KR20140048111A

KR20140048111A - 코너 피팅 프리폼 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140048111A
Application number: KR20137029256A
Authority: KR
Inventors: 조나단 괴링; 마이클 맥클레인
Original assignee: 알바니 엔지니어드 콤포짓스, 인크.
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2014-04-23
Also published as: PL2694713T3; RU2604444C2; AU2012240299A1; MX2013011631A; WO2012138748A1; ES2611886T3; US8663776B2; JP2014511948A; HUE032174T2; CA2832090A1; RU2013144024A; BR112013025578B1; US20120251793A1; JP6040222B2; TWI601861B; TW201307630A; CN103562453A; AU2012240299B2; CN103562453B; EP2694713B1

Abstract

코너 피팅 프리폼(100) 및 코너 피팅 프리폼 형성 방법이 개시된다. 코너 피팅 프리폼 형성 방법은, 기부(10) 또는 모 재료를, 기부(10)로부터 연장하는 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들(20)과, 일체적으로 제직하는 단계들을 포함한다. 플랫 제직된 프리폼은, 다리들 또는 플랜지들(20) 내에, 제직되지 않은 연속적인 경사들을 갖는 특수하게 가공된 영역들을 포함한다. 비제직 영역들(28)은, 프리폼의 플랜지들(20)이 코너 주위에서 접히는 것을 허용하는 경첩을 제공한다. 접기 후에, 잉여의 비제직 경사들은 다리들 또는 플랜지들의 제직된 부분을 통하여 끌어 당겨져서, 코너 주위에 연속적인 경사에 의한 보강을 구비하는 프리폼을 생성한다.

Description

코너 피팅 프리폼 및 그 제조 방법{Corner fitting preforms and method of making thereof}

본 명세서에 언급되는 모든 특허, 특허출원, 서류, 문헌, 제조자의 사용 설명서, 제품 설명서, 제품 사양서, 및 임의의 제품의 제품 전단지는 인용에 의하여 본 명세서에 포함되며, 본 발명의 실시에 채용될 수 있다.

본 발명은 개괄적으로는 제직된 프리폼(woven preforms)에 관한 것이며, 상세하게는 강화 복합 재료에 사용되는 제직된 프리폼에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 그 코너 부분이 연속적인 섬유로 보강되도록 하면서, 구부러진 또는 각이 있는 형상으로 성형될 수 있는 코너 피팅 프리폼(corner fitting preforms)에 관한 것이다.

요즈음, 구조 부품(structural components)을 제조하는 데 있어서 강화 복합 재료가 널리 사용되고 있다. 특히, 그것들의 바람직한 특성들, 즉, 경량, 고강도, 인성(toughness), 내열성, 형성되고 성형될 수 있는 능력 등이 커다란 이점으로 사용될 수 있는 적용 분야에서 특히 그러하다. 그러한 부품들은, 예를 들면, 항공 분야, 우주 항공 분야, 위성 분야, 고성능 오락 제품 분야, 및 기타 적용분야에서 사용된다.

통상적으로, 그러한 부품은, 매트릭스 재료에 박혀있는 보강 재료로 이루어진다. 보강 성분은, 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르 및/또는 기타 재료와 같은 재료로 만들어질 수 있는데, 이들 재료는 바람직한 물리적, 열적, 화학적 및/또는 기타 특성을 보여야 하며, 그 중에서도 중요한 것은 응력 파괴(stress failure)에 대항하는 큰 강도(strength)이다.

그러한 보강 재료의 사용을 통하여(보강 재료는 결국에는, 완성된 부품의 구성 요소가 됨), 매우 높은 강도와 같은 보강 재료의 바람직한 특성들이 완성된 복합 부품에 부여된다. 통상적으로 사용되는 보강 재료는 제직되거나, 편직되거나, 또는, 보강 프리폼을 위한 바람직한 구조 및 형태로 달리 배향될 수 있다. 통상적으로, 사용되는 보강 재료를 선택했던 이유가 되는 특성들의 최적 활용을 확보하기 위해서는, 특별한 주의를 기울여야 한다. 통상적으로, 그러한 보강 프리폼은 매트릭스 재료와 복합되어, 원하는 최종 부품을 형성하거나, 완성된 부품의 최종 생산을 위한 중간 자재(working stock)를 생성한다.

