KR20150111265A - 복합재 적층판을 위한 3차원 필라멘트 네트워크 - Google Patents

복합재 적층판을 위한 3차원 필라멘트 네트워크 Download PDF

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Abstract

복합재 구조물을 형성하기 위한 방법 및 장치. 장치는 섬유층을 구비하여 구성된다. 섬유층은 복수의 섬유 다발과 다수의 필러부를 구비하여 구성된다. 복수의 섬유 다발은 복수의 섬유 다발 사이에 다수의 공간을 갖는다. 다수의 필러부는 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 실질적으로 충만시키는 불연속 필라멘트로 이루어진다.

Description

복합재 적층판을 위한 3차원 필라멘트 네트워크{THREE-DIMENSIONAL FILAMENT NETWORK FOR A COMPOSITE LAMINATE}
본 발명은 일반적으로 복합재 구조물(composite structures)에 관한 것으로, 특히 복합재 적층판(composite laminates)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 필라멘트 네트워크를 이용해서 복합재 적층판의 두께 방향 강도(through-thickness strength)를 개선하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
복합재 적층판은, 또한 플라이(plies) 또는 라미나(lamina)로서 언급되는, 하나 이상의 복합재 층에 의해 형성된다. 각 복합재 층은 보강재 재료(reinforcement material) 및 매트릭스 재료(matrix material)를 포함한다. 보강재 재료는, 예컨대, 단방향의 복합재 층을 만들도록 단일 방향으로 향할 수 있거나 양 방향의 복합재 층을 만들도록 2가지 방향으로 향할 수 있는, 섬유(fibers)의 형태를 취할 수 있다. 매트릭스 재료는, 예컨대 수지(resin)의 형태를 취할 수 있다.
섬유 다발(Fiber bundles)은, 프리폼(preform)으로 언급될 수 있는, 보강재 레이업(reinforcement layup)을 형성하도록 레이 업될 수 있다. 프리폼은 취급을 위해 부분적으로 경화된 섬유 다발이 수지로 미리 함침(pre-impregnated)될 때 웨트 프리폼(wet preform)으로서 언급되고 또는 수지가 존재하지 않을 때 드라이 프리폼(dry preform)으로서 언급될 수 있다. 수지는 일체화된 프리폼(integrated preform)을 형성하기 위해 프리폼의 섬유 다발 사이의 공간 내에 채워진다. 일체화된 프리폼은 부분적으로 경화된 복합재 적층판을 형성하기 위해 부분적으로 경화되거나 완전하게 경화된 복합재 적층판을 형성하기 위해 완전하게 경화될 수 있다. CFRP(carbon fiber-reinforced polymer) 적층판은 복합재 적층판의 하나의 형태의 예이다.
몇몇 경우에 있어서, 원하지 않았던 불일치가 복합재 적층판 내에서 발달될 수 있다. 원하지 않았던 불일치는 불일치에 대해 선택된 허용오차 밖이거나 몇몇 선택된 임계값을 넘는 불일치이다. 원하지 않았던 불일치는, 예컨대, 크랙(crack), 열적으로 유도된 크랙(thermally-induced crack), 노치(notch), 층간박리(delamination), 또는 선택된 허용초차 밖인 몇몇 다른 형태의 불일치의 형태를 취할 수 있다.
여전히 선택된 허용오차 내에서 수행 중인 동안, 원하지 않았던 불일치에 직면하여 에너지를 흡수하는 복합재 적층판의 능력은 통상적으로 복합재 적층판의 노치 인성(notch toughness)으로서 언급된다. 복합재 적층판의 노치 인성을 개선하는 한편, 여전히 수지가 섬유 사이 및 주위에 효과적으로 채워질 수 있도록 하는 것은 원하는 것 보다 더욱 어려울 수 있다. 복합재 적층판의 노치 인성을 개선하기 위한 몇몇 현재 이용가능한 방법은 다른 영역에서 복합재 적층판의 성능을 감소시킬 수 있다.
예컨대, 하나의 현재 이용가능한 해법은 복합재 적층판의 복합재 층의 각 쌍 사이에서 불연속 섬유(discontinuous fibers)의 시트(sheet)를 레이 업하는 것(laying up)을 포함한다. 그러나, 이러한 형태의 해법은 복합재 적층판의 노치 인성을 개선하지만, 원하지 않았던 불일치의 형성에 대해 복합재 적층판의 내성(resistance)을 감소시킨다.
다른 현재 이용가능한 해법은 Z-피닝(Z-pinning), 스티칭(stitching) 및 터프닝(tufting)을 포함한다. Z-피닝은 Z 방향으로 보강재 레이업 또는 미경화된 프리폼을 통해 핀을 나아가게 하는 것(forcing)을 포함한다. 스티칭 및 터프닝은 보강재 레이업 또는 미경화된 프리폼을 통해 섬유를 뚫고 나가는 것(threading)을 포함한다. 그러나, 이들 형태의 해법은 여전히 원하지 않았던 불일치의 형성에 대해 복합재 적층판의 내성을 감소시키고, 섬유에 대한 원하지 않았던 영향을 야기시키며, 이용될 수 있는 핀 또는 실(threads)의 크기 및 위치결정을 제한할 수 있다. 따라서, 상기 논의된 문제의 적어도 몇몇 뿐만 아니라 다른 가능한 문제들을 고려하는 방법 및 장치를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 복합재 적층판을 위한 3차원 필라멘트 네트워크를 제공함에 그 목적이 있다.
하나의 실례로 되는 실시예에 있어서, 장치는 섬유층(fiber layer)을 구비하여 구성된다. 섬유층은 복수의 섬유 다발(plurality of fiber bundles)과 다수의 필러부(number of filler portions)를 구비하여 구성된다. 복수의 섬유 다발은 복수의 섬유 다발 사이에 다수의 공간을 갖는다. 다수의 필러부는 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 실질적으로 충만시키는 불연속 필라멘트로 이루어진다.
다른 실례로 되는 실시예에 있어서, 복합재 구조물은 다수의 섬유층, 다수의 섬유층과 관련된 필라멘트 네트워크, 및 수지를 구비하여 구성된다. 다수의 섬유층의 각 섬유층은 복수의 섬유 다발 사이에 다수의 공간을 갖춘 복수의 섬유 다발을 포함한다. 필라멘트 네트워크는 원하지 않았던 불일치에 대해 복합재 구조물의 노치 인성 및 복합재 구조물의 내성을 개선하도록 구성된다. 필라멘트 네트워크는 다수의 섬유층의 각각의 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 충만시키는 다수의 필러부를 구비하여 구성된다. 다수의 필러부의 필러부는 복수의 불연속 필라멘트와 바인딩 재료를 구비하여 구성된다. 바인딩 재료는 복수의 불연속 필라멘트를 함께 유지하도록 구성된다. 바인딩 재료는 복수의 섬유 다발 중 적어도 하나에 대해 복수의 불연속 필라멘트를 결합하도록 더 구성된다. 수지는 다수의 섬유층과 다수의 섬유층과 관련된 필라멘트 네트워크를 함께 결합한다.
또 다른 실례로 되는 실시예에 있어서, 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 불연속 필라멘트로 이루어진 다수의 필라멘트 층은 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 실질적으로 충만시키는 다수의 필러부를 갖춘 섬유층을 형성하기 위해 복수의 섬유 다발에 관하여 위치된다. 보강재 레이업은 섬유층을 이용해서 복합재 구조물을 위해 형성된다.
