KR20130057007A - 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링과, 이것의 제조 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존 금속 코일형 스프링을 대체할 수 있는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링과, 이것의 성형 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 중공 주름 구조의 프리폼을 성형하는 주름압출성형부와; 프리폼 위에 3차원 직조물을 직조하는 브레이딩부와; 3차원 직조물에 열경화성 수지를 함침시킨 후 경화시키는 인발성형부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치 및 방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 중공 주름 구조의 프리폼을 성형하는 주름압출성형부와; 프리폼 위에 3차원 직조물을 직조하는 브레이딩부와; 3차원 직조물에 열경화성 수지를 함침시킨 후 경화시키는 인발성형부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치 및 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 기존 금속 코일형 스프링을 대체할 수 있는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링과, 이것의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 차체는 타이어와 연결되는 현가장치에 의해 지지되며, 현가장치는 차량 주행 중에 발생하는 각종 진동과 충격을 흡수하여 승차감을 향상시키고, 노면 상태에 따라 차체의 전체적인 밸런스를 조정하는 역할을 하고, 또한 차량의 선회 시, 원심력에 대항하여 운전자의 안정적인 조정성을 확보하여 원심력에 따른 일 방향으로의 기울임 현상을 방지하는 역할을 한다.
이러한 현가장치에 주로 사용되는 타입은 스프링 강판을 적층시켜 사용하는 리프스프링(Leaf Spring)과 코일 모양으로 둥글게 감아 만든 코일스프링(Coil Spring)이 있다.
상기 리프스프링 및 코일스프링 등과 같은 스프링은 주로 금속 재질로 제작되어지나, 부식에 따른 치핑(chipping) 저항성 저하 문제 및 차량 경량화 이슈로 인하여, 플라스틱 복합재로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 리프스프링은 형상이 판상으로 단순하기 때문에 이미 플라스틱 복합재로 대체되어 적용되고 있으나, 코일형 스프링은 코일 형상은 그대로 두고 단순히 소재만을 금속에서 플라스틱 복합재로 대체할 경우, 금속과 플라스틱 복합재의 절대적인 강성 차이로 인하여 자동차 서스펜션에 적용할 수 있는 수준의 스프링 상수 구현하는데 어려운 단점이 있다.
물론, 상기 코일형 스프링의 경우, 코일 형상을 그대로 유지하면서 선경 및 폭 확대와 더불어 고강성 소재를 적용함으로써, 어느 정도의 스프링 상수 구현은 가능하지만, 무게 및 재료비 상승으로 인하여 현재까지 고강성 소재를 적용한 금속 코일형 스프링의 양산 적용 사례는 없는 것으로 알려져 있다.
이에, 고강성 소재를 이용한 금속 코일형 스프링을 대체하고자, 코일형, 물결형, 주름형 등 다양한 형상의 플라스틱 복합재 스프링이 활발히 연구되고 있지만, 그 중 주름형은 폐단면 구조로 스프링 상수 구현이 가장 유리한 형태이다.
주름형 플라스틱 복합재 스프링에 대한 기술이 미국특허 US 4,235,427에 공지되어 있으나, 자동차 서스펜션에 적용 가능한 수준의 스프링 상수 구현을 위해서는 고강성 소재로 폐단면 형상을 제조하여야 하기 때문에, 성형 공정이 난해하고, 또한 생산성이 낮아 대량생산이 어렵고, 단가가 높은 공정인 핸드 레이-업(hand lay-up), 필라멘트 와인딩(filament winding) 공정을 포함하고 있어 기존의 금속 코일형 스프링을 대체하는데 한계가 있다.
또한, 기존에 블로우 몰딩(blow molding)을 응용하여 주름형 플라스틱 복합재 스프링을 제조하는 공법이 제안되어 있으나, 제조 가능한 소재가 순수 열가소성 수지나, 보강재가 일정량 이하로 함유된 플라스틱 복합재로 제한적이기 때문에 자동차에 적용 가능한 수준의 스프링 상수 구현이나 내구성 확보에 어려움이 있다.
