KR102119435B1 - 조종된 불연속 섬유 수지 함침재를 이용하여 복합재 구조물을 형성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

개별적으로 절단된 섬유 수지함침 세그먼트를 기층 위에 놓고 정렬함으로써 복합재 구조물의 층간 구조부가 적층된다.

Description

조종된 불연속 섬유 수지 함침재를 이용하여 복합재 구조물을 형성하는 방법{FORMING COMPOSITE FEATURES USING STEERED DISCONTINUOUS FIBER PRE-PREG}
본 발명은 일반적으로 섬유 수지 함침재(fiber pre-preg)를 이용하여 복합재 라미네이트 구조물을 제작하는 것에 대한 것으로, 특히 정해진 섬유 방향(fiber orientations)을 갖는 기층(substrate) 위에 비연속 섬유 수지 함침재를 조종하여 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법 및 장치에 대한 것이다.
복합재 라미네이트 구조물의 강성, 강도 및 하중 전달 특성은 적층 과정 동안에 섬유 방향의 제어를 통하여 최적화될 수 있다. 종래의 복합재 라미네이트는 재료를 적층하기 위하여 자동 섬유 적치 장치 또는 수동 적치 기술을 적용하여, 수지 함침재 테이프, 토우(tows) 또는 넓은 물품을 사용하여 적층될 수 있다. 일반적으로, 결과적인 복합재 구조물은 실질적으로 일정한 구조적 특성을 전반적으로 나타낸다. 그러나, 어떤 경우에는, 복합재 라미네이트의 구조적 특성을 최적화하기 위하여 또는 더 높은 국부 응력에 대처하기 위하여 복합재 라미네이트의 국부 영역에서 두께 및/또는 섬유 방향을 제어하는 것이 필요하거나 바람직하다.
국부적인 두께나 섬유 방향을 제어할 가능성은 현재의 제작 공정을 사용하여 제한된다. 예를 들어, 자동화된 섬유 적치 장치는 상기 기층 위에 연속적인 토우를 조종하는 데 사용될 수 있으나, 얻어질 수 있는 곡률 반경은 제한되고, 그리하여 타이트한 컨투어(tight contours)를 갖는 국부 영역에서 섬유 방향(fiber orientation)의 제어를 어렵게 한다. 라미네이트의 국부 영역에서 두께 또는 섬유 방향에 대한 세밀한 제어를 달성하는 것은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소모될 수도 있다.
따라서, 라미네이트의 구조적 특성을 최적화하기 위하여 라미네이트의 국부 영역에 복합재 라미네이트 두께나 섬유 방향을 제어하기 위한 방법과 장치에 요구가 있다. 또한 효율적이고 제어성이 높고, 노동력을 절감하고 재료비를 절감할 수 있는, 위에 언급한 형태의 방법과 장치에 대한 요구가 있다.
본 발명의 실시예는, 라미네이트 두께부에서 타이트한 컨투어나 천이구역 내와 같은 라미네이트 구조물의 국부 영역에 구조물의 두께나 섬유 방향에 대한 증가된 제어를 제공하는 라미네이트의 복합재 구조물을 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 복합재료가 라미네이트의 선택된 국부 영역에서 섬유 방향이 하중 벡터(load vectors)와 실질적으로 연속적으로 정렬되도록 적층되어 라미네이트의 구조적 특성을 최적화하게 된다.
라미네이트 구조물의 국부 영역에 바람직한 구조적 특성을 제공하기에 필요한 복합재료의 양은 다른 제품/공정으로부터 제공된 스크랩 수지 함침재를 사용하여 복합재 구조물을 형성함으로써 저감될 수 있다. 본 발명의 방법에 사용하기 위하여 스크랩 수지 함침재를 재활용하는 것은 재료비를 절감할 수 있고, 그리하여 본 발명의 실시예의 항공기 적용을 위하여 바이 투 플라이 비율(buy-to-fly ratio, 완성품 중량에 대한 구입 재료 중량의 비율)을 최적화할 수 있다. 본 발명의 실시예는 바람직한 섬유 방향을 획득하기 위하여 기층 위에서 조종될 불연속 섬유 수지 함침재의 형성에 복합재료를 사용할 수 있게 한다.
불연속 섬유 수지 함침재의 사용은 라미네이트의 국부 영역에 라미네이트 두께의 변형에 대한 더 큰 제어를 가능하게 하는 한편, 라미네이트 구조물의 달라지는 특성부들 사이에 부드러운 천이를 제공하기 위하여 3차원으로 라미네이트 두께의 국부적인 맞춤을 가능하게 한다. 더욱이, 불연속 섬유 수지 함침재의 사용은 구조물 내에 부드러운 국부 천이를 얻기 위하여 타이트한 컨투어나 테이퍼진 모서리를 갖는 이중재(doublers)나 다른 패드-업(pad-ups)의 형성을 가능하게 한다. 또한, 불연속 섬유 수지 함침재의 사용은 더 큰 섬유 내용물을 갖는 복합재 특성부를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 불연속 보강 섬유를 갖는 복합재 구조물을 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 단방향 보강 섬유를 각각 갖는 다수의 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 기층 위에 놓는 단계, 및 상기 기층 위에 배치된 상기 수지 주입 섬유 세그먼트의 보강 섬유가 바람직한 기준 방향에 대하여 실질적으로 정렬되도록 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배치하는 단계를 포함한다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계는 스크랩 섬유 수지 함침재를 개별적인 조각으로 절단하는 단계를 포함하고, 이 단계는 섬유 수지 함침재를 상기 보강 섬유를 따라 또는 상기 보강 섬유들 사이에서 개별적인 조각으로 자르거나 쪼갬으로써 실행된다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 상기 기층 위에 놓는 단계는 상기 기층 위에 도포기(applicator)를 이동시키는 단계와, 상기 도포기가 상기 기층 위를 이동할 때 상기 도포기로부터 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 상기 기층 위에 배출시키는 단계를 포함한다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배치하는 단계는 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 도포기로부터 배출될 때 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 정렬시키는 단계를 포함한다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계는 상기 도포기로부터 연속적인 섬유 수지함침 테이프를 인발함으로써, 그리고 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 도포기로부터 배출될 때, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트로 상기 수지 함침 테이프를 잘라넣음으로써 실행된다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 상기 도포기로부터 배출하는 단계는 상기 기층 위에 상기 도포기로부터 배출된 일정 띠너비(bandwidth)의 수지 주입 섬유 세그먼트를 배출하는 단계를 포함한다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 상기 기층 위에 놓는 단계는 상기 도포기 헤드로부터 상기 기층 위로 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 흐름화(streaming)함으로써 이루어진다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 흐름화하는 것은 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 공기 흐름으로 도입시킴으로써, 그리고 상기 기층 위로 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 추진 또는 발사하기 위하여 공기흐름을 사용함으로써 실행된다. 상기 수지 주입 섬유 세그먼트는 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이고 나서 실시된다. 상기 방법은 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이기 전에 상기 기층에 수지를 도포하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이기 전에 상기 수지 주입 섬유 세그먼트 각각의 적어도 하나의 단부에 수지를 도포하는 단계도 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기층 위에 복합재를 적층하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 상기 기층 위에 개별적으로 절단된 섬유 수지함침 세그먼트를 놓는 단계와, 상기 기층 위에 상기 수지함침 세그먼트의 방향을 조절하는 단계를 포함한다. 