조(7)의 안정화에 기여하지 않는다. 제1 통과 개구(3)의 내측면에 작용하는 힘(17) 때문에 웰드 라인(25)에 작용하는 응력은 1.755의 파괴값을 갖게 된다. 이것은 웰드 라인 (25)의 영역에서 진자 지지장치(1)의 파열을 야기하기에 충분하다.
도 4에서는, 대안 게이팅 포인트를 갖는 진자 지지장치에서의 섬유 분포가 도시된다.
도 4에 도시된 섬유 분포의 경우, 게이팅 포인트(31)는 제1 통과 개구의 영역에 배치된다. 이것은 바(11)의 반대편에 놓이는 고리 모양 구조(7)의 영역의 섬유에 영향을 미치며, 도 2에 도시되는 구체예에서 형성되는 웰드 라인(25)은 탄젠트 방향으로 배향된다. 이 배향은 이 영역에서 고리 모양 구조(7)의 안정화를 유도하게 된다.
게이팅 포인트(31)의 배치 때문에, 제2 통과 개구(5)의 영역의 웰드 라인은 바(11)로부터 반대 측면에 위치한다. 그러나, 제2 통과 개구(5)의 진자 지지장치(1)의 고정 때문에, 거기에 작용하는 응력은 제1 통과 개구(3)에 작용하는 응력보다 낮으며, 이 영역의 진자 지지장치의 파열로 일컬어지는, 파괴를 야기하며 1 초과의 파괴값을 만들 수 있는 크기의 힘은 발생하지 않는다.
이 경우, 고리 모양 구조상의 일정한 로딩은 도 5에서 도시되는 바와 같이, 파괴값이 고리 모양 구조(7) 내내 1 미만이기 때문에, 진자 지지장치의 어떠한 파괴도 일어나지 않는다.
이어서, 본 발명에 따른 방법에 의하면, 플라스틱으로 제조된 진자 지지장치에서도 충분한 안정성을 갖는 기하학적 구조를 찾을 수 있다.
그러나 본 명세서에 도시된 진자 지지장치 외에, 본 발명에 따른 방법은 기타 소정의 임의의 지지장치 및 섬유 보강 플라스틱, 특히 유리 섬유 보강 폴리아미드의 모든 기타 높은 로딩되는 구성 요소에도 적용될 수 있다.
명칭 리스트
1 진자 지지장치
3 제1 통과 개구
5 제2 통과 개구
7 고리 모양 구조
9 늑재
11 바
13 늑재
15 고리 모양 벽
17 힘
21 섬유
23 게이팅 포인트
25 웰드 라인
31 게이팅 포인트

Claims

영구 정적 및/또는 동적 로딩을 받는, 섬유 보강 중합체 물질로 만들어진 구성 요소의 벽 두께를 디자인하는 방법으로서, 하기 단계를 포함하는 방법:
a. 1차 시뮬레이션 계산에 의해 구성 요소의 웰드 라인(weld line) 및 섬유 보강 플라스틱의 섬유의 배향을 결정하는 단계,
b. 2차 시뮬레이션 계산에 의해 구성 요소의 강도의 이용률을 계산하는 단계,
c. 구성 요소의 기하학적 구조(geometry) 및/또는 구성 요소의 하나 이상의 게이팅 포인트(gating point)의 위치를 2차 시뮬레이션 계산 결과에 조정하는 단계로서, 이용률이 미리 결정한 상한값 초과의 경우 벽 두께의 축소가 이루어지고, 이용률이 미리 결정한 하한값 미만의 경우 벽 두께의 증가가 이루어지는 것인 단계, 및
d. 단계 (c)에서 수행된 하나 이상의 게이팅 포인트의 위치 및/또는 구성 요소의 기하학 구조가 변하는 경우, 단계 (a) 내지 (c)를 반복하는 단계.
제1항에 있어서, 단계 (a)에서 웰드 라인 및 섬유의 배향을 결정하기 위해, 구성 요소의 제조 공정을 시뮬레이션하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (b)에서 강도의 이용률을 계산하기 위한 구성 요소의 윤곽은 그리드 네트워크(grid network)의 형태로 도시되는 것인 방법.
제3항에 있어서, 단계 (a)에서 결정된 웰드 라인 및 섬유 배향에 대한 값은 이용률 계산을 위해 그리드 네트워크로 전달되는 것인 방법.
제4항에 있어서, 강도 상관관계 특성 값(strength-relevant characteristic value)은 이용률 계산을 위해 그리드 네트워크로 전달되는 웰드 라인 및 섬유 배향을 위한 값으로부터 결정되는 것인 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 구성 요소를 위한 제조 공정은 사출 성형(injection molding) 공정인 것인 방법.
제1항 내지 제6항에 있어서, 섬유 보강 플라스틱은 폴리아미드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에테르 설폰 및 폴리설폰을 포함하는 군에서 선택되는 중합체 물질, 및 후자의 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유를 포함하는 것인 방법.
제7항에 있어서, 섬유의 길이는 0.5 mm 미만인 것인 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 섬유는 매트릭스 중에 랜덤하게 배치되는 것인 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 구성 요소는 자동차의 엔진 지지장치(support), 변속 크로스 멤버, 새시 마운트(chassis mount) 또는 로드(rod), 바(bar) 또는 지지장치인 것인 방법.
영구 정적 및/또는 동적 로딩을 받는 보강 중합체 물질의 구성 요소로서, 상기 구성 요소는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의한 구성 요소에 국소적인 로딩에 적합한 벽 두께를 갖는 것인 구성 요소.