KR101989083B1 - 섬유 강화된 구조 복합체의 제조 물품의 구조화 - Google Patents

섬유 강화된 구조 복합체의 제조 물품의 구조화 Download PDF

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Abstract

제조 물품들, 바람직하게는 펌프 구성요소 부품들, 및 상기 물품들을 제조하기 위한 방법은 합성 중합체 물질의 매트릭스에서 연속적인 층들의 스택에서 강화 섬유들의 다수의 층들을 제공하는 것을 포함한다. 상이한 층들의 강화 섬유들은 상응하는 상이한 물질들이며, 상기 층들은 각 층에서의 강화 섬유들의 물질이 다음의 연속적인 인접 층에서의 강화 섬유들의 물질과 다르도록 배열되어 있다. 층들은, 층들에 대해 필수적으로 수직인 스택 내에서 연장하고 스택 전반에 걸쳐 배치되어 있는 추가의 강화 섬유들과 함께 스티칭된다. 스택은, 합성 중합체 물질의 매트릭스에서 강화 섬유들과 추가의 강화 섬유들의 다수의 층들을 갖는 블록을 구축하기 위하여 압축되고 경화된다. 블록은 목적하는 물품의 소정의 구성을 구축하기 위해 기계가공된다.

Description

섬유 강화된 구조 복합체의 제조 물품의 구조화{CONSTRUCTION OF ARTICLES OF MANUFACTURE OF FIBER REINFORCED STRUCTURAL COMPOSITES}
본 발명은, 일반적으로는 기계 구성요소 부품들의 제조에 관한 것이고, 더욱 특히는 제조 물품들의 구조화(construction)에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 섬유 강화된 구조 복합체들로 구성된, 임펠러(impeller), 펌프 케이싱들(pump casing), 펌프 케이싱 후판(back plate) 및 관련된 구성요소 부품들에 관한 것이다.
섬유 강화된 구조 복합체들의 사용은 기계 구성요소 부품들의 제조에서 점차 확대되어 왔다. 합성 중합체 물질의 매트릭스 내에서 강화 섬유들이 배열되어 있는 복합체 물질들의 블록을 구조화하는 것은 잘 공지되어 있으며, 섬유들은 블록으로부터 기계가공되는 기계 구성요소의 구성(configuration)과 비례하여 최적의 강도를 제공하도록 배향되어 있다. 초기 특허인 미국 특허 5,840,399에서, 물품들이 섬유 강화된 구조 복합체들로 구조화되어 있는 제조 물품들 및 그의 방법들이 기재되어 있다.
미국 특허 5,840,399
본 발명은, 높은 강도 및 독점배타적인 내구성의 효과적이고 효율적인 원피스(one-piece) 디자인 및 구조화에서, 특정 제조 물품들, 예컨대 펌프 케이싱, 펌프 케이싱 후판 및 관련된 구성요소 부품들, 및 구체적으로는 임펠라 베인들(vane)과 같은 축방향으로 연장하는 소자들(element)이 로터와 같은 방사상으로 연장하는 소자와 일체형인 펌프 임펠라(pump impeller)를 개선시키기 위하여, 합성 중합체 물질들의 매트릭스에서 강화 섬유들의 배열을 갖는 구조 복합체를 제공한다. 이와 같이, 본 발명은 이의 일부가 다음과 같이 요약되는 몇몇 목적들 및 장점들을 획득한다: 구조 복합체로부터 구조화된 구성요소의 구성과 비례하는 방향들로 강화된 강도 및 내구성의 구조 복합체를 제공하고; 구조 복합체들로부터 구조화된 기계 구성요소들에서 향상된 강도 및 내구성을 위하여, 임의의 하나의 평면에서 임의의 하나의 방향으로 섬유에서의 불연속성 없이, 3차원 직조에서 연속적으로 강화 섬유들을 상호직조함으로써(interweave) 3개의 서로 수직인 방향들로 기계 구성요소를 강화시킬 수 있고; 합성 중합체 물질들의 매트릭스를 갖는 구조 복합체들로 구조화된 기계 구성요소들에서 향상된 강도 및 내구성을 위해 3개의 서로 수직인 방향들로 기계 구성요소를 강화시킬 수 있고; 구성요소 부품들의 장수(longevity) 및 성능에 달리 영향을 미치는 갈바닉 부식(galvanic corrosion) 또는 전기분해를 회피하는 절연 성질들을 구성요소 부품들에 부여하는 구조 복합체들로 구조화된 기계 구성요소 부품들을 제공하고; 상응하는 베인들의 구성이 증가된 효율, 감소된 소음, 감소된 진동 및 감소된 공동화(cavitation)를 가능하게 하는 개선된 임펠러 및 펌프 케이싱 구조화를 제공하고; 더욱 연마성인 유체들과의 효과적인 작업을 위하여 더욱 높은 내마모성을 갖는 구성요소 부품들을 펌프들에 제공하고; 더욱 높은 내부식성을 갖는 구성요소 부품들을 펌프들에 제공하고; 연장된 수명에 걸친 예시적인 성능을 위하여 균일한 높은 품질 및 거친(rugged) 구조화의 기계 구성요소들, 특히 펌프의 임펠러들 및 관련된 구성요소 부품들의 경제적인 제조를 가능하게 한다.
