KR100311744B1 - 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유 강화 복합물을 제조하기 위하여 와이어(11)와 섬유(5)를 결합하는 제조 방법이 제시된다. 이 섬유(5)는 접착제 코팅(3)된 기판(1) 위에서 반복하여 권취되고, 이어서 섬유 간격을 유지하기 위하여 장벽층(7) 코팅을 한다. 그런 다음, 접착제 물질(3)이 섬유 랩(5)에 적용되고 와이어(11)가 그 주위에 권취된다. 그런 다음, 와이어(11) 간의 모든 갭이 채워질 수 있도록 일련의 증가되는 점성의 점착 물질이 와이어 랩(10)에 적용된다. 본 발명의 방법은 섬유 강화 복합물을 제조하도록 진행될 수 있는 표준 와이어/섬유 선형물, 다양한 간격의 와이어/섬유 선형물, 링 선형물 및 와이어만의 선형물을 형성하는 데에 사용될 수 있다.

Description

복합물 제조를 위한 와이어 선형물 및 그의 제조 방법{WIRE PREFORMS FOR COMPOSITE MATERIAL MANUFACTURE AND METHODS OF MAKING}
본 발명은 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 섬유 또는 와이어 간격을 유지할 수 있도록 상호 불용해성인 접착제와 코팅 물질을 사용한 섬유 및 와이어 층들을 이용하는 와이어 선형물에 관한 것이다.
복합 물질의 제조에 있어 와이어 선형물(preform) 또는 프리펙(Prepeg)의 사용은 이 분야에서 잘 알려져 있다. 이러한 타입의 선형물에 있어서, 와이어 물질은 복합물 형성을 위한 차후의 공정을 수행할 수 있는 형태로 매트릭스 물질 또는 강화 물질과 같은 다른 물질과 함께 혼합되거나 또는 이러한 물질없이 혼합된다.
그랜트 등의 미국 특허 제 4,697,324호는 섬유의 강화 복합 링 및 그의 제조 방법을 제시하였다. 바람직한 매트릭스 합금 리본과 같은 와이어 모양의 물질은 나선형의 분자막(monolayer) 내에서 섬유 물질과 함께 권취된다. 이러한 분자막은 한 쪽 꼭대기에 적용되고 링 형태의 복합 요소를 형성할 수 있도록 강화된다.
도브레의 미국 특허 제 4,782,992호는 연속적이며, 천으로 짜여지고, 평탄하며, 나선형인 섬유 테이프 및 연속적이며, 평탄한, 나선형의 박막 테이프를 사용하는 복합물을 형성하는 다른 방법을 제시하였다. 상기 두 개의 나선형 테이프는 섬유의 회전이 박막의 회전과 번갈아가며 이루어지는 나선형 조립체를 형성할 수 있도록 인터리브된다. 상기 두 개의 나선형 테이프는 복합 링 구조를 형성할 수 있도록 변형될 필요가 있다.
이러한 종래 기술 공정의 단점 중 하나는 강화 물질과 매트릭스 물질간의 바람직한 간격을 유지하는 것이다. 섬유 간격이 변하게 되면 제조된 복합 성분에 원치않는 공극을 형성시킨다. 종래 기술 공정은 또한 복합물의 단위 면적당 질량을 적당히 제어하지 못한다. 상기 공극은 또한 섬유 또는 같은 종류의 다른 것과 같은 강화 물질이 나선형으로 권취되는 동안 발생할 수 있다. 또한, 이러한 타입의 나선형 권취는 권취 과정 중에 섬유를 끊어지게 할 수 있는 섬유의 방사방향 이동을 야기시킨다.
상기에서 언급한 종래 기술의 단점들의 관점에서, 가변성 단위 면적당 선형물의 질량을 정확히 제어할 수 있게 하는 와이어 및 섬유를 이용하며, 낮은 비용으로 차후의 복합물 제조를 위한 고밀도의 선형물을 생산할 수 있는 복합물 선형물을 제조하는 개선된 방법이 개발되어야 하는 필요성이 대두되었다.
이러한 필요성에 부응하여, 본 발명은 복합물을 형성하기 위하여 와이어, 및 선택적으로 섬유를 사용하는 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 와이어와 섬유를 특정한 장치에 함께 배치시키는데, 이는 차후에 강화되는 동안에도 유지된다. 본 발명의 방법은 또한 쉽게 반복 수행이 가능한 낮은 비용으로 차후의 복합물 제조를 위한 고밀도의 선형물을 생산한다.
따라서, 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 및 이것으로부터의 제조품을 제조하는 신규하고 개선된 방법을 제공하는 것이 본 발명의 주목적이다.
