KR102002183B1

KR102002183B1 - 쇼트코스 섬유 배치 헤드

Info

Publication number: KR102002183B1
Application number: KR1020140075610A
Authority: KR
Inventors: 티 홀스트 페리; 에이 존슨 브라이스
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2019-07-19
Also published as: CA2853845C; CN104275807A; CN104275807B; US9481158B2; CA2853845A1; JP2015016691A; EP2823954B1; JP6386279B2; US20150013892A1; EP2823954A1; KR20150007943A

Abstract

복합재료 적층의 짧은 경로 코스 적용의 생성을 위한 복합재료 자동화 방법 및 장치가 섬유 배치 헤드의 기능적 기구를 재구성하는 것에 의해 실현되어진다. 섬유 전진 및 철회 기능을 분리하고, 작동 실린더를 위치시키고, 그리고 단지 작동을 푸시를 이용하는 것이 단순화되고, 콤팩트한 AFP 송출 헤드를 결과가 된다. 균일 절단은 원형 형상 섬유 절단 블레이드에 의해 제공되고, 작동상태에서 블레이드는 진적인 절삭력을 제공하고 새로운 절단 날을 제공하도록 회전시키고, 그리고 모든 방향이 동등하게 잘 절단하는 제한된 절단 날 유도를 요구한다. 압축 롤러에 아주 근접하여 위치되고 기능 상태에 있는 장치는 적용 지점에 대해 전체 섬유 코스를 감소시키고 있다.

Description

쇼트코스 섬유 배치 헤드{SHORT COURSE FIBER PLACEMENT HEAD}

본 출원은 일반적으로 복합재료의 플라이(plies)를 레이업 하기 위한 자동화 방법 및 장치에 관한 것으로, 그리고 레이업 공정(layup process) 동안에 기판(a substrate)에 복합재료 테이프의 쇼트코스를 배치하기 위한 방법 및 장치를 좀 더 구체적으로 다루는 것이다.

자동차, 해양 및 항공우주 산업에서 사용되는 복합재료 구조들은 보통 자동 섬유 배치 기계(automated fiber placement (AFP) machines)로 언급되는 자동 복합재료 응용 기계를 사용하여 조립되어진다. AFP 기계는 예를 들어 제조 공구에 비교적 좁은 복합재료 스트립(narrow strips of composite), 가늘고 긴 섬유 테이프(slit fiber tape) 또는 "토우(tows)"를 배치하는 것에 의해 구조적 구성요소 및 외판(structural components and skins)을 조립하기 위하여 항공기 산업에 사용되어진다. 테이프는 플라이(a ply)를 형성하기 위하여 실질적으로 에지-대-에지 접촉(edge-to-edge contact)으로 있는 평행 코스에서 공구에 배치되어진다.

공지된 AFP 기계는 테이프 배치 헤드(a tape placement head)를 사용하고, 테이프 배치 헤드가 공구 표면 위에서 로봇 장치에 의해 이동되어짐에 따라 공구 표면에 테이프 코스를 분배, 절단 및 압착한다. 이들 테이프 배치 헤드는 전형적으로 테이프 공급 감개(a supply spool of tape), 그리고 감개로부터 테이프를 인출하여 압축 롤러와 공구 표면 사이의 닙(a nip)으로 테이프를 안내하는 분배 장치를 포함한다. 압축 롤러로부터 상류에 위치된 분배 장치내의 커터 블레이드(a cutter blade)는 요구된 코스 길이로 테이프를 절단한다. 테이프 배치 헤드에 의해 배치될 수 있는 테이프 코스의 최소 길이는 그러므로 테이프가 공구 표면에 압착되는 되는 지점과 테이프가 블레이드에 의해 절단되는 지점 사이의 거리에 의해 조절되어진다.

일부 적용에서, 비교적 쇼트코스는 공지된 테이프 헤드에 의해 절단되어질 수 있는 최소 코스 길이보다 더 작은 길이를 가지는 것이 요구되어진다. 다시 말해서, 요구된 코스 길이는 압착 지점으로부터 절단이 이루어지는 지점까지 거리보다 더 작다. 이런 환경 하에서, 최적 코스 길이보다 더 길게 코스를 위치시키는 것이 필요하고, 그것 때문에 부품에 무게 및/또는 비용을 부가하거나, 또는 과도 테이프의 플라이를 손질하도록 하는 요구를 일으키거나, 또는 손으로 수동으로 쇼트코스를 설치하는 것이 필요하고, 그것 때문에 제조 공정에 원하지 않는 노동과 비용을 추가한다.

따라서 더 짧은 길이의 코스의 배치를 허용하는 테이프의 코스를 절단하는 테이프 배치 헤드 및 방법에 대한 요구가 있다.

본 출원은 현존하는 테이프 헤드를 가진 앞에서 언급한 과제를 논의하기 위하여 다양한 시스템 및 방법을 기재한다.

일례에서, 자동 섬유 배치 기계(an automated fiber placement (AFP) machine)가 기판 위에 복합재료를 배치하기 위해 기재되어 있다. AFT 기계는 하나 이상의 원형 커터 블레이드를 포함하는 제1 로우-프로파일 토우 제어 모듈(a first low-profile tow control module), 그리고 하나 이상의 원형 커터 블레이드를 포함하는 제2 로우-프로파일 토우 제어 모듈(a second low-profile tow control module)을 포함한다. AFP 기계는 제1, 2 로우-프로파일 토우 제어 모듈 사이에 위치되어 제1, 2 로우-프로파일 토우 제어 모듈에 연결된 V-블록(a vee block)을 더 포함하고, V-블록은 다수의 거기에 위치된 다수의 공기 통로를 포함한다. AFP 기계는 제1 로우-프로파일 토우 제어 모듈과 제2 로우-프로파일 토우 제어 모듈 사이에 자리 잡고, V-블록에 연결된 다수의 공기 실린더를 더 포함하고, 다수의 공기 실린더는 V-블록 내에 위치된 공기 통로에 맞추어 조정되어 있다.

