KR20210099082A - 성형 부분들의 전자기 용접 방법에 사용하기 위한 툴링 및 툴링 제조 방법 - Google Patents

성형 부분들의 전자기 용접 방법에 사용하기 위한 툴링 및 툴링 제조 방법 Download PDF

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KR20210099082A
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rigid body
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마틴 라보두스
톰 얀센
미카엘 브루이커스
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코크 앤 반 엔젤렌 콤포시트 스트럭쳐스 비.브이.
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Abstract

성형 부분들의 두 접촉 표면들의 전자기 용접 방법에 사용하기 위한 툴링이 기재된다. 툴링은 고무 몸체 및 고무 몸체를 가압하고 접촉 표면에 압력을 가하기 위한 가압 수단을 포함한다. 고무 몸체는 상이한 방향으로 상이한 고무 몸체 두께를 정의하는 것과 같은 형상의 내장된 강성 몸체를 포함하며, 이는 상기 상이한 방향으로 상이한 압력 축적을 야기한다. 툴링은 접촉 표면들을 따라 접합 인덕터를 이동하여 성형 부분들의 두 접촉 표면들의 전자기 용접에 사용할 수 있고, 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 성형 부분들의 열적으로 활성화된 커플링 수단을 가열하기 위해 성형 부분의 유도-민감성 컴포넌트에 전자기장을 발생시킨다.

Description

성형 부분들의 전자기 용접 방법에 사용하기 위한 툴링 및 툴링 제조 방법
발명은 전자기 용접에 의해 성형(molded) 부분들을 접합(join)하는 방법에 관한 것이다. 특히 발명은 성형 부분들의 두 접촉 표면들의 전자기 용접을 위한 이러한 방법에 사용하기 위한 툴링(tooling)에 관한 것이다. 발명은 또한 툴링을 사용하는 전자기 용접 방법 및 툴링을 제조하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어 섬유 강화 열가소성 수지 또는 열경화성 복합 부분과 같이 성형 부분들을 접합하기 위한 여러 기술이 존재한다. 기계적 고정 및 접착 본딩은 일반적으로 성형 부분들의 두 접촉 표면들을 접합하는 데 사용된다. 그러나 기계적 고정과 접착 본딩은 모두 비용과 시간이 많이 드는 것으로 보인다. 예를 들어 기계적 고정에는 값 비싼 구멍 위치 지정, 드릴링, 시밍 및 패스너 설치가 필요하지만 접착 본딩에는 화학 물질들을 포함할 수 있는 복잡한 표면 전처리가 필요하다.
전자기 용접은 별도의 패스너를 사용하지 않고 비교적 빠른 속도로 성형된 복합재 부분들의 접촉 표면들을 접합할 수 있는 기능을 잠재적으로 제공할 수 있다. 전자기 용접은 성형 부분(들)의 열적으로 활성화된 커플링 수단을 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하기 위해 성형 부분(들) 중 하나 이상의 유도-민감성 구성 요소에 전자기장을 생성한다. 성형 부분들의 접촉 표면들은 용융 커플링 수단에 의해 서로 접합된다. 커플링 수단은 예를 들어 접합될 하나 이상의 부분들의 열가소성 수지일 수 있거나, 별도로 도포된 열가소성 수지일 수 있다. 열가소성 수지와 열경화성 성형 부분들을 함께 용접하는 경우, 유도 감응 성분이 녹는 열가소성 수지는 예를 들어 핫멜트(hot melt) 접착제로 작용할 수 있다.
섬유 강화 복합 성형 부분들과 같은 성형 부분들 간의 용접 연결을 생성하기 위해 다양한 용접 방법을 사용할 수 있다. 진동 용접에서 강화 섬유는 움직임에 의해 손상될 수 있으며 초음파 용접은 예를 들어 연속 용접에 적합하지 않다. 알려진 전자기 용접 방법은 특히 항공 산업에서와 같이 용접된 연결의 상대적으로 높은 기계적 강도와 내 하중이 요구되는 고급 응용 분야에서 품질이 낮은 접합 제품들을 생산할 수 있다.
전자기 용접으로 적절한 품질의 용접을 달성하기 위해서는, 일반적으로 용접으로 연결해야 하는 성형 부분들의 접촉 표면들에 충분한 압력을 가해야 한다. 접촉 표면들에 압력을 가하는 최첨단 방법은 일반적으로 컴포넌트들에 압력을 전달하는 팽창식 요소들의 사용을 기반으로 한다. 그러나 팽창식 요소들은 등방성 전반에 걸친 압력을 제공한다. 따라서 팽창식 요소들은 압력이 가해져야 하는 측면에서만 열려 있는 몰드 캐비티에 넣어야 한다. 따라서 견고하고 단단하며 강한 몰드(mold)들을 적용해야 하지만 공간 제한으로 인해 항상 가능한 것은 아니다. 예를 들어 이는 제어 표면, 플랩 및 기타 유사한 제품들과 같은 제품들에 적용된다. 인덕션 용접의 경우 유도장(induction field)에서 금속 몰드들이 쉽게 가열되므로 강한 금속 몰드들을 사용하는 것은 바람직하지 않는다.
