KR100590899B1 - 강화 물품 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

2차원 플랫 직물로부터 만들어진 강화 등을 제공하기 위한 직물이 제공된다. 상기 2차원 플랫 직물은 경사 및 위사 섬유가 서로 인터로킹되어 있는 부분 및 서로 인터로킹되어 있지 않아서 커팅 및 다팅의 필요성 없이 상기 2차원 직물이 접혀서 3차원 구조물을 형성하도록 하는 부분을 포함한다.

Description

강화 물품 및 그 제조방법{Reinforced article and method of making}

본 발명은 열성형 또는 그 목적에 적당한 다른 수단에 의하여 3차원 물품으로 성형된 섬유 강화 지지체(textile reinforced substrate)에 관한 것이다.

섬유 강화 복합 구조물(fiber reinforced composite structures)은 강도(strength)와 같은 기계적 장점을 제공하면서도 경량이라는 이점을 누린다. 그러나, 많은 응용분야에서 몰딩된 플라스틱, 목재 또는 금속 구조물이 코스트 측면에서 선호되는데, 이는 이들이 제조하기 비교적 용이하기 때문이다. 그러나, 종종 패키지 또는 저장 크레이트(storing crate)와 같은 물품은 난폭한 취급 때문에 손상받기 쉽거나 또는 중량 및 강도 측면에서 스태킹(stacking) 능력에 한계가 있다. 섬유 강화 복합 구조물이 보다 바람직하지만, 비교적 복잡한 3차원(3D) 구조물을 제조하는데 소요되는 비용이 고려의 대상이다.

이는 복합 구조물은 통상적으로 섬유의 우븐 플랫 지지체(woven flat substrate)를 출발재료로 하여 제조되기 때문이다. 이어서 이 지지체는 물품의 형태로 형상화되어야 하고, 이 물품은 다시 수지로 코팅되고 소망되는 형상으로 열성형되거나 또는 경화된다. 이는 비교적 평평하거나 또는 매끄러운 표면의 경우에는 용이하게 이루어질 수 있다. 그러나, 박스 또는 크레이트에서의 면과 면이 만나는 곳, 코너, 및 바닥에서와 같은 각이 진 표면의 경우에는 커팅 또는 다팅(darting)을 필요로 한다. 이는 다소 노동집약적이어서 제조 코스트를 증가시킨다. 예를 들면, 패키징 크레이트와 같이 통상적으로 값싼 것으로 생각되는 물건의 경우, 증가된 비용이 이 물건이 강화되는 것의 이점을 능가할 수 있다.

우븐 3D 구조물(woven 3D structure)은 특별한 기계에 의하여 제직될 수 있지만, 이에 관련된 비용은 막대하며 또한 간단한 구조물을 형성하기 위한 직기를 갖는 것은 바람직하지 않다.

따라서, 많은 응용분야에서 비교되는 플라스틱, 목재 또는 금속 구조물을 대체하는 데 섬유 강화 물품이 소망스럽지만, 이의 제조방법에 관련된 코스트를 감소시킬 필요성이 존재한다. 이 코스트를 감소시킴으로써 또한 이 물품이 비교적 대량생산될 수 있으며 또한 이 물품이 널리 응용될 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 주요한 목적은 3D 구조물을 제조하기 위하여 강화 직물을 커팅하고 다팅할 필요성을 최소화하거나 제거하는 것이다.

상기 목적의 일부분으로서 본 발명의 다른 목적은 그러한 구조물의 제조를 단순화하고 노동력 필요량을 감소시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 3D 구조물을 형성하는 데 특수한 직기를 필요로 하는 것을 회피하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다양한 종류의 다른 3D 구조물을 형성하는 데 용이하게 응용될 수 있는 강화 직물의 제조방법을 제공하는 것이다.

이들 및 다른 목적 및 장점은 본 발명으로부터 분명하게 될 것이다. 본 발명은 3D 복합 구조물용 강화물로서 적당한, 특수하게 설계된 직물을 제공하기 위한 것이다. 상기 섬유 강화물은 통상적인 직기상에서 제직될 수 있는 것이다. 이는 우븐 2D 구조물로서 출발하여 이어서 3D 구조물, 특히 디프 드로(deep draw)를 갖는 구조물로 성형된다. 이를 제공하기 위하여, 상기 강화 직물은 조직의 일 부분에서 경사 및 위사는 서로의 위에 가로 놓여지지만 인터로킹되지(interlock) 않는 방식으로 제직된다. 직물이 드로잉(drawing)되거나 특정 형상으로 접힐(folding) 때 이 부분에서 섬유는 독립적으로 움직일 수 있고 또한 서로를 지나 미끄러질 수 있다. 상기 부분이 직사각형 또는 정사각형 형상인 경우 이 부분은 경사 및 위사 모두가 서로 접혀져서 일방향으로 배열되도록 붕괴될 수 있는 데, 이에 의하여 최종 구조물에서 압축 컬럼(compression column)으로서 작용하는 코너가 형성된다.