제1, 2 로우-프로파일 토우 제어 모듈은 약 3/4인치보다 더 크지 않은 높이를 가지고 있다. 원형 커터 블레이드는 약 3/4인치보다 더 크지 않은 높이를 가지고 있다. AFP 기계는 약 3/4 인치 보다 더 크지 않은 직경을 가지는 압축 롤러를 더 포함한다. 원형 커터 블레이드는 제1, 커터 연장 피스톤 및 제2, 커터 수축 피스톤(a first, cutter extend piston and second, cutter retract piston)에 의해 축(an axle) 주위에 회전되어지게 구성된 커터 로커 아암(a cutter rocker arm)에 제거 가능하게 연결되어 있다. 기판은 플랫 또는 거의 플랫 차지(a flat or nearly-flat charge)를 포함한다. AFP 기계는 복합재료 물품을 조립하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령(computer readable instructions)을 포함하는 파일(a file)에 접근하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다. AFP 기계는 복합재료가 기판에 위치되어 있는 동안에 송출 헤드(a delivery head)에 대해 기판을 조정하도록 구성된 하나 이상의 위치 추적 장치(positioning devices)를 더 포함한다. 위치 추적 장치는 하나 이상의 NC 기계, 로봇 아암, 또는 맨드릴(mandrel)을 포함한다.

다른 예에서, 자동 섬유 배치(AFP) 기계의 송출 헤드는 거기에 위치된 다수의 공기 통로를 가지는 V-블록을 포함하고, 그리고 제1 토우 제어 모듈은 V-블록에 연결되어 있다. 제1 토우 제어 모듈은 토우 안내 트레이(a tow guide tray),지지 프레임, 부착된 커터 블레이드를 가진 커터 로커 아암, 그리고 부착된 핀치 롤러를 가진 핀치/공급 로커(a pinch/feed rocker)를 포함한다. 커터 로커 아암은 커터 로커 축에 의해지지 프레임에 연결되어 있다. 핀치/공급 로커는 커터 로커 아암 내에 위치되어 핀치/공급 로커 축에 의해 지지 프레임에 연결되어 있다. 다수의 피스톤은 V-블록 내에 위치된 공동(cavities)에 위치되어 공기 통로, 커터 로커 아암 및 핀치/공급 로커와 마주어지게 조정된 피스톤에 연결되어 있다.

부착된 커터 블레이드는 원형 커터 블레이드를 포함한다. 피스톤은 커터 로커 축 주위에 커터 로커 아암을 회전시키도록 구성되어진 제1, 커터 연장 피스톤 및 제2, 커터 수축 피스톤을 포함한다. 토우 안내 트레이는 다수의 토우 안내 경로를 정의하고, 그리고 제1 토우 제어 모듈은 대응하는 다수의 커터 로커 아암 및 핀치/공급 로커를 포함한다. 송출 헤드는 플랫 또는 거의 플랫 차지 위에 복합재료를 위치시키도록 구성되어 있다. 송출 헤드는 V-블록에 연결된 제2 토우 제어 모듈을 포함하고, 제2 토우 제어 모듈은 상보적 위치들에 배치된, 제1 토우 제어 모듈처럼 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함한다.

다른 예에서, 기판에 복합재료의 코스를 위치시키는 방법은 로우-프로파일 송출 헤드(a low-profile delivery head) 및 원형 커터 블레이드를 가진 AFP 기계를 사용하여 개시되어 있다. 상기 방법은 핀치 롤러를 공급 롤러와 접촉하도록 공급 피스톤(a feed piston)을 연장하는 것에 의해 송출 헤드를 통하여 하나 이상의 복합재료 토우를 공급하는 것을 포함하고, 그것에 의해 토우 안내 채널을 따라 핀치 롤러와 공급 롤러 사이에서 복합재료의 토우가 당겨지도록 한다. 상기 방법은 커터 연장 피스톤을 연장시키고 커터 수축 피스톤을 수축시키는 것에 의해 요구된 길이로 복합재료의 토우를 절단하는 것을 포함하고, 그것에 의해 커터 로커 아암을 축 주위로 회전시키고, 토우 안내 채널을 통하여 원형 커터 블레이드를 하강시킨다. 상기 방법은 커터 수축 피스톤을 연장시키고 커터 연장 피스톤을 수축시키는 것에 의해 원형 커터 블레이드를 수축하는 것을 포함하고, 그것에 의해 커터 로커 아암을 축 주위로 시키고 토우 안내 채널로부터 원형 커터 블레이드를 상승시킨다.

상기 방법은 새로운 절단 날(a new cutting edge)을 제공하도록 원 커터 블레이드를 회전시키는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 원형 커팅 블레이드가 하강되어지는 것과 실질적으로 동시에 클램프 피스톤(a clamp piston)을 연장시키는 것과 동시에 토우 안내 채널에서 제자리에 복합재료의 토우들을 클램핑하는 것을 더 포함한다. 피스톤을 연장하는 것은 V-블록 내에 형성된 통로들을 통하여 피스톤에 공기압을 가하는 것을 포함한다. 기판은 플랫 또는 거의 플랫 차지를 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 자동화 섬유 배치(AFP) 기계의 일례의 블록선도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 AFP 기계의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 3은 AFP 기계를 위한 송출 헤드의 일례의 부분 단면도이다.
도 4는 AFP 기계를 위한 송출 헤드의 일례의 확대도이다.
도 5a 내지 도 4는 AFP 공정의 여러 단계 동안 푸시로드/피스톤 하위조립체의 위치를 나타내고 있다.
도 6은 항공기 생산 및 서비스 방법의 흐름도이다.
도 7은 항공기의 블록선도이다.
여러 도면에서 같은 도면 번호와 명칭은 같은 구성요소를 표시한다.

