KR20240055164A - 하이브리드 복합 뒷문 - Google Patents

하이브리드 복합 뒷문 Download PDF

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KR20240055164A
KR20240055164A KR1020247012721A KR20247012721A KR20240055164A KR 20240055164 A KR20240055164 A KR 20240055164A KR 1020247012721 A KR1020247012721 A KR 1020247012721A KR 20247012721 A KR20247012721 A KR 20247012721A KR 20240055164 A KR20240055164 A KR 20240055164A
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reinforcing
hybrid
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KR1020247012721A
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일로나 마리아 프랑수아 그론드-순스
데이비 윌헬무스 애나 브랜즈
브리스 데이비드 드
산디프 찬드라칸트 쿨카니
Original Assignee
사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

본 발명은 뒷문의 캐리어 프레임을 형성하는 열가소성 내부 구조물, 및 캐리어 프레임을 보강하기 위한 적어도 하나의 복합 보강 부품을 포함하는, 차량용 하이브리드 뒷문에 관한 것으로서, 복합 보강 부품은 제1 표면에서 열가소성 내부 구조물에 연결되고, 복합 보강 부품은 뒷문의 창 글레이징 부품을 위한 뒷문 창 개구부를 둘러싸는 내부 구조물 내의 연속 하중 경로를 형성한다. 또한, 본 발명은 그러한 하이브리드 뒷문을 포함하는 차량에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 하이브리드 뒷문을 제조하는 방법에 관한 것이고, 그러한 방법은 복합 라미네이트 부품을 삽입체로 형성하는 단계; 삽입체를 사출 몰딩 툴 내에 배치하는 단계; 및 중합체 수지로 삽입체를 오버-몰딩하는 단계를 포함한다.

Description

하이브리드 복합 뒷문{HYBRID COMPOSITE TAILGATE}
본 발명은, 열가소성 내부 구조물 및 복합 보강부를 포함하는, 차량, 특히 승용차와 같은 모터화된 차량을 위한 하이브리드 뒷문 또는 후방 도어에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 하이브리드 뒷문을 포함하는 차량에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 하이브리드 뒷문을 제조하는 방법에 관한 것이다.
엄격한 세계적 이산화탄소 방출 규제로 인해서, 중량 감소가 자동차에 있어서 중요하다. 결과적으로, 오늘날 가장 경량의 해결책은, 뒷문 적용예를 위해서 최적화된 알루미늄 또는 고강도 강 설계를 이용한다. 중량 감소에도, 알루미늄을 이용함으로써, 요구되는 기계적 성질을 유지하고자 한다. 알루미늄의 이용은 고비용적인데, 이는 재료비, 그리고 미적 내부 요건을 만족시키기 위한 (일반적으로 열가소성 폴리올레핀(TPO)로 제조되는) 개별적인 클래드(clad)인 부품의 필요성 때문이다.
중량을 더 줄이기 위해서, 그리고 부가적으로 비용을 줄이기 위해서, 플라스틱 뒷문이 검토되었다. 초기에, 플라스틱 뒷문이 열경화성 SMC-유사 재료로부터 개발되었다. 시트 몰딩 복합체(SMC)가 유리-섬유 보강형, 열경화성, 폴리에스테르 재료의 몰딩을 위해서 준비된다. 추후에, 열가소성 부품이, 미적(aesthetical) TPO 패널을 부분적으로 통합하는 장섬유 보강형 PP(PP-LGF)로 제조되었다. 그러나, 이러한 부품들 대부분은, 내부 구조물에 오버-몰딩되는, 볼트 체결되는 또는 접착되는 금속 삽입체를 포함한다. 금속 삽입체는 기계적 및 열적 팽창 요건을 만족시킬 필요가 있다.
현재의 계속되는 연구는 연속 섬유 보강형(FR) 삽입체로 금속 삽입체를 대체하는 것에 관한 것이다. 이러한 FR 삽입체는 직조된(woven)(굽혀진 섬유) 또는 라미네이트 유형(laminate type)(직선형 섬유)일 수 있다.
최근에, 열가소성 복합체가 뒷문 내부 구조물을 위한 대안적 재료로서 이용되었다. 미국 특허공개 US8550536은 섬유-보강형 열가소성 플라스틱 재료를 이용하는 그러한 뒷문을 설명한다. 종종, 금속 삽입체와 PP-LGF를 조합한 금속 하이브리드 구조물이 사용된다.
TPO와 복합 재료를 조합한 완전 열경화성 뒷문 내부 구조물은 중량의 추가적 감소(중량 절감), 부품 통합 및 비용 감소(비용 절감)의 가능성을 제공한다.
본 발명에 따라, 뒷문의 캐리어 프레임을 형성하는 열가소성 내부 구조물, 및 캐리어 프레임을 보강하기 위한 적어도 하나의 복합 보강 부품을 포함하는, 차량용 하이브리드 뒷문이 제공되고, 복합 보강 부품은 제1 표면에서 열가소성 내부 구조물에 연결되고, 복합 보강 부품은 뒷문의 창 글레이징 부품(window glazing part)을 위한 뒷문 창 개구부를 둘러싸는 내부 구조물 내의 연속 하중 경로(continuous load path)를 형성한다.
