KR20150089051A - 특히 차체용 구조 부품의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 구조 부품(B, B'), 특히 차체용 구조 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 이러한 방법에 따라서, 금속, 열가소성 플라스틱 재료 및/또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 평면 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)가 3차원 부품으로 성형되며, 상기 방법에 따라서 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)는 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 지지 재료(S, S')를 구비함으로써, 캐리어 재료 및 지지 재료는 재료 결합형 재료 복합체를 형성한다. 상기 방법의 제조 단계들의 개수를 감소시키고 방법의 생산성을 높이기 위해, 본 발명에 따라, 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)와 지지 재료(S, S')로 구성되는 재료 복합체는 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)가 3차원 부품(B, B')으로 성형되기 전에 제조되고, 재료 복합체(W)는 열가소성 플라스틱 재료의 성형을 가능하게 하기 위해 성형 전에 가열되고, 재료 복합체의 성형 동안 리브 구조(RS)가 지지 재료(S, S') 내로 스탬핑되며, 리브 구조(RS)를 포함하는 3차원 부품(B, B')은 템퍼링되며, 바람직하게는 냉각된다.

Description

특히 차체용 구조 부품의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING A STRUCTURAL COMPONENT, PARTICULARLY FOR A VEHICLE BODY}
본 발명은 구조 부품, 특히 차체용 구조 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법에서 금속, 열가소성 플라스틱 재료 및/또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 평면 캐리어 재료(flat carrier material)가 3차원 부품으로 성형되며, 캐리어 재료는 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 지지 재료를 구비함으로써, 캐리어 재료와 지지 재료는 재료 결합형 재료 복합체를 형성한다.
구조 부품 개념은 본원의 문맥에서 특히 차량용 경량 부품들 및 지지 부품들을 포함한다.
DE 10 2008 058 225 A1로부터는 혼성 형태로 경량 부품을 제조하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 이 방법의 경우, 아연 도금 철로 구성된, 예컨대 U 프로파일 형태를 가지면서 강판의 성형을 통해 제조된 성형 부품으로서 형성된 본체는, 완성된 경량 부품의 본체가 사출 성형된 열가소성 플라스틱으로 구성된 리브형 보강 구조들을 갖는 방식으로, 열가소성 플라스틱 재료로 후방 사출 성형(back injection molding)된다.
DE 10 2009 042 272 A1은, 리브들을 포함한 플라스틱 소재의 보강 구조를 갖는 금속 박판 소재의 경량 부품, 특히 차체 부품을 개시하고 있으며, 금속 박판은 플라스틱 소재의 보강 층과 재료 결합 방식으로 결합되고, 보강 층은 다시금 플라스틱 소재의 보강 구조와 재료 결합 방식으로 결합된다. 상기 경량 부품의 제조를 위해, DE 10 2009 042 272 A1에서는, 금속 박판이 각각 성형되고, 그런 다음 금형 반부(mold half) 내로 삽입되는 다수의 방법이 제안된다. 보강 층은, 보강 섬유들을 함유한 열가소성 매트릭스를 포함하는 평면 예비 제품(flat pre-product)으로부터 제조된다. 이 경우, 평면 예비 제품은 가열되고, 그런 다음 성형된 금속 박판 상에 도포된다. 보강 구조(리브)의 제조를 위해, 방법의 변형예에서 섬유 보강된 열가소성 플라스틱은 압출되어 가열된 평면 예비 제품 상에 배치된다. 이어서 금형 반부가 안착되고, 두 금형 반부가 상호 간에 압축된다. 방법의 또 다른 변형예에서, 성형되어 금형 반부 내에 삽입된 금속 박판 상에 배치되었던 가열된 예비 제품 상에 금형 반부가 안착되고 두 금형 반부가 상호 간에 압축됨으로써, 먼저 평면 예비 제품은 성형된 금속 박판과 결합된다. 이렇게 평면 예비 제품으로 보강된 금속 박판은 이제 프레스에서 제거되어 사출 성형 금형 내로 삽입된다. 그런 다음, 보강 리브들의 제조를 위해, 압출된 섬유 보강된 열가소성 플라스틱은 사출 성형 금형 내에서 평면 예비 제품으로 보강된 금속 박판 상에 사출된다.
혼성 형태로 경량 부품들을 제조하기 위한 상기 공지된 방법들은 상대적으로 많은 제조 단계 또는 복수의 공정의 조합을 요구한다.
본 발명의 과제는, 종래 기술로부터 출발하여, 상대적으로 적은 제조 단계들을 필요로 하면서 상대적으로 높은 생산성을 제공하는, 초반에 언급한 유형의 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제의 해결을 위해, 청구항 제1항의 특징들을 갖는 방법이 제안된다.
본 발명에 따른 방법은, 캐리어 재료가 3차원 부품으로 성형되기 전에 캐리어 재료와 지지 재료로 이루어진 재료 복합체가 제조되고, 재료 복합체는 열가소성 플라스틱 재료의 성형을 가능하게 하기 위해 성형 전에 가열되며, 재료 복합체의 성형 동안 리브 구조는 지지 재료 내로 스탬핑되며, 리브 구조를 포함하는 3차원 부품은 템퍼링되는, 바람직하게는 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법은, 열 성형 공정에서 원하는 최종 기하구조를 갖는 완성된 구조 부품으로 추가 가공되는 완전하게 통합된 반제품을 제공한다는 사상에 기초한다. 이 경우, 열 성형 공정은 천공, 절단 및/또는 조정과 같은 통상의 작업 단계들을 포함할 수 있다. 그에 상응하게, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 구현예에 따르면, 리브 구조를 포함하는 부품은 절단되고, 천공되고, 그리고/또는 최종 윤곽에 맞게 조정된다.
