KR20180123219A - 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 재료 연속성 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하거나 분리하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 재료 연속성 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하거나 분리하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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metal
component
heating
plunger
temperature
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KR1020187030515A
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English (en)
Inventor
모리스 랑거
아넷 클로츠바흐
로버트 파우츠쉬
Original Assignee
프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
테크니셰 유니베르시테트 드레스덴
테크니셰 유니베르시테트 드레스덴
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    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/03—After-treatments in the joint area
    • B29C66/034—Thermal after-treatments
    • B29C66/0342—Cooling, e.g. transporting through welding and cooling zone
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    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/05—Particular design of joint configurations
    • B29C66/20—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines
    • B29C66/21—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines said joint lines being formed by a single dot or dash or by several dots or dashes, i.e. spot joining or spot welding
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    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/349—Cooling the welding zone on the welding spot
    • B29C66/3494—Cooling the welding zone on the welding spot while keeping the welding zone under pressure
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    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
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Abstract

본 발명은 재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하거나 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 연결부를 분리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 함께 결합되는 컴포넌트는 카운터홀더 및 플런저를 갖는 가압 장치에 의해 함께 가압될 수 있다. 가열 장치는 플런저 및/또는 카운터 홀더에 마련되거나 거기에서 작용한다. 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 가열은 폴리머로부터 또는 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 연화 온도 이상으로 가열 장치에 의해 달성되며, 가열 장치는 전기 절연, 바람직하게 세라믹 보호 필름으로 덮인 적어도 하나의 전기 저항 가열 요소를 가지며, 및/또는 결합 영열 내의 금속 컴포넌트(들)로 향하는 적어도 하나의 레이저 빔을 가지고, 및/또는 금속 컴포넌트(들)의 유도 가열을 위해 플런저 및/또는 카운터홀더에 존재하는 적어도 하나의 인덕터를 갖는다.

Description

적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 재료 연속성 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하거나 분리하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트와 열가소성 폴리머로부터 또는 이에 의해 형성된 컴포넌트의 재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하거나 분리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 로봇에 의해 안내되는 용접 집게(robot-guided welding tongs)의 도움으로 수행되는 저항 용접은 자동차 산업에서 본체 컴포넌트를 서로 연결하는 일반적인 방법이다. 대향 배치된 2개의 전극은 함께 가압되고, 안정적인 연결을 돕는 전류 흐름 동안 및 이후의 압력으로 전류 흐름이 줄 효과(Joule effect)로 인해 용융되는 전기 전도성 재료를 통해 개시된다. 용접 시임(weld seam)은 용융된 컴포넌트가 다시 응고될 때 생성된다.
금속 및 열가소성 재료 또는 열가소성 복합 재료의 조합은 복합 재료의 낮은 중량 및 특정의 높은 강도가 유리하게 금속의 특성을 보완하기 때문에 점차적으로 구조적 경량 구조에서 점점 더 중심적인 역할을 한다. << 30초의 공정 시간으로 이러한 이종 물질을 결합시키는 대규모 산업적 사용에 적합한 방법을 개발하는 것은 이전의 문제여서, 연결에 즉각적인 스트레스, 예를 들어 접착제 결합된 컴포넌트의 범위 내 또는 그 이상의 결합 강도를 갖는 물질의 흐름을 실현하는 것이 다음 작업 단계에서 실현될 수 있다. 재료의 서로 다른 물리적 구조와 서로 다른 열팽창 계수는 여기에서 특별한 접합 과정을 필요로한다.
금속 컴포넌트를 열가소성 재료 또는 열가소성 복합 재료와 구조 경량 구조로 연결하는 이전의 접근법은 적절한 접착제를 사용하여 재료를 결합하는 것을 포함한다. 이를 위해서는 접착 지점의 시간 집약적이며 비용 집약적인 준비, 추가 재료 (접착제) 사용의 필요성, 일반적으로 수 분에서 최대 수 시간의 경화 시간 관찰이 필요하다.
추가의 접근법은 금속판이 열가소성 또는 열경화성 유기 시트와 번갈아 적층되고 고온 및 고압에서 불연속 접합 프레스에 의해 연속적으로 서로 연결되는 금속-열가소성 반제품을 포함한다. 소위 핫 프레싱 hot pressing)은 섬유 복합 패치가 도포된 미리 사전 성형된 금속 컴포넌트에도 마찬가지로 사용된다.
인-몰드 공정(in-mold process)은 플라스틱이 사출 성형 공정에서 금속에 직접 주입되거나 금속 컴포넌트가 오버 몰드되는 개별 컴포넌트에 대해서도 확립되었다. 그러나 플라스틱은 사출 성형 기계에서 가공되어야 하기 때문에 컴포넌트 형상 및 소재 선택의 유연성에는 상당한 한계가 있다.
나사 결합 및 리벳팅과 같은 기계적 접합 공정은 섬유 강화 플라스틱(fiber reinforced plastics; FRP)에서의 붕괴된 힘의 흐름으로 국부적인 단면 감소를 초래함에 따라 재료 특성을 실질적으로 저하시킨다.
상기 접근은 비용 및 특히 생산 시간이 여전히 매우 높기 때문에 제한적으로 산업적 용도에만 적합했다. 컴팩트한 열가소성 공구 또는 그러한 장치가 제공될 수 있는 경우, 접착제와 같은 추가 재료를 사용하지 않고 직접 열 접합을 간단히 통합하는 것은 산업 생산 공정에서만 실현될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 단축된 사이클 타임에서 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트과 적어도 하나의 금속 컴포넌트의 안전한 연결부를 형성하거나 분리할 수 있는 가능성을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 장치에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 제조 방법은 청구항 7에 의해 정의된다. 본 발명의 유리한 실시예 및 추가 전개는 종속항에 지정된 특징을 사용하여 실현될 수 있다.