상기 기층 위에 섬유 수지함침 세그먼트를 놓는 단계는 정해진 경로를 따라 상기 기층 위로 도포기 헤드를 이동시킴으로써, 그리고 상기 기층 위로 상기 도포기가 이동할 때 상기 기층 위로 상기 도포기 헤드로부터 상기 기층 위로 상기 수지함침 세그먼트를 배출함으로써 실행된다. 상기 수지함침 세그먼트의 방향을 조절하는 단계는 상기 도포기 헤드로부터 배출되는 상기 수지함침 세그먼트를 정렬함으로써 실행된다. 상기 수지함침 세그먼트의 방향을 조절하는 단계는 상기 수지함침 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이고 난 다음 상기 수지함침 세그먼트의 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다수의 복합재 적층을 포함하고, 상기 적층의 각각은 정렬된 섬유 방향을 갖는 다수의 개별적으로 절단된 섬유 수지함침 세그먼트를 구비하는 복합재 라미네이트 구조물 적층이 제공된다. 상기 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 섬유 방향은 상기 복합재 라미네이트 구조물을 통과하는 비선형 하중 경로를 따라 실질적으로 정렬된다. 상기 개별적으로 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 각각은 약 6 대 1의 형상비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 상기 다수의 복합재 적층은 맞춤식 단면 형상을 갖고 상기 적층의 길이를 따라 형상화된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복합재 구조물을 적층하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 기층의 표면 위로 이동하도록 되어 있고 기층의 표면 위로 실질적으로 정렬된 절단된 수지 주입 섬유 세그먼트의 적어도 하나의 흐름을 배출하도록 되어 있는 도포기를 포함한다. 상기 장치는 상기 기층 위로 미리 선정된 경로를 따라 상기 도포기를 이동시키기 위한 컴퓨터 제어 조절기도 포함한다. 상기 도포기는 연속적인 수지 주입 섬유의 공급기와, 상기 연속적인 수지 주입 섬유를 개별적인 수지 주입 섬유 세그먼트로 절단하기 위한 절단기를 포함한다. 상기 도포기는 상기 기층 위로 상기 도포기로부터 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 운반하기 위한 공기 흐름(airstream) 발생기를 추가로 구비할 수 있다. 상기 도포기는 상기 기층 위로 실질적으로 정렬된 절단된 수지 주입 섬유 세그먼트의 다수의 흐름(stream)을 동시에 배출하도록 구성될 수 있다. 이러한 특성, 기능 및 장점은 본 발명의 다양한 실시예에서 독립적으로 구현될 수 있고 또는 이하의 발명의 상세한 설명과 도면을 참고하여 자세히 알 수 있는 다른 실시예에 조합될 수도 있다.
요약하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 불연속적인 보강 섬유를 갖는 복합재 구조물을 형성하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은, 각각 단방향 보강 섬유를 갖는 다수의 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계; 기층 위에 상기 주입 섬유 세그먼트를 놓는 단계; 및 상기 기층에 놓인 상기 주입 섬유 세그먼트의 보강 섬유가 정해진 기준 방향에 대하여 실질적으로 정렬되도록 상기 주입 섬유 세그먼트를 배치하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계는 보강 섬유들을 따라 또는 이들 사이에 섬유 수지 함침재를 개별 조각으로 자르는 것에 의하여 실행된다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 기층 위에 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 놓는 단계는 상기 기층 위에 도포기를 이동시키는 단계와, 상기 도포기가 상기 기층 위를 이동할 때 상기 기층 위로 상기 도포기로부터 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배치하는 단계는 상기 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위로 상기 도포기로부터 배출될 때 상기 주입 섬유 세그먼트를 정렬하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계는 상기 도포기로부터 연속적인 섬유 수지 함침 테이프를 인발하는 단계와, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위로 상기 도포기로부터 배출될 때 상기 연속적인 섬유 수지 함침 테이프를 상기 수지 주입 섬유 세그먼트로 절단하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 상기 도포기로부터 배출하는 단계는 상기 기층 위로 띠너비(bandwidth)의 상기 수지 주입 세그먼트를 배출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 기층 위에 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 놓는 단계는 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 공기 흐름으로 도입하는 단계와, 도포기 헤드로부터 상기 기층 위로 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 흐름화(stream)하기 위하여 공기 흐름(airstream)을 이용하는 단계에 의하여 실행된다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 흐름화하는 단계는 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 공기 흐름으로 도입하는 단계와, 상기 기층 위로 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 발사하기 위하여 공기 흐름을 사용함으로써 실행된다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배치하는 단계는 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이고 난 다음에 실행된다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이기 전에 상기 기층 위에 수지를 도포하는 단계를 추가로 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이기 전에 각각의 상기 수지 주입 섬유 세그먼트의 적어도 하나의 단부에 수지를 도포하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기층 위에 복합재료를 적층하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 개별적으로 절단된 섬유 수지함침 세그먼트를 기층 위에 놓는 단계와, 상기 기층 위에서 상기 수지함침 세그먼트의 방향을 조절하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 수지함침 세그먼트를 기층 위에 놓는 단계는 정해진 경로를 따라 상기 기층 위에 도포기 헤드를 이동시키는 단계와, 상기 도포기가 상기 기층 위를 이동할 때 상기 기층 위로 상기 도포기 헤드로부터 상기 수지함침 세그먼트를 배출하는 단계에 의하여 실행된다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 기층 위에서 상기 수지함침 세그먼트의 방향을 조절하는 단계는 정해진 방향에 대하여 상기 도포기 헤드로부터 배출되는 상기 수지함침 세그먼트를 실질적으로 정렬하는 단계에 의하여 실행된다.
바람직하게는, 상기 방법에 있어서, 상기 기층 위에서 상기 수지함침 세그먼트의 방향을 조절하는 단계는 상기 수지함침 세그먼트가 상기 기층 위에 놓이고 난 다음 상기 수지함침 세그먼트의 방향을 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가의 다른 실시예에 따르면, 복합재 라미네이트 구조물 적층재가 제공되는데, 상기 복합재 라미네이트 구조물 적층재는 복합재료의 다수의 적층을 포함하되, 상기 적층의 각각은 실질적으로 정렬된 방향을 갖는 다수의 개별적인 절단된 수지함침 세그먼트를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복합재 라미네이트 구조물 적층재에 있어서, 상기 개별적인 절단된 수지함침 세그먼트의 섬유 방향은 상기 복합재 라미네이트 구조물을 통과하는 비선형 하중 경로를 따라 실질적으로 정렬되어 있다.
바람직하게는, 상기 복합재 라미네이트 구조물 적층재에 있어서, 각각의 개별적인 절단된 수지함침 세그먼트는 약 6 대 1의 형상비를 갖는다.
바람직하게는, 상기 복합재 라미네이트 구조물 적층재에 있어서, 상기 복합재료의 다수의 적층은 맞춤식 단면 형상을 갖고 상기 적층의 길이를 따라 형상화된다.