상기 목적들 및 장점들, 뿐만 아니라 추가의 목적들 및 장점들은, 층들이 축 방향에 대해 횡단하여 필수적으로는 서로 평행하고 서로 병치되게 연장하는, 서로 연속적으로 인접하여 필수적으로는 축 방향을 따라 적층된, 합성 중합체 물질의 매트릭스에서의 강화 섬유들의 다수의 층들을 포함하며; 각 층의 강화 섬유들은 축 방향에 대해 필수적으로 수직이게 배향된 패턴으로 직조되고; 추가의 강화 섬유들은 병치된 층들을 통해 축 방향에 대해 필수적으로 평행한 추가의 방향들을 따라 연장하며; 여기서 상이한 층들의 강화 섬유들은 상응하는 상이한 물질들로 이루어지며, 층들은 각 층에서의 강화 섬유들의 물질이 다음의 연속적인 인접 층에서의 강화 섬유들의 물질과 다르도록 배열되어 있는 것을 포함하는 것을 개선으로 하는, 구조 복합체로 구조화된 제조 물품에서의 개선사항으로서 요약하여 기재될 수 있는 본 발명에 의해 획득된다.
또한, 본 발명은, 각 층의 강화 섬유들은 축 방향에 대해 횡단하는 패턴으로 직조되고, 상이한 층들의 강화 섬유들은 상응하는 상이한 물질들로 이루어지고, 층들은 각 층에서의 강화 섬유들의 물질이 다음의 연속적인 인접 층에서의 강화 섬유들의 물질과 다르도록 배열되어 있으면서, 축 방향에 대해 필수적으로 평행하게 연장하는 연속적 인접 층들의 스택(stack)에서 각 층이 축 방향에 대해 횡단하여 필수적으로는 서로 평행하고 서로 병치되게 연장하는, 합성 중합체 물질의 매트릭스에서의 강화 섬유들의 다수의 층들을 적층하는 단계; 추가의 강화 섬유들이 축 방향에 대해 필수적으로 평행한 스택 내에서 연장하고 스택 전반에 걸쳐 배치되도록 추가의 강화 섬유들을 병치된 층들을 통해 스티칭하는(stitch) 단계; 압축된 스택을 형성하기 위하여 층들의 스택을 축 방향으로 압축하는 단계; 합성 중합체 물질의 매트릭스에서 강화 섬유들과 추가의 강화 섬유들의 다수의 층들을 갖는 일체형 블록을 구축하기 위하여, 층들의 압축된 스택을 경화시키는 단계; 및 제조 물품의 소정의 구성을 구축하기 위하여 블록을 기계가공하는 단계를 포함하는 것을 개선으로 하는, 구조 복합체로 구조화되고 소정의 구성을 갖는 제조 물품의 제조방법에서의 개선사항을 제공한다.