내부 구조물은 뒷문 창 개구부를 포함하고, 뒷문의 창 글레이징 부품이 그러한 뒷문 창 개구부 내에 배치될 수 있다. 보강 부품은, 뒷문 창 개구부를 둘러싸거나 포위하는 내부 구조물 내의 연속 하중 경로를 형성한다.
캐리어 프레임은 상단 빔, 상단 빔의 각각의 단부로부터 연장되는 2개의 D-필러, 및 상단 빔으로부터 0이 아닌 거리로 2개의 D-필러 사이에서 연장되는 하부 부분을 포함할 수 있다. 상단 빔, D-필러 및 하부 부분은 뒷문의 창 글레이징 부품을 위한 뒷문 창 개구부를 둘러싼다.
복합 보강 부품은, 사출 몰딩, 오버몰딩, 또는 용접이나 접착에 의한 부착에 의해서, 내부 구조물의 제1 표면에 연결된다.
바람직하게, 복합 보강 부품은 제1 표면에서 열가소성 내부 구조물에 연결되고 그와 함께 일체의 유닛을 형성하고, 복합 보강 부품은 제1 표면으로부터 연장되는 리빙 구조물(ribbing structure)을 포함하고, 그러한 리빙 구조물은 뒷문 창 개구부를 둘러싸는 내부 구조물 내에서 연속 하중 경로를 형성한다.
리빙 구조물은 캐리어 프레임을 보강하기 위한 내부 구조물의 부품이고, 내부 구조물의 제1 표면으로부터 연장된다. 리빙 구조물은 캐리어 프레임의 상단 빔에 대해서 평행, 수직 및/또는 대각선 방향으로 지향된 리브를 포함할 수 있다.
내부 구조물은 0.9 mm 내지 5.0 mm, 바람직하게 1.0 내지 4.0 mm, 더 바람직하게 1.5 내지 4.0 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러한 두께는 내부 구조물에 의해서 덮이는 면적에 따라 달라질 수 있다. 리빙 또는 리빙 구조물은 0.6 내지 5.0 mm, 바람직하게 1.0 내지 4.0 mm 범위의 두께를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 보강 부품은 기부 및 보강 부품의 기부의 제2 표면으로부터 연장되는 적어도 하나의 직립 보강 벽을 포함하고, 상기 직립 보강 벽은 기부를 따라 리빙을 형성한다. 그에 따라, 보강 부품은 제1 표면에서 내부 구조물에 연결된다. 상기 직립 보강 벽은 기부의 제1 연부 및/또는 기부의 제2 연부를 따라서 연장되는 벽일 수 있다. 또한, 상기 직립 보강 벽은 -90° 내지 +90°, 바람직하게 -45° 내지 +45° 범위의 각도로 제1 연부와 제2 연부 사이에서 연장될 수 있다. 바람직하게, 기부를 따른 및/또는 제1 연부와 제2 연부 사이에서 연장되는 상기 직립 보강 벽은 리빙 구조물의 일부를 형성한다.
다른 실시예에 따라, 상기 보강 부품은 복합 재료 라미네이트를 더 포함하고, 상기 복합 재료 라미네이트는 열가소성 매트릭스 재료를 갖는 복합 테이프의 적어도 하나의 층을 포함하고, 상기 열가소성 매트릭스 재료 내에 연속 보강 섬유가 매립되어 있다. 이러한 실시예에 따라, 적어도 하나의 복합 보강 부품은 매트릭스 재료 내에 매립된 연속 보강 섬유를 갖춘 매트릭스 재료의 층을 포함하여 제조된 복합 재료 테이프를 포함한다. 매트릭스 재료는 바람직하게 폴리올레핀과 같은 열가소성 재료이다. 연속 보강 섬유는 테이프의 길이방향으로 지향될 수 있다. '연속 섬유'라는 용어는 테이프와 동일한 길이를 갖는 섬유를 지칭할 수 있고, 즉, 섬유는 테이프의 길이로 연장된다.
바람직하게, 복합 테이프의 둘 이상의 층으로 라미네이트가 제조된다. 각각의 층 내의 연속 섬유는 테이프의 길이방향에 대해서 상이한 방향으로 배향될 수 있다. 다른 층 내의 섬유에 대한 하나의 층 내의 섬유의 배향이 -90°내지 +90°범위일 수 있다. 제1 층의 연속 섬유의 길이방향과 제2 층의 연속 섬유의 길이방향 사이의 바람직한 각도는 -45°내지 +45°의 범위이다. 라미네이트의 두께는 0.1 mm 내지 6.0 mm 범위일 수 있다. 하나의 층의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm일 수 있다. 바람직하게, 두께가 1.5 내지 4.5 mm, 더 바람직하게 2.0 내지 4.0 mm인, 다중 층 라미네이트가 이용된다. 라미네이트의 두께는, 보강을 국소적으로 증가시키기 위해서, 그 폭 방향 및/또는 길이 방향으로 달라질 수 있다. 이는, 전형적으로 뒷문의 큰 하중 지역인, 예를 들어 경첩 연결 부분, 가스 스트럿 연결 부분, 및/또는 록(lock) 수용 부분에서의 개선된 응력 분포에 유리할 수 있다.
