KR101538345B1 - 교차 벽들을 갖는 폐쇄 구조물의 직조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 보강된 복합 재료를 위한 직조 예비형성체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 내부에 다중의 교차 부재들을 갖는 폐쇄된 주변부들로 구성되는 중합체 매트릭스 복합물을 위한 섬유 예비형성체들의 기계적 직조방법이다. 특히, 본 발명은 예비형성체 및 상기 예비형성체의 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 외부 테두리들에 갖는 폐쇄된 셀들과 함께 형성하는 방법이다. 직조 예비형성체는 날실방향과 씨실방향으로 평직되고, 구조물의 최종 형상을 달성하도록 접혀지지 않으며, 수지로의 이송 성형이나 화학 증기 침투와 같은 공지된 방법들을 사용하여 복합 구조적 요소들 내로 처리될 수 있다. 그러므로, 모든 크기의 복잡한 형상들이 본 방법을 사용하여 종래의 직기 상에서 직조될 수 있다.

Description

교차 벽들을 갖는 폐쇄 구조물의 직조방법{Method for weaving closed structures with intersecting walls}

본 발명은 보강된 복합재료들을 위한 직조 예비형성체에 관한 것이며, 특히 내부에 다수의 교차부재들을 구비한 밀폐된 주변부들로 구성된 섬유 예비형성체를 기계적으로 직조하기 위한 방법에 관한 것이다.

참조를 위한 통합

모든 특허들, 특허출원들, 문서들, 참고문헌들, 제조업자의 가르침, 서술, 제품 설명서 및 여기에서 언급한 소정 제품을 위한 제품 시이트는 여기에서 참조로서 통합되고, 본 발명을 실행하는데 있어서 채용될 것이다.

구조적 요소들을 생산하기 위해서 보강된 복합 재료들을 사용하는 것은, 특히 경량화, 인성강화, 열적 저항성, 자체 지지 그리고 형성되고 형상화되기에 적합한 견지에서 원하는 특성을 갖는 분야들에서 현재 널리 보급되어 있다. 그러한 요소들은 예를 들어 항공분야, 항공우주산업, 인공위성, 레크리에이션활동(경정 및 자동차경주와 같은) 그리고 다른 응용분야들에서 사용된다.

통상적으로, 그러한 요소들은 매트릭스 재료들에 포함된 보강 재료들로 구성된다. 보강 요소는 원하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 응력 실패에 대하여 큰 강성을 갖는 다른 특성들을 나타내는 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌 및/또는 다른 재료들과 같은 재료로 제조될 것이다.

궁극적으로는 완성된 부품의 구성 요소가 되는 그러한 보강 재료들의 사용을 통해서, 매우 높은 강도와 같은 보강재료들의 원하는 특징들이 완성된 복합 부품에 부여된다. 구성 보강재료들은 통상적으로 직조되거나 짜이거나 비-직조되거나 또는 보강 예비형성체를 위해서 원하는 구성 및 형상으로 배향된다. 구성 보강 재료들이 선택되는 특성들의 최적 이용을 보장하기 위해서 일반적으로 관심이 주어져 왔다. 일반적으로 그러한 보강 예비형성체들은 원하는 최종 요소들을 형성하거나 또는 완성된 요소의 최종적인 생산을 위해서 운영재고(working stock)를 생산하도록 매트릭스 재료와 결합된다.

원하는 보강 예비형성체가 완성된 후에, 매트릭스 재료가 예비형성체 내로 도입될 것이며, 통상적으로 보강 예비형성체는 매트릭스 재료 내에 에워싸이고, 매트릭스 재료는 보강 예비형성체의 구성 요소들 사이에 있는 사이 영역들을 채운다. 매트릭스 재료는 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및/또는 원하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질들을 나타내는 다른 재료들과 같은 광범위한 재료들 중 하나가 될 것이다. 매트릭스로서 사용하기 위해서 선택된 재료는 보강 예비형성체의 것과 동일하거나 동일하지 않으며, 비교할만한 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 성질들을 갖거나 갖지 않을 것이다. 그러나 통상적으로 이들은 동일한 재료로 이루어지지 않으며, 제 1 위치에서 복합물들을 사용하는 유용한 목적이 하나의 구성 재료만을 사용하는 것을 통해서 달성할 수 없으므로 최종 제품에서 특성들의 조합을 달성하기 때문에, 비교할만한 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 성질들을 갖는다. 그렇게 결합된 보강 예비형성체와 매트릭스 재료는 열경화 또는 다른 공지된 방법에 의해서 동일한 작동으로 경화되고 안정화되며, 원하는 요소를 생산하는 다른 작업을 거치게 된다. 경화된 후에 매트릭스 재료의 고화된 매스(mass)는 보강 재료(예를 들어 보강 예비형성체)에 매우 강하게 고착되는 것이 중요하다. 그 결과, 특히 섬유들 사이에서 접착제로서 작용하는 매트릭스 재료를 거쳐서 완성 요소에 가해지는 응력은 보강 예비형성체의 구성 재료로 효과적으로 전달되어 보유된다.

