KR102022130B1

KR102022130B1 - 경량 유연성 맨드렐 및 이를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR102022130B1
Application number: KR1020147006058A
Authority: KR
Inventors: 도안 디. 팜; 마크 더블유. 톨란
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2019-09-17
Also published as: CA2848202C; CN103857508A; JP6031111B2; WO2013055477A3; US20130092323A1; CN103857508B; WO2013055477A2; EP2747972B1; JP2014532000A; CA2848202A1; EP2747972A2; KR20140075675A; US8534339B2

Abstract

부품을 가공하기 위한 맨드렐은 외부 슬리브와 대체로 유연한 내부 코어를 포함하여 이루어진다. 상기 외부 슬리브는 길이를 따라 적어도 하나의 유연성 부분을 구비하여 정해진 윤곽에 맞게 변형할 수 있도록 구성되어 있다.

Description

경량 유연성 맨드렐 및 이를 제조하는 방법{LIGHTWEIGHT FLEXIBLE MANDREL AND METHOD FOR MAKING THE SAME}

본 발명은 일반적으로 부품을 제조하는 데 사용되는 툴링(tooling)에 관한 것으로, 특히 복합재료로 만들어진 부품에 대한 것으로, 더욱 특히 부품의 국부 윤곽과 일치하는 경량 유연성 맨드렐(lightweight flexible mandrel)에 대한 것이다.

맨드렐이 일치시켜야 할 하나 이상의 커브, 윤곽 또는 표면 특징을 갖는 다양한 부품을 적층하고 압축하거나 경화하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 항공기 산업에서, 동체나 날개에 사용되는 스트링거는 국부화된 플라이 패드업(ply pad-ups)이나 드롭 오프(drop-offs)와 같은 표면 특징을 갖거나 만곡된 복합재 스킨과 일치되어야 한다.

과거에는, 맨드렐은 맨드렐 표면이 부품 윤곽에 일치되도록 하는 유연성 복합재로부터 제조되었다. 그러나, 복합재 맨드렐은 취급 중에 손상을 입기가 쉽고, 고도의 생산 공정의 적용에서 공구 표면 마모에 기인하여 제한된 수명을 가지게 된다. 금속형 맨드렐은 부품 윤곽에 일치하기에 필요한 구조를 가지도록 제조될 수 있으나, 이러한 형태의 툴링(tooling)은 상대적으로 생산하기에 비싸다. 게다가, 필연적으로 견고한 금속 맨드렐은 상대적으로 무거워서, 취급하기 위하여 크레인이나 특별한 장치를 필요로 한다.

따라서, 국부적인 부품 윤곽에 일치시키기 쉽고 크레인이나 특별한 장비의 필요없이 쉽게 취급할 수 있는 경량의 유연성 있는 맨드렐에 대한 필요성이 있었다. 또한 저비용으로 쉽게 제조할 수 있고 내구성이 있으며 부드러운 부품 표면 마감부를 생성하는 경량 유연성 맨드렐에 대한 요구가 있었다.