또한, 상기와 같은 기존의 제조 방법은 주름형 플라스틱 복합재 스프링을 단일 소재로만 제조 가능하기 때문에, 진동 및 소음에 대한 충분한 절연 성능 확보가 어려워 NVH(Noise, Vibration, and Harshness) 특성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 자동차용 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링을 이중 재질로 제조 가능하여 NVH 특성 확보가 용이하고, 3단계 공정을 연계한 연속 성형을 통하여 생산성 향상 및 대량생산이 가능한 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링제조 장치 및 방법을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 종래의 금속 코일형 스프링의 더스트 커버와 상, 하 스프링패드 등의 부품을 생략하여 서스펜션 모듈의 단순화를 실현하는 동시에 조립 공정 축소 및 부품 비용을 절감을 도모할 수 있고, 차량 경량화에 기여할 수 있는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 중공 주름 구조의 프리폼을 성형하는 주름압출성형부와; 프리폼 위에 3차원 직조물을 직조하는 브레이딩부와; 3차원 직조물에 열경화성 수지를 함침시킨 후 경화시키는 인발성형부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 열가소성 고분자 재료를 압출기의 회전형 금형 블록를 이용하여 중공 주름형태의 프리폼으로 성형 제조하는 단계와; 상기 프리폼의 외경면에 다수개의 원사가 직조된 3차원 직조물을 형성하는 단계와; 상기 3차원 직조물에 열경화성 수지를 함침시킨 후, 경화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링을 이중 재질로 제조하여 NVH 특성 확보가 용이하고, 3단계 제조 공정을 연계하여 연속 성형이 가능하여 우수한 생산성 확보가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 주름형 플라스틱 복합재 스프링을 종래의 금속 코일형 스프링의 더스트 커버와 상, 하 스프링패드 등의 부품을 생략하여 서스펜션 모듈의 단순화를 실현하는 동시에 조립 공정 축소 및 부품 비용을 절감을 도모할 수 있고, 차량 경량화에 기여할 수 있다.
특히, 내층과 외층을 각각 탄성재질의 열가소성 수지재 및 열경화성 수지가 함침된 3차원 직조물로 구성하여, 우수한 진동 및 소음 절연 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치 및 방법을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링ㄱ구조를 설명하는 도면,
도 3은 본 발명의 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링과, 종래의 코일 스프링에 대한 구성을 비교한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링ㄱ구조를 설명하는 도면,
도 3은 본 발명의 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링과, 종래의 코일 스프링에 대한 구성을 비교한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 서스펜션용 스프링을 기존의 금속 코일형 스프링에서 주름형 플라스틱 복합재 스프링으로 대체함으로써, 부식 문제 해결에 따른 서스펜션 내구성 향상 및 초경량화 실현이 가능할 뿐만 아니라, 주름형 플라스틱 복합재 스프링의 내층과 외층을 각각 다른 소재로 제작 가능하여 진동 및 소음 절연성을 높일 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
본 발명의 제조 장치는 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 즉, 중공 주름 구조를 지닌 복합재 스프링을 이중 재질로 연속 성형하는 장치로서, 중공 주름 구조의 프리폼을 성형하는 주름압출성형부(10)와, 프리폼 위에 별도의 열처리 없이 연속섬유에 의한 3차원 직조물을 직조하는 브레이딩부(20)와, 열경화성 수지를 함침시킨 후 경화시키는 공정이 이루어지는 인발성형부(30)로 크게 나누어진다.
상기 주름압출성형부(10)는 열가소성 고분자 재료의 이송 및 교반수단인 스크류(11)가 내설되고, 스크류(11)에 의해 열가소성 고분자 재료의 이송/교반시 수반될 수 있는 상승온도에 대한 냉각을 위하여 스크류(11)의 외주부에 냉각장치(12)가 구비된 압출기(13)를 포함하고, 또한 상기 압출기(13)의 토출구쪽에 배치되어 열가소성 고분자 재료를 원하는 중공 주름형태의 프리폼(15) 구조로 성형하는 회전형 금형 블록(14)을 포함한다.