특징 및 기능은 본 발명의 다양한 실시예에서 독립적으로 달성될 수 있거나 더욱 상세한 내용이 이어지는 설명 및 도면을 참조하여 알려지는 또 다른 실시예에 결합될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 이하의 조항에 따른 실시예를 구비하여 구성된다:
조항 1. 복합재 구조물이: 다수의 섬유층과, 여기서 다수의 섬유층의 각 섬유층은 복수의 섬유 다발 사이에 다수의 공간을 갖춘 복수의 섬유 다발을 포함하고; 다수의 섬유층과 관련되고 다수의 원하지 않았던 불일치에 대해 복합재 구조물의 노칭 인성과 복합재 구조물의 내성을 개선하도록 구성된 필라멘트 네트워크; 및 다수의 섬유층과 다수의 섬유층과 관련된 필라멘트 네트워크를 함께 결합하는 수지;를 구비하여 구성된다.
조항 2. 조항 1의 복합재 구조물로서, 여기서 필라멘트 네트워크가: 각 다수의 섬유층의 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 충만시키는 다수의 필러부를 구비하여 구성되고, 여기서 다수의 필러부의 필러부가: 복수의 불연속 필라멘트와; 함께 복수의 불연속 필라멘트를 유지하고 복수의 섬유 다발 중 적어도 하나에 대해 복수의 불연속 필라멘트를 결합하도록 구성된 바인딩 재료;를 구비하여 구성된다.
조항 3. 조항 2의 복합재 구조물로서, 여기서 복합재 구조물은 완전하게 경화된 복합재 구조물, 부분적으로 경화된 복합재 구조물, 및 미경화된 복합재 구조물 중 하나이다.
도 1은 실례로 되는 실시예에 따른 블록도 형태의 제조 환경의 실례이다.
도 2는 실례로 되는 실시예에 따른 보강재 레이업(reinforcement layup)의 부분의 실례이다.
도 3은 실례로 되는 실시예에 따른 제거된 보강재 레이업의 일부분을 구비하는 보강재 레이업의 일부 절단도의 실례이다.
도 4는 실례로 되는 실시예에 따른 보강재 레이업의 측면도의 실례이다.
도 5는 실례로 되는 실시예에 따른 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층(filament layer)의 실례이다.
도 6은 실례로 되는 실시예에 따른 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례이다.
도 7은 실례로 되는 실시예에 따른 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례이다.
도 8은 실례로 되는 실시예에 따른 섬유 다발에 관하여 위치된 2개의 필라멘트 층의 실례이다.
도 9는 실례로 되는 실시예에 따른 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례이다.
도 10은 실례로 되는 실시예에 따른 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례이다.
도 11은 실례로 되는 실시예에 따른 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례이다.
도 12는 실례로 되는 실시예에 따른 필라멘트 층을 위한 잠재적 구성의 실례이다.
도 13은 실례로 되는 실시예에 따른 플로우차트 형태의 복합재 구조물을 형성하기 위한 프로세스의 실례이다.
도 14는 실례로 되는 실시예에 따른 플로우차트 형태의 보강재 레이업을 형성하기 위한 프로세스의 실례이다.
도 15는 실례로 되는 실시예에 따른 블록도의 형태의 항공기 제작 및 서비스 방법의 실례이다.
도 16은 실례로 되는 실시예가 구현될 수 있는 블록도의 형태의 항공기의 실례이다.
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 각 실시예를 상세히 설명한다.
실례로 되는 실시예는 여러 고려를 인식 및 참작한다. 예컨대, 실례로 되는 실시예는 복합재 적층판의 노치 인성을 개선하는 한편, 또한 적어도 원하지 않았던 불일치의 형성 및 성장에 대해 내성의 원하는 레벨을 유지하기 위한 방법 및 장치를 갖는 것이 바람직할 수 있음을 인식 및 참작한다. 특히, 실례로 되는 실시예는 복합재 적층판의 노치 인성을 개선하는 한편, 여전히 수지가 복합재 적층판을 위한 보강재 레이업 내에 효과적으로 채워질 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있음을 인식 및 참작한다.
따라서, 실례로 되는 실시예는 수지가 용이하게 원하는 레벨로 레이업 내에 채워질 수 있도록 하고 보강재 레이업을 이용해서 형성된 복합재 적층판의 노치 인성을 개선하는 복합재 적층판을 위한 보강재 레이업을 형성하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 하나의 실례로 되는 예에 있어서, 다수의 섬유 층이 보강재 레이업(reinforcement layup)을 형성하기 위해 레이 업된다. 다수의 섬유 층의 각 섬유 층은 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 충만시키는 불연속 필라멘트(discontinuous filaments)로 이루어진 필라멘트 필터(filament filters)와 복수의 섬유 다발 사이에 다수의 공간을 갖춘 복수의 섬유 다발을 포함할 수 있다. 수지는 미경화된 프리폼(uncured preform)을 형성하기 위해 보강재 레이업에 채워질 수 있다. 미경화된 프리폼은 이어 복합재 적층판을 형성하기 위해 경화될 수 있다.
도면, 특히 도 1을 참조하면, 제조 환경의 실례가 실례로 되는 실시예에 따른 블록도의 형태로 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 제조 환경(100)은 복합재 구조물(composite structure; 102)이 제조될 수 있는 환경의 예이다. 복합재 구조물(102)은 본 실례로 되는 예에서 복합재 적층판(composite laminate; 104)의 형태를 취한다.
도시된 바와 같이, 복합재 구조물(102)은 수지(108)를 보강재 레이업(reinforcement layup; 106)과 일체화하는 것에 의해 형성된다. 보강재 레이업(106)은 또한 프리폼(preform)으로서 언급될 수 있다. 여기서 이용되는 바와 같이, 수지(108)를 보강재 레이업(106)과 "일체화하는 것(integrating)"은 수지(108)가 보강재 레이업(106) 내에 위치되도록 하는 것을 의미한다. 이러한 일체화는, 예컨대, 제한 없이, 보강재 레이업(106)을 수지(108)로 채우는 것(infusing)과, 보강재 레이업(106)에 수지(108)를 주입하는 것(injecting), 수지(108)로 보강재 레이업(106)을 포화시키는 것(saturating), 수지(108)를 보강재 레이업(106)과 혼합하는 것(mixing), 보강재 레이업(106)으로 수지(108)를 함침시키는 것(impregnating), 또는 그 몇몇 조합에 의해 수행될 수 있다.
본 실례로 되는 예에 있어서, 보강재 레이업(106)은 수지(108)로 채워진다. 수지(108)는 적어도 하나의 폴리머(polymer)로 이루어진다. 예컨대, 수지(108)는 열경화성 폴리머(thermosetting polymer), 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer), 또는 몇몇 다른 형태의 폴리머 중 적어도 하나로 이루어진 고분자 수지(polymeric resin)일 수 있다.
여기서 이용되는 바와 같이, 문구 "중 적어도 하나"는, 아이템의 리스트와 함께 이용될 때, 리스트된 아이템 중 하나 이상의 여러 조합이 이용될 수 있고 리스트의 아이템 중 오직 하나만이 필요로 될 수 있음을 의미한다. 아이템은 특히, 물체(object), 물건(thing), 행위(action), 공정(process), 또는 카테고리(category)일 수 있다. 즉, "중 적어도 하나"는 아이템의 소정의 조합 또는 다수의 아이템이 리스트로부터 이용될 수 있지만, 리스트의 아이템의 모두가 필요로 되지는 않음을 의미한다.
예컨대, "아이템 A, 아이템 B 및 아이템 C 중 적어도 하나"는 아이템 A; 아이템 A 및 아이템 B; 아이템 B; 아이템 A, 아이템 B 및 아이템 C; 또는 아이템 B 및 아이템 C를 의미할 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, "아이템 A, 아이템 B 및 아이템 C 중 적어도 하나"는, 예컨대, 제한 없이, 아이템 A 중 2개, 아이템 B 중 하나, 및 아이템 C 중 10개; 아이템 B 중 4개 및 아이템 C 중 7개; 또는 몇몇 다른 적절한 조합을 의미할 수 있다.
