KR102030195B1 - 마스터가 없는 적층 맨드릴 공구 - Google Patents

마스터가 없는 적층 맨드릴 공구 Download PDF

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Abstract

복합재의 적층을 위한 맨드릴 공구는 복합재를 위한 적층 표면을 제공하는 복합 면 시트, 및 면 시트를 지지하는 셀 형의 헤더 보드 구조를 포함한다.

Description

마스터가 없는 적층 맨드릴 공구 {MASTERLESS LAYUP MANDREL TOOL}
본 발명은 복합재의 적층 (layup)을 위한 맨드릴 공구 및 맨드릴 공구를 위한 헤더 보드의 재료, 두께 및 강성을 선택하는 것을 포함하여, 적층을 위한 맨드릴 공구를 설계하고 복합 부품을 경화하는 것에 관한 것이다.
매트릭스에 매립된 보강 섬유의 플라이를 포함하는 복합체는 경량이고 고강도이어서 매우 바람직하다. 복합체의 한 예는 성분이 탄소 섬유 보강 플라스틱 (CFRP)이 있으며, 그 구성성분은 탄소섬유가 에폭시 매트릭스에 매립되어 있다.
복합 부품의 제작은 적층 맨드릴 공구의 공구 표면 위에 보강 섬유를 증착시키는 것을 포함한다. 섬유는 증착시 수지로 사전 함침 ("프리프레그")될 수 있거나, 또는 상기 섬유가 건조되고 그 이후에 수지를 주입할 수 있다. 수지-주입 섬유 또는 사전 함침된 섬유는 배깅 (bagging) 작업 후에 경화(cure)된다.
복합 부품의 신속한 제작은 다양한 이유로 바람직하다. 빠른 제작은 경쟁력 평가, 구매조사 또는 작업 모델을 제공하기 위해 항공기, 자동차 또는 다른 구조을 위한 부품을 프로토타입 (prototype)으로 생산하는 데 사용될 수 있다. 빠른 제작이 항공기, 자동차, 풍력 터빈 또는 토목 구조 (예를 들어, 브리지 성분)와 같은 제품을 수리하고 신속하게 유용한 서비스에 해당 제품을 반환하는 데 사용할 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 복합재의 적층을 위한 맨드릴 공구는 복합재을 위한 적층 표면을 제공하는 복합 면 (face) 시트, 및 면 시트를 지탱하는 휴대 헤더 보드 구조를 포함한다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 적층 맨드릴 공구를 제작하는 방법은 헤더 보드로부터 셀 구조체를 만드는 단계, 셀 구조체를 발포형 재료로 충전하는 단계, 가공면을 얻을 수 있도록 발포체 및 셀 구조체를 기계 가공하는 단계 및 면 시트를 형성하기 위해 가공면 위에 복합재를 적층하고 경화하는 단계를 포함한다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 방법은 맨드릴 공구을 위한 헤더 보드의 재료, 두께 및 강성을 선택하는 것을 포함하여, 적층을 위한 맨드릴 공구를 설계하고 복합 부품을 경화하는 과정을 포함한다. 본 방법은 추가로 선택된 재료, 두께 및 강성에 따라 헤더 보드를 제작하는 단계 및 헤더 보드를 셀 구조체로 조립하는 단계; 셀 구조체의 셀을 발포형 재료로 충전하는 단계; 기계 가공면을 얻기 위해 발포형 재료 및 셀 구조체를 기계 가공하는 단계; 및 면 시트를 형성하기 위해 기계 가공면 위에 복합재를 적층하고 경화하는 단계를 포함한다.
도 1은 마스터가 없는 적층 맨드릴 공구를 제작하는 방법이다.
도 2a-2d는 여러 제작의 단계에서 마스터가 없는 적층 맨드릴 공구를 예시한 것이다.