다음의 상세한 설명에서, 이 부품을 형성하는 첨부 도면을 참조하고, 그리고 발명이 실행되어지는 특정 실시 예들이 실례로서 도시된다. 이들 실시 예들은 관련 기술 분야의 기술자가 발명을 실시할 수 잇도록 충분히 상세하게 기재되고, 그리고 다른 실시 예들이 사용되고, 다양한 변화가 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하는 것이 없이 이루어지게 되는 것을 이해하여야 한다. 아래의 상세한 설명은 그러므로 제한하는 의미로 받아드려지는 것은 아니다.

본 발명은 복합재료 물품을 조립하기 위하여 복합재료 적층 플라이(composite lamina plies)를 배치하는 시스템 및 이 시스템을 사용하는 방법을 기재하고 있다. 구체적으로, 시스템은 섬유 배치 헤드(a fiber placement head)의 기능적 장치를 변경하는 것에 의해 복합재료 적층의 짧은 경로 코스 적용을 제공한다. 일부 예에서, 시스템은 예를 들어, 자동화 섬유 배치(AFP) 기계와 같은 자동화 적층 장치를 포함한다. 이 적층 장치는 맨드릴, 레이업 몰드(layup mold) 또는 공구에 복합재료의 플라이들 배치하는 하나 이상의 분배 헤드를 포함한다. 부가하여, 적층 장치는 복합재료를 절단하는 절단 장치를 포함한다. 시스템의 형상 및 작동에 관한 추가적인 세부 사항 및 변경은 본 발명의 이익을 가지는 관련 분야의 통상의 기술자에게 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자동화 섬유 배치(AFP) 기계(100)의 일례의 블록선도이다. 도 1에 도시된 예에서, AFP 기계(100)는 대응하는 위치 추적 장치(110)에 의해 배치되는 배치 헤드(105)를 포함한다. 배치 헤드(105)는 기판(120)에 복합재료(115)를 배치하도록 구성되어 있다. 기판(120)은 예를 들어, 복합재료가 배치되어지는 맨드릴, 공구, 레이업 몰드, 또는 어떤 다른 적절한 표면과 같은 작업물(a workpiece)(125)의 표면을 포함한다. 부가하여, 기판(120)은 작업물(125)에 미리 놓이게 되는 어떤 미리 적용된 복합재료, 접착성 부여제(tackifier), 그리고 그와 같은 것을 포함한다. 작업물(125)은 구동 장치(130)에 의해 회전 또는 그와 반대로 위치되어진다. 구동 장치(130) 및/또는 위치 추적 장치(110)는 제어 유닛(135)에 의해 제어되어진다. 제어 유닛(135)은 복합재료 물품을 조립하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령을 포함하는 파일(a file)(140)에 접속한다.

도 2a는 본 발명에 따른 자동화 섬유 배치(AFP) 기계(200)의 일례를 나타내는 개략도이다. 일반적으로, AFP 기계(200)는 복합재료의 토우가 기판(210)에 배치되는 동안에 섬유 배치 헤드 조립체, 또는 송출 헤드(215)에 대해, 공구 또는 플랫 차지 레이업 몰드(a tool or a flat charge layup mold)와 같은, 기판(210)을 조정하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 도 2a에 나타난 특정 예에서, AFP 기계(200)는 송출 헤드(215)가 정지 상태에 있는 동안에 기판(210)을 조작하도록 구성된 로봇 아암과 같은 수치 제어 기계(a numerical control (NC) machine)(205)를 포함한다. 다른 경우에 있어서, 기판(210)이 하나 이상의 부가적 운동 축에서 고정되거나 또는 이동하는 동안에 송출 헤드(215)를 이동하도록 구성된 NC 기계(205)를 포함한다. 이들 예를 벗어나, 다른 대안적 장치가 송출 헤드(215)에 대해 기판(210)을 이동하기 위해 사용되어지고, 관련 기술 분야에서 통상의 기술자에게 인식되어질 것이다.

송출 헤드(215)는 도 2b에 보다 상세히 도시되어 있다. AFP 기계(200)는 한 세트의 저장 스풀(a set of storage spools)(225). 또는 크릴(creels), 물론 일련의 토우 가이드(a series of tow guides), 예를 들어 인장 브레이크 시스템(250)은 물론 방향 전환 롤러(redirect rollers)(230) 및 방향 전환 풀리(redirect pulleys)(235)를 포함하는 토우 공급 시스템(220)을 더 포함한다. 단순화를 위해, AFP 기계(200)를 위한 완전한 롤러 골격은 도 2a 및 2b에 그 전체가 도시되어 있지 않다. AFP 기계(200)는 도 1에 도시된 제어 유닛(135)과 같이, 적절한 제어 모듈의 명령 하에 AFP 기계(200)의 작동을 제어하는 공압 실린더(pneumatic cylinders), 전기-서보 작동장치(electro-servo actuators), 제어 와이어(control wires), 호스 등(도시되지 않음)과 같은 다양한 표준 제어 구성요소들을 또한 포함한다.