라미네이트는, 적어도 내부 구조물의 열가소성 재료와 양립 가능한, 바람직하게 유사한 열가소성 재료로 추가적으로 오버몰딩될 수 있다. 오버몰딩된 층의 두께가 1.0 내지 2.0 mm 범위, 바람직하게 1.5 mm일 수 있다.
복합 재료 라미네이트는 보강 부품의 기부의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 리빙을 형성하는 직립 보강 벽이 라미네이트에 의해서 형성된 기부로부터 연장될 수 있다. 바람직하게, 복합 재료 라미네이트가 D-필러, 상단 빔 및 하부 부분 중 하나 이상에 제공되어, 적어도 경첩 연결 부분, 가스 스트럿 연결 부분, 및/또는 록 수용 부분 위에서 연장된다. 복합 재료 라미네이트가 적용되지 않거나 적용될 수 없는 경우에, 리빙 또는 리빙 구조물이 제공되고, 그러한 리빙 또는 리빙 구조물은 적어도 부분적으로 복합 재료 라미네이트와 중첩되어 내부 구조물 내에서 연속 하중 경로를 형성한다. 리빙 또는 리빙 구조물은 또한 용이한 제조를 위해서 예를 들어 모서리 영역에서, 예를 들어 상단 빔으로부터 D-필러로의 전이부에서 적용될 수 있다.
내부 구조물의 설계에 따라, 보강 부품으로서 리빙 구조물만을 적용하는 것이, 특히 D-필러에서의, 내부 구조물의 최적의 보강에 충분하지 않을 수 있다. 내부 구조물의 보강을 최적화하기 위해서, 제1 단계에서, 리빙 구조물에 더하여, 복합 재료 라미네이트를 D-필러에 제공할 수 있다. 또한, 복합 재료 라미네이트가 상단 빔에 제공될 수 있다. 추가적인 보강이 필요할 때, 복합 재료 라미네이트가 또한 하부 섹션(뒤창(back lite) 아래)에 부가되어, 추가적으로 전체 내부 표면적을 덮을 수 있다. 연속 하중 경로를 폐쇄하기 위해서, 리빙 또는 리빙 구조물이 복합 재료 라미네이트와 적어도 부분적으로 중첩된다. 바람직하게, 모든 실시예에서 리빙이 존재하여, 상단 빔으로부터 록 지역까지 폐쇄 하중 경로를 형성할 수 있다. 내부 구조물의 더 많은 지역이 복합 재료 라미네이트로 보강될수록, 통상적으로 보강된 내부 구조물에 비해서 더 많은 중량 감소가 달성될 수 있다는 것이 관찰된다.
하이브리드 뒷문은 바람직하게, 하나 이상의 금속 부품을 포함할 수 있는 후방 도어의 록 그리고 가능하게는 경첩을 제외하고, 금속 보강 부품 또는 어떠한 금속 삽입체도 가지지 않으며, 다시 말해서 후방 도어 또는 뒷문의 록이 금속 록일 수 있다.
열가소성 내부 구조물은 긴 섬유, 예를 들어 30 내지 60 중량%, 바람직하게 40 중량%의 긴 유리 섬유(PP-LGF), 예를 들어 SABIC에 의해서 제조된 STAMAX®로 보강된 폴리프로플렌(PP)의 조합을 포함할 수 있거나, 이러한 것으로 이루어질 수 있다. 특정 형상을 포함하고 주요 하중 지역(경첩, 가스 스트럿 및 록)을 연결하는 특정 플라이 적층체(ply stacking)를 갖는 직조된 또는 일방향성 라미네이트인, 복합 라미네이트 삽입체와 조합된 PP-LGF를 이용할 때, 통상적인 강 또는 알루미늄 내부 구조물 또는 캐리어 프레임을 갖는 뒷문과 비교하여 중량이 상당히 절감된, 동일하게 (기계적으로) 기능하는 뒷문이 달성될 수 있다.
복합 테이프는 연속 섬유, 예를 들어 연속 유리 섬유로 보강된 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 복합 라미네이트는, 특정 적층 각도 또는 플라이 각도 하에서 서로 상하로 적층된, 둘 이상의 일방향성 테이프를 포함할 수 있다. 또한, 보강된 테이프는 30 내지 60 부피%, 바람직하게 45 부피%의 연속 유리 섬유를 포함할 수 있다. 라미네이트는 3-차원적 라미네이트 삽입체로서 미리-성형될 수 있다. 이러한 라미네이트 삽입체는 열가소성 재료, 예를 들어 폴리올레핀, 바람직하게 기부와 오버몰딩된 재료 사이의 접합을 향상시키기 위해서 복합 재료의 매트릭스 재료와 유사한 열가소성 재료로 오버몰딩되도록 사출 몰딩 공동 내에 삽입될 수 있다. 대안적으로, 라미네이트 삽입체가 접착, 볼트 체결, 클립핑 등과 같은 다른 방법에 의해서 연결될 수 있으나, 이는 기계적 성능 및 총 비용에 부정적인 영향을 미치지 않을 것이다.