추가로, 본 발명은, 중심 축으로부터 외부 주변부까지 방사상 방향들로 연장하는 로터, 및 로터와 일체형이며 중심 축에 대해 필수적으로 평행하게 축 방향들로 로터로부터 연장하는 다수의 베인들을 갖는 임펠러이며, 각 베인은 축 방향을 따른 길이를 갖고, 추가의 강화 섬유들은 베인들의 길이에 대해 필수적으로 평행하게 각 베인의 길이를 따라 각 베인 내에서 연장하여서 로터에 이르게 되고, 각 베인은 하기 수학 공식에 의해 한정된 벌류트(volute)를 따라 중심 축과 외부 주변부 사이로 연장되는 것을 개선으로 하는 것을 포함한다:
Y = e(0.01a) x (5/8)(r) x cos(θ) + (1/2)
X = e(0.01a) x (r) x sin(θ) + (3/4)
(여기서, a = (33/64) x (r); r = 반경; e = 2.718)
발명은, 또다른 목적들 및 장점들이 점차 분명해 질것임과 동시에, 첨부된 도면에서 예시되는 발명의 바람직한 실시양태들의 하기 상세한 설명에서 더욱더 충분하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구조화된 펌프 임펠러의 픽토리얼 도면(pictorial view)이고;
도 2는 임펠러의 기하학적 구성을 예시하는 펌프 임펠러의 부분적인 도식적 평면도(somewhat diagrammatic plan view)이고;
도 3은 본 발명의 방법에서의 단계를 제시하는 도식적 픽토리얼 예시이고;
도 4는 본 발명의 방법에서의 추가의 단계를 제시하는 도식적 예시이고;
도 5는 본 발명의 방법에 따라 실시된 추가의 단계의 도식적 예시이고;
도 6은 본 발명의 방법에 따라 실시된 또 다른 단계의 도식적 예시이고;
도 7은 본 발명의 방법에 따라 실시된 절차의 일부로서 형성된 중간 블랭크(blank)의 픽토리얼 예시이고;
도 8은 본 발명에 따라 실시된 다른 작업의 도식적 픽토리얼 예시이고;
도 9는 본 발명의 절차에 따라 구조화된 임펠러의 픽토리얼 예시이고;
도 10은 본 발명에 따라 실시된 다른 작업의 도식적 픽토리얼 예시이고;
도 11은 본 발명의 절차에 따라 구조화된 펌프 케이싱의 픽토리얼 예시이고;
도 12는 본 발명에 따라 실시된 다른 작업의 도식적 픽토리얼 예시이고;
도 13은 본 발명의 절차에 따라 구조화된 펌프 케이싱 후판의 픽토리얼 예시이다.
이후, 이의 도면, 특히 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따라 구조화된 임펠러는 20으로 제시되며, 중심 허브(central hub)(26)로부터 방사상 방향들로 연장하는 로터(rotor)(24)의 형태인 방사상 부분으로부터 축 방향으로 연장하는 베인들(vane)(22)을 포함하는 것으로 보여진다. 베인들(22)은 로터(24)와 일체형이며 중심 축(central axis)(CA)과 외부 주변부(28) 사이로 연장하는 것으로 제시되며, 각 베인(22)은 바람직하게는 임펠러(20)의 허브(26)로부터 외부 주변부(28)까지 연장되어 있다. 각 베인(22)은 하기 수학 공식에 의해 표현된 구성을 갖는 벌류트(volute)(30)를 따른다:
Y = e(0.01a) x (5/8)(r) x cos(θ) + (1/2)
X = e(0.01a) x (r) x sin(θ) + (3/4)
(여기서, a = (33/64) x (r); r = 반경; e = 2.718)
상기 수학 공식에 따라 구조화된 벌류트(30)는, 감소된 공동화와 함께, 최대화된 효율 및 유동을 갖는 임펠러(20)를 제공한다. 또한, 진동 및 소음이 감소된다. 보완적인 벌류트는, 앞서 제시한 장점들을 나타내는 완전하게 구조화된 펌프 내에 임펠러(20)를 수용하기 위하여, 펌프 케이싱(도시되어 있지 않음) 및 임의의 디퓨저(diffuser) 베인들(역시 도시되어 있지 않음) 내에 혼용된다.
이후 도 3 내지 도 9를 참고하면, 임펠러(20)는 유리하게는 하기 절차에 따라 섬유 강화된 구조 복합체로 구조화된다. 도 3 및 도 4에서 가장 잘 제시되는 바와 같이, 다수의 층들(40)은 패턴(46)으로 직조된 강화 섬유들(42 및 44)을 포함하며, 패턴(46)은 바람직하게는 강화 섬유들(42 및 44)이 필수적으로 서로 수직으로 연장하는 직교 패턴의 형태로 존재한다. 즉, 섬유들(42)은 섬유들(44)과 비교하여 90°로 배향되어 있다. 강화 섬유들(42 및 44)은, 앞서 언급한 미국 특허 5,840,399에서 더욱 완전하게 묘사된 방식으로, 합성 중합체 물질의 매트릭스(48)에서 매립되어 있다.