보강재 레이업(106) 내에 수지(108)를 채우는 것은, 구현에 따라, 미경화된, 부분적으로 경화된, 또는 완전하게 경화되어 남겨질 수 있는 복합재 구조물(102)을 형성한다. 이러한 복합재 구조물(102)은 일체화된 프리폼으로서 언급될 수 있다. 미경화되어 남겨질 때, 복합재 구조물(102)은 일체화된 프리폼(integrated preform) 또는 미경화된 복합재 구조물(uncured composite structure)로서 언급될 수 있다. 일체화된 프리폼은 부분적으로 경화된 복합재 구조물의 형태를 취하기 위해 부분적으로 경화될 수 있다. 이러한 부분적으로 경화시키는 것은 복합재 구조물의 더 쉬운 운송 및 취급을 허용하기 위해 수행될 수 있다. 일체화된 프리폼은 완전하게 경화된 복합재 구조물의 형태를 취하기 위해 완전하게 경화될 수 있다.
본 실례로 되는 예에 있어서, 보강재 레이업(106)은 다수의 섬유층(112)을 함께 형성하는 섬유 다발(107)과 필라멘트 네트워크(110)를 포함한다. 여기서 이용되는 바와 같이, "다수의" 아이템은 하나 이상의 아이템을 포함할 수 있다. 본 방식에 있어서, 다수의 섬유층(112)은 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
필라멘트 네트워크(110)는 불연속 필라멘트(discontinuous filaments; 111)와 바인딩 재료(binding material; 113)로 이루어진다. 불연속 필라멘트(111)는 복합재 구조물(102)의 전체 길이 또는 폭을 연장하지 않는 섬유일 수 있다. 불연속 필라멘트(111)는 여러 크기, 여러 직경, 여러 단면 형상, 여러 형태, 또는 그 몇몇 조합 중 적어도 하나의 필라멘트를 포함할 수 있다. 불연속 필라멘트(111)는 카본 섬유(carbon fibers), 실리카 섬유(silica fibers), 유리 섬유(glass fibers), 폴리아미드 섬유(polyamide fibers), 폴리에테르 케톤 섬유(polyether ketone fibers), 폴리에스터 섬유(polyester fibers), 폴리에테르 술폰 섬유(polyether sulfone fibers), 폴리이미드 섬유(polyimide fibers), 폴리우레탄 섬유(polyurethane fibers), 또는 다른 형태의 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
더욱이, 본 실례로 되는 예에 있어서, 불연속 필라멘트(111)는 서로에 관하여 랜덤 방향(random orientation)을 갖을 수 있다. 그러나, 다른 실례로 되는 예에 있어서, 불연속 필라멘트(111)는 서로에 관하여 랜덤하게 방향지워지지 않을 수 있다.
바인딩 재료(113)는 필라멘트 네트워크(110)를 섬유 다발(107)에 결합하고 서로에 대해 섬유 다발(107)을 결합하기 위해 구성된다. 바인딩 재료(113)는 바인딩 재료(113)에 인가되는 열, 압력, 또는 화학적 반응 중 적어도 하나에 응답하여 함께 불연속 필라멘트(111)를 유지하기 위해 구성된다. 바인딩 재료(113)는 취급하는 동안 함께 불연속 필라멘트(111)를 유지한다.
바인딩 재료(113)는 다수의 여러 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 바인딩 재료(113)는 열경화성 재료, 열가소성 재료, 또는 몇몇 다른 형태의 바인딩 재료 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 더욱이, 바인딩 재료(113)는, 구현에 따라, 비드(beads), 실(threads), 테이프의 조각(pieces of tape), 또는 몇몇 다른 형태 중 적어도 하나로부터 선택된 형태로 구현될 수 있다.
섬유층(114)은 다수의 섬유층(112) 중 하나의 예이다. 섬유층(114)은 복수의 섬유 다발(116) 사이에 다수의 공간(118)을 갖춘 복수의 섬유 다발(116)을 포함한다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 복수의 섬유 다발(116)에서 섬유 다발은 서로에 대해 실질적으로 평행하게 뻗는 섬유의 꼬이지 않은 그룹핑(untwisted grouping)이다. 복수의 섬유 다발(116)에서 섬유 다발을 형성하는 섬유는 연속 섬유(continuous fibers)일 수 있다. 여기서 이용되는 바와 같이, "연속 섬유"는 실질적으로 복합재 구조물(102)의 전체 길이 또는 폭을 가로질러 연장되는 긴 섬유일 수 있다.
복수의 섬유 다발(116)에서 섬유 다발은, 구현에 따라, 토우(tow), 리본(ribbon), 또는 테이프의 조각(piece of tape) 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 섬유 다발은 몇몇 경우에 있어서 단방향 토우(unidirectional tow)로서 구현될 수 있다. 구현에 따라, 복수의 섬유 다발(116)은 몇몇 또는 여러 형태의 섬유 다발을 포함할 수 있다. 다른 실례로 되는 예에 있어서, 섬유 다발은 섬유의 꼬인 그룹핑(twisted grouping), 섬유의 브레이디드 그룹핑(braided grouping), 또는 몇몇 다른 형태의 섬유의 그룹핑일 수 있다.
본 실례로 되는 예에 있어서, 섬유 다발의 다공성(porosity)이 선택된 임계값 이하이도록 복수의 섬유 다발(116)에서 섬유 다발의 연속적 섬유의 밀도(density)는 충분하게 높다. 이러한 선택된 임계값은 수지(108)와 관련되는 섬유 다발의 투과성(permeability)이 선택된 임계값 이하이도록 선택될 수 있다.
여기서 이용되는 바와 같이, 아이템의 "다공성"은 어떻게 많은 개방 공간(open space)이 아이템 내에 존재하는가의 측정이다. 개방 공간은, 예컨대, 제한 없이, 개구(openings), 보이드(voids), 갭(gaps), 또는 몇몇 다른 형태의 개방 공간의 형태로 될 수 있다. 더욱이, 여기서 이용되는 바와 같이, 아이템의 "투과성"은 유체(fluid), 이들 실례로 되는 예에서는 수지(108)가 아이템을 통해 이동할 수 있는 용이성의 측정일 수 있다. 전형적으로, 증가된 다공성은 증가된 투과성을 초래한다.
본 실례로 되는 예에 있어서, 복수의 섬유 다발(116)의 각각의 다공성 및 투과성은 낮을 수 있다. 특히, 수지(108)가 보강재 레이업(106) 내에 채워질 때 수지(108)는 매우 천천히 복수의 섬유 다발(116)의 섬유 다발을 통해 투과, 또는 흐르도록 복수의 섬유 다발(116)의 섬유 다발의 투과성이 충분하게 낮을 수 있다.
다른 실례로 되는 예에 있어서, 복수의 섬유 다발(116) 중 하나 이상은 수지(108)와 동일한 형태이거나 다른 형태인 수지로 미리-함침(pre-impregnated)될 수 있다. 복수의 섬유 다발(116)이 수지로 미리-함침될 때, 보강재 레이업(106)은 웨트 프리폼(wet preform)으로 언급될 수 있다. 복수의 섬유 다발(116)이 수지로 미리-함침되지 않을 때, 보강재 레이업(106)은 드라이 프리폼(dry preform)으로서 언급될 수 있다.
복수의 섬유 다발(116)이 서로에 대해 실질적으로 평행하게 뻗고 복수의 섬유 다발(116) 사이에서 다수의 공간(118)을 갖도록 복수의 섬유 다발(116)이 배열될 수 있다. 하나의 실례로 되는 예에 있어서, 복수의 섬유 다발(116)에서 섬유는, 예컨대, 제한 없이, 카본 섬유, 유리 섬유, 보론 섬유(boron fibers), 다른 형태의 섬유, 또는 그 몇몇 조합을 포함한다.