라미네이트는 매트릭스 재료 내에서 일방향성 연속적 섬유의 테이프를 포함할 수 있다. 직조된 섬유, 예를 들어 보강 섬유로부터의 직물이 또한 이용될 수 있다. 그러나, CF-복합 라미네이트는, 직조된 섬유 복합체 및 길고 비-연속적인 섬유 충진 재료에 비해서, 더 우수한 경직도(stiffness) 및 강도를 제공하는데, 이는 섬유의 연속적인 길이, 즉 섬유의 길이가 테이프 층의 길이와 일치되기 때문이다.
뒷문은 경첩 연결 부분, 가스 스트럿 연결 부분, 및/또는 록 수용 부분을 더 구비할 수 있고, 록은 뒷문과의 연결을 위해서 수용될 수 있다. 또한, 연속 하중 경로 즉, 보강 부품은, 뒷문 내에 제공된 록 수용 부분의 제1 측면으로부터 록 수용 부분의 제2 측면까지 연장될 수 있고, 록 수용 부분은 루프 또는 경로를 폐쇄한다. 경첩 연결 부분은 경첩을 통해서 뒷문을 차량에 연결하기 위해서 이용될 수 있고, 내부 구조물의 상부 측면 부근에서, 뒷문 창 개구부의 상부 측면에 위치될 수 있다. 가스 스트럿 연결 부분을 이용하여 가스 스트럿을 뒷문에 연결할 수 있고, 뒷문 창 개구부의 양 단부 측면들에 위치될 수 있다. 록 수용 부분은, 경첩 연결 부분에 대향하여, 바람직하게 뒷문 창 개구부의 하부 측면과 내부 구조물의 하부 측면 사이의 위치에서, 뒷문 창 개구부의 하부 측면에 위치될 수 있다.
보강 부분은, 예를 들어 경첩 연결 부분으로부터 가스 스트럿 연결 부분을 통해서 록 수용 부분까지, 내부 구조물 내에서 연속 하중 경로를 형성한다. 보강 부품의 최적의 이용, 즉 큰 하중을 받는 지역에서의 보강 부품의 배치가 중량을 상당히 줄일 수 있다. 연속 하중 경로를 형성하기 위해서, 큰 하중을 받는 주요 지역이 보강 부품에 의해서 연결될 필요가 있다. 그러한 큰 하중을 받는 지역은 경첩 연결 부분들 사이의 지역, 경첩 연결 부분과 가스 스트럿 연결 부분 사이의 지역, 및 가스 스트럿 연결 부분과 록 수용 부분 사이에서 연장되는 지역이다.
따라서, 보강 부품은 내부 구조물의 상단 부품 또는 상단 빔을 강화하기 위한 상단 보강 부품, 내부 구조물의 D-필러를 강화하기 위한 D-필러 보강 부품, 및/또는 D-필러 보강 부품과 록 수용 부분 사이에서 연장되는 추가적인 보강 부품을 포함할 수 있다. 연속 하중 경로를 형성할 때, 보강 부품은 연속적 보강 부품일 수 있고, 여기에서 상단 보강 부품은 양 단부에서 D-필러 보강 부품에 연결되고, 각각의 D-필러 보강 부품은, 뒷문의 내부 구조물의 록 수용 부분을 향해서 연장되는 추가적인 보강 부품에 연결된다.
뒷문 및 그 내부 구조물이 상이한 형상들을 가질 수 있다. 예를 들어, 뒷문 개구부를 포함하는 상부 부분 및 하부 부분이 동일 평면 내에 있고, 즉 이러한 각각의 부분의 정상 방향들이 평행하고, 또는 상부 부분 및 하부 부분이 0도 또는 180도가 아닌 각도에 있고, 즉 이러한 각각의 부분의 정상 방향들이 0도 또는 180도가 아닌 각도에 있고, 그에 따라 내부 구조물 내에서 각도를 형성한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 하이브리드 복합 뒷문의 여러 실시예와 특성을 나타내는 도면이다.
예 1:
도 1에 도시된 이러한 제1 예는 전체적으로 PP-LGF로, 즉 열가소성 매트릭스 내에서 40 중량%의 긴 유리 섬유를 갖는, 긴 유리 섬유 보강체를 갖는 폴리프로필렌 매트릭스로 제조된 내부 구조물(2)을 갖는 제1 뒷문(1)을 포함한다. 이러한 제1 뒷문 설계는 알루미늄 설계에 비해서 약 18% 더 가볍다. 비교적 두꺼운 리빙 때문에, 이러한 설계는 미적이지 않은 부품을 위한 이용으로 제한된다. 그러나, D-필러의 위치에서 횡단면적을 증가시키면, 더 얇은 리빙이 적용될 수 있고, 그에 따라 그러한 설계가 미적 목적에 더 적합하도록 할 수 있다.
내부 구조물(2)은 뒷문 창 개구부(6)를 구비하고, 뒷문의 창 글레이징 부품이 그러한 뒷문 창 개구부 내에 배치될 수 있다. 이러한 창 글레이징 부품은 투명한 열가소성 재료로 제조된 일체형 글레이징 부품, 또는 추후의 차량 조립 스테이지에서 창 개구부 내에 배치되는 전형적인 유리 창일 수 있다. 보강 부품(9)은, 뒷문 창 개구부(6)를 둘러싸는 내부 구조물(2) 내의 연속적 하중 경로를 형성한다.