원하는 보강 프리폼이 구성된 후에, 매트릭스 재료가 프리폼에 그리고 프리폼 내로 도입될 수 있으며, 그에 따라, 통상적으로, 보강 프리폼은 매트릭스 재료 내에 수용되고, 매트릭스 재료는 보강 프리폼의 구성요소들 사이의 간극 영역을 채운다. 매트릭스 재료는, 또한, 바람직한 물리적, 열적, 화학적 및/또는 기타 특성들을 보이는 임의의 매우 다양한 재료일 수 있으며, 예를 들면, 에폭시, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 세라믹, 탄소 및/또는 기타 재료일 수 있다. 매트릭스로서 사용되기 위하여 선택된 재료는 보강 프리폼의 재료와 동일하거나 동일하지 않을 수 있으며, 유사한 물리적, 화학적, 열적 또는 기타 물성들을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 그러나, 통상적으로는, 이들은 동일한 재료로 이루어지지 않고, 또한, 유사한 물리적, 화학적, 열적 또는 기타 물성들을 갖지 않을 수 있는데, 이는, 복합재료를 사용하여 얻고자 하는 통상적인 목적이, 무엇보다도, 하나의 구성 재료를 단독으로 사용해서는 얻을 수 없는 물성들의 조합을 최종 제품에서 얻는 데 있기 때문이다. 그렇게 조합된 후, 보강 프리폼 및 매트릭스 재료는, 열경화 또는 기타 공지된 방법에 의하여 동일한 조작(operation)에서 경화되고 안정화될 수 있으며, 그런 다음, 다른 조작들을 겪음으로써 원하는 부품을 생성하게 된다. 여기서 중요하게 주목해야될 점은, 그렇게 경화되고 나면, 그에 따라 고화된 매트릭스 재료 덩어리는, 통상적으로, 보강 재료(reinforcing material)(즉, 보강 프리폼(the reinforcement preform))에 매우 강하게 접착된다는 점이다. 그 결과, 완성된 부품에 걸리는 응력은, 특히, 섬유들 간의 접착제로서 작용하는 그것의 매트릭스 재료를 통하여, 보강 프리폼의 구성 재료에 효과적으로 전달되고, 이 보강 프리폼의 구성 재료에 의하여 지탱될 수 있다. 보강 프리폼의 임의의 파단 또는 불연속은, 완성된 부품에 가해지는 응력을 전달하고 지탱하는 보강 프리폼의 능력을 제한한다.

빈번하게는, 예를 들어 플레이트, 시트, 직육면체 또는 정육면체, 등과 같은 단순한 기하학적 형상과는 다른 구조로 부품을 생성하는 것이 바람직하다. 이를 행하는 방법은 그러한 기초적인 기하학적 형상들을 조합하여, 바람직한 더 복잡한 형태를 형성하는 것이다. 하나의 그러한 통상적인 조합을 만드는 방법은, 앞에서 기술한 바와 같이 제조된 보강 프리폼들을 서로에 대하여 각도(통상적으로 직각)를 이루도록 접합하는 것이다. 접합된 보강 프리폼들의 그러한 각도 배열의 통상적인 목적은, 예를 들어 하나 이상의 단부벽(end walls) 또는 "T" 교차점을 포함하는 보강 프리폼을 형성하기에 바람직한, 또는, 그 결과 얻어지는 보강 프리폼들의 조합 및 이 조합으로부터 생성된 복합재료 구조체가, 이 구조체가 압력 또는 장력과 같은 외부의 힘에 노출될 때, 휨(deflection) 또는 파괴(failure)에 대항하는 강도를 향상시키기에 바람직한 형상을 발생시키는 것이다. 어떠한 경우이든지, 관련된 고려사항은, 구성 성분들 사이의 각각의 접합점을 가능한 한 강하게 만드는 것이다. 보강 프리폼 구성요소들 자체는 바람직한 매우 높은 강도를 갖는다고 가정하면, 접합점의 허약함이, 결국, 구조적 "사슬(chain)" 내의 "약한 고리(weak link)"가 된다.

교차점 구성 방식의 일 예가 미국특허 제6,103,337호에 기재되어 있으며, 그 개시 사항은 인용에 의하여 본 명세서에 포함된다. 이 문헌은, 두 개의 보강 플레이트를 T-형태를 형성하도록 서로 접합하는 효과적인 수단을 기재하고 있다. 이는, 제1 보강 패널을, 제1 보강 패널과 모서리에서 맞붙도록 배치된 제2 보강 패널에 접합함으로써, 달성될 수 있다.