작업 중에, AFP 기계(200)는 각 섬유 또는 토우(240), 그리고 송출 헤드(215)에 방향 전환 풀리(235)를 통하여 미리 설정된 인장을 유지하도록 기능하는 방향 전환 롤러(230) 주위의 저장 스풀(225)로부터 탄소 섬유 에폭시(carbon fiber-epoxy) 같은 복합재료의 토우(240)를 당긴다. 각 토우(240)는 또한 토우 밴드(a tow band)로 불리는 재료 코스가 기판(210)위에 놓이게 되면, 제어 유닛(135)으로부터 명령에 응답하여 절단 블레이드에 의해 정확한 길이로 결국 절단된다. 토우(240)가 송출 헤드(215)로부터 나와서 그들은 송출 헤드(215)에 대해 이동할 때 기판(210)의 표면에 토우를 누르고 압축하는 압축 롤러를 지나간다. 열은 그들이 수지 함침 토우(the resin impregnated tow)의 표면 두께를 증가시키도록 기판(210) 위에 배치되기 전에 즉각적으로 토우(240)에 가해진다. 인장은 인장 브레이크 시스템(250)을 제어하는 방향 전환 롤러(230)에 의해 감지된 것처럼 AFP 기계(200)를 통하여 그들을 당기는데 돕도록 토우(240)에 유지될 수 있다.

도 3 및 4는 송출 헤드(215)의 일례의 부분 단면도 및 확대 단면도를 각각 나타내고 있다. 도 3 및 4에 도시된 예에서, 송출 헤드(215)는 공기 압력이 작동 동안에 도관을 통하여 보내지는 V-블록(350) 내에 위치된 통로(352)에 연결된 다수의 공기 피팅부(air fittings)(384)를 가지는 "V 블록(vee block)"(350)을 포함한다. 공기 피팅부(384)는 제어 유닛(135)으로부터 미리 설정된 지시 마다 송출 헤드(215)의 작동을 제어하도록 구성된 종래의 공압식 밸브와 호환될 수 있다. 송출 헤드(215)는 상보적 위치(complementary positions)에 위치된 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함하는, 제1, 상부 토우 제어 모듈(354A)과 제2, 하부 토우 제어 모듈(354B)로 구성되어 있다. 토우 제어 모듈(354A, 354B)은 위에 기재된 것처럼, 작동 동안에 송출 헤드(215)를 통하여 토우(240)를 안내한다. 설명의 간략화를 위해, 단지 상부 토우 제어 모듈(354A)의 구성요소들이 도 4의 확대도에 분리되어 있다.

각 토우 제어 모듈(354)은 토우 안내 트레이(356) 내에 토우 안내 채널(358)의 치수(the tow channel dimensions)에 의해 설정된 것처럼 토우 이송 경로의 구성을 설정하는 V-블록(350)에 연결된 토우 안내 트레이(356)를 포함한다. 전체 대역폭 출력(the total bandwidth output)은 송출 헤드(215)가 설계 목적으로 계획된 토우(240)의 개수에 대응하는 다수의 토우 안내 채널(358)에 의해 정의된다. 예를 들어, 도 3 및 4에 나타난 특별한 경우에, 상부 토우 제어 모듈(354A) 및 하부 토우 제어 모듈(354B)은, 송출 헤드(215)가 가장자리 패턴(edge pattern)에 정렬된 가장자리에서 각 코스 동안에 기판(210)에 동시에 복합재료의 6개 토우(240)(상부 토우 제어 모듈(354A)로부터 3개 토우와 하부 토우 제어 모듈(354B)로부터 3개 토우(240))를 배치시키도록 구성되고, 3개 토우 채널(358) 각각을 가지는 토우 안내 트레이(356)를 포함한다.

송출 헤드(215)는 선택된 수의 토우 안내 채널(358)에 대응하는, 다수의 푸시로드/피스톤 하위 조립체(360)를 더 포함한다. 각 푸시로드/피스톤 하위 조립체(360)는 제1, 커터 수축 피스톤(a first, cutter retract piston)(360A), 제2, 클램프 피스톤(a second, clamp piston)(360B), 제3, 공급 피스톤(a third, feed piston)(360C), 및 제4, 커터 연장 피스톤(a fourth, cutter extend piston)(360D)을 포함한다. 예시된 예에서, 제1, 커터 수축 피스톤(360A), 제2, 클램프 피스톤)(360B), 제3, 공급 피스톤(360C), 및 제4, 커터 연장 피스톤)(360D)은 모두 편향 스프링(bias springs)(362)을 포함한다. 각 푸시로드/피스톤 하위 조립체(360)는 대응하는 토우 안내 채널(358)과 정렬되는 V-블록(350)에 일련의 공동(364)에 위치되어 있다.

각 토우 제어 모듈(354)은 부착 커터 블레이드(an attached cutter blade)(370)를 가진 커터 로커 아암(a cutter rocker arm)(368) 및 각 토우 안내 채널(358)을 가진 핀치/공급 로커(a pinch/feed rocker)(372)는 물론 토우 안내 트레이(356)와 연결된 지지 프레임(a support frame)(366)을 또한 포함한다. 각 커터 로커 아암(368)은 커터 로커 아암(368)이 작동 동안에 피봇 회전하는 제1 커터 로커 축(a first, cutter rocker axle)(376A)에 의해 지지 프레임(366)에 연결되어 있다. 유사하게, 각 핀치/공급 로커(372)는 핀치/공급 로커(372)가 작동 동안에 피봇 회전하는 제2 핀치/공급 로커 축(a second, pinch/feed rocker axle)(376B)에 의해 지지 프레임(366)에 연결되어 있다. 제1 커터 로커 축(376A)이 도 4에 도시된 모든 3개 커터 로커 아암(368)을 위한 하나의 단일 부재로 나타나 있을지라도 일부 경우에서, 제1 커터 로커 축(376A)은 개별 커터 로커 아암(368)에 대응하는 각 하나의 다수 부재로 나누어진다. 각 토우 제어 모듈(354)은 작동 동안에 커터 블레이드(370)를 커버하도록 구성된 지지 프레임(366)에 연결된 하나 이상의 블레이드 커버(378)를 또한 포함한다.

