자동차 차체 보강재로서의 합성물

합성물이 자동차 BIW(바디 인 화이트) 구조에 일부 도입되었지만 차량의 이 영역에서 사용되는 재료는 오랫동안 강철과 더 최근에는 알루미늄이 지배해 왔습니다. 이 때문에 자동차 제조업체는 금속 구조를 결합하기 위해 볼트 및 나사와 같은 기계적 패스너와 용접에 크게 의존합니다. 일반적으로 견고하지만 용접된 조인트와 패스너는 실패할 수 있습니다. 그들은 또한 강성을 향상시키거나(무게를 과도하게 증가시키지 않고) 차량을 통과하는 소음/진동/강도(NVH) 또는 충돌 에너지를 완화하는 데 거의 기여하지 않습니다. 이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 구조용 접착제와 결합된 복합 재료로 BIW 접합부와 공동을 강화하는 것입니다.

이러한 솔루션의 예로 CBS(Composite Body Solutions)라고 하는 재료/기술 클래스가 있습니다. 여기에는 BIW 또는 기타 차량 하부 구조의 요소, 열가소성 캐리어(연속 또는 불연속 섬유 보강 포함) 및 열 활성화 발포 구조 접착제를 결합하는 기본 차량 구조를 강화하기 위한 3D 구조 인서트가 포함됩니다. CBS 요소는 전기 영동 녹 방지 코팅(E-coat)을 적용하기 전에 차량 제작 초기에 차체 공장 부분에 설치됩니다.

CBS 구성 요소는 일반적으로 2K/사출 오버몰딩 공정으로 생산되며, 여기서 CBS를 금속 BIW 구성 요소에 임시로 결합하기 위해 용접 탭 또는 스냅핏을 통합하는 캐리어가 확장 가능한 접착제와 추가 실런트(3K 공정에서)로 선택적으로 오버몰딩됩니다. 추가 기능을 위해. 건식 비경화 접착제(맞춤형 에폭시 화학 기반)는 복잡한 모양으로 성형할 수 있지만 포스트 동안 열에 의한 팽창 전에 복합재와 금속 표면 사이의 간격을 유지하여 금속 요소의 E-coat 적용 범위를 허용합니다. -E-coat 오븐 경화. 폼이 팽창함에 따라 캐리어와 주변 구성 요소 사이의 틈이 밀봉되어 상자와 같은 "거시 구조"로 함께 고정되어 특히 높고 동적인 하중에서 기계적 특성이 향상됩니다.

차량 설계 초기에 통합된 CBS 모듈은 지역 및 글로벌 BIW 강성을 높이고 더 낮은 질량에서 승객 안전과 편안함을 개선하기 위한 질량 및 비용 효율적인 옵션입니다. 또한 더 무거운 전체 금속 솔루션에 비해 중립적이거나 더 낮은 비용을 가능하게 합니다. 처음에는 자동차에 사용되었지만 캐리어 및 접착 재료의 포트폴리오가 증가하면서 CBS 사용이 확대되었으며 그 중 주요 내용은 다음과 같습니다.

성능 문제를 위한 설계

CBS 기술은 L&L Products Inc.(Romeo, Mich., U.S.)에 의해 개발 및 상용화되었습니다. BIW 성능을 개선하기 위한 실런트, 음향 대책 및 보강재의 자동차 공급업체로서의 오랜 역사를 가진 L&L은 고객이 승객 안전을 강화하고 더 낮은 비용과 중량으로 더욱 엄격한 자동차 충돌 요구 사항을 충족하는 동시에 차량 제작 중 처리 및 조립을 개선하는 데 도움이 되는 기술을 개발했습니다. .

1995년에서 2004년 사이에 L&L과 Gurit Essex(스위스 Wattwil)의 합작 투자 회사인 CORE Products는 초기 애플리케이션 개발 및 CBS 제조를 담당했습니다. L&L은 결국 현재 L&L Products Europe으로 운영되는 CORE의 모든 자산을 인수했습니다.

