KR20230121606A - 연속적인 섬유 적층 제조된 라미네이트의 보강 방법 - Google Patents

연속적인 섬유 적층 제조된 라미네이트의 보강 방법 Download PDF

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KR20230121606A
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에릭 지. 반스
탈보츠 피. 트레셔
티모시 이. 도미닉
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노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션
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Abstract

3D 인쇄 기계(10)를 사용하여 복합재 파트(90)를 제조하는 방법. 상기 방법은 복수의 파트 층(82)을 서로의 상부에 연속적인 방식으로 디포지팅하여 파트(90)를 형성하는 단계로서, 각각의 층은 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열을 놓음으로써 디포지트되는, 형성하는 단계를 포함한다. 그런 다음 Z-방향으로 파트의 보강을 제공하기 위해 파트 층을 통해 보강 Z-핀(74)을 삽입한다. 복수의 추가 파트 층은 보강 Z-핀을 포함하는 파트 층에서 서로의 상부에 연속적인 방식으로 디포지트되며, 각각의 추가 파트 층은 또한 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열을 놓음으로써 디포지트된다. Z-방향으로 파트의 보강을 제공하기 위해 추가 파트 층을 통해 보강 Z-핀이 또한 삽입된다.

Description

연속적인 섬유 적층 제조된 라미네이트의 보강 방법
본 개시사항은 일반적으로 열가소성 복합 구조물을 적층 제조하는 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 구조물의 층을 통해 보강 Z-핀을 제공하는 것을 포함하는 열가소성 복합 구조물(thermoplastic composite structure)을 적층 제조하는 방법에 관한 것이다.
항공기, 위성, 우주선 및 기타 구조물의 많은 구조적 파트(part) 및 구성 요소는 이들의 의도된 용도를 충족하기 위해 경량이고 강할 것이 요구된다. 이러한 요건을 충족시키기 위해, 섬유 유리층, 섬유 보강 플라스틱층, 섬유 탄소층 등과 같은 복수의 라미네이트층을 포함하는 복합 구조물이 종종 사용된다. 예를 들어, 일부 항공기 외피 구조물(skin structure)은 각각 약 0.005-0.030인치의 두께를 갖는 30개 정도의 라미네이트층을 포함한다. 전형적으로, 이러한 복합재 층은 액체 수지에 침지된 탄소 섬유와 같은 섬유의 인터우븐 패턴(interwoven pattern)을 놓아서 형성되며, 수지는 가열에 의해 경화(cure)되어 굳어진다(harden). 여러 층은 공동-경화(co-curing), 접착 결합(adhesive bonding) 등과 같은 적절한 결합 기술에 의해 함께 결합되거나 고정된다.
탄소 섬유 복합재 기술을 사용하여 이러한 파트(part) 중 일부를 제조하기 위한 한 가지 공지된 기술은 많은 탄소 섬유 플라이 층을 도구에 놓는 것(laying down)을 포함하며, 여기서 탄소 섬유 플라이 층의 각각의 플라이 또는 시트는 수지로 함침된 탄소 섬유를 포함하며, 수지는 직물이나 테이프로 제직(woven)되어 있다. 탄소 섬유 플라이 층은 연속 스태킹 방식(continuous stacked manner)으로 도구에 놓이며, 여기서 미리 결정된 수의 플라이 층의 모든 그룹은 진공 및 가열 단계를 거쳐 플라이 층을 함께 압축하고 공기가 제거되며, 그렇지 않으면 파트 일체성(part integrity)이 손실될 수 있다. 모든 플라이 층이 구축(built up)되면, 진공 필름 또는 백(bag)을 어셈블된 플라이 층 위에 놓고 도구에 밀봉되며, 백은 특정한 진공 압력으로 배기된다. 그런 다음 도구 및 밀봉된 파트를 오토클레이브 또는 가열 오븐에 놓고 수지를 경화시키고 굳어진 파트(hardened part)를 형성한다.