강화 직물을 형성하는 다른 방법은 스티치 접합 직물(포)(stitch bonded fabrics)을 통한 것이다. 이들은 고속 섬유 레이잉/섬유 배열(fiber laying/fiber placement) 기술 및 니팅 기술의 조합을 통하여 제조된 직물이다. 스티치 접합 직물에서, 경사 및 위사 방향의 섬유 또는 실은 교착(interlace)되어 있지 않다. 니팅 니들은 경사 및 위사의 각 교차점을 제3의 스티치사(stitching yarn)로 인터로킹(interlock)한다. 스티치사는 또한 이웃한 스티치사의 웨일(wale)을 접합한다. 본 발명에서, 선택된 영역의 경사 및 위사는 스티치사에 의하여 접합되지 않아서 상기 구현예의 "부직(non-woven)" 영역에 유사한 영역을 형성한다. 따라서, 이들 영역에서, 직물이 드로잉되거나 특정 형상으로 접힐 때 섬유들은 독립적으로 움직 일 수 있고 또한 서로를 지나 미끄러질 수 있다.

강화 직물을 형성하는 또 다른 방법은 두개의 섬유층을 서로에 대하여 90도(또는 다른 각도)로 놓은 후 이어서 선택된 영역에서 경사 및 위사 교차점에서 서로 접합시키는 것이다. 이는 상기 두 방향의 섬유 중 적어도 하나는 열가소성 섬유이거나 또는 열가소성 코팅 또는 성분을 갖는 섬유로 이루어진 것을 필요로 할 것이다. 접합된 영역은 "우븐(woven)" 영역으로 작용할 것이다. 접합되지 않은 영역은 앞의 구현예와 유사하게 "논우븐(non-woven)" 영역으로서 작용할 것이다.

본 발명에 의하여 그 목적 및 장점이 실현될 것인 데, 본 발명의 설명은 다음의 도면과 관련하여 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 가르침을 구체화한 플랫 2D 직물의 구성을 나타낸다.

도 2a-2b는 상기 직물을 접거나 또는 드로잉 다운(drawing down)하여 디프 드로를 형성하는 순서를 나타낸다.

도 3은 경사 및 위사가 인터위브(interweave)되지 않은 복수의 영역을 구비함으로써 접거나 또는 드로잉 다운하였을 때 복잡한 구조물을 형성하는 2D 직물을 나타낸다.

도 4는 도 3에 도시된 직물로부터 형성된 3D 구조물의 사시도이다.

도 5는 본 발명의 가르침을 구체화한 스티치 접합 직물의 사시도이다.

도 6은, 본 발명의 가르침을 구체화한, 스티치사에 의하여 접합되지 않은 선택된 영역을 갖는 스티치 접합 직물의 사시도이다.

이제 더욱 상세하게 도면을 참조하면, 유사한 부재에는 유사한 참조번호가 부여될 것이다. 도 1에는 본 발명을 나타내는 플랫 2D 강화 직물(10)이 도시되어 있다. 직물(10)은 평직, 주자직, 능직 등과 같은 임의의 종래의 직물 패턴 또는 본 발명의 목적에 적합한 임의의 패턴을 이용하여 제직될 수 있다. 사용되는 섬유는 제직될 수 있는 임의의 섬유일 수 있는 데, 유리, 케블라

(Kevlar

), 카본, 나일론, 레이온, 폴리에스테르, 면 등을 포함하는 합성 또는 천연 섬유일 수 있다. 이 사용되는 섬유는 종래의 통상적인 직기에서 제직될 수 있다.

도 1에서, 경사는 방향 A로, 위사는 방향 B로 도시되어 있다. 도시의 목적상 직물(10)은 접힘선(30-36)을 따라 분할된 영역들(12-28)로 분할되어 있다. 영역(12-18) 및 영역(22-28)에서 섬유들은 경사가 위사를 교차(intersect)하는 통상적인 방식으로 제직된다. 영역(20)에서 이들 섬유들은 인터로킹되지 않는다, 즉 위사는 경사 아래에서 플로우팅(float)된다. 영역(20)에서 섬유들은 따라서 서로 독립적으로 움직일 수 있다.