영구 금형은 일반적으로 복합 부품을 제조하는 적층 맨드릴 공구를 만드는 데 많이 사용된다. 반면에, 본 명세서의 적층 맨드릴 공구는 영구 금형으로 형성하지 않는다. 오히려, 본 명세서의 적층 공구는 마스터가 없다.
도 1을 참조하면, 이것은 마스터가 없는 적층 맨드릴 공구를 만드는 방법을 예시하고 있다. 블록 (110)에서, 셀 구조체가 부품 설계의 치수에 따라 제작된다. 셀 구조체가 전체 공구를 포함하고 부품을 위한 대략적인 외형 및 프로파일을 포함할 수 있는 빌릿 (billet)을 제공한다. 항공기 부품 등의 특정 부품의 경우, 이것은 곡률이 일정하거나 복합 화합물 외형일 수 있다. 셀 구조체가 헤더 보드로부터 형성될 수 있다. 헤더 보드의 재료 시스템, 및 밀도와 두께는 맨드릴 공구의 원하는 내구성에 맞게 할 수 있다. 재료 시스템은 제한없이 에폭시 비스말레이미드: (BMI)를 포함할 수 있다. 헤더 보드는 워터 제트, 라우터 또는 다른 공구를 사용하여 절단될 수 있다. 그들은 접합, 물리적인 고정 또는 둘다에 의해 함께 결합할 수 있다. 모서리는 추가 보강을 위해 부착될 수 있다.
추가로 도 2A를 참조하면, "계란 상자"의 셀 구조체 (112)를 예시하고 있다. 본 셀 구조체는 헤더 보드 (114)로부터 형성되고, 이들은 오픈 셀 (116)의 정렬을 구성한다. 계란 상자 구조물 (112)은 상면과 저면이 개방되어 있다.
블록 (120)에서, 셀 구조체 (112)는 팽창성 발포형 재료 (122) (도 2b 참조)로 충전된다. 발포형 재료 (122)는 적층 및 경화 등의 가공 조건하에서 치수 안정성을 유지한다. 예를 들어, 발포형 재료 (122)는 수지 주입 및 경화, 또는 프리프레그 경화 온도에서 저감하거나 수축하거나 또는 팽창해서는 안 된다. 발포형 재료 (122)는 이러한 온도에서 저감 또는 수축하거나 팽창해서는 안된다. 이와 유사하게, 발포형 재료 (122)는 수지 주입시의 압력 또는 프리프레그를 경화하는 오토클레이브 압력 하에서 비틀리지 않아야 한다. 치수 안정성 및 압축 강도 요구사항은 그 이후에 셀 구조체 (112)에 형성되어 있는 면 시트가 예측가능한 위치에서 경화되도록 유지해야 한다. 발포형 재료 (122)의 치수 안정성이 달성되지 않은 경우, 추가 재료가 면 시트에 첨가될 수 있다. 이것은 바람직하지 않다. 예를 들어, 면 시트가 원하는 위치에 없는 경우, 면 시트의 일부 구역이 덜 절단 (깨끗하지 않음) 될 수 있고 다른 지역은 과도하게 절단 (너무 많은 재료 제거됨)될 수 있다.
발포형 재료 (122)의 예는 이들에 국한하는 것은 아니지만, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트, 탄소 발포체, 세라믹 및 오토클레이브 기포 콘크리트 (AAC)를 포함한다. 발포형 재료 (122)는 블록의 형태일 수 있거나, 또는 부어서 경화시킬 수 있고, 또는 이들의 어떤 조합물로 첨가될 수 있다. 발포형 재료 (122)는 과잉의 접착제가 발포형 재료로 들어가는 것을 방지하기 위하여 상용성 재료 (예를 들어, 모체 수지 또는 대체 수지)로 밀봉시킬 수 있다.
블록 (130)에서, 발포형 재료 (122) 및 헤더 보드 (114)는 면 시트의 적층을 위한 원하는 표면을 얻기 위해 기계 가공된다. 최종적인 기계 가공면 (132)의 예는 도 2C에 예시되어 있다.
