KR101857923B1 - 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법 및 그 제조 방법으로 제조된 폐구조의 프리폼 - Google Patents

Abstract

원형의 3차원 트랙 앤드 칼럼 브레이더를 이용하여 일단이 막힌 폐구조의 프리폼을 제조하는 방법 및 이러한 제조 방법으로 제조된 폐구조의 프리폼이 개시된다. 프리폼 제조 방법은, 원형 링 형상을 갖고 직경 방향을 따라 트랙홈이 형성되며, 상기 트랙홈이 일치하도록 동심원 형태로 배열되는 다수의 트랙과, 상기 다수의 트랙 상에서 원주 방향을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 이동하도록 구비되는 회전 실린더와, 상기 트랙홈 상에 배치되는 다수의 캐리어와, 상기 트랙홈 상에서 상기 캐리어를 이동시키는 교차 실린더를 포함하여 구성되는 트랙 앤드 칼럼 브레이더와, 상기 트랙 앤드 칼럼 브레이더에서 상기 트랙의 중앙에 구비되는 맨드릴 및 상기 맨드릴 하부에 구비되어 상기 맨드릴을 이동시키는 이동수단을 포함하여 구성되는 장치에서, 제1 캐리어에 섬유를 걸고, 상기 트랙의 직경 방향으로 상기 제1 캐리어와 마주보는 제2 캐리어에 섬유를 연결하되, 상기 맨드릴의 중심에서 상기 섬유가 교차하도록 배치하고, 상기 교차 실린더와 상기 제1 트랙의 회전 실린더를 작동시킴으로써 트랙의 내측에서 외측 방향으로 브레이딩하여 상기 맨드릴의 단부에 상기 다수의 트랙에 의해서 다수 겹을 브레이드를 편성하고, 상기 이동수단에 의해서 상기 맨드릴을 이동시킴으로써 상기 맨드릴의 측면을 덮는 브레이드를 편성함으로써, 일단이 막힌 구조로 브레이딩된 프리폼을 제조할 수 있다.

Description

브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법 및 그 제조 방법으로 제조된 폐구조의 프리폼{THE MANUFACTURE METHOD OF PREFORM WITH CLOSED STRUCTURE USING BRAIDER AND PREFORM WITH CLOSED STRUCTURE THEREWITH}

아래의 실시 예는 브레이더를 이용하여 폐구조의 프리폼을 제조하는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 폐구조의 프리폼에 관한 것이다.

일반적으로 복합재(composite materials)는 두 가지 이상의 재료를 섞어서 전체적인 재료의 특성을 향상시킨 혼합 재료를 말하는 것으로, 일반적인 형태로 에프알피(FRP, Fiber Glass Reinforced Plastics, 섬유 강화 플라스틱) 복합재가 있다. 에프알피 복합재는 몰드에 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 고강도 섬유 재료를 수지(열가소성 수지, 열경화성 수지)를 함침하면서 적층 및 경화한 복합재질의 형태로 적용하여 사용하고 있다.

이외에도, 고강도 섬유 재료에는 에프알피 복합재는 수지(열가소성 수지, 열경화성 수지)가 함침된 원사, 띠 또는 시트 형태를 갖는 프리프레그(prepreg)를 적층하거나, 와인딩(winding) 등의 방법으로 몰드에 설치한 다음 열을 가함으로써 몰드의 형태를 갖는 복합재로 제작할 수 있다.

한편, 이러한 에프알피 복합재는 내식성, 내열성, 내화학성 등이 우수하여 산업 전반에 이용되고 있으며, 대표적으로 액체나 가스를 보관하는 탱크, 자동차 부품은 물론, 엔진류, 국방, 우주 항공 분야와 같은 첨단 산업 분야에 적용되고 있다.

이와 같이, 에프알피 복합재가 첨단 산업 분야에 사용되는 예를 살펴보면, 미국 등록특허 제8753094호에는 탄소섬유의 복합재료로 만들어지는 가스 터빈 엔진의 노스 콘(gas turbine engine nose cone)에 대한 내용이 개시되어 있고, 미국 등록특허 제7681834호에는 복합재료로 만들어지는 복합재료로 만들어지는 국방용 노스 콘(composite nose cone)에 대한 내용이 개시되어 있다.

최근에는 고강도 섬유 재료를 브레이더로 편성한 프리폼을 제조하고, 그 프리폼으로 에프알피 복합재를 제조하는 방법이 개발되어 있다. 브레이더는 다수의 캐리어(또는, 얀 캐리어(yarn carrier), 섬유 공급 장치, 섬유가 감긴 보빈(bobbin)을 포함하고, 섬유가 풀릴 때 적절한 장력을 조절하는 장치)를 배열하고, 캐리어가 규칙적인 방향으로 안내되면, 각 보빈에 감긴 섬유의 상호 꼬임으로 표면이 일정한 각도를 갖는 사선 형태의 브레이드(braid, 또는 브레이디드 슬리브(braided sleeve))를 편성(제직)한다. 이러한 브레이더는, 제직되는 짜임 구조에 따라 바이엑셀 브레이더(biaxial braider)와 3차원 브레이더(3 dimensional braider, 3 차원 브레이딩 머신(3 dimensional braiding machine))가 있다. 그리고 이러한 3차원 브레이더는 캐리어를 구동하는 방법에 따라 혼 기어 브레이더(horn gear braider)와 트랙 앤드 칼럼 브레이더(track and column braider, 또는, row and column braider 또는 Cartesian braider 라고도 함)가 있다.