이러한 유형의 복합 구조물의 라미네이트층에서 섬유의 배향은 전형적으로 섬유의 길이를 따라 X 및 Y 방향으로 높은 강도를 갖지만, 섬유를 가로지르는(across) Z-방향으로는 상대적으로 낮은 강도를 갖는다. 따라서, Z-방향에 증가된 강도를 제공하기 위해 층을 가로질러 삽입되는 기계적 고정 디바이스(fastening device)를 제공하는 것이 당업계에 공지되어 있다. 잘 알려진 한 가지 기술은 Z-피닝(Z-pinning)으로 지칭되고, 이는 Z-방향으로 복합 라미네이트층에 삽입되고 이를 가로지르는 Z-핀을 사용하여, 단순히 접착 결합에 의존하지 않고 구조물의 Z-방향으로 보강을 제공함으로써, 디라미네이션에 대한 저항성을 개선하고, 평면 외 전단(out of plane shear)을 증가시키고, 손상 내성을 증가시킨다.
전형적인 Z-핀은 직경이 0.010-0.020"와 같이 매우 작을 것이며, 다수의 이러한 Z-핀, 예를 들어 60-600개가 제곱 인치당 라미네이트 구조물에 횡단-방향(cross-wise, 횡으로 가로지르는 방향)으로 삽입될 수 있다. 한 가지 삽입 기술에서, Z-핀은, 수지가 여전히 소프트(soft)하고 유연한, 라미네이트층이 부분적으로 경화되거나 프리프레그 상태에 있는 동안 라미네이트층 중 하나의 상부 표면(top surface)으로 부분적으로 삽입된다. 초음파 도구는 Z-핀 그룹에 가까이(against) 배치되며, 여기서 초음파 에너지가 일정 수준의 가열을 생성하여, 수지를 더욱 소프트하게 하고 Z-핀이 섬유를 방해하지 않고 라미네이트층을 통해(through) 삽입될 수 있다.
전통적인 Z-핀은 원통형(cylindrical shape)이다. 그러나 보다 현대적인 Z-핀은 다양한 모양과 크기로 제공된다. 본 출원의 양수인에게 양도되고 본원에 참조로 편입된, 발명의 명칭이 기계적 고정 Z-핀인 Jones 등에 발행된 미국 특허 제6,514,593호는 전통적인 Z-핀의 단점을 논의하고 Z-방향으로 증가된 Z-피닝(Z-pinning)을 갖는 성형된 Z-핀을 제안한다. 성형된 Z-핀은 접착 결합을 위한 표면적을 증가시키고, 매트릭스에 기계적으로 고정(locking)하고, 섬유 보강재에 고정하여 복합 매트릭스로부터의 풀아웃(pullout)을 감소시키기 때문에 전통적인 원통형 Z-핀보다 전형적으로 우수한 성능을 제공한다. 그러나, 이러한 유형의 Z-핀의 모양으로 인하여, Z-핀의 모양이 삽입되는 복합재 층(composite layer)의 섬유의 위치를 변경하기 때문에, 라미네이트 구조물이 프리프레그 상태인 동안 초음파 도구를 사용하여 Z-핀을 라미네이트 구조물에 삽입하기가 더 어렵다. 종종, 성형된 Z-핀을 삽입하는 동안 섬유에 대한 이러한 유형의 손상은 층의 구조적 일체성(structural integrity)에 영향을 미친다.
오토클레이브 경화 핸드 레이업(hand lay-up), 고급 섬유 배치(advanced fiber placement), 테이프 배치 등과 같은 전통적인 컴플렉스 복합재 제조 방법은 노동 집약적이고, 비용이 많이 들고, 긴-리드(long-lead) 및 값비싼 툴링(tooling)을 필요로 하며, 전형적으로 재능 있는 제조 기술자를 필요로 한다. 따라서, 대체 방법이 개발되어왔다.