적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성 또는 분리하기 위한 본 발명에 따른 장치에서, 함께 결합되는 컴포넌트는 카운터홀더(counterholder) 및 플런저(plunger)를 갖는 가압 장치에 의해 서로 가압되거나 당겨질 수 있다.
가열 장치는 플런저 및/또는 카운터홀더에 마련된다. 가열 장치를 사용하여, 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 적어도 부분 가열이 연화 온도 이상 및 선택적으로 폴리머로부터 또는 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 분해 온도 이하에서도 달성될 수 있는 효과를 갖는다. 적어도 결합 중에 분해 온도를 초과해서는 안된다.
가열 장치는 다음의 3가지 대안 중 적어도 하나의 형태로 구성된다.
- 가열 장치는 전기 절연 보호 필름, 바람직하게 세라믹 보호 필름으로 덮인 적어도 하나의 전기 저항 가열 요소를 갖는다.
- 적어도 하나의 레이저 빔은 바람직하게는 레이저 방사를 위해 투명하고 플런저 및/또는 카운터 홀더의 필수 부분인 요소를 통해 결합 영역 내의 금속 또는 세라믹 컴포넌트(들) 상으로 향한다. 그러나 바람직하게는 개별적으로 제어 가능한 복수의 레이저 빔 소스의 어레이 배열에 의해 금속 또는 세라믹 요소의 표면상으로 향할 수 있는 다수의 레이저 빔이 또한 사용될 수 있다.
- 가열 장치는 금속 컴포넌트의 유도 가열을 위해 플런저에 및/또는 카운터 홀더 옆에 있는 적어도 하나의 인덕터(inductor)를 갖는다.
따라서, 복수의 전기 저항 가열 요소가 개별적으로 제어 가능하고, 가열 속도는 바람직하게는 각각 500K/s 이상으로 달성될 수 있는 선형, 직사각형 또는 환형 전기 저항 가열 부재 또는 원형 링 세그먼트 형상의 전기 저항 가열 부재의 형태로 각각 구성될 수 있다는 점에서, 금속 또는 세라믹 컴포넌트(들)의 국부적으로 한정된 가열은 가열 장치에 의해 결합 영역에서 달성될 수 있으며, 불균일한 열 도입으로 인해 결합 영역 내의 접합 파트너 사이의 경계면에서 적어도 균일한 온도장이 달성될 수 있다.
하기에서 각각 명명된 두 가지 가능성 중 적어도 하나는 폴리머를 가열하기 위한 목적을 위해 단독으로 또는 추가로 사용될 수 있다.
적어도 하나의 레이저 빔은 결합 영역에서 적어도 거의 균일한 온도에 도달할 수 있도록 공간 해상도로 검출하는 온도 측정 장치에 따라 편향 가능하고 작동 가능할 수 있다. 그러나 레이저 빔은 결합 영역 내에서 국부 가열이 결정되거나 미리 알려지면 제어된 방식으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 온도는 고온계 또는 온도 기록계에 의해 측정되거나 결정될 수 있다. 가열된 컴포넌트의 표면에서의 변화는 예를 들어 템퍼링 색상의 경우와 같이 여기에서도 고려될 수 있다.
따라서, 방법의 수행에 대한 에러 인식은 또한, 예를 들어 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 표면에 충분한 접촉이 없다면 너무 높은 온도가 금속 또는 세라믹 컴포넌트에서 발생할 수 있기 때문에 검출 가능하며, 열은 열가소성 폴리머로 형성된 이 컴포넌트에 열 전도를 통해 충분히 출력될 수 없다.
적어도 하나의 인덕터는 적어도 거의 균일한 온도가 결합 영역에서 달성될 수 있도록 금속 컴포넌트에 대하여 이동 가능한 및/또는 조절 가능한 방식으로 작동할 수 있도록 설계될 수 있다. 복수의 인덕터를 사용하여 각각 개별적으로 제어 및/또는 조정될 수 있다.
그러나, 본 발명은 이러한 컴포넌트를 분리하는 데에도 사용될 수 있다. 열가소성 폴리머의 가열은 적절한 온도까지 재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 접합과 같이 이 공정의 결합 영역에서 일어난다. 플런저와 카운터홀더가 서로 멀어지는 방향으로 움직이면, 금속 또는 세라믹 컴포넌트에 인장력이 작용하여 이전에 확립된 연결이 분리되며, 상기 인장력은 플런저 및 카운터 홀더 상에 존재하며 바람직하게는 외주부(outer periphery) 상에 분포된 금속 또는 세라믹 컴포넌트에 체결되는 고정 요소 또는 클램핑 요소에 의해 작용한다.
플런저 및/또는 카운터홀더에 바람직하게 통합될 수 있는 냉각 장치가 장치에 존재할 수 있다. 냉각 장치는 다음과 같이 설계될 수 있다:
- 실온 또는 실온보다 상당히 낮은 온도로 냉각되고 접합 파트너로의 흐름으로 향하는 가스를 통해 강제 대류에 의한 각 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 냉각;
- 액체 또는 기체 냉각 매체에 의한 가열 공정 후에 활성화될 수 있는 냉각 판 위의 열전도에 의한 냉각;
- 플런저 또는 카운터홀더를 통한 열 분산.
열처리 후에 열가소성 재료의 고형화 공정이 단축될 수 있기 때문에 냉각에 의해 사이클 시간이 더 단축될 수 있다.
