KR101910417B1 - 섬유 프리폼, 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

섬유 프리폼, 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직조 섬유 프리폼, 프리폼을 포함하는 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기 직조 프리폼은 상호 직조되어 연속적인 나선형 직물을 제조할 수 있도록 된 복수의 날실 및 씨실 또는 섬유를 포함한다. 상기 나선형 직물은 아르키메데스 나선의 형상을 취할 수 있다. 상기 프리폼의 씨실은 균일하거나 다양한 피크 공간 또는 균일하거나 다양한 각도 분리를 가질 수 있다. 상기 아르키메데스 나선의 나선형 직물은 조립되거나 감싸져서 원뿔형 쉘 구조를 형성할 수 있고, 방적기계(spinner) 또는 배출 원뿔의 일부분 일 수 있다. 상기 나선형 직물은 차동 테이크업(take-up) 시스템이 장착된 직조기에서 직조될 수 있다.

Description

섬유 프리폼, 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법{FIBER PREFORM, FIBER REINFORCED COMPOSITE, AND METHOD OF MAING THEREOF}
본 발명은 섬유 강화 복합재에 관한 것으로서, 특히 강화된 복합재 재료에 사용되는 직조 스트립의 재료를 가지며, 평평하게 직조되어 최종 형상으로 접혀지는 프리폼에 관한 것이다.
참조문헌에 포함됨
여기서 언급되는 모든 특허, 특허출원, 서류, 참조문헌, 제조자의 지침, 설명, 제품 상세, 및 어떤 제품의 제품 시트는 참조문헌에 포함되며, 본 발명의 실시예에서 채용될 수 있다.
구조적인 컴포넌트를 제조하기 위한 강화 복합 재료는 특히 원하는 특성으로 경량화, 강함, 질김, 내열성, 자기 보호의 특성을 가지며 제조 및 형태에 맞게 변경할 수 있도록 응용하는데 현재 폭넓게 사용되고 있다. 상기 컴포넌트는 예를 들면, 항공, 항공우주, 인공위성, 여가용(경주용 보트 및 차량) 및 다른 용도로 사용될 수 있다.
통상적으로 상기 컴포넌트는 매트릭스 재료에 삽입된 강화 재료로 구성된다. 상기 강화 컴포넌트는 유리, 카본, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌, 및/또는 원하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질을 나타내며 이들 중 최고의 성질은 응력 파괴에 대해 큰 강도를 지니는 다른 재료로 만들어진다. 궁극적으로 완전하게 만들어진 컴포넌트의 구성요소를 이루는 상기 강화 재료를 사용함에도 불구하고, 매우 높은 강도와 같은 강화 재료의 원하는 특성이 완전하게 만들어진 컴포넌트에 주입된다. 통상적으로 구성되는 강화 재료는 직조, 뜨개질로 직조되며, 새끼 꼬아진다. 통상 구성되는 강화 재료를 선택하기 위한 성질의 알맞은 이용을 확보하는데 특별히 기울인다. 통상 상기한 강화 프리폼은 매트릭스 재료로 통합되어 원하는 정도로 마무리된 컴포넌트를 형성하거나 마무리된 컴포넌트의 궁극적인 생산을 위한 작업 자본금을 만들 수 있다.
원하는 강화 프리폼이 구성된 후, 매트릭스 재료는 프리폼으로 삽입되고, 통상 강화 프리폼이 매트릭스 재료에 삽입되어 매트릭스 재료가 강화 프리폼의 구성요소 사이의 틈새 영역에 채워진다. 상기 매트릭스 재료는 매우 다양한 재료, 예를 들면 에폭시, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 세라믹, 카본 및/또는 다른 재료일 수 있고, 원하는 물리적, 열적, 화학적, 및/또는 다른 성질을 나타낼 수도 있다. 상기 매트릭스와 같은 용도로 선택된 재료는 강화 프리폼의 용도와 동일하거나 동일하지 않을 수 있고, 비교할만한 물질적, 화학적, 열적 또는 다른 성질을 가지거나 갖지 않을 수 있다. 그러나, 우선 복합재를 사용함에 있어서 요구되는 통상의 목적은 하나의 구성 재료만을 통해 달성할 수 없는 마무리된 제품 특성을 조합하는 데 있기 때문에, 통상적으로 복합재는 동일한 재료로 이루어지지 않거나 비교할만한 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 성질을 가질 것이다. 그래서 통합된 강화 프리폼 및 매트릭스 재료는 열경화성 수지 또는 다른 알려진 방법에 의해 동일한 작용으로 안정화되거나 경화될 수 있고, 그 다음 원하는 컴포넌트를 제조하기 위해 다른 작용을 받는다. 경화된 후 매트릭스 재료의 강화 매스(mass)가 보통 강화 재료(예, 강화 프리폼)에 매우 강하게 접착된다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 그 결과 마무리된 컴포넌트의 응력은 섬유 사이의 접착제로 작용하는 매트릭스 재료를 통해 강화 프리폼의 구성 재료에 의해 효과적으로 전달될 수 있다.