경첩 연결 부분들(8) 사이의 상단 보강 부품(4) 및 경첩 연결 부분(8)과 가스 스트럿 연결 부분(7) 사이의 D-필러 보강 부품(13)은, 알려진 리빙 패턴, 즉 일반적인 보강 패턴을 가질 수 있는 리빙 구조물(3)을 포함한다. 가스 스트럿 연결 부분(7)과 록 수용 부분(5) 사이의 추가적인 보강 부품(12)이, 비-일반적 리빙 패턴 및 가능하게는 부분적인 미적 표면을 가질 수 있는 추가적인 리빙 구조물(14)로 실현될 수 있다. 리빙 패턴은 평행 리브들 사이에서 연장되는 리빙을 갖는 평행한 대향 리브들을 포함할 수 있고, 리빙은 평행 리브들에 대해서 대각선 방향으로, 즉 0도 또는 180도가 아닌 각도로 연장된다. 리빙 구조물(3, 14)은 내부 구조물과 일체로 사출 몰딩된다.
추가적인 보강 부품이 부분적으로 미적인 표면을 구비할 때, 이는 별도의 클래딩 즉, 커버링이 뒷문 마감을 위해서 필요치 않다는 장점을 갖는다. 그러나, 그러한 미적인 표면은, 표면 내의 오목 마크(sink mark)를 방지하기 위해서, 리브 또는 직립 보강 벽의 두께가 제한될 것임을 암시할 수 있거나, 미적 표면의 위치에 직립 보강 벽 또는 리빙이 존재하지 않을 수 있음을 암시할 수 있다.
예 2:
도 2에 도시된 이러한 제2 예는 CF-라미네이트 보강부(10', 11', 12')로 보강된 PP-LGF로 제조된 내부 구조물(2'), 즉 연속 섬유 라미네이트 재료를 포함하는 보강부를 갖춘 PP-LGF의 내부 구조물을 갖는 제2 뒷문(1')을 포함한다. 삽입체의 기능이 필요하지 않거나 적어도 매우 적은 기능만이 필요하기 때문에, 생산을 돕고 비용을 줄이기 위해서, 삽입체의 형상이 비교적 편평하다. 삽입체를 위해서 이용되는 라미네이트 부품의 두께가 변경될 수 있다. 이러한 제2 예에서, 최적의 두께는, 경첩 연결 부분들(8')(지역 1) 사이에 위치된 상단 보강 부품(10')에 대해서 10개 내지 14개, 경첩 연결 부분(8')과 각각의 가스 스트럿 연결 부분(7') 사이의 D-필러 보강 부품(11')에 대해서 8개 내지 18개의 층(지역 2), 그리고 가스 스트럿 연결 부분(7')과 록 수용 부분(5')(지역 3) 사이의 추가적인 보강 부품(12')의 각각에 대해서 6개 내지 8개의 층인 것으로 확인되었고, 모든 층은 0°, 45°, 또는 -45°의 플라이 각도를 갖는다.
상단 보강 부품(10'), D-필러 보강 부품(11'), 및 가스 스트럿 연결 부분(7')과 록 수용 부분(5') 사이의 추가적인 보강 부품(12')은, 연속 하중 경로를 구성하는 보강 부품(9')을 형성한다.
이러한 예에서, CF-라미네이트가 보강 부품의 기부를 형성한다는 것, 즉, PP-LGF 재료와 함께 라미네이트를 오버-몰딩하는 것 그리고, 이하에서 설명되는 바와 같이, 직립 보강 벽을 갖는 리빙 구조물을 형성하는 것에 의해서 리빙이 기부에 접합된다는 것을 주목하여야 한다.
이러한 제2의 예는, 알루미늄 뒷문 설계에 비해서 약 35%의 중량 감소를 초래하였다. 플라이 각도의 최적화는, 최적 각도가 0, 45, -45, 0° 설계에 근접한다는 것을 보여주었다. 예를 들어, 제2 테이프 층의 연속 섬유는 제1 테이프 층의 연속 섬유와 시계방향 또는 반시계방향으로 45°의 각도를 가질 수 있다. 이러한 설계는 예 1의 제1 설계보다 우수한 장기간의 하중 또는 크리프(creep) 성능 개선 및 추가적인 중량 감소라는 장점을 갖는다.
예 3:
도 3에 도시된 바와 같은 이러한 제3 예는, 미리-형성된 CF-라미네이트 보강 부품(10", 11", 12")으로 보강된 PP-LGF로 제조된 내부 구조물(2")을 갖는 제3 뒷문(1")을 포함한다. CF-라미네이트 보강 부품은 특정의 3-차원적 형상으로 미리-형성되었고, 이에 대해서는 도 5를 참조한다. 이러한 CF-라미네이트 삽입체는 사출 몰딩 툴 내의 3D 형상의 삽입체이다. 미리-형성된 CF-라미네이트 부품은 보강 부품의 일부이다. 리빙은, 성형된 라미네이트를 PP-LGF 재료와 함께 오버-몰딩하는 것에 의해서, 예를 들어 리빙 구조물을 3D 삽입체의 채널 형상의 부분 내로 오버몰딩하는 것에 의해서, 기부에 접합된다.