지지 재료 내로 리브 구조를 형성하는 것이 평면 캐리어 재료의 성형과 시간상 병행하여 실행되는 것을 통해, 본 발명에 따른 방법의 경우 제조 단계들의 개수는 대폭 감소된다. 그 결과, 특히 증가된 생산성이 가능해지거나 달성된다.
평면 캐리어 재료로서는, 본 발명에 따른 방법의 경우, 금속 박판, 열가소성 플라스틱 슬래브 또는 평면 재료 및/또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 슬래브 또는 평면 재료[이른바 유기 시트(organo-sheet)]가 이용된다. 이 경우, 캐리어 재료는 단층, 또는 다중층, 특히 이중층 형태로, 또는 샌드위치형 재료로서 형성될 수 있다. 다중층 캐리어 재료의 층들은 바람직하게는 상이한 재료들로, 예컨대 금속과, 섬유 강화부를 포함하거나 포함하지 않은 열가소성 플라스틱 재료로 구성된다. 또한, 본 발명에 따른 방법은, 평면 캐리어 재료가 스트립 재료로서, 또는 블랭크로서, 예컨대 플레이트의 형태로 가공되는, 실시예들을 포함한다.
캐리어 재료는 특히 완성되는 구조 부품의 기하구조(형태)를 정의하는 기능을 갖는다. 이렇게 예컨대 캐리어 재료로서의 금속 박판은 본 발명에 따라 제조되는 구조 부품의 외피를 정의할 수 있다. 또한, 단층 또는 다중층 캐리어 재료는 본 발명에 따라 제조된 구조 부품에 일정한 정도의 강성 및 강도를 부여하지만, 그 정도는 단순히 말하면 구조 부품의 제공되는 사용 목적에 일반적으로 충분하지 않다. 구조 부품의 충분한 강성 및 강도의 보장을 위해, 성형된 캐리어 재료에 보충하여 그 내부에 형성된 리브 구조를 포함하는 지지 재료가 이용된다.
본 발명에 따라 제조된 구조 부품이 높은 에너지 흡수 능력(충격 에너지 흡수 능력)을 갖추도록 하기 위해, 상기 캐리어 재료를 위해 바람직하게는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료(유기 시트)가 이용되며, 캐리어 재료는 단층 형태로, 그러나 다중층 형태로, 특히 샌드위치형의 재료 복합체로서 형성될 수 있으며, 다중층 재료 복합체의 층들 중 하나의 층은 바람직하게는 금속으로, 특히 바람직하게는 강으로, 예컨대 아연 도금 강판으로 구성된다.
본 발명에 따른 방법에서, 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료가 캐리어 재료로서, 또는 금속 이외에 추가의 캐리어 재료로서 이용되는 점에 한해, 캐리어 재료는 무기 및/또는 유기 재료로 이루어진 장섬유, 단섬유 및/또는 연속 필라멘트사를 포함한다. 이 경우, 단섬유는 0.1 내지 1㎜ 범위의 길이를 갖는 섬유를 의미하고, 장섬유는 1㎜ 내지 50㎜ 범위의 길이를 갖는 섬유를 의미하며, 연속 필라멘트사는 50㎜를 상회하는 섬유 길이를 갖는 섬유를 의미한다.
무기 섬유(보강 섬유)란 바람직하게는 유리 섬유, 세라믹 섬유 및/또는 현무암 섬유이다. 그와 반대로 유기 섬유(보강 섬유)는 아라미드 섬유, 나일론 섬유 및/또는 탄소 섬유로 구성된다.
캐리어 재료 또는 지지 재료의 열가소성 플라스틱 재료는 바람직하게는 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르술폰(PES), 아크릴니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 스티렌-아크릴니트릴-코폴리머(SAN), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리에틸렌(PE), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및/또는 이들의 혼합물들이다. 바람직하게는 본 발명에 따른 방법에서 이용되는 열가소성 플라스틱 재료는 80℃ 이상, 특히 바람직하게는 100℃ 이상의 내온성을 갖는다.
열가소성 플라스틱 지지 재료는, 각각의 적용 사례에 따라서 제조할 리브 두께 및/또는 리브 크기에 상응하게 치수 설계되는, 바람직하게는 평면의 단층 또는 다중층 캐리어 재료의 두께의 적어도 2배, 특히 바람직하게는 적어도 3배인 층 두께로 평면의 단층 또는 다중층 캐리어 재료 상에 도포된다.
지지 재료는 복수의 층으로 캐리어 재료 상에 도포될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 추가 구현예는, 상이한 재료 조성, 상이한 면적 크기 및/또는 상이한 층 두께를 갖는 지지 재료의 층들이 캐리어 재료 상에 도포되는 것을 특징으로 한다. 이런 방식으로, 본 발명에 따라 제조되는 재료 복합체(반제품)로부터 부품 중량이 상대적으로 낮은 조건에서 최적화된 충격 에너지 흡수 성능 또는 최적화된 강성을 갖는 구조 부품들이 제조된다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 구현예는, 지지 재료가 캐리어 재료의 정의된 부분 면적 영역 상에 도포되는 것을 특징으로 한다. 이런 구현예도 부품 중량이 상대적으로 낮거나 최소화된 조건에서 구조 부품의 강성 및/또는 그 충격 에너지 흡수 성능의 최적화를 위해 바람직하다. 이를 위해, 본원의 방법의 추가 구현예에 따라서, 캐리어 재료의 다양한 부분 면적 영역들 상에 상이한 재료 조성 및/또는 상이한 층 두께를 갖는 지지 재료가 도포된다.