층들(40)은 축 방향(A)을 따라 적층되어 있으며, 각 층(40)의 강화 섬유들(42 및 44)은 축 방향(A)에 대해 횡단하는 직교 방향들(B 및 C)로 연장되어 있다. 적층된 층들(40) 내에서, 층(40-2)의 강화 섬유들(42 및 44)이 층(40-1)의 강화 섬유들(42 및 44)과 비교하여 각진 변위(angular displacement)(D)를 통해 회전하는 도 3에서 예시된 바와 같이, 각 층(40)은 다음의 연속적 인접 층(40)에 대하여 축 방향(A)에 대해 회전한다. 유사하게, 다음의 인접 층(40-3)은 층(40-2)과 비교하여 각진 변위(D)를 통해 회전하고, 층(40-3)에 인접하는 다음의 층(40-4)은 층(40-3)과 비교하여 각진 변위(D)를 통해 회전한다. 바람직한 실시양태에서, 각진 변위(D)는 약 45°이다.
추가의 강화 섬유들(50)은 병치되고 적층된 층들(40)을 통해 연장되며, 강화 섬유들(50)은 바람직하게는 필수적으로 축 방향(A)에 대해 평행하게 연장되어 있다. 일단 적층 작업이 완료되면, 층들(40)은 도 3에서 제시된 바와 같이 축 방향(A)으로 필수적으로 연장되는 강화 섬유들(50)과 함께 스티칭된다. 스티칭 섬유들(50)은, 적층된 층들(40)의 길이 및 폭 전반에 걸쳐 연장되며, 축 방향들에서 스택(70)의 높이에 대해 필수적으로 평행한, 도 4에서 제시된 완료된 스택(70) 전반에 걸친 강화를 제공하기 위하여 강화 섬유들(42 및 44) 중에 배치된다. 또한, 섬유들(50)에 의해 제공된 스티칭은 스택(70)에서 층들(40)을 함께 고정시킨다. 바람직한 절차에서, 추가의 강화 섬유들(50)과 함께 강화 섬유들(42 및 44)을 모두 확실하게 합성 중합체 매트릭스 물질의 주변 매트릭스 내에 완전하게 매립하기 위하여, 추가의 합성 중합체 매트릭스 물질은 스티칭된 스택(70) 내에 주입된다.
그 다음, 스택(70)은 압반들(platen)(82 및 84) 사이에서 도 5에 예시된 바와 같이 프레스(press)(80)에 배치되고, 약 2,000 psi의 바람직한 압력 및 약 600 ℉의 바람직한 온도에서 압축되고 경화된다. 도 6에 예시된 복합체 물질의 생성된 블록(90)은, 프레스(80) 내에 최초 도입되는 경우, 스택(70)의 높이의 대략 절반인 축 방향(A)을 따른 높이를 갖는다. 따라서, 스택(70)은 완료된 블록(90)에서 요구되는 것의 대략 2배인 높이로 구조화된다. 프레스(80)에서의 경화 시간은 축 방향(A)을 따른 완료된 블록(90)의 높이의 인치당 약 2 시간이다. 예를 들면, 4 피트의 길이와 폭 및 8 인치의 높이를 갖는 블록(90)은 16 인치의 스택(70) 및 대략 16 시간의 프레스(80)의 경화 시간을 필요로 한다. 전형적으로, 4 피트의 길이와 폭을 갖는 블록(90)은 1 인치 내지 48 인치의 높이를 가질 수 있지만, 다른 치수들도 실현 가능하다.
강화 섬유들(42, 44 및 50)은 흑연 섬유들, 아라미드 섬유들 및 연질 유리섬유들의 조합을 포함한다. 바람직한 구조화에서, 강화 섬유들(42 및 44)은 흑연 섬유들, 아라미드 섬유들 및 연질 유리섬유들로 이루어진 군으로부터 선택된다. 흑연 섬유들은 비전도성이며, 바람직하게는 대략 0.032 인치의 두께를 갖는다. 추가의 강화 섬유들(50)은 바람직하게는 연질 유리섬유들이다. 바람직한 조성물은 약 25 % 내지 30 %의 흑연 섬유들, 약 25 % 내지 30 %의 아라미드 섬유들 및 약 40 % 내지 50 %의 연질 유리섬유들을 포함한다. 합성 중합체 매트릭스 물질은, 대략적으로 동일한 백분율의 에폭시 열경화성 수지 및 페놀 열경화성 수지를 함유하는, 바람직하게는 대략 10 부피%의 묽은(loose) 흑연 첨가제와 조합된 하이브리드 수지 시스템이다. 강화 섬유들(42, 44 및 50) 대 수지 매트릭스(48)의 바람직한 비율은 대략 60 내지 65 %의 섬유 대 40 내지 35 %의 하이브리드 수지 매트릭스이다.