FFF(Fused Filament Fabrication)는 3D 인쇄를 위한 적층 제조(AM, additive manufacturing) 공정이다. 보다 구체적으로, FFF 공정은 스풀로부터의 필라멘트 또는 호퍼로부터의 펠릿과 같은 공급원료 재료를 가열된 노즐로 제공하고, 여기에서 가열된 용융 필라멘트로서 이로부터 압출되어 스트립의 인접한 열(row)로서 디포지트(deposit)되어 층을 형성하고, 여기에서 용융된 필라멘트가 노즐에서 압출되면 즉시 굳기 시작한다. 원하는 파트를 생산하기 위해, 복수 층이 이러한 방식으로 특정한 구성으로 구축된다. 공지된 예시적인 시스템 중 하나는 Electroimpact에서 이용가능한 SCRAM(Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing) 시스템으로, 이는 항공우주-등급의 통합 복합 구조물(aerospace-grade integrated composite structure)을 도구 없이 신속하게 제조할 수 있는 산업용의 진정한 6축 연속 섬유-보강 3D 프린터이다.
폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리페닐술폰(PPSF 또는 PPSU), 폴리에테르이미드(polyetherlimdie, PEI) 및 폴리페닐렌(PPS)을 포함하는 고성능 비정질(amorphous) 또는 반결정질 열가소성 재료와 같은 다양한 재료가 공급원료 재료로 사용될 수 있다. FFF에 적합할 수 있는 다른 재료로는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리락트산(PLA, polylactic acid), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리스티렌(PS), 리그닌, 고무, 탄소 섬유, 유리 섬유, 석영 섬유, Kevlar 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), Dyneema, 고충격 폴리스티렌(HIPS), 나일론, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 공융 재료(eutectic material), 플라스티신(plasticine), 실온 가황(RTV) 실리콘 등을 포함한다.
배치 헤드(placement head) 및 강화된(consolidated) 사전-함침 필라멘트 또는 다른 구성 프리폼, 예컨대 우븐 스트립(woven strip), 브레이드 튜브(braided tube) 등을 사용하여 제조된 모든 적층 제조된 연속 섬유 복합 재료는 플라이 간 보강(interply reinforcement)이 없기 때문에 층간 강도(interlaminar strength)가 부족할 것이다.
본 출원의 양수인에게 양도되고 본원에 참조로 편입된 2017년 10월 10일에 발행된 Barnes 등의 미국 특허 제9,782,928은 적층 제조 공정으로 적어도 부분적으로 형성된, 선형 Z-핀을 사용한 열가소성 중합체 워크피스를 보강하기 위한 시스템을 기술한다. 초음파 에너지원은 Z-핀에 초음파 에너지를 가하여 Z-핀을 초음파로 가열하며 따라서 대상 표면 및/또는 워크피스 본체의 워크피스 재료를 국부적으로 용융시켜 용융된 워크피스 재료를 생성한다. Z-핀의 일 단부는 용융된 워크피스 재료에 관통되어 삽입된 Z-핀 길이를 생성하며, 이는 삽입된 Z-핀 길이 주위의 용융된 워크피스 재료가 응고되어 워크피스에서 유지되어 워크피스를 보강한다.
다음 논의는 3D 인쇄 기계를 사용하여 복합재 파트(composite part)를 제조하는 방법을 개시하고 설명한다. 이 방법은 복수의 파트 층(part layer)을 서로의 상부(top)에 연속적인 방식으로 디포지팅(depositing)함으로써 파트를 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 각각의 층은 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열(row)을 놓음으로써(laying down) 디포지트된다. 그런 다음 Z-방향으로 파트의 보강을 제공하기 위해 파트 층을 통해(through) 보강 Z-핀이 삽입된다. 복수의 추가 파트층이 보강 Z-핀을 포함하는 파트 층 상에서 서로의 상부(top)에 연속적인 방식으로 디포지트되며, 여기서 각각의 추가 파트층은 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열을 놓음으로써 또한 디포지트된다. Z-방향으로 파트의 보강을 제공하기 위해 추가 파트 층을 통해 보강 Z-핀이 또한 삽입된다. 보강 Z-핀은 층을 통해 삽입되어 임의의 적절한 보강 구성을 제공할 수 있다.