블록 (140)에서, 면 시트는 기계 가공면 (132) 위에 형성된다. 그러나, 면 시트를 형성하기 전에, 접착제층을 기계 가공면 (132)에 적용하여 면 시트를 헤더 보더 (114)에 접합시킬 수 있고 수지가 발포형 재료 (122)를 관통하는 것을 방지할 수 있다. 접착제는 모체 수지와 상용성이 있는 것이 바람직하고 지지될 수 있거나 그렇지 않을 수도 있다.
면 시트는 접착제층 위에 보강 섬유를 포함하는 직물을 배치하여 형성할 수 있다. 섬유는 건조될 수 있거나 프리프레그될 수 있다. 섬유가 건조되면 건조 섬유는 그 다음에 수지로 주입된다. 이 수지는 "모체" 수지라고 지칭되어 왔다. 수지-주입 섬유 또는 프리프레그는 그 후에 백 (bag)에 씌워져 즉, 배깅 (bagging)되어 경화된다. 면 시트는 접합 및 물리적인 고정의 조합으로 헤더 보드에 결합될 수 있다. 물리적인 고정은 클립 또는 브래킷으로 수행될 수 있다.
블록 (150)에서, 발포형 재료 (122)는 셀 구조체 (112)로부터 제거될 수 있다. 수지-주입 섬유의 경우, 발포형 재료 (122)는 수지 주입 후 (하지만 경화 전에) 제거될 수 있다. 프리프레그의 경우, 발포형 재료 (122)는 경화 후에 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 발포형 재료 (122)는 셀 구조체 (112)의 후면에서 도려낼 수 있거나 밖으로 파낼 수 있다. 다른 실시예에서, 발포형 재료 (122)는 블록과 같이 손상없이 제거될 수 있다.
일부 실시예에서, 발포형 재료 (122)는 셀 구조체 (112)에서 완전히 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 적층 맨드릴 공구가 낮은 프로파일을 가진 경우, 부품의 품질에 영향을 미치지 않는 조건하에서 발포형 재료 (122)는 셀 구조체 (112)에 남겨질 수 있다.
발포형 재료 (122)는 경화시 열적 요구사항이 충족될 수 있게 제거될 수 있다 (예를 들어, 열이 공구의 후면을 통해 전달될 수 있도록).
발포형 재료 (122)는 공구의 후면을 열원으로부터 절연시킬 수 있는 절연체이고, 그에 의해 경화 프로파일 요구사항에 의해 결정된 원하는 시간에 필요 온도를 방해할 수 있다. 짧은 헤더 보드를 가지는 공구의 경우, 발포형 재료는 낮은 충격을 가질 수 있고, 결과적으로 제 위치에 남겨질 수 있다.
발포형 재료 (122)의 블록이 손상되지 않게 제거된다면 블록을 재사용할 수 있다. 블록을 재사용하는 것은 장래의 비용을 절감하고 생산 속도를 높일 수 있다. 손상되지 않게 제거하려면, 이 단계는 셀 구조체 (112)에서 발포형 재료 (122)를 주도하기 전에 수행한다. 예를 들어, 헤더 보드 (114)의 벽면은 슬립 시트 (테플론 나일론, 플루오로엘라소머 등의 재료로 만들어진 시트)로 정렬될 수 있거나, 이형 필름으로 정렬시키거나 또는 발포형 재료 (122)와 헤더 보드 (114)간의 또는 결합 또는 마찰 계수를 감소시키는 재료로 정렬할 수 있다. 또는, 셀 구조체 (112)의 구배각 (draft angle)은 발포형 재료 (122)를 뽑아내는 것에 의해 각도를 쉽게 개선시킴으로서 제거가 용이할 수 있다.