연화 또는 용융된 폴리머가 들어가는 하나 이상의 개구 및/또는 하나의 오목부 또는 연화되거나 용융된 폴리머가 침투하는 융기부가 결합 영역 내의 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트에 존재하는 모양이 일치하는 연결부의 형성에 유리할 수 있으며, 형상이 일치된 연결부에 사용될 수 있다. 따라서, 연화된 폴리머 및 선택적으로 심지어 용융된 폴리머는 플런저 및 카운터 홀더의 압축력의 효과에 의해 대응 캐비티를 충진할 수 있고, 그렇게함으로써 하나 이상의 언더컷(undercuts)을 채우거나 개구(aperture)의 외측으로 마주하는 마진 주위로 결합할 수 있다.
융기부는 연화된 폴리머 내로 침투할 수 있고 응고 후에 거기에서 캐치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 융기 부분은 복수의 섬유 또는 섬유층 사이를 관통하도록 폴리머 내로 가압될 수 있으며, 따라서 금속 또는 세라믹과 섬유 복합체 사이에서 더욱 견고한 상호 연결이 달성될 수 있다.
적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 가열이 결합 영역 내에서 일어나는 경우, 적어도 하나의 레이저 빔은 금속 컴포넌트(들)의 결합 영역 내에서 공간 분해능으로 측정되거나 알려지는 피드 이동 방향의 온도, 레이저 빔의 포커스의 피드 속도, 포커스 영역의 크기, 이의 파워 및/또는 이의 펄스 속도 및 레이저 빔의 펄스 작동시 펄스 길이에 따라 조정 가능한 방식으로 작동되어야 하므로 적어도 거의 일정한 온도가 각각의 조사된 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 결합 영역에서 관찰될 수 있고, 온도는 연화 온도 이상으로 유지될 수 있으며, 가능하다면 접합 중에 폴리머의 분해 온도 이하로 유지될 수 있다.
초점 영역의 크기에 영향을 미치는 경우, 더 큰 피드 이동 속도가 실현될 수 있기 때문에 초점면이 조사된 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 표면 위에 배치되도록 레이저 빔을 집중시킬 수 있다.
금속 또는 세라믹 컴포넌트(들)의 가열은 또한 상이한 컴포넌트 재료들 사이의 열전도가 영향을 받을 수 있으므로 플런저 및 카운터홀더에 의해 가해지는 작용 압축력에 의해 가열 장치의 모든 대안에서 영향을 받을 수 있다.
가열시 또한 주목해야 할 점은 폴리머 물질과 접촉하는 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 표면상의 열 전도에 의해 결합 영역에서 균일한 온도 분포가 관찰되도록 영향을 받는 온도 증가를 포함하는 것이다. 실제로 가열된 표면은 가열된 표면을 통해 온도 구배를 가질 수 있다.
가열시, 특히 가열에 의해 도달될 수 있는 점도와 관련되며 점성 유동 거동은 전혀 가능하지 않은 각각의 폴리머의 특성이 필수적인 역할을 한다. 더 영향을 미치는 변수는 재료, 특히 가열 장치를 통해 가열되는 금속 또는 세라믹 컴포넌트(들)의 열전도성 및 두께와 컴포넌트 형상이다.
컴포넌트의 형상으로 인해 존재하는 결합 영역에서의 이방성 열 전도는 접합 표면의 후방 영역을 직접 조사하여 금속 파트너를 가열하는데 특히 중요하다. 따라서 결합 영역에서 균일한 온도장(temperature field)을 얻기 위해서는 제어되고 공간적으로 적응된 열 입력이 필요하다. 폴리머로부터 또는 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트는 2개의 대향 배치된 측에서 각각의 금속 및/또는 세라믹 컴포넌트에 연결될 수 있다. 가열 장치가 플런저 및 카운터 홀더에 있거나 작용해야 한다. 이 경우, 레이저 빔은 또한 금속 또는 세라믹 상에 입사되기 전 적어도 2개의 부분 빔으로 분할될 수 있으며, 반사 요소에 의해 부분 빔은 2개의 금속 컴포넌트의 대향 배치된 표면으로 향할 수 있다.
전술한 레이저 빔의 편향은 또한 피벗 가능한 반사 요소, 소위 스캐너 또는 갈바닉 미러(galvanic mirrors)에 의해 달성될 수 있다. 피드 이동 방향 및 포커스의 피드 속도는 하나 이상의 반사 요소의 피벗 이동에 의해 영향을 받을 수 있다.
적어도 하나의 금속 성분과 열가소성 폴리머에 의해 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 성분의 재료 연속성을 가지거나 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부의 형성 시, 함께 결합될 컴포넌트는 카운터홀더 및 플런저를 갖는 가압 장치에 의해 함께 가압된다. 이러한 장치는 원칙적으로 그 자체로 알려진 스폿 용접 집게의 설계와 유사할 수 있다. 폴리머의 가열은 플런저 및/또는 카운터 홀더에 존재하는 적어도 하나의 가열 장치에 의해 적어도 가압 중에 함께 일어난다. 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 성분의 가열은 연화 온도 이상에서 일어나며, 결합 시 폴리머로부터 또는 폴리머에 의해 형성된 성분의 분해 온도 이하에서 일어난다.
냉각은 가열 단계의 종료 (원하는 온도의 달성 및 결합 영역에서의 유지 시간) 후에 발생하여, 폴리머가 응고되고 형상 매칭 또는 재료 연속성이 열가소성 폴리머와 금속 또는 세라믹 재료 사이에 형성된다. 통합 온도 이하로 내려갈 때, 함께 누르는 것과 실제 결합 과정이 끝난다. 압밀 온도 이하로 떨어지면 압착이 함께 일어나 실제 접합 프로세스가 종료된다.