송출 헤드(215)의 커터 로커 아암(368) 및 핀치/공급 로커(372)는 일부 예에서 비틀림 및 바인딩 뒤틀림(binding distortions)을 유리하게 감소시키는 실질적인 대칭이다. 각 핀치/공급 로커(372)는 탭이 공급 피스톤(360C)에 의해 결합하기 위해 연장되는 후부 단부 가까이는 제외하고, 대응하는 커터 로커 아암(368)의 포켓에 넣어져 있다. 각 핀치/공급 로커(372)의 탭 위치에서, 대응하는 커터 로커 아암(368)은 핀치/공급 로커(372)의 적절한 회전을 허용하도록 앞으로 나간다. 각 커터 로커 축(376A)은 대응하는 핀치/공급 로커(372)가 회전하는 것을 허용하는 충분한 높이로 위치되고, 그리고 토우 제어 모듈(354)은 요구된 전체 회전의 양을 실질적으로 최소화하도록 설계되는 것이 바람직하다.

송출 헤드(215)는 기판(210)과 접촉하도록 구성된 V-블록(350)에 연결된 압축 롤러(245)를 더 포함하고, V-블록(350)은 압축 롤러(245) 아래 접촉 교점(a contact intersection point)에 V 패턴 섬유 공급의 교차점에서 닙 지점(a nip point)을 형성한다. 부가하여, 송출 헤드(215)는 서보 작동장치 같은 하나 이상의 적절한 구동 장치에 연결된 제1 상부 공급 롤러(382A) 및 제1 하부 공급 롤러(382B)를 포함한다. 공급 롤러(382A, 382B)는 핀치 롤러(374)가 공급 롤러(382)에 핀치/공급 로커(372)를 작동시키는 피스톤(360C)에 의해 작동될 때 닙 압축 인장력(a nip compaction pull force)을 형성한다. 힘은 도 1에 도시된 제어 유닛(135)과 같은, 적절한 제어 모듈의 방향 하에서, 요구된 지속 시간을 위해 요구된 속도에서, 상부 및 하부 토우 제어 모듈(354A, 354B) 각각을 통하여 복합재료의 토우(240)를 당기도록 작동한다.

종래 AFP 송출 헤드와 달리, 본 출원의 송출 헤드(215)는 쇼트 코스 및 플랫 또는 거의 플랫 차지를 위한 송출 헤드(215)를 최적화하는 다양한 뚜렷한 특징을 포함한다. 예를 들어, 토우 낙하 또는 절단 지점에서 롤러 닙 영역까지 전체 거리는 압축 롤러(245)에 의해 감소되어지고, 종래 압축 롤러보다 직경에서 실질적으로 더 작고, 그리고 절단 지점(the cut off point)을 닙 지점(the nip point)어 더 가까이 위치시키는 토우 절단 부가 장치의 콤팩트한 설계에 의해 추가적으로 감소된다. 특히, 일부 경우에, 압축 롤러(245)는 단지 약 3/4인치의 직경을 가진다.

게다가, 송출 헤드(215)는 종래 커터 블레이드에서 사용된 전통적인 사각 형상보다 단일 원형 커터 기하학적 형상을 가진 커터 블레이드(370)를 포함한다. 원형 커터 블레이드 설계는 유리하게는 송출 헤드(215)가 종래 커터보다 실질적으로 더 짧은 커터 블레이드(370)를 사용하는 것을 허용한다. 특히, 일부 경우에, 커터 블레이드(370)는 단지 약 3/4인치의 최대 길이를 가진다. 원형 커터 블레이드 설계는 또한 유리하게 커터 블레이드(370)가 모든 방향에서 동등하게 잘 절단할 수 있기 때문에 블레이드 가이드에 대한 요구를 없앤다. 추가적으로 커터 수명은 중앙 커터 장착 지점 주위를 사용하는 동안에 커터 회전에 의해 연장되어진다. 원형 커터 블레이드(370)는 또한 쉽게 접근, 제거, 그리고 교체 가능하다.

종래 AFP 기계에서, 푸시로드 및 피스톤을 작동시키기 위하여 사용된 공압 도관 및 다른 장치가 토우 제어 모듈 및 V 블록의 외부에 전형적으로 연결되어 있다. 결과적으로, 종래 AFP 송출 헤드는 부피가 크고 무거울 수 있어, 쇼트 코스 길이를 가지고 작은 복합재료 부품들을 조립하는 것을 어렵게 한다. 본 발명의 송출 헤드(215)는 공기 피팅부(384)가 상부 및 하부 토우 제어 모듈(354A, 354B) 사이에 위치되어지게 단일 설계를 사용하고, 그리고 공기 압력이 푸시로드/피스톤 하위 조립체(360)의 작동을 제어하도록 V 블록(350) 내에 위치된 통로(352)를 통하여 도관으로 보내진다. 이 콤팩트한 구성은 유리하게 송출 헤드(215)가 토우 제어 모듈(354)을 위한 로우-프로파일 설계(a low-profile design)를 사용하게 한다. 특별히, 일부 경우에, 토우 제어 모듈(354)은 단지 약 3/4 인치의 최대 높이를 가진다.

도 5a 내지 도 5d는 AFP 공정의 다양한 작동 단계 동안에 푸시로드/피스톤 하위 조립체(360A-360D)의 위치를 예시하고 있다. 일반적으로, 피스톤(360A-360D)은 스프링이 수축된 위치로 편향되고, 그리고 대응 공기 피팅부(384)와 통로(352)를 통하여 관련 작동 피스톤(360A-360D)의 요구된 실린더 보어 공통(364)에 공기 압력을 공급하는 것에 의해 연장될 수 있다. 이는 관련 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 제어 유닛(135) 내에서 처리되는 종래 기술 및 제어 방법을 사용하여 다양한 제어 밸브 및 다른 제어 장치(도시되지 않음)를 가지고 달성될 수 있다.