통상적인 최첨단 팽창식 몸체들은 팽창될 때 방사상으로 팽창하는 실리콘 호스를 포함한다. 평평한 라미네이트에 균일한 압력을 가하는 것은 호스의 가장자리보다 중간에 더 많은 압력이 축적되기 때문에 불가능하다. 또한, 최신 기술의 방법에서의 전체적인 압력 축적은 또한 툴링이 측 방향으로 밀려 나가는 그러한 높은 힘을 툴링에 제공할 수 있다.
현재 발명의 목적은 전자기 용접에 의해 성형 부분들을 접합하는 방법에 사용하기 위한 개선된 툴링, 특히 상기 언급된 최신 기술의 문제의 적어도 일부를 극복하는 툴링을 제공하는 것이다.
발명은 이를 위해 청구항 1에 따른 전자기 용접에 의해 성형 부분들을 접합하는 방법에 사용하기 위한 툴링을 제공한다. 성형 부분들의 두 접촉 표면들을 전자기 용접하기 위한 방법에 사용을 위한 툴링은, 고무 몸체 및 상기 고무 몸체를 가압하고 상기 접촉 표면들에 압력을 가하기 위한 가압 수단을 포함하고, 상기 고무 몸체는 상이한 방향에서 상이한 고무 몸체 두께를 정의하는 것과 같은 형상을 가진 내장된 강성 몸체를 포함하고, 이는 상기 상이한 방향에서 상이한 압력 축적을 야기한다. 이는 고무 몸체의 일부가 용접될 접촉 표면들에 상당한 압력을 가하는 방식으로 강체의 모양을 조정할 수 있게 하고, 예를 들어 몰드 표면을 덮는 부분들과 같이 상당한 압력을 가하지 않는 고무 몸체의 다른 부분은 해당 표면에만 적당한 압력을 가하거나 전혀 압력을 가하지 않는다. 즉, 발명의 툴링은 하나의 소스에 의해서만 가압되는 동안 사용되는 환경의 상이한 부분에 상이한 압력을 가하는 것을 허용한다.
발명에 따른 강성 몸체의 강성은 강성 몸체 내부 및 주변에 제공된 고무 몸체의 강성보다 높아야 한다. 강성 몸체는 전형적으로 3MPa 이상, 더욱 바람직하게는 3.5MPa 이상, 가장 바람직하게는 4MPa 이상의 탄성 계수를 갖는 열가소성 및/또는 열경화성 중합체로 제조된다. 강성 몸체는 강성에 영향을 미치기 위해 유리 섬유와 같은 강화 섬유를 포함할 수 있다.
고무 몸체는 하나의 동일한 유형의 고무를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시 예에서, 고무 몸체는 상이한 특성, 바람직하게는 상이한 경도를 갖는 상이한 고무를 포함할 수 있다. 이러한 복합 고무 몸체는 예를 들어 서로 다른 고무를 서로 위에 붓거나 다른 방법으로 얻을 수 있다. 다른 경도 값은 고무 몸체에 의해 축적되는 압력에 영향을 미칠 수 있다. 또 다른 유용한 실시 예에서, 고무 몸체의 고무는 유리 섬유와 같은 강화 섬유를 특정 방향으로 포함할 수 있으며, 이는 마찬가지로 상기 방향으로 형성되는 압력에 영향을 미칠 수 있다.
발명의 일 실시 예에서, 압력 축적이 더 작은 두께에서 더 큰 툴링이 제공된다. 특정 방향으로 실질적인 압력을 생성하지 않는 것으로 간주되는 툴링의 일부(영역)에는 상기 방향으로 더 두꺼운 고무 몸체가 제공된다.
고무 몸체와 그 안에 내장된 강성 몸체는 서로 실질적으로 독립적으로 자유롭게 움직일 수 있다. 다른 바람직한 실시 예에서, 툴링은 고무 몸체가 내장된 강성 몸체에 부착되는 것을 특징으로 한다.
발명의 실시 예에 따른 툴링은 접촉 표면들을 가압하는 것을 목표로 하는 고무 몸체의 부분이 고무 몸체의 다른 부분보다 더 작은 두께를 갖는다는 점에서 유리하다. 이 실시 예에서, 접촉 표면들은 성형 제품들의 다른 부분 및/또는 몰드 부분들과 같은 셋업에 사용되는 다른 컴포넌트들보다 더 많이 가압된다.
특히 바람직한 실시 예는 접촉 표면들을 가압하는 것을 목표로 하는 고무 몸체의 부분이 고무 몸체의 다른 부분보다 더 작은 두께를 갖는 툴링을 제공한다. 이 실시예는 필요한 곳에, 즉 함께 용접하기 위해 서로 접촉하는 표면들에서 가장 높은 압력을 제공한다.
툴링의 모양은 상황에 따라 선택될 수 있다. 전자기 용접에 의해 접합되는 성형 부분들 중 하나의 모양에 맞게 조정되거나 일치할 수도 있다. 발명의 일 실시 예에서, 강성 몸체가 상부 및 하부 표면 및 상기 표면들 사이에서 연장되는 벽, 및 상기 표면들 사이에서 연장되고 고무 몸체의 부분으로 채워진 캐비티를 갖는 툴링이 제공된다. 이러한 툴링은 벽들과 접촉하는 표면들 상에 비교적 큰 압력을 제공하고 채워진 캐비티의 상부 및 하부 표면과 접촉하는 표면들 상에 비교적 작은 압력을 제공한다. 이는 적어도 벽들을 덮는 고무 몸체의 두께에 대해, 캐비티 내의 고무 몸체의 두께가 상부 및 하부 표면에 걸친 방향으로 상대적으로 크기 때문이다.