구조 부품의 강성 및/또는 충격 에너지 흡수 성능의 최적화를 위해, 본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 구현예에 따라, 지지 재료는 단일의 스트립의 형태로, 또는 복수의 스트립의 형태로 캐리어 재료 상에 도포될 수 있으며, 더욱 정확하게 말하면, 각각의 스트립이 캐리어 재료의 특정한 부분 면적 영역을 덮는다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 구현예는, 평면 캐리어 재료와 지지 재료로 구성된 재료 복합체의 성형과 부품의 템퍼링이 템퍼링되는 성형 금형에 의해 실행된다는 점에 있다. 성형 금형은 통상적인 "냉간" 금형일 수 있지만, 이 금형은 각각의 필요에 따라서 템퍼링될 수도 있으며, 다시 말하면 능동적으로 냉각될 수 있고 그리고/또는 가열될 수 있다. 그 결과, 본원의 방법의 생산성은 더욱 증가될 수 있다.
특히 높은 생산성은, 특히 본 발명에 따른 방법의 추가 구현예에 따라서, 캐리어 재료와 지지 재료로 구성된 재료 복합체가 연속적인 벨트 러닝 공정에서 제조되고 스트립형 캐리어 재료 및 스트립형 지지 재료가 상호 간에 재료 결합 방식으로 결합될 때 달성된다. 이런 구현예는 특히 길이가 긴 프로파일 형태의 구조 부품들, 예컨대 측면 충격 바, 프런트 및 리어 범퍼, 도어 실(sill) 및/또는 차량 루프 필러의 제조를 위해 적합하다.
연속적인 벨트 러닝 공정에서 제조되는 재료 복합체는 코일로 권취되거나, 플레이트를 형성하기에 적합한 길이로 절단될 수 있으며, 이어서 각각의 코일 또는 플레이트들은 원하는 구조 부품으로 추가 가공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에 따라서, 캐리어 재료와 지지 재료로 구성된 재료 복합체는 비연속적인 적층 및/또는 재료 도포 공정에서 제조되며, 미리 제조된 캐리어 재료 플레이트들 상에는, 각각의 캐리어 재료 플레이트와 이 위에 도포되는 지지 재료 사이에 재료 결합식 결합이 형성되는 방식으로, 적어도 부분적으로 지지 재료가 도포된다. 이런 구현예는, 특히 지지 재료가 캐리어 재료의 하나 또는 복수의 정의된 부분 면적 영역 상에 도포되어야 할 때 바람직하다. 이런 방식으로, 맞춤 제조된 지지 재료 평면 섹션들(블랭크)은 캐리어 재료의 하나 또는 복수의 정의된 부분 면적 영역 상에 도포될 수 있다. 이 경우, 맞춤 제조된 지지 재료 평면 섹션들은 그 형태(기하구조), 층 두께 및/또는 재료 특성과 관련하여 상이할 수 있다.
평면 캐리어 재료와 열가소성 플라스틱 지지 재료로 제조되는 재료 복합체(반제품)의 구성은 본 발명에 따른 방법에서 상이한 방식으로 형성되어 있거나 형성될 수 있다. 본원의 방법의 일 구현예에서, 지지 재료는 균질의 평면 층의 형태로 캐리어 재료 상에 도포된다. 이런 구현예는 공정 기술의 측면에서 상대적으로 간단하게 연속적인 벨트 러닝 공정에 의해, 그러나 미리 제조된 플레이트들 또는 슬래브들을 이용하는 경우에는 패칭 및 적층 공정(patching and laminating process)에서 실현된다. 여기서 "패칭" 또는 패칭 공정은 맞춤 절단되거나 맞춤 제조된 지지 재료 패치들의 도포을 의미한다.
본원의 방법의 추가 구현예에 따라서, 지지 재료로서 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료가 이용된다. 이렇게 획득된 재료 복합체(통합된 반제품)로부터 열 성형을 통해 상대적으로 적은 중량과 높은 강성 및 강도를 갖는 구조 부품, 특히 차체 부품이 제조된다. 지지 재료로서 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료의 이용을 통해, 높은 충격 에너지 흡수 능력을 갖춘 구조 부품들, 특히 경량 부품들이 달성된다.
강성 및 강도를 증가시키는, 본 발명에 따라 제조된 구조 부품의 리브 구조는 요건에 적합하게 설계되며, 예컨대 벌집형, 장방형 또는 마름모 구조로서 형성된다. 구조/형태는 적용에 따라 설계되어, 불규칙한 구조들도 선택될 수 있다. 그에 상응하게 형성된 리브 구조는 적은 부품 중량의 조건에서 구조 부품에 높은 강성 및 강도를 부여한다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 구현예는, 리브 구조가 적어도 부분적으로 생장촉진형 리브 구조(auxetic rib structure)의 형태로 스탬핑된다. 생장촉진 구조는, 통상적인 재료들, 특히 종래의 벌집 구조에 대해 반대로 거동하는 횡방향 변형 특성을 갖는다. 그 이유는, 통상적인 재료들 또는 리브 구조들의 경우 양의 인장 하중은 인장 방향으로의 신장과 이와 동시에 인장 방향에 대해 수직인 방향의 수축을 초래하는 반면에, 생장촉진 구조의 경우 단일 방향의 인장 응력은 3개의 모든 공간 방향에서 양의(positive) 길이 변화를 생성하기 때문이다. 생장촉진형 리브 구조의 형성을 통해, 특히 강성, 충격 에너지 흡수 능력, 유연성 및 파괴 강도와 같은 특성들은 매우 바람직한 영향을 받게 된다. 생장촉진형 리브 구조는 특히 열적 좌굴 안정성(dent-stability)의 현저한 증가를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 선호되고 바람직한 구현예들은 종속 청구항들에서 인용된다.