직물(10)이 제조되면, 이어서 소망하는 형상으로 성형될 수 있다. 이 직물이 강화 구조물로서 작용하는 경우에는, 이 직물은 소망하는 재료 또는 수지로 함침될 수 있으며, 이어서 소망하는 형상으로 성형 또는 열성형된다. 또는, 구조 섬유 및 열가소성 수지로 이루어진 코밍글링된 토우(co-mingled tows)가 제직되어 프리폼(preform)을 형성할 수 있는데, 이는 이어서 열성형된다.

이제, 도 2a-2b를 참조하면, 도 2a에 플랫 2D 강화 직물(10)이 도시되어 있 다. 직물(10)은 이어서 도 2b에 도시된 바와 같이 경사 섬유에 평행한 접힘선(30, 32)를 따라 접힌다. 직물(10)은 이어서 도 2c에 도시된 바와 같이 위사 섬유에 평행하고 경사 섬유에 수직한 접힘선(34, 36)를 따라 접힌다. 이러한 공정에서 영역(20)의 경사 및 위사 섬유는 인터로킹되어 있지 않으므로, 이들은 서로를 지나서 미끄러질 수 있고 궁극적으로 도 2d에 도시된 바와 같이 코너(38)에 축적된다. 코너(38)의 섬유는 이제 일방향이고, 압축 컬럼으로서 작용할 수 있으며, 성형된 구조물의 강도를 증가시킨다. 이와 같은 공정은 소망되는 형상의 몰드를 구비한 열성형 장치 또는 이러한 목적에 적당한 다른 수단에 의하여 자동적으로 실시될 수 있다; 이어서 이 구조물은 히트 세팅 또는 경화된다.

상기한 공정은 유리하게도 커팅 또는 다팅의 필요성을 없게 하므로, 노동력 소요량 및 물품의 최종 코스트를 감소시킨다. 본 발명은 제조 자동화를 촉진시킬 수 있으며 따라서 강화 구조물이 사용될 수 있는 응용분야를 넓힌다.

이제 도 3을 참조하면, 도 3에 플랫 2D 직물(110)이 도시되어 있다. 직물(110)은 우븐 구조물에서 경사 섬유가 단지 위사 섬유 상에 놓여 있는 복수개의 영역(120)을 나타낸다. 이러한 직물(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 복잡한 강화 구조물(130)로 접혀지고 성형될 수 있다. 물론 경사 및 위사 섬유가 인터로킹되지 않는 영역의 사이즈 및 위치를 변경함으로써 다른 형상도 형성될 수 있다.

다른 구현예에서, 수년 동안 설계되어 왔던 종래의 직기를 대체하는 직물 성형 기계가 있는데, 이들 중 몇몇은 고속 섬유 레이잉/섬유 배열(fiber laying/fiber placement) 기술 및 니팅 기술의 조합에 기초한다. 상기한 바와 같 이, 이러한 기계상에서 제조된 직물은 종종 "스티치 접합 직물" 또는 "니팅 스루(knitting through)" 기술로 지칭된다. 이러한 직물의 경사 및 위사 방향의 섬유 또는 실은 교착되지 않는다. 이들은 그 대신 층상으로 놓인다. 예를 들면, 경사는 직물의 일면상에 위치하고, 위사는 직물의 다른 면상에 위치한다. 스티치 접합 직물(200)을 도시한 도 5에 도시된 바와 같이, 니팅 니들은 경사(202) 및 위사(204)의 각 교차점을 제3의 스티치사(206)로 인터로킹(interlock)한다. 스티치사(206)는 두가지 목적에 이바지한다. 첫째, 이들은 각 교차점(208)에서 경사(202) 및 위사(204)를 접합한다. 둘째, 스티치사(206)는 또한 스티치사(206)의 웨일(210)을 이웃한 스티치사(206)의 웨일(210)과 접합한다. 이러한 상호연결이 없으면 직물은 형성되지 않을 것이다. 독일 오버트스하우젠(Obertshausen)에 소재하는 Meyer Textile Machine Corporation으로부터 입수가능한 Malimo

