플라스틱 범퍼 빔과 그 제조방법 및 장치{Reinforced thermoplastic impact bumper beam by extrusion and manufacturing method and device thereof}

본 발명은 자동차 범퍼 빔의 제조에 관한 것으로, 특히, 연속 생산을 통해 다양한 단면 구조를 구현할 수 있는 플라스틱 범퍼 빔과, 그 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

범퍼는 차량의 전단부 및 후단부 소정의 위치에 배치되어 충돌 및 추돌 사고시 그 충격 에너지를 흡수함으로써 차체의 손상과 인명 피해를 최소화하는 완충 부재이다.

이러한 범퍼는 도 1에 도시된 바와 같이 차체의 전단 또는 후단 양측에 차폭 방향으로 설치되는 스테이(11)와, 상기 스테이(11)에 의해 차체에 고정되는 범퍼 빔(10)과, 상기 범퍼 빔(10)의 전단에 설치되는 충격흡수부재(도면 미도시) 및 상기 충격흡수부재의 전단에 설치되는 범퍼 커버(도면 미도시)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 범퍼 빔(임펙트 빔)(10)은 종래 폐쇄 또는 ㄷ자 형태의 단면 구조를 갖는 강재로 제작되어 왔으나, 최근 연비 향상을 위해 차량이 경량화, 콤팩트화 됨에 따라 범퍼의 장착 공간이 협소해지고, 디자인의 단순화를 위해 범퍼 외관의 돌출도 최대한 억제하고 있어 이를 만족시킬 수 있는 다양한 저중량 초강성 소재의 범퍼 빔 개발이 요구되고 있다.

하지만, 스틸이나 알루미늄 소재의 범퍼 빔은 범퍼의 성능 만족을 위한 곡률을 구현하거나 단면 형상의 자유도를 높이는데 설계의 제약이 따르고, 많은 공정으로 인해 비용이 상승되는 문제점이 있다.

한편, 상술한 금속 범퍼 빔 외에 플라스틱 범퍼 빔도 사용되고 있는데, 종래의 플라스틱 범퍼 빔은 유리강화섬유 플라스틱을 압축 또는 사출하는 방식으로 제조되었다. 그러나 이러한 성형 방법은 일정한 곡면을 유지하거나, 필요로 하는 국부 위치에 보강재를 단독으로 충진하기가 어렵고, 별도 인서트가 용이하도록 선행 작업이 필요할 뿐 아니라 보강재의 위치를 유지하는 것 또한 매우 어렵다. 또한, 상술한 성형 방법에 의할 경우 중공형의 단면 구조를 구현할 수 없기 때문에 강도 증대에도 어려움이 있다. 특히, 사출성형의 경우에는 두꺼운 제품을 성형할 수 없어 강도 증대에 한계가 있으며, 이에 따라 고강도가 요구되는 충돌용 제품에는 적합하지 않다. 그 결과, 고기능성 충돌용 제품에는 유리강화섬유 플라스틱을 이용하여 프레스성형하는 방식이 사용되고 있으나, 이러한 프레스성형의 경우에도 두께 성형에 한계가 있기 때문에 두께를 증가시키기 보다는 보강재 등을 충진하는 방식으로 강도를 향상시키고 있다.

따라서 종래의 플라스틱 범퍼 빔 제조방법으로는 경량화나 장착 공간의 확보에 한계가 있을 뿐 아니라 강성 보강을 위해 보강용 시트를 부가한 복합재의 성형에 있어서도 별도의 보강시트가 요구되고, 이러한 보강시트를 미리 성형하는 공정이 추가되어야 하므로 비용이 상승되는 단점도 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 강도 및 강성을 보완 유지하기 쉽고, 두께 및 보강재에 대한 설계 자유도를 높여 경량의 고강성 제품을 제작할 수 있으며, 연속 생산이 가능하여 원가를 절감할 수 있는 플라스틱 범퍼 빔과 그 제조방법 및 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은, 차량의 범퍼를 구성하는 범퍼 빔에 있어서, 상기 범퍼 빔의 소재가 압출성형재인 것을 특징으로 하는 플라스틱 범퍼 빔을 제공한다.

