KR100980530B1

KR100980530B1 - 벌크 수지 주입장치와 그 주입방법

Info

Publication number: KR100980530B1
Application number: KR1020087011000A
Authority: KR
Inventors: 마이클. 엘. 그레인; 데니스 제이. 행크스; 앤드류 이. 모딘; 잭 에이. 우즈; 티모시 디. 아퀴노
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2010-09-06
Also published as: US7633040B2; AU2006315458B2; JP5252433B2; US20070108665A1; EP1948425A2; EP1948425B1; KR20080066941A; WO2007059148A2; ES2349674T3; US20100040722A1; CN101365580A; DE602006016155D1; CN101365580B; ATE477107T1; WO2007059148A3; AU2006315458A1; JP2009515744A

Abstract

복합재 물품이 예비성형체 층, 수지 공급부, 맨드릴 및 배깅 필름을 포함하는 시스템에서 제조된다. 예비성형체 층은 복합재 물품에 대응한다. 수지 공급은 예비성형체를 주입하기에 충분하다. 맨드릴은 예비성형체 층을 수용하기 위한 예비성형체 수용영역과 수지 공급부를 수용하기 위한 수지 수용영역을 포함한다. 수지 수용영역은 예비성형체 수용영역에 인접한다. 배깅 필름은 예비성형체 수용영역과 수지 수용영역을 둘러싸는 외피를 생성하도록 조작가능하다.

복합재, 외피, 배깅 필름, 예비성형체, 주입, 경화

Description

벌크 수지 주입장치와 그 주입방법 {BULK RESIN INFUSION SYSTEM APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 일반적으로 수지 주입장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 진공보조식 수지 주입장치와 그 주입방법에 관한 것이다.

예컨대, 복합재와 같은 적층(laminated) 재료가 다양한 제품의 구조적 강성을 높이는데 널리 사용된다. 예를 들어, 복합재는 항공기 기체, 기체의 구조부재, 날개, 날개보(wing spar) 등을 만들기 위해 항공기 제조산업에서 일반적으로 사용된다. 고강도와 강성 및 저중량이 매우 중요한 가장 진보한 항공기 중 일부에서, 복합재는 외부의 표면이나 스킨(skin)은 물론 기체의 중요한 부분에 대하여 고려될 수 있다. 전형적으로, 이 복합재들은 폼(form) 위에 위치된 복수의 층으로 제조된다. 이 층들을 종종 부분적인 또는 전체적인 플라이(ply)라고 한다. 각 플라이는 단방향 섬유재료, 직포(woven fibers in a fabric), 브레이드(braid) 또는 다른 다양한 조직의 형태일 수 있다. 단방향 섬유재료의 플라이들은 종종 0°, 90°,±45°등과 같은 여러 스트랜드(strand) 방위 또는 방향으로 위치된다. 섬유들은 유리섬유, 탄소, 케블라(Kevlar^®) 등과 같은 인조 재료 및/또는 자연재료로 제조될 수 있다.
"건식 레이업(layup)"에 있어서, 강화재료의 플라이들은 폼 또는 맨드릴(mandrel) 위에 위치되고 이어서 에폭시와 같은 수지로 침투된다. 과잉의 에폭시가 레이업에 존재하면, 플라이들은 두께가 커질 수 있으며 강도는 추가하지 않고 레이업에 중량을 추가하는 에폭시 층 또는 포켓이 생성될 수 있다. 그러나, 플라이들이 에폭시로 불충분하게 침투되면, 내부 및/또는 외부 공극(void)이나 건조한 영역들이 생길 수 있다. 종래의 방법 및 장치들이 이 문제를 해결하기 위하여 채택되었지만, 이러한 종래의 해결책은 완전하게 성공하지 못하였다.
따라서, 적어도 어느 정도까지 본 명세서에 기술된 단점들을 극복할 수 있는 레이업에 수지를 주입하는 시스템, 장치 및 방법을 제공하는 것이 요구된다.