전기 절연 및 바람직하게 세라믹 보호 필름으로 덮인 적어도 하나의 전기 저항 가열 요소에 의해 형성된 가열 장치는, 한편으로는 가열 거동이 알려지고 사전에 바람직하게 결정되었거나 결합 영역 내의 공간적으로 분해된 온도 검출이 가열 시에 수행되는 경우 대안적으로 조절된 또는 조정된 방식으로 작동 될 수 있다.
레이저 방사를 위해 투명하며 플런저 및/또는 카운터홀더의 필수 부분인 요소를 통해 금속 또는 세라믹 컴포넌트(들) 상으로 향하는 적어도 하나의 2차원적으로 편향 가능한 레이저 빔에 의해 결합 영역 내에서 가열이 일어나는 추가 대안에 있어서, 레이저 빔, 빔 형상 및/또는 결합 영역 내에서 국부적으로 한정된 방식으로 금속 컴포넌트의 재료 내에 결합될 수 있는 에너지의 편향 운동에 영향을 주는 것은 조절되거나 제어된 형태로 일어날 수 있다.
제3 대안에서, 필요한 가열은 플런저 및/또는 카운터홀더에 존재하고 금속 컴포넌트(들)의 유도 가열을 위해 구성되는 적어도 하나의 인덕터로 수행되어서, 결합 영역 내에서 국부적으로 한정된 가열이 달성되는 방식으로 조정 또는 제어가 수행된다.
바람직하게는 예비-통합된 반가공 섬유 복합체 제품(소위 유기 시트)의 열가소성 재료 또는 열가소성 재료 매트릭스의 용융까지의 직접 연화(가소화)는 열 전도에 의해 접촉 영역에서 발생한다. 연화된(가소화된) 폴리머 재료 또는 용융된 폴리머 재료는 접합 압력이 가해짐으로써 흐르고, 재료 연속성 및 선택적으로 이전에 형성되고 결합 영역 내 금속 컴포넌트에 형성되는 언더컷 형상을 갖는 구조와 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하기 위해 움직일 수 있고 응고되어서 폴리머가 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 표면에 형성될 수 있는 바람직하게는 결합층에 물질 연속성으로 연결될 수 있다.
따라서, 달성 가능한 프로세스 사이클 시간은 추가 연결 요소를 사용하지 않고도 단 몇 초로 단축될 수 있으며, 이는 추가 연결 요소를 접착하거나 본드 접착하는 것과 같은 종래의 프로세스 솔루션에 대하여 상당한 이점을 나타낸다.
대규모 산업용에서 경제적으로 열 전도 기반의 열 직접 접합을 위해 다음과 같은 솔루션 경로를 추구할 수 있다:
1. 단일층 또는 다층으로도 구성될 수 있는 고 동적 세라믹 히터 또는 금속 접합 파트너의 레이저 유도 가열 또는 유도적으로 여기된 영역이 프로세스의 열원으로 사용될 수 있다.
2. 적어도 하나의 전기 저항 가열 요소를 갖는 고 동적 세라믹 히터는, 매우 양호한 열전도에 의해 결합 영역에서 균일한 온도 장을 달성하기 위해 불균일 한 가열이 달성될 수 있고 도전성 접합 파트너의 접촉 및 가열이 방지될 수 있도록 설계되어야 한다.
3. 세라믹 히터 또는 레이저 투명 요소/매체 또는 툴 내에/에 설치되는 인덕터의 코일(들)은 원하는 결합 영역에서 직접 접합 압력에 의해 함께 가압될 수 있다.
4. 각각의 접합 파트너와 접촉하는 플런저 또는 카운터홀더의 영역은 접합되는 표면 윤곽이 맵핑되도록, 상응하는 방식으로 윤곽이 형성되도록 구성되어야 한다.
5. 접합되는 컴포넌트와 접촉하게 되는 장치 또는 장치의 일부는 수동으로 또는 로봇 또는 선형 구동 시스템을 사용하여 사용될 수 있도록 구성될 수 있다.
6. 2개의 재료의 결합 영역에서 이전의 접착 강화 프로세스(예를 들어 결합제, 샌드블라스팅, 레이저 구조화 등)의 사용은 접합 전에 수행될 수 있다.
7. 접합 파트너의 직접 냉각용 요소는 장치 내에/에 통합되거나 존재할 수 있으며, 가스를 통해 강화된 대류 또는 작동 가능한 냉각 플레이트에 의한 직접 열 전도 또는 플런저 또는 장치를 통한 열 분산을 기반으로 열가소성 폴리머의 냉각 효과를 유발할 수 있다.
본 발명은 열 전도에 의한 직접 열 결합을 기초로 열가소성 물질 또는 열가소성 복합 재료와 금속을 접합시키는 장치에 있다.
이러한 장치의 예시적인 기본 구조는 도 1에서 볼 수 있다. 세라믹 상부층을 갖는 고 동적 가열 장치는 선택적으로 레이저 방사나 적어도 하나의 인덕터를 조합하거나 단일로 사용할 수 있다. 결합 영역 내의 열 입력은 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 한쪽 면 또는 양쪽 면에서 이루어질 수 있다. 여기서 가열은 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 측면과, 열가소성 재료로부터 또는 열가소성 재료에 의해 형성된 컴포넌트가 존재하는 다른 금속 또는 세라믹 컴포넌트에서 일어날 수 있다.