3D 라미네이트 예비-형성체 또는 삽입체는 부가적인 중량 감소를 제공하나, 제조 프로세스에 복잡성을 부가하고 그에 의해서 비용을 부가한다. 이러한 제3 예는, 뒷문의 일반적인 알고리즘 설계에 비해서 약 42% 이하의 중량 감소를 달성하는 것으로 믿어진다.
예 4:
도 2 및 도 3에서, 연속 섬유 라미네이트가 중요 하중 지탱 위치에 배치된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, CF-라미네이트는 내부 구조물의 하부 부분 내에서 큰 표면적(15*)을 덮을 수 있다. 라미네이트는 UD-테이프-유사 판의 비교적 큰 섹션으로서 형성된다. 도 4의 라미네이트 보강 면적(15*)은 록킹 수용 부분(5*)을 위한 공간을 남기고, D-필러 보강 부품(11*)과 연결되어, 뒷문 내부 구조물(2*) 내의 창 수용 개구부(6*)를 둘러싸는 상단 보강 부품(10*)과 함께 연속 하중 경로를 형성한다.
도 5는 리빙 구조물(22) 및 임의의 연관된 라미네이트 삽입체(23)의 몇몇 형상을 도시한다. 라미네이트 삽입체(23)는, 열가소성 수지로 오버몰딩될 수 있는, 하나 이상의 채널 형상의 부분(24)을 갖는 3-차원적으로 성형된 형태일 수 있고, 이에 대해서는 도 5의 컬럼 B 및 블록 D1을 참조한다. 라미네이트 삽입체는, 대안적으로, 리빙(22)의 하나 이상의 측면에 위치된 편평한 삽입체일 수 있고, 이에 대해서는 도 5의 컬럼 C 및 블록 D2 및 D3을 참조한다. 도 5의 컬럼 A는 라미네이트 삽입체가 없는 리빙 구조물(22)의 몇몇 형태를 도시한다.
도 6은, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은, 예 1 내지 예 4에 따른 뒷문이 비틀림 강도, C-굽힘 강도, L-굽힘 강도, 측방향 굽힘 및 고유 진동수(Eigen frequency)와 관련된 요건을 만족시킨다는 것을 보여준다. 본 요건(25)은 100%로 설정되었고, 이어서, PP-LGF만의 내부 구조물(26)에 대해서(예 1 참조); 편평한 라미네이트를 갖는 PP-LGF로 이루어진 내부 구조물(27)에 대해서(예 2 참조); 3D의 미리-형성된 라미네이트를 갖는 PP-LGF로 이루어진 내부 구조물(28)에 대해서(예 3 참조); 그리고 라미네이트 판을 갖는 PP-LGF로 구성된 내부 구조물(29)에 대해서(예 4 참조), 각각의 특성의 상대적인 값이 주어졌다.
구조적 내부 부품의 상이한 설계들에서 이용되는 PP-LGF 및 CF-라미네이트 사이의 중량 분산이 도 7에 도시되어 있다. 이러한 그래프로부터, CF-라미네이트의 기여가 클수록, 내부 구조물이 더 중량-감소되고, 그에 의해서 하이브리드 뒷문이 달성된다는 것이 관찰될 수 있다. 편평한 라미네이트를 갖는 PP-LGF로 구성된 내부 구조물(바아(bar) 19, 예 2)은, 라미네이트 보강부가 없는 PP-LGF로 전체적으로 구성된 내부 구조물(바아 18, 예 1)의 중량의 약 73%이다. 편평한 라미네이트 삽입체(바아 19)에 대비되는 3D의 미리-형성된 라미네이트 삽입체(바아 20, 예 3)의 이용은, 라미네이트 보강부가 없는 PP-LGF로 전체적으로 구성된 내부 구조물(바아 18, 예 1)의 중량의 약 64%까지 중량을 감소시킨다. 그러나, 이러한 것은, 사용되는 라미네이트 재료의 증가로 인해서, 비용을 증가시킬 것이고, 보다 복잡한 툴링(tooling) 또는 삽입체를 희망 형상으로 미리 형성하는 부가적인 프로세스 단계를 필요로 한다. 유사한 논리가, 라미네이트 보강부가 없는 PP-LGF로 전체적으로 구성된 내부 구조물(바아 18, 예 1)의 중량의 약 54%를 구성하는 라미네이트 판 해결책(바아 21, 예 4)에 적용될 수 있다.
도 8 및 도 9는 내부 구조물을 덮기 위해서 내부 커버(16, 17)를 포함하는 하이브리드 뒷문 내부 구조물의 실시예를 도시한다. 도 8은 내부 커버(16)의 제1 실시예를 도시하고, 여기에서 내부 커버(16)는, 추가적인 보강 부품(12)을 제외하고, 추가적인 보강 부품(12)에 의해서 둘러싸인 지역을 덮는다. 추가적인 보강 부품의 미적 외관이, 커버되지 않은 지역 내에서 미적 표면으로서 충분히 작용할 때, 그러한 작은 내부 커버(16)가 이용될 수 있다.