섬유층(114)은 또한 복수의 섬유 다발(116) 사이의 다수의 공간(118)을 실질적으로 충만시키는 필라멘트 네트워크(110)의 다수의 필러부(number of filler portions; 120)를 포함한다. 여기서 이용되는 바와 같이, 다수의 필러부(120)의 필러부는 필라멘트 네트워크(110)의 일부분이다.
복수의 필라멘트 층(121)은 필라멘트 네트워크(110)를 형성하기 위해 다수의 섬유층(112)에서 각 섬유층의 복수의 섬유 다발에 관하여 위치된다. 특히, 복수의 필라멘트 층(121)은 다수의 섬유층(112)에서 각 섬유층의 복수의 섬유 다발 및 다수의 섬유층(112)의 각각에서 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 채우는 다수의 필러부에 관하여 위치된다.
예컨대, 복수의 필라멘트 층(121)에서 다수의 필라멘트 층(122)은 다수의 섬유층(112) 중 적어도 하나를 형성하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 다수의 필라멘트 층(122)은 섬유층(114)을 형성하기 위해 복수의 섬유 다발(116)에 관하여 위치될 수 있다. 다수의 필러부(120)의 각각은 다수의 필라멘트 층(122)에서 하나 이상의 필라멘트 층의 하나 이상의 부분에 의해 형성된다. 하나의 실례로 되는 예에 있어서, 하나의 필라멘트 층의 하나의 부분은 다수의 필러부(120)의 하나의 부분을 형성하는데 이용된다. 다른 실례로 되는 예에 있어서, 2개의 다른 필라멘트 층의 부분은 다수의 필러부(120)의 하나의 부분을 형성하는데 이용될 수 있다.
필라멘트 층(124)은 다수의 필라멘트 층(122) 증 하나의 예이다. 필라멘트 층(124)은 베일(veil), 부직 매트(nonwoven mat), 웹(web), 시트(sheet), 테이프(tape), 불연속 필라멘트의 몇몇 다른 형태의 컬렉션(collection) 중 적어도 하나로서 구현될 수 있다.
필라멘트 층(124)과 같은, 복수의 필라멘트 층(121)에서 필라멘트 층의 불연속 필라멘트의 밀도는 복수의 섬유 다발(116)에서 섬유 다발의 연속 섬유의 밀도 보다 더 낮다. 특히, 각 복수의 필라멘트 층(121)의 다공성이 선택된 임계값 이상이도록 복수의 필라멘트 층(121)에서 불연속 필라멘트의 밀도는 충분하게 낮다.
이러한 선택된 임계값은 수지(108)에 관한 복수의 필라멘트 층(121)의 각각의 투과성이 선택된 임계값 이상이도록 선택될 수 있다. 특히, 본 실례로 되는 실시예에서, 복수의 필라멘트 층(121)의 각각은 수지(108)가 보강재 레이업(106) 내에 채워질 때 필라멘트 층을 투과하거나, 그를 통해 흐르도록 수지(108)를 허용하기에 충분하게 높은 투과성을 갖을 수 있다.
복수의 필라멘트 층(121)의 다공성은, 수지(108)와 같은, 유체가 흐를 수 있는 개방 공간을 제공할 수 있다. 유체의 다른 형태는 또한 복수의 필라멘트 층(121) 내의 개방 공간을 통해 흐르도록 허용될 수 있다. 예컨대, 공기 및 가스는 복수의 필라멘트 층(121)을 통해 투과하도록 허용될 수 있다. 더욱이, 몇몇 경우에 있어서, 이들 개방 공간은 공기, 원하지 않았던 가스, 또는 보강재 레이업(106)으로부터의 과도한 습기 중 적어도 하나를 제거하는데 이용될 수 있다.
하나의 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 층(124)은 섬유 다발의 외부 표면의 전체를 커버하도록 필라멘트 층(124)은 복수의 섬유 다발(116)의 섬유 다발 주위를 감싼다. 이러한 공정은 복수의 섬유 다발(116)의 각 섬유 다발에 대해 반복될 수 있다. 즉, 다수의 필라멘트 층(122)의 필라멘트 층은 각 복수의 섬유 다발(116) 주위를 감쌀 수 있다. 섬유층(114)이 형성되도록 복수의 섬유 다발(116)이 이어 서로에 관하여 배열된다.
하나의 실례로 되는 예에 있어서, 복수의 섬유 다발(116)의 섬유 다발이 서로 실질적으로 평행하게 뻗도록 복수의 섬유 다발(116)이 배열된다. 본 예에 있어서, 각 다수의 필러부(120)는 다수의 필라멘트 층(122)의 제1 필라멘트 층의 제1 부분과 다수의 필라멘트 층(122)의 제2 필라멘트 층의 제2 부분에 의해 형성된다. 물론, 다른 실례로 되는 예에 있어서, 다수의 필라멘트 층(122)은 다른 방법으로 섬유층(114)을 형성하는데 이용될 수 있다.
본 실례로 되는 예에 있어서, 각 다수의 섬유층(112)이 필라멘트 네트워크(110)의 다수의 필러부에 의해 충만되는 다수의 섬유 다발 사이에 다수의 공간을 갖춘 복수의 섬유 다발을 포함하도록 각 다수의 섬유층(112)은 섬유층(114)과 유사한 방식으로 형성된다.
다수의 섬유층(112)은 이어 보강재 레이업(106)을 형성하기 위해 레이 업된다. 즉, 다수의 섬유층(112)의 섬유 층은, 예컨대, 제한 없이, 보강재 레이업(106)을 형성하기 위해 다른 것의 상부 상의 것 또는 나란한 것 중 적어도 하나에 적층된다. 보강재 레이업(106)을 형성하는 것에 있어서, 필라멘트 네트워크(110)가 형성된다. 특히, 필라멘트 네트워크(110)가, 각 다수의 섬유층(112)의 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간의 다수의 필러부에 부가하여, 다수의 중간층 필러부(number of interlayer filler portions; 126) 및 다수의 외부 필러부(number of outer filler portions; 130)를 포함하도록 복수의 필라멘트 층(121)이 각 다수의 섬유층(112)의 복수의 섬유 다발에 관하여 위치될 수 있다.
다수의 중간층 필러부(126)는 다수의 섬유층(112) 사이의 다수의 중간층 공간(number of interlayer spaces; 128)을 실질적으로 충만시킨다. 다수의 외부 필러부(130)는 다수의 섬유층(112) 주위에서 다수의 외부 공간(number of outer spaces; 132)을 실질적으로 충만시킨다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 네트워크(110)는 다수의 섬유층(112)과, 다수의 중간층 필러부(126), 및 다수의 외부 필러부(130)의 각각에서 다수의 필러부를 포함한다. 필라멘트 네트워크(110)는 3차원 필라멘트 네트워크(134)의 형태를 취할 수 있다.
보강재 레이업(106)이 형성되면, 바인딩 재료(113)가 섬유 다발(107)에 필라멘트 네트워크(110)를, 서로에 대해 섬유 다발(107)을, 그리고 서로에 대해 다수의 섬유층(112)을 결합하도록 보강재 레이업(106)이 경화된다. 필라멘트 네트워크(110)의 3차원 속성은 3차원에서 보강재 레이업(106)을 강화시킨다.
수지(108)가 복합재 구조물(102)을 형성하기 위해 필라멘트 네트워크(110)의 개방 공간을 충만시키도록 수지(108)가 보강재 레이업(106) 내에 채워질 수 있다. 이들 개방 공간은 복수의 필라멘트 층(121) 내의 개방 공간이다. 부가적으로, 구현에 따라, 수지(108)는 또한 보강재 레이업(106)의 각 섬유 다발 내의 소정의 공간을 충만시킬 수 있다.