도 5a는 복합재료의 토우(240)가 공급 롤러(382)에 의해 송출 헤드(215)를 통하여 당겨지고 있는 동안의 AFP 공정의 "토우 공급(tow feed)" 단계를 나타내고 있다. 이 토우 공급 단계 동안에, 도 5에 도시된 것처럼, 커터 블레이드(370)와 결합하도록 커터 로커 아암(368)의 전면 단부를 하강시키는 것을 방지하도록 커터 수축 피스톤(360A)은 연장되고, 커터 연장 피스톤(360D)은 수축되어진다. 게다가, 공급 피스톤(360C)은 연장되고, 공급 피스톤(360C)에 의해 작동됨에 따라 전면 단부를 하강시키고 핀치 롤러(374)와 접촉하는 공급 롤러(382)와 핀치 롤러(374)가 접촉하게 한다. 클램프 피스톤(360B)은 복합재료의 토우(240)가 요구된 기간과 요구된 속도에서, 공급 롤러(382)의 제어 하에서 대응하는 토우 안내 채널(358)을 통하여 당겨질 수 있는 것을 보장하도록 수축되어진다.

도 5b는 요구된 재료 코스가 기판(210)에 위치될 때 복합재료의 토우(240)가 송출 헤드(215)를 통하여 지나가는 동안에 AFP 공정의 "자유 운행(free run)" 단계를 나타내고 있다. 이 자유 운행 단계 동안에, 도 5b에 도시된 것처럼, 공급 피스톤(360C)은 도 5a에 도시된 토우 공급 단계 동안에 모드 다른 피스톤이 같은 위치에 있는 동안에 수축되어진다. 핀치/공급 로커(372)의 후면 단부를 하강시키고 핀치/공급 로커(372)의 전면 단부를 상승시키며, 공급 피스톤(360)의 수축은 핀치/공급 로커(372)가 핀치/공급 로커 축(376B) 주위를 피봇 회전하도록 한다. 이 회전은 결국 공급 롤러(282)로부터 핀치 롤러(374)를 해제하도록 하여, 그것에 의해 기판(210) 위의 재료 코스의 배치 동안에 기판(210) 및/또는 송출 헤드(215)의 이동에 기인하여 토우 안내 채널(358)을 통하여 복합재료의 토우가 자유롭게 통과하는 것을 허용한다.

도 5c는 복합재료의 토우(240)가 커터 블레이드(370)에 의해 요구된 길이로 절단되어지는 동안에 AFP 공정의 "토우 절단(tow cut)" 단계를 나타내고 있다. 이 토우 절단 단계 동안에, 도 5c에 도시된 것처럼, 모든 다른 피스톤이 도 5b에 도시된 자유 운행 단계 동안과 같은 위치에 있는 동안에 커터 수축 피스톤(360A)은 수축되고, 커터 연장 피스톤(360D)은 연장되어진다. 커터 수축 피스톤(360A)의 수축 및 커터 연장 피스톤(360D)의 연장은 커터 로커 아암(368)이 커터 로커 축(376A) 주위를 피봇 회전하게 하고, 그것에 의해 커터 로커 아암(368)의 전면 단부를 하강시키고 커터 블레이드(370)가 토우 안내 채널(358)을 통하여 지나가게 하여 복합재료의 토우(240)를 요구된 길이로 절단한다.

도 5d는 복합재료의 토우(240)가 커터 블레이드(370)에 의해 절단된 후에 송출 헤드(215)에서 제자리에 유지되고 있는 동안에 AFP 공정의 "토우 고정(tow clamped)" 단계를 나타내고 있다. 이 토우 고정 단계 동안에, 도 5d에 도시된 것처럼, 커터 수축 피스톤(360A)은 연장되고 커터 연장 피스톤(360D)은 커터 블레이드(370)를 해제하도록 수축되어진다. 이 단계 동안에, 원형 커터 블레이드(370)는 진동 또는 다른 힘 때문에 회전하고, 그래서 유리하게 다음 토우 절단을 위한 같은 절단 블레이드(370)에 새로운 절단 가장자리를 제공한다. 실질적으로 동시에, 클램프 피스톤(360B)은 토우(240)에 힘을 가하기 위하여 연장되어, 토우 안내 채널(358)에서 그것을 정지 상태로 유지한다. 이 고정 단계가 없으면, 토우(240)는 대응하는 저장 스풀(225)에 저장된 토우 재료의 남은 길이에 의해 야기되는 인장에 의해 절단되어진 후에 다시 감기게 되는(recoil) 경향을 가지고 있다. 토우(240)를 정지 상태로 유지하는 것에 의해, AFP 기계(200)는 토우(240)의 단부의 위치를 정확하게 결정할 수 있고, 그리고 기판(210)에 복합재료의 그 다음 코스의 배치를 위해 송출 헤드(215)를 그래서 정확하게 위치시킬 수 있다.

종래 AFP 기계에서, 커터 블레이드는 단일, 이중-작동 공기 실린더, 즉, 커터와 결합도록 커터 블레이드를 "미는(pushes)" 및 커터를 해제하도록 커터 블레이드를 "당기는(pulls)" 단일 공기 실린더에 의해 정상적으로 작동되어진다. 본 출원의 AFP 기계(200)에서, 그와 반대로, 커터 블레이드(370)의 전진 및 수축 기능 등이 두 개의 피스톤으로 분리되어 있다(예를 들어, 커터 수축 피스톤(360A) 및 커터 연장 피스톤(360D)). 이 구성은 유리하게는 적어도 하나의 로드 시일(rod seal)에 대한 요구를 없애고 "당김(pull)" 없는 요구사항을 가진 푸시로드를 단지 사용하는 것에 의해 장치를 단순화한다.

