열가소성 복합 재료:경치 좋은 전망

Les Châtelliers-Chateaumur의 Webasto SC가 이끄는 프랑스 팀은 최초로 기존 알루미늄 레일을 대체하기 위해 열가소성 합성 가이드 레일을 사용하는 새로운 고정 유리, 롤러 블라인드 선루프 모듈을 개발했습니다. Groupe Renault(Boulogne-Billancourt)에서 생산한 여러 다목적 차량(MPV)에서 처음 상용화된 이 변경 사항은 무게, 비용 및 도구를 절약하고 하드웨어 및 여러 처리 단계를 제거하고 조립 라인 설치를 단순화하고 작동 소음을 줄이고 여유 공간을 제공합니다. 차량 탑승자와 선루프 유리 패널 사이의 추가 헤드룸(mm)

유럽에서는 흔하지만 북미에서는 흔하지 않은 롤러 블라인드 선루프 모듈은 일반적으로 고정 유리 루프 시스템을 덮는 데 사용됩니다. 종종 차량 루프 라인의 거의 전체 너비와 길이에 걸쳐 있는 대형 파노라마 루프입니다. 배치 시 경질 차양막이 북미 차량에서 수행하는 것과 거의 동일한 기능을 수행하여 과도한 햇빛을 차단하고 비와 바람의 소음을 차단합니다. 그것들은 얇지만 빛을 차단하는 천으로 구성되어 있으며, 전동 트랙을 따라 펼쳐서 전개된 다음 차량 내부의 루프 후면에 있는 헤드라이너 아래에 수용된 스핀들 주위에 다시 감깁니다.

기존 선루프 조립

자동차 산업은 역사적으로 알루미늄 레일을 사용하여 선루프의 롤러 블라인드 모듈을 BIW(body-in-white) 지붕 구조에 연결했습니다. 특히 일반적으로 거의 전체 길이에 걸쳐 있는 크고 투명한 고정 유리 선루프 시스템의 경우 그리고 자동차 지붕의 너비. 지붕의 운전석과 조수석을 따라 장착된 이 가이드 레일은 슬라이딩 표면을 형성하기 때문에 롤러 블라인드 선루프 시스템에서 이중 역할을 합니다. 차량 내부, 또는 그 빛을 줄이기 위해 배치됩니다. 북미에서 흔히 볼 수 있는 단단한 차양과 달리, 롤러 블라인드 차양은 접었을 때 차량 탑승자가 볼 수 없는 헤드라이너 아래 공간을 거의 차지하지 않지만 여전히 태양으로부터의 단열 및 바람과 비로부터의 방음을 제공합니다. 딱딱한 차양이 그렇습니다.

알루미늄 레일의 기존 제조 공정은 일정한 단면의 알루미늄 프로파일로 시작하며 복잡한 레일 모양을 얻기 위해서는 노동 집약적인 다단계 밀링 및 마감 공정이 필요합니다.

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길이로 자르기,

스탬핑과 펀칭을 통해 작은 주름 형성,

곡선 형성,

스탬핑 도구를 통해 수행할 수 없는 복잡한 모양을 가공/밀링합니다(각 단계 후에 하나의 도구 세트/작업 및 하나의 품질 관리 검사 필요),

검정색 또는 자연색의 아노다이징 레일

전기 케이블 클립, 나선형 케이블 클립, 센터링/포지셔닝 핀 및 너트 조립

모든 승용차 제조사와 모델은 약간 다른 모양과 길이의 레일을 사용하므로 선루프 제조업체는 주어진 선루프 모듈의 생산 과정에서 상당한 재고를 생산하고 비축해야 합니다. 그리고 새 모델이 추가될 때 차량이 기존 모델의 선루프 시스템용 모듈과 공통 부품을 공유하지 않는 한 완전히 새로운 툴링이 필요합니다.

알루미늄 가이드 레일은 선루프 제조업체에서 생산할 때뿐만 아니라 차량 조립 공장에서 설치하는 동안에도 노동 집약적입니다. 일반적으로 레일은 나사를 통해 BIW에 수동으로 고정됩니다. 그런 다음 선루프 모듈은 앞유리 베이를 통과하고 작업자가 최근에 설치한 레일에 고정하는 지붕의 개구부로 바닥에 로드됩니다. 마지막으로 글라스 루프 자체가 구조용 접착제를 통해 차량 상단에 접착되어 선루프 모듈과 캐빈 내부를 밀봉합니다.