필라멘트 네트워크(110)는 하나 이상의 형태의 원하지 않았던 불일치에 대한 복합재 구조물(102)의 노치 인성(notch toughness; 138), 복합재 구조물(102)의 내성(resistance; 140), 또는 양쪽을 개선할 수 있다. 노치 인성(138)은 하나 이상의 형태의 원하지 않았던 불일치의 존재에서 에너지를 흡수하기 위한 복합재 구조물(102)의 성능이다. 예컨대, 필라멘트 네트워크(110)는 층간박리(delamination), 크랙킹(cracking), 마이크로-크랙킹(micro-cracking), 및 다른 형태의 원하지 않았던 불일치에 관하여 복합재 구조물(102)의 노치 인성(138)을 개선할 수 있다.
하나의 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 네트워크(110)의 불연속 필라멘트(discontinuous filaments; 111)는 복합재 구조물(102)을 단단하게 하는 한편, 또한 원하지 않았던 불일치에 대해 적어도 내성(140)의 원하는 레벨을 유지한다. 내성(140)은 하나 이상의 형태의 원하지 않았던 불일치의 형성, 성장, 또는 양쪽을 방지하는 복합재 구조물(102)의 성능이다. 필라멘트 네트워크(110)는 원하지 않았던 불일치의 성장을 감소시키거나 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 원하지 않았던 불일치의 성장을 감소시키거나 방지하는 것은 원하는 것 보다 복합재 구조물(102)의 더 큰 영역에 영향을 미치는 것을 감소시키거나 방지할 수 있다.
하나의 실례로 되는 예에 있어서, 복합재 구조물(102)이 실질적으로 평평한 때, 원하지 않았던 불일치에 의해 영향받은, 복합재 구조물(102)의 x-y 평면에 관한, 복합재 구조물(102)의 영역은 원하는 것 보다 더 크기에서 증가하지 않도록 내성(140)이 증가될 수 있다.
도 1의 제조 환경(100)의 실례는 실례로 되는 실시예가 구현될 수 있는 방식에 대해 물리적 또는 구조적 제한을 암시하도록 의미하지는 않는다. 도시된 것에 부가하거나 대신하는 다른 구성요소가 이용될 수 있다. 몇몇 구성요소는 선택적이다. 또한, 블록은 몇몇 기능적 구성요소를 설명하기 위해 제공된다. 하나 이상의 이들 블록은 실례로 되는 실시예에서 구현될 때 다른 블록에 대해 결합, 분리, 또는 결합 및 분리될 수 있다.
예컨대, 몇몇 경우에 있어서, 필라멘트 네트워크(110)는 단지 다수의 중간층 필러부(126) 및 각 다수의 섬유층(112)의 다수의 필러부만을 포함할 수 있다. 몇몇 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 네트워크(110)는 노치 인성(138) 및 내성(140)에 부가하여 복합재 구조물(102)의 다른 기계적 특성을 개선하도록 구성될 수 있다.
지금 도 2를 참조하면, 보강재 레이업의 일부분의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 보강재 레이업(200)은 도 1의 보강재 레이업(106)을 위한 하나의 구현의 예이다.
도시된 바와 같이, 보강재 레이업(200)은 다수의 섬유층(number of fiber layers; 202) 및 필라멘트 네트워크(filament network; 203)를 포함한다. 다수의 섬유층(202) 및 필라멘트 네트워크(203)는 각각 도 1에서 다수의 섬유층(112) 및 필라멘트 네트워크(110)를 위한 구현의 예이다.
다수의 섬유층(202)은 섬유층(fiber layers; 204, 206, 208, 210, 212)을 포함한다. 섬유층(204)은 서로 실질적으로 평형하게 뻗는 복수의 섬유 다발(214)을 포함한다. 섬유층(206)은 서로 실질적으로 평형하게 뻗는 복수의 섬유 다발(216)을 포함한다. 마찬가지로, 섬유층(208)은 서로 실질적으로 평형하게 뻗는 복수의 섬유 다발(218)을 포함한다. 섬유층(210)은 서로 실질적으로 평형하게 뻗는 복수의 섬유 다발(220)을 포함한다. 섬유층(212)은 서로 실질적으로 평형하게 뻗는 복수의 섬유 다발(222)을 포함한다.
복수의 섬유 다발(214)은 x-축(224)에 대해 실질적으로 평행하게 뻗는다. 복수의 섬유 다발(216) 및 복수의 섬유 다발(218)은 x-축(224)에 관하여 45도 각도로 뻗는다. 복수의 섬유 다발(220) 및 복수의 섬유 다발(222)은 y-축(226)에 대해 실질적으로 평행하게 뻗는다. 따라서, 복수의 섬유 다발(220) 및 복수의 섬유 다발(222)은 복수의 섬유 다발(214)에 대해 실질적으로 수직으로 뻗는다.
본 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 네트워크(203)는 필러부(230), 다수의 중간층 필러부(232), 및 다수의 외부 필러부(234)를 포함한다. 필러부(230), 다수의 중간층 필러부(232), 및 다수의 외부 필러부(234)는 각각 도 1의 다수의 섬유층(112), 다수의 중간층 필러부(126), 및 다수의 외부 필러부(130)의 각각에서의 다수의 필러부를 위한 하나의 구현의 예이다.
필러부(230)는 본 실례로 되는 예에서 z-축(228)에 대해 실질적으로 평행하게 뻗는다. 필러부(236)는 필러부(230) 중 하나의 예이다. 필러부(236)는, 복수의 섬유 다발(216)에서 2개의 섬유 다발의 예일 수 있는, 섬유 다발(238)과 섬유 다발(240) 사이의 공간을 충만시킨다.
다수의 중간층 필러부(232)는 중간층 필러부(242, 244, 246, 248)를 포함한다. 이들 중간층 필러부는 다수의 섬유층(202) 사이의 중간층 공간을 충만시킨다. 다수의 외부 필러부(234)는 외부 필러부(250) 및 외부 필러부(252)를 포함한다. 이들 외부 필러부는 다수의 섬유층(202) 주위의 외부 공간을 충만시킨다. 섬유층(210), 외부 필러부(250), 및 중간층 필러부(242)의 부분(254)이 절단되는 보강재 레이업(200)의 절단도가 이하 도 3에 도시된다.
수지는 복합재 구조물을 형성하기 위해 보강재 레이업(200) 내에 채워진다. 필라멘트 네트워크(203)는 수지가 보강재 레이업(200) 내에 채워질 수 있도록 하는 복수의 경로를 제공한다. 필라멘트 네트워크(203)는 도 1로부터의 수지(108)가 보강재 레이업(200) 내에 채워질 때 형성된 복합재 구조물의 노치 인성을 증가시킨다. 더욱이, 필라멘트 네트워크(203)는 또한 원하지 않았던 불일치의 형성, 성장, 또는 양쪽에 대해 복합재 구조물의 내성을 증가시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 2로부터 보강재 레이업(200)의 부분(254)이 제거된 보강재 레이업(200)의 절단도의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 도 2로부터의 보강재 레이업(200)의 단면도가 도 2에서 선 3-3을 따라 취해져 도시된다.
복수의 섬유 다발(216)의 방향은 본 실례로 되는 예에서 더욱 명확히 보여질 수 있다. 더욱이, 도시된 바와 같이, 필라멘트 네트워크(203)는 3차원 필라멘트 네트워크이다.
도 4를 참조하면, 도 2로부터의 보강재 레이업(200)의 측면도의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 도 2로부터의 보강재 레이업(200)의 측면도가 도 2에서 선 4-4의 방향으로 도시된다.
도 5 내지 도 11을 참조하면, 필라멘트 층이 섬유 다발에 관하여 위치될 수 있는 여러 방법의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 필라멘트 층이 도 5 내지 도 11에서의 섬유 다발에 관하여 위치되는 방식은, 도 1에서 다수의 섬유층(112)과 같은, 하나 이상의 섬유층을 형성하기 위해 배열될 수 있는 다중 섬유 다발(multiple fiber bundles)에서 이용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 섬유 다발(500)은 도 1에서 복수의 섬유 다발(116)의 섬유 다발에 대한 하나의 구현의 예이다.