본 발명의 실시예는 하나 이상의 국부적인 표면 윤곽(localized surface contours)을 갖는 상대적으로 긴 스트링거와 같은, 부품을 적층하거나 치밀화 및/또는 경화하기에 적절한 경량의 유연성 맨드렐을 제공한다. 상기 맨드렐은 유연성 폴리머와 같은 경량의 유연성 충전 재료로 형성된 내부 코어와 내구성있는 금속성 외부 슬리브를 구비한다. 상기 외부 슬리브는 하나 이상의 슬리브 벽을 통과하는 다수의 슬롯을 구비한 상대적으로 얇은 벽의 채널 부재를 포함한다. 상기 슬롯은, 플라이 패드업(ply pad-ups)이나 플라이 드롭 오프(drop-offs)와 같은 국부화된 부품의 윤곽이나 특징에 일치시키 위하여 상기 맨드렐에 선택된 위치에서 필요한 유연성 정도를 제공한다. 경량의 유연성 내부 코어를 사용하는 것은 크레인이나 특별한 취급 장비 없이 맨드렐을 취급하고 위치시킬 수 있도록 한다. 상기 금속성의 외부 슬리브는 오랜 사용 기간을 부여하고 상대적으로 부드러운 표면 마무리를 생산할 수 있는 내구성있는 툴을 제공한다. 얇은 금속성의 외부 슬리브와 낮은 밀도의 내부 코어를 사용함으로써 경화 공정 중에 보다 적은 열을 흡수하는 맨드렐을 도출하게 되는데, 상기 경화 공정에서 전체적으로 에너지 소비를 줄일 수 있고, 더 짧은 가열 및 냉각 시간을 제공한다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 부품을 가공하기 위하여 맨드렐이 제공된다. 상기 맨드렐은 길이를 따라 적어도 하나의 유연성 부분을 가져 슬리브가 원하는 윤곽에 맞추어 휘어지게 하는 외부 슬리브와, 상기 슬리브 내에 있는 대체로 유연성있는 내부 코어를 포함한다. 상기 외부 슬리브는 금속성이고, 실질적으로 U자형 단면을 가질 수 있다. 상기 내부 코어는 구조적 폼(structural foam), 엘라스토머 및 복합재 라미네이트(composite laminate) 중의 하나를 구비한다. 상기 외부 슬리브는 적어도 3 개의 측면을 구비하고, 상기 외부 슬리브의 유연성 부분은 외부 슬리브의 측면들 중의 하나에 배치된 서로 이격되고 대체로 평행한 다수의 슬롯을 구비한다. 상기 슬롯을 안에 구비하는 상기 측면은 한쌍의 둥근 모서리에 의해 세 개의 측면 중의 다른 두 개에 연결된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 경량의 유연성 맨드렐이 복합재 부품을 제조하는 데 사용하기 위하여 제공된다. 상기 맨드렐은 복합재 부품 적층이 놓여질 외부 측면을 갖는 길다란 금속 채널 부재를 포함한다. 상기 채널 부재는 내부 공동부와, 부품 적층의 치밀화 동안에 정해진 윤곽에 맞춰 측면이 변형될 수 있게 하는 측면들 중의 하나에 다수의 슬롯을 형성하는 실질적으로 U자형 단면을 갖는다. 상기 맨드렐은 상기 채널 부재의 내부 공동부를 실질적으로 채우고 상기 채널 부재의 측면을 구조적으로 지지하는 대체로 유연성 내부 코어를 추가로 포함한다. 상기 채널 부재는 인바^® 금속(Invar^® metal)을 포함하고, 상기 내부 코어는 구조적 폼(structural foam), 엘라스토머 및 복합재 라미네이트(composite laminate) 중의 하나를 구비한다. 상기 슬롯은 이 슬롯을 그 안에 구비하는 상기 측면의 길이 부분만을 따라 연장된다. 상기 슬롯을 그 안에 구비하는 상기 측면은 만곡된 모서리에 의해 다른 측면들에 연결되고, 상기 슬롯은 상기 만곡된 모서리를 통해 연장된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 외부 슬리브를 형성하는 단계, 상기 외부 슬리브 안에 유연성 코어를 위치시키는 단계, 및 정해진 윤곽에 맞추어 상기 외부 슬리브를 휘어지게 하도록 상기 외부 슬리브의 길이의 적어도 부분을 따라 외부 슬리브에 슬롯을 형성하는 단계를 포함한다.

요약하자면, 본 발명에 따른 하나의 실시예에 따르면, 정해진 윤곽에 맞춰 외부 슬리브가 휘어지게 하는 길이를 따라 적어도 하나의 유연성 부분을 갖는 외부 슬리브와, 상기 외부 슬리브 내의 대체로 유연한 내부 코어를 구비하는, 부품을 가공하기 위한 맨드렐이 제공된다.

바람직하게는, 상기 맨드렐에서 상기 외부 슬리브는 금속이다.

바람직하게는, 상기 맨드렐에서 상기 외부 슬리브는 실질적으로 U자형 단면을 갖는다.

바람직하게는, 상기 맨드렐에서 상기 내부 코어는 구조적 폼(structural foam), 엘라스토머 및 복합재 라미네이트(composite laminate) 중의 하나를 구비한다.

바람직하게는, 상기 맨드렐에서 상기 외부 슬리브는 적어도 3 개의 측면과, 상기 슬리브의 유연성 부분은 외부 슬리브의 측면들 중의 하나에 배치된 서로 이격되고 대체로 평행한 다수의 슬롯을 구비한다.

바람직하게는, 상기 맨드렐에서 상기 슬롯을 안에 구비하는 상기 측면은 한쌍의 둥근 모서리에 의해 세 개의 측면 중의 다른 두 개에 연결된다.

바람직하게는, 상기 맨드렐에서 상기 외부 슬리브는 금속으로 형성되고, 상기 내부 코어는 경량의 폴리머이고 상기 외부 슬리브를 실질적으로 채운다.

바람직하게는, 상기 맨드렐은 서로 끝과 끝에서 연결된 다수의 외부 슬리브를 추가로 구비한다.