발명에 따르면, 툴링은 고무 몸체를 가압하고 접촉 표면들에 압력을 가하기 위한 가압 수단을 포함한다. 유용한 실시 예는 가압 수단이 강성 몸체에 제공된 채널링을 포함하고, 일 단부에서 채널링이 압력 소스에 연결되고 타 단부에서 고무 몸체에 연결되는 툴링을 제공한다.
가압 매체는 마음대로 선택될 수 있지만 액체 또는 기체가 선호된다. 일 실시 예에서, 압력 소스가 가압 공기 공급 소스를 포함하는 툴링이 제공된다.
전자기 용접은 인덕터(inductor) 및 유도 전자기장에 도달하는 금속 부분들을 가열한다. 이것은 일부 실시 예에서 바람직하지 않을 수 있으며, 강성 몸체가 중합체 재료로 제조되는 툴링의 실시 예가 바람직하다. 임의의 중합체 물질이 사용될 수 있으며, 150-300 ° C 범위의 고온에 대해 비교적 우수한 저항성을 갖는 중합체 물질이 선호된다. 그러한 재료의 예는 PEEK 및 PEKK이지만, 에폭사이드(epoxide), 비스말레이미드(bismaleimid) 수지(resin) 등과 같은 열경화성 재료도 사용될 수 있다.
접촉 표면들에 가해지는 압력과 용접 중에 의도된 용접 연결은 특히 용접 강도에 영향을 미칠 수 있다. 최신 방법에서 압력은 일반적으로 몰드 및 툴링 외부의 가압 파이프 시스템에서 측정된다. 이 압력 측정 시스템은 가압 파이프 시스템의 하류에서 발생하는 누출, 예를 들어 몰드 내에서 또는 접촉 표면들 가까이에서 발생하는 누출에 의해 상대적으로 영향을 받지 않는다. 이러한 경우 접촉 표면들에 가해지는 유효 압력은 실제로 측정된 것보다 낮을 수 있다.
따라서 이러한 맥락에서 바람직한 실시 예는 강성 몸체가 적어도 하나의 압력 센서를 더 포함하는 툴링을 제공한다. 강성 몸체에 압력 센서 또는 게이지를 통합하여 압력을 가압 몸체, 즉 툴링 자체에서 직접 측정할 수 있다. 또한 성형 부분들이 전자기적으로 용접될 때마다 동일한 위치에서 압력이 측정된다. 이를 통해 서로 다른 용접 프로세스를 비교하고 특정 프로세스가 압력 공차를 벗어나는지 여부를 평가할 수 있다.
압력 센서는 광학, 전기 및/또는 기계와 같은 물리적 원리를 기반으로 할 수 있다. 적합한 실시 예는 압력 센서가 발생된 압력으로부터 발생하는 변형을 측정하는 스트레인 게이지를 포함하는 툴링을 제공한다. 잘 알려진 관행에 따라 변형률 판독 값을 절대 압력 값으로 변환 할 수 있다.
또 다른 중요한 매개 변수는 용접 영역 내의 온도일 수 있다. 용접에서 측정하는 것은 복잡할 수 있으며, 따라서 최첨단 방법은 용접된 연결 외부의 온도를 측정하는 경향이 있다. 납땜(soldering)에 열전대(thermocouple)를 통합하는 것이 하나의 가능성일 수 있다. 현재 발명의 일 실시예는 강성 몸체가 적어도 하나의 온도 센서를 더 포함하는 툴링을 제공한다. 이러한 실시 예는 강성 몸체 내에 압력 센서를 포함하는 실시 예와 동일한 이점을 나타낼 수 있다.
선택적인 압력 및/또는 온도 센서(들)는 바람직하게는 그들의 판독이 용접 동안 생성된 전자기장에 의해 실질적으로 영향을 받지 않도록 위치 및/또는 설계된다.
본 발명의 또 다른 측면은 발명에 따른 툴링을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 상기 강성 몸체를 형성하는 단계, 상기 툴링의 모양을 가진 홀더를 제공하는 단계, 상기 강성 몸체를 상기 홀더 내부에 배치하는 단계 및 액체 고무를 상기 홀더에 붓고 상기 고무 몸체를 제공하도록 상기 고무를 고형화시키는 단계를 포함한다. 액체 고무를 붓는 과정에서 강성 몸체에 존재하는 선택적 캐비티는 액체 고무로 채워진다. 액체 고무의 응고 후 채워진 캐비티는 툴링의 고무 몸체의 일부이다.