본 발명의 추가의 다른 실시예에 따르면, 복합재 구조물을 적층하기 위한 장치가 제공되는데, 상기 장치는 기층 위를 이동하도록 되어 있고 상기 기츠 위로 실질적으로 정렬되고 절단된 수지 주입 섬유 세그먼트의 적어도 하나의 흐름을 배출하도록 된 도포기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는 상기 기층 위로 미리 선정된 경로를 따라 상기 도포기를 이동시키기 위한 컴퓨터 제어 조절기를 추가로 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치에 있어서, 상기 도포기는 연속적인 수지 주입 섬유의 공급기와, 상기 연속적인 수지 주입 섬유를 개별적인 수지 주입 섬유 세그먼트로 절단하기 위한 절단기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치에 있어서, 상기 도포기는 상기 기층 위로 상기 도포기로부터 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 흐름화(stream)하기 위한 공기 흐름(airstream) 발생기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치에 있어서, 상기 도포기는 상기 기층 위로 실질적으로 정렬된 절단된 수지 주입 섬유 세그먼트의 다수의 흐름(stream)을 동시에 배출하도록 되어 있다.
본 발명에 따르면, 라미네이트이 구조적 특성을 최적화하기 위하여 라미네이트의 국부 영역에 복합재 라미네이트 두께나 섬유 방향을 제어하기 위한 방법과 장치가 제공된다. 또한 효율적이고 제어성이 높고, 노동력을 절감하고 재료비를 절감할 수 있는, 위에 언급한 형태의 방법과 장치가 제공된다.
예시된 실시예의 신규한 특징으로 믿어지는 본 발명의 특징부는 첨부된 특허청구범위에 제시되어 있다. 그러나 본 발명의 실시예와, 사용시의 바람직한 형태, 본 발명의 목적 및 장점은, 첨부된 도면을 참조하면서 해석될 때, 본 발명의 실시예에 대한 자세한 설명을 참조하면 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 타이트한 컨투어(tight contour)를 따라 기층에 적용되는 불연속 섬유 수지함침재의 조합된 블럭과 다이아그램을 나타낸다.
도 1a는 상기 수지 함침 세그먼트의 하나의 형상을 보여주는 평면도를 나타낸다.
도 1b는 상기 수지 함침 세그먼트의 다른 형상을 보여주는 평면도를 나타낸다.
도 1c는 상기 수지 함침 세그먼트의 추가의 형상을 보여주는 평면도를 나타낸다.
도 2는 동체에 적용된 하중을 보여주는 항공기 동체의 동체부의 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 2의 동체의 창문 개구부의 하나의 다이아그램을 나타내고, 또한 창문 개구부 둘레의 하중 벡터를 나타낸다.
도 4는 도 2의 동체의 창문 개구부의 하나의 측면도를 나타내고, 또한 불연속 섬유 수지 함침재로 형성된 둘레 이중재(doubler)를 나타낸다.
도 5는 도 4에서 'Fig. 5'로 표시된 영역을 나타낸다.
도 6은 도 5에서 선 6-6을 따라 취한 단면도를 나타낸다.
도 7은 복합재 라미네이트 구조물의 두께부 내에서 불연속 층간 섬유 충전재와 갭 내의 천이를 보여주는 복합재 구조물의 단면도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 방법을 사용하여 라미네이트 복합재 구조부를 적층하는 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 9는 항공기 동체 프레임부의 일부를 나타내는 사시도로서, 점선은 본 발명의 방법을 사용하여 라미네이트 구조부가 형성될 수 있는 영역을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 라미네이트 구조부를 나타내는 도 9에서 선 10-10을 따라 취한 단면도를 나타낸다.
도 11은 도 9에서 선11-11을 다라 취한 단면도를 나타낸다.
도 12는 불연속 섬유 수지 함침재를 놓기 위한 시스템의 조합된 블럭과 다이아그램을 나타낸다.
도 13은 불연속 섬유 수지 함침재를 놓기 위한 시스템의 다른 실시예의 조합된 블럭과 다이아그램을 나타낸다.
도 14는 수지 함침재 스크랩으로부터 유래된 불연속 섬유 수지 함침재를 사용하여 복합재 라미네이트를 적층하는 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 15는 도 14에 보인 방법에 사용될 수 있는 수지 함침재 스크립의 다양한 형상을 나타내는 평면도이다.
도 16은 도 15에 보인 스크랩을 절단함으로써 형성된 임의 방향의 섬유 수지함침 세그먼트를 나타내는 평면도이다.
도 17은 16과 유사한 평면도로서, 기층에 적용하기 위하여 준비 상태로 정렬된 섬유 수지함침 세그먼트의 섬유 방향을 나타낸다.
도 18은 섬유 수지함침 스크랩을 세그먼트로 변환하고, 세그먼트를 기층에 적용하기 위하여 준비하는 방법의 다이아그램을 나타낸다.
도 19a는 기층에 수지를 도포하는 도포기의 개략적인 측면도를 나타낸다.
도 19b는 도 19a에서 상기 기층에 도포된 수지의 평면도를 나타낸다.
도 20a는 도 19b에 보인 상기 수지 위에 도포되는 절단된 섬유 수지 함침세그먼트를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 20b는 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 임의의 방향을 나타내는, 도 20a에서의 기층의 평면도를 나타낸다.
도 21a는 절단된 섬유 수지함침 세그먼트를 정렬하는 섬유 세그먼트 정렬기를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 21b는 상기 섬유 세그먼트 정렬기에 의하여 정렬된 도 21a의 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 평면도를 나타낸다.
도 22a는 한쪽 단부에 수지 방울이 놓여진 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 측면도를 나타낸다.
도 22b는 도 22a에 보인 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 저면도를 나타낸다.
도 23a는 기층 위에 놓여진 도 22a에 보인 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 측면도를 나타낸다.
도 23b는 도 23a에 보인 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 평면도를 나탄낸다.
도 24a는 도 23a와 유사하게 측면도를 나타내나, 절단된 섬유 수지함침 세그먼트가 회전된 후의 상태를 나타낸다.
도 24b는 도 23b와 유사하게 나타내나, 섬유 수지함침 세그먼트가 회전된 후의 상태를 나타내고, 회전 전의 절단된 섬유 수지함침 세그먼트의 위치는 점선으로 도시되어 있다.
도 25는 항공기 생산과 서비스 방법론의 흐름도를 나타낸다.
도 26은 항공기의 블록 다이아그램을 나타낸다.
본 발명의 실시예는, 라미네이트 구조물의 국부 영역에 라미네이트 두께와, 컨투어, 폭, 단면 프로파일 및/또는 섬유 방향에 대한 증가된 조절을 제공하는 섬유 보강 수지 라미네이트를 제조하기 위한 방법과 장치를 제공한다. 도 1을 참조하면, 복합재 구조부(30)는 단방향 보강 섬유(25)들을 갖는 절단된 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 형태로 되어 있는 불연속, 수지 주입 섬유를 포함한다. 각각의 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 폭보다 더 큰 길이를 갖는 길다란 모양으로 되어 있다. 각각의 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 약 6대 1의 형상비(L/W)를 가질 수 있으나, 이러한 특별한 비율은 단순히 예시적이다. 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 이러한 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 놓거나 위치시키기 위해 사용되는 구조적인 요건이나 장치를 포함하는 적용례에 따라 선택되거나 최적화될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 폭과 같거나 작은 길이를 가질 수도 있다. 설명의 편의를 위하여, 아래에서 설명하는 복합재 구조부(30)의 예시적인 실시예는 단방향 섬유 수지함침재를 사용한다. 그러나, 본 발명의 실시예의 원칙은, 예컨대 그리고 이에 한정되지 않고, 직조되거나(천 수지함침재) 특별한 적용에 적합하도록 다르게 조합된 2방향 섬유와 같은 복수 섬유 방향을 갖는 섬유로 보강된 수지를 포함하여 다른 형태의 수지함침 세그먼트(32)를 사용하여 복합재 구조부(30)를 형성하기 위하여 채용될 수 있다는 점을 유의하여야 한다.