바람직하게는, 상기 맨드렐에서 상기 외부 슬리브는 툴면(tool face)을 형성하는 측면을 구비하고, 상기 측면을 통과하면서 상기 툴면이 상기 외부 슬리브의 유연성 부분을 따라 휘어지게 하는 다수의 슬롯을 구비하고, 상기 내부 코어는 상기 외부 슬리브에 작용하는 힘에 반작용할 수 있는 충분한 강성을 갖는 경량의 폴리머로 되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 복합재 부품 적층이 놓여질 외부 측면을 구비하는 길다란 금속 채널 부재와 대체로 유연한 내부 코어를 구비하고, 상기 채널 부재는 측면이 정해진 윤곽에 맞게 휘게 하는 측면의 하나에 구비된 다수의 슬롯과 내부 공동부를 형성하는 실질적으로 U자형 단면을 갖고, 상기 내부 코어는 상기 채널 부재의 내부 공동부를 실질적으로 채우고 상기 채널 부재의 측면을 구조적으로 지지하는 구조로 되어, 복합재 부품을 제조하는 데 사용되기 위한 경량의 유연성 맨드렐이 제공된다.

바람직하게는, 상기 경량의 유연성 맨드렐에서는 상기 금속 채널 부재는 인바^® 금속(Invar^® metal)이다.

바람직하게는, 상기 경량의 유연성 맨드렐에서 상기 내부 코어는 구조적 폼(structural foam), 엘라스토머 및 복합재 라미네이트(composite laminate) 중의 하나를 구비한다.

바람직하게는, 상기 경량의 유연성 맨드렐에서 상기 슬롯은 상기 슬롯을 그 안에 구비하는 상기 측면의 길이의 부분만을 따라 연장한다.

바람직하게는, 상기 경량의 유연성 맨드렐에서 상기 슬롯을 안에 구비하는 상기 측면은 둥근 모서리들에 의해 다른 측면에 연결되고, 상기 슬롯은 상기 둥근 모서리를 통해 연장된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외부 슬리브를 형성하는 단계; 상기 외부 슬리브에 유연성 내부 코어를 위치시키는 단계; 및 상기 외부 슬리브를 정해진 윤곽에 맞게 휘게 하는 외부 슬리브의 길이의 적어도 부분을 따라 외부 슬리브에 슬롯을 형성하는 단계를 포함하는, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하는 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 맨드렐을 제조하는 방법에서, 상기 외부 슬리브를 형성하는 단계는 금속을 길다란 채널 부재로 형성하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 맨드렐을 제조하는 방법에서, 상기 외부 슬리브를 형성하는 단계는 금속으로부터 형성된 채널 부재를 인발하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 맨드렐을 제조하는 방법에서, 상기 슬롯을 형성하는 단계는 상기 외부 슬리브에 상기 슬롯을 절단하기 위하여 와이어 EDM을 사용하여 실행된다.

바람직하게는, 상기 맨드렐을 제조하는 방법에서, 상기 외부 슬리브 내에 유연성 내부 코어를 형성하는 단계는 구조적 폼의 블록을 소정 크기로 절단하는 단계와, 절단된 폼 블록을 상기 외부 슬리브에 삽입하여 상기 폼 블록을 상기 외부 슬리브에 접착하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 맨드렐을 제조하는 방법에서, 상기 외부 슬리브 내에 상기 유연성 내부 코어를 형성하는 단계는 상기 외부 슬리브를 폴리머 충전재로 충전하는 단계와, 상기 폴리머 충전재를 경화하는 단계를 포함한다.

이상에서 설명된 본 발명의 특징, 구조 및 장점은 본 발명의 다양한 실시예에서 독립적으로 얻을 수 있고, 또는 다른 실시예에 결합될 수 있으며, 본 발명의 실시예는 첨부한 도면을 참조하여 이하에서 더 자세히 설명될 것이다.

본 발명에 따라 국부적인 부품 윤곽에 일치시키기 쉽고 크레인이나 특별한 장비의 필요없이 쉽게 취급할 수 있는 경량의 유연성 있는 맨드렐을 제공하고, 또한 저비용으로 쉽게 제조할 수 있고 내구성이 있으며 부드러운 부품 표면 마감부를 생성하는 경량 유연성 맨드렐이 달성된다.

본 발명의 바람직한 실시예의 신규한 특징부가 특허청구범위에 기재되어 있다. 그러나 바람직한 실시예는 바람직한 사용 형태나 목적 및 효과와 마찬가지로, 첨부 도면을 참조하여 아래의 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명에 의하여 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경량의 유연성 맨드렐의 사시도를 나타낸다.
도 2는 상기 맨드렐의 반대 측면을 나타내는 도 1과 유사한 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 선 3을 따라 취한 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 1에서 도 4로 지정된 부분을 나타낸다.
도 5는 길다란 유연성 맨드렐을 형성하기 위하여 끝에서 끝이 이어질 수 있는 다수의 맨드렐 부분을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도시된 경량의 유연성 맨드렐을 사용하여 제조된 I 스트링거를 나타낸다.
도 7은 도 6에 보인 I 스트링거를 형성하기 위하여 한 쌍의 맨드렐을 사용하는 단면도를 나타낸다.
도 8은 도 6에 보인 스트링거의 웹을 통해 취한 단면도를 나타내는데, 도 7에 보인 맨드렐 중의 하나를 휘게 하여 얻어진 플라이 패드-업(ply pad-up)을 나타낸다.
도 9는 설명된 유연성 맨드렐의 제조 방법의 단계를 나타내는 흐름도를 나타낸다.
도 10은 설명된 제조 방법의 하나의 실시예의 진행 단계를 나타내는 사시도이다.
도 11은 항공기 생산 및 운항 방법에 대한 흐름도를 나타낸다.
도 12는 항공기의 블록 다이아그램을 나타낸다.