빈번하게는 플레이트, 시트, 직사각형, 정사각형의 솔리드 등과 같은 단순한 기하학적인 형상과 다른 구조로 된 컴포넌트를 제조하는 것을 바람직하다. 이와 같은 것을 달성하기 위해 상기한 기초적인 기하학적인 형상을 원하는 더욱 복잡한 형태에 통합할 수 있다. 상기한 형상에서 구성 요소를 가능한 한 강하게 연결하는 것을 고려할 수 있다. 강화 프리폼이 원하는 매우 높은 강도를 가진다면, 연결물의 취약함이 구조적인 체인에서 약한 링크로 이어질 수 있다.
종래기술은 강화 복합재의 구조적인 완전함을 향상시키는데 부분적으로 성공을 거두었지만, 접착제 또는 기계적인 커플링의 사용과 다른 접근을 통해 문제를 해결하거나 개선하려는 요구가 있다. 이와 관련하여 전문화된 기계에 의해 3차원(3D) 직조 구조를 생성하는 방법으로 접근할 수 있다. 하지만, 소요비용이 비싸고 단일 구조를 생성하기 위한 직조기계를 가지는 것을 거의 바람직하지 못하다. 2차원(2D) 구조로 직조하고 패널이 통합적으로 직조, 즉 실이 연속적으로 평면 기재 또는 패널부와 다른 구성 부분 사이에서 상호 직조되도록 2차원 구조를 3D 형상으로 접는 방식으로 접근할 수 있다.
항공기 및 제트 엔진에서 상기한 섬유 프리폼 강화를 가지는 복합재 재료의 사용 증가로 복합재 원뿔형 쉘에 대한 수요가 증가하고 있다. 원뿔형 쉘을 제조하기 위한 종래의 방법은 도 1a에 도시한 바와 같이 환형의 일부 형상으로 이루어진 평면 패턴(10)을 형성한다. 2개의 직선(15)이 도 1b에 도시한 바와 같이 서로 마주보게 정렬되는 경우에 이 형상은 원뿔대(20)의 형상을 취하도록 만들어진다. 상기 평면 패턴(10)은 종래의 2D 직물로부터 절단되거나 예를 들면 극 직조(polar weaving) 장비를 이용하여 원형으로 직접 직조될 수 있다.
하지만, 상기한 방법들 모두는 어떠한 한계를 가진다. 2D 직물을 이용하는 경우 균일한 두께의 쉘을 발생시키고, 섬유를 2방향으로 균일하게 분배하지만, 섬유 방향은 원뿔의 이론적인 방향, 즉 원주방향 및 축방향으로 정렬되지 않는다. 한편, 극 직조는 섬유를 주요방향으로 향하지만 섬유 분배는 축방향으로 변화시킨다. 다른 경우에 2개의 직선이 함께 가는 경우에 불연속적인 이음매가 존재한다. 또한, 상기 원뿔이 어떠한 크기도 가질 수 있지만 단일 평면 패턴으로부터 제조가능한 최대 크기는 직조기에 의해 한정되고, 종래의 2D 직물이 원뿔을 제조하는데 사용되면 실질적으로 재료 낭비가 있을 수 있다. 그러나, 단일 조각의 직물을 이용하는 것은 이음매(seam)의 갯수를 최소화하고 직물을 절단 및 배치하는데 필요한 인력 절감하기 때문에 바람직하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 종래 방법의 몇 가지 섬유 분배 문제 및 크기 제한을 극복할 수 있는 섬유 프리폼, 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 구성 섬유 방향가 원뿔의 주요 방향, 즉 원주 및 축방향으로 정렬되는 원뿔형 쉘을 제조한다. 그 결과 주요한 좌표 시스템에 대하여 균일한 강도 및 경도를 가지는 경도를 발생시키고, 그 결과로서 만들어지는 구조의 주요 방향에서 강도 및 경도를 최대화시킨다.