빈번하게도, 판들, 시이트들, 직사각형 또는 사각형 고체들 등과 같이 단순한 기하학적 형상들과는 다른 구성들의 요소들을 만들어내는 것이 바람직하다. 이것을 수행하는 방식은 그러한 기본적인 기하학적 형상들을 원하는 보다 복잡한 형태들로 결합하는 것이다. 그러한 통상적인 결합은 서로에 대하여 일정 각도(통상적으로 직각)로 상기한 바와 같이 만들어진 보강 예비형성체들을 결합하여 이루어진다. 결합된 보강 예비형성체들의 그러한 각 정렬을 위한 일반적 목적들은 하나 이상의 단부 벽들을 포함하는 보강 예비형성체를 형성하도록 원하는 형상을 만들거나 또는 압력이나 텐션과 같은 외부 힘들에 노출될 때 일어나는 편향이나 실패에 대항하도록 보강 예비형성체들과 합성 구조물의 결합을 강화하기 위한 것이다. 모든 경우에 있어서, 관련된 고려사항은 구성 요소들 사이에서 각각의 접합을 가능한한 강하게 만드는 것이다. 보강 예비형성체의 구성성분 그 자체에 원하는 매우 높은 강도를 부여하면, 이음매의 취약함은 구조적 "체인(chain)"에서 "취약한 링크(weak link)"가 된다.

이러한 형식의 구조물들에 대한 종래의 기술은 최종 형상을 형성하도록 점성이 낮은 접착 직물(tackified fabric)이나 프리프레그(prepreg)의 개별적인 층들을 제공하는 것이다. 그러면 적층된 예비형성체가 수지로 이송되어 성형되거나(점성이 낮은 접착직물이 사용되는 경우) 또는 진공 백 성형되어 경화된다(프리프레그가 사용되는 경우).

관련 기술분야에 있어서, 미국 특허 제 5,451,448 호에는 연속적인 직조 직물의 다중 층들을 갖는 상부 직조 직물층, 바닥 직조 직물층, 고온 절연층 및 임의의 반사 차폐층 및 공간들을 포함하고 직조 세라믹 직물을 사용하여 이들 모두가 고정되는 복합 다층화된 유연한 블랭킷 절연체가 개시되어 있다. 상부 직물과 바닥 직물층들은 상부 직물층이나 바닥 직물층의 표면으로부터 일정 각도만큼 직조 세라믹 직물의 리브 구조물에 의해서 서로 고정되고, 그래서 상부 직물층과 바닥 직물층 및 리브 구조물 사이에서 삼각형 프리즘 형상이나 사다리꼴 프리즘 형상의 공간을 형성하게 된다. 미국 특허 제 6,418,973 호에는 섬유상 재료의 직조 실들의 다수의 층들 및 그 층들 사이에서 연장되는 구조적인 부재들을 갖는 세라믹 복합물의 직조 예비형성체가 개시되어 있다. 구조적 부재들은 층들을 따라서 채널들을 한정하는 벽들이 될 것이다. 여기에서 설명된 방법은 개별적인 시이트들이나 층들 사이에서 원하는 거리가 조성되어 시이트들은 직조시에 소정 거리만큼 물리적으로 떨어져 있는 직조 예비형성체들을 필요로 한다. 이것은 생산될 수 있는 구조물들의 크기와 형상을 제한할 뿐만 아니라 종래의 직기 상에서의 용이한 생산을 저해시키게 된다. 여기에서 형성된 예비형성체는 그것의 외부 테두리들 상에 폐쇄된 셀들을 구비하지 않으며, 씨실들의 경로들은 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 제공하도록 선택될 수 없고, 그 결과 구조물의 외부 테두리들 상에 개방된 셀들이 형성되고 이 셀들은 내부 압력 부하에 대하여 훨씬 취약해진다.

그러므로, 종래기술에서는 직조 예비형성체를 제공하고 예비형성체의 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 외부 테두리들에서 폐쇄된 셀들을 형성하는 방법을 제공하는 것이 필요하다.

본 발명은 종래 기술의 결점들을 극복하며, 처음에는 평직된 후 최종 형상을 얻도록 부수적으로 접혀서 개방되는 예비형성체를 형성하는 독특한 횡편기 직조기술을 채택함으로써 직조 예비형성체를 생산하는데 있어서 필요작업량을 줄이는 장점들을 제공한다.

본 발명은 보강된 복합 재료들을 위한 직조 예비형성체 및 그것의 형성방법이다. 특히, 본 발명은 내부에 다중의 교차 부재들을 갖는 폐쇄된 주변부들로 구성되는 중합체 매트릭스 복합물을 위한 섬유 예비형성체를 기계적으로 직조하는 방법이다.