과거에, 그러한 접합점들을 만들기 위한 다양한 다른 제안들이 제시된 바 있다. 제안된 바에 따르면, 서로로부터 분리된 패널 요소 및 각진 강직성 요소(angled stiffening element)를 형성하고 경화하는데, 이때, 후자는 단일 패널 접촉 표면을 갖거나, 또는, 일 단부에서 두 갈래로 갈라져서 두 개의 서로 갈라서는 공통 평면 패널 접촉 표면들을 형성한다. 그리고 나서, 이 두 부품은, 강직성 요소의 패널 접촉 표면(들)을, 상기 다른 부품의 접촉 표면에, 열경화성 접착제 또는 다른 접착 재료를 사용하여, 접합함으로써 연결된다. 그러나, 복합재료 구조체의 표층 또는 경화된 패널에 장력이 가해지면, 허용 불가능하게 낮은 값의 하중으로도 "박리력(peel forces)"이 발생하게 되고, 이 박리력에 의하여 강직성 요소가 패널 요소로부터 그들의 계면에서 분리된다. 이는, 이 접합의 유효 강도가 접착제의 강도일 뿐이지, 매트릭스 또는 보강 재료의 강도가 아니기 때문이다.

그러한 부품들의 경계면에서의 금속 볼트 또는 리벳의 사용은 허용될 수 없는데, 이는, 그러한 부가는 복합재료 구조체 자체의 온전성을 적어도 부분적으로 파괴 및 약화시키고, 무게를 증가시키며, 그러한 요소들과 주변 재료 간의 열팽창 계수 차이를 도입하기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 다른 접근 방법은, 고강도 섬유를 접합 영역에 걸쳐서 도입한다는 개념에 기초하였는데, 그 도입을 위하여 사용되는 방법의 예로서는, 부품들 중 하나를 다른 하나에 꿰맨 다음, 그 바느질 실에 의지하여, 그러한 보강 섬유를 접합점 영역 내에 그리고 이 영역 내에 걸쳐서 도입하는 방법이 있다. 그러한 접근 방법의 하나가, 미국특허 제4,331,495호 및 그것의 방법 분할대상 미국특허 제4,256,790호에 나타나 있다. 이들 특허는, 접합점들이, 접착제로 접합된 섬유 가닥들로 만들어진 제1 및 제2 복합재료 패널 사이에 형성되었음을 개시하고 있다. 제1 패널은 일 단부에서 갈라져서 두 개의 갈라서는 공통-평면 패널 접촉 표면들을 형성하고, 이는 선행 기술 방식과 같은데, 이 표면들은 제2 패널에, 미경화 유연성 복합재료 실을 사용한 양 패널을 관통한 꿰매기에 의하여, 연결된다. 그리고 나서, 패널들과 실은 동시에 경화되거나 "공경화(co-cured)"된다. 접합점 강도를 향상시키는 또 다른 방법이 미국특허 제5,429,853호에 기재되어 있다.

선행기술이, 특히, 미국특허 제6,103,337호의 경우에서와 같이, 강화 복합재료의 구조적 온전성의 향상을 추구하였고 성공을 거두었지만, 접착제 또는 기계적 결합의 사용과는 다른 접근방식을 통하여 이를 향상시키고 이러한 문제를 해결하는 것이 요구되고 있다. 이와 관련하여, 하나의 접근방식은, 전문화된 기계를 사용하여 제직된 3차원(3D) 구조체를 형성하는 것일 수 있다. 그러나, 수반되는 비용이 상당하고, 단일 구조체의 형성을 목적으로 하는 제직 기계를 갖는 것이 바람직한 경우는 극히 드물다. 이러한 사실에도 불구하고, 가공되어 섬유 강화 복합재료 부품을 형성할 수 있는 3D 프리폼들이 요구되고 있는데, 이는, 이들이 종래의 2차원 적층 방식 복합재료에 비하여 증가된 강도를 제공하기 때문이다. 이러한 프리폼들은, 복합재료가 평면외 하중(out-of-plane loads)을 지탱해줄 것을 요구하는 적용분야에서 특히 유용하다. 그러나, 앞에서 논의된 선행 기술 프리폼들은, 높은 평면외 하중에 견디는, 자동화된 제직 공정으로 제직되는, 그리고, 일부 경우에, 프리폼에 변화하는 두께를 갖는 부분을 제공하는 그들의 능력에 제한이 있었다.