또한, 본 발명은 축방향 뿐만 아니라 원주방향으로 균일한 섬유 분배를 가지는 원뿔형 쉘을 제조하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 Z 방향의 구조에서 형성되는 불연속 이음매가 없도록 복합재의 전체 표면적을 가로지르는 연속적인 후프 섬유를 가지는 원뿔형 쉘을 제조하는데 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 실질적으로 어떠한 크기도 가질 수 있는 원뿔형 쉘을 제조하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 직물 재료의 손실량을 최소화하는 원뿔형 쉘을 제조하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 단일 조각의 직물을 이용하여 조각의 수를 최소화하고 인력을 절감하는 원뿔형 쉘을 제조하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는 복수의 날실 및 씨실 또는 섬유를 가지며, 상기 날실 및 씨실 또는 섬유는 상호 직조되어 연속적인 나선형 직물을 형성할 수 있도록 된 섬유 프리폼을 제공한다. 상기 나선형 직물은 아르키메데스 나선의 형상으로 이루어진다. 상기 프리폼에서 씨실은 균일하거나 다양한 피크(pick) 공간 혹은 균일하거나 다양한 각도 분리를 가진다. 상기 아르키메데스 나선으로 형성된 직물은 조립되거나 감싸져서 원뿔형 쉘 구조를 형성하고, 상기 원뿔형 쉘 구조는 방적기계(spinner) 혹은 배출 원뿔(cone)의 일부이다. 상기 아르키메데스의 나선형 직물은 차동 테이크업(take-up) 메카니즘이 장착된 직조기에서 직조된다. 상기 프리폼은 또한 복수의 날실 또는 섬유로 직조되는 제2의 연속적인 나선형 직물을 포함하고, 상기 제2아르키메데스 나선형 직물은 제1아르키메데스 나선형 직물 위로 감싸져서 여분의 강도를 제공하거나 균형잡힌 프리폼을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제2실시예는 섬유 프리폼을 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명에 따른 제3실시예는 복수의 날실 및 씨실 또는 섬유를 상호직조하여 연속적인 나선형 직물을 형성하는 단계와, 아르키메데스 나선의 나선형 직물을 조립하거나 감싸서 원뿔형 쉘 구조를 형성하는 단계와, 상기 원뿔형 쉘의 상단 및 하단을 대응하는 절단선을 따라 절단하는 단계를 포함하는 섬유 프리폼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 방법은 복수의 날실 및 씨실 혹은 섬유로 제2의 연속적인 나선형 직물을 직조하는 단계와, 제1아르키메데스 나선형 직물 위로 제2나선형 직물을 감싸서 여분의 힘을 제공하고 균형잡힌 프리폼을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 씨실은 균일하거나 다양한 피크(pick) 공간에 삽입되어나 혹은 균일하거나 다양한 각도 분리를 가진다. 상기 아르키메데스의 나선형 직물은 차동 테이크업(take-up) 메카니즘이 장착된 직조기에서 직조된다.
본 발명에 따른 제4실시예는 섬유 프리폼을 포함하는 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공한다.
본 발명의 프리폼은 날실 섬유를 위한 어떠한 종래의 패턴, 즉 플라이 투 플라이(ply-to-ply), 관통 두께 각 포개짐(through thickness angle interlock), 직교(orthogonal) 등을 이용하여 직조된 다중층 직조 또는 단일층 직조 직물일 수 있다. 평직조(plain weave)가 본 구조에 바람직하지만, 상기 프리폼은 실질적을 평직(plain), 능직(twill), 수자직(satin) 등과 같은 어떠한 종래 직조 패턴을 이용하여 직조될 수 있다.
본 발명의 섬유 프리폼에 대한 잠재적인 응용은 방적기계(spinner) 또는 제트엔진의 배출 원뿔(exit cone)을 포함한다.
본 발명을 특징짓는 다양하고 신규한 특징은 특히 첨부되어 본 명세서의 일부를 구성하는 청구항에서 지적된다. 본 발명의 더 나은 이해를 위해, 본 발명의 작용 이점 및 이의 사용에 의한 특별한 목적을, 바람직하지만 제한되지 않는 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 또한 도면에서 상응하는 요소들은 동일한 참조번호에 의해 지시된다.
