KR102085893B1 - 일체화된 틈 충전재를 갖는 예비성형체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원의 틈이 채워진 예비성형체 및 3차원의 틈이 채워진 예비성형체의 형성 방법에 관한 것이다. 상기 예비성형체는, 모두 일체로 제직된 층들의 베이스 구역(200), 3개의 구역으로 분리된 상기 베이스의 부분을 포함하며, 상기 3개의 구역은 일체로 제직된 층들을 포함하는 외부의 2개의 구역(212,214) 및 일체화된 틈 충전재를 포함하는 중간 구역(210)을 포함한다. 일체화된 틈 충전재는, 1개의 제직된 층, 독립적으로 제직된 층들, 일체로 제직된 층들 또는 위사 섬유와 교직되지 않은 경사 섬유의 복수의 층들의 중앙 구역을 포함할 수 있다. 일체화된 틈 충전재의 층들은 중간 구역 안으로 압축되거나 또는 무너뜨려져서, 형성된 틈 또는 틈들을 채우며, 외부 구역의 제직된 층들이 접혀서 예비성형체의 형상을 형성한다.

Description

일체화된 틈 충전재를 갖는 예비성형체
본 개시는 일반적으로 3차원 (3D) 제직 예비성형체(woven preform)에 관한 것이며, 특히 강화 복합 재료에 사용되는 3D 제직 예비성형체에 관한 것이다. 보다 특히, 본 개시는 "T" 형상으로 형성될 수 있는 예비성형체에 관한 것이다. 보다 더 특히, 본 개시는, 일체화된(integrated) 재료로 채워진, 형성된 틈(gap)을 갖는 "T" 형상으로 형성될 수 있는 예비성형체에 관한 것이다.
구조 성분을 제조하기 위한 강화 복합 재료의 사용은 현재, 특히 경량, 고강도, 인성, 내열성, 및 성형 및 형상화되는 능력의 이들의 바람직한 특성들이 큰 이점으로 사용될 수 있는 응용에서 널리 퍼져있다. 이러한 성분은, 예를 들어 항공, 항공우주, 위성, 고성능 레크리에이션 제품(recreational product), 해양 및 다른 응용에 사용된다.
전형적으로, 이러한 성분은 매트릭스 재료에 매립된(embedded) 강화 재료로 이루어진다. 강화 성분은 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌, 및/또는 목적하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 특성들 (이 중 주된 것은 응력 파괴에 대항하는 큰 강도임)을 나타내는 다른 재료와 같은 재료로부터 제조될 수 있다. 이러한 재료는 종종 섬유로 제조되어 강화 섬유로서 사용되거나, 또는 상기 섬유는 사(yarn)로 형성되며 이는 성분에서 강화 사로서 사용된다.
궁극적으로 완성된(completed) 성분의 구성성분 요소가 되는 이러한 강화 재료의 사용을 통해, 초고강도와 같은 강화 재료의 바람직한 특성이 완성된 복합 성분에 부여된다. 전형적인 구성성분 강화 재료는 강화 예비성형체를 위한 목적하는 배열로 제직, 편성(knitted), 조물화(braided), 적층(laminated) 또는 다르게는 배향될 수 있다. 다수의 경우에, 구성성분 강화 재료가 선택된 이유가 되는 특성을 최적으로 이용하는 것을 보장하는 것이 특히 주목된다. 통상적으로 이러한 강화 예비성형체는, 목적하는 완성 성분을 형성하거나 또는 완성 성분의 최종 제조를 위한 작업 스톡(working stock)을 제조하기 위한 매트릭스 재료와 조합된다.
목적하는 강화 예비성형체가 구성된 후, 수지 또는 매트릭스 재료가 예비성형체에 그리고 예비성형체 내로 도입되어, 전형적으로 강화 예비성형체는 매트릭스 재료 내에 둘러싸이게 되고, 매트릭스 재료가 강화 예비성형체의 구성성분 요소들 사이의 개재 영역(interstitial area)을 채우도록 할 수 있다. 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소, 및/또는 또한 목적하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 특성들을 나타내는 다른 재료와 같은 매우 다양한 재료 중 임의의 것일 수 있다. 매트릭스로서 사용하기 위해 선택된 재료는 강화 예비성형체의 재료와 동일할 수 있거나 동일하지 않을 수 있고, 필적할 만한 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 특성들을 가질 수 있거나 갖지 않을 수 있다. 그러나, 전형적으로, 복합재를 사용함에 있어서 우선적으로 추구되는 보통의 목적은 하나의 구성성분 재료의 단독 사용을 통해 획득가능하지 않은 완제품에서의 특성들의 조합을 달성하는 것이기 때문에, 이들은 동일한 재료가 아닐 것이거나 또는 필적할 만한 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 특성들을 갖지 않을 것이다. 이와 같이 조합된 강화 예비성형체 및 매트릭스 재료는 이어서 열경화 또는 다른 공지된 방법에 의해 동일한 조작으로 경화 및 안정화될 수 있고, 이어서 목적하는 성분을 제조하기 위한 다른 조작에 가해질 수 있다. 이 때, 이와 같이 경화된 후, 이어서 매트릭스 재료의 응고된 덩어리들이 보통 강화 재료 (예를 들어, 강화 예비성형체)에 매우 강력하게 부착된다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 결과적으로, 완성 성분에 대한 응력은, 특히 섬유들 사이의 접착제로서 작용하는 이의 매트릭스 재료를 통해, 강화 예비성형체의 구성성분 재료에 효과적으로 전달될 수 있고 그에 의해 지탱될 수 있다. 강화 예비성형체에서의 임의의 파단 또는 불연속성은, 상기 예비성형체가 완성 성분에 가해진 응력을 전달하고 지탱하는 능력을 제한한다.