위에 기재된 특징들의 결과로서, 본 출원의 AFP 장치(200)는 종래 AFP 기계의 최소 절단 길이보다 실질적으로 더 짧은 최소 절단 길이를 가진다. 예를 들어, 일부 경우에, 본 출원의 AFP 기계(200)는 약 1.5 인치 길이로 복합재료의 토우(240)를 절단할 수 있다. 결과적으로, 본 출원의 AFP 기계(200)는 소형 복합재료 부품, 특히 플랫 또는 거의 플랫 차지로 AFP 공정의 경제적 적용을 유리하게 허용한다. 이는 AFP 기계(200)에 의해 압축된 영역이 지역적으로 평평 또는 거의 평평한 어떤 복합재료 부품들(예를 들어, 날개 보(spar) 등)을 포함하고, 복합재료 부품(들)은 곡선 부분, 예를 들어, 웨브(a web)에서 플랜지(a flange)까지 반경에서 급격한 볼록 곡률(a tight convex curvature)을 가진다.

도 6-7을 참조하면, 본 출원의 시스템 및 방법들은 도 6에 도시된 항공 제조 및 서비스 방법(600)과 도 7에 도시된 항공기(700)에 시행되어진다. 제작 준비 단계 동안에, 모범적 방법(600)은 항공기의 사양 및 설계(specification and design)(602)와 자재조달(material procurement)(604)을 포함한다. 생산 동안에, 구성요소 및 하위 조립체 제조(component and subassembly manufacturing)(606)와 항공기(700)의 시스템 통합(system integration)(608)이 일어난다. 그 후, 항공기(700)는 서비스 상태(in service)(612)에 놓이도록 인증 및 인도(certification and delivery)(610)를 통과한다. 고객에 의해 서비스 상태(612)에 있는 동안에, 항공기(700)는 일상적 보수 및 점검(routine maintenance and service)(614)이 계획되어 있다(수정(modification), 구조변경(reconfiguration), 개선(refurbishment) 등).

방법(600)의 공정들의 각각은 시스템 통합자(a system integrator), 제3자(a third party), 및/또는 운용자(an operator)(예를 들어, 고객)에 의해 수행 또는 실행되어진다. 이 설명을 목적으로, 시스템 통합자는 제한 없이 많은 항공기 제조업자 및 주-시스템 하도급업자를 포함하고; 제3자는 제한 없이 많은 판매회사, 하도급업자, 그리고 공급자를 포함하고; 그리고 운용자는 항공회사, 리스회사, 군용업체, 서비스기구 등이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 모법적인 방법(600)에 의해 생산된 항공기(700)는 다수의 시스템(7220 및 인테리어(an interior)(724)를 가진 기체(an airframe)(720)를 포함한다. 고-레벨 시스템(722)의 예들은 하나 이상의 추진 시스템(a propulsion system)(726), 전기 시스템(an electrical system)(728), 유압 시스템(a hydraulic system)(726), 그리고 환경 시스템(an environmental system)(728)을 포함한다. 많은 다른 시스템이 포함되어진다. 항공 산업 분야의 예가 도시되어 있을지라도 개시된 실시 예들의 원리들은 자동차 산업과 같은 다른 산업에 적용되어진다.

여기에 구체화된 장치 및 방법은 생산 및 서비스 방법(600)의 어떤 하나 이상의 단계 동안에 사용되어진다. 예를 들어, 생산 공정(606)에 대응하는 구성요소 또는 하위 조립체는 항공기(700)가 서비스 상태(612)에 있는 동안에 생산된 구성요소 또는 하위 조립체와 유사한 방법으로 조립 또는 제조될 수 있다. 또한, 하나 이상의 장치 실시 예, 방법 실시 예, 또는 그들의 조합이 예를 들어, 항공기(700)의 생산 비용을 저감시키거나 실질적으로 신속하게 조립하는 것에 의해 생산 단계(606, 608) 동안에 사용되어진다. 유사하게, 하나 이상의 장치 실시 예, 방법 실시 예, 또는 그들의 조합이 항공기(700)가 예를 들어 제한 없이 보수 및 점검(614)에 대해 서비스 상태(612)에 있는 동안에 사용되어진다.

본 발명은 어떤 바람직한 구성들로 기재되어 있을지라도, 여기에 개시된 모든 특징과 이점들을 제공하지 않는 구성들을 포함하여, 관련 기술 분야에서 통상의 기술자에게 분명한 다른 구성들이 본 발명의 범위 내에 또한 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들과 그들의 동등 물을 참조하여 단지 정의되어진다. 또한 발명은 다음의 항목에 따른 실시 예를 포함한다.

항목 1.

자동화 섬유 배치 기계(an automated fiber placement (AFP) machine)의 송출 헤드에서, 상기 송출 헤드는:

그 안에 위치된 다수의 공기 통로를 가지는 V-블록;

V-블록에 연결된 제1 토우 제어 모듈, 상기 제1 토우 제어 모듈은 토우 안내 트레이, 지지 프레임, 부착 커터 블레이드를 가진 커터 로커 아암, 그리고 부착 핀치 롤러를 가진 핀치/공급 로커를 포함하며, 상기 커터 로커 아암은 커터 로커 축에 의해 지지 프레임에 연결되어 있고; 그리고

핀치/공급 로커는 커터 로커 아암 내에 위치되고 핀치/공급 로커 축에 의해 지지 프레임 연결되어 있고;

커터 로커 아암과 핀치/공급 로커와 일치되어 있는 V-블록 내에 위치된 공동에 위치되어 공기 통로와 연결된 다수의 피스톤을 포함한다.

항목 2.

항목 1의 송출 헤드는, 부착 커터 블레이드가 원형 커터 블레이드를 포함한다.

항목 3.

항목 1의 송출 헤드는, 피스톤이 커터 로커 축 주위의 커터 로커 아암을 회전시키도록 구성된 제1, 커터 연장 피스톤 및 제2, 커터 수축 피스톤을 포함한다.

항목 4.