삭제

상기 필요성은 대부분 본 발명에 의해 충족되는데, 본 발명은 한 관점에 있어서 레이업에 수지를 주입하는 것을 용이하게 하는 시스템, 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 맨드릴에 관한 것으로서 예비성형체 수용영역과 이 예비성형체 수용영역에 인접한 수지 수용영역을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 맨드릴과 배깅(bagging) 필름을 포함하는 레이업에 수지를 주입하는 장치에 관한 것이다. 맨드릴은 레이업을 수용하도록 조작가능하다. 맨드릴은 예비성형체 수용영역과 이 예비성형체 수용영역에 인접한 수지 수용영역을 포함한다. 배깅 필름은 대기로부터 밀봉되며 예비성형체 수용영역과 수지 수용영역을 둘러싸는 외피를 생성시키도록 조작가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예는 복합재 물품을 제조하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 예비성형체 층, 수지공급부, 맨드릴 및 배깅필름을 포함한다. 예비성형체 층은 복합재 물품에 대응한다. 수지공급은 예비성형체를 주입하기에 충분하다. 맨드릴은 예비성형체 층을 수용하기 위한 예비성형체 수용영역 및 수지공급부를 수용하기 위한 수지 수용영역을 포함한다. 수지 수용영역은 예비성형체 수용영역에 인접한다. 배깅 필름은 대기로부터 밀봉되며 예비성형체 수용영역과 수지 수용영역을 둘러싸는 외피를 생성하도록 조작가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예는 물품을 제조하기 위하여 액상 수지를 섬유층에 주입하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 섬유층에 인접한 맨드릴에 일정량의 수지를 위치시키는 수단을 포함한다. 일정량의 수지는 섬유층을 주입하기에 충분하다. 이 장치는 수지에 일정량의 압축력을 생성시키기 위한 수단과 수지의 점성을 감소시키는 수단을 더 포함한다. 감소된 점성의 수지는 수지의 저항을 초과하는 압축력에 대응하여 섬유층에 주입된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 물품을 제조하기 위하여 액상 수지를 섬유층에 주입하는 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는, 일정량의 수지가 섬유층에 인접한 맨드릴에 위치된다. 일정량의 수지는 섬유층을 주입하기에 충분하다. 그리고, 일정량의 압축력이 수지에 생성되고 수지의 점성이 감소된다. 감소된 점성의 수지는 수지의 저항을 초과하는 압축력에 대응하여 섬유층에 주입된다.
본 명세서의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 그리고 당업계에 대한 본 발명의 기여가 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 실시예들을 상당히 넓게 약술하였다. 물론 하기에서 설명되며 본 명세서에 첨부된 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가 실시예들이 존재한다.
이런 점에서, 본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명이 그 응용에 있어서 그 상세한 구성에 제한되지 않는 것으로 그리고 첨부도면에 도시되거나 이하의 설명에 기재된 구성요소들의 배치에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 상술한 것들에 추가하여 실시예들이 가능하고 다양한 방식으로 실시되고 실행될 수 있다. 또한 요약서는 물론 본 명세서에 채택된 전문용어와 용어들은 설명을 위한 것이고 제한하고자 하는 것은 아니다.
복합재 물품을 제조하는 시스템은, 복합재 물품에 대응하는 예비성형체의 층과, 예비성형체를 주입하기에 충분한 수지 공급부, 상기 예비성형체의 층을 수용하는 예비성형체 수용영역 및, 상기 수지 공급부를 수용하는 수지 수용영역으로서 상기 예비성형체 수용영역에 인접하는 수지 수용영역을 구비하는 맨드릴과; 상기 예비성형체 수용영역과 수지 수용영역을 둘러싸는 외피를 생성하기 위한 배깅 필름;을 구비한다.
본 시스템은, 상기 배깅 필름을 맨드릴에 밀봉하기 위한 밀봉재를 더 구비한다.
본 시스템은, 밀봉재를 수용하기 위한 밀봉영역을 더 구비한다.
본 시스템은, 진공원에 유체연통하기 위한 출구 포트를 더 구비한다.
본 시스템은, 상기 출구 포트로 수지가 인출될 가능성을 감소시키기 위한 쵸크 영역을 더 구비한다.
본 시스템은, 상기 수지 공급부를 가열하기 위한 히터를 더 구비하고, 여기에서 수지를 초기에 가열하는 것은 수지 공급부의 점성을 감소시키고, 추가로 가열하는 것은 수지 공급부의 점성을 증가시킨다.
본 시스템은, 상기 히터가 오븐이다.
본 시스템은, 상기 히터가 압력 솥이다.
본 시스템은, 상기 히터가 맨드릴과 열접촉하는 전기장치이다.
본 시스템은, 배깅필름을 가로지르는 압력차를 생성하기 위한 진공 발생기를 더 구비하고, 상기 압력차는 수지를 예비성형체 내로 밀어넣는 압축력을 제공한다.
물품을 제조하기 위하여 섬유층에 액상 수지를 주입하는 장치는, 상기 섬유층에 인접한 맨드릴에 섬유층을 주입하기에 충분한 량의 수지를 위치시키는 수단과; 상기 수지에 일정량의 압축력을 생성시키는 수단; 및 상기 수지의 점성을 감소시키는 수단을 구비하고, 상기 감소된 점성의 수지가 수지의 저항을 초과하는 압축력에 대응하여 섬유층에 주입된다.
본 시스템은, 수지의 점성을 감소시키기 위하여 수지를 가열하는 수단을 더 구비한다.
본 시스템은, 물품을 제조하기 위하여 주입된 수지를 경화시키는 수단을 더 구비한다.
당업자라면 본 개시의 바탕에 깔린 개념은 본 발명의 다양한 목적을 실행하기 위하여 다른 구조, 방법 및 시스템을 위한 근간으로서 용이하게 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서 청구항들은 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나지 않는 균등물을 포함하는 것으로 간주되어야 한다는 것이 중요하다.