설명된 실시예는 층간 구조부, 즉 2 개의 연속된 플라이 사이에 위치하는 복합재 구조부(30)의 다양한 형태를 형성하기에 특히 적합하다. 그러나, 상기 실시예는, 외측 구조부와 같은 부분적으로 또는 전부 노출된 복합재 구조부(30)를 형성하는 데도 적용될 수 있다. 일부 적용예에서는, 다른 길이의 섬유를 갖는 수지함침 세그먼트(32)를 채용하는 것이 유용하거나 바람직할 수도 있다. 수지함침 세그먼트(32)에서 다른 섬유 길이를 갖는 것은, 예를 들어 그리고 이에 제한되지 않고, 다른 섬유보다 길거나 짧은 일부의 섬유로 절단하는 것에 의하여 수지함침 세그먼트(32)를 형상화함으로써 달성될 수 있다. 다른 길이의 보강 섬유를 제조하도록 된 형상을 갖는 3 개의 실시예가 각각 도 1a-도 1c에 나타나 있다. 다른 섬유 길이를 갖는 다른 세그먼트 형상도 가능하다. 앞에서 언급한 바와 같이, 도 1a-도 1c에 보인 수지함침 세그먼트(32)가 단방향 보강 섬유를 채용하는 반면, 직조된 섬유(도시 안됨)와 같은 다른 섬유 배치도 가능하다.
상기 보강 섬유(25)는 유리섬유, 탄소섬유, 그래파이트, 아라미드 섬유(aromatic polyamid fiber), 파이버 글래스 또는 다른 적절한 보강재와 같은 고강력 섬유를 포함할 수 있다. 상기 보강 섬유(25)가 고정되어 있는 수지 매트릭스는 열가소성 또는 열경화성 중합체 수지를 포함할 수 있다. 예시적인 열경화성 수지는 아릴(allyl), 알키드 폴리에스터(alkyd polyesters), BMI(bismaleimides), 에폭시, 페놀 수지, 폴리에스터, 폴리우레탄(PUR), 폴리유레이 포름알데히드(polyurea-formaldehyde), 시안산염 에스테르(cyanate ester) 및 비닐 에스테르 수지를 포함할 수 있다. 예시적인 열가소성 수지는 액정 폴리머(liquid-crystal polymers, LCP); 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), FEP(fluorinated ethylene propylene), PFA(perfluoroalkoxy), PCTFE(polychlorotrifluoroethylene)와 MFA(polytetrafluoroethylene-perfluoromethylvinylether)를 포함하는 불소수지(fluoroplastics); 폴리에테르에테르케톤을 포함하는 케톤기반 수지(ketone-based resin); 나일론-6/6 30% 유리섬유와 같은 폴리아미드(polyamides); 폴리에테르술폰 (polyethersulfone, PES); 폴리아미드이미드(polyamideimides, PAIS), 폴리에틸렌(polyehylenes, PE); 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트, PET) 및 poly(phenylene terephthalate)를 포함하는 폴리에스테르 열경화성 수지; 폴리술폰(polysulfones, PSU); 또는 poly(pheylene sulfides, PPS)를 포함할 수 있다.
여기서 사용되는 바와 같이, "수지함침(pre-preg)"는 섬유를 고정하기 위한 매트릭스로 작용하고 원하는 형상으로 형성될 수 있기에 충분하게 유연한 비경화 또는 부분 경화된 수지로 함침된 섬유를 의미한다. 그리하여 수지는, 예컨대 튼튼하고 강한 섬유보강 구조물로 수지를 경화하기 위하여 오븐이나 고온고압기(autoclave)에서 가열에 의하여 경화(cured)된다. 단방향 섬유를 갖는 수지함침 세그먼트(32)의 경우에, 상기 섬유는 서로에 대하여 실질적으로 평행하게 연장되고, 여기서의 설명을 위하여, 여기서 섬유 방향 또는 수지함침 세그먼트(32)의 방향으로 지칭되는 0도 축방향을 갖는다. 다수 세트의 섬유 방향을 갖는 상기 수지함침 세그먼트(32)가 사용되면, 이러한 세트의 하나 이상이, 적층 과정 동안에 상기 수지함침 세그먼트(32)가 기층(34) 위에 놓여질 때, 상기 수지함침 세그먼트(32)를 정렬하고 방향을 정하는 데 사용될 수 있다.
상기 수지함침 세그먼트(32)를 기층(34) 위에서 "조종"하는 적절한 도포기 시스템(38)를 사용하여, 상기 수지함침 세그먼트(32)는, 툴이나 바닥에 놓이는 연속 복합재 플라이를 포함할 수 있는 기층(34) 위에 적층될 수 있다. 상기 도포기 시스템(38)은 상기 수지함침 세그먼트(32)를 상기 기층(34) 위에 배출하고 놓고 정렬하여 상기 수지함침 세그먼트(32)의 각각에서 상기 보강 섬유(25)의 방향이 정해진 방향으로 실질적으로 정렬될 수 있도록 한다. 예를 들어, 도 1에 보인 실시예에서, 상기 수지함침 세그먼트(32)의 섬유 방향은 상대적으로 타이트한 컨투어(35)를 형성하는 만곡된 센터축(36)과 실질적으로 정렬되고, 상기 수지함침 세그먼트(32)의 섬유 방향은 상기 센터축(36)에 대하여 정해진 방향으로 실질적으로 정렬되어 있도록 상기 컨투어(35)를 따르는 방향으로 변경된다. 상기 수지함침 세그먼트(32)의 섬유 방향의 선택된 세트가 정해진 방향이나 축에 대하여 정렬되는 정도는 적용예에 따라 달라진다. 어떤 적용예에서는, 상기 수지함침 세그먼트(32)의 섬유 방향은 복합재 구조부(30)의 하나 이상의 위치에서 어느 정도 변화될 수 있다. 사실, 일부 적용예에서는, 정해진 기준 방향에 대한 수지함침 세그먼트의 변화 정도는 변화의 구체적인 허용오차 내에서 유용하거나 바람직할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 도포기 시스템(38)은 미리 정렬된 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 연속 흐름(40)을 배출하고, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 상기 도포기 시스템(38)의 부분을 형성하는 도포기 헤드(도시 안됨)를 기층(34) 위의 정해진 경로로 이동함으로써 상기 기층(34) 위에서 조종되고 놓여지고, 상기 경로는 도시된 실시예에서는, 상기 센터축(36)을 따르거나 평행하다. 상기 기층(34) 위로 상기 도포기 헤드가 반복적으로 통과하여 연속적인 적층이나 플라이가 적층되고, 각각은 정렬된 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 포함한다. 그리하여, 상기 복합재 구조부(30)는 수지로 주입된 불연속적인 섬유의 다수 층, 또는 플라이를 포함한다.