이 경우, 상기 플라스틱 범퍼 빔은 라운드진 형태를 가질 수 있다.

이 경우, 상기 압출성형재는 보강섬유사와, 합성수지 또는 복합재료 (composite)로 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 보강섬유사는 스틸, 유리섬유, 탄소섬유, 바잘트섬유, 아라미드섬유, PET섬유, PA섬유, 폴리에틸렌섬유, PBO섬유, 탄화규소류섬유 중에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 플라스틱 범퍼 빔의 내부에는 적어도 하나 이상의 중공부가 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 중공부에는 보강재 또는 완충재가 충진될 수 있다.

또한, 본 발명은, (a) 보강섬유사를 준비하는 단계와, (b) 상기 보강섬유사를 가열하는 단계와, (c) 상기 보강섬유사와 합성수지 또는 복합재료를 압출성형하는 단계 및 (d) 상기 (c) 단계에서 얻어진 압출성형재를 범퍼 빔의 형태로 성형하는 단계를 포함하는 플라스틱 범퍼 빔의 제조방법을 제공한다.

이 경우, 상기 플라스틱 범퍼 빔의 제조방법은, 상기 (d) 단계에 연속하여 상기 범퍼 빔을 만곡시키는 (e) 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 플라스틱 범퍼 빔의 제조방법은, 상기 (e) 단계에 연속하여 상기 범퍼 빔을 절단하는 (f) 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 (a) 단계에서 상기 보강섬유사는 프리프레그 테이프 형태의 보강섬유사, 필라멘트 상태의 섬유사 또는 비이밍된 상태의 섬유사 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

이 경우, 공정이 연속적으로 이루어질 수 있도록 상기 각 단계의 속도가 제어될 수 있다.

아울러, 본 발명은, 보강섬유사를 공급하는 언와인더와, 상기 언와인더의 후단에 설치되어 상기 보강섬유사를 가열하는 히터와, 상기 히터의 후단에 설치되어 상기 보강섬유사와 합성수지 또는 복합재료를 압출성형하는 압출기 및 상기 압출기의 후단에 설치되는 금형을 포함하여 구성되는 플라스틱 범퍼 빔 제조장치를 제공한다.

이 경우, 상기 언와인더와 상기 히터 사이에는 상기 언와인더로부터 공급된 상기 보강섬유사를 일정하게 배열하여 상기 히터에 진입시키는 배열기가 설치될 수 있다.

또한, 상기 금형의 후단에는 곡률생성기 또는 절단기가 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 보강섬유사를 포함한 합성수지 또는 복합재료를 압출성형하여 범퍼 빔을 제조함으로써 중공형 단면 형상을 포함한 다양한 단면 설계가 가능하다.

또한, 연속적으로 공급되는 띠 형태의 보강재와 합성수지 또는 복합재료를 동시에 압출함으로써 지정 위치의 강성을 보강할 수 있으며, 발포체 등을 동시에 압출하여 특정 위치에 에너지 흡수층을 갖는 다양한 기능의 범퍼 빔을 제작할 수 있다.

아울러, 다양한 제작 방법의 구현으로 열화가 적고, 보강재 및 흡수재를 가지는 경량의 범퍼 빔을 연속적으로 생산함으로써 경제적으로 유리한 효과도 얻을 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 유리강화섬유 플라스틱 범퍼 빔 앗세이를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 측면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 내부 구조를 도시한 수직단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 제조장치를 도시한 개념도.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.

먼저, 본 발명은 대별하여 플라스틱 범퍼 빔과, 플라스틱 범퍼 빔의 제조방법 및 플라스틱 범퍼 빔의 제조장치로 구분되는 바 이하 차례대로 도면을 참고하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 측면도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 내부 구조를 도시한 수직단면도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔(100)은 차량 사고시 외부로부터 가해지는 충격을 흡수하여 승객을 보호하고, 차량의 파손을 최소화하기 위한 것으로 스테이(190)를 이용하여 차량의 전단 및 후단에 각각 설치된다.