항목 1의 송출 헤드는, 토우 안내 트레이가 다수의 토우 안내 경로를 정의하고, 그리고 제1 토우 제어 모듈은 대응하는 다수의 커터 로커 아암과 핀치/공급 로커를 포함한다.

항목 5.

항목 1의 송출 헤드는, 송출 헤드가 플랫 또는 거의 플랫 차지에 복합재료를 배치하게 구성되어 있다.

항목 6.

항목 1의 송출 헤드는, V-블록에 연결된 제2 토우 제어 모듈을 더 포함하고, 상기 제2 토우 제어 모듈은 상보적인 위치에 위치된 제1 토우 제어 모듈처럼 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함한다.

Claims

송출헤드를 매개하여 기판에 복합재료를 배치하기 위한 자동화 섬유 배치(AFP) 기계에서, 상기 자동화 섬유 배치 기계의 송출헤드는;
하나 이상의 원형 커터 블레이드를 포함하는 제1 로우-프로파일 토우 제어 모듈;
하나 이상의 원형 커터 블레이드를 포함하는 제2 로우-프로파일 토우 제어 모듈;
내부에 위치된 다수의 공기 통로를 포함하고, 제1 로우-프로파일 토우 제어 모듈과 제2 로우-프로파일 토우 제어 모듈 사이에 위치되어 제1 로우-프로파일 토우 제어 모듈 및 제2 로우-프로파일 토우 제어 모듈에 연결된 V-블록;
V-블록 내에 위치된 공기 통로와 정렬되고, 제1 로우-프로파일 토우 제어 모듈과 제2 로우-프로파일 토우 제어 모듈 사이에 위치되어 V-블록에 연결된 다수의 공기 실린더; 및
다수의 공기 실린더 내에 배열되고, 공기 통로를 통해 공기 압력을 공급함으로써 작동하는 커터 수축 피스톤, 커터 클램프 피스톤, 공급 피스톤 및 커터 연장 피스톤을 포함하는 다수의 피스톤을 포함하는 자동화 섬유 배치 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 로우-프로파일 토우 제어 모듈 및 제2 로우 프로파일 토우 제어 모듈은 3/4 인치보다 더 크지 않는 높이를 가지는 자동화 섬유 배치 기계.
제 1 항에 있어서,
원형 커터 블레이드는 3/4인치보다 더 크지 않은 높이를 가지는 자동화 섬유 배치 기계.
제 1 항에 있어서,
3/4 인치보다 크지 않는 직경을 가지는 압축 롤러를 더 포함하는 자동화 섬유 배치 기계.
제 1 항에 있어서,
원형 커터 블레이드는 제1, 커터 연장 피스톤 및 제2, 커터 수축 피스톤 각각을 연장 또는 수축함으로써 축 주위로 회전하도록 구성된 커터 로커 아암에 제거 가능하게 연결되어 있는 자동화 섬유 배치 기계.
제 1 항에 있어서,
기판은 플랫 차지를 포함하는 자동화 섬유 배치 기계.
제 1 항에 있어서,
복합재료 부품을 조립하기 위한 컴퓨터 판독 지시를 포함하는 파일에 접근하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함하는 자동화 섬유 배치 기계.
제 1 항에 있어서,
복합재료가 기판에 위치되어 있는 동안에 송출 헤드에 대해 기판을 조정하도록 구성된 하나 이상의 위치 추적 장치를 더 포함하는 자동화 섬유 배치 기계.
제 8 항에 있어서,
위치 추적 장치는 하나 이상의 수치제어(NC) 기계, 로봇 아암 또는 맨드릴을 포함하는 자동화 섬유 배치 기계.
로우-프로파일 송출 헤드 및 원형 커터 블레이드를 가진 자동화 섬유 배치(AFP) 기계를 사용하여 기판에 복합재료 코스를 배치하는 방법에서,
상기 방법은:
핀치 롤러가 공급 롤러와 접촉하도록 공급 피스톤을 연장함으로써 송출 헤드를 통하여 하나 이상의 복합재료 토우를 공급하여, 토우 안내 채널을 따라 핀치 롤러와 공급 롤러 사이에서 복합재료의 토우가 당겨지도록 하고;
커터 연장 피스톤을 연장하고 또 커터 수축 피스톤을 수축함으로써 요구된 길이로 복합재료 토우를 절단하여, 커터 로커 아암이 축 주위를 회전하도록 하고 그리고 토우 안내 채널을 통하여 원형 커터 블레이드를 하강시키고; 및
커터 수축 피스톤을 연장하고 또 커터 연장 피스톤을 수축함으로써 원형 커터 블레이드를 수축하여, 커터 로커 아암이 축 주위를 회전하도록 하고 그리고 토우 안내 채널로부터 원형 커터 블레이드를 상승시키는 것을 포함하는 복합재료 코스를 배치하는 방법.
제 10 항에 있어서,
새로운 절단 날을 제공하도록 원형 커터 블레이드를 회전시키는 것을 더 포함하는 복합재료 코스를 배치하는 방법.
제 10 항에 있어서,
원형 커터 블레이드가 하강됨과 동시에 클램프 피스톤을 연장함으로써 토우 안내 채널에서 복합재료의 토우를 제 위치에 클램핑하는 것을 더 포함하는 복합재료 코스를 배치하는 방법.
제 10 항에 있어서,
커터 수축 피스톤, 커터 클램프 피스톤, 공급 피스톤 및 커터 연장 피스톤을 포함하는 피스톤을 연장하는 것은, V-블록 내에서 각각의 피스톤에 연결되도록 대응하여 형성된 통로를 통하여 각각의 피스톤에 공기 압력을 공급하는 것을 포함하는 복합재료 코스를 배치하는 방법.
제 10 항에 있어서,
기판은 플랫 차지를 포함하는 복합재료 코스를 배치하는 방법.