하기에서 본 발명은 다수의 실시예를 도시한 도면을 참조로 더 상세하게 설명된다.
도 1은 평면 캐리어 재료와 열가소성 플라스틱 지지 재료로 구성되는 반제품을 제조하기 위한 설비를 도시한 개략도이다.
도 2는 평면 캐리어 재료와 열가소성 플라스틱 지지 재료로 구성되는 반제품을 제조하기 위한 추가 설비를 도시한 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따라 제조된 반제품들을 각각 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 다른 반제품을 개략적으로 도시한 상면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 제조된 다른 반제품을 각각 개략적으로 도시한 횡단면도 및 상면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따라 제조된 다른 반제품을 각각 개략적으로 도시한 횡단면도 및 상면도이다.
도 8은 본 발명에 따라 제조된 반제품을 열 성형하기 위한 설비를 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조된 반제품을 열 성형하기 위한 다른 설비를 도시한 개략도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따라 제조된 구조 부품들의 다양한 리브 구조들을 각각 개략적으로 도시한 상면도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명에 따라 제조된 2개의 구조 부품을 각각 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1에는, 구조 부품, 특히 차체 부품으로 추가 가공하기 위한 통합된 반제품으로서 본 발명에 따른 재료 복합체를 제조하기 위한 설비가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 설비에서는, 연속적인 벨트 러닝 공정으로 단층 또는 다중층 평면 캐리어 재료와 단층 또는 다중층 열가소성 플라스틱 지지 재료로 구성된 재료 복합체(반제품)(W 또는 W')가 제조된다. 이를 위해, 코일로서 존재하면서 소성 변형 가능한 스트립형 캐리어 재료(T1), 바람직하게는 금속 박판, 예컨대 아연 도금 강 스트립은 코일에서 권출되어 벨트 프레스(P)에 공급된다. 평면 캐리어 재료(T1) 상에는 경우에 따라 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 제2 캐리어 재료 층(T2)이 도포될 수 있다. 캐리어 재료들(T1, T2)의 언급한 조합 외에도, 상기 캐리어 재료들은 개별적으로 캐리어 재료들(T1 또는 T2)로서도 적용될 수 있다. 상기 제2 캐리어 재료 층(T2)은 마찬가지로 코일로서 존재할 수 있다. 도면부호 "1"은 가열 장치, 예컨대 복사 히터(radiant heater)를 표시하며, 이 복사 히터에 의해 캐리어 재료 층(T1)과 재료 결합 방식으로 결합될 제2 캐리어 재료 층(T2)의 면이 가소화되거나 겔화된다. 그러나 본 발명의 범위에서 바람직하게는 금속 박판으로 구성된 제1 캐리어 재료 층(T1) 상으로 직접 제2 캐리어 재료 층(T2)을 압출할 수 있다.
또한, 바람직하게는 금속 스트립 또는 금속-플라스틱 재료 복합체인 단층 또는 다중층 캐리어 재료 스트립(T1, T2) 상에 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)도 도포된다. 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)는 도시된 실시예에서 마찬가지로 권취된 스트립(코일)으로서 존재한다. 도면부호 "2"는, 다시, 캐리어 재료 스트립(T1, T2)과 재료 결합 방식으로 결합될 지지 재료 스트립(S)의 면을 가소화하거나 겔화하는 가열 장치를 나타낸다.
스트립들(T1, T2, S)은 편향 롤 또는 가이드 롤들에 의해 함께 안내되고 벨트 프레스(P) 내로 유입되어 이 벨트 프레스에서 상호 간에 압축되어 스트립형 재료 복합체(W)를 형성한다. 이를 위해, 벨트 프레스(P)는 가열된 롤들(3) 및 이송 방향으로 상기 롤들(3)에 후행하는 냉각 장치를 포함한다. 냉각 장치는 벨트 프레스 내에 배치되는 예컨대 냉각된 압착 롤들(4)을 포함한다. 열가소성 플라스틱 지지 재료 스트립(S) 또는 캐리어 재료(T1, T2) 상에 도포된 지지 재료(S)의 두께는 적용에 적합하게 설계되며 예컨대 단층 또는 다중층 캐리어 재료 스트립(T1, T2)의 두께의 수배이다. 예컨대 캐리어 재료 스트립(T1 및/또는 T2)의 두께는 0.5 내지 1.5㎜의 범위이며, 그에 반해 열가소성 플라스틱 지지 재료로 이루어진 스트립(S)의 두께는 4 내지 8㎜의 범위이다.
연속적인 벨트 러닝 공정에서 제조되는 스트립형 재료 복합체(W)는 코일(C)로 권취되거나, 절단 장치(5)에 의해 특정 길이의 플레이트들(D)로 절단된다. 그에 따라, 코일(C) 또는 플레이트들(D)은, 후속하여 리브 구조를 포함하는 3차원 구조 부품, 예컨대 차체 부품으로 가공되도록 하기 위해, 통합된 반제품(W, W')으로서 제공된다. 통합된 반제품(W, W')의 추가 가공, 다시 말하면 구조 부품의 제조는 하기에서 도 8 및 도 9에 도시된 실시예들에 따라서 설명된다.