발명의 일 실시 예에서, 강성 몸체가 기계 가공에 의해 형성되는 방법이 제공된다. 이 실시 예에 따르면, 강성 몸체 재료의 블록은 용접될 성형 부분들의 형상과 같은 필요에 따라 형상화될 수 있다. 가공은 밀링(milling), 치핑(chipping), 펀칭(punching), 태핑(tapping), 스레딩(threading), 드릴링(drilling), 브로칭(broaching), 터닝(turning) 등과 같은 당 업계에 공지된 임의의 방법에 의해 수행될 수 있다. 밀링은 선호되는 가공 방법이다.
방법의 다른 실시 예에서, 강성 몸체는 3D 프린팅에 의해 형성된다. 이렇게 하면 재료를 너무 많이 빼앗지 않고도 강성 몸체의 모양을 만들 수 있다. 붓기 또는 주조와 같은 다른 방법도 적합할 수 있다.
강성 몸체를 제조하는 동안 강성 몸체에 물체를 통합하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 강성 몸체의 일부는 그러한 물체의 삽입을 위한 공간을 만들기 위해 멀리 가공될 수 있다. 3D 프린팅에서 물체는 강체의 나머지 부분을 3D 프린팅하기 전에 부분적으로 3D 프린팅된 강체 위에 배치될 수 있다. 유용한 실시 예에서, 방법은 적어도 하나의 압력 센서 또는 적어도 하나의 온도 센서가 강성 몸체에 제공되는 것을 특징으로 한다.
툴링은 성형 부분들의 두 접촉 표면들의 전자기 용접 방법에서 유리하게 사용될 수 있다. 따라서 발명의 또 다른 측면에 따르면, 성형 부분들의 두 접촉 표면들을 전자기 용접하는 방법이 제공되며, 상기 툴링의 고무 몸체에 가압하고 상기 접촉 표면들에 압력을 가하는 단계, 상기 성형 부분들의 상기 가압된 접촉 표면들을 따라 접합 인덕터를 이동시키는 단계, 상기 성형 부분들의 열적으로 활성화된 커플링 수단을 상기 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하도록 상기 성형 부분들의 유도-민감성 컴포넌트 내에 전자기장을 생성하는 단계, 및 용융된 커플링 수단에 의해 상기 접촉 표면들에서 상기 성형 부분들을 서로 접합시키는 단계를 포함한다. 발명된 툴링의 장점은 압력을 가하는 방식에 있다. 압력은 접촉 표면들에 걸쳐 실질적으로 균일할 뿐만 아니라 압력 축적이 제한되거나 성형 부분들의 다른 부분에서 제로일 수 있다. 이러한 압력 축적은 용접될 성형 부분에서 툴링을 잠재적으로 밀어 낼 수 있는 힘을 생성한다. 많은 실제 용접 작업에서 툴링은 한쪽에만 고정될 수 있다. 공간이 제한될 수 있기 때문에 툴링이 매우 가늘고 강성이 제한될 수 있다. 이러한 경우 원하지 않는 표면에 압력이 축적되어 툴링이 기울어질 수도 있다. 발명에 따른 툴링은 이 문제와 다른 문제를 해결한다.
발명된 압력 툴링은 모든 종류의 전자기 용접 공정에 사용될 수 있다. 성형 부분들의 전자기 용접에 적합한 방법은 몰드를 제공하고, 몰드에 커플링하기 위해 적어도 두 개의 성형 부분들을 배치하는 단계를 포함하고, 성형 부분들 사이에서 서로 접촉하는 표면들(접촉 표면들)은 열적으로 활성화된 커플링 수단과 유도-민감성 컴포넌트를 포함하고, 인덕터를 통해 유도-민감성 컴포넌트를 가열하여 커플링 수단을 활성화하고, 인덕터는 몰드의 외부에 위치할 수 있고, 몰드에 의해 정의된 구성으로 몰드 부분들을 함께 가압하여 툴링이 사용되며, 몰드 부분들은 열적으로 활성화된 커플링 수단에 의해 커플링된다.
인덕터는 일반적으로 교류 전압 하에서 전자기장을 생성하는 전기 전도체를 포함한다. 전자기장의 형상은 용접 방향으로 코일 형 또는 실질적으로 원통형과 같은 임의의 알려진 형상일 수 있다. 용접 방향으로 실질적으로 원통형인 전자기장을 사용하면 매우 제어되고 균일하며 목표로 하는 가열이 가능하므로 과열을 최대한 방지할 수 있다. 과열은 재료의 열화를 초래하여 원하지 않는 구조의 약화를 초래할 수 있다. 다른 인덕터들은 토러스(torus) 형 전자기장을 생성하는 복수의 권선을 포함한다. 유도 방향으로 인덕터에 직각 방향으로 알려진 인덕터를 사용함으로써 상대적으로 차가운 영역이 중앙에 발생하는 가열 패턴이 생성된다. 반면 원통형 전자기장은 균일한 가열을 가능하게 하는 훨씬 더 유리한 가열 프로파일을 생성한다. 또한 원통형 전자기장은 10-20mm 너비까지 매우 좁게 만들 수 있다. 토러스 형 장에서 이러한 폭은 필요한 열 유도력 및 침투력과 조합되어 실현될 수 없다.