알루미늄 레일은 이미 잘 알려진 기존 기술이지만 단점이 있습니다. 첫째, 알루미늄은 값비싼 원료이며 강철보다 복잡한 모양으로 구부리기가 더 어렵습니다. 다른 하나는 환경을 보호하기 위해 부식 방지에 사용되는 양극 산화 화학 물질을 폐기하는 데 상당한 추가 비용이 든다는 것입니다. 위에서 설명한 바와 같이 제조 공정이 길고 복잡하며 툴링 비용이 높습니다. 또한 기능을 향상시키려면 추가 조립 단계를 통해 적용되는 추가 하드웨어를 사용해야 합니다.

새로운 철도 개념

훨씬 더 작은 형식의 무빙 글라스 선루프 시스템에서 알루미늄에서 합성물로 선루프 프레임을 성공적으로 변환한 다른 사례를 바탕으로 Webasto의 팀은 롤러 블라인드 선루프 시스템의 훨씬 더 큰 사이드 레일도 사용할 수 있는지 알아보기 위한 연구를 수행하기로 결정했습니다. 합성으로 변환됩니다. (전면 및 후면 크로스 빔은 이미 이러한 시스템에서 합성물(일반적으로 유리 강화 폴리프로필렌(GR-PP))으로 변환되었습니다.) 목표는 기능을 추가하고 제조 단계, 부품 수, 비용 및 부품 중량을 줄이는 것이었지만 아직 여전히 OEM 성능 요구 사항을 충족합니다.

팀은 가이드 레일 기능과 작동 조건을 연구하는 것으로 시작했으며 트랙 경로를 따라 앞뒤 및 왼쪽에서 오른쪽으로 동일한 힘으로 전동 차양을 원활하게 움직일 수 있는 레일의 가장 중요한 기능을 식별했습니다. . 이를 달성하기 위해 레일은 정확한 기하학적 구조와 전체 길이를 따라 일정한 횡단면을 필요로 하며, 이는 미터보다 클 수 있습니다. 또한 레일은 프론트 및 리어 선루프 크로스빔과 루프 구조 자체, 모터 메커니즘, 루프 글라스 및 헤드라이너를 포함하여 다른 선루프/모듈 구성요소에 안전하게 연결할 수 있도록 충분히 구조적이어야 합니다. OEM 요구 사항을 충족하기 위해 전동 차양은 낮은 슬라이딩 소음 수준에서 작동하여 객실 내부의 소음/진동/가혹함(NVH)을 줄여야 합니다.

일반적으로 사용되는 자동차 합성물을 스캔한 결과 열경화성 매트릭스와 선호하는 열가소성 수지가 있는 합성물이 빠르게 제거되었습니다. 열가소성 합성물과 비교하여 열경화성 수지로 젖어 있는 합성물은 밀도가 더 높고 성형 주기가 더 느리며 성형 후 마무리 작업이 더 많이 필요한 경향이 있습니다. 또한, 재용해성 열가소성 플라스틱은 상단 레일과 하단 레일 사이에 접착제 및 패스너가 없는 조립 옵션을 제공하고 수명이 다한 재활용을 크게 단순화합니다. 또한 열경화성 수지로 인해 유럽 연합에서 차량 내부에 대해 엄격하게 규제되는 김서림 및 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출 가능성에 대한 우려가 발생했습니다.

특히 차양의 원활한 작동을 방해할 수 있는 뒤틀림을 방지하기 위해 매우 엄격한 치수 제어에 대한 OEM 요구 사항으로 인해 폴리아미드, 폴리프로필렌(PP) 및 열가소성 폴리에스터가 제거되었습니다. 알루미늄 레일은 원활한 차양 작동을 위해 그리스가 필요하고 Webasto 엔지니어는 합성 레일에 윤활유가 필요한지 아직 확신하지 못했기 때문에 폴리카보네이트는 약한 내화학성과 응력 균열 경향으로 인해 제거되었습니다. 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)은 선루프의 110°C 열 요구 사항으로 인해 거부되었습니다.

Webasto 팀은 이전에 유리 섬유 강화 스티렌 말레산 무수물/ABS(GR-SMA/ABS)를 무빙 글라스 선루프 프레임에 사용했기 때문에 수십 년 동안 자동차 산업에서 계기판용으로 사용되어 온 이 소재에 주목했습니다. 기질. GR-SMA/ABS는 밀도가 낮고 강하고 강하며 광범위한 온도 및 습도 수준에서 뒤틀림이 매우 낮고 변형이 적습니다. 무정형이기 때문에 성형 후 결정화 및 수축의 우려가 없습니다. 또한 용융 재처리가 가능하고 용접이 잘 되며 말레산 무수물 성분이 유리 지붕을 선루프 모듈에 결합하는 데 사용되는 폴리우레탄 구조용 접착제를 포함하여 다양한 기재에 대한 높은 접착 강도를 보장합니다.