특정 응용에서, 3차원 (3D) 제직 복합 구조체는 주요한 하중 전달 부재(load carrying member)로서 목적된다. 이러한 부재를 위한 예비성형체의 하나의 유용한 형상은 일반적으로 "T" 예비성형체로서 지칭되는데, 이것이 축방향에서 볼 때 문자 T와 유사하기 때문에 이와 같이 지칭된다. 다른 유용한 예비성형체는, 예를 들어 파이 (π), H, I 또는 L과 같은 다양한 횡단면 형상을 가질 수 있다. 특정 구조적 형상을 갖는 섬유 예비성형체는 종래의 셔틀 직기(shuttle loom) 상에서 제직될 수 있으며, 여러 기존의 특허들은 이러한 구조체를 제직하는 방법을 기술한다.
이러한 예비성형체의 사용의 결점 중 하나는, 이들이 이분되거나(bifurcated) 또는 분할되는 경우 이들이 틈을 형성한다는 것이다. 이러한 틈은 종래 방법에 따르면 통상적으로 추가 재료를 예비성형체에 첨가함으로써 채워진다. 그러나, 첨가된 재료로 틈을 채우는 것은 예비성형체의 전체의 연속성을 제거한다. 또한, 새로운 재료의 첨가를 요구하는 것은 예비성형체 제조에 노동, 재료 및 비용을 추가한다. 최종적으로, 첨가된 재료는 예비성형체에 일체로(integrally) 연결되지 않으며, 이는 예비성형체의 구조적 일체성(structural integrity)을 감소시킨다.
예비성형체의 구조적 일체성을 유지하기 위해, 다수의 경우에 틈에서 강화물의 첨가가 요구된다. 강화물은 종종 재료, 전형적으로 추가의 제직 재료의 시트의 형태이다. 추가의 강화물은 예비성형체의 두께 및 중량에서의 국부적인 증가를 생성한다. 강화물은 강화된 틈 그 자체에서의 국부적인 중량 집중(weight concentration)을 생성할 수 있다.
다른 공지되어 있는 방법은 틈에서 강화물을 예비성형체에 부착하기 위해 기계적 고정구(fastener), 예를 들어 볼트 또는 리벳을 요구할 수 있다. 그러나, 이러한 고정구는 관통 구멍을 필요로 하며 이는 복합 구조체의 일체성을 추가로 저해하기 때문에 이러한 성분들의 계면에서의 금속 볼트 또는 리벳의 사용은종종 허용되지 않는다. 불리하게도, 고정구는 중량을 부가하고, 이러한 요소들과 주변 재료 사이에서 상이한 열팽창 계수를 도입한다.
선행기술의 방법은, 다른 재료의 첨가 및 그로 인한 국부적 두께 및 추가 중량의 증가 없이 틈 충전재(gap filler)로 형성될 수 있는 3D 제직 예비성형체에 대한 필요성을 적절히 해결하지 못하였다. 본 개시는, 국부적 두께 및 추가 중량의 증가 및 구조적 일체성의 감소와 연관되는 추가 재료에 대한 필요성 없이 일체화된 재료로 채워진 틈을 갖는 3D 제직 예비성형체를 제공함으로써 선행기술의 결점을 해결한다.
따라서, 본 개시는 추가 재료의 투입에 대한 요구 없이 일체화된 재료로 채워진 틈을 갖는 3D 제직 예비성형체 및 이러한 3D 제직 예비성형체의 제조 방법에 관한 것이다. 예비성형체의 틈은, 분할된 제직 구조체의 2개의 팔(arm)을 실질적으로 평면적 방식으로 접고, 이에 의해 2개의 접힌 팔 사이의 틈을 형성함으로써 형성된다. 본 개시에서, 용어 "3D" 및 "다층"은 상호교환가능하게 사용된다. 또한, 본 개시에서 용어 "틈이 채워진(gap-filled)"은 일체화된 재료에 의해 채워진 틈을 갖는 3D 제직 예비성형체를 기술하는 데 사용된다.
용어 "실(thread)", "섬유(fiber)" 및 "사(yarn)"는 하기 설명에서 상호교환가능하게 사용된다. 본원에 사용된 "실", "섬유" 및 "사"는 모노필라멘트(monofilament), 멀티필라멘트사(multifilament yarn), 가연사(twisted yarn), 멀티필라멘트 토우(tow), 텍스쳐사(textured yarn), 조물 토우, 코팅사(coated yarn), 2성분 모노필라멘트사, 뿐만 아니라 연신 파단 섬유(stretch broken fiber) 또는 임의의 다른 이러한 재료로부터 제조된 사를 지칭할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "패널"은 또 다른 성분 내에 놓이는 임의의 구조 또는 재료 성분을 지칭할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "베이스(base)"는 형상화된 예비성형체로 재단(cut) 및/또는 형성될 수 있는 예비성형체의 수직 또는 세로 부분을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "일체로 제직된"은 층들 사이에 교직된(interwoven) 섬유 층들을 지칭한다. 본원에 사용된 용어 "독립적으로 제직된"은 층들 사이에 교직되지 않은 섬유 층들을 지칭한다. 용어 "상부", "하부", "수직" 및 "수평"은 본원에서 편의상 예비성형체를 기술하는 데 사용되며, 예비성형체 또는 이의 배향을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.
본 개시는 또한, 추가의 직물 또는 매트릭스 재료의 요구 없이 틈이 채워진 예비성형체로 형성될 수 있는 3D 제직 예비성형체를 포함하는 강화 복합 구조체에 관한 것이다.