필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500)에 관하여 위치된다. 필라멘트 층(502)은 도 1에서 복수의 필라멘트 층(121)의 필라멘트 층에 대한 하나의 구현의 예이다. 도시된 바와 같이, 필라멘트 층(502)은 불연속 필라멘트(discontinuous filaments; 504), 바인딩 재료(binding material; 506), 및 개구(openings; 508)로 이루어진다.
필라멘트 층(502)이 실질적으로 섬유 다발(500)의 외부 표면(510)을 커버하도록 필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500) 주위를 감싼다. 특히, 필라멘트 층(502)는 측면(512, 514, 516, 518)에서 섬유 다발(500)의 외부 표면(510)의 전체를 커버한다.
도 6을 참조하면, 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 섬유 다발(500)의 외부 표면(510)의 노출된 부분(600)이 측면(516)에 형성되도록 필라멘트 층(502)이 섬유 다발(500)에 관하여 위치된다. 특히, 필라멘트 층(502)은 측면(516)에서 노출된 외부 표면(510)의 부분을 남기는 방식으로 외부 표면(510) 주위를 감싼다. 이 부분은 노출된 부분(600)일 수 있다.
노출된 부분(600)은 섬유 다발(500) 및 필라멘트 층(502)을 이용해서 형성된 보강재 레이업의 투과성을 증가시키고, 섬유 다발(500) 아래 또는 위에서 다중 필라멘트 층을 씌우는 것으로부터 야기되는 보강재 레이업 두께의 두께에서의 변화를 방지하며, 오직 중첩되거나 조여진 형식만을 이용하는 것 보다 광범위한 제조 윈도우(wider manufacturing window)를 용이하게 하는데 도움을 줄 수 있다.
도 7을 참조하면, 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 조임부(pinched portion; 700)가 형성되도록 필라멘트 층(502)이 섬유 다발(500)에 관하여 위치된다.
특히, 필라멘트 층(502)의 제1 종단 및 제2 종단이 섬유 다발(500)의 측면(518)에 위치되도록 필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500)의 외부 표면(510) 주위를 깜싼다. 필라멘트 층(502)의 제1 종단 및 제2 종단은 조임부(700)를 형성하기 위해 섬유 다발(500)의 측면(518)에서 함께 조여진다.
도 8을 참조하면, 섬유 다발에 관하여 위치된 2개의 필라멘트 층의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 층(502) 및 필라멘트 층(800)은 각각 섬유 다발(500)의 측면(510) 및 측면(516)에 관하여 위치된다. 이러한 방식에 있어서, 필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500)의 제1 측면에 관하여 위치된 제1 필라멘트 층일 수 있고 필라멘트 층(800)은 섬유 다발(500)의 제2 측면에 관하여 위치된 제2 필라멘트 층일 수 있다.
필라멘트 층(800)은 불연속 필라멘트(802), 바인딩 재료(804), 및 개구(806)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 필라멘트 층(502)의 제1 종단 및 필라멘트 층(800)의 제1 종단은 제1 조임부(808)를 형성하기 위해 함께 조여진다. 더욱이, 필라멘트 층(502)의 제2 종단 및 필라멘트 층(800)의 제2 종단은 제2 조임부(810)를 형성하기 위해 함께 조여진다. 특히, 필라멘트 층(502) 및 필라멘트 층(800)의 종단은 제1 조임부(808)를 형성하기 위해 측면(514)에서 그리고 제2 조임부(810)를 형성하기 위해 측면(518)에서 함께 조여진다.
도 9를 참조하면, 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500)에 관하여 위치되어 중첩부(overlap portion; 900)가 형성된다. 특히, 필라멘트 층(502)의 제1 종단 및 제2 종단은 중첩부(900)를 형성하기 위해 섬유 다발(500)의 측면(516)에서 중첩되도록 필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500)에 관하여 외부 표면(510) 주위를 감싼다.
도 10을 참조하면, 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500)에 관하여 위치된다. 도시된 바와 같이, 필라멘트 층(502)이 S-형상을 갖도록 필라멘트 층(502)이 섬유 다발(500)에 관하여 위치된다.
이러한 S-형상에 따라, 필라멘트 층(502)의 부분(1000) 및 부분(1002)은 섬유 다발(500)을 커버한다. 부분(1000)은 섬유 다발(500)의 측면(512)의 부분만을 커버한다. 다른 필라멘트 층의 부분은 측면(512)의 나머지를 커버하는데 이용될 수 있다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 부분(1000)은 필라멘트 네트워크에서 중간층 필러부를 형성하는데 이용될 수 있다.
부분(1002)은 섬유 다발(500)의 전체 측면(514)을 커버한다. 부분(1002)은 필라멘트 네트워크에서 필러부를 형성하는데 이용될 수 있다.
필라멘트 층(502)의 부분(1004)은 다른 섬유 다발의 부분을 커버하는데 이용될 수 있다. 부분(1004)은 필라멘트 네트워크에서 다른 중간층 필러부를 형성하는데 이용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 부분(1002)은 부분(1000)에 부분(1004)을 연결한다.
도 11을 참조하면, 섬유 다발에 관하여 위치된 필라멘트 층의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 필라멘트 층(502)은 섬유 다발(500)에 관하여 위치된다. 도시된 바와 같이, 필라멘트 층(502)이 모자-형상을 갖도록 필라멘트 층(502)이 위치된다.
필라멘트 층(502)의 부분(1100)은 섬유 다발(500)의 측면(512, 514, 518)의 전체 외부 표면(510)을 커버한다. 섬유 다발(500)의 측면(516)은 노출되어 남겨진다. 필라멘트 층(502)의 부분(1102)은 다른 섬유 다발의 측면을 커버하는데 이용될 수 있다. 필라멘트 층(502)의 부분(1104)은 또 다른 섬유 다발의 측면을 커버하는데 이용될 수 있다.
도 12를 참조하면, 필라멘트 층을 위한 잠재적 구성의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 도시된다. 본 실례로 되는 예에 있어서, 복수의 구성(1200)은 필라멘트 층을 위한 몇몇 구성의 실례를 포함한다. 도시된 바와 같이, 복수의 구성(1200)은 구성(1202), 구성(1204), 구성(1206) 및 구성(1208)을 포함한다. 이들 구성의 각각에 이용된 바인딩 재료는 다를 수 있다.
구성(1202)에 따르면, 필라멘트 층(1203)은 불연속 필라멘트(1210), 바인딩 재료(1212), 및 개구(1214)를 포함한다. 바인딩 재료(1212)는 열가소성 실(thermoplastic threads)의 형태를 취한다. 구성(1204)에 따르면, 필라멘트 층(1205)은 불연속 필라멘트(1216), 바인딩 재료(1218), 및 개구(1220)를 포함한다. 바인딩 재료(1218)는 그리드(grid)를 형성하기 위해 배열된 열경화성 테이프의 형태를 취한다.
구성(1206)에 따르면, 필라멘트 층(1207)은 불연속 필라멘트(1222), 바인딩 재료(1224), 및 개구(1226)를 포함한다. 바인딩 재료(1224)는 불연속 필라멘트(1222)에 부착된 바인딩 입자(binding particles)의 형태를 취한다. 구성(1208)에 따르면, 필라멘트 층(1209)은 불연속 필라멘트(1228), 바인딩 재료(1230), 및 개구(1232)를 포함한다. 바인딩 재료(1230)는 본 실례로 되는 예에서 불연속 필라멘트(1228) 상에서 열경화성 코팅(thermoset coating)의 형태를 취한다.