도 1에는 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 이하의 상세한 설명에서 밝혀지듯이, 본 발명의 실시예는 복합재 구조물에 있는 공극이나 갭(도시 안됨)을 충전하는 데에도 적용할 수 있고, 기층 위에 절단된 섬유 수지함침재와 같은 수지 주입된 불연속 섬유를 조종함으로써 라미네이트 두께부에 있는 천이부(도시 안됨)를 형성하는 데도 적용될 수 있다. 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 방향을 연속적으로 조종함으로써 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)가 놓여질 때, 상기 라미네이트의 구조적인 특성이 국부적으로 세밀하게 조절될 수 있고 그리하여 최적화될 수 있다. 라미네이트 두께부에 천이부를 구비하는 벌크 이중재 영역(bulk doubler areas)과 같은 구조부와 함께 상기 공극이나 갭의 충전재는 통상 층간 구조부(연속된 플라이 사이에 위치하는)가 될 수 있으나, 앞에서 설명하였듯이 어떤 적용예에서는, 외부에 노출되는 외부 구조부도 될 수 있다.
이제 도 2 내지 도 6을 참조하면, 이들 도면은 항공기 동체(44, 도 2)의 제작과 관련하여 본 발명의 방법과 장치를 사용하는 것을 보여준다. 상기 동체(44)는 내부 뼈대(45)에 지지된 외부 스킨(46)을 포함하고, 상기 내부 뼈대는 통체 형상의 프레임(65)과 종방향으로 연장하는 스트링거(47)를 구비한다. 상기 스킨(46)은 창문 개구부(42), 화물창(도시 안됨) 등과 같은 하나 이상의 불연속부를 포함한다. 동체 압력(49)은, 동체(44)의 원주(55)에 작용하고 상기 스킨(46)에서 창문이나 다른 개구부를 지나가는 후프 하중(50, hoop load)을 초래한다. 추가로, 비행 동안에, 상기 동체(44)의 상부 크라운부(54, crown)가 인장 하중(75) 하에 놓이는 반면, 상기 동체(44)의 하부 복부(56, belly)는 압축 하중(77)에 놓이게 되어, 사기 창문 개구부(42)를 지나가는 전단 하중(52, 도 3)을 초래하게 된다. 도 3에 보인 바와 같이, 상기 후프 하중(50)과 전단 하중(52)은 상기 창문 개구부(42)의 외주 둘레로 전달된다. 따라서, 상기 창문 개구부(42) 둘레의 모서리(58)는 상기 후프 하중(50)과 전단 하중(52)을 모두 전달하여야 하기 때문에 아주 높은 응력(59)이 작용된다. 아래에서 설명되듯이, 본 발명의 방법과 장치는 상기 창문 개구부(42) 둘레에 층간 패드로 부착되고 상기 창문 개구부(42) 둘레의 상기 동체(44)를 보강하고 강화하여 상기 스킨(46)이 상기 모서리(58)를 통하여 필요한 하중을 전달할 수 있도록 하는 복합재 구조부(30)를 형성하는 복합재 이중재를 적층하는 데 적용될 수 있다.
특히 도 5를 참조하면, 상기 복합재 구조부(30)는, 도 1과 관련하여 앞에서 설명된 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)와 유사한 다수의 조종된 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 포함하는 불연속적 섬유 수지함침재로 형성된다. 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)은 툴(도시 안됨)이나 아래에 놓이는 플라이(도시 안됨) 위에 놓일 때 조종되어 그 각각의 섬유 방향이 구조적 하중 경로에 실질적으로 정렬되고, 이 실시예에서는 상기 모서리(58)에서 만곡된 센터축(36)을 따르거나 이에 평행하게 되어 있다. 상기 기층(34) 위에서 조종되는 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 층이나 플라이의 수는 적용예와 상기 복합재 구조부(30)의 정해진 두께에 따라 달라질 것이다. 어떤 적용예에서는, 상기 기층(34) 위로 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 조종함으로써 형성되는 상기 복합재 구조부(30)의 단면적을 맞춤식으로 하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 도 4와 도 5에 도시된 상기 복합재 구조부(30)는 하나 이상의 전체 기저 플라이(60) 위에 적층될 수 있고 하나 이상의 전체 포장 플라이(62)로 덮여질 수 있다. 상기 복합재 구조부(30)는 폭(W)에 있어서 연속적으로 좁아지는 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 층을 적층함으로써 형성되는 이중 테이퍼부(64)를 포함한다. 상기 복합재 구조부(30)의 테이퍼 형상은 최종적인 이중재가 상기 전체 플라이(60, 62)에 더 잘 일치되도록 허용한다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는, 라미네이트 구조물(85)의 두께부에서 천이부에 형성될 수 있는 복합재 라미네이트에서의 갭(82)과 같은 공극이나 갭(82)을 충전하기에 적절한 단면 형상을 형성하도록 조종되고 적층될 수 있다. 도 7에 보인 실시예에서는, 복합재 샌드위치 라미네이트 구조물(85)은 상기 2 개의 복합재 전체 플라이(60, 62) 사이에 샌드위치된 코어(86)를 포함한다. 상기 라미네이트 구조물(85)이 상기 코어(86)에서 고형 라미네이트(87, solid laminate)로 천이할 때 갭(82)이 형성된다. 상기 갭(82)은 구조적인 불연속성을 형성하고, 이는 필요한 하중을 전달하기 위하여 강화와 보강을 필요로 한다. 상기 갭(82)은 불연속 섬유 수지함침 충전부의 복합재 구조부(30)를 형성하기 위하여 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 층으로 채워질 수 있는데, 상기 복합재 구조부(30)는 이 실시예에서는 단일 테이퍼부(84)를 갖는다.
도 8은 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 기층(34) 위로 조종함으로써 불연속 섬유 복합재 구조부(30)를 형성하는 방법의 전체 단계를 나타낸다. 단계(66)에서 시작하여, 섬유 수지함침재를 정해진 길이와 정해진 형상비로 절단함으로써 섬유 수지함침 세그먼트(32)가 제조된다. 단계(68)에서는, 불연속 섬유 플라이가 단계(70)에서 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 기층(34) 위에 놓음으로써 적층되고, 단계(72)에서 보강 섬유의 섬유 방향이 정해진 방향으로 정렬되도록 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 배치한다. 아래에서 더욱 자세하게 설명되듯이, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 도포기 헤드를 사용하여 상기 기층(34) 위에 놓여질 수 있는데, 상기 도포기 헤드는 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 조종하기 위하여 그리고 구조물을 통하여 하중 경로를 따라 정렬하도록 하는 데도 사용될 수 있다.