또 다른 접근방법은, 2차원(2D) 구조체를 제직한 다음 이것을 접어서 3D 형태를 형성하는 것일 수 있다. 2D 프리폼을 3D 형태로 접으려는 초기의 시도들은 통상적으로, 프리폼이 접힐 때 뒤틀리는 부분들을 발생시켰다. 이러한 뒤틀림이 발생하는 이유는, 제직된 바로 그 상태에서의 섬유의 길이가, 프리폼이 접힐 때 섬유가 취해야 하는 길이와 다르기 때문이다. 이로 인하여, 제직된 바로 그 상태에서의 섬유 길이가 너무 짧은 영역에서는 울퉁 불퉁한 기복이 발생하고, 섬유 길이가 너무 긴 영역에서는 비틀림이 발생한다. 프리폼이 접히는 영역에서 기복(ripples) 또는 루프(loops)를 발생시킬 수 있는 3D 프리폼 제직 구조의 일 예가 미국특허 제6,874,543호에 개시되어 있으며, 이 문헌의 내용 전체는 인용에 의하여 본 명세서에 포함된다.

접을 때 뒤틀리는 문제를 해결하기 위한 하나의 접근방법이 미국특허 제6,446,675호에 개시되어 있으며, 이 문헌의 내용 전체는 인용에 의하여 본 명세서에 포함된다. 이 문헌이 제공하는 2D 구조체는 T-형태 또는 Π-형태의 3D 구조체로 접힐 수 있는데, 이렇게 불리는 이유는, 프리폼의 접힌 부분이, 기초 또는 모 재료에 대략적으로 수직인 하나의 다리(leg)(또는, 플랜지(flange)) 또는 두 개의 다리(또는, 플랜지)(각각, T-형태 및 Π(pi)-형태에 해당)를 생성할 수 있기 때문이다. 이의 달성을 위하여, 제직하는 동안 섬유의 길이를 조절함으로써, 접히는 부위에서의 앞에서 언급한 기복 및 뒤틀림이 방지되도록 한다. 제직 공정에서, 접히는 영역에 있는 일부 섬유들은 매우 길게 제직되고, 접히는 영역에 있는 다른 섬유들은 매우 짧게 제직된다. 그 다음, 프리폼이 접힐 때, 이 짧고 긴 섬유들은 길이가 평준화되며, 그에 따라, 접힌 부위에서의 매끄러운 천이를 제공한다.

접힌 프리폼의 이점은, 강화되는 패널과 보강기능을 하는 패널 간의 접합부의 강도이다. 이들이 서로 제직되면, 패널들은 보강 재료를 공유하게 되고, 최종 복합재료에 있어서는, 매트릭스 재료를 공유하게 되므로, 일체화된 구조를 형성하게 된다. 일체적으로 제직된 보강 플랜지 또는 다리와 기초 또는 모 재료 사이의 접합점은 더 이상 약한 연결부가 아니다. 선행 기술의 보강 기법에서는, 이 부분의 접합 강도가 오로지 접착제의 강도에만 의존하였다. 그 대신에, 프리폼의 섬유들은 다리와 모 재료 서로를 일체적으로 제직한다.

그러나, 빈번하게도, 굴곡(curves) 또는 날카로운 코너(sharp corners)와 같은 복잡한 형태들이 보강을 요구한다. 접힌 T- 또는 Π-형태 보강은, 구부러진 또는 각이 있는 표면을 수용하기 위하여, 다리(legs)의 다팅(darting)을 요구한다. 접힌 프리폼의 플랜지 재료가 구부러진 또는 각이 있는 형태를 취하기 때문에, 구부러진 표면의 길이는, 굴곡부(curvature)의 내부로부터 그 외부로 가면서, 필수적으로 변화한다. 굴곡부의 외면의 원호 길이는, 구부러질 때 굴곡부의 외면이 더 큰 반경을 갖는 표면이 되므로, 증가하고, 반면에, 굴곡부의 내면에서는 원호 길이가 감소한다. 통상적인 접힌 프리폼의 다리는 길이를 변화시킬 수가 없는데, 구부러진 또는 각이 있는 표면을 수용하기 위해서는 그 길이가 변화되어야 한다. 따라서, 구부러진 또는 각이 있는 표면을 수용하기 위해서는, 다리는 다팅(darting)되어야 한다. 즉, 다리가 변화된 원호 길이와 부합하도록 하기 위하여, 다리를 절개하여야 한다.