본 개시사항의 추가 특징은 첨부된 도면과 함께 취해진, 다음의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 빌드 플레이트(build plate)에서 제조되는 파트에 대해 배치된 엔드-이펙터 및 로봇을 포함하는 3D 인쇄 기계의 등측도(isometric view)이며;
도 2는 적층 제조 공정에 의해 제조되고 Z-핀에 의해 보강되는 열가소성 복합재 적층 파트(thermoplastic composite layered part)의 예시이고;
도 3은 적층 제조 공정에 의해 제조되고 Z-핀에 의해 보강되는 또 다른 열가소성 복합재 적층 파트의 예시이고;
도 4는 적층 제조 공정에 의해 제조되고 Z-핀에 의해 보강되는 또 다른 열가소성 복합재 적층 파트의 예시이고;
도 5는 파트에 Z-핀을 수용하는 구멍을 제공하기 위한 도 1에 도시된 로봇용 엔드-이펙터의 예시이고;
도 6은 구멍에 Z-핀을 삽입하기 위한 도 1에 도시된 로봇용 엔드-이펙터의 예시이다.
보강 Z-핀을 제공하는 단계를 포함하는 열가소성 복합 구조물을 적층 제조하는 방법에 관한 본 개시사항의 구현예에 대한 다음의 논의는 본질적으로 단지 예시이며, 결코 본 발명 또는 그 적용 또는 용도를 제한하려는 의도가 아니다.
본 개시사항은 본원에서 Z-핀 또는 로드(road)로 지칭되는 Z-방향 로드, 토우(tow), 핀(pin), 필라멘트 또는 휘스커(whisker)를 열적, 기계적, 초음파, 화학적(소프트닝(softening)용 용매) 에너지 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 복합 구조물에 삽입함으로써 적층 제조된 복합 구조물의 층간 특성(interlaminar property)을 보강하기 위한 자동화된 방법을 제안한다. Z-핀은, 부가물(attachment)을 적층 제조 공정 헤드에 삽입할 때, 파트 표면과 직접 접촉한다. 삽입은 구축(building) 공정 중 또는 후에, 적층 제조 공정과 동시에 또는 층 추가(layer addition) 사이에 일어날 수 있다. Z-핀 삽입은 층의 전체 또는 일부를 통해 일어날 수 있으며 층 또는 층들에서 엇갈릴 수 있으며(staggered) 파트의 전체 영역 또는 단지 특정한 특정 영역에서 달라질 수 있다. Z-핀의 핀 단부 및 핀 본체의 적어도 일부는 워크피스 재료의 단단한(hard), 용융된 또는 소프트하게 된(softened) 영역으로 관통되어 Z-핀 길이의 대부분 또는 전부가 삽입된다. 삽입된 Z-핀 길이는, 삽입된 Z-핀 길이 주변의 용융된 워크피스 재료가 응고되어(solidified) 재료의 체적(volume)으로 유지되어 복합 구조물을 보강한다. 이 공정은 수동으로 또는 자동화 및/또는 로봇 통합 제조 시스템을 통해 수행될 수 있다. 적층 제조 공정에서 발생하는 층을 라미네이팅(laminating)하는 공정 동안 구조물에 Z-핀을 삽입함으로써, 층간 재-시행(interlaminar re-enforcement)은 구조용 복합 재료에 대하여 두께 방향을 통해 결정적으로 구조물을 강화할 것이다. 열가소성 복합재가 본원에서 논의된 기술에 대해 바람직한 재료이지만, 열가소성 방식으로 기계적으로 그리고 물리적으로 거동하도록 열적으로 진보될 수 있는 열경화성 복합 재료도 적용 가능할 수 있음에 유의해야 한다.