본 발명의 다른 목적은 차후의 공정 동안 섬유/와이어 배열을 유지시키는 고밀도의 선형물을 제조하기 위한 선형물 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 또 다른 목적은 가령 경화(curing), 가스배출(off gasing)및 기타 차후의 공정 동안 적당한 위치에 유지되는 매트릭스 및 강화 물질을 포함하는 선형물을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 섬유 및 와이어가 층을 이루는 관계로 배열되고 이어서 섬유 강화 링 또는 디스크로 처리되는 선형물로써 함께 권취되는, 섬유사의 권취 요소를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 와이어/섬유 선형물의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 선형물의 예시적인 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명 선형물의 섬유/와이어 배열의 세 개의 다른 구성의 단면도이다.
도 4는 본 발명 선형물의 다른 실시예의 단면도이다.
도 5는 다중층과 다양한 섬유 간격을 가지고 있는, 도 4의 선형물의 단면도이다.
도 6은 와이어 물질만을 사용하는 본 발명 선형물의 다른 실시예의 단면도이다.
도 7은 섬유사의 권취 요소를 제조하기 위한 본 발명의 크릴 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 축에 권취된 섬유사 요소 일부의 단면도이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 앞으로 설명될 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
상기의 목적 및 장점을 만족시키기 위하여, 본 발명은 광범위한 실시예에서, 기판, 상기 기판 상의 접착제, 상기 접착제 상에 놓여진 다수의 와이어 및 다수의 와이어 상에 적용되는 장벽층을 포함하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물을 제시한다. 기판과 그 위에 적용된 와이어간의 접착제에 장벽층이 불리한 영향을 주지 않도록 상기 장벽층과 접착제는 서로 용해되지 않는다.
바람직한 실시에에서, 상기 접착제는 헥산 용제 내의 폴리이소부틸렌이고 상기 장벽층은 아세톤 용제 내의 폴리메틸메타아크릴이다. 상기 와이어 물질은 바람직하게는 티타늄 또는 티타늄 합금이고 상기 섬유 물질은 바람직하게는 실리콘 카바이드이다.
또한, 선형물의 한 부분으로써 섬유 및 와이어가 모두 사용되는 와이어 선형물이 제공된다. 본 실시예에서, 다수의 섬유가 먼저 접착제 코팅된 기판에 공급되고 이어서 장벽층이 적용된다. 제 2 접착제층이 제 1 장벽층에 적용되고 이어서 이위에 다수의 와이어가 적용된다. 그런 다음, 다른 장벽층이 다수의 와이어에 적용된다. 본 실시예에서 또한, 접착제층 및 장벽층은 서로 용해되지 않는다. 본 실시예의 와이어 선형물은 상기에서 언급한 바와 같이 적용되는 섬유 및 와이어의 추가층을 포함할 수 있다.
상기에서 제시한 와이어 선형물 중 어느 하나는 섬유 강화 복합물의 제조에 사용할 수 있도록 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 와이어 물질은 선형물 내의 공극율을 최소화하기 위하여 다양한 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 와이어는 와이어 표면에 뚜렷이 각진 후면부 또는 커브 후면부의 형상으로 단면내에 교차형상이 될 수 있다. 섬유 및/또는 와이어의 간격은 또한 관모양 또는 원통 모양 구조에서의 사용을 위한 선형물을 제조할 때에 달라질 수 있다.
본 발명의 방법에 대한 제 1 실시예에 따라서, 와이어 선형물은 기판을 구비하는 단계 및 기판 위에 접착제를 적용하는 단계에 의해 형성된다. 다수의 와이어가 접착제에 적용되고 이어서 적용된 와이어에 장벽층이 적용된다. 그런 다음, 제2 접착제층이 장벽층에 적용되며, 접착제층과 장벽층은 서로 불용해성이다. 본 실시예에서, 와이어 선형물은 바람직하게는 단결정 코팅으로 사용된다.
다른 방법에 있어서, 선형물은 적층된 관계에서 다수의 섬유 및 와이어를 결합함으로써 형성된다. 기판 상에 접착제층을 적층한 다음, 다수의 섬유가 개별적인 간격을 가지고 기판 위에 적용된다. 그런 다음, 장벽층이 섬유에 적용되고 이어서 장벽층에 다른 접착제가 적용된다. 그런 다음, 개별적인 간격을 가지는 다수의 와이어가 장벽층을 덮고 있는 접착제층에 적용된다. 또한, 접착제와 장벽층은 상기 언급한 바와 마찬가지로 서로 불용해성이다. 이러한 방법에서, 와이어는 인접한 섬유를 수용할 수 있도록, 각이 지거나 커브 형상의 요홈을 가지는 단면 형상을 가질 수 있다. 섬유는, 특히 선형물이 원통형 또는 관모양 구조에서 사용될 때, 균일한 간격으로 떨어져 있을 수 있고, 또는 연속적인 섬유층에 대해 섬유간의 간격이 증가될 수 있다.