L&L은 CBS 기술의 초기 개발 및 후속 확장 동안 재료 공급업체와 긴밀하게 협력했습니다. 그러한 회사 중 하나인 Lanxess AG(독일 쾰른)는 오랫동안 유럽의 L&L에 복합 캐리어 재료와 재료 특성화 및 시뮬레이션 지원을 제공해 왔습니다.

신청 중인 CBS

이미 언급한 이점 외에도 CBS 기술은 더 나은 부하 경로 전환, 다축 부하 관리 및 에너지 흡수를 제공합니다. 더 큰 섹션 안정성(붕괴 또는 침입에 대한 저항); 낮은 NVH; 그리고 더 높은 하중에서 향상된 드라이빙 다이내믹스와 충돌 성능. 또한 차량 설계/재설계 중 구현 시간을 단축하고 차체 공장에서 조립 순서를 변경할 필요가 없습니다. CBS 기술은 변형 및/또는 침입을 최소화하면서 차체 구조를 통한 에너지 전달을 더 쉽게 제어할 수 있도록 하기 때문에 탑승자, 승객 구획 및 배터리를 보다 잘 보호하기 위해 정면, 측면 또는 후면 충돌 또는 지붕 충돌을 방지하도록 설계된 애플리케이션에 이상적으로 적합합니다. 또한 미국 고속도로 안전 보험 연구소(IIHS, Arlington, Va., U.S.) 스몰 오버랩 충돌 테스트와 같은 까다로운 프로토콜을 통과해야 하는 구조물에도 유용합니다.

CBS가 주목할만한 이유는 최초의 모듈식 혼합 재료 접근 방식 중 하나였으며 설치가 쉽고 E-coat에 대한 열 및 화학적 안정성을 제공했으며 차량 조립 순서를 변경하지 않았지만 더 낮은 질량 및 중성/ 저렴한 비용 — 자동차 산업의 성배

L&L Products EMEA(프랑스 Altorf)의 L&L Products Reinforce의 구조 제품 엔지니어링 관리자인 Núria Ignés는 "CBS 기술의 설계 다양성은 복잡하거나 접근하기 어려운 조건의 영역에서 조립을 단순화하는 데 도움이 됩니다."라고 설명합니다. “예를 들어, 도어 및 기타 클로저에 CBS 기술을 사용하면 무게를 줄이고 강성을 높일 뿐만 아니라 설계 프로세스 초기에 통합하면 도어 제조를 단순화할 수 있습니다. CAE 도구와 수십 년의 경험, 그리고 일단 경화된 ​​BIW에 견고한 부착을 제공하는 캐리어와 폼의 조합 덕분에 우리는 적절한 위치에 적절한 양의 올바른 재료를 사용하여 강성과 비용 및 비용의 균형을 맞출 수 있습니다. 음향 및 비용으로 에너지 흡수.”

L&L 글로벌 전략 마케팅 매니저인 Peter Cate는 “CBS 기술의 정말 흥미로운 측면은 '생체 모방' 특성입니다. “뼈 중앙에 있는 세포 강화 스트럿이 중공 구조의 강성을 추가하고 하중을 관리하기 위한 자연에서 가장 질량 효율적인 방법인 것처럼 CBS 장치는 접착제가 팽창하면 동일한 방식으로 차체 공동을 강화하여 엔지니어가 구조를 최적화하도록 돕습니다. 가장 낮은 질량에서의 강성."

Lanxess Corp의 Tepex Automotive 비즈니스 개발 관리자인 Pal Swaminathan은 "국부 및 전체 강성을 높이고 구조물 전체에 보다 효과적으로 하중을 분산함으로써 CBS 보강재는 질량을 추가하지 않고도 국부적 강성과 금속 피로 문제를 해결할 수 있는 맞춤형 솔루션입니다"라고 말합니다. (미국 펜실베니아주 피츠버그). “NVH 개선은 CBS 기술이 신체 구조에 통합될 때도 일반적입니다. 다시 한 번, 신중한 엔지니어링 분석을 통해 개발 및 위치 최적화 솔루션이 승차감과 핸들링 특성의 균형을 맞출 수 있습니다.”