상이한 층들(40)의 강화 섬유들(42 및 44)은 상응하는 상이한 물질들로 이루어지며, 층들(40)은 각 층(40)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질이 다음의 연속적 인접 층(40)의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질과 다르도록 스택(70)에서 배열되어 있다. 따라서, 도 3 및 4를 참조하면, 층(40-2)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질은 층(40-1)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질과 다르고, 층(40-3)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질은 층(40-2)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질과 다른 한편, 층(40-4)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질은 층(40-3)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 물질과 다르다. 이 방식으로, 이후 기재되는 바와 같이, 강화 섬유들과 수지 매트릭스의 조합은, 복합체 구조의 기계 성질들이 B 및 C 방향들로 100 psi 장력 강도 내에 존재하며 이로 인해 복합체 블록(90)으로 제조된 모든 제품들에서 최대 물리적 성질들이 유지되는 반등방성(semi-isotropic) 구조화를 갖는 구조 복합체 블록(90)을 제공한다.
이후, 도 6 내지 9를 참조하면, 제조 물품은 본 밞여에 따라 구조화되는 것으로 제시되며, 제조 물품은 개선된 임펠러(100)의 형태로 예시되어 있다. 도 6에서 제시된 바와 같이, 복합체 물질의 블록(90)은 프레스(80)로부터 제거되었으며, 블록으로부터 절단된 블랭크의 외곽선으로 92로 표시되었다. 그 다음, 블랭크(94)는 블록(90)으로부터 절단되며, 블랭크(94)는 중심 축(CA)을 따라 중심 개구부(96)를 제공하고, 중심 축(CA)으로부터 외부 주변부(98)까지 방사상으로 연장되어 있다.
이후, 도 8을 참조하면, 블랭크(94)는, 중심 축(CA)에 대해 필수적으로 평행한 축 방향들로 연장하는 임펠러 베인들(114)의 형태로 축 부분들을 작업들의 컴퓨터 제어된 순서가 기계가공하는 5개 내지 8개 축 컴퓨터화된 수치제어(computerized numerically controlled)(CNC) 기계장치(machining apparatus)(110)에 배치된다. 기계가공 작업의 완료에 따라, 도 9에서 제시된 바와 같이 중심 개구부(96)로부터 방사상 방향들로 연장하는 로터(116)의 형태인 방사상 부분으로부터 축 방향으로 연장하는 몇몇 베인들(114)을 갖는 임펠러(100)가 생성된다. 베인들(114)은 합성 중합체 물질의 매트릭스(48)에서 강화 섬유들의 다수의 층들(40)을 갖는 구조 복합체에서 로터(116)와 일체형이며, 각 층들(40)은 방사상 방향들에 대해 필수적으로 평행하게 연장되고, 층들(40)은 축 방향을 따라 서로 병치되어 있다.
강화 섬유들(42 및 44)의 패턴은 스택(70)에서 구축된 패턴을 따르는 데; 즉 각 층(40)에서의 강화 섬유들(42 및 44)의 패턴은 직교 패턴이고, 각 층(40)에서의 강화 섬유들(42 및 44)은 중심 축(CA)에 대해, 바람직하게는 다음의 인접 층(40)과 비교하여 45°로 회전된다. 추가의 강화 섬유들(50)은 축 방향들로 연장하고, 병치된 층들(40)을 통해 스티칭되며, 추가의 강화 섬유들(50)은, 각 베인(114) 및 베인(114)과 로터(116)의 일체화를 강화시키기 위하여, 베인들(114)의 길이에 대해 필수적으로 평행하게 각 베인(114)의 길이를 따라 각 베인(114) 내에서 연장되어서 로터(116)에 이르고 있다. 각 층(40)의 강화 섬유들(42 및 44) 및 추가의 강화 섬유들(50)은 바람직하게는 서로 수직이다. 임펠러(100)는 외부 주변부(120)를 형상화하기 위하여 그리고 다른 구조화의 상세사항들을 마무리하기 위하여 통상적인 기계가공 작업들에 의해 완료된다.