도 1은 상기 논의된 바와 같이 Z-핀 삽입을 제공하는 단계를 포함하는 FFF 공정에 의해 파트를 구축할 수 있는 3D 인쇄 기계(10)의 등측도이며, 기계(10)는 본원에서 논의된 방법 및 공정을 수행할 수 있는 임의의 적층 제조 기계를 단지 대표하는 것으로 의도된다. 기계(10)는 베이스부(14), 회전 및 피봇 조인트(18)에 의해 베이스부(14)에 결합된(coupled) 익스텐션 암(extension arm)(16), 및 엘보 피봇 조인트(22)에 의해 베이스부(14)에 대향하는 익스텐션 암(16)에 결합된 워킹 암(20)을 갖는 로봇(12)을 포함한다. 엔드-이펙터(26)는 커플링 메커니즘(coupling mechanism)(30)을 갖는 피봇 조인트(28)에 의해 조인트(22)에 대향하는(opposite) 각도로 워킹 암(20)에 결합(couple)된다. 로봇(12)은 엔드-이펙터(26)를 위한 임의의 적합한 위치 결정 디바이스를 나타내는 것으로 의도된다. 엔드-이펙터(26)는 본원에 기술된 바와 같이 컴플렉스 복합 구조물(complex composite structure)을 구축하기 위해 용융 필라멘트를 디포지팅하기 위한 프린트-헤드 어셈블리로서 작동한다. 특정 방식으로 작동하고 특정한 특징을 가지며 로봇(12)에 부착될 수 있는 다양한 엔드-이펙터가 사용될 수 있다. 작동 중에, 기계(10)는 오븐(미도시) 내에 위치할 수도 있고 위치하지 않을 수도 있으며 이에 의해 인쇄 공정의 온도가 제어한다.
엔드-이펙터(26)는 외부 하우징(34) 및 커플링 메커니즘(30)에 해제 가능하게 연결되는 회전식 커넥터(36)를 포함하고, 내부의 다양한 구성요소를 설명하기 위해 투명한 것으로 도시되어 있다. 이러한 구성요소는 다양한 재료의 복수의 공급원료 필라멘트(42)가 권취되어 있는 다수의 스풀(40), 스풀(40)에서 필라멘트(42)를 선택적으로 그리고 독립적으로 인출(drawing off)하기 위한 구동 메커니즘(44), 필라멘트(42)가 구동 메커니즘(44)에 의해 인출(drawn)되는 재료 압출기(48), 압출기(48)를 가열하여 필라멘트(42)를 용융시키는 히터(46), 및 용융 필라멘트(42)를 엔드-이펙터(26) 밖으로 압출하여 플랫폼(54)에 장착된 빌드 플레이트(52)에 디포지트하기 위한 노즐(50)을 포함한다. 파트(56)는 빌드 플레이트(52)에 형성된 지지 구조물(58) 상에 층별 방식(layer-by-layer manner)으로 구축(built up)됨에 따라 기계(10)에 의해 제조되는 것으로 도시되어 있다. 스풀(40)은 엔드-이펙터(26)에 장착될 수 있거나, 또는 재료가 튜브(미도시)를 통해 엔드-이펙터(26)로 공급되는 상태로 원격으로 장착될 수 있다. 대안적으로, 원료 재료는 필라멘트(42)를 사용하는 대신에 펠릿에 의해 제공될 수 있다.