상기 주름압출성형부(10)에 의하여 진행되는 주름압출성형 공정 즉, 프리폼 성형 공정은 스크류(11)를 따라 열가소성 고분자 재료가 용융되면서 이송/교반되는 과정과, 압출기(13)에서 열가소성 고분자 재료를 중공 주름 형태의 프리폼으로 성형하는 과정으로 순차 진행된다.
보다 상세하게는, 상기 압출기(13)에 열가소성 고분자 재료가 공급되면, 압출기(13)과 연결된 진공 설비에 의하여 열가소성 고분자 재료가 늘어나면서 압출기(13)내의 벽면즉, 압출기(13)의 내벽면에 형성된 주름형 금형 표면에 몰리게 되고, 동시에 압출기(13)의 회전에 의하여 폐단면 주름 형태의 프리폼(15)이 제작된다.
이때, 상기 프리폼(15)을 성형하기 위한 열가소성 수지는 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), PVC(polyvinylchloride), PET(polyethyleneterephthalte)중 선택된 하나를 사용할 수 있다.
이렇게 상기 주름압출성형부(10)에서 열가소성 고분자 재료가 연속적인 압출 성형에 의하여, 중공 주름 형태의 프리폼(15)이 제조된 후, 다음 단계인 브레이딩부(20)로 배출된다.
상기 브레이딩부(20, braiding) 및 이에 의한 브레이딩 공정에 의하여 프리폼(15) 위에 별도의 열처리 없이 강도 보강재인 연속섬유가 3차원 직조물로서 직조된다.
즉, 상기 브레이딩부(20) 및 이에 의한 브레이딩 공정에 의하여, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 그래파이트 섬유 등과 같은 강도 보강재가 열가소성 고분자로 제조된 프리폼의 외주둘레에 3차원 형태로 편조된다.
상기 브레이딩부(20)의 구성을 보면, 중앙에 프리폼(15)이 통과하는 홀이 형성된 테이블(21)을 포함하고, 테이블(21)의 홀 주변에는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 그래파이트 섬유 등과 같은 강도 보강재용 원사(23)를 풀림 가능하게 권취하고 있는 다수개의 캐리어(22)가 장착된다.
이때, 상기 복수의 캐리어(22)는 테이블(21)에 형성된 "∞"자 형상의 이동경로(미도시됨)를 따라 회전하게 되며, 각 캐리어(21)가 회전할 때 캐리어(21)에 권취된 각 원사(23)가 각 캐리어(21)의 "∞"자 이송경로에 따라 풀리면서 상호 브레이딩된 3차원 직조물(24)이 프리폼(15) 표면에 형성된다.
따라서, 상기 브레이딩된 3차원 직조물(24)이 프리폼(15)의 외층에 형성된 주름형 플라스틱 복합재 스프링의 중간 단계 제품(25)이 제조된다.
다음으로, 열가소성 고분자 재료로 된 프리폼(15) 위에 브레이딩부(20)에 의한 브레이딩 공정을 거쳐, 3차원 직조물(24)이 형성된 주름형 복합재 스프링 중간 제품(25)이 인발성형부(30)로 이송된다.
상기 인발성형부(30)는 3차원 직조물(24)에 열경화성 수지를 함침시킨 후, 경화시키는 공정이 이루어지는 부분으로서, 3차원 직조물(24)에 열경화성 수지를 함침시키는 저온 함침조(31)와, 주름형 복합재 스프링의 중간 단계 제품(25)의 3차원 직조물(24)에 함침된 열경화성 수지를 가열하여 가교시키는 연속 공정 오븐(32)을 포함한다.
상기 열경화성 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르 수지중 선택된 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 인발성형부(30)는 저온함침조(31)에 의하여 열경화성 수지가 함침되고, 연속 공정 오븐(32)에 의해 경화된 제품을 적절한 길이로 절단하는 절단기(33)를 포함한다.