이제 도 9 내지 도 11을 참조하면, 도 9 내지 도 11은 대체로 Z자 형상의 단면을 갖는 프레임부(74)의 부분을 나타낸다. 상기 프레임부(74)는 통체 형상의 프레임(65)의 부분을 형성하여 도 1에 보인 동체(44)에 사용될 수 있도록 한다. 상기 프레임부(74)는 반대 방향으로 연장하는 상, 하부 플랜지(76, 78)를 구비하고 이들은 웹(80)에 의하여 연결된다. 상기 동체(44)에서 종방향으로 연장하는 스트링거(47, 도 2 참조)에 대한 클리어런스를 제공하기 위하여 상기 웹(80)과 플랜지(76)에는 "쥐구멍"과 같은 개구부(82)가 구비될 수 있다. 본 발명의 방법과 장치는, 특히 높은 응력을 받은 국부 영역에, 상기 프레임부(74)의 부분을 선택적으로 보강하기 위하여 불연속 수지함침 섬유의 복합재 구조부(30)를 형성하는 데 적용될 수 있다. 그리하여, 상기 웹(80)의 중앙부의 하나의 측면에는 종방향으로 연장하는, 형상화된 복합재 구조부(30a)가 구비되고, 이것은 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 포함하는 불연속 섬유 수지함침재의 다수의 층으로 형성되며, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 상기 프레임부(74)가 적층될 때 상기 웹(80) 위로 조종된다.
도 10과 도 11로부터 알 수 있듯이, 도시된 실시예에서, 상기 복합재 구조부(30a)는 그 길이를 따라 단면 형상에 있어서 변화되나, 다른 실시예에서는 상기 복합재 구조부(30a)의 단면 형상은 그 길이를 따라 일정할 수도 있다. 유사하게, 절단된 수지함침재와 같은 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 층을 포함하는 복합재 구조부(30b, 30c)가 상기 개구부(82)를 둘러싸는 형상화된 패턴으로 상기 웹(80) 위에서 조종될 수 있다. 상기 복합재 구조부(30a, 30b, 30c)는 상기 프레임부(74)의 국부적인 구조 특성을 최적화하도록 선택된 어떠한 정해진 단면구조를 가질 수도 있다. 상기 복합재 구조부(30b, 30c)의 어떠한 것도 그 길이를 따라 단면 크기나 형상에 있어서 변화될 수 있다.
이제 도 12를 참조하면, 도 12는 강성, 강화 또는 보강을 필요로 하는 구조물의 국부적인 구조부를 구비하는, 앞에서 설명된 형태의 불연속, 수지 주입 섬유 구조부(30)를 형성하기 위하여 채용될 수 있는 시스템(88)의 하나의 실시예를 나타낸다. 상기 시스템(88)은, 기층(34) 위에 절단된 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 놓도록 되어 다수의 층이나 플라이(96)를 형성하는 도포기 헤드(90)를 넓게 포함한다. 도포기 헤드(90)는, 예를 들어 이에 한정되지는 않고 로봇으로 이루어지는 자동화된 조절기(92)에 의하여 상기 기층(34) 위로 X, Y 및 Z 방향으로 배치된다.
상기 조절기(92)는 상기 도포기 헤드(92)와 함께 프로그램된 CNC(computer numerically controlled) 컨트롤러(94)에 의하여 작동된다. 상기 도포기 헤드(90)는 가이드(102)를 통하여 단방향 섬유 수지함침 테이프(100)를 절단기(103)로 공급하는 수지함침 테이프 공급기(98)를 구비한다. 상기 절단기(103)는 정해진 크기와 형상의 섬유 수지함침 세그먼트로 절단하기 위하여 상기 도포기 헤드(90)의 이동과 동시에 작동되는 통상의 커터 기구(도시 안됨)를 포함할 수 있다. 절단된 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 상기 도포기 헤드(90)에 있는 공기 흐름 발생기(106)에 의해 발생된 공기 흐름(104)으로 공급된다. 상기 도포기 헤드(90)가 상기 기층(34) 위로 이동할 때 상기 공기 흐름(104)은 미리 정렬된 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 추진하여 노즐(108)을 통하여 상기 기층(34) 위로 놓는다. 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 상기 기층(34)에 접촉하고 부착될 때 미리 정해진 방향으로 상기 기층(34) 위로 도포된다. 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)가 상기 기층(34) 위에 놓여질 때 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 방향잡는 것은 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 방향을 조절할 필요가 없도록 해준다. 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 가열하기 위하여 도포기 헤드(90)에 히터(105)가 구비될 수 있고, 그리하여 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 접착성을 증가시킬 수 있다. 이런 증가된 접착성은 상기 기층(34) 위에서 정해진 방향으로 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 부착과 고정에 도움이 된다. 상기 히터(105)는 사용하기에 적절한 다양한 형태의 기구를 포함할 수 있는데, 이에 한정되지는 않고, 극히 일부만 예시해 보자면 열풍기, 전도봉, 원적외선 히터 또는 레이저를 포함한다. 상기 히터(105)는 일반적으로 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 전체 영역을 가열하거나, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)가 놓여졌을 때 상기 기층에 충분히 접착할 정도가 될 때까지 단지 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 일부만을 가열하는 레이저 빔과 같은 초점 빔(도시 안됨)을 생성할 수도 있다.
상기 도포기 헤드(90)는 정해진 방향으로 절단된 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 폭을 도포하기 위하여 측면방향으로(Y축 방향으로) 이동할 수 있는 한편, 다른 실시예에서는, 각각의 층이나 플라이(96)에 대하여 상기 기층(34)의 정해진 폭을 절단된 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)로 덮기 위하여 상기 도포기 헤드(90)는 X축 방향으로 상기 기층 위에서 다수의 직선 이동을 행하도록 사용될 수 있다. 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 놓기 위하여 상기 도포기 헤드(90)에 공기흐름 발생기(106)가 구비된 것으로 도시되어 있으나, 상기 도포기 헤드(90)가 가로질러 이동하여 상기 기층(34) 위로 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 조종할 때, 기계적인 기구와 같은 다른 수단이 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 배출하고 놓고 정렬하기 위하여 채용될 수 있다. 여기서, 앞에서 설명된 도포기 헤드(90)를 포함하는 상기 시스템(88)은 여러가지 다양한 장치 중의 하나의 예시일 뿐이고, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 놓고 위치시키는 데 사용될 수 있다는 점에 특히 유의하여야 한다. 사용되는 상기 시스템(88)의 특별한 형태는 적용예에 따라 달라질 것이고, 구체적인 구조적 요건과 채용되는 적층 기술에 따라 달라질 것이다. 더욱이, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 제작과 이 세그먼트를 상기 기층(34) 위에 놓고 위치시키기 위하여 사용된 장비는 단일 기구 또는 몇 개의 다른 기구를 사용하여 실행될 수 있다.
도 13은 도 12에 보인 도포기 헤드(90)의 다른 실시예를 나타내는데, 상기 기층(34)을 가로질러 상기 도포기 헤드(90)가 한번 지나갈 때, 개별적으로 절단된 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 다수의 열이 동시에 배출되어 정해진 방향으로 배열되고, 도포기 헤드(90)에 의하여 놓여져서 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 띠너비(110)를 형성하게 된다.