여기서, 바이엑셀 브레이더(biaxial braider)는 섬유가 사선으로 교차되어 브레이드를 편성하는 브레이더이며, 3차원 브레이더는 다수의 캐리어를 다수의 행렬을 갖는 사각의 매트릭스 구조로 배열하거나, 또는, 다수의 캐리어를 원형으로 다중 배열하여, 다수의 섬유가 입체적으로 일체화된 구조(복수 개의 레이어)로 편성되는 브레이드를 제조한다.

3차원 브레이더는 다수의 캐리어를 다수의 행렬을 갖는 사각의 매트릭스 구조로 배열한 것이 있고, 또는, 다수의 캐리어를 원형으로 다중 배열한 레디얼(오버) 브레이더, 인터록 브레이더 등이 있는데, 이러한 3차원 브레이더는 다수의 섬유가 입체적으로 일체화된 구조(복수 개의 레이어)로 편성되는 브레이드를 제조한다.

혼 기어 브레이더는 경로홈(path, trajectory)이 형성된 트랙판(track plate) 위에 모터 및 기어들로부터 동력을 전달받는 혼 기어가 배열되고, 혼 기어에 의해 캐리어가 이동한다. 혼 기어는 가장자리에 4개의 노치(notch)가 형성되어 캐리어의 일부를 수용하고, 캐리어의 하부는 경로홈에 결합되어, 혼 기어의 회전으로 캐리어는 경로홈을 따라 이동하면서 섬유들이 교차하면서 브레이드를 편성한다.

트랙 앤드 칼럼 브레이더는 미국 등록특허 제4621560호에 기본적인 구조에 대한 내용이 개시되어 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.

한편, 에프알피 복합재료는 다양한 형태로 제작할 수 있지만, 앞서 예시한 발명의 노스 콘(nose cone)은 내부 단면은 튜브 구조이지만, 일단으로 갈수록 좁아져서 막혀있는 구조를 갖는다. 이와 같이 일단이 막힌 폐구조의 복합 복합재료는 제품의 형상을 갖는 몰드에 탄소섬유를 감거나 붙여서 만드는데, 표면을 따라 균일한 강성(강도)을 갖기 어렵다.

그러나, 브레이더를 이용하여 제조된 프리폼을 이용한 복합재료는 표면을 따라 균일한 물성(강성)을 갖는 특성이 있다. 이에, 브레이더를 이용하여 폐구조의 프리폼을 제조하고, 이를 다양한 첨단 산업 분야에 적용할 수 있는 방법에 대한 개발이 필요하다.

실시 예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 실시 예들에 따르면, 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법은, 원형 링 형상을 갖고 직경 방향을 따라 트랙홈이 형성되며, 상기 트랙홈이 일치하도록 동심원 형태로 배열되는 다수의 트랙과, 상기 다수의 트랙 상에서 원주 방향을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 이동하도록 구비되는 회전 실린더와, 상기 트랙홈 상에 배치되는 다수의 캐리어와, 상기 트랙홈 상에서 상기 캐리어를 이동시키는 교차 실린더를 포함하여 구성되는 트랙 앤드 칼럼 브레이더와, 상기 트랙 앤드 칼럼 브레이더에서 상기 트랙의 중앙에 구비되는 맨드릴 및 상기 맨드릴 하부에 구비되어 상기 맨드릴을 이동시키는 이동수단을 포함하여 구성되는 장치에서, 제1 캐리어에 섬유를 걸고, 상기 트랙의 직경 방향으로 상기 제1 캐리어와 마주보는 제2 캐리어에 섬유를 연결하되, 상기 맨드릴의 중심에서 상기 섬유가 교차하도록 배치하고, 상기 교차 실린더와 상기 제1 트랙의 회전 실린더를 작동시킴으로써 트랙의 내측에서 외측 방향으로 브레이딩하여 상기 맨드릴의 단부에 상기 다수의 트랙에 의해서 다수 겹을 브레이드를 편성하고, 상기 이동수단에 의해서 상기 맨드릴을 이동시킴으로써 상기 맨드릴의 측면을 덮는 브레이드를 편성함으로써, 일단이 막힌 구조로 브레이딩된 프리폼을 제조할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 맨드릴의 맨드릴 끝에 다수 겹의 브레이드를 편성하면서, 그 다수 겹의 브레이드는 트랙의 제일 내측에서부터 외측 트랙으로 순차적으로 진행하면서 편성할 수 있다. 상기 다수의 트랙 중 제일 내측 트랙과 제일 외측 트랙은 각각, 트랙홈에 캐리어가 구비되되 회전 실린더가 설치되지 않고 고정 설치된 내측 고정 트랙 및 외측 고정 트랙을 구성하고, 상기 내측 고정 트랙의 캐리어는 제일 내측의 회전 실린더에 의해 작동하는 트랙의 캐리어와 같이 브레이딩하고, 상기 외측 고정 트랙의 캐리어는 제일 외측의 회전 실린더에 의해 작동하는 트랙의 캐리어와 브레이딩할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 맨드릴 단부에 브레이딩하는 다수 겹의 브레이드는 프리폼 길이의 10％ 이내로 편성할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 트랙의 상부에는 포스트가 구비되고, 상기 맨드릴의 상부에는 원형의 링이 구비되고, 상기 포스트에 탄성줄의 일단을 연결하고, 상기 링에 탄성줄의 일단을 연결하며, 상기 포스트의 탄성줄의 타단과 상기 링의 탄성줄의 타단에 엑셀얀을 연결하고, 상기 브레이드를 편성하면서 상기 엑셀얀을 교차로 편성할 수 있다.