도 9는 내부 커버(17)의 제2 실시예를 도시하고, 여기에서 내부 커버(17)는, 추가적인 보강 부품(12)을 포함하여, 추가적인 보강 부품(12)에 의해서 둘러싸인 지역을 덮는다. 이어서, 그러한 연장된 내부 커버(17)는 추가적인 보강 부품(12)을 위한 미적 커버로서 이용된다.
본 발명은 복합 하이브리드 뒷문 내부 구조물을 개시하고, 여기에서 연속 섬유 복합체 및 미충진형/충진형 열가소성 복합체가 조합되어 이용되며, 그에 따라 뒷문 내부 구조물의 중량 감소를 제공하면서 엄격한 기계적 요건을 만족시킨다.
복합체 내의 연속 섬유는 유리, 탄소, 아라미드, 또는 임의의 다른 열가소성 기반의 섬유, 또는 그 임의 조합일 수 있다. 이용된 라미네이트는 일방향성 테이프 또는 직물 또는 그 조합을 기초로 할 수 있다. 라미네이트 또는 테이프 내의 섬유 함유량이 35 부피% 내지 65 부피%일 수 있다.
이용되는 라미네이트는, 라미네이트의 방향적 특성을 획득하기 위한 동일 배향으로 또는 준-등방적 특성을 획득하기 위한 다수의 배향으로, 많은 수의 플라이(층)을 서로 상하로 적층하는 것에 의해서 얻어진다. 희망 특성을 획득하기 위해서, 상이한 적층 시퀀스를 갖는 라미네이트가 부품 전체를 통해서 조합되어 이용될 수 있다. 라미네이트는 일정한 두께일 수 있거나 그 길이에 걸쳐 가변적인 두께를 가질 수 있다.
오버-몰딩 재료는 바람직하게 짧거나 긴 섬유로 충진된 재료를 포함한다. 충진 섬유는 유리, 탄소, 아라미드, 또는 임의의 다른 열가소성 기반 섬유일 수 있다. 오버-몰딩 재료 및/또는 PP-LGF 재료의 섬유 충진 함량은 10 중량% 내지 50 중량%일 수 있다.
바람직하게, 라미네이트와 오버-몰딩 재료 사이의 양호한 접합을 달성하기 위해서, 연속 섬유 라미네이트 내의 매트릭스 재료 및 오버-몰딩 수지가 양립 가능하고, 더 바람직하게 심지어 유사하다. 대안적으로, 라미네이트는 접착 또는 기계적 체결에 의해서 수지 재료 부품에 접합될 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 하이브리드 뒷문의 제조 방법에 관한 것이다. 현재의 복합 하이브리드 뒷문 내부 구조물은, 복합 재료 라미네이트를 사출 몰딩 기계 내에 배치하는 단계; 사출 몰딩 툴을 폐쇄한 상태에서 복합 재료 라미네이트를 희망 삽입체 형상으로 형성하는 단계; 및 중합체 또는 열가소성 수지로 삽입체를 오버-몰딩하는 단계를 포함하는 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 그러한 방법은 라미네이트 형상을 프레싱 툴 내에서, 예를 들어 수직 프레스 내에서 형성하는 단계; 성형된 삽입체를 형성하는 단계; 및 성형된 삽입체를 사출 몰딩 툴 내측에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 삽입체가 오버-몰딩되어, 사출 몰드 툴 내의 나머지 공동을 충진할 수 있다. 리빙을 형성하는 직립 보강 벽 또는 벽들이 프로세스 내의 오버-몰딩 단계 중에 제조될 수 있다.
삽입체는 2D 형상, 즉 편평한 형상일 수 있거나, 3D 형상일 수 있다. 삽입체는, 채널 기부(30) 및 채널 직립 보강 벽(31)을 갖는, 개방형 채널(24)을 포함할 수 있다. 리빙 구조물 또는 리빙이 채널(24) 내에 제공될 수 있고, 채널 기부(30)로부터 그리고, 기부의 유사 측면 또는 대향 측면들 상의, 채널 직립 보강 벽들(31) 사이에서 연장될 수 있고, 이에 대해서는 도 5를 참조한다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 내부 구조물을 포함하는 하이브리드 뒷문을 포함하는 차량에 관한 것이다.