블록 (160)에서, 면 시트의 노출 표면은 기계 가공되고 연마되고, 최종 프로파일로 형성된다. 최종 기계 가공은 일반적으로 일반 마스터 공구 주조되는 달성하기 어려운 공차를 보장하게 된다. 최종 면 시트 두께는 공구의 내구성 및 공구에 부여된 응력 하중의 할 수 있다. 최소한 최종 두께가 0.25이면 "내구성을 보장할 수 있으며 초기 두께 (예를 들어, 1 인치)는 최종 두께로 기계 가공할 수 있는 크기로 되어 있다. 기계 가공은 밀링 머신으로 수행될 수 있다. 샌딩은 금형 라인 표면에 대해 원하는 항공기 품질을 부여할 수 있다.
기계 가공면 시트 표면은 복합 부품의 의도된 용도에 따라 부품의 내부 또는 외부 금형 라인 표면을 형성할 수 있다. 콜 시트 (caul sheet)가 부품의 백 측면 (bag side)에서 더 우수한 표면 마감을 만드는 데 사용되지 못한다면 복합 부품의 공구 측면은 일반적으로 패널의 백 측면보다 더 우수한 표면 마감을 가지게 된다.
블록 (170)에서, 기계 가공면 시트 표면은 그 후 세척되고 밀봉되고 그리고 방출-코팅될 수 있다. 밀봉으로 작은 공극이 채워지고, 방출 코팅은 접합 없이 공구로부터 제거될 수 있도록 비-접착 (non-stick) 처리를 제공한다.
추가로 도 2d를 참조하면, 이 도면은 기계 가공면 시트 (142)를 포함하는 적층 맨드릴 공구의 일례를 예시하고 있다. 면 시트 (142)는 헤더 보드 (114)에 함께 접합되어 있다. 헤더 보드 (114)는 면 시트 (142)에 일체화된 보강을 제공하고, 높은 프로파일 공구를 위한 하부구조에 부착을 가능하게 하며 그리고 낮은-프로파일 공구 (있는 그대로 사용)를 위한 기본적인 레벨링 시스템을 제공한다. 일체화된 보강은 앞면 면적이 커지면 더 "약해지게" 되는 큰 면 시트 (142)에 중요하다. 일체화된 보강은 또한 면 시트 (142)의 강성을 증가시킨다.
블록 (180)에서, 적층 맨드릴 공구는 사용을 위한 준비이다. 일부 실시예에서, 공구는 단독으로 복합 부품을 제작하는 데 사용할 수 있다.
다른 실시예에서, 맨드릴 공구는 대형 맨드릴 공구 시스템의 하나의 부분이 될 수 있다. 맨드릴 공구 시스템은 복수의 부분이 함께 조립되어 형성될 수 있다. 진공 밀봉 평면이 전체 맨드릴 공구 시스템 진공 보전을 확실하게 하기 위해 부분 사이에 사용될 수 있다. 부분이 제작 위치에서 적층 위치로 선적할 필요가 있는 경우, 엄청난 선적 비용과 지연을 방지하기 위해 적층 위치에서 부분을 조립하는 것이 유리할 수 있다.
높은 프로파일 공구 (일반적으로 높이가 약 24 인치보다 큰)는 헤더보드의 높이와, 발포형 재료의 부피를 감소시키기 위해 하부구조를 사용할 수 있다. 이 하부구조는 공구 강성을 희생하지 않고 바닥이나 카트 위에서 공구를 지지할 수 있다. 반면에, 낮은 프로파일 공구는 패널 생산을 위한 비교적 짧은 헤더 보드와 바닥이나 카트에서 공구를 지지하기 위해 추가로 하부구조를 필요로 하지 않고 "있는 그대로" 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 신속하게 적층 맨드릴 공구를 제작하는 방법이다. 단순히 몇가지 매개변수 (헤더 보드 밀도와 두께, 면 시트의 두께, 재료 시스템)를 변경하여, 다른 목적으로 적층 맨드릴 공구를 구축하는 데 동일한 공구가 사용될 수 있다. 어떤 공구가 사용자 대체 부품을 제작하는 데 사용될 수 있다. 다른 공구는 사용 제한 프로토타입을 위한 부품을 제작하는 데 사용될 수 있다. 또한 다른 공구들이 다양한 생산 런 (runs)을 위해 사용될 수 있다.