한편, 상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 실시 예들에 따르면, 브레이더를 이용하여 제조된 폐구조 프리폼은, 일단이 막힌 구조를 갖는 맨드릴의 단부에 섬유가 교차하면서 브레이딩 되어서 형성된 다수 겹의 브레이드로 구성되고, 상기 맨드릴의 일단을 제외한 다른 부분은 한 겹의 브레이드로 구성된다.

일 측에 따르면, 상기 다수 겹의 브레이드는 프리폼 길이의 10％ 이내로 편성될 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 고강도 섬유, 또는 그 고강도 섬유에 수지가 함침된 토 프리프레그(tow prepreg) 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

일 측에 따르면, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 고강도 섬유, 또는 그 고강도 섬유에 수지가 함침된 토 프리프레그(토우 프리프레그, tow prepreg) 중 어느 하나 이상을 포함하는 엑셀얀을 포함하고, 상기 다수 겹의 브레이드와 상기 엑셀얀이 교차로 편성될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 실시 예들에 따르면, 원형의 3차원 트랙 앤드 칼럼 브레이더, 맨드릴 및 이동수단을 이용하여 폐구조의 프리폼을 형성할 수 있다. 또한, 이음 무늬가 없는 폐구조의 프리폼을 제조할 수 있고, 길이 방향을 따라 물성이 동일하며, 강도, 내구성, 내열성이 우수한 프리폼을 제조할 수 있다. 또한, 엑셀얀(axial yarn)을 같이 편성함으로써 엑셀얀에 의해 프리폼의 밀도를 높이고, 맨드릴(mandrel)의 단면적이 증가하여도, 길이 방향 및 표면을 따라 밀도와 강도가 균일한 프리폼을 제조할 수 있다.

일 실시 예에 따른 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법 및 그 제조 방법으로 제조된 폐구조의 프리폼의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1 내지 도 5는 일 실시 예에 따른 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6 내지 도 17은 일 실시 예에 따른 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법을 설명하기 위해서 4개의 캐리어의 이동 과정을 보여주는 평면도들이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 도 1 내지 도 17을 참조하여 실시 예들에 따른 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법 및 그 제조 방법으로 제조된 폐구조의 프리폼(500)에 대해서 상세하게 설명한다.

참고적으로, 도 1 내지 도 5는 원형의 3차원 브레이더로서 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)의 모식도들이고, 도 6 내지 도 17은 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)의 트랙(110) 상에서 4개의 캐리어(120)가 이동하는 동작을 설명하기 위한 평면도들이다.

도면을 참조하면, 원형의 3차원 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100), 맨드릴(200), 이동수단(300)으로 폐구조의 프리폼(500)을 편성 제조한다.

트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)는 일정한 폭을 갖는 원형 링 형상을 갖는 다수의 트랙(110)과 회전 실린더(미도시) 및 교차 실린더(130)를 포함하여 구성된다.

다수의 트랙(110)에는 직경 방향을 따라서 일정 간격으로 일정 폭과 깊이를 갖는 다수의 트랙홈(111)이 형성된다. 또한, 트랙홈(111)은 트랙(110)의 직경 방향 양측에서 개방된 형태로 형성된다. 다수의 트랙(110)은 동심원 형태로 배치되며 각 트랙홈(111)이 직경 방향을 따라 일 직선상에 위치하도록 배치된다.

다수의 트랙(110) 중 가장 내측의 트랙(110', 내측 고정 트랙)의 내측과 가장 외측의 트랙(110", 외측 고정 트랙)의 외측에 각각 설치된다. 이는, 교차 실린더(130)는 그 로드(또는 그 로드에 결합된 푸셔)(미도시)에 의해서 직경 방향으로 캐리어(120)를 밀어서 이동시키므로, 내측 고정 트랙(110')이나 외측 고정 트랙(110")의 트랙홈(111)에는 교차 실린더(130)의 로드가 삽입 및 뺄 수 있도록 설치되어야 하므로, 회전 실린더가 설치되지 않고, 원주 방향으로 이동되지 않는 고정형으로 설치된다.