먼저 도 1 내지 도 4를 참조하면, 경량의 유연성 맨드렐(20)은 금속의 외부 슬리브(22) 및 경량의 유연성 내부 코어(24)를 넓게 포함한다. 상기 외부 슬리브(22)는 내부 공동부(23)를 형성하는 대체로 U자형 단면을 갖는 채널 부재(22a)를 포함하는데, 다른 단면 형상도 가능하여, 예컨대 어떤 제한없이, 위로 선 다리(미 도시)를 갖는 절단된 U형상도 가능하다. 어떤 적용례에서는, 상기 채널 부재(22a)는 폐쇄된 튜브형 채널일 수 있다. 상기 외부 슬리브(22)는 상기 채널 부재(22a)의 상부벽, 측벽 및 바닥벽(32, 34, 36)으로 형성된 외부 툴 표면(25)을 갖는다. 상기 상부벽 및 바닥벽(32, 34)은 반경(R1)을 갖는 둥근 모서리(28)에 의해 상기 측벽(34)에 각각 연결된다. 상기 외부 슬리브(22)는, 인바^® 금속과 같은 내구성 있는 툴링(tooling)을 위해 공통적으로 사용되는 적당하고 비교적 얇은 벽의 다양한 금속으로 형성될 수 있다.

상기 내부 코어(24)는 상기 채널 부재(22a)의 내부 공동부(23)를 실질적으로 채우고, 비교적 유연하되 상기 외부 슬리브(22)의 크기를 유지할 수 있고 진공백 압축 및/또는 고온고압기 공정 동안 상기 맨드렐(20)에 작용하는 힘에 반작용하기에 필요한 강성을 갖는 적절한, 경량 재료를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 내부 코어(24)가 형성되는 재료는 예컨대, 어떤 제한없이, 고온고압기(미 도시) 내에서 경화 공정 동안 경험하는 온도와 압력과 같은 온도와 압력하에 놓일 때 원하는 속성을 유지할 수 있는, RTV 실리콘과 같은 엘라스토머릭 고무(elastomeric rubber), 카본 폼(carbon foam) 또는 폐쇄형 셀 폼(closed cell foam), 유연성 세라믹 또는 CFRP(carbon fiber reinforced plastic)와 같은 복합재와 같은 적절한 폴리머를 포함할 수 있다.

상기 맨드렐(20)은, 그 길이를 따라 적어도 한 군데의 유연성 부분(26)을 포함하여, 부품(미 도시)의 표면 특징(미 도시)에 관련된 하나 이상의 정해진 윤곽에 대해 측벽(34) 상의 툴 표면(25)이 변형하게 한다. 설명의 편의를 위하여 용어 "윤곽(contour)"과 "윤곽들(contours)"은, 상기 맨드렐(20)이 일치될 국부적인 곡면, 윤곽, 요철(joggles), 복합 윤곽, 플라이 패드 업(ply pad-ups) 및 플라이 드롭 오프(ply drop-offs), 단차 및 다른 플라이 변형과 표면 특징을 포함하는 것으로 정의된다. 상기 맨드렐(20)의 유연성 부분(26)은 상기 측벽(34)에 있는 이격되고 대체로 평행한 다수의 슬롯(30)에 의하여 형성되고, 상기 슬롯(34)은 상기 맨드렐(20)의 종축(35)에 실질적으로 직각으로 되어 있다. 상기 측벽(34)은 적용하기에 적절한 두께(T)를 갖고, 이 두께는 상기 상부벽과 바닥벽(32, 36)의 두께와 같거나 같지 않다.