도 2는 예를 들어, 기계(10)에 의해 적층 제조 공정에 의해 제조되는 공정에 있는 구조물(60)의 예시이다. 구조물(60)은 상기 논의된 방식으로 이전 층(preceding layer)에 정사각형 필라멘트의 열을 나란히 놓음으로써 형성된 4개의 층(64)을 갖는 하부 라미네이트 섹션(62)을 포함하며, 여기서 층(64)의 라인은 필라멘트에서 섬유(66)의 방향 및 필라멘트가 놓이는 방향을 나타내며, 여기서 층(64)은 1/10,000 인치의 두께를 가질 수 있다. 명백한 바와 같이, 필라멘트는, 층(64)이 완성될 때마다 빌드 플레이트(52)를 90º 회전시킴으로써 하나의 층(64)에서 다음 층(64)으로 서로에 대해 90º로 놓여 진다. 필라멘트는 열가소성 복합재, 예를 들어 열가소성 매트릭스 또는 수지에 형성된 탄소 섬유로 제조된다.
상기 논의된 바와 같이, 적층 제조 공정에 의해 구축된 이러한 유형의 구조물은 층(64) 사이에서 분리될 수 있고, 따라서 Z-방향에서 구조물(60)의 층간 일체성(interlaminar integrity)이 감소된다. 구조물(60)를 보강하기 위해, Z-핀이 층(64)을 통해 Z-방향으로 제공된다. 이를 달성하기 위해 일 구현예에서, 니들(needle)(70)이 층(64)을 통해 삽입되어 층(64)에 구멍(72)을 형성하고 그 후 로드(74)(Z-핀)가 구멍(72)에 삽입되며, 로드(74)는 뾰족한 단부(pointed end)(76)와 편평한 헤드 단부(78)를 갖는다. 니들(70)은 임의의 적절한 방식으로 구멍(72)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 니들(70)은 초음파로 진동되어 층(64)에 열 및 삽입 에너지를 제공할 수 있으며, 층(64)의 복합 재료는 막 형성된 후에 소프트하고 유연할 것이다. 대안적으로, 니들(70)은 적합한 열원에 의해 가열되어 층(64)에 삽입되도록 될 수 있다. 비제한적 일 구현예에서, 로드(74)는 탄소 섬유 인발 성형 로드(carbon fiber pultruded rod)이다. 로드(74)는 섹션(62)의 두께보다 더 짧을 수 있거나, 섹션(62)의 두께와 동일한 길이이거나, 섹션(62)의 두께보다 더 길어서, 편평한 단부(78)가 섹션(62) 또는 이들 길이의 임의의 조합으로부터 튀어나온다. 로드(74) 사이의 간격과 로드(74)의 크기는 제조되는 특정 구조물(60)에 대해 특정한 적용일 수 있다. 추가로, 로드(74)는 보강이 필요하지 않을 수 있는 다른 영역이 아니라 섹션(62)의 특정한 영역에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 로드(74)의 면 밀도(areal density)는, 로드(74)의 더 높은 밀도가 한 위치에 있을 수 있고 로드(74)의 더 낮은 밀도가 다른 위치에 있을 수 있는 특정 적용을 위해 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 로드(74)의 면 밀도는 한 위치에서 4% 그리고 구조물(60)의 특정한 영역 또는 길이에 걸쳐 0%로 전환(transition)될 수 있다. 또한, 본 구현예에서 로드(74)가 원통형이지만, 다른 실시예에서는 다른 모양 및 구성의 Z-핀일 수 있다.
상기한 방법은 구멍(72)을 제조하는 단계, 그 후에 로드(74)를 삽입하는 단계를 포함한다. 대안적인 구현예에서, 로드(74)는 충분한 재료로 제조될 수 있고 충분한 견고성(robustness)을 가질 수 있으며, 구멍(72)이 이미 제조되어야 할 필요 없이, 로드(74)는 예를 들어, 초음파 에너지를 사용하여 층(64)으로 밀어 넣어질 수 있다(driven). 또한, 니들을 사용하여 구멍(72)을 형성하는 대신에, 적절한 용매를 사용하여 로드(74)용 개구부를 형성할 수 있다.