이제 도 14 내지 도 17을 참조하면, 스크랩 수지 함침재(124, 도 15 참조)를 사용하여 불연속적 섬유 수지함침재의 층이나 플라이를 적층하는 데 본 발명의 실시예가 채용될 수 있다. 도 14를 참조하면, 단계(112)에서, 비일치성/스크랩 부품으로부터 또는 다른 제조 공정으로부터 결과되는 스크랩 수지함침재로부터 상기 스크랩 수지 함침재(124)가 획득될 수 있다. 상기 스크랩 수지 함침재(124)는, 도 15에 보인 바와 같이 여러가지 모양을 가질 수 있다. 도 14에 보인 단계(116)에서, 상기 스크랩 수지 함침재(124)는 개별적인 섬유 수지함침 세그먼트(32)로 절단되고, 이러한 절단 공정에 이어서, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 도 16에 보인 바와 같이, 임의의 섬유 방향(126)을 가질 수 있고, 및/또는 다른 길이의 섬유를 가질 수도 있다. 단계(118)에서, 절단된 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 도 17에 보인 바와 같이, 정해진 섬유 방향으로 실질적으로 정렬(128)을 이룬다. 단계(120)에서는, 정렬된 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 도포기로 공급된다. 단계(122)에서는, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)를 상기 기층(34) 위로 배출하고, 조종하고 배치하기 위하여 상기 도포기가 사용되어, 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)의 섬유 방향이 정해진 방향으로 정렬되도록 한다.
본 발명의 방법에 사용되는 스크랩으로부터 형성된 절단된 상기 섬유 수지함침 세그먼트(32)는 몇 가지 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 18을 참조하면, 스크랩 수지 함침재(124)가, 혼합기와 유사하고 개방된 용기(135) 내에 회전 날개(132)를 가진 절단기 장치(130)로 유입된다. 상기 날개(132)는 상기 스크랩 수지 함침재(124)를 개별적인 섬유 수지 함침 세그먼트(32)로 절단하고 분쇄하고, 보강 섬유의 선을 따라 그리고 보강 섬유 사이에 상기 수지 함침 세그먼트를 자르고 쪼개어 임의의 방향(126)을 갖는 상기 섬유 수지 함침 세그먼트를 생성하게 된다. 상기 스크랩 수지 함침재가 개별적인 섬유 수지 함침 세그먼트(32)로 절단되어지고 나서, 임의의 방향(126)으로 된 섬유 수지 함침 세그먼트(32)는, 예를 들어, 일련의 평행한 채널(136)을 갖는 진동기 트레이(134)에 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 올려놓음으로써 정렬된다. 상기 진동기 트레이(134)는 측면방향(138)으로 진동되고, 상기 진동기 트레이(134) 위에 적재된 임의의 방향(126)으로 된 섬유 수지 함침 세그먼트(32)가 상기 채널(136) 내로 들어가게 하여 스스로 정렬하도록 하여, 다수의 열(140)로 정렬된 섬유 수지 함침 세그먼트(32)가 얻어지게 된다. 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)의 정렬된 열(140)은, 상기 기층(34) 위에서 정해진 섬유 방향을 갖도록 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 배출하고 위치시켜 조종하는 도포기 헤드(90)로 공급된다.
도 19a 내지 도 21b는 절단된 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 기층(34) 위로 조종하는 본 발명의 방법의 다른 실시예를 나타낸다. 도 19a와 도 19b에서 볼 수 있듯이, 상기 기층(34) 위에 적당한 수지(144)의 도포(142)를 행하기 위하여 도포기(140)가 사용되고, 상기 도포기(140)는 상기 기층(34)을 가로질러 이동방향(150)으로 이동하게 된다. 상기 수지(144)는 상기 기층(34) 위로 수지(144)를 스프레이함으로써, 또는 상기 기층(34) 위로 수지를 롤러로 바르거나 다른 도포 기술을 사용함으로써 도포될 수 있다. 그 다음, 도 20a와 도 20b에 도시된 바와 같이, 절단된 섬유 수지 함침 세그먼트(32)가 상기 기층(34) 위를 이동하는 적절한 도포기(146)에 의하여 상기 기층(34) 위에 도포된다. 이러한 방식으로 처음에 도포될 때, 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)는 도 20b에 보인 바와 같이 임의의 방향을 가지게 된다. 그리고 나서, 도 21a와 도 21b에 보인 바와 같이, 섬유 세그먼트 정렬기(148)가, 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 정해진 방향으로, 이 경우에는 축(36)을 따르는 방향으로 정렬하기 위하여 상기 기층(34) 위로 이동한다. 상기 섬유 세그먼트 정렬기(148)는 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 접촉하고 재정렬하기 위하여 하나 이상의 기계 장치를 사용할 수 있고, 또는 다른 선택으로서 정해진 세그먼트 정렬을 달성하기 위하여 공기흐름(도시 안됨)과 같은 비접촉 기술을 사용할 수도 있다. 그러나, 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)가 상기 기층(34)에 처음에 놓여 있을 때 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 정렬하는 것이 일부 적용예에서는 바람직한데, 이러한 기술은 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 정해진 섬유 방향으로 재위치시키는 추가의 단계에 대한 필요를 없애준다.
도 22a 내지 도 24b는 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)를 상기 기층(34) 위에 배치하고 정렬하기 위한 대안적인 기술을 나타낸다. 도 22a와 도 22b를 참조하면, 한 방울과 같은 적은 양의 수지(152)가 각각의 섬유 수지 함침 세그먼트(32)의 한쪽 단부(154)에 놓여진다. 그런 다음, 도 23a와 도 23b에 보인 바와 같이, 상기 기층(34) 위에 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)가 놓여진다. 이 지점에서, 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)의 섬유는 상기 축(36)과 같은 정해진 방향으로 정렬되어 있지 않다. 도 24a와 도 24b에 보인 바와 같이, 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)는 화살표 방향(156)으로 회전되어 상기 섬유 수지 함침 세그먼트(32)의 섬유 방향이 상기 축(36)과 정렬된다. 이러한 방향 전환 과정은 기계 장치(49)를 사용하여 수행되거나, 상기 기층(34) 위로 흐르는 공기와 같은 비접촉 기술을 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예는 다양한 잠재적인 적용예에 사용될 수 있는데, 타이트한 컨투어와 두께 조절이나 단면 맞춤을 필요로 하는 국부적인 구조부를 요구하는 복합재 구조물이 사용되는, 예컨대 우주항공, 선박, 기관차 등의 운송 산업에 적용될 수 있다. 그리하여, 이제 도 25와 도 26를 참조로 하면, 본 발명의 실시예는 도 26에 보인 바와 같은 항공기 제조 및 서비스 방법(158) 및 도 26에 보인 바와 같은 항공기(160)와 관련하여 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예의 항공기에 적용은, 예를 들어 이에 한정되지는 않고, 일부만 예시하자면 프레임, 비임, 스파, 스트링거와 같은 항공기 기체(176)의 다양한 부품을 포함할 수 있다. 전-생산(pre-production) 공정 동안, 상기 방법(158)은 항공기(160)의 사양 및 설계(162)와 자재 조달(164)을 포함한다. 생산 동안에, 항공기(160)의 구성요소 및 서브어셈블리 제조(166) 및 시스템 통합(168)이 일어난다. 그 다음에, 항공기(160)는 서비스(172)에 놓이기 위하여 인증과 인도(170)를 거치게 된다. 고객에 의하여 항공기가 서비스될 때, 항공기(160)는 일정한 유지보수 및 점검(174)이 계획되어 있고, 이러한 정비 서비스에는 변경, 개조, 보수 등이 포함된다.