Claims (17)

  1. 뒷문의 캐리어 프레임을 형성하는 열가소성 내부 구조물, 및 상기 캐리어 프레임을 보강하기 위한 적어도 하나의 복합 보강 부품을 포함하는, 차량용 하이브리드 뒷문으로서, 상기 복합 보강 부품은 제1 표면에서 상기 열가소성 내부 구조물에 연결되고, 상기 복합 보강 부품은 상기 뒷문의 창 글레이징 부품을 위한 뒷문 창 개구부를 둘러싸는 상기 내부 구조물 내의 연속 하중 경로를 형성하고,
    상기 복합 보강 부품은, 록 수용 부분, 상기 내부 구조물의 상단 부품 또는 상단 빔을 강화하기 위한 상단 보강 부품, 상기 내부 구조물의 D-필러를 강화하기 위한 D-필러 보강 부품, 상기 D-필러 보강 부품과 상기 록 수용 부분 사이에서 연장되는 추가적인 보강 부품, 및 상기 제1 표면으로부터 연장되는 리빙 구조물을 포함하고,
    상기 상단 보강 부품은, 양 단부에서 상기 D-필러 보강 부품에 연결되고, 각각의 D-필러 보강 부품은 상기 추가적인 보강 부품에 연결되고, 각각의 추가적인 보강 부품은 상기 록 수용 부분의 단부까지 연장되고, 상기 리빙 구조물은 상기 뒷문 창 개구부를 둘러싸는 상기 내부 구조물 내에서 연속 하중 경로를 형성하고,
    상기 보강 부품의 연속 하중 경로가 상기 록 수용 부분의 제1 단부로부터 상기 록 수용 부분의 제2 단부까지 연장되고, 상기 록 수용 부분은 상기 연속 하중 경로를 폐쇄하는 것인, 하이브리드 뒷문.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 보강 부품은 상기 제1 표면에서 상기 열가소성 내부 구조물에 연결되고 그와 함께 일체의 유닛을 형성하는, 하이브리드 뒷문.
  3. 제1항에 있어서,
    경첩 연결 부분과 가스 스트럿 연결 부분에서 선택되는 하나 이상을 더 구비하고, 상기 보강 부품의 연속 하중 경로가 상기 록 수용 부분의 상기 제1 단부로부터 상기 록 수용 부분의 상기 제2 단부까지 연장되어 상기 경첩 연결 부분 및 상기 가스 스트럿 연결 부분 위에서 연장되는 것인, 하이브리드 뒷문.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보강 부품은 기부 및 상기 보강 부품의 제2 표면으로부터 연장되는 적어도 하나의 직립 보강 벽을 포함하고, 상기 직립 보강 벽은 상기 기부를 따라 리빙을 형성하는 것인, 하이브리드 뒷문.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보강 부품은 복합 재료 라미네이트를 더 포함하고, 상기 복합 재료 라미네이트는 열가소성 매트릭스 재료를 갖는 복합 UD 테이프의 적어도 하나의 층을 포함하는 것이고, 상기 열가소성 매트릭스 재료 내에 연속 보강 섬유가 매립된 것인, 하이브리드 뒷문.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복합 재료 라미네이트의 각각의 층 내의 상기 연속 보강 섬유가 상기 복합 재료 라미네이트의 길이방향에 대해서 상이한 방향으로 배향되는 것인, 하이브리드 뒷문.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복합 재료 라미네이트가 상기 보강 부품의 기부의 적어도 일부를 형성하는 것; 및
    상기 리빙을 형성하는 상기 직립 보강 벽이 상기 테이프 또는 상기 복합 재료 라미네이트에 의해서 형성된 상기 기부로부터 연장되는 것
    중 어느 하나 또는 둘다 인, 하이브리드 뒷문.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 뒷문이 금속 보강 부품을 가지지 않는 것인, 하이브리드 뒷문.
  9. 제1항에 있어서,
    연속 섬유 복합 재료 및 미충진형 또는 충진형 열가소성 복합 재료의 조합을 포함하는, 하이브리드 뒷문.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 연속 보강 섬유가 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 또는 열가소성 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 하이브리드 뒷문.
  11. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 보강 부품이 상기 캐리어 프레임의 중요 하중 지탱 위치에 위치되는 것인, 하이브리드 뒷문.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 복합 재료 라미네이트가 D-필러, 상단 빔 및 하부 부분 중 하나 이상에 제공되고, 상기 리빙이 상기 복합 재료 라미네이트와 중첩되어 상기 내부 구조물 내에서 상기 연속 하중 경로를 형성하는 것인, 하이브리드 뒷문.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 복합 재료 라미네이트의 열가소성 매트릭스 재료가 상기 리빙의 열가소성 재료 및 상기 내부 구조물의 열가소성 재료 중 어느 하나 또는 둘 다와 양립 가능한 것인, 하이브리드 뒷문.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 뒷문을 포함하는 차량.
  15. 제6항 내지 제8항, 제10항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항에 따른 하이브리드 뒷문을 제조하는 방법으로서,
    - 복합 재료 라미네이트를 삽입체로 형성하는 단계;
    - 상기 삽입체를 사출 몰딩 툴 내에 배치하는 단계; 및
    - 중합체 수지에 의해 상기 삽입체를 오버-몰딩하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복합 재료 라미네이트는, 상기 사출 몰딩 툴을 폐쇄하는 것에 의해서, 상기 삽입체로 형성되고, 그에 의해서 상기 복합 재료 라미네이트를 희망 삽입체 형상으로 강제하는 것인, 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 복합 재료 라미네이트를 삽입체로 형성하는 단계가 상기 복합 재료 라미네이트를 프레싱 툴 내에 배치하는 단계를 포함하는 것이고;
    상기 방법이,
    - 상기 삽입체를 상기 사출 몰딩 툴 내측에 배치하는 단계; 및
    - 상기 사출 몰딩 툴을 충진하는 것에 의해서 상기 삽입체를 오버-몰딩하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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