도 2에는, 구조 부품, 특히 차체 부품으로 추가 가공을 위한 통합된 반제품(W')으로서 본 발명에 따른 재료 복합체를 제조하기 위한 설비의 다른 예시가 도시되어 있다. 도 2에 개략적으로 도시된 설비에서는, 금속 및/또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료(유기 시트)로 이루어진 미리 제조된 플레이트들 또는 슬래브들(T3)이 비연속적인 패칭 및 적층 공정에서 열가소성 플라스틱 지지 재료(S')로 코팅된다. 이렇게 제조된 재료 복합체는, 그에 상응하게 금속 및/또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 단층 또는 다중층 평면 캐리어 재료(T3)와, 단층 또는 다중층 열가소성 플라스틱 지지 재료(S')로 구성된다.
플레이트들 또는 슬래브들(T3)은 예컨대 상응하는 코일(C2)의 권출 및 맞춤 절단을 통해 제조되며, 이어서 트랜스퍼 장치(6), 바람직하게는 로봇에 의해, 각각의 플레이트 또는 슬래브(T3) 상에 열가소성 플라스틱 지지 재료(S')가 도포되는 처리 스테이션으로 이송된다. 이 경우, 지지 재료(S')는 단층 또는 다중층 형태로 도포될 수 있다. 도시된 실시예에서, 지지 재료(S')의 도포는 하나 이상의 압출 장치에 의해 수행된다. 압출 장치는 이를 위해 바람직하게는 플레이트/슬래브에 상대적으로 이동 가능한 하나 이상의 도포 헤드(압출기 배출구)(7)를 포함한다. 처리 스테이션은 예컨대 플레이트/슬래브(T3)를 수용하기 위한 컨베이어 벨트(8)를 포함할 수 있고, 도포 헤드(7)는 이송 방향으로, 그리고 그 후진 방향으로, 그리고/또는 이송 방향에 대해 횡방향으로 이동될 수 있다. 대체되는 방식으로, 하나 이상의 도포 헤드(7)는 상호 간에 횡방향으로 연장되는 다수의 방향으로 이동 가능한 캐리지 상에, 또는 로봇팔 상에 장착될 수도 있다. 그 밖에도, 제2 캐리어 재료 층(중간층)(T4)으로서 섬유 보강된 열가소성 플라스틱을 도포하기 위한 도포 헤드(10)를 포함하는 상응하는 압출 장치도 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 의미에서, 도 2에 도시된 것처럼 캐리어 재료(T3 또는 T4) 상에 열가소성 플라스틱 지지 재료(S')를 직접 압출하는 것 대신, 지지 재료(S')를 하나 또는 복수의 미리 제조된 평면 블랭크(패치)의 형태로 평면 캐리어 재료(T3, T4) 상에 단층 및/또는 다중층으로 도포한다. 이를 위해 설비는, 안착 장치(9), 예컨대 로봇을 구비한 처리 스테이션을 포함하며, 안착 장치/로봇에 의해 내부에 섬유들이 통합되어 있거나 통합되어 있지 않은 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 슬래브들 및/또는 최종 윤곽에 최적화된 패치들(S')이 금속 및/또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 평면 캐리어 재료(T3 또는 T4)의 하나 또는 복수의 사전 설정된 영역 상에 안착된다. 이 경우, 슬래브들 및/또는 최종 윤곽에 최적화된 패치들(S')은 적어도 부분적으로 평면 캐리어 재료(T3 또는 T4)와, 그리고 경우에 따라서는 상호 간에 재료 결합 방식으로 결합됨으로써, 제조되는 재료 복합체의 적층된 플레이트들, 슬래브들(T3, T4) 또는 패치들(S')은 상호 간에 상대적으로 위치 고정된다. 이를 위해, 설비, 바람직하게는 안착 장치(9)는, 열가소성 플라스틱 슬래브들 또는 패치들(S')을 적어도 부분적으로 캐리어 재료(T3 또는 T4)와, 또는 상호 간에 재료 결합 방식으로 결합하는 하나 이상의 가열 또는 용접 부재를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은, 적층된 플레이트들, 슬래브들(T3, T4) 또는 패치들(S')이 가열되고 비연속적으로 작동하는 프레스 내에서 상호 간 압축을 통해 상호 간에 재료 결합 방식으로 결합되어 평면 재료 복합체(통합된 반제품)(W')를 형성하는, 실시예들도 포함한다.
이렇게, 특히 도 1 또는 도 2에 따라서 제조되는, 미리 제조된 재료 복합체 부재들 또는 통합된 반제품들(W')은 팔레트 상에 적재되거나 컨테이너에 수집됨으로써, 다수의 상기 재료 복합체 부재들(W')은 이송 및/또는 보관을 목적으로 수집된다.
도 3 내지 도 7b에는 본 발명에 따라 제조된 반제품들의 다수의 실시예들이 각각 횡단면도 및 상면도로 개략적으로 도시되어 있다.
도 3에 따른 반제품(W)은, 금속 박판, 열가소성 플라스틱 재료, 또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 평면 캐리어 재료(T1)와, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 균질의 평면 지지 재료(S)로 구성된다. 이 경우, 지지 재료(S)를 향해 있는 캐리어 재료(T1)의 면은 지지 재료(S)를 통해 완전하게 덮인다. 지지 재료(S)의 두께는 적용에 적합하게 설계되고 예컨대 캐리어 재료(T1)의 두께의 수배이다. 바람직하게는 평면 지지 재료(S)는 평면 캐리어 재료(T1)보다 3배 이상 더 두껍다. 그러나 평면 지지 재료는 그보다 더 얇을 수도 있다.