바람직하게는, 와이어 및 섬유는 드럼 권취 기술을 사용하여 적용된다. 와이어 선형물은 복합물 형성을 위한 차후의 공정을 수행할 수 있도록 기판 물질과 함께 혼합되거나 또는 이 물질없이 혼합된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 권취 구조의 내부 직경에서 외부 직경까지 연속적인 섬유를 가지는 섬유사의 권취 요소를 제조하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 본 실시예에서, 와이어/섬유 선형물은 다수의 섬유를 포함하는 보빈 및 와이어를 포함하는 보빈을 구비하는 단계에서 형성된다. 섬유 및 와이어는 개별적인 보빈으로부터 풀려서, 와이어의 평면층에 인접하는 섬유의 평면층을 포함하는 층 배열이 굴대 위에 형성될 수 있도록 굴대를 포함하고 있는 회전 드럼 상에 권취된다. 와이어 및 섬유는 권취 단계에 앞서서 먼저 접착제를 사용하여 굴대에 접착된다. 섬유 및 와이어 각각은 섬유 및 와이어가 나선형으로 권취되지 않도록 하기 위하여 대개 드럼의 권취 표면에 수직으로 유지되는 각각의 섬유 및 와이어 축과 함께 굴대 위에 권취된다.
바람직하게는, 세라믹 가이드가 섬유 및 와이어를 평면층 내로 안내하고 또한 드럼 권취를 위해 층을 이룬 배열로 안내하는 데에 사용된다. 와이어는 상기 언급한 바와 같이 인접한 섬유와의 개선된 배열을 위한 단면 형상을 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
복합물 제조를 위한 와이어 및 와이어/섬유 선형물을 형성하기 위한 본 발명의 방법 및 장치는, 비싸고 복잡한 장비를 필요로 하며 바람직한 강화 요소의 분배 및 매트릭스 물질과 강화 요소간의 적당한 비를 가지는 양질의 선형물을 제공하는 데에 실패했던 공지된 종래 기술에 상당한 진보를 가져왔다.
본 발명에 따라서, 광범위한 실시예에서, 기판은 접착제로 코팅이 된다. 그런 다음, 와이어 복합물 요소가 접착제 코팅된 기판에 적용된다. 장벽층이 복합물에 적층되는데, 장벽층은 기판 위의 접착제와 서로 용해되지 않는다. 이러한 상호 불용해성은 접착제의 요소 즉, 폴리머 또는 용제 중 어떤 것도 장벽층의 요소 즉, 그의 용제 또는 폴리머에 녹지 않음을 뜻하려 하는 것이고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
접착제와 장벽층간의 상호 불용해성으로, 차후의 선형물 경화 및/또는 다른 공정 동안에 와이어 복합물이 적당한 위치에 남아있는 접착제에 적용된다. 즉, 어떠한 장벽층 요소도 접착을 깨뜨리지 못하며 와이어 오정렬을 야기시키지 못한다. 따라서, 바람직한 복합물의 방향 및 위치는 차후의 단계적 순서 또는 다른 복합물 제조에 관련된 공정 단계에 영향을 받지 않는다. 본 실시에에서, 와이어 선형물은 바람직하게는 와이어/섬유 선형물을 사용하는 섬유 강화 복합물 제조시 단결정 코팅으로 사용된다.
와이어는 어떠한 합금, 크기 및 형태를 가질 수 있다. 바람직하게는, 와이어의 합금은 제조되는 복합물의 매트릭스 합금 즉, 티타늄 또는 티타늄 합금이다.
바람직한 실시예에서, 와이어 복합물 요소는 와이어/섬유 선형물을 형성하기 위하여 섬유 요소와 결합된다. 본 실시예에서, 섬유 즉, 실리콘 카바이드와 같은 강화 물질은 접착제 코팅된 기판위에 개별적인 간격으로 위치된다. 일단 접착제가 건조되면, 곧 적층된 섬유는 장벽 물질로 코팅되고, 장벽층 위의 와이어 물질에 수반되는 층을 위한 기반으로 작용하는 다른 접착제층이 코팅된다. 그런 다음, 와이어 물질은 와이어/섬유 선형물을 형성하기 위하여 장벽층으로 코팅된다. 위에서 언급한 바와 같이 섬유 및 와이어의 부가적인 층이 적층될 수 있다.
섬유 물질은 섬유 강화 복합물에서 강화 요소로 일반적으로 사용되는 어떠한 타입이라도 가능하다. 이들 섬유의 예로는 카본, 케블라, 붕소, 실리콘 카바이드, 실리콘 니이트라이드, 알루미늄 등이 있다. 바람직하게는, 실리콘 카바이드 섬유가 사용된다.
접착제를 수용하는 기판은 접착제를 수용하는 데에 적층되는 어떠한 타입이라도 가능하다. 기판은 차후의 선형물 제조시에 사용되는 어떠한 용제에 화학적으로 주입되어야 하고, 기판 위에 개별적인 간격으로 놓여진 섬유와 같이 적층된 물질의 동요를 야기시키지 않을 부드럽고 결함없는 기판을 제공한다. 기판은 알루미늄 박막 또는 폴리에틸렌 또는 테프론 테이프와 같은 박판 또는 스트립 물질이 가능하다.