이하의 설명에서는 도면에서 트랙(110)이 배치된 방향을 따라 곡률의 제일 내측에서부터 제1 트랙, 제2 트랙, 제3 트랙… 의 순서로 명칭을 부여하여 설명한다.

각 트랙홈(111) 상에는 캐리어(120)가 배치된다.

캐리어(120)(또는, 얀 캐리어, 섬유 공급 장치)는 섬유(121)가 감긴 보빈을 포함하고, 섬유(121)가 풀릴 때 적절한 장력을 주고 장력을 유지 및 조절하는 장치이다. 또, 캐리어(120)는 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)에서 트랙홈(111)을 따라 원형으로 배치되고, 폐구조의 프리폼(500)을 제조하기 위해서 트랙(110)의 직경 방향으로 서로 마주보도록 캐리어(120)가 배치되며, 직경 방향으로 서로 대응되도록 배치된 캐리어(120)는 그 보빈에 섬유(121)가 서로 연결되도록 설치된다.

예를 들어, 섬유(121)는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 고강도 섬유, 또는 고강도 섬유에 수지가 함침된 토 프리프레그(tow prepreg)가 사용될 수 있다.

회전 실린더(미도시)는 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)의 내측에 구비되며, 각 트랙(110)에 연결되어서 트랙(110)을 원주 방향을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시킨다.

교차 실린더(130)는 내측 고정 트랙(110')의 내측과 외측 고정 트랙(110")의 외측의 양측에 각각 설치되며, 트랙(110)의 직경 방향을 따라 설치되며, 각 트랙홈(111)에 설치된다. 교차 실린더(130)는 트랙홈(111)을 따라서, 즉 칼럼 방향을 따라서 캐리어(120)를 밀어서 하나의 트랙(110) 상에서 이웃하는 다른 트랙(110)으로 이동시키며, 교차 실린더(130)에 의해서 캐리어(120)가 트랙(110)의 중심 방향 또는 외측 방향으로 이동할 수 있다.

여기서, 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)는, 회전 실린더에 의해서 원주 방향으로 이동하는 거리는 트랙홈(111) 사이의 원주 방향 거리와 일치하고, 교차 실린더(130)에 의해서 직경 방향으로 이동하는 거리는 트랙홈(111)의 직경 방향 거리와 일치한다. 그리고, 회전 실린더와 교차 실린더(130)가 순차적으로 작동하며, 각 트랙(110)을 작동하는 회전 실린더가 각각 구성되기 때문에, 각 트랙(110)은 단독으로 작동 시키는 것이 가능하며, 즉, 원하는 트랙(110)만 원주 방향으로 이동하는 것이 가능하다.

트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)는 하나의 트랙(110)이 회전 실린더에 의해서 시계 방향과 반시계 방향으로 반복적으로 움직이며, 상기 트랙(110)과 이웃하는 트랙(110)은 상기 트랙(110)과는 서로 반대 방향으로 움직인다.

즉, 다시 말하면, 하나의 트랙(110)이 시계 방향으로 이동할 때, 그와 이웃하는 트랙(110)은 반시계 방향으로 움직이고, 교차 실린더(130)가 작동한 후에, 시계 방향으로 이동했던 트랙(110)은 반시계 방향으로 이동하고, 반시계 방향으로 이동했던 트랙(110)은 시계 방향으로 이동한다.

또, 교차 실린더(130)에 의해서, 동일 트랙(110) 상에서 이웃하는 트랙홈(111)에 구비된 캐리어(120)들은 직경 방향을 따라 서로 반대 방향으로 움직인다. 즉, 직경 방향으로 동일 직선 상에 위치하는 트랙홈(111) 상의 캐리어(120)들이 교차 실린더(130)에 의해서 트랙(110)의 중심 방향으로 이동할 때, 상기 트랙홈(111)과 원주 방향으로 이웃하는 트랙홈(111) 상의 캐리어(120)들은 교차 실린더(130)에 의해 트랙(110)의 외측 방향으로 움직인다. 그리고, 회전 실린더가 작동한 후에는, 캐리어(120)들을 중심 방향으로 이동시킨 교차 실린더(130)는 다시 캐리어(120)들을 외측 방향으로 이동시키고, 캐리어(120)들을 외측 방향으로 이동시킨 교차 실린더(130)는 캐리어(120)들을 중심 방향으로 이동시킨다.

한편, 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)에는 엑셀얀(160)이 추가될 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 엑셀얀(axial yarn)(160)의 공급을 위해서 트랙(110)에는 포스트(140)가 설치되고, 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)의 중심 상부에서 맨드릴(200)의 소정 높이 상부에는 소정 크기의 링(150)이 구비된다.