통상적으로는, 이러한 절개는 굴곡의 국소적인 반지름을 따라 이루어지지만, 다른 비반지름 방향의 절개도 또한, 길이 변화를 수용하는데 사용될 수 있다. 구부러진 프리폼의 내면에서의 길이 감소를 허용하기 위하여, 다리를 절개하고, 절개된 모서리들이 중첩되도록 하거나 또는 잉여의 재료를 제거한다. 마찬가지로, 굴곡부의 외면에서의 길이 증가를 수용하기 위하여, 다리를 절개하고, 다리의 절개된 모서리들 사이에 삼각형 갭이 발생하도록 한다. 어느 쪽의 구성이든지 간에, 다팅(darting)은 각각의 다리에 있는 보강 재료의 연속성을 파괴한다. 3D T- 또는 Π-프리폼의 다리를 다팅하는 것은, 프리폼의 하중 지탱 능력을 심각하게 퇴화시킬 수 있다. 다팅은, 코너 주변에 주된 하중 경로를 제공하는 섬유의 절개를 수반하기 때문이다.

따라서, 전통적인 제직기를 사용하여 제직될 수 있으며 코너 피팅의 3 면 모두에 걸쳐서 보강 섬유를 제공하는 제직된 코너 프리폼 또는 피팅(woven corner preform or fitting)이 요구되고 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 다팅(darting)할 필요가 없으며, 모든 면들을 연결하는 연속적인 실(yarn)을 갖는 코터 피팅 및 코터 피팅 형성 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 플랫 제직 직물로 형성되며 모든 면들을 연결하는 연속적인 실을 갖는 코터 피팅 및 코터 피팅 형성 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 코너 피팅 프리폼은, 제직된 기부(woven base) 및 상기 기부와 일체적으로 제직된 하나 이상의 플랜지(flanges) 또는 다리(legs)를 포함한다. 이 프리폼은, 제직되지 않은 연속적인 경사(warp yarn)들을 갖는 다리 또는 플랜지 내에 특수하게 가공된 영역들을 포함한다. 다리 또는 플랜지의 비제직 영역들은 경첩(hinge)을 제공하며, 이 경첩은 프리폼의 플랜지가 코너 주위에서 접히는 것을 허용한다. 접기 후에, 잉여의 비제직 경사들은 다리 또는 플랜지의 제직된 부분을 통하여 끌어 당겨져서, 코너 주위에 연속적인 경사에 의한 보강을 구비하는 프리폼을 생성한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 코너 피팅 프리폼 형성 방법은, 기부 또는 모 재료를, 기부로부터 연장하는 하나 이상의 플랜지 또는 다리와, 일체적으로 제직하는 단계를 포함한다. 플랫 제직된 프리폼은, 제직되지 않은 연속적인 경사들을 갖는 다리 또는 플랜지 내에 특수하게 가공된 영역들을 포함한다. 비제직된 영역들은 경첩을 제공하며, 이 경첩은 프리폼의 플랜지들이 코너 주위에서 접히는 것을 허용한다. 접기 후에, 잉여의 비제직 경사들은 다리 또는 플랜지의 제직된 부분을 통하여 끌어 당겨져서, 코너 주위에 연속적인 경사에 의한 보강을 구비하는 프리폼을 생성한다.

일단 코너 피팅이 생성되고 나면, 코너 피팅은 임의의 공지된 방식으로 가공되어 복합체(composite)를 형성할 수 있다. 또는, 코너 피팅은 더 큰 프리폼 또는 구조체에 혼입될 수 있고, 이 더 큰 프리폼 또는 구조체는 다시 가공되어 복합체를 형성할 수 있다.

본 발명을 특징짓는 다양한 신규한 특징들은 첨부된 청구항들에 상세하게 지적되어 있으며, 이들 청구항은 본 개시의 일부를 형성한다. 본 발명, 본 발명의 작용상의 이점, 및 본 발명의 사용에 의하여 얻을 수 있는 구체적인 목적이 더 잘 이해될 수 있도록 하기 위하여, 첨부의 상세한 설명이 참조된다. 이때, 본 발명의 바람직한 구현예들이 첨부의 도면에 예시되어 있으며, 일치하는 구성요소들은 동일한 지시부호에 의하여 식별된다.

본 발명의 더욱 완벽한 이해를 위하여, 하기의 상세한 설명 및 첨부 도면이 참조된다.
도 1은, 본 발명의 일 측면에 따른 제직된 코너 피팅 프리폼의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 측면에 따른 경사 및 위사 경로를 보여주는 플랫 제직된 코너 피팅 프리폼의 도식적인 측면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 측면에 따른 코너 피팅 프리폼을 제조하는 방법에 포함된 단계를 도시한다.
도 4는, 본 발명의 일 측면에 따라 제조된 실제 코너 피팅 프리폼의 사진이다.
도 5는, 본 발명의 일 측면에 따른 코너 피팅 프리폼을 제조하는 방법에 포함된 단계를 도시한다.