인덕터의 전자기장은 성형 부분(들)의 섹션을 통해 및/또는 몰드의 벽을 통해 성형 부분 사이의 접촉 표면에 직접 도달할 수 있다. 발명된 방법과 툴링을 사용하면 견고하고 무거운 툴링을 사용하지 않고도 빠르고 효율적인 방식으로 성형 부분들 간의 양질의 용접 연결 또는 접합을 실현할 수 있다. 얻어진 접합 제품은 특히 우수한 기계적 하중 지지 능력을 가지고 있다.
하나 이상의 성형 부분들은 바람직하게는 용융에 의해 용접될 수 있는 열가소성 재료로 제조되지만, 열 활성화 커플링 수단으로서 성형 부분들 사이의 접촉 표면에만 열가소성 재료 또는 열 활성화 접착제를 배열하는 것도 고려할 수 있다.
유도-민감성 컴포넌트들은 일반적으로 금속 및/또는 탄소 섬유와 같은 전기 전도성 성분을 포함한다. 가열될 필요가 없는 인덕터 근처의 몰드 및 기타 컴포넌트들은 바람직하게는 유도-민감성 컴포넌트들이 실질적으로 없거나 적절한 차폐 재료로 유도장으로부터 차폐된다.
방법에서 바람직하게는 열가소성 성형 부분들에는 일반적으로 전기 전도성 부분, 예를 들어 금속 거즈(gauze)가 제공되거나, 이 부분은 성형 부분들 사이에 배열된다. 푸코 전류 또는 와전류는 발전기에 의해 교류가 공급되는 인덕터에 의해 생성되는 변동 전자기장에 의해 전기 전도성 부분에서 유도된다. 줄 효과, 섬유 접합 가열 및 유전체 히스테리시스(hysteresis)와 같은 여러 가열 메커니즘으로 인해, 이러한 푸코(Faucault) 전류는 열가소성 재료를 녹이거나 커플링 수단을 활성화하는 데 필요한 열을 생성한다. 접촉 표면들을 따라 인덕터를 이동시키면 열가소성 성형 부분들이 접촉 표면 위에 서로 연결된다. 인덕터는 연결을 실현하기 위해 예를 들어 로봇 암 또는 선형 가이드 또는 기타 이동 수단을 통해 접촉 표면 위로 안내될 수 있다.
가열을 위해, 유도-민감성 컴포넌트는 열적으로 활성화된 커플링 수단과 열 접촉해야 한다. 이는 예를 들어 유도-민감성 컴포넌트와 커플링 수단을 혼합함으로써 가능하다.
접합 인덕터가 몰드 외부에 위치하고 인덕터의 전자기장이 몰드의 벽을 통해 성형 부분들 사이의 접촉 표면에 도달하는 실시 예는, 용접 동안 몰드에 의한 압력 하에서 성형 부분들을 함께 가져오는 것을 허용한다. 다른 실시 예는 커플링을 위한 성형 부분들의 유도 가열이 일어난 후에 압력을 가할 수 있다.
사용된 재료, 특히 유도-민감성 컴포넌트 및 이 컴포넌트로부터 인덕터의 거리에 따라 적절한 전력 및 주파수가 인덕터 응답 감지의 결과로 결정될 수 있다. 주파수는 특히 전자기장의 침투력을 결정한다; 인덕터의 전력은 변동하는 전자기장의 강도와 이에 따라 유도-민감성 컴포넌트에서 생성되는 열의 정도를 결정한다.
열적으로 활성화된 커플링 수단이 열가소성 플라스틱을 포함한다면 유리하다. 열가소성 플라스틱은 융합에 의해 간단한 방식으로 커플링될 수 있다. 또한 열가소성 플라스틱을 금속 거즈 또는 탄소 섬유와 같은 유도-민감성 컴포넌트와 쉽게 혼합할 수 있다. 특히 적합한 열가소성 플라스틱의 예는 폴리 프로필렌, 폴리 아미드, 폴리 에테르 이미드(PEI), 폴리 에테르 케톤 케톤(PEKK), 폴리 에테르 에테르 케톤(PEEK) 및 폴리 페닐렌 설파이드(PPS)이지만, 이 방법은 원칙적으로 모든 열가소성 수지에 적합하다.
유도에 의해 가열 가능한 컴포넌트는 바람직하게는 탄소 섬유 및/또는 금속을 포함한다. 이러한 재료는 유도에 의해 쉽게 가열될 수 있으며 전기 전도 외에도 우수한 열 전도를 가지므로 생성된 열이 잘 분산된다. 열가소성 플라스틱에 포함된 탄소 섬유는 탄소 섬유가 재료 강도도 향상시키기 때문에 권장된다. 방법의 또 다른 바람직한 실시 양태에서, 유도에 의해 가열 가능한 컴포넌트는 강자성 또는 탄소 나노 입자를 포함한다.
몰드와 인덕터가 모두 고정되어 있을 수 있다. 이것은 예를 들어 성형 부분들의 접촉 표면들의 상대적으로 작은 부분의 커플링에 적합 할 수 있다. 바람직한 실시 예에서 인덕터는 커플링 수단이 접촉 표면들의 미리 결정된 부분에서 활성화되도록 접촉 표면들에 대한 경로를 따라 이동된다. 인덕터를 고정 상태로 유지하고 성형 부분들과 함께 몰드를 이동할 수도 있다.