도 4에 도시된 반제품(W)은, 금속 박판(T1) 및 열가소성 플라스틱 유기 시트(T2)로 이루어진 이중층 캐리어 재료(T1, T2)와, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 균질의 평면 지지 재료(S)로 구성된다. 이 경우, 유기 시트(T2)는 금속 박판(T1)과 단층 열가소성 플라스틱 지지 재료(S) 사이에 배치된다. 반제품(W)의 3개의 재료 층(T1, T2 및 S)은 서로 동일하게 덮이도록 형성된다. 유기 시트(T2)의 두께는 적어도 금속 박판(T1)의 두께에 상응하지만, 바람직하게 유기 시트(T2)는 금속 박판(T1)보다 훨씬 더 두껍게 설계된다. 예컨대 유기 시트(T2)의 두께는 금속 박판(T1)의 두께의 1.5배 이상이다. 유기 시트(T2)는 도 4에 따른 반제품(재료 복합체)(W)으로 제조되는 구조 부품(B)에 높은 충격 에너지 흡수 능력을 부여한다. 실질적으로 동질로 형성되는 유기 시트(T2)는 보강 섬유들로서 유기 및/또는 무기 장섬유, 단섬유 및/또는 연속 필라멘트사를 포함한다. 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)의 두께는 재차 캐리어 재료(T1, T2)의 두께의 수배일 수 있다. 바람직하게는 평면 지지 재료(S)는 평면의 이중층 캐리어 재료(T1, T2)보다 2배 이상 더 두껍다.
도 5에 개략적으로 도시된 반제품(W')은 마찬가지로 삼중층 형태로 형성된다. 상기 반제품은, 금속 박판(T3)과, 평면 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)과, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 균질의 평면 지지 재료(S)로 구성된다. 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)은 보강 섬유들로서 장섬유, 단섬유 및/또는 연속 필라멘트사를 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예들과 달리, 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)은 금속 박판(T3)을 완전하게 덮는 것이 아니라, 금속 박판(T3)의 정의된 부분 영역만을 덮는다. 이 경우, 부분 영역은 비교적 넓고 비교적 좁은 표면 섹션들을 포함하는 비대칭형 형태를 가질 수 있다. 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4) 상에 배치되는 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)는 마찬가지로 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)의 정의된 부분 영역을 덮는다.
또한, 본 발명의 범위에서, 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)이 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)로 채워지거나 채워져 있는 하나 또는 복수의 절개부(리세스부)를 포함하는 방식으로 도 5에 따른 반제품(W')을 형성한다. 또한, 본 발명은, 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)가 중간층(T4) 없이 금속 박판(T3) 상에 도포되고, 지지 재료(S) 내에 하나 또는 다양한 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)으로 채워지거나 채워져 있는 하나 또는 복수의 절개부(리세스부)가 제공되는, 실시예들도 포함한다.
또한, 도 5에는, 반제품(W')이 캐리어 재료 또는 금속 박판(T3)을 절단하는 것을 통해 차후에 제조될 구조 부품의 윤곽에 매칭되며, 섬유 보강된 열가소성 플라스틱으로 이루어져 금속 박판(T3) 상에 도포되는 패치(T4)뿐만 아니라, 그 위에 도포되는, 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)로 이루어진 패치가 금속 박판(T3)의 절단 윤곽(K) 또는 제조될 구조 부품의 최종 윤곽에 매칭되는, 본 발명에 따른 방법의 일 구현예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우, 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)의 윤곽은 예컨대 금속 박판(T3)의 윤곽(절단 윤곽)(K)에 대해 거리를 두고 연장된다. 절단 스크랩으로서 폐기되는 금속 박판의 영역은 도면부호 "V"로 표시되어 있다. 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)은 금속 박판(T3)의 절단 후에 도 5에서 예컨대 외주를 따라 연장되는 방식으로 형성된 덮이지 않는 에지 스트립(R)을 범위 한정한다.
열가소성 플라스틱 지지 재료(S)로 이루어진 패치는 도 5에 도시된 실시예에서 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4) 또는 금속 박판(T3)의 상대적으로 작은 표면만을 덮는다. 그에 따라, 대개 이를 국소적 열가소성 플라스틱 패치라고 말할 수 있다. 그러나 마찬가지로 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)로 이루어진 패치(SP)는 필요에 따라서 자신의 윤곽이 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T4)의 윤곽(K')에 대해 실질적으로 평행하게, 그리고/또는 금속 박판(T3)의 절단 에지(K)에 대해 평행하게 연장되도록 형성될 수도 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 반제품(W)은, 금속 박판(T1)으로 이루어진 이중층 캐리어 재료와, 열가소성 플라스틱 유기 시트(T2)와, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 균질의 평면 지지 재료(S)로 구성되며, 지지 재료(S)는, 캐리어 재료의 부분 면적 영역을 덮는 연속적인 스트립의 형태로 평면 캐리어 재료(T1, T2) 상에 도포된다. 여기서 도시된 실시예에서, 지지 재료(S)는 유기 시트(T2) 또는 이중층 캐리어 재료(T1, T2)의 덮이지 않은 2개의 에지 스트립(R1, R2)을 범위 한정한다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 반제품(W)은, 마찬가지로 금속 박판(T1)과, 열가소성 플라스틱 유기 시트(T2)와, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 균질의 평면 지지 재료(S)로 구성된다. 본 실시예의 경우, 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(유기 시트)(T2)도 연속적인 스트립의 형태로 금속 박판(T1) 상에 도포된다. 그에 따라, 유기 시트(T2)는 금속 박판(T1)의 덮이지 않은 2개의 에지 스트립(R3, R4)을 범위 한정하며, 그에 반해 스트립 형태로 도포된 지지 재료(S)는 유기 시트(T2)의 덮이지 않은 2개의 연속적인 에지 스트립(R1, R2)을 범위 한정한다.