이하에서는 도면을 참조한다. 도 1은, 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따라 형성된 Π-프리폼(100)의 단면도이다. 프리폼(100)은 플랫 제직된 프리폼이다. 플랫 제직된 프리폼은, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 임의의 제직 패턴을 사용하여 전통적인 제직기에서 제직될 수 있으며, 이때, 평직(plain weave)이 가장 바람직한 패턴이다. 프리폼(100)은, 경사들 또는 섬유들(15)의 두 개 이상의 층들 및 위사들 또는 섬유들(18)의 하나 이상의 층들을 사용하여 제직될 수 있다. 도 1에 나타난 구현예에 따른 프리폼은 플랫 제직되어 있기 때문에, 위사(18)은 프리폼의 폭을 따라 횡단한다.

도 1에 나타난 예시적 구현예로부터 알 수 있는 바와 같이, 경사들(15, 25)은, 예를 들어, 6 개의 층으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 하단의 5 개의 층들은 프리폼의 기부(10)를 형성하고, 상단의 층은 프리폼(100)의 하나 이상의 플랜지 또는 다리(20)를 형성하는데 사용될 수 있다. 플랫 제직 프리폼에 있어서, 위사(18)은 기부(10)에 있는 하단 층 경사들(15)의 일부 또는 전부를 통과하도록 제직된 다음, 상단 층 경사들(25)과 교착(interweaving) 방식으로 제직된다. 주목되는 바와 같이, 위사(18)은 프리폼(100)의 중앙에 있는 경사들 중 일부와는 제직되지 않는데, 그에 따라, 클레비스(clevis)(30)가 형성되며, 클레비스(30)에 의하여 다리들 또는 플랜지들(20)이 서로 분리된다. 플랜지들 또는 다리들(20)은, 예를 들어 도 1에 나타난 바와 같이, 클레비스(30)의 양쪽에 있는 최상단 층을 화살표 방향으로 들어올림으로써 형성될 수 있다. 프리폼 그 자체는, 미국특허 제6,874,543호 및 제7,712,488호에 개시된 임의의 방법에 따라 제직될 수 있으며, 이들 특허문헌의 내용 전체는 인용에 의하여 본 명세서에 포함된다.

본 발명은, 도 2에 나타난 예시적 구현예에 따르면, 프리폼(100)을 제직하는 것에 기초하는데, 이때, 프리폼(100)은 특수하게 가공된 영역들(28)을 가지며, 특수하게 가공된 영역들(28)은 연속적인 경사들(15')을 가지며, 연속적인 경사들(15')은 프리폼(100) 내로 제직되지 않는다. 달리 표현하면, 위사들(18)은, 영역(28)을 제외한, 다리들 또는 플랜지들(20)의 모든 영역에서 경사들(25)과 일체적으로 제직되며, 이때, 비제직 영역들(28)에 있는 경사들(15')은 경첩(hinge)을 제공하고, 이 경첩은 프리폼(100)의 플랜지들 또는 다리들(20)이 코너 주위에서 접히는 것을 가능하게 한다. 도 2에 나타난 바와 같이, 프리폼(100)의 가운데에 있는 "V" 부분은, 경사들(15')이 위사들(18)과 제직되지 않는 영역이며, 이 영역(28)은, 플랜지들(20)이 코너 주위에서 접히는 것을 가능하게 하는 경첩을 생성한다. "V" 부분의 형태는, 플랜지 또는 다리(20)가 회전되어야 하는 각도, 또는, 프리폼이 맞춰져 들어가야 하는 코너의 형태에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 프리폼(100)이, 반드시 직각의 코너에 맞춰질 필요는 없고 90 도보다 큰 각도를 갖는 코너에 맞춰져야 하는 구조체를 생성하는데 사용되는 경우에는, 그러한 프리폼의 "V" 부분은, 90 도 곡률을 갖는 경우에 비하여 더 좁아도 된다. 유사하게, 코너의 각도가 90 도보다 작은 경우에는, 코너 피팅 프리폼의 "V" 부분은, 직각 형태를 갖는 경우에 비하여 더 넓어도 된다. 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 생각할 수 있는 바와 같이, 프리폼의 플랜지들 또는 다리들을 따라 비제직 영역들을 생성하는 동일한 기법을 사용하되, 굴곡부의 형태에 따라 주변 영역(fringe area)을 변화시킴으로써, 매끄러운 굴곡이 생성될 수 있다. 다수의 "V" 부분들을 사용하여 형성된 프리폼(200)의 예를, 예를 들어, 도 5에 나타내었다.