본 개시의 일 구현예는 복수의 제직된 층들을 갖는 3차원 (3D) 제직 예비성형체이다. 상기 제직 예비성형체는 일체로 제직된 층들을 갖는 예비성형체의 베이스 구역을 포함한다. 예비성형체의 베이스 구역의 적어도 1개의 단부 부분은 적어도 3개의 구역으로 분리되며, 이는 적어도 1개의 중간 구역, 및 일체로 제직된 층들을 갖는 적어도 2개의 외부 구역을 포함한다. 상기 적어도 2개의 외부 구역은 접혀서 예비성형체의 형상을 형성하고, 상기 적어도 1개의 중간 구역은 상기 적어도 2개의 외부 구역 사이에 형성된 틈 안으로 압축되거나 또는 무너뜨려진다(crumpled).
본 개시의 또 다른 구현예는, 직물의 모든 층이 제직된 인터록(all-layer woven interlock)을 갖는 1개 이상의 세로 부분(lengthwise portion), 및 직물의 2개 이상의 독립적으로 제직된 인터로킹 층들 및 제직물의 1개 이상의 분리된 층들을 갖는 1개 이상의 세로 부분을 포함하는 다층 직물인 3D 제직 예비성형체에 관한 것이다. 상기 분리된 층들은 직물의 인터로킹 층들 사이에 위치한다. 직물의 2개 이상의 인터로킹 층들은 서로 떨어지도록 접혀서, 인터로킹 층들 사이에 1개 이상의 틈을 형성한다. 상기 분리된 층들은 인터로킹 층들 사이에 있으며, 이러한 구현예에서, 이들은 틈 안으로 압축된 상태로 형성된다.
3D 제직 예비성형체는 형상이 실질적으로 삼각형인 적어도 1개의 틈을 함유할 수 있다. 또한, 3D 제직 예비성형체는 "T", "L", "H", "I" 또는 "파이" ("π")의 횡단면 형상을 가질 수 있다.
3D 제직 예비성형체는 예비성형체의 세로 부분을 따라 예비성형체를 3개의 구역으로 재단 (또는 이분)함으로써 형성될 수 있다. 또한, 3D 제직 예비성형체는, 외측 상의 2개의 일체로 제직된 구역 (이는 결국 "T"의 상부를 형성함), 1개의 제직된 층, 일련의 독립적으로 제직된 층들, 일련의 일체로 제직된 층들 또는 위사와 교직되지 않은 경사의 층들일 수 있는 중앙 층이 존재하도록 제직될 수 있다.
또한, 3D 제직 예비성형체의 양 단부는 이분될 수 있다. 대안적으로, 3D 제직 예비성형체의 일 단부는 이분될 수 있고, 3D 제직 예비성형체의 일 단부는 상기 예비성형체가 이의 다리(leg) 사이에 클레비스(clevis)를 갖는 파이 형상을 갖도록 제직될 수 있다.
또한, 사용 시, 2개의 예비성형체의 2개의 인접한 측면들이, 예를 들어 금속 또는 복합 패널 (이는 예를 들어, 항공기 동체에서의 벽 또는 격벽일 수 있음)의 삽입을 위한, "T" 형상의 수직 부분 (베이스) 사이에서 틈을 형성하도록 나란히 고정 또는 제직된, 적어도 2개의 3D 제직 예비성형체가 존재할 수 있다. 이러한 적어도 2개의 나란히 있는 예비성형체는 상기 구현예와 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
3D 제직 예비성형체의 사양 (예를 들어, 다리 길이, 다리 길이 대 베이스 길이의 비, 사 치수, 두께, 일체로 제직되거나 또는 독립적으로 제직된 층의 수)은 변할 수 있다.
3D 제직 예비성형체는 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌 또는 다른 적합한 재료와 같은 재료로부터 제조된 경사 및 위사 섬유 또는 실(yarns)을 함유할 수 있다. 3D 제직 예비성형체는 또한 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 또는 당업계의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 다른 재료와 같은 매트릭스 재료를 포함하는 강화 복합 구조체일 수 있다.
또한, 본 개시는 3D 제직 예비성형체의 형성 방법에 관한 것이다. 경사 실 또는 섬유는 위사 실 또는 섬유와 제직되어, 직물의 모든 층이 제직된 인터록을 갖는 1개 이상의 세로 부분, 및 직물의 2개 이상의 독립적으로 제직된 인터로킹 층들 및 직물의 1개 이상의 분리된 제직된 층들을 갖는 1개 이상의 세로 부분을 포함하는 다층 직물을 형성한다. 상기 분리된 층들은 직물의 인터로킹 층들 사이에 위치한다. 예비성형체는, 하나 이상의 재단이 예비성형체를 독립적으로 제직된 인터로킹 층들의 세그먼트로 나누고 분리된 층들이 인터로킹 층들 사이에 위치하도록 하나 이상의 위치에서 관통하여 재단(cut through)될 수 있다. 예비성형체는, 2개 이상의 상기 인터로킹 층들이 서로 반대 방향으로 접혀서, 상기 인터로킹 층들 사이에 1개 이상의 틈을 형성하도록 상기 재단(cut)의 평면의 투영(projection)을 따라 접힌다. T-예비성형체에서, 접힌 영역은 실질적으로 동일평면상이다. 분리된 층들의 사(yarn)들은 인터로킹 층들 사이에 틈 안으로 압축된다. 예비성형체는 매트릭스 재료로 함침되어 복합재가 될 수 있다.
하나의 대안적인 구현예로서, 중앙 층들이 외부의 일체로 제직된 층들에 부착되지 않도록 하는 위사 패턴으로 중앙 층들이 제직되도록 예비성형체가 제직된다. 중앙 층은 단지 1개의 제직 층일 수 있거나, 1개 초과의 층이 존재하는 경우 서로 독립적으로 제직될 수 있거나, 또는 모든 층들이 함께 일체로 제직될 수 있다.
