복합체 + 금속:중공 프로파일 하이브리드 기술

사출 오버몰딩은 최근 복합 재료 산업 뉴스에 많이 등장했지만 주로 하이브리드 복합 재료를 만드는 영역에서 사용되었습니다. 성형된 연속 섬유 강화 프리프레그 또는 사전 경화된 복합 형태는 금형 캐비티 내에 배치된 다음 과도하게 설계된 부품 및 생산 비용을 제어합니다. 이러한 홍보의 물결 속에서 거의 눈에 띄지 않는 것은 플라스틱/금속 하이브리드(PMH) 구조에 관한 뉴스입니다. 플라스틱/금속 하이브리드(PMH) 구조는 열가소성 합성물과 오버몰딩된 판금 하부 구조를 결합한 구조입니다.

PMH 카테고리는 3월에 유럽에서 처음 발표된 새로운 개발 덕분에 최근에 확장되었습니다. 중공 프로파일 하이브리드(HPH) 기술이라고 하는 이 개발을 통해 스탬핑 또는 스탬핑 플러스 용접된 판금 대신 압출 또는 용접된 관형 금속 하부 구조를 효율적으로 사용하여 고하중을 받는 PMH 구성 요소에 대해 더 높은 기계적 성능을 달성할 수 있습니다. HPH 기술은 4월 30일부터 5월 1일까지 미국 디트로이트 교외에서 개최된 미국 플라스틱 엔지니어 협회(SPE, Bethel, CT)에서 주최한 제13회 AutoEPCON(Automotive Engineering Plastics Conference)에서 북미에 첫선을 보였습니다.

"전통적인" 플라스틱-금속 하이브리드 구조

PMH 기술은 1995년경 Bayer AG(독일 레버쿠젠)에 의해 처음 개발되었습니다. 복합 재료 팀과 PMH 기술은 2004년 Bayer의 Chemicals and Polymers 비즈니스의 일부로 분사되어 LANXESS Corp.(미국 펜실베니아 피츠버그)이 되었습니다.

PMH는 일반적으로 유리 섬유 강화 폴리아미드 6(GR-PA)으로 선택적으로 오버몰딩된(즉, 금속 기판이 완전히 캡슐화되지 않은) 사출 성형 도구에 배치되는 선택적으로 천공된 스탬프 강철 또는 알루미늄 판금 하부 구조를 사용합니다. 6). 결과적으로 하이브리드 구조는 외부에 복합 소재로 된 브래킷, 리브, 보스 및 기타 형상을 포함하여 부품 설계자가 선택한 기능 부품을 특징으로 합니다. 열가소성 복합 재료가 금속 하부 구조를 통해 흐르도록 하는 천공은 두 재료 사이의 강한 결합을 촉진하고 결과 구조가 두 가지 장점을 모두 제공할 수 있도록 합니다. 즉, 부품은 얇은 벽 판금의 높은 강성과 강도의 이점을 얻지만, 예를 들어 금속이 좌굴되는 것을 방지하는 복합 리브에 의해 강화되고 안정화됩니다. 또한 복합재는 내식성, 우수한 표면 조도, 경량화, 부품 통합 및 기능 통합을 단일 단계로 달성하여 하드웨어, 브래킷 및 2차 작업을 제거하는 데 기여합니다. 또한 매트릭스가 PA 6이기 때문에 우수하고 광범위한 내화학성과 우수한 인성(충격 강도)을 제공합니다.

PMH 구조는 동일한 기능을 가진 비교 가능한 판금 구조보다 더 가볍고 훨씬 적은 수의 부품(훨씬 더 적은 단계로 생산됨)을 갖지만 불연속 섬유 강화 열가소성 복합재 단독보다 더 높은 기계적 특성을 가지고 있습니다. 이것은 공간이 제한되어 있고 두꺼운 벽 섹션이 바람직하지 않은 경우에 특히 유용합니다. 부품 수와 생산 단계를 크게 줄이는 기능은 비용과 제조 공간을 줄일 뿐만 아니라 재고 및 보증 비용도 줄여줍니다. 그리고 매트릭스가 열가소성 수지이기 때문에 하이브리드 구조는 차량 수명이 다한 후에도 분리되어 재활용될 수 있습니다.