삭제

도1은 본 발명의 실시예에 따른 벌크 수지 주입시스템의 블록도이다.
도2는 도1의 벌크 수지 주입시스템과 함께 사용하는데 적절한 벌크 수지 주입장치의 단면도이다.
도3은 도1의 벌크 수지 주입시스템과 함께 사용하는데 적절한 맨드릴의 단면도이다.
도4는 도1의 BRI 시스템(10)과 함께 사용하기에 적절한 맨드릴(18)의 평면도이다.
도5는 본 발명 방법 또는 공정에 따라 수행될 수 있는 단계들을 나타내는 흐름도이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 라미네이트의 중량 변화(y축)와 섬유체적분율(x축)의 그래프이다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 부하 지탱 중량과 물품중량의 증가 또는 감소 퍼센트(y축)와 섬유체적분율(x축)의 그래프이다.
도8은 도1의 벌크 수지 주입시스템과 함께 사용하는데 적절한 수지 측정장치를 나타내는 상세도이다.

삭제

본 발명은 진공보조식 벌크 수지 주입(Bulk Resin Infusion: BRI) 시스템, 장치 및 방법을 제공한다. 몇몇 실시예들의 경우, BRI 시스템은 레이업을 유지하기 위하여 폼 또는 맨드릴을 포함한다. 레이업은 적어도 하나의 예비성형체의 플라이, 분할 필름, 및 주입 매체(media)를 포함한다. BRI 시스템은 대기로부터 밀봉되는 격막 또는 레이업을 둘러싸서 대체로 가스가 투과할 수 없는 격막(membrane)을 포함한다. 격막을 가로지르는 압력차에 대응하여, 압축력이 레이업에 가해진다. 이 과정을 전형적으로 "진공 배깅(bagging)"이라 한다. 그러나, 외피 바깥의 주변 압력을 증가시키는 것도 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "벌크 수지 주입"이라는 용어는 종래의 시스템보다 비교적 더 높은 유동속도로 예비성형체에 주입하는데 사용되는 수지를 말한다. 실시예에서, 이 높은 유동속도는 예비성형체에 인접하여 외피 내에 수지를 위치함으로써 달성될 수 있다. 이 방법은 보유 챔버로부터 예비성형체로 수지를 수송하는데 사용되는 임의의 배관 시스템을 감소시키거나 제거하며 비교적 높은 점성의 수지와 함께 사용될 수 있다. 어떤 고점성 수지들은 예컨대 항공우주산업, 레이싱 분야 등과 같은 상대적으로 하이테크 응용분야에서 유리할 수 있는 재료의 성질을 나타낸다.
그리고, 본 발명의 실시예들은 수지의 체적 대 섬유의 비율을 최적화하도록 구성된다. 더 상세하게는 도6과 도7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예들은 약 45% 내지 약 65%의 섬유 체적 분율을 달성하도록 구성된다.
본 발명의 여러 실시예들의 장점은 (1) 비교적 높은 점성을 갖는 수지배합(resin formulation)의 사용을 촉진하며 수지막 주입 공정에 통상적으로 적용되는 것들을 포함하고, (2) 주입 시스템의 복잡성을 감소시키는 것을 포함한다.
도면을 참조하면서 본 발명이 설명되는데, 같은 참조번호는 같은 부재를 나타낸다. 도1에 도시된 바와 같이, 진공보조식 벌크 수지주입(BRI) 시스템(10)은 예비성형체(14)에 수지(16)를 주입하기 위한 BRI 장치(12)를 포함한다. 예비성형체(14)는 예컨대 유리섬유, 탄소, 케블라(Kevlar^®) 등의 임의의 인조 재료 및/또는 자연재료와 같은 임의의 적절한 섬유 또는 다른 기공성 강화 매체를 포함한다. 예비성형체(14)에 수지(16)를 주입시키기 위하여, 외피(20)를 가로질러 압력차가 생성되어 외피(20)의 내부영역은 외피(20)의 외부영역보다 상대적으로 낮은 압력에 있다. 예를 들어, 외피(20)와 유체연통된 진공 발생기(22)는 외피(20)로부터 공기 및/또는 가스의 일부분을 제거하도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로 주위의 공기압이 외피(20)에 힘을 가할 수 있다. 여러 실시예에 따르면, 수지(16)는 상승된 온도 및/또는 압력을 받음에 따라 경화되는 열경화성 타입의 수지이다. 이런 점에서, BRI 장치(12)는 히터(26)로 가열될 수 있다. 특별한 예에서, 수지(16)는 경화되기 전에 실온에서 대체로 고체 또는 퍼티(putty)와 같은 형태이다. 소정의 온도 및/또는 소정의 시간으로 가열됨에 따라, 수지(16)가 예비성형체(14)로 흐르거나 주입되도록 수지(16)의 점성은 초기에 감소된다. 온도가 더 상승되고 및/또는 경화기간이 연장됨에 따라, 수지(16)의 점성이 증가되고 수지(16)는 대체로 비가역적인 화학적 중합반응에 기인하여 고화된다.