포스트(140)에는 일정 길이의 탄성줄(141)(예를 들어, 고무줄)의 일단이 연결되고, 링(150)에도 일정 길이의 탄성줄(151)(예를 들어, 고무줄)의 일단이 연결된다. 그리고 포스트(140)의 탄성줄(141)의 타단과 링(150)의 탄성줄(151)의 타단을 각각 엑셀얀(160)의 양단에 연결한다. 여기서, 포스트(140)는 해당 트랙(110)과 함께 이동 방향(트랙(110)의 원주 방향)으로 이동하고, 포스트(140)는 칼럼 방향으로는 이동하지 않는다. 이와 같이 탄성줄(141, 151)이 양단에 연결된 엑셀얀(160)은, 캐리어(120)의 섬유(121)와 교차되면서 편성되어서 프리폼(500)의 밀도를 높이게 된다.

예를 들어, 엑셀얀(160)은 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 고강도 섬유, 또는 고강도 섬유에 수지가 함침된 토 프리프레그(tow prepreg)가 사용될 수 있다. 엑셀얀(160)의 편성 방법은 후술하는 프리폼(500)의 제조 방법에서 자세히 설명하도록 한다.

맨드릴(200)은 프리폼(500)으로 제조하기 위한 제품 형상을 갖는 것으로, 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)에서 트랙(110)의 중심에 구비된다. 맨드릴(mandrel)은 일단부가 막힌 폐구조를 가지며, 예를 들어, 로켓, 미사일, 탱크(기체나 액체를 담는 탱크) 등의 형상을 가질 수 있다.

이동수단(300)은 맨드릴(200)의 하부에 구비되며, 맨드릴(200)을 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)에서 프리폼(500)을 편성하는 속도에 맞추어 이동시킨다. 예를 들어, 이동수단(300)은 로봇으로 구성하거나, 스크류, 모터, 기어, 실린더 등의 구동 수단을 포함하여 구성될 수 있다.

트랙 앤드 칼럼 브레이더(100), 맨드릴(200) 및 맨드릴(200)의 이동수단(300)을 포함하는 장치를 이용하여 일단부가 막힌 폐구조를 갖는 프리폼(500)을 제조할 수 있다.

이하에서는 폐구조의 프리폼(500)의 제조 방법에 대해서 설명한다.

도 1 내지 도 5에서는 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)에서의 폐구조의 프리폼(500)을 제조하는 방법을 도시하였다. 그리고 도 6 내지 도 17에서는 교차 실린더(130)의 작동과 제1 트랙을 움직이는 회전 실린더의 작동에 의한 4개의 캐리어(120)의 동작을 표시하였다. 참고적으로, 도 6 내지 도 15에서는 1 캐리어를 '1CA'로 표시하고, 2 캐리어를 '2CA'로 표시하고, 3 캐리어를 '3CA'로 표시하고, 4 캐리어를 '4CA'로 표시하고, 도 16에서는 1 캐리어의 이동 경로를 번호로 표시하고, 도 17에서는 3 캐리어의 이동 경로를 번호로 표시하였다.

우선, 도 1을 참조하면, 초기 상태에서는, 트랙 앤드 칼럼 브레이더(100)에서 트랙(110)의 중심을 통과하는 위치에 맨드릴(200)을 배치한다. 여기서, 엑셀얀(160)은 공급하지 않고, 내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙에 포함된 트랙홈(111)에만 캐리어(120)의 섬유(121)를 공급한다. 이와 같이 제1 트랙(110) 상에서 직경 방향으로 서로 마주보는 캐리어(120)의 섬유(121)는 서로 연결되며, 트랙(110)의 중앙에서 맨드릴(200)의 단부에서 섬유(121)가 교차하게 된다.

다음으로, 교차 실린더(130)와 제1 트랙의 회전 실린더만 작동하여 브레이딩을 함으로써, 맨드릴(200)의 단부에 브레이딩이 되도록 한다. 여기서, 내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙의 캐리어(120)들은 교차 실린더(130)와 회전 실린더의 작동으로 내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙 및 제2 트랙까지만 이동하면서 브레이딩된다. 그리고 적정한 면적으로 브레이드를 편성하면 각 캐리어(120)들이 내측 고정 트랙(110'), 제1 트랙에 위치했을 때 작동을 멈춘다. 이와 같은 과정에서 내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙에 포함된 캐리어(120)를 제외한 트랙들의 캐리어(120)는 원래의 위치를 유지한다.

도면을 참조하면, 트랙(110)의 원주 방향을 따라 이웃하는 2쌍의 교차 실린더(130)가 이동하면서 프리폼(500)을 제조하게 된다.

상세하게는, X 교차 실린더(130)(도면 상에서 X로 표시)와 X' 교차 실린더(130)(도면 상에서 X'으로 표시)에 따른 칼럼 방향 및 내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙에 위치된 2개의 캐리어(120)(즉, 1CA와 2CA)와 함께, Y 교차 실린더(130)(도면 상에서 Y로 표시)와 Y' 교차 실린더(130)(도면 상에서 Y'으로 표시)에 따른 칼럼 방향 및 제1 트랙과 제2 트랙에 위치된 2개의 캐리어(120)(즉, 3CA와 4CA)를 교차 실린더(130)의 작동 및 회전 실린더의 작동에 따라 이동된다.