가열은 동일한 가열 장치를 사용하여 양측에서 또는 가열 장치를 사용하여 한측에서, 그리고 전기 저항 가열 요소(들)(바람직하게는 고 동적 세라믹 히터), 레이저 빔 및/또는 인덕터로부터 각각 선택된 다른 가열 장치를 사용하여 반대 측에서 수행될 수 있다.
적어도 하나의 전기 저항 가열 요소의 고 동적 세라믹 히터 층과 전기 전도성 컴포넌트 표면 사이의 전기 단락을 방지하기 위해, 매우 우수한 열 전도성, 전기 절연 특성을 가지며 바람직하게 세라믹 재료로 이루어진 코팅체가 유사한 열 팽창 계수를 갖는 전기 저항 가열 요소(들)에 도포되어야 한다. 열 전도성 페이스트, 실리카 필름 또는 육각형 질화 붕소의 필름을 경화시키는 것이 이러한 코팅에 사용될 수 있다.
레이저 조사에 의한 열 유도 가열의 경우, 결합 압력의 인가 및 레이저 방사의 결합은 플런저 또는 카운터홀더에 배열되고 금속 컴포넌트의 표면과 접촉하게 되는 레이저 투명 요소/매체에 의해 달성될 수 있다. 결합 영역 내의 가압력 효과 및 레이저 빔 운동은 여기에서 레이저 투명 요소/매체에 의해 직접 유도될 수 있고 레이저 방사는 접합 영역 내의 금속 또는 세라믹 컴포넌의 표면상으로 향할 수 있다. 금속 또는 세라믹 컴포넌트는 여기서 직접 가열될 수 있고, 열가소성 폴리머 재료는 결과적인 열 전도에 의해 후면에서 가열될 수 있으며, 따라서 열가소성 재료의 가소화가 달성될 수 있다. 금속 또는 세라믹 컴포넌트 표면으로 레이저 기반의 열을 도입하는 것은 통합된 고온계 규정 및 높은 기하학적 유연성을 갖는 공간적으로 국부적으로 제한되고 필요한 경우 눈금이 매겨진 온도 프로파일의 가열 요소에 대한 종래의 가열에 대한 가능성을 제공한다. 임의의 원하는 금속 및 열가소성 재료의 배열은 광학적 접근 용이성을 요구하지 않고 전기 유도에 의해 구현될 수 있다.
본 발명으로 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다:
· 대응적으로 윤곽이 잡힌 방식으로 형상학적으로 특히 적합한 플런저 및 카운터 홀더에 의해 서로 결합되거나 분리될 컴포넌트의 형상 제한 없이 장치의 유연한 사용.
· 가열 속도 << 200 K/s를 갖는 예를 들어 실리콘 니트라이드 또는 알루미늄 니트라이드로 구성된 종래의 세라믹 가열 플레이트가 더 느린 거동을 갖는 반면, 고 동적 가열 및 냉각(예를 들어, 7000 K/s 및 최대 350 K/mm의 매우 높은 온도 구배에서 고 동적 세라믹 히터)으로 인해 매우 짧은 프로세스 시간.
· 열가소성 폴리머 또는 열가소성 매트릭스의 유리 전이 온도(To) 이상으로 충분한 연화가 있어야만 초기 용융이 필요하기 때문에 서로 결합되거나 서로 분리 될 다양한 재료 선택.
· 예비 고정과 컴포넌트의 결합 둘 다를 위해 사용될 수 있음.
· 결합될 컴포넌트의 해당 강성으로 인해, 오직 일 측면으로부터의 접근성이 단순 오버랩 연결부를 형성하는 데 충분할 수 있음.
· 적합한 표면 전처리로, 금속 또는 세라믹 컴포넌트의 결합이 열가소성 복합 재료의 섬유 구조에 이르기까지 실현될 수 있으므로 접착제 결합에서 경계층에서만 접착이 일어나기 때문에 접착력보다 더 높은 연결 강도가 달성될 수 있음.
· 접합 영역 내에서 균일한 온도 분포에 의해 정의된 비균일 가열을 달성(통합된 고 동적 온도 감지 및 온도 조절이 가능).
· 세라믹 전기 저항 가열 요소는 사용 목적에 적합한 방식으로 제조되고 교체될 수 있음.
본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 일례의 도식적 형상이다.
도 2는 형상적으로 상이한 전기 저항 가열 요소를 갖는 가열 장치의 도면이다.
도 3은 레이저 빔에 의한 가열이 달성될 수 있는 장치이다.
도 4는 결합 프로세스의 개략도이다.
2개의 금속 컴포넌트(1)가 2개의 양 표면에서의 결합 영역에서 섬유 복합재의 컴포넌트(2)와 서로 연결되는 장치의 일례가 도 1에 도시되어 있다. 섬유 복합재는, 예를 들어 열가소성 매트릭스에 매립된 유리 섬유 직물을 포함한다. 병진 운동을 하는 구동 장치에 의해 서로를 향해 이동가능한 플런저(3) 및 카운터홀더(4)가 장치에 구비된다. 컴포넌트(1, 2)는 플런저(3) 및 카운터홀더(4) 사이에 위치할 수 있다. 장치는 산업용 로봇(industrial robot, 5)에 의해 상응하게 위치되고 정렬될 수 있다.