이때, 상기 저온 함침조(31)는 효과적인 함침 및 수지 손실을 줄이기 위해 주름형 복합재 스프링 중간 단계 제품(25)을 회전시키면서 스프레이 형태로 분사하거나, 샤워 형식으로 수지를 특정 위치에서 살포하는 방식을 취할 수 있다.
따라서, 상기 인발성형부(30)의 저온 함침조(31)에서 3차원 직조물(24)에 열경화성 수지가 함침되는 단계와, 연속 공정 오븐(32)에서 주름형 복합재 스프링의 중간 단계 제품(25)의 3차원 직조물(24)에 함침된 열경화성 수지가 가열 및 가교되는 단계와, 경화된 제품을 절단기(33)에서 적절한 길이로 절단하는 단계를 통하여, 본 발명에 따른 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링이 완성된다.
한편, 상기한 공정 간에 제품을 일정한 속도로 이송시킬 수 있는 당김 및 회전장치(27, puller)가 브레이딩부(20)의 말단부에 설치되고, 또한 동일한 당김 및 회전장치(34)가 인발성형부(30)의 연속 공정 오븐(32)과 절단기(33) 사이에 설치된다.
보다 상세하게는, 상기 당김 및 회전장치(27,34)는 제품의 이송방향과 동일하게 회전하는 한 쌍의 롤러가 상하에 배치된 형태로서, 롤러의 회전력에 의하여 제품이 이송방향으로 당겨지며 이송 안내되도록 함으로써, 공정 간에 제품을 일정한 속도로 이송시킬 수 있다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링은 도 2에 도시된 바와 같이, 탄성체 역할을 하는 열가소성 수지로 된 프리폼(15)이 내층을 이루고, 외층에는 프리폼(15)에 직조된 3차원 직조물(24)이 형성되는 동시에 3차원 직조물(24)이 열경화성 수지로 함침된 형태의 구조를 갖게 된다.
여기서, 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
실시예
본 발명에 따른 주름형 플라스틱 복합재 스프링를 제조한 것으로서, 내층 소재(열가소성 탄성체)는 TPE-V 계통의 Santoprene101-87로 사용하고, 외층 소재는 유리섬유를 활용한 3축(triaxial, 0°, ±45°)브레이딩 직조 패턴을 갖는 3차원 직조물로 형성되는 동시에 상온(25℃)의 저온 함침조에서 3차원 직조물에 에폭시 수지를 함침시킨 후, 연속 공정 오븐에서 175℃, 30분 동안 유지시켜 제조하였다.
비교예 1~4
비교예 1로서, 통상의 강철 코일형 스프링을 제작하였고, 비교예 2로서 열경화성 수지와 유리섬유를 이용하여 코일형 스프링을 제작하였으며, 또한 비교예 3으로서 열경화성 수지와 탄소섬유를 이용하여 코일형 스프링을 제작하였고, 비교예 4로서 열경화성 수지와 유리/탄소섬유를 이용하여 코일형 스프링을 제작하였다.
시험예
본 발명의 실시예 및 비교예1~4에 따른 스프링에 대한 스프링 상수를 측정하였는 바, 그 결과는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
위의 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 주름형 복합재 스프링의 스프링 상수는 1.76kgf/mm로 측정되었으며, 비교예1~4중 비교예1의 강철 재질 코일형 스프링의 스프링 상수가 1.42kgf/mm로 가장 높게 측정되었지만, 본 발명의 스프링에 비하여 낮은 수준을 나타냄을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 주름형 복합재의 내층을 절연 및 댐핑 성능이 우수한 탄성재질의 열가소성 수지재로 적용하고, 외층은 고강성 복합재로서 열경화성 수지가 함침된 3차원 직조물로 구성함으로써, 내층은 진동 및 소음 절연과 댐핑 특성을 발휘하고, 외층은 치핑 저항성, 내구성 및 구조적 강성을 가지면서 스프링 상수를 높게 하는 특성을 발휘할 수 있다.