발명에 따른 방법에 적용하기 위해 인덕터는 교류 발전기에 연결되며, 교류 발전기는 인덕터의 전기 연결 수단에 전기적으로 연결된다. 사용 가능한 주파수는 일반적으로 0.1 10MHz이다.
추가의 바람직한 실시 예에서, 유도부는 냉각 매체의 통과에 적합한 적어도 하나의 공급 채널을 구비한다. 이로써 유도부의 온도는 사용 중에 일정하게 유지될 수 있으며, 이는 또한 인덕터의 전기 저항에 유리하다. 냉각 매체는 바람직하게는 높은 열 용량을 갖는 물과 같은 액체이다. 유도 부분은 예를 들어 원하는 형태로 구부러진 금속 튜브일 수 있으며, 이를 통해 냉각 매체가 펌핑되는 반면 전자기장은 교류 전압으로 튜브 자체의 금속을 통해 발생한다.
특허 출원에 기재된 발명의 실시 예는 이들 실시 예의 임의의 가능한 조합으로 조합될 수 있고, 각 실시 예는 개별적으로 분할 특허 출원의 주제를 형성할 수 있다.
발명은 이하의 도면들을 참조하여 설명될 것이지만, 이에 제한되지는 않는다. 도면들에서,
도 1은 발명에 따른 방법에 의해 커플링될 2 개의 성형 부분들을 개략적으로 도시한다.
도 2는 발명의 일 실시 예에 따른 용접 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 3은 발명의 일 실시 예에 따른 툴링의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 툴링에 포함된 강성 몸체의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 5A-5F는 상이한 높이 레벨에서 수평면에서 도 4의 툴링의 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 6은 수직 평면에서 툴링의 측 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 툴링에 연결된 가압 수단을 통해 수직 평면에서 툴링의 측 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 8은 툴링에 연결된 가압 수단을 통해 수직 평면에서 툴링의 측 단면도를 개략적으로 도시한다. 그리고 마지막으로
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 툴링을 포함하는 툴링 어셈블리를 개략적으로 도시한다.
도 1은 전자기 용접으로 연결해야 하는 두 개의 성형 부분들(40, 41)을 도시한다. 두 성형 부분들(40, 41)은 탄소 섬유로 강화된 열가소성 폴리머로 제조될 수 있고, 탄소 섬유는 또한 용접을 목적으로 열가소성 중합체를 가열하기 위한 유도-민감성 컴포넌트로 작용한다. 제 1 성형 부분(40)은 평평한 부분이고, 제 2 성형 부분(41)은 성형 부분들(40, 41) 사이의 커플링을 위한 의도된 접촉 표면들을 형성하는 접힌 에지(42)를 갖는다. 명백히, 성형 부분들의 다른 형상이 사용될 수 있으며, 본 발명은 특정 성형 부분 형상에 제한되지 않는다. 접촉 표면들(42, 42')은 선형 인덕터(43)와 서로 접촉하고, 실질적인 원통형 전자기장을 제공하면 성형 부분들(40, 41), 및 특히 접촉 표면들(42, 42')은 열가소성 중합체를 열 활성화시키기에 충분히 높은 온도로, 또는 선택적으로 접촉 표면들(42, 42')에 적용되는 열 활성화 접착제가 가열된다. 인덕터는 부분들(40, 41)과 물리적으로 접촉하지 않고 B 방향으로 접촉 표면들(42, 42') 위로 이동할 수 있다. 가열 중 및/또는 선택적으로 그 후 짧은 시간 동안, 열 활성화된 접촉 표면들(42, 42')은 적절한 툴링(도 1에 도시되지 않음)를 사용하여 A 방향으로 함께 눌러야 성형 부분들(40, 41) 간에 잘 발달되고 강력한 연결을 얻을 수 있다.
도 2는 접합 인덕터(43)가 제공된 예시적인 용접 디바이스(30)를 도시한다. 인덕터(43)는 원하는 용접을 달성하기 위해 산업용 6 축 로봇(32) 또는 다른 적절한 이동 수단에 의해 사전 프로그래밍된 경로일 수 있는 용접 라인을 따라 안내될 수 있다. 이때 용접 용 성형 부분들은 이를 위해 제작된 몰드(33)에 함께 고정 및 압착될 수 있다. 몰드(33)에는 인덕터(43)가 용접을 위해 성형 부분들에 가깝게 이동할 수 있는 리세스(34)가 제공될 수 있다. 인덕터(43)는 전자기장을 발생시킬 목적으로 로봇(32)에 배치된 교류 발생기(35)에 연결될 수 있다. 몰드(33)는 접촉 표면들(42, 42')에 압력을 발생시키기 위해 접촉 표면들(42, 42')과 접촉하는 툴링이 제공되는 내부에 있다. 이 압력은 몰드(33) 내부 표면에 대해 툴링을 팽창시킴으로써 생성된다.