한편, 교차 실린더(130)와 그 교차 실린더(130)와 바로 이웃하는 양측의 교차 실린더(130)는 움직이는 방향이 칼럼 방향이되, 서로 반대 방향(트랙의 중심 방향과 트랙의 외측 방향)으로 움직인다. 즉, 캐리어들(1CA, 2CA, 3CA, 4CA)의 이동 경로는, 도 6에 도시한 위치에서, X 교차 실린더(130)와 그 X 교차 실린더(130)와 원주 방향을 따라 두 번째 교차 실린더(130)들의 작동에 의해 1 캐리어(1CA)와 2 캐리어(2CA)를 트랙(110)의 외측 방향(칼럼 방향)으로 이동되고, Y' 교차 실린더(130)와 그 Y' 교차 실린더(130)와 원주 방향을 따라 두 번째 교차 실린더(130)들의 작동에 의해 3 캐리어(3CA)와 4 캐리어(4CA)의 트랙(110)의 중심 방향(칼럼 방향)으로 이동되면서 도 7의 위치가 된다.

다음으로, 제1 트랙의 회전 실린더에 의해 제1 트랙을 시계 방향(트랙 방향)으로 회전시키면, 캐리어들(1CA, 2CA, 3CA, 4CA)은 도 8의 위치가 된다.

다음으로, 다시, X 교차 실린더(130)와 그 X 교차 실린더(130)와 원주 방향에 따른 두 번째 교차 실린더(130)들의 작동에 의해 캐리어들(1CA, 2CA, 3CA, 4CA)들을 중심 방향(칼럼 방향)으로 이동하고, Y' 교차 실린더(130)와 그 Y' 교차 실린더(130)와 원주 방향에 따른 두 번째 교차 실린더(130)들의 작동에 의해 캐리어들(1CA, 2CA, 3CA, 4CA)을 외측 방향(칼럼 방향)으로 이동하여 도 9의 위치가 된다.

다음으로, 제1 트랙의 회전 실린더에 의해 제1 트랙을 반시계 방향(트랙 방향)으로 회전시키면 캐리어들(1CA, 2CA, 3CA, 4CA)은 도 10의 위치가 된다. 이와 같이 교차 실린더(130)에 의한 칼럼 방향으로의 이동과 회전 실린더에 의한 트랙(110) 방향으로의 이동을 반복하면서 도 11 내지 도 17의 위치가 된다.

이와 같이 회전 실린더에 의한 제1 트랙의 작동으로 맨드릴(200)의 표면에 브레이딩을 하되, 섬유(121)가 설치된 캐리어(120)들이 내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙에 위치되었을 때 브레이딩을 멈추면, 도 1에서 확대도에 도시한 바와 같이, 맨드릴(200)의 단부에 원형으로 한 겹의 브레이드(510)가 덮인 구조가 편성된다.

다음으로는, 제2 트랙(110)에 포함된 트랙홈(111)에만 캐리어(120)의 섬유(121)를 공급한다. 이와 같이 제2 트랙(110) 상에서 직경 방향으로 서로 마주보는 캐리어(120)는 섬유(121)가 서로 연결되고, 트랙(110)의 중앙에서 맨드릴(200)의 단부에서 교차되며, 특히, 상술한 바와 같이 편성된 한 겹의 브레이드(510) 상에 캐리어(120)의 섬유(121)들이 교차하게 된다.

다음으로, 교차 실린더(130)와 제2 트랙의 회전 실린더만 작동하여 브레이딩을 함으로써, 맨드릴(200)의 단부에 브레이딩이 이루어진다.

내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙 및 제2 트랙의 캐리어(120)들은 교차 실린더(130)의 작동으로 이웃하는 트랙(110)으로 이동한다. 다만, 회전 실린더는 제2 트랙만 작동하면서 제2 트랙에 포함된 캐리어(120)들이 제1 트랙 내지 제3 트랙까지만 이동하면서 브레이딩하고, 각 캐리어(120)들이 내측 고정 트랙(110'), 제1 트랙, 제2 트랙으로 위치될 때까지 브레이딩한다. 그리고 내측 고정 트랙(110')과 제1 트랙 및 제2 트랙에 포함된 캐리어(120)를 제외한 트랙들의 캐리어(120)는 원래의 위치를 유지한다.

이와 같이 작동하여, 도 2에서 확대도에 도시한 바와 같이, 맨드릴(200)의 단부에서 한 겹의 브레이드(510)를 덮는 두 겹의 브레이드(510)가 편성된다. 각 캐리어(120)들의 위치 및 트랙(110)에서의 이동은 상술한 도 6 내지 도 10에 의한 설명과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.

상술한 바와 유사하게, 제3 트랙, 제4트랙, 제5트랙 등에 포함된 캐리어(120)에 순차로 섬유(121)를 공급하고, 해당하는 트랙(110)의 회전 실린더와 교차 실린더(130)를 작동함으로써 맨드릴(200)의 단부 위로 브레이딩을 한다. 또한 회전 실린더로 작동하는 제일 외측의 외측 고정 트랙(110")에 포함된 캐리어(120)에 섬유(121)를 설치할 때는 외측 고정 트랙(110")에 포함된 캐리어(120)에도 섬유(121)를 연결하고, 해당하는 회전 실린더와 교차 실린더(130)를 작동하여 맨드릴(200) 위에 다수 겹의 브레이드(510)가 편성된 구조를 가진다.