도시된 실시예에서, 상기 슬롯(30)은 상기 측벽(34)을 통과하여 상기 맨드렐(20) 안으로 깊이(D, 도 3) 만큼 연장되고, 상기 깊이는 상기 둥근 모서리(28)의 반경(R1)과 대체로 실질적으로 같다. 그러나, 상기 슬롯의 깊이(D)는 적용례에 따라 변할 수 있고, 형성되는 부품의 형태나 구조에 따라, 다른 적용례에서는, 상기 둥근 모서리(28)의 반경(R1)과 같거나 다를 수 있다. 상기 맨드렐(20)의 추가의 유연성이 필요한 적용례에서는, 상기 슬롯(30)의 깊이(D)는 상기 반경(R1)보다 클 수 있어서, 상기 슬롯(30)이 상기 상부벽과 바닥벽(32, 36)으로 각각 연장된다. 상기 맨드렐(20)의 종축(35, 도 1)에 대하여 다수 방향으로 상기 맨드렐이 휘어지도록 하기 위하여 상기 상부벽(32) 및/또는 바닥벽(36)에 슬롯(30)을 제공하는 것이 가능할 수 있다는 것도 여기서 고려할 수 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 외부 슬리브(22)는, 예컨대, 어떠한 제한없이, 하이드로 폼법(hydroforming)과 같은 적절한 공정에 의하여 형성될 수 있는, 부품의 기하학적 구조와 일치하는 하나 이상의 일체형 윤곽, 테이퍼 또는 단차를 포함할 수 있다.

도 4에 잘 도시되어 있듯이, 상기 슬롯(30)은 각각 미리 선택된 폭(W)을 갖고, 서로로부터 거리(S)만큼 이격되어 있어서, 상기 맨드렐(20)이 부품의 윤곽에 일치시키기 위해 필요한 양의 유연성을 갖도록 한다. 상기 슬롯(30)의 깊이(D)와, 위치 및/또는 수에 따라, 상기 맨드렐(20)은 작용된 비틀림 힘에 대응하여 종축(35, 도 1)을 따라 어느 정도 비틀릴 수 있다. 도 2에 보인 바와 같이, 상기 채널 부재(22a)의 후방부(38)는 상기 외부 슬리브(22)와 내부 코어(24)의 조립을 촉진하면서 상기 맨드렐(20)의 무게를 감소시키기 위하여 대체로 개방되어 있으나, 다른 실시예에서는 상기 채널 부재(22a)는 한 측면을 따라 개방되어 있지 않고 폐쇄된 단면을 가질 수도 있다. 하나의 실제적인 실시예에서는, 상기 채널 부재(22a)대략 6.3 cm와 10 cm의 단면 영역과 약 1.16 cm의 벽 두께(T)를 갖는 인바^® 강(Invar^® steel)으로 형성될 수 있다. 이러한 특수한 실시예에서, 상기 반경(R1)은 약 0.63 cm가 될 수 있다. 상기 슬롯(30)은 대략 0.013 cm의 폭과, 0.63 cm의 깊이를 갖고 서로에 대해 약 5 cm의 간격으로 이격되어 있다.

도 5는 다수의 채널 부재(22a)가 끝에서 끝으로 서로 연결되어 하나의 길고 유연성 맨드렐(20)을 형성하도록 내부 코어(24)와 결합되는 다른 실시예를 나타내고, 상기 맨드렐(20)은 항공 산업에 사용되는, 예컨대, 긴 스트링거(도 5에는 도시 안됨)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 상기 채널 부재(22a)는, 예컨대 채널 부재(22a)의 인접한 끝을 서로 용접함으로써, 맞붙임 이음(butt joints, 미 도시)으로 서로 결합될 수 있는데, 다른 형태의 결합도 가능하다. 복수의 채널 부재(22a)를 사용하여 하나의 길다란 금속 외부 슬리브(22)가 일단 형성되면, 하나의 연속된 내부 코어(24)를 형성하기 위하여 앞에서 설명한 바와 같이 적절한 충전 재료로 충전된다. 다른 선택으로서, 상기 내부 코어(24)는 카본 폼(carbon foam)과 같은 재료를 몰딩하거나 기계가공하여 형성할 수 있고, 그 다음 상기 외부 슬리브(22)와 조립된다. 단일의 길다란 외부 슬리브(22)를 형성하기 위하여 채널 부재(22a)들을 결합한 다음, 상기 외부 슬리브(22)에 단일의 길다란 내부 코어(24)를 삽입하는 것도 가능하다.

도 1 내지 도 4에 보인 경량의 유연성 맨드렐은 다양한 형태와 구조를 갖는 다양한 부품을 적층하고, 압축하거나 경화하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 이제 도 6과 도 7을 참조하면, 경량의 유연성 맨드렐(20a, 20b) 한 쌍이 툴 조립체(40, tool assembly)를 형성할 수 있고, 상기 툴 조립체(40)는 실질적으로 I 형태의 단면을 갖고 웹(44)과 한 쌍의 플랜지(46, 48)를 갖는 스트링거(42)를 제조하는 데 사용될 수 있다. 상기 스트링거(42)는 예비 함침된 복합재 플라이와 종래의 드레이프(drape) 형성 기술을 사용하여 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 보인 I자형 단면을 형성하기 위하여, 캡(미 도시)과 만곡부 충전 누들(미 도시)과 함께 한 쌍의 U자형 부재(미 도시)가 적층되어 서로 등을 대고 결합될 수 있다. 복합재 적층 스트링거(42)의 적층을 따르는 상기 툴 조립체(40)는 미국특허 US7,901,531호에 개시된 것과 유사한 공정과 장치를 사용하여 진공으로 배깅(bagging)되어, 압축되고 경화될 수 있다. 도시된 실시예에서, 상기 스트링거(42)는 웹(44)과 플랜지(46) 사이에 한 쌍의 반경(R2)을 갖는다. 상기 반경(R2)은 상기 유연성 맨드렐(20a, 20b)의 둥근 모서리(28)에 의해 형성되고 압축된다. 도 7에 보인 실시예에서, 상기 맨드렐(20a)의 하나만 길이 부분을 따라 슬롯(30)을 구비하나, 다른 실시예에서는, 맨드렐(20a, 20b)의 모두가 한 세트 또는 다수 세트의 슬롯(30)을 구비하여 그 안에서 이 부분에 안쪽으로 유연성을 부여할 수 있다.