일단 로드(74)가 층(64)에 삽입되면, 구조물(60)은 계속해서 제조될 수 있다. 이는 섹션(62)과 동일한 방식으로 형성된 층(82)을 갖는 상부 섹션(80)에 의해 예시되며, 이는 설명된 바와 같이 층별 방식으로 섹션(62) 상에 형성될 것이다. 층(82)은 층(64)과 동일한 재료로 될 수 있거나 특정 적용 및 설계에 따라 상이한 재료로 될 수 있다. 일단 섹션(80)이 형성되면, 이는 섹션(62)과 동일한 방식으로 로드를 수용할 수 있어 Z-방향으로 또한 보강된다. 로드(74)의 단부가 로드(84)로 도시된 바와 같이, 섹션(62)으로부터 튀어나온 경우, 층(82)을 형성하는 필라멘트는 로드(74) 주위로 지향될(directed) 수 있다. 섹션(80)에서 로드(74)의 위치는 섹션(62)에서 로드(74)의 위치로부터 오프셋(offset)될 수 있으므로 이들은 서로 정렬(align)되지 않는다. 로드(74)가 삽입되기 전에 형성되는 층의 수는 층의 두께, 층 재료 등과 같은 여러 인자에 따라 달라질 것이다.
도 3은 상기 논의된 방식으로 이전 층(preceding layer) 상에 정사각형 필라멘트의 열을 나란히 놓아서 형성된 층(92)을 포함하는 적층 제조 공정에 의해 제조된 열가소성 복합 구조물(90)의 예시이며 층(92)이 특정한 보강 구성에서 로드(94)에 의해 어떻게 함께 스티치될 수 있는지를 보여준다.
도 4는 상기 논의된 방식으로 이전 층 상에 정사각형 필라멘트의 열을 나란히 놓아서 형성된 층(102)을 포함하는 적층 제조 공정에 의해 제조된 열가소성 복합 구조물(100)의 예시이며 층(102)이 다른 보강 구성에서 로드(104)에 의해 어떻게 함께 스티치될 수 있는지를 보여준다.
실제 구현에서, 다수의 니들(70)을 사용하여 동시에 다수의 구멍(72)을 형성할 수 있다. 도 5는 기계(10)가 구멍(72)을 형성할 수 있도록 엔드-이펙터(26)를 대체하고 기계(10)의 커플링 메커니즘(30)에 결합될 수 있는 엔드-이펙터(110)의 정면도이다. 엔드-이펙터(110)는 층(64)에 복수의 구멍(72)을 동시에 형성하도록 사용될 수 있는 복수의 니들(112)을 포함한다. 초음파 또는 열원(114)이 니들(112)을 진동 및/또는 가열하고 디바이스(116)는 니들(112)에 하향 압력을 가하여 구명(72)을 형성한다.
도 6은 기계(10)가 로드(74)를 구멍(72)에 삽입할 수 있도록 엔드-이펙터(26)를 대체할 수 있고 기계(10)의 커플링 메커니즘(30)에 결합될 수 있는 엔드-이펙터(120)의 정면도이다. 엔드-이펙터(100)는 층(64)의 복수의 구멍(72)에 동시에 삽입되고 해제 메커니즘(124)에 의해 해제되는 복수의 로드(122)를 포함한다. 특정 적용의 경우, 구멍(72)을 제공할 필요 없이, 초음파 공급원(126)을 사용하여 로드(122)를 진동시키고 이들을 층(64)으로 밀어 넣을 수 있다.
상기한 논의는 본 개시사항의 단지 예시적인 구현예를 개시하고 설명한다. 당업자는 그러한 논의와 첨부된 도면 및 청구범위로부터, 다음 청구범위에 정의된 바와 같은 개시사항의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경, 수정 및 변형이 이루어질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.