여기서, 드릴(200)의 단부에 다수 겹으로 편성된 브레이드(510)는, 맨드릴(200)에 브레이딩되는 총 길이의 10％의 이내로 편성하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 교차 실린더(130)와 각 트랙(110)에 해당하는 회전 실린더를 작동함으로써 맨드릴(200)의 단부에 다수 겹의 독립된 브레이드(510)로 덮인 상태로 편성된다.

다음으로, 도4에 도시한 바와 같이, 전체의 회전 실린더와 교차 실린더(130)를 순차적으로 작동시킴으로써 한 겹의 브레이드(510)가 맨드릴(200)의 표면을 덮도록 브레이딩하고, 해당하는 트랙(110)의 회전 실린더를 작동시킴으로써 다수 겹으로 브레이딩된 섬유(121)들이 일체로 한 겹으로 제직되어 맨드릴(200) 측면에 브레이드(520)가 편성된다.

한편, 맨드릴(200)은 길이 방향을 따라 단면적이 넓어지면 측면에 편성되는 브레이드(520)의 밀도가 떨어질 수 있으므로, 별도의 엑셀얀(160)을 공급하여 밀도를 증가시킬 수 있다.

도 5를 참조하면, 트랙(110)에 구성된 포스트(140)와 맨드릴(200) 상부에 위치하는 링(150) 사이에 엑셀얀(160)을 설치한다. 그리고 포스트(140)에 일정 길이의 탄성줄(141)의 일단을 연결하고, 링(150)의 상부에도 탄성줄(151)의 일단을 연결하며, 엑셀얀(160)의 양단을 그 포스트(140)의 탄성줄(141)과 링(150)의 탄성줄(151)로 연결한다.

참고적으로, 도 5에서는 엑셀얀(160)의 설치 구조를 명확하게 보여주기 위해서 캐리어는 연하게 표시하고, 캐리어의 섬유는 생략하였다.

이와 같이 엑셀얀(160)은 보빈에 감아서 공급하기 보다는 탄성줄(141)(151)의 탄성으로 장력을 조절하면서 공급한다. 또한, 엑셀얀(160)은 모든 트랙(110)의 포스트(140)에 공급하기 보다는, 맨드릴(200)의 단면적이 커지는 것을 고려하여, 제1 트랙부터 순차로 공급한다. 또한, 링(150)은 복수 개 구성하고, 각 링(150)의 높이를 조절할 수 있도록 하여, 하나의 트랙(110)에 소속된 포스트(140)와 하나의 링(150)을 일대일로 연결하면 설치가 용이하고 구분이 용이하다.

이와 같이, 포스트(140)와 링(150)에 엑셀얀(160)을 설치하고, 브레이더(100)를 작동하면, 캐리어(120)의 이동하면서 엑셀얀(160)이 같이 꼬이게 되며, 엑셀얀(160)은 보빈으로 공급하지 않아도, 탄성줄(141, 151)이 늘어나면서 맨드릴(200)의 길이를 따라 같이 브레이딩 된다.

엑셀얀(160)은 맨드릴(200)의 단면 두께에 따라, 트랙(110)을 개별 작동할 때 적용할 수 있고, 또는, 다수 겹의 브레이드를 편성한 다음 특정 부분부터 엑셀얀(160)을 단계별 또는 한번에 모두 설치하여 브레이드를 편성할 수 있다. 엑셀얀(160)이 포함된 브레이드는, 엑셀얀(160)에 의해서 프리폼(500)의 밀도가 높아져서 맨드릴(200)의 단면이 커지더라도 적절한 밀도와 강도를 가질 수 있다.

다음으로, 브레이딩의 작동으로 맨드릴(200)을 덮는 브레이드를 편성한 다음, 맨드릴(200)에 연결된 섬유(121)를 절단하면, 맨드릴(200)에 브레이드(510, 520)로 편성된 프리폼(500)의 제조가 완료되며, 프리폼(500)은 일단이 막힌 구조의 폐구가 된다. 또한, 프리폼(500)은 맨드릴(200)에서 수거하여 성형하거나, 또는, 맨드릴(200)을 성형 몰드로 적용하여 성형한다.

정리하면, 실시 예에 따른 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼(500) 제조 방법은, 원형의 3차원 트랙 앤드 칼럼 브레이더, 맨드릴, 이동수단을 이용하여 일단이 막힌 폐구조의 프리폼(500)을 형성할 수 있다. 또한, 브레이더를 이용함으로써 표면 및 길이 방향을 따라 균일한 물성(강성)을 갖고, 이음매가 없는 폐구조의 프리폼(500)을 제조할 수 있으며, 강도, 내구성, 내열성이 우수한 프리폼(500)을 제조할 수 있다. 또한, 엑셀얀(axial yarn)을 같이 편성함으로써 엑셀얀에 의해 프리폼(500)의 밀도를 높이고, 맨드릴(mandrel)의 단면적이 증가하여도, 길이 방향 및 표면을 따라 밀도와 강도, 내압, 내열성이 우수하고 균일한 프리폼(500)을 제조할 수 있다.