와이어 또는 섬유를 기판 물질에 고정시키는 데 사용되는 접착제 물질은 와이어 또는 섬유 간격을 유지하기 위해 건조시키는 동안 최소 수축, 차후 공정에 사용되는 어떠한 다른 용제와의 불용해성, 선형물이 제조 환경에서 처리될 수 있도록 하는 기판으로의 충분한 접착력, 선형물 제조 후에 덧판(backing) 또는 기판 물질을 제거할 수 있는 충분한 접착제 제거능력 및 완전하게 가스를 제거할 수 있는 능력과 같은 특성을 가지고 있어야 한다. 바람직한 고정용 접착제는 1% 비중의 폴리머를 가지는 헥산에 용해되는 폴리이소부틸렌이다. 그러나, 상기에서 주어진 기준을 따르며 바람직하게 고정될 수 있도록 하는 공지된 다른 접착제가 본 발명에 사용될 수 있다.
와이어 및 섬유 요소의 치수는 복합물 제조에 적합한 어떠한 치수라도 가능하다. 섬유는 어떠한 직경 및 길이를 가질 수 있고, 와이어 물질과 결합될 때에는, 선택된 와이어가 섬유사이에 적절하게 놓여질 수 있는 한 어떠한 간격으로라도 조절될 수 있다. 바람직하게는, 0.127mm(0.005 인치)의 직경을 가지는 실리콘 카바이드 섬유가 사용된다. 일반적으로, 와이어는 0.178mm(0.007 인치)의 직경을 갖는다.
본 발명의 와이어와 와이어/섬유 선형물 및 그 제조 방법은 복합물 제조를 위한 공지된 어떠한 공정 및 장치에서 사용될 수 있다. 이러한 타입의 공정의 예는 확산 본딩, 액체 금속 침투, 고온 이소스태틱(isostatic) 압착 또는 그 종류의 다른 것과 같은 분말 야금 처리 기술을 포함한다. 이러한 기술들은 잘 알려진 기술이므로, 이들에 대한 상세한 설명은 본 발명의 이해를 위해 필요하지 않은 것으로 간주된다.
본 발명의 방법은, 섬유 및 와이어 복합물 요소와 관련된 다양한 변수의 선택으로 통해, 주어진 선형물이 형성될 때 부하 질량의 정확한 제어를 가능하게 한다. 즉, 와이어 및/또는 섬유의 크기는 바람직한 섬유 체적비를 이룰 수 있도록 선택된다. 와이어의 크기 및 형상은 또한 하기에 좀 더 상세히 설명되는 바와 같이 복합물의 녹색 밀도를 결정할 수 있다.
와이어/섬유 선형물을 형성할 때, 섬유들간의 간격은 제조되는 복합물의 기하학을 수용하도록 바뀔 수 있다. 예를 들어, 만일 선형물이 연속적인 공정을 수행하면서 관 또는 원통 형태의 주위를 권취한다면, 섬유들간의 간격은 원통 구조내로 권취되거나 회전될 때 그들의 방사 길이가 항상 증가하기 때문에 연속적인 층에 대해서 증가될 수 있다.
와이어 및 섬유 위에 적층된 장벽층은 접착제에 대해 상기 언급한 바와 같은 유사한 조건을 충족시켜야 한다. 즉, 장벽 코팅은, 차후의 공정에서 사용되는 어떠한 용제에도 녹지 않고 완전하게 가스 배출이 될 수 있도록, 섬유 및/또는 와이어 간격을 유지시키기 위해 건조되는 동안 최소로 수축되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 장벽층 물질은 1%의 폴리머 비중을 가지는 아세톤에 용해되는 폴리메틸메타아크릴(PPMA)이다.
이제 도 1에 대해서 설명하면, 본 발명의 제 1 실시예는 도면부호 10으로 나타나며, 기판(1), 그 위에 부착된 접착제(3) 및 개별적인 간격의 섬유(5)를 포함하는 것으로 도시된다. 섬유(5)는 접착제(3) 위에 개별적인 간격으로 적층되어 있다.
기판(1)은 차후의 공정에서 사용되는 어떠한 용제에 화학적으로 주입되고,또한 그 위에 적층되는 섬유 간격의 혼란을 야기시키지 않는 부드럽고 결함이 없는 기판이 제공되어야 한다. 바람직하게는, 기판은 0.076mm(0.003 인치) 두께의 0으로 조절된 타입의 AA1100 계열의 알루미늄 박막이다.