본 개시 및 특히 청구범위 및/또는 단락에서, "포함하다(comprise)", "포함한(comprised)", "포함하는(comprising)" 등과 같은 용어는 미국 특허법이 이들에게 할당하는 의미를 갖고; 예를 들어, 이들은 "포함하다(include)", "포함한(included)", "포함하는(including)" 등을 의미할 수 있고; "본질적으로 ~로 이루어진" 및 "본질적으로 ~로 이루어지다"와 같은 용어는 미국 특허법이 이들에게 할당하는 의미를 가질 수 있으며, 예를 들어, 이들은 명시적으로 나열되지 않은 요소를 허용하지만, 선행기술에서 발견되거나 또는 본 개시의 기본적 또는 신규한 특성에 영향을 미치는 요소를 배제하지 않는 것에 유의한다.
예로서 주어지지만 본 개시를 기재된 특정한 구현예로만 제한하는 것으로 의도하지 않는 하기 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 가장 잘 이해될 수 있으며, 도면에서 유사 참조번호는 유사하거나 비슷한 요소 및 부분을 나타낸다:
도 1a 내지 1b는 이분화 가지의 다층 인터로킹 직물로부터 제조된 "T" 예비성형체의 형상의, 선행기술의 3D 제직 예비성형체의 형성의 측면도를 도시한다.
도 2a 내지 2c는 본 개시의 일 구현예에 따른 "T" 예비성형체의 형상의 3D 제직 예비성형체의 형성의 측면도를 도시한다.
도 3a 내지 3b는 본 개시의 일 구현예에 따른 3D 제직된 H-형상의 예비성형체를 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 구현예에 따른 3D 제직된 파이-형상의 예비성형체를 도시한다.
본 개시의 구현예는 개시된 예비성형체의 구현예 및 이의 예시적인 적용을 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 기술된다. 그러나, 개시된 예비성형체의 적용은 예시된 그러한 구현예에 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 또한, 본 개시는, 예시의 목적으로 제공되며 제한하기 위한 목적으로 제공되는 것이 아닌 본 개시의 도시된 구현예 및 상세사항에 제한되지 않는다.
본 개시는, 틈에서 별도의 또는 추가 재료를 첨가하지 않고 일체화된 틈 충전재를 사용하여 형상화된 예비성형체로 형성될 수 있는 3차원 (3D) 제직 예비성형체 및 이러한 예비성형체의 형성 방법에 관한 것이다. 3D 예비성형체의 다른 구성(configuration)이 가능하다. 즉, 본 기술은 예비성형체의 부분들을 접음으로써 형성된 틈을 갖는 예비성형체에 적용될 수 있다. 특히, 이러한 틈은 직물의 제직된 부분들이 예비성형체의 다리로 형성되는 경우 발생할 수 있다.
도 1a 내지 1b는 관련 기술의 3D 제직된 T-예비성형체의 형성을 도시한다. 도 1a에서, 평면상 구조체(100)는 실질적으로 평면상의 주면(major surface; 102) 및 대체적으로 평행한 대향의 주면(102'), 및 적어도 1개의 에지면(104)을 포함한다. 예비성형체 구조체(100)의 종방향 길이를 따른 베이스 구역(106)은 복수의 일체로 제직된 층들로 이루어진다. 평면상 구조체(100)의 다른 구역(108)은 제1 세그먼트(112) 및 제2 세그먼트(114)로 재단(110)된다. 재단(110)은 주면(102)에 대한 재단(cut)의 위치에서 예비성형체 구조체(100)의 깊이 D1을 관통하여 이루어진다. 재단(110)의 평면은 예비성형체 구조체(100) 및 재단의 위치에서의 구조체의 주면(102)에 수직이다.
도 1a에서, 구조체(100)는 2개의 부분으로 형성된다. 베이스 구역(106)은 경사 및 위사의 1개 이상의 일체로 제직된 층(112) 및 1개 이상의 일체로 제직된 층(114)으로 형성되며, 상기 층들은 구조체의 전체 폭을 가로질러 함께 제직된다. 구조체(100)의 제2 단부 부분에서, 층(112)들은 이분화 가지(bifurcation)(110)를 따라 층(114)들과 함께 제직되지 않는다. 대안적으로, 층(112 및 114)들은 함께 일체로 제직될 수 있으며, 구조체(100)의 길이를 따라 이분화 가지(110)를 따라 재단함으로써 분리될 수 있다.
세그먼트들(112, 114) 사이의 치수 관계 및 D1은 형성된 틈(158)의 특성에 영향을 미친다.
도 1b는 T-형상의 예비성형체(150)를 도시하며, 이는 도 1a로부터의 이분화 가지(110)를 따라 세그먼트들(112 및 114)을 실질적으로 평면적 방식으로 접어 좌측 팔(152) 및 우측 팔(154)을 형성하는 것으로부터 생성된다. 예비성형체(150)의 종방향 길이를 따른 적어도 1개의 베이스 부분(156)은 복수의 일체로 제직된 층들로 이루어진다. L 축을 따라 예비성형체를 재단하여 T-형상의 예비성형체(150)를 형성하기 위하여 팔(152) 및 팔(154)을 실질적으로 평면적 방식으로 접어서 틈(158)을 형성한다. 틈(158)은 팔(152, 154)을 접는 것으로부터 형성된 고유 반경으로부터 기인한다. 틈(158)은 실질적으로 삼각형의 형상이다. 이러한 틈은 예비성형체가 실질적으로 평면상의 표면을 나타내도록 채워질 수 있다. 또한, 참조번호 158과 같은 틈은 채워지지 않는 경우, 예비성형체에서의 약점(weakness)을 유발할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 구현예에 따른 3D 제직 T-예비성형체를 도시한다. 도 2a에서, 구조체(200)는 주면(202) 및 대체적으로 평행한 대향의 주면(202'), 및 적어도 1개의 모서리(204)를 포함한다. 예비성형체 구조체(200)의 종방향 길이를 따른 적어도 1개의 단부 부분(206)은 복수의 일체로 제직된 층들로 이루어진다. 단부 부분(208)은 이분화 가지(216 및 218)에 의해 나뉘어, 단부 부분(208)의 3개의 세그먼트(210, 212, 214)를 형성한다. 이분화 가지(216 및 218)는 예비성형체 구조체(200)의 깊이 D2를 관통하여 이루어지며, 깊이가 실질적으로 동일할 수 있다. 이분화 가지(216 및 218)의 평면은 예비성형체 구조체(200) 및 각각의 이분화의 위치에서의 구조체의 주면(202)에 수직일 수 있다. 부분(210)은 이분화 가지(216 및 218) 사이에 존재하는 비제직된 경사 및 위사 섬유의 적어도 1개의 층이다.