따라서, 본 발명의 일 실시 예는 다수의 수평 층들 및 상기 다수의 수평 층들과 일체로 직조되는 다수의 수직 층들을 갖는 직조 예비형성체를 포함하는 섬유 보강된 복합물에 관한 것이다. 다수의 수직 층들은 수평 층들 사이에서 구조적 부재들로서 연장되며, 이때 다수의 수평층들은 다수의 수직 층들과 함께 예비형성체 내에 다수의 관통 셀들을 한정한다. 직조 예비형성체는 최종 구조물을 형성하도록 중합체 매트릭스 재료가 스며들게 될 것이다. 예비형성체는 원주상으로 직조된 씨실 섬유들에 의해서 한정된 외부 테두리들에서 폐쇄된 셀들을 갖는 폐쇄된 주변부를 구비한다. 이러한 셀들은 날실방향(외부 테두리들은 원주상으로 직조된 씨실 섬유들에 의해서 한정됨) 또는 씨실방향으로 연장될 것이며, 사각형이나 직사각형이 될 것이다. 예비형성체는 원주상으로 직조 씨실 섬유들에 의해서 한정된 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는다.

본 발명의 일 실시 예는, 다수의 수평 층들을 다수의 수직 층들과 일체로 직조함으로써 예비형성체를 형성하는 단계와, 직조후에 상기 예비형성체를 개방하여 다수의 수직 층들이 수평 층들 사이에서 구조적인 부재들로서 연장되고 상기 다수의 수평층들은 상기 다수의 수직 층들과 함께 상기 예비형성체 내에서 다수의 관통 셀들을 한정하는 단계를 포함하는 섬유 보강 복합물의 제조방법이다. 직조 예비형성체는 수지로의 이송 성형 또는 화학적 증기 침착에 의해서 중합체 매트릭스 재료에 스며들게 될 것이다. 예비형성체는 원주상으로 직조된 씨실 섬유들에 의해서 한정된 외부 테두리들에서 폐쇄된 셀들을 갖는 폐쇄된 주변부를 구비하도록 직조될 것이다. 이러한 셀들은 날실방향(외부 테두리들은 원주상으로 직조된 씨실 섬유들에 의해서 한정됨) 또는 씨실방향으로 연장되며, 정사각형이나 직사각형이 될 것이다. 예비형성체는 원주상으로 직조 씨실 섬유들에 의해서 한정된 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖도록 형성된다.

따라서, 본 발명의 목적은 조인트들에서 모든 섬유들을 함께 결합하여 종래의 라미네이트 복합물에 존재하는 개별적인 겹들 사이에서 수지 층들을 제거함으로써, 박리의 잠재적 가능성을 제거하고 손상 허용오차를 개선하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 예비형성체의 수평 벽에 있는 모든 섬유들이 수직 벽들을 연속적으로 통과하게 하거나 그 역을 가능하게 하며 이에 의해서 교차부에서 구조물의 강도를 개선하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 내벽에 있는 씨실 섬유들이 외벽 내로 직조되는 방식으로 예비형성체를 직조하여 강도 및 손상 허용오차를 개선하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 라미네이션 기술들에 있어서 이러한 구조물들을 조립하는데 필요한 모든 노동력을 실제적으로 제거하는데 있다. 본 발명의 예비형성체는 형상화되어 단일체로서 몰드 내로 위치하며, 이에 의해서 제조시간 및 제조비용이 감소한다.

본 발명의 다른 목적은 일체로 직조된 예비형성체를 제조함으로써 다중의 구조적 요소들을 결합시키는 것과 연관된 추가적인 단계들을 회피하는 것이며, 이에 의해서 개선된 성능 및 개선된 구조적 효율성을 제공하고 낮은 제조비용을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 테두리를 따라서 여분의 재료가 절단될 필요가 없도록 테두리들에서 트리밍을 회피하는 것이며, 이에 의해서 점착제의 필요성을 제거하고 수지와 양립할 수 없는 잠재적 문제점을 제거한다.

본 발명의 다른 목적은 복합 구조물들에서 사용하기 위한 것으로서, 복합 금속 구조물들을 형성하기 위해서 금속 요소들을 결합하도록 통상적으로 사용되는 볼트나 리벳을 위해 천공할 필요가 없는 일체로 직조된 예비형성체들을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 통상적인 금속 구조물들에서의 경우와 같이 크기와 형상에서의 변화를 경험하지 않도록 넓은 온도범위에 걸쳐서 매우 안정적인 일체로 직조된 예비형성체들을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 날실방향과 씨실방향 모두로 평직되는 일체로 직조된 예비형성체를 제공하는 것이다. 그러므로, 복잡한 형상의 모든 크기들이 종래의 직기에서 직조될 수 있다. 본 발명의 직조 예비형성체는 평직되고, 구조물의 최종형상을 달성하도록 접히지 않으며, 그 결과 본 방법을 사용하여 제조될 수 있는 구조물들의 형식들에서 유연함이 증가된다.