본 명세서에서 "포함하는" 및 "포함한다"는 용어는 "구성하는" 및 "구성한다"는 것을 의미하고, 혹은 미국 특허법에서 "포함하는" 및 "포함한다"는 용어로 통상 주어지는 의미를 가진다. 청구항에서 "본질적으로 구성하는" 또는 "본질적으로 구성한다"는 용어는 미국 특허법에서 그것들을 설명하는 의미를 가진다. 본 발명의 다른 실시예는 다음의 명세서(본 발명의 범위 내)로부터 설명되거나 분명하여질 것이다.
첨부한 도면은 본 발명의 더 많은 이해를 돕기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부로 구성된다. 여기서 제공되는 도면은 본 발명의 다른 실시예를 보여주고, 상기 설명은 본 발명의 원리를 설명하기 위해 도와준다.
도 1a는 원형의 평평한 패턴의 일부를 보여주는 개략도
도 1b는 도 1a에 도시된 평평한 패턴을 감쌈으로써 형성되는 원뿔의 개략도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 아르키메데스 나선형 직물의 개략도
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 원뿔형 쉘 프리폼을 각각 다르게 보여준다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 절단 원뿔형 쉘 프리폼이다; 및
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 아르키메데스 나선형 직물의 개략도; 및
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 절단된 원뿔형 쉘을 보여준다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구체화될 수 있고 여기서 제시된 상세한 설명에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 오히려 상세한 설명은 본 명세서가 완전해지도록 제공되어 본 발명의 청구범위를 당업자에게 완전하게 전달할 것이다.
이하의 설명에서, 동일한 참조번호는 도면 전체적으로 동일하거나 상응하는 요소를 가리킨다. 또한 다음의 설명에서, 상부, 하부, 상단, 하단, 제1의, 제2의와 같은 단어는 편의상 사용되며, 한정적인 용어로 사용되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 일 실시예는 아르키메데스 나선형으로 직조된 상대적으로 좁은 직물을 사용함으로써 섬유 프리폼(Preform), 예를 들면 원뿔모양의 외피(shell)를 제조하는 방법이다. 이 방법을 사용하여 제조될 수 있는 프리폼(100)의 예는 도 2에서 감싸지지 않은 형태로 도시되어 있다.
나선형 직물(50)은 경사 및 위사를 이용하여 직조될 수 있고, 상기한 목적에 맞는 재료, 또는 원하는 물리적인, 열적인, 및/또는 화학적 성질을 나타내는 어떠한 재료로 만들어질 수 있다. 카본, 나일론, 레이온, 유리섬유, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르, 및 금소 실 또는 섬유를 몇 가지 예로 들 수 있다. 평평한 멀티필라멘트 실이 바람직하지만, 어떤 형태의 실 또는 섬유도 사용될 수 있으며, 예를 들면 모노필라멘트, 평평한 모노필라멘트, 멀티필라멘트 실, 직조된(textured) 멀티필라멘트 실, 꼬인 멀티필라멘트 실, 꼬인 구조, 또는 이들의 조합이다. 실 콤포넌트 또는 섬유 각각은 하나 이상의 층으로 코팅될 수 있으며, 예를 들어 필요하면 상기 컴포넌트 섬유의 성능을 향상시킬 수 있는 피니시(finish) 또는 다른 어떤 코팅도 가능하다.
나선형 직물(50)은 왕복 직조기(shuttle loom)에서 직조될 수 있고, 또는 예를 들어 실 매는 도구(take up) 시스템이 장착된 차동 어떤 직조기도 가능하다. 차동 실 매는 도구 시스템은 직물이 평면상으로 원하는 자연스러운 곡률을 가지도록 직물의 끝단부가 다른 비율로 이동하게 한다. 상기 시스템은 다른 테이크업(take up) 양이 각 피크(pick)를 위해 특정되도록 프로그램가능하다. 나선(30,40)은 도 2에서 예를 들면 나선형 직물(50)의 가장자리를 나타내고, 날실 섬유와 평행하고, 선(32)은 프리폼의 씨실 섬유의 경로를 나타낸다. 반원(22,24)은 원뿔(100)의 상단 및 하단을 가리키는 트림 선이고, 이것은 상기한 단부들을 평평해지거나 서로 평행하게 만들기 위해 절단될 수 있다. 예를 들면, 반원(22)은 원뿔(100)의 상단을 위한 절단선이고, 반원(24)은 원뿔(100)의 하단을 위한 절단선이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 직조기의 테이크업 시스템은 연속되는 씨실 섬유 사이의 각이 일정하고 모든 날실 섬유가 동일한 길이를 가지도록 나선형 직물을 제조하기 위해 선택될 수 있다. 이것은 직물이 도 3b에 도시한 바와 같이 형상화된 멘드렐(shaped mandrel)에서 원뿔로 감겨질 경우에 r-z 평면에서 정렬되는 축방향 섬유를 가지는 균일한 폭의 직물(50)을 제조한다. 상기 날실 섬유는 새도우 헬릭스(26)를 따라 향하여 연속해서 원뿔을 따라 감겨진다.