다른 실시예에서, 수지(16)는 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 일반적으로, 열가소성 수지의 점성은 종래의 주입 시스템에서 사용하기에 너무 높다. 몇 가지 경우에 열가소성 수지들이 BRI 시스템(10)과 함께 사용하기에 적절하다는 점이 본 발명의 실시예의 장점이다. 더 상세하게는, BRI 시스템(10)은 C자형 채널 또는 상대적으로 길고 좁은 다른 물품들에 열가소성 수지를 주입하는데 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 히터(26)는 수지(16)의 온도를 올리도록 또는 이와 다르게 수지(16)에 열 에너지를 부여하도록 구성된다. 히터(26)는 예컨대 가열부재, 전기담요 또는 기타 전기장치, 적외선 히터, 오븐, 압력솥(autoclave) 등과 같은 임의의 적절한 가열장치를 포함할 수 있다. 특별한 예에서, 히터(26)는 BRI 장치(12)를 수용하기에 충분히 큰 내부 체적을 가진 오븐이다. 다른 예에서, 히터(26)는 BRI 장치(12)를 수용하기에 충분한 체적을 구비한 압력챔버를 가진 압력솥이며, 압력챔버 내부의 온도 및/또는 주위 압력을 상승시키도록 조작가능하다. 가열 후에, BRI 장치(12)는 히터(26)로부터 제거되거나(28) 또는 이와 달리 냉각될 수 있다.
주입 및 임의의 경화공정의 결과로, 복합재 물품(30)이 생성된다. 복합재 물품(30)은 예컨대 "C자형 채널" 및 다른 구조부재들, 날개보, 동체 프레임, 패널 등과 같은 임의의 적절한 물품 또는 부품을 포함한다.
도2는 BRI 시스템(10)과 함께 사용하기에 적절한 BRI 장치(12)의 단면도이다. 도2에 도시된 것처럼, BRI 장치(12)는 예비성형체(14), 수지(16) 및 맨드릴(18)을 포함한다. 그리고, BRI 장치(12)는 분할필름(32A와 32B), 주입매체(34), 컬 판(caul plate; 36), 배깅필름(38), 밀봉재(40), 진공 포트(42) 및 출구 브리더(breather)(44)를 포함한다.
분할 필름(32A와 32B)은 BRI 장치(12)의 여러 다른 구성요소들에 대하여 경화된 물품(30)의 부착성을 줄이도록 조작가능한 임의의 적절한 이형필름(release film) 또는 박리(peel) 플라이를 포함한다. 일반적으로 적절한 분할필름은 수지(16)에 외관상 부착되지 않는 것들을 포함한다. 그리고, 적절한 분할필름은 이를 가로지르는 액상 수지의 흐름을 촉진시킨다. 특별한 예에서, 분할 필름(32A와 32B)은 아말론(Armalon^®)과 같은 테프론(Teflon^®) 코팅처리된 직조(woven) 유리섬유층이다. 도2에 도시된 바와 같이, 분할필름(32A)은 적어도 예비성형체(14)의 일부분을 덮도록 배치된다. 특별한 예에서, 분할필름(32A)은 수지(16)가 예비성형체(14)를 통해 흐르도록 하기 위하여 출구 브리더(44)에 비교적 가까운 예비성형체(14)의 가장자리로부터 뒤에 보유된다. 도2에도 도시된 바와 같이, 분할필름(32B)은 출구 브리더(44)의 적어도 일부분을 덮도록 배치되고 예비성형체(14)의 약간 아래로 뻗어 있을 수 있다.
주입 매체(34)는 예비성형체의 한쪽으로부터 예비성형체(14) 안으로의 수지(16)의 흐름을 촉진시킨다. 이런 점에서, 주입 매체(34)는 상대적으로 굵은 직포 또는 부직포 층을 포함한다.
컬 판(36)은 표면 특성의 수정을 촉진시키기 위해 선택적으로 포함된다. 만약 존재한다면, 컬 판(36)은 예비성형체의 윗면을 향하여 대응되게 형성된 아랫면을 가진 상대적으로 딱딱한 또는 강성의 재료를 포함할 수 있다. 이런 방식으로 예비성형체의 윗면은 컬 판(36)의 아랫면에 본질적으로 대응하도록 수정될 수 있다. 컬 판(36)은 그 강성에 의해 주입 매체(34)상에서 압력을 같게 하여 주입하는 동안 예비성형체와 주입 매체(34)에서의 임의의 국부적인 구김이나 물결무늬가 생기는 것을 방지한다. 이러한 국부적인 이상은 외피(20) 내의 압력이 불연속적인 위치들에서 외피(20) 밖의 압력과 평형을 이룰 때 생길 수 있다. 컬 판(36)에 추가하여 또는 이를 대체하여, 강체 막대(45)가 예비성형체(34)의 길이를 따라 위치될 수 있다. (길이방향은 도2에서 페이지 안쪽으로의 방향이다). 막대(45)는 주입 매체(34) 위에 그리고 수지(16)와 예비성형체(14) 사이에 위치된다. 막대(45)의 강성은 예비성형체(14)로의 수지(16)의 흐름을 계량하여 예비성형체(14) 상의 순(net) 압착압력의 국부적인 손실을 방지한다. 도8에 도시된 바와 같이, 계량장치의 다른 형태로는 비통기성 필름(47)과 주입 매체(34) 위에 중간쯤 벌크 수지(16)를 위치시키고 이어서 벌크 수지(16) 둘레로 필름(47)을 형성하고 접착 테이프(49)를 사용하여 필름(47)을 고정하는 것이다.