도 2 및 도 3에서 보강재 레이업(200), 도 5 내지 도 11에서 필라멘트 층(502) 및 섬유 다발(500), 및 도 12에서 필라멘트 층을 위한 복수의 구성(1200)은 실례로 되는 실시예가 구현될 수 있는 방식에 대해 물리적 또는 구조적 제한을 암시하도록 의미하지는 않는다. 도시된 것에 부가하거나 대신하는 다른 구성요소가 이용될 수 있다. 몇몇 구성요소는 선택적일 수 있다.
도 2 내지 도 12에 도시된 여러 구성요소는 도 1에서 블록 형태로 도시된 구성요소가 어떻게 물리적 구조로서 구현될 수 있는가에 대한 실례로 되는 예일 수 있다. 부가적으로, 도 2 내지 도 12의 구성요소의 몇몇은 도 1의 구성요소와 결합될 수 있고, 도 1의 구성요소와 함께 이용될 수 있으며, 또는 2가지의 조합일 수 있다.
도 13을 참조하면, 복합재 구조물을 형성하기 위한 프로세스의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 플로우차트의 형태로 도시된다. 도 13에 예시된 프로세스는 도 1에서 복합재 구조물(102)을 형성하기 위해 구현될 수 있다.
프로세스는 복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 실질적으로 충만시키는 불연속 필라멘트로 이루어진 다수의 필러부를 갖춘 섬유층을 형성하기 위해 복수의 섬유 다발에 관하여 다수의 필라멘트 층을 위치결정하는 것에 의해 시작할 수 있다(동작 1300). 다음에, 섬유층이 복합재 구조물을 위한 보강재 레이업을 형성하기 위해 이용된다(동작 1302).
수지는 필라멘트 네트워크가 복합재 구조물의 노칭 인성을 개선하는 복합재 구조물을 형성하기 위해 보강재 레이업과 일체화되고(동작 1304), 그 후 프로세스가 종료된다. 복합재 구조물은, 구현에 따라, 미경화되고, 부분적으로 경화, 또는 완전하게 경화되어 남겨질 수 있다.
도 14를 참조하면, 보강재 레이업을 형성하기 위한 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 플로우차트의 형태로 도시된다. 도 14에 예시된 프로세스는 도 1에서 복합재 구조물(102)을 형성하기 위해 구현될 수 있다.
프로세스는 선택된 층에 걸쳐 보강재 레이업을 위한 섬유층을 위한 초기 필라멘트 층을 위치결정하는 것에 의해 시작할 수 있다(동작 1400). 먼저 해당 동작(1400)이 수행되고, 선택된 층은, 몰드(mold)와 같은, 도구 장치(tooling apparatus)의 표면이다. 이어 해당 동작(1400)이 수행되고, 선택된 층은 이전에 형성된 섬유층일 수 있다.
섬유 다발은 이어 초기 필라멘트 층에 걸쳐 위치된다(동작 1402). 다음 필라멘트 층의 일부분이 적어도 섬유 다발의 일부분 및 선택된 층의 일부분을 커버하도록 다른 필라멘트 층이 이어 섬유 다발 및 선택된 층에 걸쳐 위치된다(동작 1404). 동작 1404에 있어서, 필라멘트 층이 S-형상을 갖도록 필라멘트 층이 위치된다.
그 후, 다른 섬유 다발이 섬유층을 위해 필요로 되는가의 여부에 대한 결정이 이루어진다(동작 1406). 부가적인 섬유 다발이 필요로 되면, 다른 섬유 다발이 이전에 위치된 필라멘트 층에 걸쳐 위치된다(동작 1408). 이어 프로세스는 상기한 바와 같이 동작 1404로 되돌아간다.
동작 1406과 관련하여, 부가적 섬유 다발이 초기 섬유층을 위해 필요로 되지 않으면, 어떠한 더 많은 섬유층이 보강재 레이업을 형성하기 위해 필요로 되는가의 여부에 대한 결정이 이루어진다(동작 1410). 보강재 레이업을 형성하기 위해 필요로 되는 부가적 섬유 다발이 없다면, 프로세스를 종료한다. 보강재 레이업은 도 14에 개시된 프로세스를 수행하는 것에 의해 형성된다. 수지는 일체화된 프리폼(preform)을 형성하기 위해 보강재 레이업 내에 채워질 수 있다. 일체화된 프리폼은 이어, 복합재 적층판(composite laminate)과 같은, 복합재 구조물을 형성하기 위해 경화될 수 있다.
다시 동작 1410을 참조하면, 소정의 부가적 섬유 다발이 보강재 레이업을 형성하기 위해 필요로 되면, 프로세스는 상기한 바와 같이 동작 1400으로 되돌아간다. 도 14에 개시된 프로세스는 보강재 레이업을 형성하는데 이용된 각 필라멘트 층의 불연속 필라멘트가 보강재 레이업의 각 섬유층 내의 섬유 다발 사이의 공간을 실질적으로 충만시킴을 확실히 한다.
여러 도시된 실시예의 플로우차트 및 블록도는 실례로 되는 실시예에서 장치 및 방법의 몇몇 가능한 구현의 구조, 기능, 및 동작을 예시한다. 이와 관련하여, 플로우차트 또는 블록도의 각 블록은 모듈, 세그먼트, 기능, 동작 또는 단계의 일부분, 몇몇 그 조합을 표현할 수 있다.
실례로 되는 실시예의 몇몇 대안적인 구현에 있어서, 블록에서 주지된 기능 또는 기능들은 도면에서 주지된 순서를 벗어나 야기될 수 있다. 예컨대, 몇몇 경우에 있어서, 포함된 기능성에 따라, 연속적으로 도시된 2개의 블록은 실질적으로 동시에 실행될 수 있고, 또는 블록들은 때때로 반대 순서로 수행될 수 있다. 또한, 다른 블록이 플로우차트 또는 블록도에서 예시된 블록에 부가하여 부가될 수 있다.
본 발명의 실례로 되는 실시예가 도 15에 도시된 바와 같은 항공기 제작 및 서비스 방법(1500)과 도 16에 도시된 바와 같은 항공기(1600)의 문맥으로 개시될 수 있다. 도 15를 참조하면, 항공기 제작 및 서비스 방법의 실례가 실례로 되는 실시예에 따라 블록도의 형태로 도시된다. 생산 개시 이전 동안, 항공기 제조 및 서비스 방법(1500)은 도 16의 항공기(1600)의 사양 및 설계(1502)와 자재 조달(1504)을 포함할 수 있다.
생산 동안, 도 16의 항공기(1600)의 구성요소 및 서브어셈블리 제조(1506)와 시스템 통합(1508)이 발생된다. 그 후, 도 16의 항공기(1600)는 서비스 중(1512)에 배치되도록 하기 위해 인증 및 인도(1510)를 통해 나갈 수 있다. 소비자에 의한 서비스 중(1512)인 동안, 도 16의 항공기(1600)는, 변형, 재구성, 개장(refurbishment), 및 다른 유지보수 또는 점검을 포함할 수 있는, 정기적인 유지보수 및 점검(1514)를 위해 예정된다.
항공기 제조 및 서비스 방법(1500)의 프로세스의 각각은 시스템 통합자, 제3 자, 또는 오퍼레이터 중 적어도 하나에 의해 수행 또는 실행될 수 있다. 이들 예에 있어서, 오퍼레이터는 소비자일 수 있다. 본 설명의 목적을 위해, 시스템 통합자는, 제한 없이, 소정 수의 항공기 제조업체 및 메이저-시스템 하청업체를 포함할 수 있고; 제3 자는, 제한 없이, 소정 수의 판매자, 하청업체, 및 공급자를 포함할 수 있고; 오퍼레이터는 항공사, 리스 회사, 군사 업체, 서비스 단체 등을 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 항공기의 실례가 실례로 되는 실시예가 구현될 수 있는 블록도의 형태로 도시된다. 본 예에 있어서, 항공기(1600)는 도 15의 항공기 제조 및 서비스 방법(1500)에 의해 생산되고, 복수의 시스템(1604) 및 내부(interior; 1606)를 갖는 기체(airframe; 1602)를 포함할 수 있다. 시스템(1604)의 예는 추진 시스템(1608), 전기 시스템(1610), 유압 시스템(1612) 및 환경 시스템(1614) 중 하나 이상을 포함한다. 소정 수의 다른 시스템이 포함될 수 있다. 항공 우주의 예가 도시됨에도 불구하고, 여러 실례로 되는 실시예가, 자동차 산업과 같은, 다른 산업에 적용될 수 있다.