발명의 실시 예에 따른 그리고 예시적인 몰드(33)에 삽입될 툴링(1)이 도 3에 도시되어 있다. 툴링(1)은 고무 몸체(10) 및 그 안에 내장된 강성 몸체(11)를 포함한다. 도 4에 또한 도시된 바와 같이, 강성 몸체(11)는 쐐기 형이고 축 방향(21)으로 연장된다. 강성 몸체(11)는 수직 방향(20)으로 벽(14)들을 연장하는 상부 표면(13a) 및 하부 표면(13b)에 의해 수직 방향(20)으로 한정된다. 강성 몸체(11)는 상기 표면들(13a, 13b) 사이에서 연장되는 캐비티들(12a, 12b)을 더 포함한다. 캐비티 측벽(14)들은 가로 방향(22)으로 비교적 얇다. 가압 수단을 위한 연결부(15)가 강성 몸체(11)에 제공된다. 연결부(15)는 예를 들어 가압 공기와 같은 가압 액체를 위한 입구를 제공한다. 가압 공기를 위한 출구(16)는 도시된 바와 같이 2 개의 측벽(14)들에 제공될 수 있다.
툴링(1)은 예를 들어 PEEK와 같은 내열성 폴리머의 3D 프린팅을 통해 강성 몸체(11)를 먼저 형성함으로써 제조될 수 있다. 그런 다음 툴링(1)의 외부 형상과 일치하는 형상의 내부 공동을 갖는 홀더(도시되지 않음)가 제공된다. 강성 몸체(11)는 홀더 내부에 배치되고 액체 고무는 홀더에 부어진다. 이 액체 고무는 또한 강성 몸체(11)의 캐비티들(12a, 12b)을 채우고, 액체 고무의 응고 후에, 강성 몸체(11)가 내장된 고무 몸체(10)를 형성한다.
도 3에 도시 된 바와 같이, 강성 몸체(11)는 고무 몸체(10)의 상이한 두께가 상이한 방향으로 정의되도록 형성된다. 예를 들어, 고무 몸체(10)는 강성 몸체의 캐비티(12a) 내에서 수직 방향(20)으로 큰 두께(10b)를 갖는다. 한편, 고무 몸체(11)는 예를 들어 도 5b로부터 명백한 바와 같이, 가로 방향(22)으로 상대적으로 작은 두께(10a)를 갖는다. 서로 다른 고무 몸체(10) 두께(10a, 10b,…)들은 서로 다른 방향(20, 22)에서 서로 다른 압력 축적을 유발하는 것으로 밝혀졌다. 실제로, 수직 방향(20)에서의 압력 축적은 가로 방향(22)에서의 압력 축적, 즉 측벽(14)들에 거의 수직인 것에 비해 상대적으로 낮다. 따라서, 발명에 따른 툴링(1)은 이러한 압력 축적을 필요로 하지 않는 방향으로의 압력 생성이 제한되는 동안 용접될 성형 부분들에 압력을 발생시키는 것을 허용한다. 이방성 압력을 생성하는 기능은 용접 몰드의 강성 및 강도 요구 사항을 낮추는 데 유용하다.
도 5a 내지 5f는 상이한 높이 레벨 X1 내지 X6에서 툴링의 상이한 단면을 도시하며, 여기서 레벨 X1은 낮은 높이 레벨을 나타내고 레벨 X6은 높은 높이 레벨을 나타낸다.
도 5a는 고무 몸체(10)를 통해 레벨 X1에서 취한 단면을 보여준다.
도 5b는 캐비티(10a 및 10b)에서 고무 몸체(10)로 채워진 강성 몸체(10)의 하부를 통해 레벨 X2에서 취한 단면을 도시한다.
도 5c는 가압 공기를 위한 출구(16)의 높이에서 강성 몸체(10)의 중간 부분을 통해 레벨 X3에서 취한 단면을 도시한다.
도 5d는 또한 도 7에 도시된 바와 같이, 가압 공기에 대한 분기된 입구 덕트(17)(17a, 17b)의 높이에서 강성 몸체(10)의 더 높은 부분을 통해 레벨 X4에서 취한 단면을 도시한다. 가압 공기 용 덕트(17)는 연결부(15)를 통해 강성 몸체(11)에 연결되고 또한 고무 몸체(10)의 일부가 되도록 고무로 코팅된 로드(18)에 제공된다. 덕트(17)는 커넥터(19)를 통해 가압 공기 공급 소스(도시되지 않음)에 유동적으로 연결된다.
도 5e는 가압 공기에 대한 입구 덕트(17)의 분기 위의 높이에서 강성 몸체(10)의 더 높은 부분을 통해 레벨 X5에서 취한 단면을 도시한다.
도 5f는 마지막으로 가압 공기를 위한 유입 덕트(17)의 분기 위의 높이에서 강성 몸체(10)의 더 높은 부분, 툴링(1)의 상단에 있는 고무 몸체(10)를 통해 레벨 X6에서 취한 단면을 보여줍니다.
도 6을 참조하면, 수직면에서 툴링(1)의 측 단면도가 개략적으로 도시된다. 가압 공기 용 덕트(17)를 포함하는 로드(18)를 통한 수직 평면에서 툴링(1)의 측 단면도가 도 7에 개략적으로 도시되어 있고, 도 8은 수직면에서 툴링(1)의 측 단면도를 개략적으로 도시한다. 도 8에 도시 된 바와 같이, 툴링(1)은 필요한 곳에, 즉 화살표(25)로 도시된 바와 같이 강성 몸체(11)의 측벽(14)들에 대해 대략 수직인 압력이 본질적으로 축적되도록 구성된다.