각각의 가열 장치(6)는 플런저(3) 및 카운터홀더(4)에 부착되거나 통합될 수 있으며, 금속 컴포넌트(1)와 터치 접촉하게 된다. 압축력은 컴포넌트(1, 2)를 함께 가압하는 플런저(3) 및 카운터 홀더(4)가 서로를 향해 이동하도록 작용한다. 가열 장치(6)는 플런저(3) 및 카운터홀더(4)와 컴포넌트(1, 2)가 접촉하기 전 또는 접촉함과 동시에 활성화되며, 금속 컴포넌트(1)의 가열은 결합 영역 내 열가소성 폴리머의 연화 온도 또는 가소화 온도 이상까지 이루어진다. 가열은 폴리머의 용융 온도에 도달할 때까지 또는 초과할 때까지 이루어질 수 있다. 그러나 성능 저하는 발생하지 않는다.
컴포넌트(2)의 폴리머는 금속 컴포넌트(1)의 열 전도에 의해서만 충분히 가열되므로, 폴리머의 냉각 및 응고 후에 변형이 유지되면서 소성 변형될 수 있다. 적어도 하나의 냉각 요소(7)가 보다 신속한 냉각을 위해 장치 내에 결합되거나 존재할 수 있다. 냉각 매체는 또한 결합 영역 내로 향할 수 있다. 냉각 매체는 흐름으로서 결합 영역으로 향할 수 있는 냉각된 유체일 수 있다.
충분한 냉각 및 응고 후, 플런저(3) 및 카운터홀더(4)는 서로 분리될 수 있다.
플런저(3) 및 카운터홀더(4)는 0.1~20 MPa의 미리 결정된 결합 압력으로 서로 작용할 수 있고, 결합 영역에서 컴포넌트(1, 2)를 함께 가압할 수 있다.
압축력 효과 및/또는 가열 장치는 힘 센서 및/또는 경로 센서의 영향을 받을 수 있다. 따라서 경로 제한은 미리 결정된 경로에 도달한 후 이동을 종료하는 플런저(3) 및 카운터 홀더(4)가 서로를 향해 이동하는 경우에 발생할 수 있다. 그러나, 가열 장치(6)는 플런저(3) 및 카운터 홀더(4)가 미리결정된 값까지 컴포넌트 표면에 접근하거나 컴포넌트(1, 2)가 터치 접촉하게 되는 특정 경로가 커버될 때 스위치 온 될 수 있다. 가열 장치(6)의 스위치 오프는 플런저(3) 및/또는 카운터홀더(4)의 커버된 경로의 인식 후에, 또는 힘 측정 센서를 사용하여 측정될 수 있는 플런저(3)와 카운터 홀더(4) 사이에서 작용하는 미리결정된 압축력의 하강 블로우 시에 발생할 수 있다.
플런저(3) 및/또는 카운터홀더(4)에서의 가열 장치(6)로서, 도 2의 복수의 다른 예에 도시된 바와 같은 복수의 전기 저항 가열 요소를 갖는 전기 저항 가열부가 형성될 수 있다. 가열 장치(6)의 이러한 예에서, 복수의 전기 저항 가열 요소는 상이한 크기를 갖는 폐쇄된 직사각형 윤곽으로서 존재한다. 또한, 다양한 직경을 갖는 환형의 전기 저항 가열 요소가 존재할 수 있다. 그러나 전기 저항 가열 요소는 또한 타원형, 선형, 선택적으로 방향이 바뀌거나, 구불구불하거나, 물결 모양일 수 있다.
서로 인접하여 배치된 전기 저항 가열 요소는 또한 서로 전기 도전적으로 연결될 수 있다. 각각의 전기 저항 가열 요소는 개별적으로 제어 가능하며 온도에 따라 조절될 수 있다. 결합 영역에서의 공간 분해 온도 결정을 가능하게 하기 위해 온도 센서(예를 들어, 열 요소)가 가열 장치(6)에 결합될 수 있다. 전기 저항 가열 요소로 1000 K/s의 가열 속도가 달성될 수 있다.
전기 저항 가열 요소는 명세서의 전반적인 부분에서 설명한 바와 같이 전기적으로 비전도성인 얇은 세라믹 필름으로 덮여있다.
플런저(3) 또는 카운터홀더(4)에 가열 장치(6)가 마련되지 않는 경우 또는 후술하는 바와 같이 적어도 하나의 인덕터를 갖는 가열 장치(6)가 마련되는 경우, 그 표면에는 마찬가지로 폴리머의 점착을 방지할 수 있는 비-스틱 코팅체가 제공되어야 한다.
그러나 가열 장치(6)는 또한 플런저(3) 및/또는 카운터홀더(4)에 부착될 수 있는 적어도 하나의 인덕터에 의해 형성될 수 있다. 적어도 하나의 인덕터는 또한 플런저(3) 및/또는 카운터홀더(4)에 통합될 수 있다. 인덕터(들)는 균일한 온도가 결합 영역 내에서 관찰될 수 있도록 치수를 정하고 구성해야 한다. 복수의 인덕터는 개별적인 조절로 작동되거나 개별적으로 스위치 온 및 오프될 수 있다. 따라서, 결합 영역의 내부에서 작용하는 인덕터는 결합 영역의 외부 영역에서 작용하는 인덕터가 열 전도의 관성을 고려하기 전에 스위치 온 또는 오프될 수 있다.
결합 영역 내의 온도가 플런저(3) 및/또는 카운터홀더(4)에서 적어도 하나의 레이저 빔에 의해 증가되는 경우, 결합 영역에서 레이저 빔은 레이저 방사에 대해 투명하고 플런저(3) 및/또는 카운터홀더(4)의 필수 부분인 요소(8)를 통해 결합 영역 내 금속 컴포넌트(들)(1) 상으로 향해야 한다. 레이저 방사를 위해 투명한 요소(8)는 레이저 방사를 위해 흡수력이 낮은 유리로부터 형성될 수 있다.