여기서 구체화된 장치 및 방법은 도 15의 항공기 제조 및 서비스 방법(1500)의 단계 중 적어도 하나 동안 채택될 수 있다. 특히, 도 1로부터의 복합재 구조물(102)은 항공기 제조 및 서비스 방법(1500)의 단계 중 어느 하나 동안 제조될 수 있다. 예컨대, 제한 없이, 도 1로부터의 복합재 구조물(102)은 구성요소 및 서브어셈블리 제조(1506), 시스템 통합(1508), 정기적인 유지보수 및 점검(1514), 또는 항공기 제조 및 서비스 방법(1500)의 몇몇 다른 단계 중 적어도 하나 동안 제조될 수 있다. 더욱이, 도 1로부터의 복합재 구조물(102)은 항공기(1600)의 하나 이상의 구조물에 이용될 수 있다. 예컨대, 복합재 구조물(102)은 기체(1602), 내부(1606), 또는 항공기(1600)의 몇몇 다른 부분에서 구조물을 형성하는데 이용될 수 있다.
하나의 실례로 되는 예에 있어서, 도 15의 구성요소 및 서브어셈블리 제조(1506)에서 생산된 구성요소 또는 서브어셈블리는 항공기(1600)가 도 15에서 서비스 중(1512)인 동안 생산된 구성요소 또는 서브어셈블리와 유사한 방식으로 제작 또는 제조될 수 있다. 또 다른 예로서, 하나 이상의 장치 실시예, 방법 실시예, 또는 그 조합이, 도 15에서 구성요소 및 서브어셈블리 제조(1506) 및 시스템 통합(1508)과 같은, 생산 단계 동안 이용될 수 있다. 하나 이상의 장치 실시예, 방법 실시예, 또는 그 조합이 항공기(1600)가 서비스 중(1512), 도 15에서 유지보수 및 점검(1514) 동안, 또는 양쪽에 있는 동안 이용될 수 있다. 다수의 여러 실례로 되는 실시예의 이용은 실질적으로 항공기(1600)의 조립을 촉진시키고, 비용을 감소시킬 수 있다.
여러 실례로 되는 실시예의 설명이 예시 및 설명의 목적을 위해 제공되고, 개시된 형태의 실시예로 총망라하거나 한정하도록 의도하는 것은 아니다. 많은 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 것이다. 더욱이, 여러 실례로 되는 실시예가 다른 바람직한 실시예에 비해 여러 기능을 제공할 수 있다. 선택된 실시예 또는 실시예들은 실시예의 원리, 실제적 적용을 가장 잘 설명하고, 고려된 특정 이용에 적합한 다양한 변경을 갖는 다양한 실시예에 대한 개시를 다른 당업자가 이해할 수 있도록 하기 위해 개시된다.

Claims (15)

  1. 섬유층을 구비하여 구성되는 장치로서, 섬유층이:
    복수의 섬유 다발 사이에 다수의 공간을 갖춘 복수의 섬유 다발과;
    복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 실질적으로 충만시키는 불연속 필라멘트로 이루어진 다수의 필러부;를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    섬유층이 보강재 레이업을 형성하기 위해 레이 업되는 다수의 섬유층 중 하나이고;
    다수의 섬유층 내에 채워진 수지를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    불연속 필라멘트로 이루어지고 다수의 섬유층 사이에 위치된 다수의 중간층 필러부를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    불연속 필라멘트로 이루어지고 다수의 섬유층 주위에 위치된 다수의 외부 필러부를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    다수의 필러부가 보강재 레이업에 필라멘트 네트워크의 일부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    필라멘트 네트워크는 수지 또는 공기 중 적어도 하나가 흐를 수 있도록 하는 개방 공간을 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    필라멘트 네트워크는 공기, 원하지 않았던 가스, 또는 과도한 습기 중 적어도 하나가 제거될 수 있도록 하는 개방 공간을 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    다수의 필러부를 형성하기 위해 복수의 섬유 다발에 관하여 위치된 다수의 필라멘트 층을 더 구비하여 구성되고, 다수의 필라멘트 층의 필라멘트 층은 부직 매트. 베일, 웹, 시트, 및 테이프 중 적어도 하나로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    다수의 필러부가:
    바인딩 재료에 인가되는 열, 압력, 또는 화학적 반응 중 적어도 하나에 응답하여 함께 불연속 필라멘트와, 복수의 섬유 다발에 대해 다수의 필러부, 및 함께 복수의 섬유 다발을 유지하기 위해 구성된 바인딩 재료를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법으로,
    복수의 섬유 다발 사이의 다수의 공간을 실질적으로 충만시키는 다수의 필러부를 갖춘 섬유층을 형성하기 위해 복수의 섬유 다발에 관하여 불연속 필라멘트로 이루어진 다수의 필라멘트 층을 위치결정하는 단계와;
    섬유층을 이용해서 복합재 구조물을 위한 보강재 레이업을 형성하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    복수의 섬유 다발과 다수의 필라멘트 층을 이용해서 섬유층을 형성하는 단계가:
    필라멘트 층이 S-형상을 형성하도록 섬유 다발에 관하여 필라멘트 층을 위치결정하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    복수의 섬유 다발과 다수의 필라멘트 층을 이용해서 섬유층을 형성하는 단계가:
    필라멘트 층 중 적어도 하나가 섬유 다발의 외부 표면의 전체를 커버하거나 섬유 다발의 외부 표면의 노출된 부분을 남기도록 복수의 섬유 다발의 섬유 다발의 외부 표면 주위에 다수의 필라멘트 층의 필라멘트 층을 감싸는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    복수의 섬유 다발과 다수의 필라멘트 층을 이용해서 섬유층을 형성하는 단계가:
    복수의 섬유 다발의 섬유 다발의 외부 표면 주위에 다수의 필라멘트 층의 필라멘트 층을 감싸는 단계와;
    조여진 부분을 형성하기 위해 섬유 다발의 측면에서 함께 필라멘트 층의 제1 종단 및 제2 종단을 조이는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    복수의 섬유 다발과 다수의 필라멘트 층을 이용해서 섬유층을 형성하는 단계가:
    중첩부를 형성하기 위해 필라멘트 층의 제1 종단 및 제2 종단이 섬유 다발의 측면에서 중첩되도록 복수의 섬유 다발의 섬유 다발의 외부 표면 주위에 다수의 필라멘트 층의 필라멘트 층을 감싸는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    복수의 섬유 다발과 다수의 필라멘트 층을 이용해서 섬유층을 형성하는 단계가:
    복수의 섬유 다발의 섬유 다발의 제1 측면에 관하여 다수의 필라멘트 층의 제1 필라멘트 층을 위치결정하는 단계와;
    섬유 다발의 제2 측면에 관하여 다수의 필라멘트 층의 제2 필라멘트 층을 위치결정하는 단계; 및
    제1 조임부를 형성하기 위해 제1 필라멘트 층의 제1 종단과 제2 필라멘트 층의 제1 종단을 함께 조이고, 제2 조임부를 형성하기 위해 제1 필라멘트 층의 제2 종단과 제2 필라멘트 층의 제2 종단을 함께 조이는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법.
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