본 발명은 무수한 응용분야를 가질 수 있다. 여기에 한정되는 것은 아니나, 예를들면, 유체가 개방된 채널들을 통해 유동하는 열교환기, 전기적 배선 및 구조에 방해를 받지않고 진행하는 유압 라인들과 같은 그리고 방해용금속편 카트리지들(chaff cartridges)이 개방된 채널들 내로 장입된 항공기에서 방해용금속편 공급장치들과 같은 다른 요소들을 갖는 구조적 패널들을 통해서 유동하는 열교환기들로 제한되지 않는 무수한 응용분야에서 사용될 수 있다.

본 발명의 보다 양호한 이해를 제공하기 위해서 포함된 첨부 도면들은 본 명세서에 통합되어 일부를 구성한다. 첨부도면들은 본 발명의 다른 실시 예들을 설명하며, 명세서와 함께 본 발명의 원리들을 설명하는 기능을 수행한다,첨부 도면에서:
도 1(a)~(c)는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 직조 예비형성체에서 십자이음부(cruciform joint)의 형성을 단계별로 나타낸 도면;
도 2(a)~(b)는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 직조 예비형성체의 형성을 단계별로 나타낸 도면;
도 3(a)~(c)는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 예비형성체의 형성에 개입된 단계들을 설명하는 도면으로서, 예비형성체의 프로파일을 나타낸 도면;
도 4(a)는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 준-나선 권취방법에서 씨실 다음의 통상적인 씨실 경로나 피크 시퀀스(pick sequence)를 나타낸 도면;
도 4(b)~(c)는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 씨실방향을 따라 도시한 직조 예비성형체의 단면도들;
도 5는 본 발명의 일 양태에 따른 직조 측벽들, 테두리들 상에서 밀폐된 셀들 및 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 직조 예비형성체의 프로파일을 나타낸 도면;
도 6(a)~(b)는 본 발명의 일 양태에 따른 직조 측벽들, 테두리들 상에서 밀폐된 셀들 및 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 직조 예비형성체의 프로파일을 나타낸 도면;
도 7(a)~(b)는 본 발명의 일 양태에 따른 직조 측벽들, 테두리들 상에서 밀폐된 셀들 및 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 직조 예비형성체를 나타낸 도면; 그리고
도 8은 본 발명의 일 양태에 따른 3개의 수평 셀들과 3개의 수직 셀들을 갖는 예비형성체를 직조하기 위한 통상적인 피크 시퀀스 또는 씨실 경로를 보여주는 도면이다.

이러한 목적들 및 다른 목적들과 장점들은 본 발명을 통해서 명백하게 밝혀질 것이다. 섬유 보강물은 종래의 직조 기계장치에서 직조되고, 섬유들에서 원하지않는 변형을 일으킴이 없이 수지의 침투 전에 최종 형상으로 접혀진다.

본 발명의 양호한 이해를 위해서, 본 발명은 그것의 사용에 의해서 달성되는 장점들 및 특별한 목적들은 첨부도면들을 참조한 본 발명의 비-제한적인 실시 예들에 의해서 설명된다.

용어 "섬유들(fibers)" 및 "실들(yarns)"은 명세서상에서 상호 대체가능하고 동등한 의미를 갖는다. 명세서 상에서 용어 "포함하는(comprising)" 및 "포함한다(comprises)"는 "구비하는(including)" 및 "구비한다(includes)"의 의미를 가질 수 있거나 또는 미국 특허법에서 용어 "포함하는(comprising)" 및 "포함한다(comprises)"에 공통적으로 주어지는 의미를 가질 수 있다. 용어 "필수적으로 구성하는(consisting essentially of)" 또는 "필수적으로 구성하다(consists essentially of)" 가 특허청구범위에 사용되면 미국 특허법에서 이들에 대해 기술하고 있는 의미를 갖는다. 본 발명의 다른 양태들은 다음의 명세서에서 또는 그로부터(본 발명의 영역 내에서) 설명된다.

본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예들이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 하기에서 보다 완벽하게 설명될 것이다. 그런데, 본 발명은 많은 다른 형태로 구체화될 것이며, 여기에서 설명한 실시 예들로서 한정되지는 않을 것이다. 여기에서 설명하는 실시 예들은 해당 기술분야의 숙련된 당업자들에게 본 발명의 영역을 완벽하게 따를 수 있도록 완벽하게 제공될 것이다.

다음의 설명에 있어서, 유사한 참조부호들은 도면 전체를 통해서 유사하거나 대응하는 부분들을 나타낸다. 또한, 다음의 설명에 있어서, "수직한(vertical)", "수평한(horizontal)", "외부(outer)" 및 "내부(inner)" 등과 같은 용어들은 설명의 편의상 사용된 것으로서 제한적인 것으로서 구성된 것은 아니다.