초기 신청

당시 PSA Group의 2006 Citroën C4 Picasso에 CBS 기술의 초기 자동차 적용 세단에는 A 및 B 필러와 리어 크로스 멤버를 보강하기 위해 9개의 유닛이 포함되었습니다. 보강 요소는 탑승자의 안전을 향상시키면서 차량 중량을 12kg 줄여줍니다. 검은색 소재는 Lanxes 합성물, 빨간색은 L&L의 에폭시 폼, 은색은 CBS 요소가 부착된 금속 몸체 구조의 일부입니다.

L&L이 CBS를 자동차에 최초로 적용한 것은 1998년이었습니다. 2002년이 되자 이 기술은 시장에서 수용되기 시작했습니다. 좋은 초기 예는 2006년 Citroën C4 Picasso에 구현되었습니다. PSA 그룹(프랑스 파리 – 현재 Stellantis N.V., 암스테르담, 네덜란드)의 세단. A-필러의 하부, B-필러의 하부 및 상부, 리어 액슬 위의 크로스 멤버에 있는 9개의 CBS 구성 요소는 금속 옵션에 비해 차량 질량을 12kg 줄였습니다. 일부 CBS 삽입물은 선택적으로 증가된 하중 지지 용량과 충돌 시 승객 구획으로의 침입을 최소화하여 탑승자의 안전을 개선합니다. 다른 것들은 BIW의 NVH 성능을 향상시켰습니다. 모든 캐리어는 35중량%의 짧은 유리/폴리아미드 6(PA6)으로 사출 성형되었습니다. 유사한 CBS 장치가 2012 Ford Transit에 사용되었습니다. Ford Motor Co.의 밴(미국 미시간주 디어본)

새 캐리어, 폼 옵션

수년에 걸쳐 L&L과 그 공급업체는 새로운 폼 제형, 광범위한 캐리어 수지 및 보강재를 사용하고 개념을 다양한 구조에 적용함으로써 CBS 기술을 확장했습니다.

예를 들어 충돌 응용 분야를 위한 대부분의 CBS 캐리어는 복잡한 3D 모양 내에서 강성과 연성 간의 균형이 필요하기 때문에 열 안정화된 30wt-% 유리 강화 PA6을 사용하여 설계됩니다. 이러한 캐리어 2개는 주요 전기 자동차(EV) 플랫폼의 전면 세로 부재에 사용되었으며, 보고에 따르면 조립을 단순화할 뿐만 아니라(부품 수 감소) 방화벽으로의 충돌 침입도 20% 줄였습니다.

더 높은 충격 요구 사항을 위해 이제 대부분 알루미늄 바디의 2019 Porsche 911 Carrera Cabriolet에서 A-필러를 강화하는 것과 같은 하이브리드 캐리어를 사용할 수 있습니다. Porsche AG(독일 슈투트가르트)의 스포츠카. 컨버터블이기 때문에 지붕이 없는 프레임을 강화하는 것은 전복 시 승객을 보호하는 데 중요했습니다. 차량을 가볍고 민첩하게 유지하기 위해 Porsche는 무거운 관형 강철 롤바를 A-필러의 CBS 인서트로 교체했습니다. 기둥 쉘은 각 기둥 내부의 CBS 인서트에 의해 안정화되고 강화된 고강도 강철로 생산되었습니다. 주요 캐리어 본체는 압축 성형된 오가노시트(47 vol-% 능직 유리 직물/PA6)였으며, 이를 예열하고 미리 성형한 다음 리브로 사출 오버몰딩했습니다(30 wt-% 단유리/PA6/6). 유기 시트 측면에는 L&L의 L-5235 확장 접착제가 있습니다. 이 하이브리드 기술은 모든 성능 및 무게 목표(관형 강철 옵션은 보고되지 않은 것으로 보고됨)를 충족했을 뿐만 아니라 차량 질량을 5.4kg 줄여 조립을 용이하게 하고 차량의 무게 중심을 줄여 드라이빙 다이내믹스를 개선했습니다.