이제 도 6 내지 8을 참조하면, 상기 스트링거(42)는 그 길이를 따라 하나 이상의 (곡면) 윤곽을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 8을 특히 참조하면, 상기 웹(44)은 상기 맨드렐(20a)이 일치되어야 할 윤곽(52)을 구비하는 다수의 겹층(45)을 포함할 수 있다. 상기 윤곽(52)은 플라이 패드 업(50, ply pad-ups)으로 형성된다. 맨드렐(20a)의 측벽(34)에 슬롯(30)이 형성되는 결과로, 상기 측벽(34)은 적층의 압축 및/또는 경화 동안에 상기 웹(44)에 대하여 압축될 때 변형되고 상기 (곡면) 윤곽(52) 형태를 띠게 된다.

이제 도 9를 참조하면, 경량의 유연성 맨드렐(20)은 단계(56)에서 외부 슬리브(22)를 형성하고 단계(58)에서 상기 외부 슬리브(22) 내에 유연성 내부 코어(24)를 형성함으로써 제조될 수 있다. 단계(60)에서, 슬롯(30)이 상기 외부 슬리브(22)의 적어도 부분에 형성되어 상기 맨드렐(20)이 변형되어 처리될 부품의 윤곽에 일치하도록 하게 된다. 상기 슬롯(30)은, 적절한 공정 예컨대, 어떤 제한없이, 와이어 EDM(electro-discharge machining) 기계(미 도시)를 사용하여 슬롯을 기계가공하여 형성할 수 있다. 그러나, 비교적 좁은 슬롯(30)을 형성하기 위하여, 한정되지는 않지만, 다른 형태의 기계가공이나 절단 및 절삭과 같은 다른 형태의 금속 가공 공정이 사용될 수 있다. 비교적 좁은 슬롯(30)은 형성된 부품에서 잘려나가는 부분을 최소화하기 위하여 어떤 적용례에서는 바람직할 수 있다. 도 10은 상기 외부 슬리브(22)를 형성하기 위한 하나의 기술을 보여준다. 이 기술은 실질적으로 평평한 금속 시트(54)를 제공함으로써 시작된다. 그 다음 상기 금속 시트(54)는 적절한 공정에 의하여, U자형 단면을 갖는 길다란 채널 부재(22a)로 형성된다. 통상, 상기 채널 부재(22a)의 표면은 부품의 표면에 매끈한 마무리를 부여하도록 충분히 매끄럽게 되어 있으나, 툴 표면의 마무리를 향상시키기 위하여 기계 가공할 필요는 없다. 그러나, 어떤 적용례에서는, 상기 채널 부재(22a)의 표면을 기계 가공하거나 마무리 처리하는 것이 바람직할 것이다. 본 발명의 방법의 다른 실시예에서는, 적절한 금속으로부터 채널 부재(22a)를 압출하는 것이 가능하다. 상기 내부 코어가 상기 채널 부재(22a) 내에 배치되거나 형성되기 전 또는 후에 상기 슬롯(30)이 상기 채널 부재(22a)에 형성될 수 있다.

도 9에 보인 방법의 단계(58)는 여러가지 다른 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 하나의 기술에서, 상기 채널 부재(22a) 내의 공동부(23)가 이 공동부(23, 도 3)의 내부 형상과 일치하는 구조 폼(foam)과 같은 적절한 경량의 폴리머 재료로 채워질 수 있고 이어서 경화될 수 있다. 다르게는, 카본 폼(carbon foam)과 같은 고온의 구조 폼의 블록(미 도시)이 몰딩되거나, 소정 크기로 절단되어 상기 채널 부재(22a) 내에 삽입되어 결합될 수 있다. 별도로 제작되어 상기 채널 부재(22a) 내에 삽입될 때, 상기 내부 코어(24)는 기계 가공될 필요는 없고, 상기 채널 부재(22a)의 내부 공동부(23) 내에 끼워져 채울 수 있는 적절한 크기로 절단되기만 하면 된다.