일 실시예에 따라, 반대방향으로 헬릭스(helix;나선)를 따라 향하는 날실 섬유를 가지는 보상 직물(미도시)은 제1직물(50) 위에 감싸져서 균형있는 프리폼을 제조할 수 있다. 상기 보상 직물은 제1나선형 직물과 동일하거나 동일하지 않은 직물일 수 있다. 추가 층의 나선형 직물은 향상된 물질적 성질, 예를 들면 여분 강도(extra strenth) 등을 위해 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 프리폼은 도 2에 도시한 반원 경로를 따라 트림될 수 있고, 그 결과 원뿔형 외피(100)의 원뿔대(frustum)가 될 수 있다. 또한 직물 둘 다 먼저 형상화된 멘드렐을 따라 한쪽이 다른 쪽 위로 감싸진 후, 원뿔(100)의 상단과 하단이 절단된다. 그러나, 직물이 본래 미리 배치되어 형상화된 멘드렐 또는 원뿔에서 갭이나 오버랩 없이 인접한 와인딩 사이로 감겨지기 때문에 상단과 하단의 절단이 본 방법에서 필요한 컷팅 뿐이라는 것을 주목하여야 한다. 본 발명에 따라 제조된 절단된 원뿔형 쉘 프리폼의 예는 도 4에 도시한 예와 같다.
상기한 실시예에서, 씨실 섬유는 원뿔의 좁은 쪽 단부에서 축적되는 경향이 있고, 그것은 폴라(polar) 직조 직물과 같다. 이것은 그러나 본 발명의 일실시예에 따라 균일한 각도를 가지기 보다는 인접한 씨실 섬유 사이에 균일한 피크(pick) 공간 또는 균일한 아크 길이를 가지는 나선형 직물(150)을 직조함으로써 제거될 수 있다. 이 결과 예를 들면 도 5에 도시한 바와 같이 원뿔(200)의 전체 표면 위로 날실과 씨실 섬유 사이에 균일한 균형을 유지하는 나선형 직물(150)을 만들 수 있다. 도 5는 균일한 피크 공간을 가지는 직물의 플랫(flat) 패턴의 예이고, 도 6은 예를 들면 본 발명의 균일한 피크 공간 디자인(200)과 균일한 각 분리 디자인(100)을 도시한다. 그러나, 균일한 피크 공간과 균일한 각 분리를 가지는 씨실을 포함하는 디자인이 여기서 설명되어 있지만, 본 발명이 상기한 바와 같이 한정되지 않는다는 것을 주목해야한다. 예를 들면, 섬유가 원뿔의 주요 몸체에서 균일한 피크 공간을 가진다는 점에서 씨실 또는 씨실 섬유의 피크 공간 및/또는 각도 분리가 다양할 수 있지만, 동일한 양의 섬유를 포장하는 것이 어렵다는 점에서 원뿔의 끝단에 근접하는 것이 다양할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 프리폼 및 방법은 종래의 방법에서 몇몇의 섬유 분배 문제와 크기 제한을 극복할 수 있다. 본 원뿔형 쉘을 구성하는 섬유의 방향은 원뿔의 원칙적인 방향, 즉 원주방향 및 축방향으로 매우 잘 정렬되어 있다. 이 결과 주요한 좌표 시스템에 관하여 균일한 강도 및 경도를 가지는 프리폼을 만들 수 있고, 그 결과로서 생기는 구조의 주요한 방향으로 강도와 경도를 최대화시킬 수 있다. 또한, 원뿔형 쉘(shell)은 축방향 뿐만 아니라 원주방향으로 균일한 섬유 분배를 가질 수 있고, 복합재의 전체 표면적을 가로지르는 연속적인 후프 섬유를 또한 가짐으로써 상기 구조의 원주방향으로 형성된 불연속 이음매가 발생하지 않는다.