일단 섬유(5)가 기판 위에 적층되면, 장벽층(7)이 개별적인 간격의 섬유(5) 위에 적용된다. 그런 다음, 접착제(3)가 장벽층(7) 위에 적용되고, 이어서 와이어층(11) 및 다른 접착제층(3)이 접착된다. 이렇게 되면, 섬유 강화 복합물의 제조에 사용되는 완전한 선형물이 형성된다. 이 선형물의 형성은 기판(1)을 가지고 또는 없는 상태로 이루어질 수 있다는 것은 말할 것도 없다.
주어진 접착제를 포함하는 기판에 와이어 및/또는 다른 복합물을 적용하는 데에 공지된 어떠한 다른 기술들이 사용될 수 있음에도 불구하고, 드럼 권취 과정을 사용하는 것이 바람직하다. 이제 도 2에 대해 설명하면, 개략적인 드럼 권취 장치가 일반적으로 참조부호 20으로 표시된다. 상기 장치(20)는, 기판(1)의 아래에 혹(bump)을 형성하여 섬유 간격의 혼란을 야기시키는, 드럼 위의 어떠한 먼지, 파워 등이 없도록 세정된 드럼(21)을 포함한다. 또한, 기판(1)의 한쪽 표면은 세정이 되고, 기판은 세정된 면으로 드럼과 마주하면서 드럼의 주위를 둘러싼다. 기판은 가령 접착제 또는 다른 것을 사용하는 어떠한 공지된 방법을 사용하여 드럼에 부착된다.
기판(1)은 드럼 위에 갭, 바람직하게는 약 6.35mm(1/4 인치)의 폭을 남기고 싸여진다. 바람직하게는 드럼 위의 동일 위치에 위치되는, 갭(23)은 선형물질의 제거를 용이하게 한다.
일단 기판(1)이 드럼(21)에 적층이 되면, 기판은 부드러워지고 바깥쪽 표면은 세정된다. 이렇게 세정되는 동안, 드럼 작동자는 어떠한 함유물(inclusion), 혹 등을 한정하기 위하여 기판을 향해 세게 누른다. 이렇게 되면, 혹은 부드럽게 없어질 수 있도록 레이저 날로 스크레이프되어 진다.
드럼이 회전되는 동안 폴리이소부틸렌-헥산 접착제 혼합물이 폼 브러쉬로 기판에 적용된다. 충분한 양, 바람직하게는 두 배의 폴리이소부틸렌-헥산 접착제 혼합물이 코팅되어야 하며, 이로써 와이어 또는 섬유가 드럼에 권취되는 동안에 기판 위로 이동이 되지 않는다. 이 코팅은 다음 물질이 코팅되기 전에 완전히 건조되어야 한다. 이 코팅은 또한 어떠한 거품, 방울, 브러쉬 스톡 또는 섬유 간격을 혼란시키는 어떠한 다른 결함을 가져서는 안된다.
도 2에 대해 좀 더 설명하면, 장치(20)는 드럼 주위로 적층되는 섬유(5)를 지지하는 섬유 릴(25)을 포함한다. 섬유(5)는 인장 휠(29) 및 정렬기(31)를 통해 공급된다. 그런 다음, 섬유(5)는 드럼의 한 쪽 에지 근처의 기판에 테이프 접착된다. 정렬기 팁(33)이 섬유의 곁에 위치되고 드럼 권취가 시작된다. 섬유가 드럼의 주위를 바람직한 폭으로 권취될 때, 권취 공정이 멈춘다. 섬유는 먼저 바람직하게는 주어진 인장에 대해서 섬유가 와이어보다 더 낮은 변형 값을 가지기 때문에 권취되고, 결함없는 매트 또는 선형물을 얻기 위하여 높은 점도 물질이 바깥쪽에 있어야 한다. 매트가 요구되는 만큼 커질 때, 권취가 멈춰지고 섬유의 끝이 기판 위에 테이프 접착된다. 그런 다음, 섬유는, 바람직하게는 아세톤 용제 내에 1%의 PPMA 비중을 가지고 장벽 코팅이 된다.
도 1 및 도 2에 대해 설명하면, 일단 섬유(5)가 드럼 주위에 나선형으로 권취되고 장벽층(7)으로 코팅이 되면, 점착 접착제(3)가, 바람직하게는 두 번의 코팅이, 와이어를 권취하는 점착 표면을 구비할 수 있도록 섬유 매트에 적용된다. 정렬기(31) 및 정렬기 팁(33)을 포함하는 드럼 권취기 횡단 장치는 와이어가 섬유와 동일한 방향으로 권취될 수 있도록 랩의 시작점으로 되돌아와야 한다. 와이어(11)는 인접하는 섬유에 의해 만들어진 홈에 놓여지지 않을 반대 방향으로 권취되서는 안된다. 와이어 스풀이 섬유 스풀 대신 드럼 권취기 내에 장착되고 와이어는 권취기를 통해 공급되며 섬유와 같은 방식으로 드럼에 테이프 접착된다. 그런 다음, 와이어는 섬유와 마찬가지로 세팅된 동일 드럼 권취기에 권취되고 매트가 필요한 만큼 커졌을 때 테이프 접착된다.