이 경우, 본 발명에서는 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)이 압출성형재로 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다. 즉, 압축성형이나 사출성형에 비해 설계 자유도가 높은 압출성형 방식으로 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)을 제작함으로써 다양한 단면 구조를 구현하여 강도 및 강성을 향상시킨 것이다. 이하, 본 발명에서 구현 가능한 다양한 단면 구조에 대해 도 4를 참고하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

먼저, 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)의 내부에 중공부(110)가 형성(도 4의 (a) 참조)될 수 있다. 이와 같이 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)을 중공형으로 구성하면 강도가 증가되는 동시에 경량화도 실현할 수 있어 바람직하다. 본 발명에서 상기 중공부(110)는 필요에 따라 하나 또는 두 개 이상 형성될 수 있으며 특별히 제한되는 것은 아니다.

이 경우, 상기 중공부(110)의 전방 또는 후방에 충격흡수구조(120)를 형성(도 4의 (b) 참조)하거나 이종소재(130)와 함께 일체형으로 성형(도 4의 (c) 참조)하는 것도 가능하며, 이와 같이 구성할 경우 필요한 부분에 국부적인 강성 보강 및 기능성을 부여할 수 있다.

한편, 상기 중공부(110)에 보강재(140)나 완충재(150)를 충진(도 4의 (d), (e) 참조)하면 종래 압축 또는 사출에 의해 성형되는 유리강화섬유 플라스틱 범퍼 빔의 성능 및 강도 한계를 극복할 수 있으며, 이에 따라 대형 차량에의 적용 가능성도 매우 높아진다.

상술한 바와 같이 구성되는 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)은 범퍼 커버의 곡률 및 충돌 성능을 고려하여 라운드지게 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)에 곡률을 부여하는 방법에 대해서는 후술하여 상세히 설명하도록 한다.

이처럼 본 발명에서는 압출성형의 장점을 이용하여 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)의 형상을 다양하게 구현함으로써 필요로 하는 특정 성능, 기능을 자유롭게 부여할 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 제조방법은 보강섬유사를 준비하는 단계와, 상기 보강섬유사를 가열하는 단계와, 상기 보강섬유사와 합성수지 또는 복합재료를 압출성형하는 단계 및 압출성형재를 범퍼 빔의 형태로 성형하는 단계를 기본 공정으로 하고, 상기 범퍼 빔을 만곡시키거나 절단하는 단계를 추가적으로 더 포함하여 구성될 수 있다.

이하, 상술한 각 단계의 명확한 이해를 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 제조장치와 함께 도면을 참고하여 설명한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 제조장치를 도시한 개념도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라스틱 범퍼 빔의 제조장치(200)는 언와인더(unwinder)(210)와, 히터(220)와, 압출기(230) 및 금형(240)으로 구성되고, 추가적으로 배열기(250), 곡률생성기(260), 절단기(270) 등을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 언와인더(210)는 와인딩된 다종, 다수의 보강섬유사(290)를 연속적으로 공급하기 위한 구성으로 상기 보강섬유사(290)의 투입 위치, 최종 투입량 등을 고려하여 적절한 수로 설치된다.

본 발명에서 상기 보강섬유사(290)는 스틸, 유리섬유, 탄소섬유, 바잘트섬유, 아라미드섬유, PET섬유, PA섬유, 폴리에틸렌섬유, PBO섬유, 탄화규소류섬유 중에서 선택되는 어느 하나 이상으로 구성되어 압출성형의 보강재로 기능한다.

이 경우, 상기 보강섬유사(290)는 프리프레그(prepreg) 형태로 합성수지가 함침된 상태의 보강섬유사일 수 있으나, 보빈된 필라멘트(filament) 상태의 섬유사 단독으로, 또는 비이밍(beaming)된 상태의 섬유사로 구성된 일정한 집속체를 사용하는 것도 물론 가능하다.