임펠러(100)의 일체형의 복합체 구조화는 높은 강도 및 독점배타적 내구성의 기계 구성요소 부품을 구축한다. 복합체 물질의 속성은 마모, 연마 및 부식에 대한 내성의 정도를 높게 할 수 있다. 합성 중합체 물질의 매트릭스(48)에서의 강화 섬유들(42, 44 및 50), 그리고 특히는 베인들(114)을 따라 축 방향으로 연장하여 로터(116) 내에 이르는 섬유들(50)은 예시적 성능을 위한 부가된 강도 및 견고성, 뿐만 아니라 긴 수명을 위한 증가된 내구성을 제공한다.
이후, 도 10 및 11을 참조하면, 펌프의 또 다른 구성요소 부품은 많은 동일한 절차의 이용을 통해 구조화된 펌프 케이싱(200)의 형태로 제시된다. 즉, 블랭크(94)는, 작업들의 컴퓨터 제어된 순서가 펌프 케이싱(200)의 기본 구성을 기계가공하는 컴퓨터화된 수치제어(CNC) 기계장치(210) 내에 배치되었다. 여기서 다시, 펌프 케이싱(200)에 제공된 복합체 구조화는 높은 강도 및 독점배타적 내구성의 기계 구성요소 부품을 구축한다. 복합체 물질의 속성은 마모, 연마 및 부식에 대한 내성의 정도를 높게 할 수 있다. 합성 중합체 물질의 매트릭스(48)에서의 강화 섬유들(42, 44 및 50)의 서로 수직인 배열은, 예시적 성능을 위한 부가된 강도 및 견고성, 뿐만 아니라 긴 수명을 위한 증가된 내구성을 제공한다.
이후, 도 12 및 13을 참조하면, 펌프의 또 다른 구성요소 부품은 많은 동일한 절차의 이용을 통해 구조화된 펌프 케이싱 후판(300)의 형태로 제시된다. 즉, 블랭크(94)는, 작업들의 컴퓨터 제어된 순서가 펌프 케이싱 후판(300)의 기본 구성을 기계가공하는 컴퓨터화된 수치제어(CNC) 기계장치(310) 내에 배치되었다. 여기서 다시, 펌프 케이싱 후판(300)에 제공된 복합체 구조화는 높은 강도 및 독점배타적 내구성의 기계 구성요소 부품을 구축한다. 복합체 물질의 속성은 마모, 연마 및 부식에 대한 내성의 정도를 높게 할 수 있다. 합성 중합체 물질의 매트릭스(48)에서의 강화 섬유들(42, 44 및 50)의 서로 수직인 배열은, 예시적 성능을 위한 부가된 강도 및 견고성, 뿐만 아니라 긴 수명을 위한 증가된 내구성을 제공한다.
요약하면, 발명의 전술된 실시양태들은 펌프의 특정 구성요소 부품들에서의 개선사항들을 예시하고 있지만, 상기 개선사항들은 펌프의 추가의 구성요소 부품들, 예컨대 임펠러 링, 밸브 케이싱 및 다른 펌프 구성요소 부품들에 관한 것임은 분명할 것이며, 여기서 임펠라 베인들 및 디퓨져 베인들과 같은 축방향으로 연장하는 소자들은 증가된 효율, 감소된 소음 및 독점배타적 내구성으로 작동하는 독점배타적으로 높은 강도의 효과적인 원피스 구조화에서 로터와 같은 방사상으로 연장하는 소자와 일체형이게 구조화된다.