PMH 기술은 재활용 가능성과 성능상의 이점으로 인해 프런트 엔드 모듈 및 범퍼 빔과 같은 대형 조립품에서 언더후드 구성 요소에 이르기까지 다양한 자동차 구성 요소를 생산하는 데 수년 동안 사용되어 왔습니다. 또한 롤러블레이드, 스쿠터 및 소형 오프로드 자동차의 구성요소와 같은 비자동차 애플리케이션에도 사용되었습니다.

관 구조

모든 기술이 그렇듯이 PMH에는 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 금속 및 플라스틱 툴링 비용의 상각(이 기술에는 두 가지 유형 모두 필요함)이 중대형 차량 프로그램에 적용해야 할 가능성이 높습니다. 툴링 비용을 동일한 플랫폼의 유사한 모델과 공유할 수 없다면 틈새 생산에는 너무 많은 비용이 듭니다. 둘째, 기존에 적용된 PMH 기술은 L형, C형 또는 평평한 단면과 같은 단순한 2D 또는 2.5D 판금 하부 구조에 가장 잘 사용됩니다. 그러나 이러한 구조는 특정 고성능 요구 사항을 충족하기에 충분한 비틀림 강도가 부족한 경우가 많습니다. 또한 폐쇄형 프로파일이 사출 성형의 고압에서 붕괴되기 때문에 PMH를 통해 폐쇄형/관형 구조(O-섹션 및 기타 관형 또는 정사각형 단면을 생각함)를 만드는 것은 불가능합니다.

"중공 프로파일 하이브리드 구조에 대한 아이디어는 질량을 줄이고 기능 통합을 추가하는 것이 매우 바람직하지만 현재 PMH 기술이 성능 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 강력하지 않은 고부하 구조의 자동차 애플리케이션 목록에서 발전했습니다." 랑세스의 구조적 애플리케이션 개발 엔지니어인 Joseph Aiello가 설명합니다. 그는 크로스 카 빔을 이론적으로 이상적인 HPH 구성 요소로 인용합니다. 그 이유는 무겁고 금속으로 된 브래킷과 기타 부착물이 많이 포함되어 있기 때문입니다. 크로스 카 빔은 섀시에 비틀림 강성을 제공하기 위해 모든 승용차에 사용됩니다. 또한 엔진실에서 차량 내부로 침투하는 구성 요소(예:스티어링 휠) 및 방화벽 앞 지점에서 부착되어 객실로 돌출되는 구성 요소(예:계기판 및 센터 콘솔)에 대한 부착 지점을 제공합니다. . 크로스 카 빔에 PMH 기술을 적용한 이전 작업은 두 개의 개방형 L자형 PMH 구조를 용접하여 빔에 대한 관형(폐쇄형) 금속 하부 구조를 생성하려는 시도에 집중되었기 때문에 충분한 기계적 성능이 부족했습니다. 오버몰드. “폐쇄형 구조는 개방형 구조보다 강하다고 엔지니어링에서 잘 알려져 있기 때문에 플라스틱-금속 하이브리드의 기계적 성능을 향상시키기 시작하는 논리적인 출발점은 이 기술을 둥근 빔이나 튜브에 적용하는 방법을 찾는 것이 었습니다. 또는 직사각형 단면"이라고 Aiello가 덧붙였습니다.

항상 그렇듯이 도전 과제는 금속 하부 구조와 그 위에 오버몰딩된 복합 기능 구성 요소 사이에 고강도 결합을 달성하는 것이었습니다. 이는 크로스 카 빔과 같은 구조에 중요한 구성 요소에 특히 중요한 기능입니다. 처음에 팀은 특수 장비 없이 표준 튜브를 오버몰딩하는 데 적합한 기술을 연구했습니다. 문제는 사출 성형기에서 튜브를 선택적으로 변형하는 방법(딤플 또는 오목한 부분을 만드는 방법)이 되었습니다. 이 방법은 금속 튜브와 매트릭스 사이의 우수한 연동을 보장하여 금속 하부 구조와 오버몰딩된 복합재 사이에 높은 결합 강도를 얻을 수 있습니다. 성형 주기 동안 일반적으로 볼 수 있는 고압에서 튜브가 붕괴됩니다. 많은 연구 끝에 PMH 기술을 처음 개발한 동일한 랑세스 팀이 HPH 공정도 개발했습니다.