본 개시의 구현예에서, 세그먼트들(212 및 214)은 동일한 깊이 D2를 가지며, 구조체의 길이 L을 따라 동일한 길이 또는 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 일부 구현예에서, 이분화 가지 재단부(216, 218)는 상이한 깊이를 갖는다. 세그먼트들(212, 214) 사이의 다른 치수 관계는 형성된 틈(들)(258, 260)의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 본 개시의 구현예는 구조체의 제직 동안 접결 위사(binder picks)를 사용함으로써 달성될 수 있다. 구조체의 적절한 구역(들)을 따라, 접결 위사는 생략되어, 예비성형체의 개별 팔들이 개방되게 접히는 경우 이분화 가지가 형성되도록 한다.
도 2b는 T-예비성형체(250)를 도시하며, 이는 세그먼트들(212 및 214)을 이분화 가지(216 및 218)를 따라 실질적으로 평면적 방식으로 접어 좌측 팔(252) 및 우측 팔(254)을 형성하는 것으로부터 생성된다. 예비성형체(250)의 종방향 길이를 따른 적어도 1개의 베이스 부분(206)은 복수의 일체로 제직된 층들로 이루어진다. 팔(252 및 254)을 실질적으로 평면적 방식으로 접음으로써 2개의 틈(258 및 260)이 형성되어, T-예비성형체(250)를 형성한다. 독립적으로 제직된 분리된 섬유 층들(262)은 팔(252 및 254) 사이와 틈(258 및 260) 사이에 남아있다. 상기 논의된 바와 같이, 이분화 가지(216, 218)의 깊이는 틈(들)(258, 260) 및 팔(252, 254)의 상대적인 길이에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 이분화 가지의 보다 큰 깊이는 생성된 팔의 보다 큰 길이를 가능하게 할 것이다.
도 2c는 T-형상의 예비성형체(280)를 도시하며, 이는 틈(258 및 260)을 채우기 위해 도 2b로부터의 독립적으로 제직된 분리된 섬유 층들(262)을 하향으로 압축하거나 또는 무너뜨려서 팔(252, 254)을 갖는 예비성형체의 실질적으로 동일평면상의 상부 표면(284)을 형성하는 것으로부터 유래되는 생성물이다. 채워진 틈(282)을 포함하는 생성된 구조체는 비제한적으로 수지 이송 성형(resin transfer molding) 또는 화학 기상 침투(chemical vapor infiltration)와 같은 종래 기술을 사용하여, 수지 또는 매트릭스 재료, 예컨대 비제한적으로 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소, 또는 목적하는 물리적, 열적, 화학적 또는 다른 특성을 나타내는 다른 재료로 주입되어, 강화 복합 구조체를 생성할 수 있다. 생성된 T-예비성형체(280)는, 실질적으로 동일평면상의 배열이며 채워진 틈(282)에 의해 연결되는 팔(252 및 254)을 갖는다.
본 개시의 일 구현예는, 위사 섬유와 제직되지 않은 경사 섬유의 층들을 갖는 예비성형체의 제1 구역의 제1 부분, 제1 부분의 제1 측면 상의 1개 이상의 층으로 일체로 교직된 경사 및 위사 섬유를 갖는 예비성형체의 제1 구역의 제2 부분, 및 제1 부분의 대향 측면 상의 1개 이상의 층으로 일체로 교직된 경사 및 위사 섬유를 갖는 제1 구역의 제3 부분으로 이루어진 3D 제직 예비성형체에 관한 것이다. 제2 및 제3 부분은 접혀서 T-예비성형체의 형상을 형성하고, 경사 섬유의 비제직된 층들은 제2 및 제3 부분 사이에 형성된 틈 안으로 압축되거나 또는 무너뜨려진다. 또한, 예비성형체의 제2 구역에서, 제1 구역의 경사 및 위사 섬유는 층들로 제직된다. 또한, 제2 베이스 구역에서의 제1, 제2 및 제3 부분의 층들은 모두 함께 교직된다.
본 개시의 또 다른 구현예는, 제1 세로 구역 및 제2 세로 구역으로 이루어진 3D 제직 예비성형체에 관한 것이며, 상기 제1 세로 구역은 적어도 그 일부가 인터로킹된 층들로 일체로 제직된 경사 및 위사 섬유를 갖고, 상기 제2 세로 구역은 2개 이상의 부분 및 비제직된 경사 섬유의 1개 이상의 부분을 가지며, 상기 2개 이상의 부분의 각각은 인터로킹 층들로 일체로 제직된 경사 및 위사 섬유를 포함한다. 비제직된 부분은 인터로킹 층들의 부분 사이에 위치하며, 인터로킹 층들의 2개 이상의 부분이 접혀서, 인터로킹 층들의 상기 접힌 부분 사이에 1개 이상의 틈을 형성한다. 또한, 비제직된 부분은 형성된 틈 안으로 무너뜨려진다. 추가의 구현예는 인터로킹 층들의 2개의 부분을 갖는 예비성형체에 관한 것이다. 추가의 구현예는, 접혀서 T-예비성형체를 형성하는 인터로킹 층들의 2개의 부분을 가지며, 접힌 인터로킹 층들의 2개의 부분 사이에 형성된 틈 안으로 무너뜨려진 비제직된 경사 섬유를 갖는 예비성형체에 관한 것이다.