코너 피팅 프리폼(100)을 형성하기 위한 다음 단계는, 프리폼을, 예를 들면 도 3에 나타난 바와 같이, 화살표 방향으로 접는 것이다. 접기 후에, 잉여의 비제직 경사들(15')은, 다리들 또는 플랜지들(20)의 제직된 부분을 통과하도록, 화살표 방향으로, 끌어 당겨져서, 코너 주위에 연속적인 경사(25)에 의한 보강이 구비되는 프리폼(100)을 생성하게 되는데, 예를 들면, 이는 도 3에 나타난 바와 같다. 도 3은, 앞의 예시적 구현예에서 설명된 바와 같은 코너 특징을 포함하는 제직된 바로 그 상태의 Π 프리폼을 도식적으로 보여준다. 그러나, 주목되어야 하는 바와 같이, 도 1 내지 3 및 5에 나타난 구조체들은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 실제의 프리폼은 하나의, 두 개의, 세 개의 또는 더 많은 개수의 다리들 또는 플랜지들(20)을 포함할 수 있고, 그에 따라, 그 단면 모양은 반드시 Π일 필요가 없으며, 본 발명의 방법은, 예를 들면 "T" 또는 "L" 형태와 같은 다른 형태를 생성하는데 사용될 수 있다.

실시예

본 발명의 접근방법을 실증하기 위하여 프로토타입 프리폼(100)을 제직하였으며, 이를, 예를 들어, 도 4에 나타내었다. 프리폼(100)은 탄소 섬유를 사용하여 제직하였다. 그러나, 본 발명은 그 목적에 적합한 임의의 재료로 만들어진 섬유에 적용가능하다. 따라서, 본 발명은 여기에 언급된 재료에만 제한되지 않는다. 구체적인 예를 들면, 보강 성분은, 바람직한 물리적, 열적, 화학적 및/또는 기타 특성을 보이는 나일론, 레이온, 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르 및/또는 기타 재료와 같은 재료로 만들어질 수 있다. 본 발명은 또한 실제로 임의의 다른 섬유에도 적용가능한데, 그러한 섬유의 비제한적인 예로서는, 신장 파단될 수 있는 것들(예를 들면, 신장 파단된 탄소 섬유, 유리, 세라믹, 등), 신장 파단될 수 없거나 신장 파단될 필요가 없는 것들(예를 들면, "Pepin Associates Inc."에 의하여 생산된 Discotex®), 등이 있다. Discotex®은 직물 구조체의 형태로 제직되면, 이 직물 구조체가 그것의 보강 방향으로 늘어나는 것을 허용하며, 그에 따라, 간단한 프리폼 출발 형태로부터 복잡한 형태를 형성하는 것이 가능하다.

프리폼(100)을, 평직 패턴을 사용하여 전통적인 북(shuttle) 제직기에서 제직하였다. 이 패턴을 선택한 이유는, 그것이 능직(twills) 또는 주자직(satins)과 같은 다른 보통 패턴들보다 더 많은 주름(crimp)을 포함하고 있어서, 단일 층 직물 형태의 섬유 전달 공정에 대하여 최고의 난이도를 제공하기 때문이다. 그러나, 앞에서 언급한 바와 같이, 임의의 제직 패턴이 프리폼 제조에 사용될 수 있다.

본 명세서에 있어서, 본 발명이 주로 코너 피팅 프리폼의 형성과 관련하여 설명되었다. 적용에 있어서, 그러한 코너 피팅은, 장치의 두 개 이상의 구획들의 접합점을 보강하는 것이 바람직한 상황에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 우주항공산업에서는, 표피층 재료와, 길이방향 및 횡방향 보강재(stiffeners) 둘 다가 표피층을 지지하는 경우에 해당하는 보강재 사이의 접합점을 보강할 필요가 종종 있다.

최종 프리폼은 매트릭스 재료로 함침될 수 있다. 매트릭스 재료는, 예를 들면, 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 세라믹, 탄소, 등일 수 있다. 매트릭스 재료의 함침은, 수지 이송 성형(resin transfer molding) 또는 화학 기상 침착법(chemical vapor infiltration)과 같은 수지 함침 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 최종 프리폼이 매트릭스 재료로 함침됨으로써, 3차원 복합재료 구조체가 형성된다.