기본적으로 HPH는 고유량, 유리로 강화된 PA 6 "구조 요소"를 사용합니다. 특수 설계된 리브/핀이 외부로 돌출되어 있는 사출 성형된 솔리드 튜브는 강철 또는 알루미늄 튜브의 중공 중앙에 배치됩니다. 즉, 차례로 사출 성형기에 삽입되고 추가 GR-PA 6 복합재로 오버몰딩되어 외부 브래킷 및 기타 기능 구성 요소를 형성합니다. 오버몰딩을 위해 프레스에 튜브를 삽입하기 전에 튜브에 삽입되는 구조적 요소는 성형 중 튜브 붕괴를 방지하고 고압 성형 공정 중에 비드 또는 딤플링이라는 공정을 통해 튜브의 형태/변형을 돕습니다. 금속과 복합 재료 사이의 강한 결합을 보장합니다. 이 내부 요소는 구조적 지원을 추가하기 위해 튜브에 남아 있습니다.

LANXESS는 내부 리브/지느러미가 있는 요소가 구멍이 있는 강철 또는 알루미늄 튜브와 함께 사용되도록 설계할 수도 있다고 보고합니다. 이러한 기능은 기존 PMH 기술에서 사용되는 천공과 같습니다.

두 번째 금형의 필요성을 없애기 위해 해당 도구는 구조적 요소로 강화된 주어진 튜브를 오버몰딩하는 동안 다음 샷에 사용할 튜브의 구조적 요소를 성형하기 위해 측면 캐비티에 공간을 포함하도록 설계할 수 있습니다. 그리고 원하는 경우 전체 프로세스를 완전히 자동화할 수 있다고 합니다.

스탬핑 또는 스탬핑 플러스 용접된 하부 구조가 있는 기존 PMH 구조와 비교할 때 HPH 구조는 유사한 단면, 질량 및 두께에서 더 높은 비틀림 강성 및 강도 및 더 나은 치수 안정성을 제공하지만 여전히 모든 고전적인 이점을 제공한다고 합니다. 랑세스만의 PMH 프로세스

다음은 무엇입니까?

대상 HPH 응용 프로그램에는 자동차 교차 빔뿐만 아니라 자동차 시트 프레임 및 프런트 엔드 모듈, 트럭 테일게이트 및 미러 브래킷을 포함하는 기계적 요구가 높은 하이브리드 복합/금속 구조가 포함됩니다. 자동차 분야 밖에서는 가구, 사다리 또는 유모차를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 아직 상용 애플리케이션을 구축하기에는 너무 새로운 HPH는 현재 진행 중인 많은 개발 프로젝트의 일부이며 랑세스는 기회를 계속 평가하고 있으며 특허 출원을 완료하기 위해 일부 기술 릴리스를 계속 작업 중이라고 보고합니다. 올해 말에 제출하십시오.

HPH의 다음 단계는 무엇입니까? 랑세스는 또한 이전에 PA 6/6, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 매트릭스 및 탄소 섬유 보강재를 사용한 PMH 연구를 수행했으며 마그네슘 하부 구조도 평가했다고 밝혔습니다. 30-60%. 팀의 초점은 60% GR-PA 6에 여전히 초점을 두고 있지만 이론적으로 동일한 재료 조합을 HPH에 사용할 수 있습니다. 탄소 섬유 보강재가 사용된 경우 금속 하부 구조를 절연(코팅을 통해)하여 갈바닉 부식을 방지해야 합니다. 또는 덜 구조적인 용도의 경우 플라스틱 또는 합성물에서 압출 또는 압출된 튜브를 사용할 수 있어야 합니다.