본 발명의 실시예는, 어떠한 제한 없이, 도 11에 보인 바와 같이 항공기의 제조와 운항 방법(62) 및 도 12에 보인 항공기에 적용될 수 있다. 예비 생산 동안에, 항공기 제조와 운항 방법(62)은 도 12에 보인 항공기(64)의 시방서 및 설계(66)와 재료 준비(68)를 포함한다.

생산 동안에, 도 12에 보인 항공기(64)의 구성요소와 소조립체 생산(70)과 시스템 통합(72)이 실행된다. 그 이후에, 도 12의 항공기(64)는 운항 서비스(76)에 제공되기 위하여 증명과 인도(74)를 거치게 된다. 고객에 의하여 운항 서비스(76) 중에 있을 때, 도 12의 항공기(64)는 일상적인 유지와 정비 서비스(78)를 계획하에 받게 된며, 여기에는 개선, 구조변경, 개량 및 다른 유지 보수나 정비를 포함할 ㅅ수 있다.

항공기 제조와 방법(62)의 각각의 공정은 시스템 통합자, 제3자 및/또는 오퍼레이터에 의해 수행되거나 실행될 수 있다. 이러한 실시예에서, 오퍼레이터는 고객이 될 수 있다. 이러한 설명을 위하여, 시스템 통합자는, 어떤 제한 없이, 몇 명의 항공기 제조자와 주된 시스템 하청업자를 포함할 수 있고, 제3자는, 어떠한 제한 없이 몇 명의 소매업자, 하청업자 및 공급업자를 포함할 수 있고, 오퍼레이터는 항공사, 대여 회사, 군대, 서비스 단체 등이 될 수 있다.

도 12를 참조하면, 항공기(64)의 예시가 도시되어 있는데 바람직한 실시예가 실행될 있을 것이다. 이 실시예에서, 항공기(64)는 도 11의 항공기 제조 및 서비스 방법(62)에 의해 생산되고 다수의 시스템(80)들과 인테리어(82)를 구비하는 항공기 본체(79)를 구비할 수 있다. 본 발명의 맨드렐은 스트링거와 같은 항공기 본체(79)의 다양한 구성 요소를 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 시스템(80)의 실시예는 하나 이상의 추진 시스템(84), 전기 시스템(86), 유압 시스템(88) 및 환경 시스템(90)이 포함된다. 항공기를 예시로 설명하였으나, 본 발명의 원칙은 자동차 산업이나 선박 산업과 같은 다른 산업에도 적용될 수 있다.

여기에서 구현된 실시예와 방법은 도 11의 항공기 제조와 서비스 방법(62)의 적어도 하나의 단계 동안에 적용될 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, "적어도 하나"라는 구절은,아이템의 리스트로 사용될 때, 거론된 아이템 중의 하나 이상의 다른 조합이 사용될 수 있고, 각 아이템의 하나만 필요할 수도 있다. 예를 들어, "아이템 A, B 및 C 중의 적어도 하나"는 예컨대, 어떤 제한없이, 아이템 A, 또는 아이템 A와 아이템 B를 포함할 수 있다. 또한 이 실시예는 아이템 A, 아이템 B 및 아이템 C, 또는 아이템 B와 아이템 C를 포함할 수 있다.

하나의 실시예에서, 도 11의 구성요소와 소조립체 생산(70)에서 생산된 구성요소 또는 소조립체는 도 11에서 항공기(64)가 운항 서비스(76) 중에 있을 때 생산된 구성요소와 소조립체와 유사한 방법으로 조립되거나 제작될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 11의 구성 요소 및 소조립체 생산(70) 및 시스템 통합(72)와 같은 생산 단계에서, 다수의 장치 실시예, 방법 실시예 또는 그 조합이 활용될 수 있다. 구성 요소를 지칭할 때, 다수는 하나 이상의 구성 요소를 의미한다. 예를 들어, 다수의 장치 실시예는 하나 이상의 장치 실시예를 의미한다. 항공기(64)가 도 11의 운항 서비스(76) 및/또는 유지와 정비 서비스(78) 중에 있을 때, 다수의 장치 실시예, 방법 실시예 및 그 조합이 활용될 수 있다. 다수의 다른 바람직한 실시예를 사용함으로써, 항공기(64)의 조립을 실질적으로 촉진할 수 있고 항공기 비용을 감축할 수 있다.

다른 바람직한 실시예에 대한 설명은 예시와 설명을 위한 목적으로 제시된 것이지, 개시된 형태의 실시예로 한정하려는 의도가 아님을 밝혀둔다. 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게는 다양한 변형이나 개량이 자명할 것이다. 추가로 다른 바람직한 실시예는 또다른 바람직한 실시예와 비교하여 다른 장점을 제공할 수 있을 것이다. 선택된 실시예는 실시예의 원리, 실제적인 적용을 최적으로 설명하기 위하여, 그리고 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 다양한 실시예에 대한 발명을 이해할 수 있게 하기 위하여 설명되고 선택되었다.