첨부 도면들을 참조하면, 도 1(a)~(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 직조 직물이나 예비형성체(50)에서 십자이음부(60)의 형성을 상세하게 나타내며, 여기에서 씨실들은 예비형성체 내에서 하나의 내벽으로부터 다른 내벽으로 이동한다. 도 1(a)는 날실 섬유들/실들(30,40)의 2개 층들을 씨실 섬유들/실들(10,20)의 2개 층들과 교직함으로써 형성된 직물(50)의 2개 층들을 보여준다. 여기에서는, 원하는 높이 "h"의 내부 수직벽과 원하는 길이 "l"의 내부 수평벽의 예비형성체가 직조될때까지, 날실들(30)은 상부층을 형성하도록 원하는 패턴으로 씨실들(10)과 직조되고, 날실들(40)은 직물의 하부층을 형성하도록 원하는 패턴으로 씨실들(20)과 직조된다. 내부 수직벽의 원하는 높이 "h"와 내부 수평벽의 원하는 길이 "l"은 생산될 예비형성체의 최종 치수를 기초로 결정된다. 원하는 높이 "h"와 원하는 길이 "l"에 도달한 후, 날실들(30)은 날실들(40)과 교차하고, 이에 의해서 날실들(40)은 직물의 상부층 상에 놓이고 날실들(30)은 하부층 상에 놓인다. 그런데, 씨실들(10,20)은 씨실들(10)이 날실들(40)과 교직하고 씨실들(20)이 날실들(30)과 교직하도록 그들의 위치를 유지한다. 직물(50)의 2개 직조 층들은 날실이나 씨실 섬유/실들에 있어서 파열없이 서로를 통과하며 이러한 일관성은 전체 구조물을 통해서 관찰할 수 있음을 주목하여야 한다.

직물(50)이 직조된 후에, 예비형성체는 평평한 시이트로서 직기로부터 방출된다. 예비형성체가 도 1(b)에 도시된 방향으로 개방되면, 날실과 씨실들에서의 파열없이 섬유가 연속적으로 교차하게 되어 매우 강한 십자이음부(60)를 만들게 된다. 도 2(a)~(b)는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 직조 직물 또는 예비형성체(150)의 형성을 보여준다. 도 2(a)는 상기한 방법에 따라서 씨실들의 5개 층들과 날실들(51-55)의 5개 층들을 사용하여 형성된 예비형성체(150)의 날실 방향으로 나타낸 단면도이다. 이러한 날실 층들(51-55)은 도 2(a)에 도시된 바와 같이 예비형성체의 원하는 치수에 따라서 동등한 길이로 위치들에서 교차하는 것을 관찰할 수 있다. 도 2(b)는 평평한 예비형성체(150)가 직기로부터 제거된 후에 개방된 경우에 최종 형상으로 직조된 예비형성체(150)의 정면도이다. 예비형성체(150)는 개방되는 경우에 "칸막이 달걀 포장상자(egg crate)" 구조의 형상을 취하며, 앞선 실시 예에서 설명한 십자이음부들을 볼 수 있다.

도 3(a)~(c)는 예비형성체(150)의 최종 형상의 형성에 개입된 단계들을 설명하는 도면으로서, 예비형성체(150)의 프로파일을 나타낸 도면들이다. 도 3(a)는 직조되어 직기로부터 방출된 평평한 예비형성체(150)를 나타낸 도면이다. 도 3(b)는 부분적으로 개방된 예비형성체(150)의 프로파일을 나타내고, 도 3(c)는 최종형상의 예비형성체(150)의 프로파일을 나타낸다.

비록 셔틀 직기들이 상기한 형상들의 예비형성체들을 제조하는데 가장 적합한 것으로 알려졌지만, 자카드 직조(Jacquard weaving)와 래피어 직기(Rapier looms)와 같은 다른 직조 기술들도 본 발명의 예비형성체를 제조하는데 채용될 수 있다. 평직(plain), 주자직(satin), 능직(twill) 등과 같은 직조 패턴들이 예비형성체의 원하는 두께와 밀도를 기초하여 선택될 수 있다.

도 4(a)-(c)를 참조하면, 일 실시 예에 따른 본 발명은 예비형성체의 전체 구조물을 횡단하는 단일 씨실(200)을 갖는 직조 예비형성체(250)를 형성하는 방법이다.