비록 본 명세서에서 본 발명의 바람직한 구현예들과 그 변형예들이 자세히 기술되었지만, 이해되는 바와 같이, 본 발명이 이들 구현예 및 변형예로만 제한되는 것은 아니며, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않은 채, 다른 변형 및 변화가 실행될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상 및 범위는 첨부된 청구항들에 의하여 정해진다.

Claims

위사들 또는 위사 섬유들(weft yarns or fibers)의 하나 이상의 층과 교착된 경사들 또는 경사 섬유들(warp yarns or fibers)의 두 개 이상의 층;
교착된 경사 및 위사을 포함하는 기부 층(base layer); 및
상기 기부 층으로부터 연장하는 하나 이상의 플랜지들(flanges) 또는 다리들(legs);을 포함하는 코너 피팅 프리폼(corner fitting preform)으로서,
상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이 상기 기부 층과 일체적으로 제직(integrally woven)되어 있고,
상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이 코너(corner) 주위에서 접혀있으며,
상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이 상기 코너 주위에서 연속적인 경사에 의한 보강을 갖는,
코너 피팅 프리폼.
제 1 항에 있어서, 상기 프리폼이 플랫 제직(flat woven)된 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼.
제 1 항에 있어서, 상기 기부 층으로부터 연장하는 두 개 이상의 플랜지들 또는 다리들을 분리하는 클레비스(clevis)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼.
제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이, 90 도와 같은, 90 도보다 작은, 또는 90 도보다 큰 각도로 접힌 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼.
제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이 접혀서 매끄러운 굴곡(smooth curvature)을 형성하는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼.
제 1 항에 있어서, 상기 프리폼이 "Π(파이)", "T" 또는 "L" 형태인 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼.
제 1 항에 있어서, 상기 경사들 또는 경사 섬유들 및 위사들 또는 위사 섬유들이 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르, 나일론 및 레이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼.
제 7 항에 있어서, 상기 경사 및/또는 위사 섬유들이 신장 파단된 탄소 섬유, 유리, 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼.
제 1 항에 따른 프리폼을 포함하는 3차원 섬유 강화 복합재료 구조체.
제 9 항에 있어서, 매트릭스 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유 강화 복합재료 구조체.
제 10 항에 있어서, 상기 매트릭스 재료가 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 세라믹 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유 강화 복합재료 구조체.
경사들 또는 경사 섬유들의 두 개 이상의 층들을 위사들 또는 위사 섬유들의 하나 이상의 층들과 제직하여, 기부 층 및 상기 기부 층으로부터 연장하는 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들을 형성하는 단계로서, 상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이 상기 기부 층과 일체적으로 제직되는 단계; 및
상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들에, 연속적인 경사들이 상기 위사들과 제직되지 않은 적어도 하나의 부분을 제공하는 단계;를 포함하는
코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부분이, 상기 프리폼의 상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이 코너 주위에서 접히는 것을 허용하는 경첩(hinge)인 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들을 코너 주위에서 접는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 비제직된 경사들을 상기 다리들 또는 플랜지들의 제직된 부분을 통하여 끌어 당겨서, 상기 코너 주위에서 연속적인 경사에 의한 보강을 구비하는 프리폼을 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 프리폼이 전통적인 제직기에서 제직되는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 기부 층으로부터 연장하는 두 개 이상의 플랜지들 또는 다리들을 분리하는 클레비스(clevis)를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들을, 90 도와 같은, 90 도보다 작은, 또는 90 도보다 큰 각도로 접는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 플랜지들 또는 다리들이 접혀서 매끄러운 굴곡을 형성하는 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 프리폼이 "Π", "T" 또는 "L" 형태인 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 경사들 또는 경사 섬유들 및 위사들 또는 위사 섬유들이 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르, 나일론 및 레이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 경사 및/또는 위사 섬유들이 신장 파단된 탄소 섬유, 유리, 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 코너 피팅 프리폼 형성 방법.
제 12 항에 따른 방법을 포함하는 3차원 섬유 강화 복합재료 구조체 형성 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 프리폼을 매트릭스 재료로 적어도 부분적으로 함침하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유 강화 복합재료 구조체 형성 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 매트릭스 재료가 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 세라믹 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 섬유 강화 복합재료 구조체 형성 방법.