20: 맨드렐 20a, 20b: 맨드렐
22: 외부 슬리브 23: 내부 공동부
24: 내부 코어 30: 슬롯
40: 툴 조립체 42: 스트링거

Claims

그 길이를 따라 적어도 하나의 슬롯을 갖는 외부 슬리브로서, 상기 슬롯은 외부 슬리브가 정해진 윤곽에 맞게 휘어지는 것을 가능하게 하도록 된 외부 슬리브; 및
상기 외부 슬리브 내에 배치되는 유연성 내부 코어를 포함하되,
상기 외부 슬리브는 금속으로 형성되어 있고,
상기 내부 코어는 경량의 폴리머이고, 상기 외부 슬리브를 충전하며, 상기 외부 슬리브의 크기를 유지하고 진공백 압축 및/또는 고온고압기 공정 동안 맨드렐에 작용하는 힘에 반작용하기에 충분한 강성 및 강도를 가지며,
상기 외부 슬리브는 적어도 3 개의 측면을 구비하고,
상기 외부 슬리브의 슬롯은 외부 슬리브의 측면들 중의 하나에 배치된 서로 이격되고 평행한 다수의 슬롯을 구비하는, 부품을 가공하기 위한 맨드렐.
제1항에 있어서, 상기 외부 슬리브는 U자형 단면으로 되어 있는, 부품을 가공하기 위한 맨드렐.
제1항에 있어서, 상기 내부 코어는 구조적 폼(structural foam), 엘라스토머 및 복합재 라미네이트 중의 어느 하나를 포함하는, 부품을 가공하기 위한 맨드렐.
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제3항에 있어서, 상기 슬롯을 안에 구비하는 상기 측면은 한쌍의 둥근 모서리에 의해 세 개의 측면 중의 다른 두 개에 연결되는, 부품을 가공하기 위한 맨드렐.
제1항 또는 제3항에 있어서, 복수의 상기 외부 슬리브가 끝에서 끝으로 서로 연결되어 있는, 부품을 가공하기 위한 맨드렐.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 외부 슬리브는 툴면(tool face)을 형성하고 그것을 통과하는 다수의 슬롯을 갖춘 측면을 구비하고, 상기 툴면이 상기 외부 슬리브의 슬롯을 따라 휘어지는 것을 가능하게 하는, 부품을 가공하기 위한 맨드렐.
외부 슬리브를 형성하는 단계;
상기 외부 슬리브 내에 유연성 내부 코어를 위치시키는 단계; 및
상기 외부 슬리브가 정해진 윤곽에 맞게 휘어지는 것을 가능하게 하는 슬롯을, 상기 외부 슬리브의 길이의 적어도 일부분을 따라 상기 외부 슬리브에 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 내부 코어는 경량의 폴리머이고, 상기 외부 슬리브를 충전하며, 상기 외부 슬리브의 크기를 유지하고 진공백 압축 및/또는 고온고압기 공정 동안 맨드렐에 작용하는 힘에 반작용하기에 충분한 강성 및 강도를 가지며,
상기 외부 슬리브는 적어도 3 개의 측면을 구비하고,
상기 외부 슬리브의 슬롯은 외부 슬리브의 측면들 중의 하나에 배치된 서로 이격되고 평행한 다수의 슬롯을 구비하는, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하기 위한 방법.
제8항에 있어서, 상기 외부 슬리브를 형성하는 단계는 금속을 길다란 채널 부재로 형성하는 단계를 포함하는, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하기 위한 방법.
제8항에 있어서, 상기 외부 슬리브를 형성하는 단계는 금속으로부터 형성되는 채널 부재를 압출하는 단계를 포함하는, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하기 위한 방법.
제8항에 있어서, 상기 슬롯을 형성하는 단계는 상기 외부 슬리브에 슬롯을 절단하기 위하여 와이어 EDM을 사용하는 단계를 포함하는, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하기 위한 방법.
제8항에 있어서, 상기 외부 슬리브 내에 상기 유연성 내부 코어를 형성하는 단계는,
구조적 폼(structural foam)의 블럭을 정해진 크기로 절단하는 단계,
절단된 폼 블럭을 상기 외부 슬리브 내에 삽입하는 단계, 및
상기 폼 블럭을 상기 외부 슬리브 내에 접착하는 단계를 포함하는, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하기 위한 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 슬리브 내에 상기 유연성 내부 코어를 형성하는 단계는,
상기 외부 슬리브에 폴리머 충전재로 충전하는 단계, 및
상기 폴리머 충전재를 경화하는 단계를 포함하는, 부품을 가공하기 위한 유연성 맨드렐을 제조하기 위한 방법.
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