본 발명의 또 다른 이점은 원뿔형 쉘이 실질적으로 어떠한 크기도 가질 수 있고, 직물 재료의 손실을 최소화할 수 있다. 게다가 원뿔형 쉘은 단일의 직물을 이용하여 제조되어 재료의 수를 최소화하고 인력을 절감할 수 있다.
본 발명의 프리폼은 날실 섬유를 위한 어떠한 종래의 패턴, 즉 플라이 투 플라이(ply-to-ply), 관통 두께 각 포개짐, 직교 등을 이용하여 직조된 다중층 직조 또는 단일층 직조 직물일 수 있다. 평직조가 본 구조에 바람직하지만, 상기 프리폼은 실질적을 평직, 능직, 수자직 등과 같은 어떠한 종래 직조 패턴을 이용하여 직조될 수 있다. 유사하게는, 카본 섬유가 바람직하지만, 본 발명은 실질적으로 어떠한 다른 섬유 타입에도 적용가능하다.
프리폼(100,200)이 원하는 원뿔형 쉘 형상으로 조립되거나 감싸진 후, 프리폼(100,200)은 방적기계 또는 제트 엔진의 배출 원뿔과 같은 원뿔형 구조에 사용하기 위한 복합재로 제조될 수 있다. 프리폼(100,200)은 예를 들면 수지 이송 몰딩, 화학적 증기 여가, 젖음 레이업(layup) 또는 수지 필름 주입과 같은 종래의 어떠한 수지 주입방법을 이용하여 예를 들면 에폭시, 비스말레이미드(bismaleimide), 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 및 카본과 같은 매트릭스 재료에 수지를 함침시킴으로써 강화 복합재로 처리되어 3차원 복합재 구조를 제조할 수 있다.
여기서 예시한 바와 같이 방적기계 또는 제트 엔진용 배출구만이 언급되었지만, 본 발명의 직조 프리폼에 잠재적인 응용은 아르키메데스 나선형 구조 또는 원뿔형 쉘 구조를 이용하는 어떠한 응용도 포함할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 구현예와 변형예가 설명되었지만, 본 발명이 상기한 실시예 및 변형예에 한정되지 않으며, 다른 변경 및 변형이 첨부한 청구항에 의해 정의되는 바와 같이 본 발명의 청구범위 및 정신에서 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 이루어질 수 있다.

Claims (38)

  1. 섬유 프리폼으로서,
    복수의 날실 및 씨실 또는 섬유를 가지며, 상기 날실 및 씨실 또는 섬유는 상호 직조되어 연속적인 나선형 직물을 형성하며,
    상기 나선형 직물은 형상화된 멘드렐(shaped mandrel) 상에 인접한 와인딩들 사이에 갭이나 오버랩 없이 복수 회 감겨져서 원뿔형 쉘(conical shell) 구조를 형성하며,
    상기 나선형 직물의 폭은 상기 나선형 직물을 와인딩하여 형성된 원뿔형 쉘 구조의 측면 표면(lateral surface) 내에 포함되는 섬유 프리폼.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 나선형 직물은 아르키메데스 나선의 형상으로 된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 씨실은 균일하거나 다양한 피크(pick) 공간을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 씨실은 균일하거나 다양한 각도 분리를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 원뿔형 쉘 구조는 방적기계(spinner) 혹은 배출 원뿔(cone)의 일부인 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 나선형 직물은 차동 테이크업(take-up) 메카니즘이 장착된 직조기에서 직조되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  7. 청구항 1에 있어서, 복수의 날실 또는 섬유로 직조되는 제2의 연속적인 나선형 직물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제2나선형 직물은 아르키메데스 나선의 형상으로 된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 제2나선형 직물은 제1나선형 직물과 동일하거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 제2나선형 직물은 청구항 1의 나선형 직물 위에 반대방향으로 감싸지는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  11. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서, 상기 날실 및 씨실 또는 섬유는 카본, 나일론, 레이온, 유리섬유, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르, 및 금속 실 또는 섬유로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  12. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서, 상기 날실 및 씨실 또는 섬유는 모노필라멘트, 평평한 모노필라멘트, 멀티필라멘트 실, 평평한 멀티필라멘트 실, 직조된 멀티필라멘트 실, 꼬인 멀티필라멘트 실, 및 꼬인 구조로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  13. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서, 상기 날실 및 씨실 또는 섬유는 하나 또는 그 이상의 층의 코팅, 피니시(finish) 또는 컴포넌트 섬유의 성능을 향상시킬 수 있는 다른 코팅으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼.