확장 접착제를 활성화하기 위해 오븐 공정을 사용할 수 없거나 페인트 공장에서 추가 지원이 필요한 응용 분야의 경우 L&L은 다른 주변 경화 솔루션을 개발 중이라고 밝혔습니다.

CBS를 기반으로 한 여러 관련 기술도 개발되었습니다. 곧 최초의 상용 응용 프로그램을 갖게 될 L&L의 연속 복합 시스템(CCS)은 유리 또는 탄소 섬유 강화 인발 성형 캐리어를 결합합니다(예:폴리우레탄(PUR) 직물 및 로빙 유무에 관계없이 맞춤 제작된 실런트 또는 구조용 접착제 포함. CBS 부품 및 금속 구성 요소를 통합할 수도 있는 CCS 요소는 더 낮은 질량(일반적으로 강철보다 75%, 알루미늄보다 30% 적음)에서 일정한 단면 구조의 강성과 강도를 개선합니다. 내식성, 비전도성/전기 절연성, 낮은 CLTE(선형 열팽창 계수)를 제공하고 예측 가능한 에너지 관리를 제공하므로 일체형 차량의 구조 부재 또는 차체 온 프레임 차량의 프레임 섹션을 보강하는 데 이상적입니다. 플러스 EV용 배터리 프레임

복합 패널 보강재는 차체 공장에서 형성된 금속 패널 표면에 적용되는 유리 섬유 보강재와 함께 압출되는 자가 접착 확장 구조용 접착제로 구성됩니다. 이 시스템은 상대적으로 지지되지 않은 대형 패널의 강성을 개선할 뿐만 아니라 관성 모멘트 증가로 인한 NVH도 개선합니다. 또한, 더 낮은 질량과 비용을 위해 패널을 다운 게이지할 수 있는 기회를 제공합니다. 상업용 애플리케이션에는 자동차 도어, 지붕 및 바닥 패널, 후드, 펜더, 리프트게이트 및 테일게이트가 포함됩니다. 잠재적인 응용 분야에는 배터리 케이스가 포함됩니다.

Honeycomb 패널 보강재는 경량 에폭시(수동 도포용 페이스트 형태 또는 자동 펌핑용 저점도 액체)를 특징으로 하며, 경화되면 기계로 가공하거나 샌딩할 수 있습니다. 이는 예를 들어 과도한 질량을 추가하지 않고 주로 항공기 내부의 전략적 위치에서 허니컴 코어를 안정화하도록 설계되었습니다. 다른 용도로는 경계 강화(복합 패널 가장자리 밀봉/보강), 금속 힌지/삽입물이 복합 패널에 설치되는 경우 삽입 접합 및 국부 보강이 있습니다.

미래가 무엇을 의미하는지

L&L은 1999년 첫 번째 특허 이후 CBS 기술에 대한 수많은 발명품을 제출했습니다. 현재 이 제품군에서 사용할 수 있는 다양한 캐리어 및 접착제 옵션을 고려할 때 응용 프로그램이 자동차를 넘어 트럭 및 항공 우주로 확장된 것은 놀라운 일이 아닙니다. 다음은 무엇입니까?

"수년에 걸쳐 CBS 제품은 기능을 결합한 새로운 애플리케이션 요구 사항을 충족하도록 발전했습니다."라고 Ignés가 덧붙입니다. “예를 들어, 단순한 구조적 보강으로 시작한 것이 단순히 강화하는 것이 아니라 음향 기능을 개선하거나 에너지 흡수를 증가시키기 위해 진화했습니다. CBS 기술이 제공하는 매우 바람직한 속성을 감안할 때 자동차 사용이 증가할 뿐만 아니라 다른 산업에서도 성장할 것으로 기대합니다.”