Webasto는 GR-SMA/ABS 수지 공급업체인 Polyscope Polymers BV(네덜란드 젤린 소재)에 적합한 등급을 제안했습니다. Polyscope는 15%-GR XIRAN SGH30EB 및 30%-GR XIRAN SGH60EB의 두 가지 가능성을 제공했으며 Webasto에서 소규모 실험실 테스트를 거쳤습니다. 30%-GR 등급은 더 단단했지만 선스크린의 원활한 작동을 보장하기 위해 더 높은 E 모듈러스가 필요하지 않았습니다. 테스트 결과 15% GR 등급이 기계적 특성 목표를 충족하는 것으로 나타났으므로 팀은 왼쪽 및 오른쪽 레일뿐만 아니라 전면 가로대에도 해당 재료를 사용하기로 결정했습니다. 후방 가로대는 GR-PP에 남아 있습니다.

다음 결정은 레일을 생산하는 데 사용할 프로세스였습니다. 처음에 프로파일 압출은 속이 빈 모양과 솔리드 모양을 모두 생성할 수 있고 기능적으로 알루미늄 프로파일을 생산하는 데 사용되는 프로세스와 유사하기 때문에 고려되었습니다. 또한 연속 공정으로 생산 요구 사항을 충족할 만큼 빠르지만 툴링 비용은 상대적으로 낮습니다. 불행히도 연구자들은 압출 성형으로 인해 섬유 강화 수지로 내부 표면이 충분히 매끄럽지 않아 차양이 트랙을 따라 부드럽고 조용하게 이동할 수 있다고 우려했습니다. 또한 이 프로세스는 후처리 단계에서 하드웨어(예:추가 핀 및 클립)를 추가하지 않고 더 많은 기능 통합을 통합하기 위해 레일 길이에 걸쳐 프로파일 형상을 변경하는 기능을 제한합니다.

고려한 다른 프로세스는 사출 성형으로 매끄러운 마감 처리와 높은 미적 감각을 갖춘 매우 복잡한 3D 구조를 빠르고 정확하며 우수한 반복성 및 재현성(R&R)으로 생성할 수 있습니다. 또한 구멍, 컷아웃, 스냅핏 및 클립까지 몰딩할 수 있어 2차 마감 처리가 줄어듭니다.

대상 애플리케이션의 경우 사출 성형이 단일 단계에서 중공 구조를 생성할 수 없다는 단점이 있습니다(각 레일을 두 조각으로 성형한 다음 결합해야 함). 또한 툴링에 비용이 많이 들 수 있습니다.

팀은 툴링 비용을 줄이기 위해 제품군 도구에 여러 부품을 통합하는 것을 목표로 사출 성형을 결정했습니다.

개념 증명

기본 개념이 유망해 보이면서 개발 팀은 OEM Groupe Renault와 성형업체 ARRK-Shapers(La Séguinière, France)를 포함하도록 확장되었습니다. 목표는 2016년형 Renault Scenic(5인승) 및 Grand Scenic(7인승) 다목적 차량(MPV)의 고정 유리 롤러 블라인드 선루프 모듈용 합성 레일 시스템을 설계하는 것이었습니다. 팀은 각 레일을 높은 수준의 기능 통합을 포함하도록 설계하기로 결정했고, 왼쪽과 오른쪽 레일 사이에 거울 대칭을 가지며 표준(세단/세단/5인승)과 롱(왜건/에스테이트) 모두를 수용할 수 있는 디자인을 하기로 결정했습니다. 자동차/7인승) 차량 모델. 팀 디자인의 측면은 이제 3개의 특허로 보호됩니다.

툴링 비용을 관리 가능한 상태로 유지하기 위해 팀은 왼쪽 및 오른쪽 레일의 상단 및 하단 부분, 전면 대들보 및 후면 GR-PP 대들보( 별도 성형) 각 사이클에서 생산됩니다. 또 다른 비용 절감 단계는 값비싼 툴링 슬라이드 대신 ARRK-Shaper가 모듈식 블록(장단 레일 버전 모두를 실행하기 위해 삽입/제거됨)을 사용하는 것입니다. 8개의 GR-SMA/ABS 부품을 모두 대형 제품군 도구로 성형하려면 1,500kN의 클램핑력을 가진 사출 프레스가 필요했습니다. 상부 레일과 하부 레일을 접합하기 위해 초음파 용접이 선택되었고 특수 조립 지그가 설계 및 제작되었습니다.

프로토타이핑 및 테스트 단계를 통해 팀은 레일 설계를 마무리하고 생산 문제를 예상하고 부품이 다음을 포함하는 Renault의 검증 테스트를 통과하도록 할 수 있었습니다.