배깅 필름(38)은 압력차의 생성을 용이하게 하기 위하여 대기로부터 대체로 밀봉된 격막, 또는 기본적으로 가스가 침투할 수 없는 격막이다. 즉, 맨드릴(18) 위에서 밀봉되는 경우에, 배깅 필름(38)은 수지(16), 예비성형체(14) 및 BRI 장치(12)의 기타 여러 구성요소들을 둘러싸는 외피(20)를 형성하며, 크게는 공기 및/또는 기체들이 통과하지 못하게 한다. 일반적으로, 배깅 필름(38)은 임의의 적절한 비투과성 격막, 층 또는 경계를 포함한다. 배깅 필름을 제조할 수 있는 적절한 재료에는 플라스틱, 고무, 수지 등이 포함될 수 있다. 외피(20)로부터 뽑아낸 공기 및/또는 다른 기체들은 외피(20)의 내용물에 압축력을 가하는 압력차를 생기게 한다.
밀봉재(40)는 대기로부터 대체로 밀봉된 격막 또는 배깅 필름(38)과 맨드릴(18) 사이의 대체로 가스 비투과성 밀봉의 생성을 용이하게 한다. 여러 실시예에서, 밀봉재(40)는 임의의 적절한 밀봉재료 및/또는 방법을 포함한다. 적절한 밀봉재료 및/또는 방법의 예로는 끈적끈적한, 끈끈한 및 다른 접착 테이프 또는 끈, 열 밀봉, 탄성 밀봉 등을 포함한다. 다른 실시예에서, 밀봉재(40)는 선택적이며 생략할 수 있다. 예를 들면, 진공 필름(38)은 재사용가능한 자기밀봉(self-sealing) 백 또는 BRI 장치(12)가 놓여 있는 기타 외피를 포함할 수 있다.
진공 포트(42)는 BRI 장치(12)로부터 대기의 전부 또는 일부의 제거를 용이하게 한다. 예를 들면, 진공포트(42)는 진공 발생기(22)에 유동적으로 부착될 수 있다. 이런 방식으로 공기 및/또는 다른 가스가 진공 발생기(22)에 의해 BRI 장치(12) 내에서부터 인출될 수 있다.
출구 브리더(44)는 진공포트(42)를 매개로 가스들이 제거되는 표면영역을 증가시켜서 BRI 장치(12)로부터 대기의 제거를 용이하게 한다. 특별한 예에서는, 출구 브리더(44)가 기공성 세라믹 재료를 포함한다.
수지가 출구 브리더(44)로 인출될 가능성을 줄이기 위하여, 예비성형체(14)가 쵸크(choke) 영역(46)에서 뒤에 유지되어 있다. 이 쵸크 영역(46)은 주입공정을 효과적으로 늦추어 거의 순 수지(16)로 예비성형체(14)를 채우게 한다. 예비성형체(14)로부터 출구 브리더(44)로의 공기 및/또는 가스의 이동을 용이하게 하기 위하여, 분할필름(32B) 또는 다른 다공성 릴리즈(release: 이형) 재료가 적어도 어느 정도까지 예비성형체(14)의 아래로부터 뻗어있도록 그리고 출구 브리더(44) 전부 또는 대부분을 덮도록 쵸크 영역(46)을 가로질러 위치된다. 주입 매체(34)로부터 예비성형체(14)로의 액상 수지(16)의 인출을 용이하게 하기 위하여, BRI 장치(12)는 데드 존(dead zone; 48)을 포함한다. 주입 매체(34)와 분할 필름(32A)을 예비성형체(14)의 가장자리로부터 적절한 거리만큼 뒤에 유지시킴으로써, 액상 수지(16)의 유동 전방은 예비성형체를 전체적으로 또는 기본적으로 완전히 채운 후 쵸크 영역(46)으로 밀려 들어간다. 이런 식으로, 예비성형체(14)의 주입을 완료하기 전에 쵸크 영역(46)으로 수지(16)가 이동함으로써 야기되는 너무 이른 주입 중단이 실질적으로 제거된다.
BRI 장치(12)의 작동을 준비하기 위하여, BRI 장치(12)의 여러 구성요소들이 도2에 도시된 것과 유사한 방식으로 층층이 위치된다. 동작에 있어서, BRI 장치(12)는 예비성형체(14), 수지(16) 및 여러 층들을 둘러싸는 외피(20; 도1 참조)를 포함한다. 가스들이 출구 브리더(44)를 매개로 외피(20)로부터 인출되고 감압영역이 외피(20) 내에 형성된다. 외피(20)의 외부에 존재하는 임의의 분위기 압력이 작용하여 외피(20) 내의 구성요소들 위의 배깅 필름(38)을 누른다. 탄성력과 예비성형체(14) 내의 임의의 격자간 공간들에 의해 주입 매체(34)는 이 압축력에 저항하려는 경향이 있다. 수지(16)의 충분한 점성 감소와 예비성형체(14)를 가로지르는 델타(delta) 압력에 의해 수지(16)는 주입매체(34)로 주입되게되고, 분할필름(32A)을 가로질러 예비성형체(14)로 주입된다.