도 3a 내지 도 3c에 대해 설명하면, 와이어(11)는 도 3b 및 도 3c에 도시한 바와 같이 원형의 횡단면 또는 횡형 단면 형상(11')를 갖는다. 도 3b에서, 횡형 와이어(11')는 오른쪽으로 각이 진 형상으로 와이어의 바깥 표면을 따라 세로 방향으로 뻗어있는 요홈(13)을 형성한다.
이와 유사하게, 도 3c를 설명하면, 와이어(11')는 아치형 요홈(13')을 갖는다.
복합 선형물에서 전체 체적에 대한 고체(섬유 및 와이어)의 비(ratio)인 주어진 복합물의 녹색 밀도를 와이어의 크기 및 형상이 결정하기 때문에, 와이어 형상(11')(11')은 증가된 밀도를 제공한다. 이 증가된 밀도는 특정한 요소의 제조 능력을 향상시킨다. 바람직하게는, 원형 와이어 또는 와이어 형상(11')(11')은0.178mm(0.007 인치)의 직경 또는 횡단 폭을 갖는다.
도 3a에서, 원형 와이어(11)는 약 80%의 녹색 밀도를 갖는다. 반대로, 도 3b 및 도 3c는 각각 90 및 98%의 녹색 밀도를 제공한다.
도 1에 대해 다시 설명하면, 그 다음으로 와이어 랩(11)이 하기의 방법으로 점착 접착제(3)로 코팅된다. 먼저, 용제층이 와이어(11)에 증착된다. 이 용제층은 섬유와 와이어의 사이에 배열된 점착 접착제(3)에 부분적으로 용해된다. 또한, 이 용제는 바람직하게는 헥산이다. 이러한 초기의 용제층의 적층에 이어서, 증가된 점도를 가지는 세 층의 점착 접착제 코팅이 형성된다. 세 개의 점착 접착제 코팅 중 처음 두 개는, 처음으로 적층된 가장 얇은 혼합물인, 섬유(5)를 코팅하는 데에 사용된 점착 물질보다 점성이 적은 물질이어야 한다. 본 실시예에서, 첫 번째 점착 접착제 코팅은 0.1%의 폴리이소부틸렌/헥산 혼합물을 사용하고 이어서 0.75%의 폴리이소부틸렌/헥산 혼합물을 사용한다. 이들 두 개층의 각각의 코팅은 마지막 점착 접착제층이 증착되기 전에 증착된다. 이 마지막층은 상기에서 설명한 점착 접착제 물질 조건을 충족시키는 어떠한 물질이라도 가능하다. 또한, 1%의 폴리이소부틸렌/헥산 혼합물이 바람직하다.
일단 최종 점착 접착제 물질층(3)이 증착되면, 섬유 강화 복합물의 공지된 기술에서의 사용을 위한 완전한 선형물이 드럼으로부터 떨어져 나와 형성될 수 있다.
도 4는 등급적으로 배열한 섬유 간격을 이용하는 다른 선형물(10')을 도시한다. 즉, 섬유들은 중심선 간격(S1)을 가지는 접착제 코팅된 기판(1) 주위에 권취된다. 그런 다음, 횡단 속도 및/또는 드럼 회전은 섬유 간격이 S2에 의해 표시된 중심선까지 증가할 수 있도록 변한다. 그런 다음, 간격(S2)은 바람직한 선형물에 대해 다른 간격이 요구될 때 까지 계속된다. 그런 다음, 횡단속도 및/또는 드럼 회전은 요구되는 더 작은 또는 더 큰 간격을 이룰 수 있도록 다시 바뀐다. 선형물(10') 제조 공정은 상기 설명한 등급적으로 배열한 섬유 간격을 제외하고는 선형물(10)에 대해 상기 설명한 바와 동일하다는 것은 말할 것도 없다.
선형물(10')은 축상으로 강화된 관모양 구조에서의 사용에 이상적이다. 이러한 구조를 제조하는 동안, 선형물(10')은 각 연속적인 층과 함께 말려지거나 이전의 것과 계속하여 맞물린다. 이러한 맞물림(meshing)은 도 5에 가장 잘 도시되어 있고, 일련의 선형물(10')은 원통 형태(30)로 말려진다. 원통 위에서의 선형물(10')의 말림 또는 선형물(10')의 형성 및 중심 축으로부터의 방사 거리의 증가(원주의 왕복 길이의 증가)의 결과로써, 섬유 및 와이어의 간격은 서로 바람직하게 인접되도록 적층되는 각각의 연속적인 선형물에 대해 증가되어야 한다. 원통형 폼(30)에 인접한 섬유는 S1으로써 표시되는 간격을 필요로 한다. 섬유의 다음 왕복은 차후에 적층되는 선형물의 원주 길이 증가의 결과로서 더 큰 간격(S2)을 필요로 한다. 이와 마찬가지로, 다음의 섬유층은 더 큰 간격(S2)을 요구한다. 제조되는 요소의 기하학을 인지하고 있기 때문에, 선형물을 제조하는 동안 섬유 간격은 도 5의 각 선형물층이 적층된 선형물층의 항상 증가하는 원주 거리를 수용하기 위하여 증가하는 섬유 간격을 가질 수 있게끔 조절될 수 있다(도 4 참조).