한편, 상기 언와인더(210)를 통과한 상기 보강섬유사(290)는 상기 배열기(250)를 통해 상기 히터(220)에 진입하게 된다. 이와 같이 상기 배열기(250)를 사용하면 상기 보강섬유사(290)가 하나 이상으로 구성될 경우에도 각각의 섬유사를 일정한 방향으로 유도할 수 있어 바람직하다.

상기 히터(220)는 상기 보강섬유사(290)를 가열하기 위한 구성으로 상기 언와인더(210)의 후단에 설치된다. 즉, 상기 보강섬유사(290), 특히, 섬유집속체의 경우 그 자체만으로는 합성수지와 충분히 함침되는데 한계가 있으므로 압출하기 전 예열과정을 거치도록 하여 합성수지와의 함침률을 향상시킨 것이다.

계속하여, 상기 압출기(230)는 합성수지 또는 복합재료를 용융하여 상기 보강섬유사(290)와 함께 압출하기 위한 구성으로 상기 언와인더(210)의 후단에 설치된다. 이 경우, 상기 압출기(230)의 압출 온도나 시간은 상기 보강섬유사(290)와의 결합력을 극대화할 수 있도록 합성수지의 함침도를 최적화한 조건에서 단독 또는 다중으로 압출하는 것이 바람직하다.

상기 금형(240)은 상기 압출기(230)에서 압출된 성형물을 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)의 형상으로 성형하기 위한 구성으로 상기 압출기(230)의 후단에 설치된다. 즉, 상기 금형(240)의 통공(241)을 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)의 단면 형상으로 제작하여 압출된 합성수지 또는 복합재료와 예열된 상기 보강섬유사(290)를 통과시킴으로써 앞서 설명한 다양한 형태의 내부 구조를 형성할 수 있도록 한 것이다.

상기 금형(240)을 통과한 성형물은 경화되지 않아 형 변형이 가능한 직선 형태로 토출되는데, 이러한 직선형 성형물은 상기 곡률생성기(260)에 의해 라운드지게 성형될 수 있다.

구체적으로, 상기 곡률생성기(260)는 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)에 곡률을 부여하기 위한 것으로 상기 금형(240)의 후단에 다수의 롤러(261), 디스크(262) 등을 이용하여 연속 설치된다. 이 경우, 상기 곡률생성기(260)의 설치 대수는 다양한 형태와 곡률을 보다 안정적으로 구현할 수 있도록 적절히 가감할 수 있으며, 또한, 설계되는 제품의 곡률에 따라 신속, 정확하게 대응할 수 있도록 반경 조절이 가능한 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 곡률생성기(260)에 의해 라운드진 형태로 생산되는 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)은 제품의 설계 사양에 따라 상기 절단기(270)를 이용하여 일정한 길이로 절단된다. 이 경우, 상기 플라스틱 범퍼 빔(100)이 절단될 동안 연속 생산이 이루어질 수 있도록 컨베이어(280)와 롤러(261)를 통해 이송 속도를 조절하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 압출프레임을 적용함으로써 디자인의 다양화를 실현하고, 다수, 다종의 섬유사의 보강을 통해 경량화 및 최적화를 구현하였으며, 이와 동시에 공정을 연속 생산이 가능하도록 구성함으로써 비용을 현저하게 절감할 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 플라스틱 범퍼 빔 110 : 중공부
120 : 충격흡수구조 130 : 이종소재
140 : 보강재 150 : 완충재
190 : 스테이 200 : 플라스틱 범퍼 빔의 제조장치
210 : 언와인더 220 : 히터
230 : 압출기 240 : 금형
241 : 통공 250 : 배열기
260 : 곡률생성기 261 : 롤러
262 : 디스크 270 : 절단기
280 : 컨베이어 290 : 보강섬유사