도3은 도1에 따른 BRI 시스템(10)과 함께 사용하기에 적절한 맨드릴(18)의 단면도이다. 도3의 맨드릴(18)은 도2의 맨드릴(18)과 유사하고 따라서 간결하게 하기 위하여 도2에 도시된 부재들을 도3에 다시 도시하지 않는다. 도3에 도시된 바와 같이, 맨드릴(18)은 물품(30)에 대응하는 예비성형체 영역(50)을 포함한다. 더 상세하게는 물품(30)은 "C"자형 채널이고 예비성형체 영역(50)은 이"C"자형 채널 프로파일에 대응하는 암 몰드(female mold)를 포함한다. 그리고 맨드릴(18)은 예비성형체(14)의 주입 전에 및/또는 주입 동안에 수지(16)를 보유하는 것이 용이하도록 하기 위하여 오목부 또는 함몰부를 포함하는 수지 영역(52)을 포함한다.
도4는 도1의 BRI 시스템(10)과 사용하기에 적절한 맨드릴(18)의 평면도이다. 도4의 맨드릴(18)은 도2와 도3의 맨드릴(18)와 유사하고 따라서 간결하게 하기 위하여 도2와 도3에 도시된 부재들을 도4에 다시 도시하지 않는다. 도3에 도시된 바와 같이, 맨드릴(18)은 물품(30)에 대응하는 예비성형체 영역(50)을 포함한다. 더 상세하게는 예비성형체 영역(50)은 물품(30)의 제조를 용이하게 하기 위하여 비교적 길다. 그리고 예비성형체 영역(50)과 접하는 수지영역(52)은 예비성형체(14)로의 수지(16)의 주입을 용이하게 하기 위하여 비슷한 길이를 포함한다. 더욱이, 출구 브리더(44)는 외피(20)로부터 공기 및/또는 가스를 비교적 균일하게 뽑아내는데 도움을 주도록 예비성형체 영역(50)과 비슷한 길이를 선택적으로 포함하고, 따라서 비교적 균일하게 수지(16)가 예비성형체(14)를 가로질러 예비성형체(14)로 흐른다.
도5는 물품(30)을 제조하기 위하여 예비성형체(14)를 수지(16)로 주입하는 방법(60)에 관련된 단계들을 나타낸다. 이 방법(60)을 개시하기 전에, 물품(30)이 설계되고 복합재 제품의 특성을 특정하는 컴퓨터 판독가능한 일련의 명령들이 생성된다. 이 명령들은 맨드릴(18)을 생성하는데 사용된다. 그리고, BRI 시스템(10)의 여러 구성요소들이 주입공정을 위하여 집합되고 준비된다. 다음의 단계62 내지 단계88은 본 명세서에 나타낸 것처럼 수행될 필요는 없고, 오히려 임의의 적절한 순서로 수행될 수도 있다. 이런 점에서, BRI 시스템(10)에 기능성을 주는 것은 구성요소들의 상대적인 병렬배치이며 그 위치되는 순서는 아니다.
단계62에서, BRI 시스템(10)이 준비된다. 예를 들어 맨드릴(18)은 수지(16)와 접촉할 수 있는 임의의 표면들에 릴리즈 코팅을 적용함으로써 주입공정을 위하여 준비될 수 있다. 그리고, 진공 라인들은 출구 포트(42)와 진공 발생기(22)에 부착될 수 있다.
단계64에서, 레이업이 위치된다. 일반적으로 레이업을 위치시키는 것은 예비성형체(14)와 기타 여러 층들을 맨드릴(18)의 지정된 표면에 위치시키는 것을 포함한다. 그리고, 수지(16)는 단계64에서 또는 다른 단계에서 위치될 수 있다. 더 상세하게는 단계66 내지 단계78이 레이업을 위치시키는 동안 수행된 과정을 나타낸다.
단계66에서, 예비성형체(14)가 위치된다. 예를 들어, 섬유상 재료의 하나 이상의 플라이 또는 층들이 예비성형체 영역에 위치된다. 플라이들은 섬유상, 단방향 및/또는 부직포 재료를 포함한다. 섬유상 재료로는 유리, 탄소, 케블라(Kevlar^®), 폴리머, 아라미드 및/또는 기타 다른 섬유들을 포함할 수 있다. 그리고, 플라이들은 맨드릴(18)에 배치되기 전에 또는 배치되는 동안 직조된 스트립(strip)을 포함할 수 있다.
단계68에서, 분할 필름(32)이 위치된다. 예를 들어, 분할 필름(32)은 예비성형체(14)와 그리고 적어도 출구 브리더(44)의 일부분 위에 배치된다. 추가로 분할 필름(32)은 예비성형체 영역(50)과 수지 영역(52) 사이에 개재된 맨드릴(18)의 일부분 및/또는 수지영역의 일부분 위에 배치될 수 있다.
단계70에서, 주입매체(34)가 위치된다. 예를 들어 주입매체(34)는 예비성형체(14)의 일부분을 덮도록 배치될 수 있다. 특별한 예에서, 데드 존(48)은 예비성형체(14)의 비교적 좁은 부분을 주입매체(34)로 덮지 않고 남겨둠으로써 생성된다. 이런 방식으로, 주입매체(34)를 가로지르는 수지(16)의 흐름이 예비성형체(14)로 향할 수 있다. 주입매체(34)는 일부 영역 위에 추가로 배치되거나 수지영역(52)에 접하여 추가로 배치될 수 있다. 이런 방식으로, 주입매체(34)는 수지영역(52)으로부터 예비성형체(14)를 가로질러 출구 브리더(44)를 향하는 수지(16)의 이송을 용이하게 할 수 있다.