인터로킹하는 일체로 제직된 층들의 2개의 부분의 접힌 부분의 표면은 실질적으로 동일평면상일 수 있다. 경사 및 위사 섬유 또는 실은 비제한적으로 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드 및 폴리에틸렌과 같은 임의의 적합한 재료로부터 제조될 수 있다. 예비성형체는 매트릭스 재료에 의해 함침된 복합재의 형태일 수 있다. 매트릭스 재료는, 틈의 상부 표면이 인터로킹 층들의 2개의 부분의 접힌 부분과 실질적으로 동일평면상이도록, 틈을 포함하여 전체 구조체를 채울 수 있다. 매트릭스 재료는 비제한적으로 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹 및 탄소와 같은 임의의 적합한 재료일 수 있다.
본 개시의 또 다른 구현예는 복수의 일체로 제직된 층들을 갖는 3차원 (3D) 제직 예비성형체의 형성 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 위사 섬유와 제직되지 않은 경사 섬유를 갖는 예비성형체의 제1 구역의 제1 부분을 형성하는 단계, 제1 부분의 제1 측면 상의 1개 이상의 층으로 교직된 경사 및 위사 섬유를 갖는 예비성형체의 제1 구역의 제2 부분을 형성하는 단계, 및 제1 부분의 대향 측면 상의 1개 이상의 층들로 교직된 경사 및 위사 섬유를 갖는 제1 구역의 제3 부분을 형성하는 단계를 포함한다. 이어서, 상기 방법은 제2 및 제3 부분을 접어서 예비성형체의 형상을 형성하는 단계, 및 비제직된 섬유를 제2 및 제3 부분 사이에 형성된 틈 안으로 무너뜨리는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제1 구역의 경사 및 위사 섬유를 층들로 일체로 제직함으로써 예비성형체의 제2 구역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 제2 구역에서 제1, 제2 및 제3 부분의 층들을 함께 일체로 제직하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 추가의 구현예는 복수의 제직된 층들을 갖는 3차원 (3D) 제직 예비성형체의 형성 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 경사 및 위사 섬유를 갖는 제1 세로 구역을, 적어도 그 일부가 인터로킹된 층들로 제직하는 단계, 제2 세로 구역을 일체로 제직하는 단계로서, 상기 제2 세로 구역은 2개 이상의 부분 및 비제직된 경사 섬유의 1개 이상의 부분을 갖고, 상기 2개 이상의 부분의 각각은 인터로킹 층들의 경사 및 위사 섬유를 포함하는, 단계, 및 인터로킹 층들의 부분 사이에 비제직된 부분을 위치시키는 단계, 인터로킹 층들의 2개 이상의 부분을 접어서 인터로킹 층들의 상기 접힌 부분 사이에 1개 이상의 틈을 형성하는 단계, 및 비제직된 부분을 형성된 틈 안으로 무너뜨리는 단계를 포함한다. 상기 방법은 인터로킹 층들의 2개의 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 인터로킹 층들의 2개의 부분을 접어서 T-예비성형체를 형성하는 단계 및 비제직된 섬유를 접힌 인터로킹 층들의 2개의 부분 사이의 틈 안으로 무너뜨리는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 실질적으로 동일평면상인 인터로킹 층들의 2개의 부분의 접힌 부분의 표면을 만드는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 비제한적으로 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드 및 폴리에틸렌을 포함하는 임의의 적합한 재료로부터 제조된 경사 및 위사 섬유 또는 실을 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 구현예는 복합재의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 2개의 팔 및 그 사이의 틈을 갖는 3D 제직 예비성형체 구조체의 제조 방법을 포함하고, 상기 틈은 제직 예비성형체에 일체인 재료로 채워지며, 매트릭스 재료를 예비성형체 내로 함침시킴으로써 채워진다. 상기 방법은, 틈의 상부 표면이 인터로킹 층들의 2개의 부분의 접힌 부분과 실질적으로 동일평면상이도록, 형성된 틈을 포함하여 전체 구조체를 매트릭스 재료로 채우는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 비제한적으로 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹 및 탄소를 포함하는 임의의 매트릭스 재료를 이용할 수 있다.
본 개시의 또 다른 구현예는 3D 제직 예비성형체의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상부 단부 및 하부 단부 둘 모두에서 임의의 이전의 예비성형체를 재단하는 단계 및 상부 단부 및 하부 단부를 적어도 3개의 구역으로 분리하는 단계로 이루어진다.
도 3a 내지 3b는 H-형상 (또는 I-형상)의 예비성형체(300)로 형성된 3D 제직 예비성형체에 관한 본 개시의 일 구현예를 도시한다. H-형상의 예비성형체는, 3D 제직 예비성형체(350)의 제1 단부 부분 (350a) 및 제2 단부 부분(350b) 둘 모두가 적어도 3개의 구역으로 각각 분리된 앞서 기재된 임의의 예비성형체로 이루어진다. 제1 단부 부분(350a)은 구역(310a, 312a, 314a)으로 분리되며, 제2 단부 부분(350b)은 구역(310b, 312b 및 314b)으로 분리된다. 본원에 상술한 바와 같이, 각각의 제1 및 제2 단부 부분은 뒤집어 접혀서(folded over) 그들 사이에 각각의 클레비스 또는 틈(370a, 370b)을 형성한다. 비제직된 중앙 부분(310a, 310b)의 섬유(360a, 360b)는 틈(370a, 370b) 안으로 무너뜨려져서, 실질적으로 평행한 평면상 표면을 형성한다. 틈(320)은 형성된 H-예비성형체로부터 기인한다. 예비성형체는 본원에서 논의된 바와 같이 함침될 수 있다. 틈(320)은, 예를 들어 패널(330), 유리, 플렉시글라스(plexiglass) 또는 다른 물체를 장착(mounting)하기 위해 사용될 수 있다.