또한, 이와 같이 제조된 폐구조의 프리폼(500)은 로켓, 미사일, 탱크와 같이 일단이 폐구조를 갖는 다양한 제품의 제조에 적용될 수 있다.

이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

100: 브레이더
110: 트랙
110': 내측 고정 트랙
110": 외측 고정 트랙
111: 트랙홈
120: 캐리어
121: 섬유
130: 교차 실린더
140: 포스트
141: 탄성줄
150: 링
151: 탄성줄
160: 엑셀얀
200: 맨드릴
300: 이동수단
500: 프리폼
510, 520: 브레이드

Claims (9)

1. 원형 링 형상을 갖고 직경 방향을 따라 트랙홈이 형성되며, 상기 트랙홈이 일치하도록 동심원 형태로 배열되는 다수의 트랙과, 상기 다수의 트랙 상에서 원주 방향을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 이동하도록 구비되는 회전 실린더와, 상기 트랙홈 상에 배치되는 다수의 캐리어와, 상기 트랙홈 상에서 상기 캐리어를 이동시키는 교차 실린더를 포함하여 구성되는 트랙 앤드 칼럼 브레이더;
   상기 트랙 앤드 칼럼 브레이더에서 상기 트랙의 중앙에 구비되는 맨드릴; 및
   상기 맨드릴 하부에 구비되어 상기 맨드릴을 이동시키는 이동수단;
   을 포함하고,
   제1 캐리어에 섬유를 걸고, 상기 트랙의 직경 방향으로 상기 제1 캐리어와 마주보는 제2 캐리어에 섬유를 연결하되, 상기 맨드릴의 중심에서 상기 섬유가 교차하도록 배치하고,
   상기 교차 실린더와 제1 트랙의 회전 실린더를 작동시킴으로써 트랙의 내측에서 외측 방향으로 브레이딩하여 상기 맨드릴의 단부에 상기 다수의 트랙에 의해서 다수 겹을 브레이드를 편성하고,
   상기 이동수단에 의해서 상기 맨드릴을 이동시킴으로써 상기 맨드릴의 측면을 덮는 브레이드를 편성함으로써, 일단이 막힌 구조로 브레이딩된 프리폼을 제조하는 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 맨드릴의 맨드릴 끝에 다수 겹의 브레이드를 편성하면서, 그 다수 겹의 브레이드는 트랙의 제일 내측에서부터 외측 트랙으로 순차적으로 진행하면서 편성하는 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 다수의 트랙 중 제일 내측 트랙과 제일 외측 트랙은 각각, 트랙홈에 캐리어가 구비되되 회전 실린더가 설치되지 않고 고정 설치된 내측 고정 트랙 및 외측 고정 트랙을 구성하고,
   상기 내측 고정 트랙의 캐리어는 제일 내측의 회전 실린더에 의해 작동하는 트랙의 캐리어와 같이 브레이딩하고, 상기 외측 고정 트랙의 캐리어는 제일 외측의 회전 실린더에 의해 작동하는 트랙의 캐리어와 브레이딩하는 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 맨드릴 단부에 브레이딩하는 다수 겹의 브레이드는 프리폼 길이의 10％ 이내로 편성하는 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 트랙의 상부에는 포스트가 구비되고,
   상기 맨드릴의 상부에는 원형의 링이 구비되고,
   상기 포스트에 탄성줄의 일단을 연결하고, 상기 링에 탄성줄의 일단을 연결하며,
   상기 포스트의 탄성줄의 타단과 상기 링의 탄성줄의 타단에 엑셀얀을 연결하고,
   상기 브레이드를 편성하면서 상기 엑셀얀을 교차로 편성하는 브레이더를 이용한 폐구조의 프리폼 제조 방법.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항 기재의 폐구조 프리폼 제조 방법에 의해서 제조되며,
   일단이 막힌 구조를 갖는 맨드릴의 단부에 섬유가 교차하면서 브레이딩 되어서 형성된 다수 겹의 브레이드로 구성되고,
   상기 맨드릴의 일단을 제외한 다른 부분은 한 겹의 브레이드로 구성되는 폐구조의 프리폼.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 다수 겹의 브레이드는 프리폼 길이의 10％ 이내로 편성하는 폐구조의 프리폼.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 고강도 섬유, 또는 그 고강도 섬유에 수지가 함침된 토 프리프레그(tow prepreg) 중 어느 하나가 사용되는 폐구조의 프리폼.
   
9. 제6항에 있어서,
   탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 고강도 섬유, 또는 그 고강도 섬유에 수지가 함침된 토 프리프레그(토우 프리프레그, tow prepreg) 중 어느 하나 이상을 포함하는 엑셀얀을 포함하고,
   상기 다수 겹의 브레이드와 상기 엑셀얀이 교차로 편성되는 폐구조의 프리폼.

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