장벽층 및 접착제는 설명의 목적을 위해 도 5에서는 도시하지 않은 것은 말할 것도 없다.
도 6은 와이어만을 포함하는 다른 선형물(40')을 도시한다. 와이어 선형물(40')은 섬유(5)가 없는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2에서 설명한 실시예와 유사하게 제조된다. 와이어(11)는 접착제 코팅된 기판(1) 위에 곧바로 권취되고 장벽 코팅(7)이 된다. 다른 접착제층(3)이 이 위에 증착된다. 선형물(40')은 바람직하게는 상기에서 설명한 와이어/섬유 선형물을 사용하는 섬유 강화 복합물의 제조에서 단결정 물질 또는 코팅으로써 사용된다.
다양한 수의 접착제 및 장벽 코팅 물질의 층이 제시되었지만, 층의 수는 와이어, 섬유 또는 바람직한 복합물 기하학에 따라 달라질 수 있다. 즉, 상기에서 제공되는 단계가 적용되는 동안, 하나 또는 그 이상의 장벽 및 접착제 코팅이 요구될 수 있다. 게다가, 점도 또한 이들 각각의 코팅 물질에서 용제의 비의 조절에 의해서 조절될 수 있다.
상기 설명한 선형물은 특히 와이어 물질이 티타늄 또는 티타늄 합금이고 섬유 물질은 실리콘 카바이드인 티타늄 매트릭스 복합물에 적합하다. 또한, 와이어는 티타늄 합금 및 알루미늄과 같은 다른 요소가 될 수 있거나, 별개의 금속 또는 티타늄과 같은 합금과 알루미늄 와이어와의 결합이 가능하다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 도 7 및 도 8에 대해 설명하면, 권취 구조에따라 권취된 섬유 및 와이어가 내부 직경으로부터 외부 직경으로 연속적인 섬유사의 권취 요소를 제조하는 방법 및 장치가 제시된다. 이제 도 7에 대해 설명하면, 크릴 시스템이 일반적으로 참조부호 50으로 표시된다. 크릴 시스템(50)은 와이어 및 섬유의 축이 일반적으로 권취 표면에 수직으로 유지될 수 있도록 섬유 및 와이어를 권취하는 능력을 가지고 있다. 이는 도 2에 도시한 바와 같이, 섬유가 끊어지게 야기시킬 수 있는 종래 섬유 및 와이어의 나선형의 권취 기술과는 상반된다.
크릴 시스템(50)은 그 주위에 굴대(53)를 가지는 드럼(51)을 포함한다. 일련의 섬유 보빈(55)이 구비되는데, 한 개의 보빈이 주어진 섬유층의 각 섬유마다 주어진다. 마찬가지로, 일련의 와이어 보빈(57) 또한 주어지는데, 각 와이어 보빈은 층내의 주어진 와이어에 대응한다. 가이드(59)는 드럼 권취를 위해 섬유(5)와 와이어(11)를 맞물림 가이드(61)로 향하게 한다. 보빈(55)(57)은 단지 명확성의 목적을 위해 과장된 간격으로 도시되었음은 말할 나위도 없다. 얼마간의 보빈(55)(57)은, 선형물의 바람직한 폭 및 굴대 위에 권취된 층의 수에 따라서, 폭 방위 및 수직 방위에 사용된다.
참조부호 63은 가이드(61)에 의해 맞물려진 와이어/섬유를 따라 자른 확대된 횡단면도를 나타낸다. 와이어(11)는 섬유(5) 사이에 인접하고 참조부호 65로 표시되는 이 스택 장치내의 굴대(53)에 권취된다. 상기에서 설명한 바와 같이, 스택 장치(65)는 섬유(5) 및 와이어(11)의 단일층 또는 이들의 다중층을 포함할 수 있다. 다중층을 사용할 때, 다수의 보빈(55)(57)은 수직 방위로 적용된다.
권취의 초기화에 앞서서, 각 보빈(55)(57)은 전체의 권취 요소를 완성시키기위하여 충분한 섬유 또는 와이어를 포함해야 하고, 그렇지 않으면 섬유 간격을 혼란시키는 접합(splicing)이 요구된다. 스풀의 수 및 요구되는 물질의 길이는 부분 형상과 바람직한 축 및 방사적인 섬유 간격에 의해 결정된다. 또한, 와이어(11)는 상기 언급한 바와 같이 크기, 형상 및 합금 구조를 변화시킬 수 있다.