이제 도 9를 참조하면, 발명의 실시 예에 따른 툴링(1)을 포함하는 툴링 어셈블리(50)가 개략적으로 도시되어 있다. 툴링 조립체(50)는 함께 볼트로 체결되고 열 차폐부(53)뿐만 아니라 전자기 용접에 의해 접합될 성형 부분들(54a 및 54b)을 보유하는 2 개의 프레임 부분들(51, 52)을 포함한다. 용접될 성형 부분들(54a, 54b)의 접촉 표면들을 가압하기 위해 툴링 조립체(50) 내에 툴링(1)이 삽입되었다. 툴링(1)은 도 9에서 로드 또는 호스(18)을 통해 부분적으로만 보인다. 고압 페스토(Festo) 커넥터(55)는 선택적으로 개조된(56)의 사용을 통해 호스(18)에 적용된다. 접촉 표면들(42, 42') 및 툴링(1) 을 가압하기 위한 가압 공기 공급 소스는 페스토 커넥터(55)에 연결되어 호스(18)로 들어간다.
툴링(1)을 가압 할 때, 압력은 도 8에 도시된 바와 같이 본질적으로 강성 몸체(11)의 측벽(14)들에 수직으로 발생한다. 프레임 부분들(51 및 52)은 상기 방향으로 발생된 압력에 저항할 필요가 있고, 다른 방향으로 툴링 어셈블리(50)를 강화할 필요가 없거나 리가 없다. 툴링(1)은 또한 비교적 작은 표면을 가압 할 수 있고/있거나 비교적 작은 곡률 반경을 수용할 수 있다는 점에서 유리하다.
발명은 상기 주어진 예에 제한되지 않고 이에 대한 변형이 첨부된 청구 범위의 범위 내에서 예상될 수 있다.

Claims (15)

  1. 성형 부분들의 두 접촉 표면들을 전자기 용접하기 위한 방법에 사용을 위한 툴링에 있어서,
    상기 툴링은 고무 몸체 및 상기 고무 몸체를 가압하고 상기 접촉 표면들에 압력을 가하기 위한 가압 수단을 포함하고, 상기 고무 몸체는 상이한 방향에서 상이한 고무 몸체 두께를 정의하는 것과 같은 형상을 가진 내장된 강성 몸체를 포함하고, 이는 상기 상이한 방향에서 상이한 압력 축적을 야기하며, 상기 가압 수단은 상기 강성 몸체에 제공된 채널링을 포함하고, 일 단부에서 이 채널링은 압력 소스에 연결되고 타 단부에서 상기 고무 몸체에 연결되는,
    툴링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 축적은 더 작은 두께에서 더 큰,
    툴링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고무 몸체는 상기 내장된 강성 몸체에 부착되는,
    툴링.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 표면들을 가압하기 위한 상기 고무 몸체 부분은 상기 고무 몸체의 다른 부분들보다 더 얇은 두께를 가지는,
    툴링.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접촉 표면들을 가압하기 위한 상기 고무 몸체 부분은 상기 고무 몸체의 다른 부분보다 더 얇은 두께를 가지는
    툴링.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강성 몸체는 상부 표면 및 하부 표면과 상기 표면들 사이에서 연장하는 벽들, 및 상기 표면들 사이에서 연장하고 상기 고무 몸체의 부분으로 채워진 캐비티를 갖는,
    툴링.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 소스는 가압된 공기의 소스를 포함하는,
    툴링.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강성 몸체는 폴리머 재료로 만들어진,
    툴링.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강성 몸체는 압력 센서 또는 온도 센서 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    툴링.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 툴링을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 강성 몸체를 형성하는 단계, 상기 툴링의 모양을 가진 홀더를 제공하는 단계, 상기 강성 몸체를 상기 홀더 내부에 배치하는 단계 및 액체 고무를 상기 홀더에 붓고 상기 고무 몸체를 제공하도록 상기 고무를 고형화시키는 단계를 포함하는,
    툴링.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 강성 몸체는 기계 가공으로 형성되는,
    방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 강성 몸체는 3D 프린팅으로 형성되는,
    방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    압력 센서 또는 온도 센서 중 적어도 하나가 상기 강성 몸체에 제공되는,
    방법.
  14. 성형 부분들의 두 접촉 표면들을 전자기 용접하는 방법에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 툴링을 제공하는 단계, 상기 툴링의 고무 몸체에 가압하고 상기 접촉 표면들에 압력을 가하는 단계, 상기 성형 부분들의 상기 가압된 접촉 표면들을 따라 접합 인덕터를 이동시키는 단계, 상기 성형 부분들의 열적으로 활성화된 커플링 수단을 상기 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하도록 상기 성형 부분들의 유도-민감성 컴포넌트 내에 전자기장을 생성하는 단계, 및 용융된 커플링 수단에 의해 상기 접촉 표면들에서 상기 성형 부분들을 서로 접합시키는 단계를 포함하는,
    방법.
  15. 제14항에 있어서,
    열적으로 활성화된 커플링 수단은 열가소성 플라스틱을 포함하는,
    방법.
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