대안적으로, H-형상 (또는 I-형상)의 예비성형체(300)는 2개의 T-예비성형체(310a, 310b)로부터 형성될 수 있다. 이러한 구현예에서, T-예비성형체(310a, 310b)는 지점(380)에서, 이들의 베이스에서 연결된다. 결합 등과 같은, 통상의 기술자에게 공지되어 있는 T-예비성형체를 연결하는 임의의 방법이 사용될 수 있다.
도 4는 파이-형상의 예비성형체(400)로 형성된 3D 제직 예비성형체에 관한 본 개시의 일 구현예를 도시한다. 이러한 구현예에서, 2개의 T-예비성형체(410a, 410b)는 본원에서 상기 논의된 임의의 방법에 의해 제직된다. 본원에 상술한 바와 같이, 각각의 제1 단부 부분(450a, 450b)은 뒤집어 접혀서 그들 사이에 각각의 틈(470a, 470b)을 형성한다. T-예비성형체(410a, 410b)는 서로 인접하게 배치되어, 이에 의해 이들 사이에 클레비스 또는 틈(420)을 갖는 파이-예비성형체(400)를 형성할 수 있다. T-예비성형체는 위치(480)에서 임의의 공지되어 있는 방법에 의해 각각의 플랜지 단부(490a, 490b)에서 함께 연결될 수 있다. 비제직된 중앙 부분의 섬유(460a, 460b)는 틈(470a, 470b) 안으로 무너뜨려져서, 생성되는 파이-예비성형체의 상부 표면을 따라 실질적으로 평행한 평면상 표면을 형성한다. 클레비스 또는 틈(420)은 형성된 파이-예비성형체로부터 기인한다. 예비성형체는 본원에서 논의된 바와 같이 함침될 수 있다. 틈(420)은, 예를 들어 패널(430), 유리, 플렉시글라스 또는 다른 물체를 장착하기 위해 사용될 수 있다.
본 개시의 또 다른 구현예는 3D 제직 예비성형체의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 서로 인접한 2개의 이전의 예비성형체를 제직하여 이들 사이에 클레비스를 형성하는 단계로 이루어진다.
본 개시의 일 구현예는, 3D 제직 예비성형체의 상부 단부가 적어도 3개의 구역으로 분리되며, 3D 제직 예비성형체의 하부 단부가 예비성형체가 파이-형상 ("π")이 되도록 제직된 임의의 이전의 예비성형체로 이루어진 3D 제직 예비성형체에 관한 것이다.
본 개시의 또 다른 구현예는 3D 제직 예비성형체의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 3D 제직 예비성형체의 상부 단부 둘 모두에서 임의의 이전의 예비성형체를 재단하여 상부 단부를 적어도 3개의 구역으로 분리하는 단계 및 3D 제직 예비성형체의 하부 단부를 예비성형체가 파이-형상 ("π")이 되도록 제직하는 단계로 이루어진다.
다른 구현예는 하기 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (36)

  1. 복수의 제직된 층들을 갖는 3차원 (3D) 제직 예비성형체(woven preform)로서,
    일체로(integrally) 제직된 층들을 포함하는 상기 3D 제직 예비성형체의 베이스(base) 구역;
    적어도 1개의 중간 구역;
    일체로 제직된 층들을 포함하는 적어도 2개의 외부 구역을 포함하는 적어도 3개의 구역으로 분리된 상기 3D 제직 예비성형체의 베이스 구역의 적어도 1개의 단부 부분을 포함하며;
    상기 적어도 2개의 외부 구역은 접혀서 상기 3D 제직 예비성형체의 형상을 형성하고, 상기 적어도 1개의 중간 구역은 상기 적어도 2개의 외부 구역 사이에 형성된 틈(gap) 안으로 압축되거나 또는 무너뜨려진(crumpled) 것인, 3차원 (3D) 제직 예비성형체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 3개의 구역이 상기 베이스의 적어도 1개의 부분을 재단(cut)함으로써 형성되는 3D 제직 예비성형체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 3개의 구역이 상기 베이스의 적어도 1개의 단부 부분을 제직함으로써 형성되는 3D 제직 예비성형체.
  4. 제1항에 있어서, 접결 위사(binder picks)를 사용하여 상기 3D 제직 예비성형체를 제직하며, 이는 상기 베이스의 적어도 1개의 단부 부분의 측면에서 생략되어, 상기 3D 제직 예비성형체의 개별 팔(arm)들이 개방되게 접히는 경우 이분화 가지(bifurcation)가 형성되도록 하는 3D 제직 예비성형체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 중간 구역이 1개 이상의 독립적으로 제직된 층들을 포함하는 3D 제직 예비성형체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 중간 구역이 2개 이상의 일체로 제직된 층들을 포함하는 3D 제직 예비성형체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 중간 구역이 위사 섬유와 제직되지 않은 경사 섬유를 포함하는 3D 제직 예비성형체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 외부 구역이 접혀서 T-예비성형체를 형성하는 3D 제직 예비성형체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 접힌 적어도 2개의 외부 구역이 실질적으로 동일평면상의 상부 표면을 형성하는 3D 제직 예비성형체.