씨실은 예비형성체(250)에서 폐쇄된 날실 채널들이나 셀들(220)을 형성하기 위해서 날실들의 둘 또는 그 이상의 층들과 교직하도록 준-나선 권취방법을 채택한다. 이러한 준-나선 권취방법에서 씨실(200)에 의한 통상적인 씨실 경로나 피크 시퀀스가 도 4(a)에서 단계 1~8로 나타나 있다. 씨실 섬유/실(200)이 후프방향으로 연속적이고 그 결과로서 형성되는 구조물이 개방되는 경우에 도 4(c)에서 단면으로 나타낸 바와 같이 예비형성체(250)의 모든 면들에서 폐쇄된 테두리들을 갖는 방식으로 예비형성체가 직조된다. 예비형성체(250)는 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 날실방향으로 연속적인 개체로서 직기로부터 방출되므로, 예비형성체(250)의 길이 "l₁"는 단지 직기의 폭에 의해서 한정되고, 벽들의 높이 "h₁"는 실제적으로는 소정 길이가 될 수 있다. 도 5는 직조 측벽들, 테두리들 상에서 밀폐된 셀들(220) 및 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 예비형성체(250)의 프로파일을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시 예는 내부에 다중의 교차 부재들을 갖는 폐쇄된 주변부들로 구성되는 섬유 예비형성체(100)를 기계 직조하는 방법이다. 예비형성체(100)는 도 7(a)에 도시된 바와 같이 평평하게 직조되어 도 7(b)에 도시된 바와 같은 셀룰러 구조물을 형성하도록 접혀져서 개방된다. 직조가 셔틀 직기에서 수행되고 그래서 씨실 섬유/실(110)은 내부 벽들의 교차점을 연속적으로 통과하게 되며, 그 결과 도 7(b)에 도시된 바와 같이 예비형성체(100)의 모든 면들에서 폐쇄된 테두리들이 형성된다. 도 6(a)에 도시된 바와 같은 3개의 수평 셀들(445)과 3개의 수직 셀들(445)을 갖는 예비형성체(450)를 직조하기 위한 통상적인 피크 시퀀스 또는 씨실 경로가 도 8에 도시되어 있다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이 씨실 섬유/실은 t-이음부(370)를 형성하도록 내부 벽들(400)로부터 외부 벽들(410)로 연속적으로 직조되고 십자이음부(360)를 형성하도록 내부벽들(400)로부터 내부벽들(400)로 연속적으로 직조된다. 도 8에 도시된 바와 같이 패턴의 모든 반복은 5개의 서브셋들로 나뉘는데, 2개는 수평 내부벽들(400)을 외부 벽들(410)로 직조하고, 2개는 수직 내부벽들(400)을 수직한 외부 벽들(410)로 직조하고, 하나는 모든 외부 벽들을 통해서 연속적인 섬유를 제공한다. 5번째 서브셋의 추가적인 반복들이 필요에 따라서 내부 벽들의 두께에 대해 외부 벽들의 두께를 증가시키도록 포함될 수 있다.

5개의 피크 서브셋들이 소정의 순서로 직조될 수도 있다. 날실방향으로의 패턴은 모든 씨실 섬유들을 함께 결합(lock)하게 되는 소정 디자인을 사용할 수 있다(예를 들어, 평직, 주자직, 능직 등). 도 8에 도시된 패턴은 각각의 벽에서 단일 날실 층을 갖는 예비형성체를 만들게 될 것이다. 각각의 벽에서 다중 날실 층들을 갖는 예비형성체를 직조하도록 동일한 방식이 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 도시된 피크 경로들은 각각의 날실 층에 대하여 한번 반복되고, 날실 섬유들은 다중 층들을 함께 결합하게될 패턴을 직조하게 된다(예를 들어, 두께 각도 상호결합, 두께 직교, 겹-대-겹 상호결합 등). 예를 들면, 두께를 관통한 각도로의 상호결합 구조에 있어서, 날실 섬유들은 예비형성체의 전체 두께에 걸쳐서 피크나 씨실 이격에 의해서 한정되는 소정 각도로 통과한다. 두께 직교 구조에 있어서,날실 섬유들은 인접한 피크나 씨실 컬럼들 사이에서 예비형성체의 전체두께에 걸쳐서 통과하고, 그래서 두께 요소는 직물의 면들에 대하여 다소간 직교한다. 이러한 형식의 구조는 직조함이 없이 피크의 2개 층들 사이를 간단히 통과하는 날실 '덧붙임(stuffers)"를 포함한다. 겹 대 겹 상호결합 구조에 있어서, 날실 섬유들은 둘 또는 그 이상의 층들을 함께 결합시키는 예비형성체의 전체두께를 통과한다. 일반적으로 날실들은 상호결합 각도 구조와 유사한 상호결합 각도를 가지며, 이것은 직교할 수도 있다. 예를 들면, 예비형성체에 있는 층(1)은 층(2)에 결합될 수 있고, 층(2)은 층(3)에 결합될 수 있다. 일 실시 예에 따른 본 발명은 도 6(b)에 도시된 바와 같이 2개의 직조 외벽들(320)과 하나 이상의 직조 내부 수평벽(330)을 포함하는 일체로 직조된 예비형성체(350)를 3D로 형성하는 방법이다. 직조 외부 및 내부 수평벽들(320,330)은 다중의 직조 내부 수직벽들(340)과 함께 결합된다. 다중 직조 내부 수직벽들(340)은 직조 예비형성체(350)의 수직한 외부 테두리들 상에 포함되거나 포함되지 않을 것이다.. 결과로서 생기는 구조물은 도 6(b)에 도시된 바와 같이 일체형 이음부(360,370)를 갖는 다중-셀 직조 예비형성체(350)이다. 이러한 실시 예의 변형이 도 6(a)에 도시되어 있는데, 여기에서 직조 예비형성체(450)는 층들 사이에서 연장되는 수직 벽들(400)을 갖는 적어도 4개의 이격된 층들(410-440)을 포함하며, 층들과 벽들은 구조물의 날실방향으로 연장되는 채널들(445)을 한정한다.