마스터가 없는 공구의 내구성을 증가시켜서 더 비싼 "제품" 또는 더 높은 런 부품에 사용될 수 있다. 면 시트의 두께, 헤더 보드의 강성과 두께를 증가시키는 것에 의해 상기 내구성을 증가시킬 수 있다. 헤더 보드 강성은 헤더 보드 사이의 간격을 줄임으로써 증가시킬 수 있다. 내구성은 또한 헤더 보드를 위한 보다 강한 내구성 재료를 선택하여 증가시킬 수 있다. 예를 들어, BMI는 에폭시보다 내구성이 강하다. 에폭시 재료는 생산 사이클을 250F까지 100 사이클 이상, 350F에 대해서는 10 런까지로 하는데 바람직하다. BMI와 같은 재료는 350F 및 10 런보다 큰 사이클 요구조건에 바람직하다.
이들 매개변수 중 하나 또는 모두를 증가시키는 것은 마스터가 없는 공구의 비용을 증가시키지만, 더 많은 경화 사이클 또는 런에 사용될 수 있는 마스터가 없는 공구를 제공한다. 제한된 생산 사이클을 가지는 부품은 보다 적게 연결 재료 (예를 들어, 50% 이하)로 사용될 수 있고, 헤더 보드의 간격보다 크게 하는 데 사용될 수 있다. 보다 강한 내구성 공구는 헤더 보드 모두, 100% 연결 부착을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서의 마스터가 없는 공구는 생산 공구를 제작하는데 마스터로 사용될 수 있다. 특정 매개변수를 조정하여, 마스터는 통상적인 불변강 (invar), 강철 등의 대안으로 만들 수 있다 (마스터는 표준 복합 공구를 생산하는 데 사용할 수 있다). 본 명세서의 마스터는 강철 또는 불변강 공구보다 상당히 짧은 시간에 제작될 수 있다 (예, 50 %의 단축). 이것은 마스터를 요구하는 통상적인 복합 공구를 보다 더 마무리하는 리드 타임을 상당히 줄일 수 있다.
본 명세서의 마스터가 없는 적층 맨드릴 공구는 부품의 특정 타입으로 제한되지 않는다. 복합 부품의 예로는, 제한없이 날개 패널, 화물 도어 패널, 자동차 후드와 패널, 트럭 후드와 패널, 복합 탱크 패널, 복합 돔이 있다. 이들 부품 중 일부는 복잡한 외형 표면을 가질 수 있다.

Claims (20)

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  7. 헤더 보드로부터 셀 구조체를 만드는 단계;
    상기 셀 구조체를 발포형 재료로 충전하는 단계;
    기계 가공면을 얻기 위해 발포체 및 셀 구조체를 기계 가공하는 단계; 및
    면 시트를 형성하기 위해 기계 가공면에서 복합재를 적층하고 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 면 시트의 노출 표면을 기계 가공하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 기계 가공면 시트 표면을 세정하고 밀봉하고 그리고 방출 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.
  10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면 시트를 경화한 후에 발포형 재료를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.
  11. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤더 보드는 에폭시 수지로 제작되고 프로토타입을 위한 두께 및 강성을 가지는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.
  12. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤더 보드는 비스말레이미드(BMI)로 제작되는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.
  13. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤더 보드의 강성 및 두께는 원하는 내구성에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.
  14. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면 시트는 복합적인 외형을 가진 표면(complex contoured surface)을 위한 적층 표면을 제공하는 것을 특징으로 하는, 적층 맨드릴 공구의 제작 방법.

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