기술에 의하여 제조된 것과 같은 "표준" 스티지 접합 직물 디자인은 모든 사교차점(yarn intersection)이 스티치사(206)에 의하여 접합되도록 되어 있다. 그러나, 도 6에 도시된 것과 같이 본 발명에 의하여 제공되는 직물(200)은 스티치사(206)에 의하여 접합된 경사 및 위사를 갖지 않는 선택된 영역(214)을 갖는다. 이는, 유사한 방식으로 작동하는 앞에서 설명한 바와 같은 "우븐" 및 "논우븐(non-woven)" 영역을 형성하기 위하여 접합(binding)이 소망되는 영역 및 접합이 소망되지 않는 영역이 독립적으로 조절되도록 스티치사 메터니즘(stitching yarn mechanism)의 재디자인에 의하여 달성된다. 위사 방향으로 직물을 안정화시키는 위사의 존재 때문에 상기 스티치사에 의한 이웃한 웨일의 상호연결이 모든 디자인에서 반드시 필요한 것은 아닐 수 있다는 것 을 알 수 있을 것이다.

또한, 스티치 접합 직물이 경사, 위사 및 스티치사로 섬유상 매트 또는 베일(fibrous mats or veils; 214)을 결합하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 매트는 예를 들면 표면에 가해져서 더 매끄러운 표면 처리와 같이 바람직한 특성을 향상시킬 수 있다. 니팅 니들이 매트를 관통함으로써 스티치사에 의하여 이 매트가 직물에 접합되도록 하는 방식으로 섬유상 매트가 도입될 수 있다.

처음 설명했던 것과 유사한 방식으로 동작하는 강화 직물을 형성하는 또 다른 방법은 다음과 같다. 이는 2층의 평행사 또는 평행섬유와 관련이 있는데, 이들은 90도(또는 목적에 적합하다면 다른 각도)로 놓인 후 이어서 선택된 영역에서 서로 접합되어 경사 및 위사의 교차점에서 섬유 위치를 고정한다. 이 프로세스는 상기 두 방향의 섬유 중 적어도 하나는 열가소성 섬유로 이루어지거나 또는 열가소성 코팅 또는 성분(예를 들면, 코밍글링된 섬유(co-mingled fibers))을 갖을 것을 필요로 한다. 이러한 점에서, 상기 열가소성 코팅(또는 성분)은 그 폴리머(열가소성 재료)가 용융하여 이와 접촉하고 있는 섬유에 접착하는 점까지 가열된 후 냉각되어 반영구적인 접합(semi-permanant bond)을 제공할 것이다. 다른 영역은 접합되지 않을 것이다. 상기 접합이 없는 영역은 처음에 논의했던 "논우븐(non-woven)" 영역에 유사한 방식으로 자유롭게 움직일 것이다. 접합(bonding)은 전기가열 접촉점(electrically heated contact point), 레이저, 초음파 또는 목적에 적합한 다른 수단에 의하여 달성될 수 있을 것이다. 이러한 방법에 의하여 강화 직물의 제조 속도가 향상된다.

따라서, 본 발명에 의하여 그 목적 및 장점이 실현되며, 또한 여기에서 바람직한 구현예가 개시되고 설명되었지만, 본 발명의 범위는 그에 의하여 한정되는 것이 아니고 오히려 본 발명의 목적은 첨부된 청구의 범위에 의하여 결정되어야 할 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 직물을 이용하면 직물을 커팅하고 다팅할 필요성이 없거나 최소화하면서 3D 구조물을 제조할 수 있다. 따라서, 3D 구조물의 제조를 단순화하고 노동력 필요량을 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 3D 구조물을 형성하는 데 특수한 직기를 필요로 하지 않는다.

Claims (32)

1. 3차원 형상을 갖는 구조물 형성용 직물로서,

   상기 직물은,

   경사 및 위사 섬유;