본 발명에 따라서 형성된 섬유 예비형성체는 수지로의 이송 성형이나 화학증기 침투와 같은 방법들을 사용하여 복합 구조적 요소 내로 처리될 수 있다. 그러므로, 일 실시 예에 따른 발명은 섬유 보강된 복합물이다.

결과로서 생긴 구조물에 대한 통상적인 사용은 두 방향으로 강화가 필요한 응용(예를 들어 강화된 패널들에 대한 하부구조) 및 다중 연결된 컴파트먼트가 필요한 응용을 포함한다. 본 발명의 예비형성체는 유체가 개방된 채널들, 전기적 와이어링을 허용하는 배선관 및 구조물을 통해서 방해받지않고 진행하는 유압 라인들과 같은 그리고 들이 개방된 채널들 내로 장입된 항공기에서 방해용금속편 공급장치들과 같은 다른 요소들을 갖는 구조적 패널들을 통해서 유동하는 열교환기들과 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는, 무수한 응용분야에서 사용될 수 있다.

종래기술을 능가하는 본 발명의 장점들 중 몇가지는;

·모든 섬유들이 이음매들에서 함께 결합되고, 종래의 적층된 복합물에서 존재할 개별적인 겹들 사이에서 수지 층들을 제거하고, 이에 의해서 탈리의 잠재적 위험성을 제거하고 손상 허용오차를 개선하는 것이다.

· 내부 벽들에서, 수평벽에 있는 씨실들은 수직벽들을 통해서 연속적으로 진행하고 그 역도 가능하며, 이에 의해서 강도가 개선된다. 두 내부 층들의 교차영역에 있는 이음부는 도 6(a)~(b)에 도시된 바와 같이 십자이음부(360)로서 언급된다.

· 외부 벽들에 있어서, 내부벽에 있는 씨실들은 외부 벽 내로 직조되고, 이에 의해서 강도가 개선되고 손상 허용오차가 개선된다. 내벽과 외벽의 교차영역에 있는 이음부는 도 6(a)~(b)에 도시된 바와 같이 T 이음부(370)로서 언급된다.

· 종래의 라미네이션 기술을 사용하여 이러한 구조물들의 조립에 필요한 노동력의 거의 전부가 본 발명의 방법을 사용함으로써 제거된다. 예비형성체가 소정 형상으로 직조되고, 단일체로서 몰드내로 위치하며, 이에 의해서 제조시간 및 제조비용이 감소한다.

· 그러므로 형성된 예비형성체는 각 측면들 상에서 폐쇄된 테두리들을 구비하고, 그러므로 트리밍 단계를 제거하고, 제조시간 및 제조비용을 절감하게 된다.

· 점성이 낮은 접착 직물(tackifier)이 필요 없고 시간과 비용이 절감되며, 주요 수지와 양립할 수 없는 잠재적 문제점들을 제거하게 된다.

그러므로, 본 발명에 의해서 본 발명의 목적 및 장점들이 실현되고, 비록 여기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 상세하게 설명되었지만, 그것의 영역과 목적은 제한되지 않으며, 그것의 영역은 첨부된 특허청구범위에 의해서 결정될 것이다.

Claims (27)