도 5 및 도 6a 내지 도 7b에 도시된 반제품들(W, W')은 이런 반제품들로 제조될 구조 부품들과 관련하여 최종 윤곽에 최적화되거나 최종 기하구조에 최적화된 반제품들이다.
본 발명에 따라 제조되는 반제품들(W, W')은, 열 성형 공정에서 추가 가공되어 3차원으로 성형된 구조 부품들(B)을 형성한다. 이와 동시에, 성형 공정 동안, 리브 구조(RS)가 열가소성 플라스틱 지지 재료(S) 내로 스탬핑된다. 이를 위해, 반제품(W, W')은 성형 금형 내로 공급되기 전에 가열됨으로써, 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)[그리고 경우에 따라 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T2 또는 T3)]는 소성 성형되어 리브 구조(RS)가 제조된다(또는 제조될 수 있다).
도 8에는, 스트립형 반제품(W)을 열 성형하고 동시에 리브 구조(RS)를 스탬핑하기 위한 설비가 개략적으로 도시되어 있다. 스트립형 반제품(W)은 예컨대 도 1에 따른 연속적인 벨트 러닝 공정에서 제조되어 코일(C)로 권취되어 있을 수 있다. 스트립형 [경우에 따라 코일(C)로부터 권출된] 반제품(W)은 가열 장치(11), 예컨대 연속 러닝 오븐에 의해, 열가소성 플라스틱 재료(S)의 후속하는 성형을 위해 충분한 온도로 가열된다. 그런 다음, 가열된 반제품(W)은 성형 금형 내로 삽입된다. 도 8에 개략적으로만 도시된 성형 장치는 연속해서 작동되는 성형 장치로서 형성되고, 이 성형 장치에 의해 반제품(W)은 롤 성형을 통해 예컨대 L자, Z자 또는 U자 프로파일로 성형되며, 이와 동시에 하나 이상의 구조화된 스탬핑 롤(구조 롤)(12)에 의해 리브 구조(RS)가 가열된 열가소성 플라스틱 지지 재료 내에 형성된다. 이렇게 제조된 프로파일은 성형 장치에서 냉각된다. 이를 위해, 바람직하게는 성형 롤들(13) 및/또는 스탬핑 롤들(구조 롤들)(12) 중 하나의 롤은 하나 또는 복수의 템퍼링 덕트(미도시)를 구비할 수 있다. 대체되거나 추가되는 방식으로, 프로파일은 이송 방향으로 성형 또는 스탬핑 롤들(13, 12)의 하류에서 예컨대 냉각 매체, 바람직하게는 기상 냉각 매체를 공급받을 수 있다. 또한, 프로파일은 도 8에 개략적으로 도시된 설비 내에서 여전히 절단되고, 천공되고, 최종 윤곽에 맞게 조정되고, 그리고/또는 맞춤 길이로 절단될 수 있다. 이를 위해 필요한 절단 및/또는 천공 공구들은 도 8에 예시로서 절단 블레이드(14)로서만 도시되어 있다.
도 9에는, 플레이트들(D)의 형태로 사전 제조되어 있는 본 발명에 따라 제조되는 반제품들(W')을 열 성형하기 위한 설비가 도시되어 있다. 플레이트들(D)은 예컨대 도 1에 따른 연속적인 벨트 러닝 공정에서, 또는 도 2에 따른 비연속적인 패칭 및 적층 공정에서 제조되어 있을 수 있다.
플레이트들(D)은 맨 먼저 열가소성 플라스틱 재료의 후속하는 성형을 위해 충분한 온도로 가열된다. 이는 예컨대 연속 러닝 오븐 또는 복사 가열 장치(11')에 의해 실행된다. 그런 다음, 가열된 플레이트(D)는 성형 프레스(15) 내로 삽입된다. 성형 금형들(15.1, 15.2)의 성형 표면은 제조할 구조 부품(B)의 윤곽에 상응하게 형성된다. 또한, 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)에 할당된 성형 금형(15.1)은 지지 재료(S) 내에 형성될 리브 구조(RS)의 음형(16)을 포함한다. 가열되어 성형 프레스 내에서 제조되는 구조 부품(B)은 프레스(15) 내에서 템퍼링되며 예컨대 냉각된다. 이를 위해, 성형 금형들(15.1, 15.2) 중 하나 이상의 성형 금형, 바람직하게는 적어도 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)에 할당된 성형 금형(15.1)은 템퍼링 덕트들(17)을 포함한다. 또한, 각각의 적용에 따라서, 통상적인 "냉간" 성형 금형도 이용될 수 있다.