한편, 첨부한 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 주름형 플라스틱 복합재 스프링은 기존 금속 코일형 스프링과 달리 더스트 커버와 상, 하 스프링패드 등의 부품을 사용하지 않게 되므로, 부품 비용 절감 및 조립공정 축소를 실현할 수 있다.
10 : 주름압출성형부 11 : 스크류
12 : 냉각장치 13 : 압출기
14 : 회전형 금형 블록 15 : 프리폼
20 : 브레이딩부 21 : 테이블
22 : 캐리어 23 : 원사
24 : 3차원 직조물 25 : 중간 단계 제품
27 : 당김 및 회전장치 30 : 인발성형부
31 : 저온 함침조 32 : 연속 공정 오븐
33 : 절단기 34 : 당김 및 회전장치
12 : 냉각장치 13 : 압출기
14 : 회전형 금형 블록 15 : 프리폼
20 : 브레이딩부 21 : 테이블
22 : 캐리어 23 : 원사
24 : 3차원 직조물 25 : 중간 단계 제품
27 : 당김 및 회전장치 30 : 인발성형부
31 : 저온 함침조 32 : 연속 공정 오븐
33 : 절단기 34 : 당김 및 회전장치
Claims (12)
- 중공 주름형 구조의 프리폼을 성형하는 주름압출성형부(10)와;
프리폼 위에 3차원 직조물을 직조하는 브레이딩부(20)와;
3차원 직조물에 열경화성 수지를 함침시킨 후 경화시키는 인발성형부(30);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 주름압출성형부(10)는:
열가소성 고분자 재료의 이송 및 교반수단인 스크류(11)와;
열가소성 고분자 재료를 주름형태의 프리폼(15) 구조로 성형하는 회전형 금형 블록(14)을 포함하는 압출기(13);
로 구성된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 브레이딩부(20)는:
프리폼(15)이 통과하는 홀이 형성된 테이블(21);
테이블(21)의 홀 주변에 장착되어 강도 보강재용 원사(23)를 풀림 가능하게 권취하고 있는 다수개의 캐리어(22);
로 구성된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 인발성형부(30)는:
3차원 직조물(24)에 열경화성 수지를 함침시키는 저온 함침조(31);
3차원 직조물(24)에 함침된 열경화성 수지를 가열하여 가교시키는 연속 공정 오븐(32);
으로 구성된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 인발성형부(30)는 연속 공정 오븐(32)에 의해 경화된 제품을 적절한 길이로 절단하는 절단기(33)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치.
- 청구항 1에 있어서,
제품을 일정한 속도로 이송시킬 수 있는 당김 및 회전장치(27,34)가 브레이딩부(20)의 말단부 및 인발성형부(30)의 연속 공정 오븐(32)과 절단기(33) 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 장치.
- 열가소성 고분자 재료를 압출기(13)의 회전형 금형 블록(14)를 이용하여 주름형태의 프리폼(15)으로 성형 제조하는 단계와;
상기 프리폼(15)의 외경면에 다수개의 원사가 직조된 3차원 직조물(24)을 형성하는 단계와;
상기 3차원 직조물(24)에 열경화성 수지를 함침시킨 후, 경화시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 프리폼을 위한 열가소성 수지는 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), PVC(polyvinylchloride), PET(polyethyleneterephthalte)중 선택된 하나를 사용하고, 상기 열경화성 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르 수지중 선택된 하나를 사용한 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 3차원 직조물(24)의 원사는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 그래파이트 섬유 중 선택된 것임을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 경화시키는 단계 후의 제품을 절단기(33)에서 적절한 길이로 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 10에 따른 장치 및 방법에 의하여 내층 및 외층으로된 2중 단면 구조이면서 중공형 주름 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링.
- 청구항 11에 있어서,
상기 내층은 열가소성 수지로 된 프리폼(15)으로 형성되고, 상기 외층은 프리폼(15)의 외표면에 3차원 직조물(24)이 형성되는 동시에 3차원 직조물(24)에 열경화성 수지가 함침된 형태로 제작된 것임을 특징으로 하는 자동차 서스펜션용 주름형 플라스틱 복합재 스프링.
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