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10,000번의 수명 주기에 대한 내구성 테스트

95% 상대 습도(RH)에서 -20°C ~ 110°C의 온도 범위에서 3축 진동 테스트

85°C ~ -20°C ~ 50°C, 95% RH ~ 110°C의 온도 순환

접착제 접착 후 박리 강도 및 전단 강도.

NVH용 르노 주행 소음 테스트

전복 "코르크 따개" 테스트

각 테스트 후 23°C에서 최소 75mm/초의 롤러 블라인드 작동 속도 달성

"압출된 알루미늄 가이드 레일을 선루프 롤러 블라인드의 플라스틱 솔루션으로 변환하는 아이디어는 Webasto의 아이디어이며 오랫동안 특허를 받은 아이디어입니다."라고 Webasto R&D, design to cost, 산업 전문가 Jacques Vivien이 설명합니다. "하지만 최근까지 이 기능의 까다로운 요구 사항을 충족하는 엔지니어링 플라스틱은 없었습니다." 그는 플라스틱 후보가 치수 정확도에 대한 요구 사항을 충족해야 함을 상기시킵니다. 시간 경과에 따른 안정성, 온도 및 습도 변화에 대한 내성; 강성과 슬라이딩 기능을 유지합니다. 우수한 접착력을 나타냅니다. 이 모든 작업을 수행하고 비용 경쟁력을 유지하십시오. "Polyscope의 XIRAN SGH30EB를 선택하게 되어 매우 기쁩니다. 이를 통해 관련된 모든 사람이 프로젝트를 완전히 성공으로 이끌었습니다."

기대 이상

2년 이상의 제조 및 판매를 통해 합성 가이드 레일은 예상대로 작동하고 있으며 계층, OEM 및 고객 수준에서 많은 이점이 나타났습니다. 예를 들어, ARRK-Shapers의 영리한 도구는 프로그램에서 상당한 비용을 절감했습니다. Webasto는 기존 알루미늄 조립품보다 기능 통합이 훨씬 더 뛰어난 설계를 사용하고 사출 성형을 선택하여 복잡한 구조를 한 번에 생성할 수 있으므로 하드웨어와 성형 후 마감 처리가 필요 없고 비용도 절감됩니다. 철도 생산만 해도 7단계에서 2단계로 줄었습니다.

Renault의 조립 공장에서는 롤러 블라인드를 포함한 새로운 선루프 시스템이 완전히 조립되어 사전 테스트를 거쳐 지붕에 로봇으로 결합된 일체형 장치로 도착하여 2~3단계의 조립 단계가 필요 없고 작업자를 재배정하여 비용을 절감할 수 있습니다. 그리고 더 나아가 시간. 보고된 바에 따르면 초기 시스템 비용 절감은 약 20%였지만 새로운 모듈은 부품 수가 적기 때문에 Renault에서 볼 수 있는 PPM(백만분율 부품 수) 결함과 높은 품질에서 알 수 있듯이 장기적으로 보증 비용을 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다. 새로운 복합 레일의 또 다른 이점은 전체 모듈이 기존의 2~3단계 프로세스 대신 BIW에 직접 접착 결합되기 때문에 13mm 이상의 Z축 요소 스택 감소가 달성되었다는 것입니다. 나사로 BIW에 고정한 다음 모듈을 레일에 고정합니다. 이는 작업자를 위해 조립 라인에 더 많은 작업 공간을 제공할 뿐만 아니라 키가 큰 차량 탑승자에게 더 많은 헤드스페이스를 제공합니다. 또 다른 미묘한 개선 사항은 차양 작동 중에 NVH가 감소되어 차량의 두 모델 모두에서 거대한 일광 개구부를 열거나 닫았다는 것입니다. 알루미늄과 마찬가지로 복합재 레일은 완전히 재활용할 수 있지만 초기에 생산하고 차량 수명이 다한 후에 재활용하는 데 필요한 에너지가 적기 때문에 환경에도 더 좋습니다. (흥미롭게도 팀은 안정적인 차양 작동을 위해 합성 레일에 윤활제가 필요하지 않음을 발견했습니다.)

"Webasto France의 Jacques Vivien이 처음에 선루프 롤러 블라인드 모듈에서 알루미늄 가이드 레일을 SMA 합성물로 교체하는 것을 고려하고 있다고 말했을 때 저는 그것이 약간의 도전일 수 있지만 기회를 잡을 가치가 있다고 생각했습니다."라고 Henri- Polyscope의 영업 및 비즈니스 개발 관리자인 Paul Benichou는 "이 혁신적인 응용 프로그램은 공급업체, Renault 및 Renault 고객에게 수많은 이점을 제공하면서 기술 및 산업적 성공을 입증했습니다."