Claims (20)

  1. 복합재 파트를 제조하기 위한 자동화된 방법으로서, 상기 방법은:
    복수의 파트 층을 서로의 상부에 연속적인 방식으로 디포지팅하는 단계로서, 각각의 층이 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열을 놓음으로써 디포지트되는 디포지팅하는 단계; 및
    Z-방향으로 상기 파트의 보강을 제공하기 위해 상기 파트 층을 통해 보강 Z-핀을 삽입하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 추가 파트 층을 서로의 상부에 연속적인 방식으로 디포지팅하는 단계로서, 각각의 추가 층이 보강 Z-핀을 포함하는 상기 파트 층 상에 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열을 놓음으로써 디포지트되는, 디포지팅하는 단계 및 Z-방향으로 상기 파트의 보강을 제공하기 위해 상기 추가 파트 층을 통해 보강 Z-핀을 삽입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파트 층 및 상기 추가 파트 층의 상기 보강 Z-핀 중 적어도 일부는 서로 오프-셋(off-set)되고 정렬되지 않는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 보강 Z-핀을 삽입하는 단계는 상기 Z-핀을 상기 파트 층을 통해 완전히 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 보강 Z-핀을 삽입하는 단계는 상기 Z-핀을 상기 파트 층을 통해 부분적으로 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 보강 Z-핀을 삽입하는 단계는 상기 Z-핀의 후단부(back end)가 상기 파트 층으로부터 돌출되도록 상기 Z-핀을 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 보강 Z-핀을 삽입하는 단계는 다른 위치에서 보다 한 위치에서 더 높은 밀도의 Z-핀을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 보강 Z-핀을 삽입하는 단계는 상기 Z-핀의 면 밀도를 더 높은 밀도 위치에서 더 낮은 밀도 위치로 전환하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 파트 층을 통해 보강 Z-핀을 삽입하는 단계는 상기 Z-핀을 초음파로 진동시키고 상기 파트 층으로 Z-핀에 힘을 가하는 단계(forcing)를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 파트 층을 통해 보강 Z-핀을 삽입하는 단계는 상기 파트 층을 통해 복수의 구멍을 형성하는 단계 그리고 그 후에 상기 구멍에 상기 보강 Z-핀을 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 복수의 구멍을 형성하는 단계는 적어도 하나의 니들을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 복수의 구멍을 형성하는 단계는 적어도 하나의 니들을 초음파로 진동시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 복수의 구멍을 형성하는 단계는 상기 적어도 하나의 니들을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 복수의 구멍을 형성하는 단계는 복수의 니들을 상기 파트 층에 동시에 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제10항에 있어서, 복수의 구멍을 형성하는 단계는 용매를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 Z-핀이 로드인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 로드가 탄소 섬유 인발 성형 로드(carbon fiber pultruded rod)인 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 복합 재료가 열가소성 매트릭스 중의 탄소 섬유인 방법.
  19. 복합재 파트의 제조 방법으로서,
    상기 제조 방법은,
    복수의 파트 층을 서로의 상부에 연속적인 방식으로 디포지팅하는 단계로서, 각각의 층이 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열을 놓음으로써 디포지트되는, 디포지팅하는 단계;
    적어도 일부 보강 로드가 상기 파트 층으로부터 튀어나오도록, Z-방향으로 상기 파트의 보강을 제공하기 위해 상기 파트 층을 통해 보강 로드를 삽입하는 단계;
    복수의 추가 파트 층을 서로의 상부에 연속적인 방식으로 디포지팅하는 단계로서, 각각의 추가 층이 열가소성 복합 재료로 제조된 필라멘트의 열을 상기 보강 로드를 포함하는 상기 파트 층 상에 놓음으로써 디포지트되는, 디포지팅하는 단계; 및
    Z-방향으로 상기 파트의 보강을 제공하기 위해 상기 추가 파트 층을 통해 보강 로드를 삽입하는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 보강 로드를 삽입하는 단계는 다른 위치에서 보다 한 위치에서 더 높은 밀도의 상기 로드를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
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