열가소성 플라스틱 지지 재료(S) 내에 형성되는 리브 구조(RS)는 본 발명에 따라 제조되는 구조 부품(B)의 강성 및 그 강도를 증가시킨다. 리브 구조(RS)는 바람직하게는 적어도 부분적으로 벌집형(도 10), 상자형(도 11) 및/또는 생장촉진형 리브 구조(도 12)의 형태로 열가소성 플라스틱 지지 재료(S) 내에 형성된다. 상자형 리브 구조는, 바람직하게는 상이한 크기이면서 특히 실질적으로 장방형인 상자들을 포함한다(도 11 참조).
원칙상, 그러나 도면에 도시된 실시예들에는 도시되어 있지 않은 사항으로, 본 발명의 범위에서, 제조된 부품에 이른바 "기능 통합"을 제공하며, 다시 말하면 예컨대 나사들, 너트들, 인서트들 등과 같은 인레이들(inlay)이 금형 내에 포지셔닝되고 이어서 성형 공정에서 지지 재료에 의해 수용되며("사출 성형으로 캡슐화되며"), 그 결과로 힘 결합 및 형태 결합이 수행된다. 언급한 리브 구조들 외에도, 국소적으로 예컨대 나사 체결 돔부(screw-on dome)도 지지 재료로부터 성형될 수 있다.
도 13 및 도 14에는, 본 발명에 따라 제조된 2개의 구조 부품이 개략적으로 도시되어 있다. 도 13에 도시된 구조 부품(B')은, 캐리어 재료(T)로서의 금속 박판 또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱으로 이루어진 단층 셸(shell)과, 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)로 이루어진 리브 구조(RS)를 포함한다. 이와 반대로, 도 14에 도시된 구조 부품(B)은, 캐리어 재료(T)로서의 금속 박판(T1) 및 섬유 보강된 열가소성 플라스틱(T2)으로 이루어진 이중층 셸과, 마찬가지로 열가소성 플라스틱 지지 재료(S)로 이루어진 리브 구조(RS)를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 정적 및/또는 동적 하중의 대상이 되는 구조 부품들, 특히 차량 부품들, 예컨대 측면 충격 바, 범퍼, 도어 실, 보강 시트, 루프 필러와, 예컨대 안쪽에 보강 구조를 포함한 도어 외피 및 내부 구조가 통합된 엔진 후드와 같은 차량 외피 부품들이 제조된다.

Claims (14)

  1. 구조 부품(B, B'), 특히 차체용 구조 부품을 제조하기 위한 방법이며, 금속, 열가소성 플라스틱 재료 및/또는 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 평면 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)가 3차원 부품으로 성형되고, 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)는 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 지지 재료(S, S')를 구비함으로써, 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)와 지지 재료(S, S')가 재료 결합형 재료 복합체(W, W')를 형성하는, 구조 부품 제조 방법에 있어서,
    캐리어 재료(T1, T2, T3, T4)와 지지 재료(S, S')로 구성되는 재료 복합체는 캐리어 재료가 3차원 부품(B, B')으로 성형되기 전에 제조되고, 재료 복합체는 열가소성 플라스틱 재료의 성형을 가능하게 하기 위해 성형 전에 가열되고, 재료 복합체(W, W')의 성형 동안 리브 구조(RS)가 지지 재료(S, S') 내로 스탬핑되며, 리브 구조(RS)를 포함하는 3차원 부품(B, B')은 템퍼링되는, 바람직하게는 냉각되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 재료 복합체(W)의 성형 및 부품(B, B')의 템퍼링은 템퍼링되는 성형 금형(15.1, 15.2)에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 리브 구조(RS)를 포함하는 부품은 절단되고, 천공되고, 그리고/또는 최종 윤곽에 맞게 조정되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리어 재료와 지지 재료로 구성된 재료 복합체(W)는 연속적인 벨트 러닝 공정에서 제조되며, 스트립형 캐리어 재료(T1, T2)와 스트립형 지지 재료(S)는 상호 간에 재료 결합 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리어 재료와 지지 재료로 구성된 재료 복합체는 비연속적인 적층 및/또는 재료 도포 공정에서 제조되며, 미리 제조된 캐리어 재료 플레이들(T3) 상에는, 각각의 캐리어 재료 플레이트(T3)와 이 위에 도포되는 지지 재료(S') 사이에 재료 결합식 결합이 형성되는 방식으로, 적어도 부분적으로 지지 재료(S')가 도포되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 재료(S, S')는 균질의 평면 층의 형태로 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4) 상에 도포되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 재료(S)로서 섬유 보강된 열가소성 플라스틱 재료가 이용되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 재료(S, S')는 캐리어 재료(T2, T4)의 하나 또는 복수의 정의된 부분 면적 영역 상에 도포되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 캐리어 재료(T2, T4)의 다양한 부분 면적 영역들 상에 상이한 재료 조성 및/또는 상이한 층 두께를 갖는 지지 재료(S, S')가 도포되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 재료(S)는 단일의 스트립의 형태로, 또는 복수의 스트립의 형태로 상기 캐리어 재료(T2) 상에 도포됨으로써, 각각의 스트립은 상기 캐리어 재료(T2)의 부분 면적 영역을 덮는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 재료(S, S')는 복수의 층으로 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4) 상에 도포되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상이한 재료 조성, 상이한 면적 크기, 및/또는 상이한 층 두께를 갖는 지지 재료(S, S')의 층들은 캐리어 재료(T1, T2, T3, T4) 상에 도포되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 리브 구조(RS)는 적어도 부분적으로 생장촉진형 리브 구조의 형태로 스탬핑되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 리브 구조(RS)는 적어도 부분적으로 벌집형 리브 구조의 형태로 스탬핑되는 것을 특징으로 하는, 구조 부품 제조 방법.
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