레이저 빔의 포커스는 일정한 온도가 결합 영역 내에서 관찰될 수 있도록 결합 영역 상으로 움직일 수 있다. 해당 거리가 각각의 트랙 사이에서 관찰되도록 피드 이동이 수행될 수 있다. 포커스는 가능하면 외부 경계에서 멀리 떨어진 접합 영역 내에서 이동할 수 있어야 한다.
레이저 빔의 펄스 작동 또한 이용될 수 있다.
포커스가 이동되는 피스 속도는 표면에서보다 결합 영역의 중심에서 더 클 수 있어서 예를 들어 결합 영역의 외부 경계에서 선택되어야 한다. 따라서 작업은 낮은 피드 속도 및/또는 더 큰 초점으로 결합 영역의 외부 경계 영역에서 수행될 수 있다.
레이저 방사의 출력도 마찬가지로 자연스럽게 조절될 수 있다.
초기에 지정된 레이저 가공 매개 변수는 각각 개별적으로 조정될 수 있지만 두 개 이상의 매개 변수가 함께 조정될 수도 있다. 조정은 바람직하게는 고온계 또는 써모그래픽 온도 측정을 사용하여 금속 컴포넌트(1)의 표면의 결합 영역 내 공간 분해 온도 측정으로 수행될 수 있다. 외부 경계 영역에서, 작업은 펄스 방식으로 작동되는 레이저 빔의 유용한 펄스 길이를 사용하여 결합 영역의 중심에서 수행될 수도 있다.
레이저 빔의 포커스는 0.02~30 m/s의 피드 속도로 이동할 수 있으며, 1 ms~연속 방사의 펄스 길이 및 0~10ms의 펄스 간격에 따라 100~5000W의 전력으로 작동할 수 있다. 1~200의 포점 표면 및 5*102~5*106 W/cm2의 강도에 도달하도록 레이저 빔은 포커싱된 방식으로 금속 컴포넌트(1)의 표면상으로 향할 수 있다.
복수의 레이저 빔 소스로부터 복수의 레이저 빔이 결합 영역 내의 컴포넌트(1)의 표면상으로 향하는 경우, 모든 개별 레이저 빔은 대응적으로 조정된 또는 조절된 방식으로 작동할 수 있다. 이 경우, 피드 속도에 영향을 주지 않으며, 이는 대응하는 스위칭 온 및 오프에 의해 또는 개별 레이저 빔 소스의 변화하는 전력을 갖는 동작에 의해 보상될 수 있으므로, 결합 영역 내에서 차별화된, 국부적으로 변화하는 방식으로 가열이 수행된다.
가열에 대한 세 가지 가능한 대안에서, 컴포넌트(1, 2)의 가압은 0.1~20MPa의 최대 결합 압력에서 발생할 수 있으며, 각각의 최대 압축력은 사용된 열가소성 중합체의 연화 온도 또는 전이 온도 TG 및/또는 유동 거동에 의존한다.
방법을 실행할 때 가능한 흐름이 도 4에 개략적으로 표시되어 있다. 플런저(3) 및 카운터홀더(4)는 제1 단계에서 서로를 향해 이동된다.
그 후, 가열 장치(6)는 적어도 하나의 컴포넌트(1 및/또는 2)를 가열하기 위해 활성화된다. 플런저(3) 및/또는 카운터홀더(4)와 컴포넌트(1 및/또는 2) 중 하나와 접촉 시에, 온도(T) 및/또는 압축력(p)은 컴포넌트(들)(1 및/또는 2)에서 결정될 수 있다. 온도(T) 및/또는 압축력(p)에 대해 적어도 하나의 미리결정된 임계값의 도달이 검출되면, 가열 장치(6)는 스위치 오프되며, 폴리머가 응고되는 온도까지 냉각이 이루어진다. 이 온도를 인식한 후, 플런저(3) 및 카운터홀더(4)는 서로로부터 멀리 이동될 수 있고, 결합된 제작품 또는 이의 개별 부품이 제거될 수 있다.
분리 시, 개별 부품은 플런저(3) 및 카운터홀더(4)에 존재하는 클램핑 요소 또는 고정 요소로부터 해제될 수 있다.