본 발명은 앞서 요약된 목적들 및 장점들을 획득한다는 것은 분명할 것이다. 즉, 구조 복합체로부터 구조화된 구성요소의 구성과 비례하는 방향들로 강화된 강도 및 내구성의 구조 복합체를 제공하고; 구조 복합체들로부터 구조화된 기계 구성요소들에서 향상된 강도 및 내구성을 위하여, 임의의 하나의 평면에서 임의의 하나의 방향으로 섬유에서의 불연속성 없이, 3차원 직조에서 연속적으로 강화 섬유들을 상호직조함으로써 3개의 서로 수직인 방향들로 기계 구성요소를 강화시킬 수 있고; 합성 중합체 물질들의 매트릭스를 갖는 구조 복합체들로 구조화된 기계 구성요소들에서 향상된 강도 및 내구성을 위해 3개의 서로 수직인 방향들로 기계 구성요소를 강화시킬 수 있고; 구성요소 부품들의 장수 및 성능에 달리 영향을 미치는 갈바닉 부식 또는 전기분해를 회피하는 절연 성질들을 구성요소 부품들에 부여하는 구조 복합체들로 구조화된 기계 구성요소 부품들을 제공하고; 상응하는 베인들의 구성이 증가된 효율, 감소된 소음, 감소된 진동 및 감소된 공동화를 가능하게 하는 개선된 임펠러 및 펌프 케이싱 구조화를 제공하고; 더욱 연마성인 유체들과의 효과적인 작업을 위하여 더욱 높은 내마모성을 갖는 구성요소 부품들을 펌프들에 제공하고; 더욱 높은 내부식성을 갖는 구성요소 부품들을 펌프들에 제공하고; 연장된 수명에 걸친 예시적인 성능을 위하여 균일한 높은 품질 및 거친 구조화의 기계 구성요소들, 특히 펌프의 임펠러들 및 관련된 구성요소 부품들의 경제적인 제조를 가능하게 한다.
발명의 바람직한 실시양태들의 상기 상세한 설명은 오직 예로서 제공되는 것으로 이해된다. 디자인, 구조화 및 절차의 다양한 상세사항들은 첨부된 특허청구범위에서 개시된 바와 같이 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않고서 변경될 수 있다.

Claims (15)

  1. 구조 복합체로 구조화된 제조 물품으로서,
    상기 물품은 층들이 서로 평행하고 서로 병치되게 축 방향에 대해 횡단하여 연장하는, 축 방향을 따라 서로 연속적으로 인접하게 적층되어, 이에 의해 다수의 인접 층들의 전체 스택을 구축하는, 합성 중합체 물질의 매트릭스에서의 강화 섬유들의 다수의 층들을 포함하며;
    각 층의 강화 섬유들은 축 방향에 대해 수직이게 배향된 패턴으로 직조되고;
    추가의 강화 섬유들은 병치된 층들을 통해 축 방향에 대해 평행한 추가의 방향들을 따라 연장하며; 여기서
    상이한 층들의 강화 섬유들은 상응하는 상이한 물질들로 이루어지며, 층들은 각 층에서의 강화 섬유들의 물질이 다수의 인접 층들의 전체 스택에 걸쳐 다음의 연속적인 인접 층에서의 강화 섬유들의 물질과 다르도록 배열되어 있으며,
    제조 물품은, 중심 축으로부터 외부 주변부까지 방사상 방향들로 연장하는 로터, 및 로터와 일체형이며 축 방향들로 중심 축에 대해 평행하게 로터로부터 연장하는 다수의 베인들을 갖는 임펠러이며, 각 베인은 축 방향을 따른 길이를 갖고, 추가의 강화 섬유들은 베인들의 길이에 대해 평행하게 각 베인의 길이를 따라 각 베인 내에서 연장하여서 로터에 이르게 되고, 각 베인은 하기 수학 공식에 의해 한정된 벌류트(volute)를 따라 중심 축과 외부 주변부 사이로 연장되어 있는, 제조 물품:
    Y = e(0.01a) x (5/8)(r) x cos(θ) + (1/2)
    X = e(0.01a) x (r) x sin(θ) + (3/4)
    (여기서, a = (33/64) x (r); r = 반경; e = 2.718).
  2. 제1항에 있어서,
    각 층에서의 강화 섬유들의 패턴은 직교 패턴이고, 각 층의 강화 섬유들과 추가 강화 섬유들은 서로 수직인, 제조 물품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 층에서의 강화 섬유들의 패턴은 다음의 연속적인 인접 층과 비교하여 각진 간격(angular spacing)을 통해 축 방향에 대해 회전하며, 각진 간격은 45°인, 제조 물품.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    층들의 강화 섬유들이 흑연 섬유들, 아라미드 섬유들 및 연질 유리섬유들로 이루어진 군으로부터 선택되는 경우, 및
    추가의 강화 섬유들이 연질 유리섬유들인 경우
    중 적어도 하나의 경우인, 제조 물품.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    구조 복합체가 총 부피를 가지며, 강화 섬유들이 구조 복합체의 총 부피의 60 내지 65%의 부피를 갖는 경우, 및
    합성 중합체 물질의 매트릭스가 동일한 부분들의 에폭시 수지들과 페놀 수지들의 혼합물인 경우
    중 적어도 하나의 경우인, 제조 물품.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제조 물품은 펌프의 구성요소 부품인, 제조 물품.