1. 섬유 보강된 복합물을 위한 직조 예비형성체로서,
   직조 재료의 다수의 수평 층들; 및
   상기 다수의 수평 층들과 일체로 직조되는 직조 재료의 다수의 수직 층들;을 포함하며,
   상기 다수의 수직 층들은 상기 수평 층들 사이에서 구조적 부재들로서 연장되고, 상기 다수의 수평 층들과 상기 다수의 수직 층들은 상기 예비형성체 내에 다수의 관통 셀들을 한정하는 직조 예비형성체에 있어서,
   상기 예비형성체는 원주상으로 직조한 씨실 섬유들에 의해서 한정되는 외부 테두리들에서 폐쇄된 셀들을 갖는 폐쇄된 주변부를 구비하는 것을 특징으로 하는 직조 예비형성체.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 셀들은 날실 방향으로 연장되는 직조 예비형성체.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 셀들은 씨실 방향으로 연장되는 직조 예비형성체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 예비형성체는 원주상으로 직조한 씨실 섬유들에 의해서 한정되는 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 직조 예비형성체.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 셀들은 정사각형 또는 직사각형 형상인 직조 예비형성체.
7. 다수의 수평 층들 및 상기 다수의 수평 층들과 일체로 직조되는 다수의 수직 층들을 갖는 직조 예비형성체를 포함하며,
   상기 다수의 수직 층들은 상기 수평 층들 사이에서 구조적 부재들로서 연장되고, 상기 다수의 수평 층들과 상기 다수의 수직 층들은 상기 예비형성체 내에 다수의 관통 셀들을 한정하는 섬유 보강된 복합물에 있어서,
   상기 예비형성체는 원주상으로 직조한 씨실 섬유들에 의해서 한정되는 외부 테두리들에서 폐쇄된 셀들을 갖는 폐쇄된 주변부를 구비하는 것을 특징으로 하는 섬유 보강된 복합물.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 직조 예비형성체를 침투시키는(imprenating) 중합체 매트릭스 재료를 더 포함하는 섬유 보강된 복합물.
9. 삭제
10. 제 7 항에 있어서, 상기 셀들은 날실 방향으로 연장되는 섬유 보강된 복합물.
11. 제 7 항에 있어서, 상기 셀들은 씨실 방향으로 연장되는 섬유 보강된 복합물.
12. 제 7 항에 있어서, 상기 예비형성체는 원주상으로 직조한 씨실 섬유들에 의해서 한정되는 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 섬유 보강된 복합물.
13. 제 7 항에 있어서, 상기 셀들은 정사각형 또는 직사각형 형상인 섬유 보강된 복합물.
14. 다수의 수평 층들을 다수의 수직 층들과 함께 일체로 직조하여 예비형성체를 형성하는 단계; 그리고
    직조된 후에 상기 예비형성체를 개방시키는 단계;를 포함하며,
    상기 다수의 수직 층들은 상기 수평 층들 사이에서 구조적 부재들로서 연장되고, 상기 다수의 수평 층들과 상기 다수의 수직 층들은 상기 예비형성체 내에서 다수의 관통 셀들을 한정하는 섬유 보강된 복합물의 제조방법에 있어서,
    상기 예비형성체는 씨실 섬유들을 원주상으로 직조함으로써 외부 테두리들 상에서 폐쇄된 셀들을 갖는 폐쇄된 주변부를 구비하도록 직조되는 것을 특징으로 하는 섬유 보강된 복합물의 제조방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 직조 예비형성체를 중합체 매트릭스 재료로 침투시키는 단계를 더 포함하는 섬유 보강된 복합물의 제조방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 침투시키는 것은 직조 예비형성체를 수지로의 이송 성형 또는 화학적 증기 침투에 의해 수행되는 섬유 보강된 복합물의 제조방법.
17. 삭제
18. 제 14 항에 있어서, 상기 셀들은 날실 방향으로 연장되는 섬유 보강된 복합물의 제조방법.
19. 제 14 항에 있어서, 상기 셀들은 씨실 방향으로 연장되는 섬유 보강된 복합물의 제조방법.
20. 제 14 항에 있어서, 상기 예비형성체는 원주상으로 직조한 씨실 섬유들에 의해서 한정되는 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 섬유 보강된 복합물의 제조방법.
21. 제 14 항에 있어서, 상기 셀들은 정사각형 또는 직사각형 형상인 섬유 보강된 복합물의 제조방법.
22. 예비형성체를 형성하도록 다수의 수평 층들을 다수의 수직 층들과 함께 일체로 직조하는 단계; 그리고
    상기 다수의 수직 층들이 상기 수평 층들 사이에서 구조적 부재들로서 연장되도록 직조 후에 상기 예비형성체를 개방시키는 단계;를 포함하며,
    상기 다수의 수평 층들과 상기 다수의 수직 층들은 상기 예비형성체 내에서 다수의 관통 셀들을 한정하는 섬유 보강된 복합물을 위한 직조 예비형성체의 제조방법에 있어서,
    상기 예비형성체는 씨실 섬유들을 원주상으로 직조함으로써 외부 테두리들 상에서 폐쇄된 셀들을 갖는 폐쇄된 주변부를 구비하도록 직조되는 것을 특징으로 하는 직조 예비형성체의 제조방법.
23. 삭제
24. 제 22 항에 있어서, 상기 셀들은 날실 방향으로 연장되는 직조 예비형성체의 제조방법.
25. 제 22 항에 있어서, 상기 셀들은 씨실 방향으로 연장되는 직조 예비형성체의 제조방법.
26. 제 22 항에 있어서, 상기 예비형성체는 원주상으로 직조한 씨실 섬유들에 의해서 한정되는 각각의 셀에서 연속적인 보강 후프를 갖는 직조 예비형성체의 제조방법.
27. 제 22 항에 있어서, 상기 셀들은 정사각형 또는 직사각형 형상인 직조 예비형성체의 제조방법.

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