   상기 직물의 제1 부분내의 서로 인터로킹(interlocking)되어 있는 경사 및 위사 섬유; 및

   상기 직물의 제2 부분내의 서로 인터로킹되어 있지 않으며 또한 서로 독립적으로 움직일 수 있는 경사 및 위사 섬유을 포함하고, 또한

   상기 경사 섬유에 평행한 제1 방향 및 상기 위사 섬유에 평행한 제2 방향으로의 상기 직물의 접힘(folding)이 상기 제2 부분의 상기 경사 및 위사 섬유가 서로 일직선이 되도록 함으로써 상기 제2 부분이 붕괴되는 것을 특징으로 하는 직물.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 의하여 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 직물.
3. 제1항에 있어서, 상기 직물은 복수개의 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 직물.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 의하여 둘러싸여 있는 것 을 특징으로 하는 직물.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 부분에서 경사 및 위사 섬유는 스티치 접합(stitch bonding)에 의하여 서로 인터로킹되어 있는 것을 특징으로 하는 직물.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2 부분에서 스티치 접합이 없는 것을 특징으로 하는 직물.
7. 제5항에 있어서, 상기 직물의 일 부분으로서 섬유상 매트(fibrous mat)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직물.
8. 제1항에 있어서, 복수개의 경사 또는 위사 섬유는 열가소성 재료, 열가소성 코팅 또는 성분을 포함하고, 또한 상기 제1 부분에서 경사 및 위사 섬유는 접합에 의하여 서로 인터로킹되어 있는 것을 특징으로 하는 직물.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2 부분에서 경사 및 위사 섬유는 접합되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 직물.
10. 제8항에 있어서, 접합은 열, 레이저 또는 초음파에 의하여 일어난 것을 특징으로 하는 직물.
11. 제1항에 있어서, 상기 경사 및 위사 섬유는 교착되지 않은 층(non-interlacing layers)에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 직물.
12. 제5항에 있어서, 상기 경사 및 위사 섬유는 교착되지 않은 층에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 직물.
13. 제8항에 있어서, 상기 경사 및 위사 섬유는 교착되지 않은 층에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 직물.
14. 제1항에 있어서, 상기 접힘(folding)은 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이에 형성된 교차점에서 일어난 것을 특징으로 하는 직물.
15. 3차원 형상을 갖는 구조물 형성용 직물의 제조방법으로서,

    경사 및 위사 섬유가 서로 인터로킹되어 있는 상기 직물의 제1 부분을 형성하기 위하여 경사 및 위사 섬유를 포함하는 직물을 형성하는 단계 ;

    상기 경사 및 위사 섬유가 서로 인터로킹되어 있지 않으며 또한 서로 독립적으로 움직일 수 있는 상기 직물의 제2 부분을 형성하는 단계; 및

    상기 제2 부분의 경사 및 위사 섬유가 서로 일직선이 되도록 함으로써 상기 제2 부분이 붕괴되도록 상기 직물을 접는 단계를 포함하는 제조방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 제2 부분이 상기 제1 부분에 의하여 둘러싸여 있도록 상기 직물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
17. 제15항에 있어서, 복수개의 제1 부분 및 제2 부분을 갖도록 상기 직물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 제2 부분이 상기 제1 부분에 의하여 둘러싸여 있도록 상기 직물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
19. 제15항에 있어서, 상기 경사 섬유에 평행한 제1 방향 및 상기 위사 섬유에 평행한 제2 방향에서 일어난 상기 직물의 접힘이 상기 제2 부분의 상기 경사 및 위사 섬유가 서로 일직선이 되도록 함으로써 상기 제2 부분이 붕괴되도록 하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 접힘은 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 사이에 형성된 교차점에서 일어나는 것을 특징으로 하는 제조방법.
21. 제15항에 있어서, 상기 제1 부분의 상기 경사 및 위사 섬유를 스티치 접합에 의하여 인터로킹시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
22. 제15항에 있어서, 복수개의 경사 또는 위사 섬유는 열가소성 재료, 열가소성 코팅 또는 성분을 포함하고, 또한 상기 제1 부분에서 경사 및 위사 섬유는 접합에 의하여 서로 인터로킹되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
23. 제22항에 있어서, 접합은 열, 레이저 또는 초음파에 의하여 일어나는 것을 특징으로 하는 제조방법.
24. 제15항에 있어서, 상기 직물은 열성형에 의하여 형상을 갖춘 3차원 구조물의 내부에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
25. 제21항에 있어서, 상기 직물은 열성형에 의하여 형상을 갖춘 3차원 구조물의 내부에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
26. 제22항에 있어서, 상기 직물은 열성형에 의하여 형상을 갖춘 3차원 구조물의 내부에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
27. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부분내의 상기 섬유들은 제직(woven)되어 있는 것을 특징으로 하는 직물.
28. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분내의 상기 섬유들은 부직(non-woven)되어 있는 것을 특징으로 하는 직물.
29. 제15항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부분은 제직(woven)되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
30. 제15항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부분은 부직(non-woven)되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
31. 제27항에 있어서, 상기 제2 부분내의 상기 섬유들은 부직(non-woven)되어 있는 것을 특징으로 하는 직물.
32. 제29항에 있어서, 상기 제2 부분은 부직(non-woven)되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.

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