  7. 삭제
  8. 구조 복합체로 구조화되고 소정의 구성을 갖는 제조 물품의 제조방법으로서,
    각 층의 강화 섬유들은 축 방향에 대해 횡단하는 패턴으로 직조되고, 상이한 층들의 강화 섬유들은 상응하는 상이한 물질들로 이루어지고, 층들은 각 층에서의 강화 섬유들의 물질이 다수의 인접 층들의 전체 스택에 걸쳐 다음의 연속적인 인접 층에서의 강화 섬유들의 물질과 다르도록 배열되어 있으면서, 축 방향에 대해 평행하게 연장하는 연속적 인접 층들의 스택에서 각 층이 서로 평행하고 서로 병치되게 축 방향에 대해 횡단하여 연장하여 이에 의해 다수의 인접 층들의 전체 스택을 구축하는, 합성 중합체 물질의 매트릭스에서의 강화 섬유들의 다수의 층들을 적층하는 단계;
    추가의 강화 섬유들이 축 방향에 대해 평행한 스택 내에서 연장하고 스택 전반에 걸쳐 배치되도록 추가의 강화 섬유들을 병치된 층들을 통해 스티칭하는(stitch) 단계;
    압축된 스택을 형성하기 위하여 층들의 스택을 축 방향으로 압축하는 단계;
    합성 중합체 물질의 매트릭스에서 강화 섬유들과 추가의 강화 섬유들의 다수의 층들을 갖는 일체형 블록을 구축하기 위하여, 층들의 압축된 스택을 경화시키는 단계; 및
    제조 물품의 소정의 구성을 구축하기 위하여 블록을 기계가공하는 단계
    를 포함하는 것
    을 개선으로 하며,
    제조 물품은 펌프의 구성요소 부품이거나, 또는 제조 물품은 중심 축으로부터 외부 주변부까지 방사상 방향들로 연장하는 로터, 및 로터와 일체형이며 중심 축에 대해 평행하게 축 방향들로 로터로부터 연장하는 다수의 베인들을 갖는 임펠러이며, 각 베인은 축 방향을 따른 길이를 갖고, 추가의 강화 섬유들은 베인들의 길이에 대해 평행하게 각 베인의 길이를 따라 각 베인 내에서 연장하여서 로터에 이르게 되고, 각 베인은 하기 수학 공식에 의해 한정된 벌류트를 따라 중심 축과 외부 주변부 사이로 연장되는, 제조 물품의 제조방법:
    Y = e(0.01a) x (5/8)(r) x cos(θ) + (1/2)
    X = e(0.01a) x (r) x sin(θ) + (3/4)
    (여기서, a = (33/64) x (r); r = 반경; e = 2.718).
  9. 제8항에 있어서,
    각 층에서의 강화 섬유들의 패턴은 직교 패턴이고, 각 층의 강화 섬유들과 추가 강화 섬유들은 서로 수직인, 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    각 층에서의 강화 섬유들의 패턴은 다음의 연속적인 인접 층과 비교하여 각진 간격을 통해 축 방향에 대해 회전하는, 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    각진 간격은 45°인, 제조방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    층들의 강화 섬유들이 흑연 섬유들, 아라미드 섬유들 및 연질 유리섬유들로 이루어진 군으로부터 선택되는 경우, 및
    추가의 강화 섬유들이 연질 유리섬유들인 경우
    중 적어도 하나의 경우인,
    제조방법.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    구조 복합체가 총 부피를 가지며, 강화 섬유들이 구조 복합체의 총 부피의 60 내지 65%의 부피를 갖는 경우, 및
    합성 중합체 물질의 매트릭스가 에폭시 수지들와 페놀 수지들의 동일한 부분들인 에폭시 수지들와 페놀 수지들의 혼합물인 경우
    중 적어도 하나의 경우인,
    제조방법.
  14. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    제조 물품은 펌프의 구성요소 부품인, 제조방법.
  15. 삭제
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