권취에 앞서서, 섬유 및 와이어가 가이드(59)(61)를 통해 공급되고 굴대(53)에 부착된다. 섬유 및 와이어는 굴대 위에서 한 위치에 부착될 수 있지만, 바람직하게는 별개의 위치에 부착된다. 이 굴대로의 부착은, 섬유 및 와이어를 늦추지 않고 회전시킬 수 있을 정도로 충분히 강하며 완전하게 가스를 배출시킬 수 있는 어떠한 물질을 이용하여 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 부착은 참조부호 67에 의해 표시되는 시아노아크릴 접착제를 적용함으로써 이루어진다.
일단 와이어(11) 및 섬유(5)가 접착제(67)를 이용하여 부착이 되면, 굴대(53)가 회전이 되고 섬유 및 와이어는 요구되는 많은 층들이 형성될 때 까지 권취된다. 섬유/와이어 권취에 의해 형성된 예시적인 링 구조의 횡단면이 도 8에 도시된다. 도 8로부터 명확해지는 바와 같이, 와이어(11)는 인접하는 섬유(5)에 의해 형성되는 홈내로 빠진다. 권취가 완료된 후, 섬유 및 와이어는 동일한 접착제(67)를 이용하여 부착된다. 그런 다음, 어떠한 과잉 와이어 또는 섬유가 선형물로부터 절단된다. 그런 다음, 섬유 강화 링 또는 디스크로의 이후의 공정을 위해 굴대(53)가 드럼(51)으로부터 제거된다.
스택 장치내에 와이어 및 섬유를 권취시킴으로써, 각 섬유 및 와이어의 권취축은 권취 동안에 대개 일정하게 유지된다. 즉, 와이어 또는 섬유의 어떠한 방사적인 움직임도 없다. 따라서, 특히 섬유에 대한 끊어짐이 덜 발생하고, 개선된 선형물이 형성된다.
이와같이, 본발명은 상기에서 설명한 본 발명의 목적 중 하나를, 그리고 모두를 수행하는 바람직한 실시예의 관점에서 제시되었고, 복합물 제조를 위한 개선된 와이어 선형물 및 이를 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
물론, 본 발명 기술의 다양한 변화, 변경 및 개조가 본 발명의 원리 및 그 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음은 이 분야에 종사하는 사람들에 의해서 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명은 단지 첨부된 청구범위에 의해서만 한정하고자 한다.

Claims (7)

  1. 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 제조 방법에 있어서,
    a) 기판을 준비하는 단계;
    b) 상기 기판에 접착제의 제 1 의 층을 적용하는 단계;
    c) 상기 접착제에 다수의 섬유를 개별적인 간격으로 적용하는 단계;
    d) 상기 섬유 위에 장벽층을 적용하는 단계;
    e) 상기 장벽층 위에 상기 접착제의 제 2 의 층을 적용하는 단계;
    f) 상기 장벽층을 덮는 상기 접착제의 상기 제 2 의 층 위에 개별적인 간격으로 다수의 와이어를 적용하는 단계; 및
    g) 상기 다수의 와이어 위에 상기 접착제의 제 3 의 층을 적용하는 단계를 포함하며;
    h) 상기 접착제 및 상기 장벽층은 서로 불용해성인 것을 특징으로 하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 접착제는 용제로써 헥산을 사용하고 상기 장벽층은 용제로써 아세톤을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 접착제는 폴리이소부틸렌을 포함하고 상기 장벽층은폴리메틸메타아크릴인 것을 특징으로 하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어는 티타늄 또는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어는 인접하는 섬유를 수용하기 위한 요홈을 갖는 횡단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 선형물이 교차되는 다수의 섬유 및 와이어층을 형성하기 위하여 굴대 주위에 권취될 때, 인접하는 섬유간의 간격이 상기 굴대 주위에 권취된 연속적인 섬유층에 대해 증가할 수 있도록, 상기 섬유가 상기 기판에 적층될 때 개별적인 간격으로 적층될 수 있도록 조정되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물 제조 방법.
  7. 복합물 제조를 위한 와이어 선형물에 있어서,
    a) 기판;
    b) 상기 기판 위의 접착제의 제 1 의 층;
    c) 개별적인 간격으로 상기 접착제의 상기 제 1 의 층에 적층되는 다수의 섬유;
    d) 상기 섬유에 적층되는 장벽층;
    e) 상기 장벽층에 적층되는 상기 접착제의 제 2 의 층;
    f) 상기 접착제의 상기 제 2 의 층에 적층되는 다수의 와이어; 및
    g) 상기 다수의 와이어에 적층되는 상기 접착제의 제 3 의 층을 포함하며;
    h) 상기 접착제 및 상기 장벽층은 서로 불용해성인 것을 특징으로 하는 복합물 제조를 위한 와이어 선형물.
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