Claims (9)

  1. 재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하거나 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트(2)의 연결부를 분리하기 위한 장치로서,
    카운터홀더(4) 및 플런저(3)를 갖는 가압 장치에 의해 함께 가압될 수 있고 함께 결합되는 상기 컴포넌트(1, 2); 및
    상기 플런저(3) 및/또는 상기 카운터 홀더(4)에 마련되거나 거기에서 작용하는 가열 장치(6);를 포함하며,
    상기 가열 장치(6)를 사용하여, 상기 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)를 상기 폴리머로부터 또는 상기 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트(2)의 연화 온도 이상으로 가열할 수 있으며,
    상기 가열 장치(6)는 전기 절연 보호 필름, 바람직하게 세라믹 보호 필름으로 덮인 적어도 하나의 전기 저항 가열 요소에 의해 형성되고; 그리고/또는
    결합 영역 내에서 상기 금속 컴포넌트(들)(1)로 향하는 적어도 하나의 레이저 빔을 구비하며; 그리고/또는
    상기 금속 컴포넌트(들)(1,2)의 유도 가열을 위해 상기 플런저(3) 및/또는 상기 카운터홀더(4)에 마련된 적어도 하나의 인덕터를 구비하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 전기 저항 가열 요소가 각각 개별적으로 제어 가능하며 각각의 가열 속도가 바람직하게 500 K/s 이상인 도트형, 선형, 직사각형 및/또는 원형 링 세그먼트 형상의 전기 저항 가열 요소의 형태로 구성되어서, 상기 가열 장치(6)에 의해 상기 금속 또는 세라믹 컴포넌트(들)(1)이 국부적으로 한정되어 가열될 수 있으며,
    상기 결합 영역 내에서 적어도 거의 균일한 온도장(temperature filed)이 이루어질 수 있고; 그리고/또는
    상기 결합 영역에서 적어도 거의 균일한 온도장에 도달할 수 있도록 상기 적어도 하나의 레이저 빔은 바람직하게 공간 분해능으로 검출하는 온도 측정 장치에 의존하여 편향 및/또는 작동될 수 있으며; 그리고/또는
    상기 결합 영역에서 적어도 거의 균일한 온도장이 이루어질 수 있도록 상기 적어도 하나의 인덕터는 상기 금속 컴포넌트(1)에 대해 이동 가능하거나 조정 가능한 방식으로 작동하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)에 체결되는 고정 요소 또는 클램핑 요소는 재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 분리하기 위해 상기 플런저(3) 및 상기 카운터홀더(4)에 마련되며,
    상기 고정 요소 또는 클램핑 요소에 의해, 상기 플런저(3) 및 상기 카운터홀더(4)가 분리될 시 상기 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)에 인장력이 작용하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    연화된 또는 용융된 폴리머가 유입되는 적어도 하나의 개구 및/또는 하나의 오목부, 또는 상기 연화된 또는 용융된 폴리머가 침투하는 융기부가 상기 결합 영역 내의 상기 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)에 마련되며 형상 매칭이 형성된 연결부를 위해 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 초점의 피드 속도, 초점 영역의 크기, 상기 레이저 빔의 성능 및/또는 상기 레이저 빔의 펄스 작동에서의 펄스 속도 및 펄스 길이에 의존하여, 상기 결합 영역 내의 상기 금속 컴포넌트(들)(1)에서 공간 분해능으로 측정되거나 알려진 피드 이동 방향의 온도에 따라서 적어도 하나의 레이저 빔이 조정 가능하게 작동해서, 상기 결합 영역에서 각각의 조사된 상기 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)의 적어도 거의 일정한 온도장이 연화 온도 이상 및 분해 온도 이하로 유지될 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게 상기 결합 영역 내의 온도의 공간 분해 측정을 위해 형성된 적어도 하나의 센서가 마련되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트(2)의 재료 연속성 또는 재료 연속성과 형상매칭을 갖는 연결부를 형성 또는 분리하는 방법으로서,
    상기 컴포넌트(1, 2)는 카운터홀더(4) 및 플런저(3)를 갖는 가압 장치에 의해 함께 가압되며,
    상기 플런저(3) 및/또는 상기 카운터홀더(4)에 마련된 적어도 하나의 가열 장치(6)에 의해 함께 가압되는 동안, 상기 폴리머가 가열되고,
    결합 영역 내의 폴리머로부터 또는 폴리머에 의해 형성된 상기 컴포넌트(2)의 연화 온도 이상 및 분해 온도 이하로 상기 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트(1)가 가열되며,
    가열 거동이 알려지고 바람직하게 미리 결정되는 경우 또는 가열시 상기 결합 영역 내의 온도의 공간 분해 검출이 수행되는 경우, 세라믹 보호 필름으로 덮인 적어도 하나의 전기 저항 가열 요소에 의해 형성된 가열 장치(6)가 제어된 또는 조정된 방식으로 작동되고; 그리고/또는
    추가 대안에서, 상기 금속 또는 세라믹 컴포넌트(들)(1)에서, 적어도 하나의 레이저 빔에 의해 조정된 또는 제어된 방식으로 상기 결합 영역 내에서 가열이 이루어져 레이저 빔의 편향 운동, 빔 형상의 편향 운동 및/또는 상기 결합 영역 내에서 국부적으로 한정된 방식으로 상기 금속 컴포넌트의 재료 내에 결합될 수 있는 에너지의 편향 운동에 영향을 미치며; 그리고/또는
    세 번째 대안에서, 상기 플런저(3) 및/또는 상기 카운터홀더(4)에 마련되며 상기 금속 컴포넌트(들)(1)의 유도 가열을 위해 구성된 적어도 하나의 인덕터에 의해 필요한 가열이 이루어져서, 상기 결합 영역 내에서 국부적으로 한정된 가열이 달성되는 조정 또는 제어가 수행되고; 및
    재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하기 위해 상기 열가소성 폴리머의 소성 변형이 이루어지며; 또는
    상기 열가소성 폴리머의 온도가 상기 연화 온도 이상에 도달한 후, 재료 연속성; 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 분리하기 위해 상기 플런저(3)의 이동 및 상기 카운터홀더(4)의 이동에 의해 가해지는 상기 금속 또는 세라믹 부품(1)에 인장력이 작용하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폴리머 재료의 상기 소성 변형 이후 냉각 매체를 공급하거나 냉각 요소를 사용하여 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    힘 센서 및/또는 경로 센서에 의해 상기 컴포넌트(1, 2)를 함께 가압할 시 상기 가열 장치(6)의 영향 및/또는 상기 플런저(3)의 이동 및/또는 상기 카운터홀더(4)의 이동이 이루어지는, 방법.
KR1020187030515A 2016-03-23 2017-03-14 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 컴포넌트와 열가소성 폴리머로부터 또는 열가소성 폴리머에 의해 형성된 컴포넌트의 재료 연속성 또는 재료 연속성과 형상 매칭을 갖는 연결부를 형성하거나 분리하기 위한 장치 및 방법 KR20180123219A (ko)

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