  10. 제9항에 있어서, 매트릭스 재료가 상기 틈을 채워서 상기 틈의 상부 표면이 상기 접힌 적어도 2개의 외부 구역과 실질적으로 동일평면상인 3D 제직 예비성형체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 매트릭스 재료가 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 3D 제직 예비성형체.
  12. 제1항에 있어서, 적어도 2개의 3D 제직 예비성형체의 적어도 2개의 인접한 측면들이 이들의 베이스 사이에 틈을 형성하도록 상기 적어도 2개의 상기 3D 제직 예비성형체가 나란히 고정된 3D 제직 예비성형체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 적어도 2개의 3D 제직 예비성형체 베이스들 사이에 형성된 상기 틈 사이에 패널이 삽입된 3D 제직 예비성형체.
  14. 제12항에 있어서, 상기 적어도 2개의 3D 제직 예비성형체가, T-예비성형체들 사이에 클레비스(clevis)를 형성하도록 함께 제직된 T-예비성형체인 3D 제직 예비성형체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 3D 제직 예비성형체의 제1 단부 및 제2 단부 둘 모두가 적어도 3개의 구역으로 분리된 3D 제직 예비성형체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 3D 제직 예비성형체의 제1 단부 부분이 적어도 3개의 구역으로 분리되며, 상기 3D 제직 예비성형체의 제2 단부 부분이 상기 3D 제직 예비성형체가 파이-형상 ("π")이도록 제직된 3D 제직 예비성형체.
  17. 제1항에 있어서, 경사 및 위사 섬유 또는 실(yarns)이 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 제조된 3D 제직 예비성형체.
  18. 제1항에 따른 3D 제직 예비성형체; 및
    상기 3D 제직 예비성형체를 함침하는 매트릭스 재료
    를 포함하는 복합재.
  19. 복수의 제직된 층들을 갖는 3차원 (3D) 제직 예비성형체의 형성 방법으로서,
    일체로 제직된 층들을 갖는 베이스의 제1 부분을 형성하는 단계; 및
    적어도 1개의 중간 구역; 및
    일체로 제직된 층들을 갖는 적어도 2개의 외부 구역을 포함하는 적어도 3개의 구역을 갖는 상기 베이스의 적어도 1개의 단부 부분을 형성하는 단계; 및
    상기 적어도 2개의 외부 구역을 접어서 상기 3D 제직 예비성형체의 형상을 형성하는 단계; 및
    상기 적어도 1개의 중간 구역을 상기 적어도 2개의 외부 구역 사이에 형성된 틈 안으로 압축하거나 또는 무너뜨리는 단계를 포함하는, 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 적어도 3개의 구역이 L 축을 따라 상기 3D 제직 예비성형체의 제2 부분을 재단함으로써 형성되는 형성 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 적어도 3개의 구역이 상기 베이스의 제2 부분을 제직함으로써 형성되는 형성 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 3D 제직 예비성형체를 제직하는 데 접결 위사를 사용하며, 상기 베이스의 제2 부분의 측면에서 접결 위사를 생략하여 상기 3D 제직 예비성형체의 개별 팔들이 개방되게 접히는 경우 이분화 가지가 형성되도록 함으로써 상기 적어도 3개의 구역을 형성하는 형성 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 적어도 1개의 중간 구역의 1개 이상의 층들이 독립적으로 제직되는 형성 방법.
  24. 제19항에 있어서, 상기 적어도 1개의 중간 구역의 2개 이상의 층들이 일체로 제직되는 형성 방법.
  25. 제19항에 있어서, 상기 적어도 1개의 중간 구역이 위사 섬유와 제직되지 않은 경사 섬유를 포함하는 형성 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 외부 구역을 접어서 T-예비성형체를 형성하는 단계; 및
    비제직된 섬유를 상기 적어도 2개의 외부 구역 사이의 틈 안으로 압축하거나 또는 무너뜨리는 단계를 포함하는 형성 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 적어도 2개의 외부 구역의 접힌 부분의 표면이 실질적으로 동일평면상인 형성 방법.
  28. 제19항에 있어서, 적어도 2개의 3D 제직 예비성형체의 적어도 2개의 인접한 측면들이 이들의 베이스 사이에 클레비스를 형성하도록 상기 적어도 2개의 상기 3D 제직 예비성형체가 나란히 고정되는 형성 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 적어도 2개의 3D 제직 예비성형체 베이스 사이에 형성된 상기 클레비스 사이에 패널이 삽입되는 형성 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 적어도 2개의 3D 제직 예비성형체가 파이-형상 ("π")으로 형성되는 형성 방법.
  31. 제19항에 있어서, 상기 3D 제직 예비성형체의 상부 단부 및 하부 단부 둘 모두가 적어도 3개의 구역으로 분리되는 형성 방법.
  32. 제19항에 있어서, 상기 3D 제직 예비성형체의 제1 단부 부분이 적어도 3개의 구역으로 분리되며, 상기 3D 제직 예비성형체의 제2 단부 부분이 상기 3D 제직 예비성형체가 파이-형상 ("π")이도록 제직되는 형성 방법.
  33. 제19항에 있어서, 경사 및 위사 섬유 또는 실이 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 제조된 형성 방법.
  34. 복합재의 제조 방법으로서,
    제19항에 따른 형성 방법에 따라 3D 제직 예비성형체를 형성하는 단계; 및
    상기 3D 제직 예비성형체를 매트릭스 재료로 함침하는 단계를 포함하는, 제조 방법.
  35. 제27항에 있어서, 상기 틈의 상부 표면이 상기 적어도 2개의 외부 구역의 접힌 부분과 실질적으로 동일평면상이도록 매트릭스 재료가 상기 틈 내에 채워지는 제조 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 매트릭스 재료가 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 제조 방법.
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