상기 방법(160)의 각 공정은 시스템 통합자, 제3자, 및/또는 오퍼레이터(예컨대, 고객)에 의하여 수행된다. 이러한 설명을 위하여, 시스템 통합자는 수의 제한없이 항공기 제조자와 대형 시스템 하도급업자를 포함하고; 제3자는 숫자의 제한없이 판매업자, 하도급업자 및 공급자를 포함하고; 오퍼레이터는 항공사, 대여업자(leasing company), 군부대, 서비스 단체 및 다른 적절한 오퍼레이터를 포함한다.
도 26에 보인 바와 같이, 상기 방법(158)에 의하여 제조된 항공기(160)는 다수의 시스템(178)과 인테리어(180)를 갖춘 비행기 본체인 기체(176)를 구비한다. 고도의 시스템(178)의 예로서는 하나 이상의 추진 시스템(182), 전기 시스템(184), 유압 시스템(188) 및 환경 시스템(190)이 포함된다. 다른 적절한 시스템도 다수 포함될 수 있다. 항공기를 예시로 설명하였으나, 본 발명의 구성은 선박, 자동차 산업과 같은 다른 산업에도 적용될 수 있다.
여기서 고려된 장치와 방법은 상기 방법(158)의 하나 이상의 단계 동안에 적용될 수 있다. 예를 들어, 생산 공정에 상응하는 구성요소 및 서브어셈블리 제조(166)는 상기 항공기(160)가 운항 서비스 중에 있는 동안, 생산된 구성요소와 소조립체와 유사한 방식으로 제작되거나 생산될 수 있다. 추가로, 하나 이상의 장치의 구성, 방법 실시예 또는 이들의 결합이, 예를 들어, 실질적으로 항공기(160)의 조립을 촉진하고 또는 항공기의 비용을 감소시킴으로써, 구성요소 및 서브어셈블리 제조(166)와 시스템 통합(168) 동안에 사용될 수 있다. 유사하게, 복수의 장치 실시예, 방법 실시예 또는 이들의 결합이, 예를 들어 또는 제한없이, 항공기(160)가 서비스 중에, 또는 유지보수 및 점검(174)에도 사용될 수 있다.
여기에서 사용된 바와 같이, "적어도 하나의"라는 용어는, 아이템 리스트와 같이 사용될 때, 리스트의 아이템의 하나 이상의 다른 조합이 사용될 수 있고, 리스트에 있는 아이템의 단 하나만이 필요할 수도 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, "아이템 A, 아이템 B 및 아이템 C 중의 적어도 하나"는 예를 들어, 어떠한 제한없이, 아이템 A, 또는 아이템 A와 아이템 B를 포함한다. 이 예는 또한 아이템 A, 아이템 B 및 아이템 C, 또는 아이템 B와 아이템 C를 포함한다. 아이템은 특정한 대상이나 소재 또는 카테고리가 될 수 있다. 다시 말하자면, 적어도 하나는 어떠한 아이템의 조합을 의미하고 또 아이템 리스트로부터 다수의 아이템이 사용될 수도 있으나, 리스트의 모든 아이템이 필요한 것은 아니다.
다른 바람직한 실시예에 대한 설명은 예시와 설명을 위한 목적으로 제시된 것이지, 개시된 형태의 실시예로 한정하려는 의도가 아님을 밝혀둔다. 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게는 다양한 변형이나 개량이 자명할 것이다. 추가로 다른 바람직한 실시예는 또다른 바람직한 실시예와 비교하여 다른 장점을 제공할 수 있을 것이다. 선택된 실시예는 실시예의 원리, 실제적인 적용을 최적으로 설명하기 위하여, 그리고 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 다양한 실시예에 대한 발명을 이해할 수 있게 하기 위하여 설명되고 선택되었다.
25: 보강 섬유 30: 복합재 구조부
32: 섬유 수지함침 세그먼트 34: 기층
38: 도포기 시스템 90: 도포기 헤드
92: 조절기 106: 공기 흐름 발생기

Claims (25)

  1. 각각 단방향 보강 섬유를 갖는 다수의 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계로서, 섬유가 서로에 대하여 평행하게 연장되고, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계는 스크랩 섬유 수지 함침재를 개별적인 조각으로 절단하는 단계를 포함하는, 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계;
    기층 위에 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 놓는 단계; 및
    상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 기층 위에 놓은 다음에, 상기 기층 위에 놓인 상기 수지 주입 섬유 세그먼트의 섬유 방향이, 복합 라미네이트 구조물을 통과하는 비선형 하중 경로를 따라 정렬하도록 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배열하는 단계를 포함하는, 불연속 보강 섬유를 갖는 복합재 구조부를 형성하여 복합 라미네이트 구조물을 형성하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 제조하는 단계는 보강 섬유를 따라 그리고 보강 섬유 사이에 상기 스크랩 섬유 수지 함침재를 개별적인 조각으로 쪼개는 단계를 포함하는, 복합 라미네이트 구조물을 형성하는 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 기층 위에 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 놓는 단계는:
    상기 기층 위로 도포기를 이동하는 단계, 및
    상기 도포기가 상기 기층 위로 이동할 때, 상기 도포기로부터 상기 기층 위로 수지 주입 섬유 세그먼트를 배출하는 단계를 포함하는, 복합 라미네이트 구조물을 형성하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기층 위로 상기 도포기로부터 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배출하는 단계는 상기 기층 위로 띠너비(bandwidth)의 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배출하는 단계를 포함하는, 복합 라미네이트 구조물을 형성하는 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위로 놓여지기 전에 수지를 상기 기층에 도포하는 단계를 추가로 포함하는, 복합 라미네이트 구조물을 형성하는 방법.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 수지 주입 섬유 세그먼트가 상기 기층 위로 놓여지기 전에 각각의 수지 주입 섬유 세그먼트의 적어도 하나의 단부에 수지를 도포하는 단계를 추가로 포함하는 복합재 구조부를 형성하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 복합재 구조물을 적층하여 복합 라미네이트 구조물을 형성하기 위한 장치로서,
    기층 위로 이동하도록 되어 있고, 정렬되고 절단된 수지 주입 세그먼트의 적어도 하나의 흐름을 상기 기층 위로 배출하도록 된 도포기를 포함하되,
    상기 도포기는,
    연속적인 수지 주입 섬유의 공급기와,
    상기 연속적인 수지 주입 섬유를 개별적인 수지 주입 섬유 세그먼트로 절단하기 위한 절단기, 및
    상기 도포기로부터 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 상기 기층으로 흘려보내기 위한 공기 흐름 발생기를 구비하고,
    상기 장치는, 기층 위로 미리 선정된 경로를 따라 상기 도포기를 이동하기 위하여 컴퓨터 제어 조절기 및
    상기 기층 위에 놓인 상기 수지 주입 섬유 세그먼트의 섬유 방향이, 복합 라미네이트 구조물을 통과하는 비선형 하중 경로를 따라 정렬하도록, 상기 기층 위에 배출된 상기 수지 주입 섬유 세그먼트를 배열하도록 하는 정렬기를 포함하는, 복합재 구조물을 적층하여 복합 라미네이트 구조물을 형성하기 위한 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
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