단계72에서, 수지(16)가 위치된다. 예를 들어 수지(16)는 수지 영역(52) 위에 위치된다. 예비성형체(14)에 인접하여 수지(16)를 위치시키는 것은, 종래의 진공 배깅 시스템에서 사용하기에는 너무 점성이 컸던 수지들을 포함하여 광범위한 영역의 수지 사용을 용이하게 한다는 점이 본 발명의 여러 실시예들의 장점이다. 또한 예비성형체(14)의 아래, 위 및/또는 내부가 아니라 예비성형체(14)에 근접하게 수지를 위치시킴으로써 수지(16)를 용융시키더라도 예비성형체의 재배치 및/또는 구김을 초래하지 않는다는 점이 본 발명의 여러 실시예들의 다른 장점이다.
단계74에서, 컬 판(36)은 선택적으로 위치된다. 사용된다면, 컬 판(36)은 비교적 예비성형체(14)의 위에 배치되고 표면 불규칙성을 감소시키는 경향이 있다. 다른 예들에서, 컬 판(36)은 표면 불규칙성을 상당한 정도로 감소시키지 않는데, 따라서 생략될 수 있다.
단계76에서, 밀봉재(40)가 위치된다. 예를 들어 찐득찐득하고 끈끈한 또는 접착성 리본 또는 끈 형상 재료가 맨드릴(18)의 주변에 배치될 수 있다.
단계78에서, 배깅 필름(38)이 위치된다. 예를 들어 배깅필름(38)은 밀봉재(40)로 뻗어있거나 밀봉재(40)를 넘어서도록 배치될 수 있다.
단계80에서, 밀봉이 생성된다. 예를 들어 충분한 힘이 배깅필름(38)위에 가해져 배깅필름(38)과 밀봉재(40) 사이에 및/또는 밀봉재(40)와 맨드릴(18)의 밀봉영역(54) 사이에 밀봉을 형성한다.
단계82에서, 레이업에 수지가 주입된다. 일반적으로, 주입은 레이업의 여러 층들을 통해 흐르는 유동에 대한 수지(16)의 저항을 극복하고 배깅필름(38)에 가해지는 압력에 상응하여 발생한다. 더 상세하게는 주입은 다음 단계에 따라 발생한다.
단계84에서, 압력차가 생성된다. 예를 들어 외피(20) 내부의 공기 및/또는 가스들중 일부가 제거될 수 있고 및/또는 외피(20) 외부의 주변 압력이 증가될 수 있다. 더 상세하게는 진공발생기(22)는 진공포트(42)와 유체연통되는데 외피(20) 내부의 공기 및/또는 가스중 일부를 제거하는데 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 출구 브리더(44)는 공기 및/또는 가스들의 제거를 위하여 매우 증가된 표면영역 및/또는 가늘고 긴 도관을 제공한다. 그리고, BRI 장치(12)는 예컨대, 분위기 압력 증가를 용이하게 하는 압력솥과 같은 압력용기 안에 선택적으로 위치된다. 이런 점에서, 히터(26)는 수지(16)를 가열하기 위하여 압력 솥을 포함할 수 있고, 증가된 분위기 압력을 제공할 수 있다.
단계86에서 수지(16)는 액화된다. 예를 들어 충분한 열이 수지(16)에 가해져 수지(16)의 점성을 감소시킨다. 여러 실시예에서, 예컨대 히터(26) 안에 BRI 장치(12)를 배치하고(24) 가열부재를 작동시키는 등에 의해 열이 수지(16) 및/또는 BRI 장치(12)에 가해질 수 있다. 가열부재는 존재한다면 맨드릴(18)의 일부 내에 또는 아래에 배치되는 저항성 가열부재, 수지(16) 및/또는 맨드릴(18)의 일부를 향하는 적외선 히터 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 수지(16)는 충분히 액상이어서 가열이 생략될 수 있다. 예를 들어 도3에 도시된 수지영역(52)과 같이 사발 형상 또는 V자형 홈통 형상의 수지영역에 액상 수지를 부을 수 있다.
단계88에서 물품(30)이 경화된다. 여러 수지배합들은 화학적 경화 또는 중합을 위한 다양한 방법을 채택한다. 예를 들어 열수지 또는 열경화성 수지로 광범위하게 분류된 일군의 수지들이 가열에 의해 중합된다. 이런 점에서, 충분한 열 및/또는 압력이 주입된 수지(16)에 가해져 수지(16)에서의 화학반응이나 중합을 용이하게 한다. 다른 경우에, 수지(16)는 경화제 또는 촉매를 추가함으로써 중합될 수 있다. 촉매와 함께 일단 혼합되면, 수지는 주어진 충분한 시간에 중합될 것이다. 따라서 다른 예에서 유동(transpire)하기에 충분한 시간이 허용되어 중합을 용이하게 한다.
방법(60)이 완료된 후, 물품(30)이 BRI 장치(12)로부터 제거되어 레이업으로부터 분리될 수 있다. 선택적으로는 물품이 마감처리될 수 있다. 마감처리로는 샌딩(sanding), 연마(polishing), 밀링, 세척 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 많은 특징과 장점들은 상세한 설명으로부터 자명하고 따라서 첨부한 청구범위에 의해 본 발명의 진정한 정신 및 범위에 속하는 본 발명의 이러한 특징과 장점들을 모두 커버하도록 의도된다. 그리고 다양한 변형예와 수정예가 당업자에게 용이하게 가능하므로, 본 발명을 설명되고 도시된 바로 그 구성 및 동작으로 한정하고자 하는 것은 아니며 따라서 모든 적절한 변형예들 및 균등물들이 본 발명의 범위에 속하는 것으로 분류될 수 있다.