  14. 청구항 1에 따른 섬유 프리폼을 포함하는 섬유 강화 복합재.
  15. 청구항 14에 있어서, 매트릭스 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 수지이고, 상기 복합재는 수지 이송 몰딩, 화학적 증기 여과, 젖음 레이업(wet layup) 및 수지 필름 주입으로 구성된 군으로부터 선택된 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레이미드(bismaleimide), 폴리에스테르, 비닐 에스테르(vinyl-ester), 세라믹, 및 카본으로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재.
  18. 청구항 14에 있어서, 상기 복합재는 방적기계(spinner) 또는 배출 원뿔(exit cone)인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재.
  19. 섬유 프리폼 제조방법으로서,
    복수의 날실 및 씨실 또는 섬유를 상호직조하여 연속적인 나선형 직물을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 나선형 직물은 형상화된 멘드렐(shaped mandrel) 상에 인접한 와인딩들 사이에 갭이나 오버랩 없이 복수 회 감겨져서 원뿔형 쉘(conical shell) 구조를 형성하며,
    상기 나선형 직물의 폭은 상기 나선형 직물을 와인딩하여 형성된 원뿔형 쉘 구조의 측면 표면(lateral surface) 내에 포함되는 섬유 프리폼 제조방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 나선형 직물은 아르키메데스 나선의 형상으로 직조된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 씨실은 균일하거나 다양한 피크(pick) 공간으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  22. 청구항 19에 있어서, 상기 씨실은 균일하거나 다양한 각도 분리로 삽입되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  23. 청구항 19에 있어서, 상기 원뿔형 쉘의 상단 및 하단을 대응하는 절단선을 따라 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  24. 청구항 19에 있어서, 상기 나선형 직물은 차동 테이크업(takeup) 메카니즘이 장착된 직조기에서 직조된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  25. 청구항 23에 있어서, 복수의 날실 및 씨실 혹은 섬유로 제2의 연속적인 나선형 직물을 직조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  26. 청구항 25에 있어서, 청구항 19의 나선형 직물 위로 제2나선형 직물을 감싸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  27. 청구항 25에 있어서, 상기 제2나선형 직물은 아르키메데스 나선의 형상으로 된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  28. 청구항 25에 있어서, 상기 제2나선형 직물은 제1나선형 직물과 동일하거나 다른 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  29. 청구항 19 또는 청구항 25에 있어서, 상기 날실 및 씨실 혹은 섬유는 카본, 나일론, 레이온, 유리섬유, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르, 및 금속 실 또는 섬유로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  30. 청구항 19 또는 25에 있어서, 상기 날실 및 씨실 혹은 섬유는 모노필라멘트, 평평한 모노필라멘트, 멀티필라멘트 실, 평평한 멀티필라멘트 실, 직조된 멀티필라멘트 실, 꼬인 멀티필라멘트 실, 및 꼬인 구조로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  31. 청구항 19 또는 청구항 25에 있어서, 상기 날실 및 씨실 혹은 섬유는 한 개 또는 그 이상의 층의 코팅, 피니시(finish), 또는 컴포넌트 섬유의 성능을 향상시키는 다른 코팅액으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼 제조방법.
  32. 청구항 19에 따른 섬유 프리폼을 제조하는 단계; 및
    상기 섬유 프리폼을 매트릭스 재료에 함침시키는 단계를 포함하는 섬유 강화 복합재 제조방법.
  33. 청구항 32에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 수지이고, 상기 복합재는 수지 이송 몰딩, 화학적 증기 여과, 젖음 레이업(wet layup) 및 수지 필름 주입으로 구성된 군으로부터 선택된 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 제조방법.
  34. 청구항 32에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레이미드(bismaleimide), 폴리에스테르, 비닐에스테르, 세라믹 및 카본으로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 제조방법.
  35. 청구항 32에 있어서, 상기 복합재는 방적기계(spinner) 또는 배출 콘(exit cone)인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 제조방법.
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