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Claims

물품의 프로파일에 대응되게 형성되면서 이 물품의 제조를 촉진하기에 충분한 길이로 된 예비성형체 수용영역과;

상기 예비성형체 수용영역에 인접되게 위치하면서 예비성형체로 주입할 수지의 보유가 용이하도록 예비성형체 수용영역과 동일한 길이로 된 오목부를 포함하는 수지 수용영역;을 구비하는 맨드릴.
제1항에 있어서, 밀봉재를 수용하기 위한 밀봉영역을 더 구비하는 맨드릴.
제1항에 있어서, 진공원에 유체연통하기 위한 출구 포트를 더 구비하는 맨드릴.
제3항에 있어서, 상기 출구 포트로 수지가 인출될 가능성을 감소시키기 위한 쵸크 영역을 더 구비하는 맨드릴.
물품의 프로파일에 대응되게 형성되면서 이 물품의 제조를 촉진하기에 충분 한 길이로 된 예비성형체 수용영역과,

상기 예비성형체 수용영역에 인접되게 위치하면서 예비성형체로 주입할 수지 의 보유가 용이하도록 예비성형체 수용영역과 동일한 길이로 된 오목부를 포함하는 수지 수용영역,을 포함하고서 레이업을 수용하도록 된 맨드릴과;

상기 예비성형체 수용영역과 수지 수용영역을 둘러싸는 외피를 생성하기 위한 배깅 필름;을 포함하는 레이업에 수지를 주입하는 장치.
제5항에 있어서, 상기 배깅 필름을 맨드릴에 밀봉하기 위한 밀봉재를 더 구비하는 레이업을 주입하는 장치.
제6항에 있어서, 밀봉재를 수용하기 위한 밀봉영역을 더 구비하는 레이업에 수지를 주입하는 장치.
제5항에 있어서, 진공원에 유체연통하기 위한 출구 포트를 더 구비하는 레이업에 수지를 주입하는 장치.
제8항에 있어서, 상기 출구 포트로 수지가 밀려나갈 가능성을 감소시키기 위한 쵸크 영역을 더 구비하는 레이업에 수지를 주입하는 장치.
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물품의 프로파일에 대응하는 예비성형체 수용영역과, 이 예비성형체에 주입할 수지를 보유하는 수지 수용영역을 갖는 맨드릴을 형성하는 단계와;

상기 맨드릴의 예비성형체 수용영역에 섬유층을 갖는 예비성형체를 위치시키는 단계;

상기 맨드릴의 예비성형체 수용영역에 인접한 수지 수용영역에 섬유층을 주입하기에 충분한 량의 수지를 위치시키는 단계;

상기 수지에 일정량의 압축력을 생성시키는 단계; 및

상기 수지의 점성을 감소시키고, 감소된 점성의 수지가 수지의 저항을 초과하는 압축력에 대응하여 섬유층에 주입되도록 하는 단계를 포함하는, 물품을 제조하기 위하여 섬유층에 액상 수지를 주입하는 방법.
제23항에 있어서, 수지의 점성을 감소시키기 위하여 수지를 가열하는 단계를 더 구비하는 물품을 제조하기 위하여 섬유층에 액상 수지를 주입하는 방법.
제23항에 있어서, 물품을 제조하기 위하여 주입된 수지를 경화시키는 단계를 더 구비하는 물품을 제조하기 위하여 섬유층에 액상 수지를 주입하는 방법.