KR102112378B1 - 컨벡스 레이디어스들 위에서의 복합재 테이프 라미네이션 방법 - Google Patents

컨벡스 레이디어스들 위에서의 복합재 테이프 라미네이션 방법 Download PDF

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Abstract

압착 롤러(22)를 갖는 테이프 라미네이팅 기계(12)가 컨벡스 레이디어스(40)를 갖는 서브스트레이트 위에서 복합재 테이프(26)를 레이업한다. 압착 롤러는 컨벡스 레이디어스 위에서 이동할 때 테이프를 접으면서, 동시에 컨벡스 레이디어스 바로 앞에서 놓인 테이프를 압착 롤러가 들어 올리는 것을 방지하기 위하여 테이프의 트레일링 엣지 둘레로 선회한다.

Description

컨벡스 레이디어스들 위에서의 복합재 테이프 라미네이션 방법{METHOD OF COMPOSITE TAPE LAMINATION OVER CONVEX RADII}
본 발명은 대략적으로는 섬유 강화 복합재 라미네이트(fiber reinforced composite laminate)들의 제작에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 컨벡스 레이디어스들(convex radii)을 갖는 모서리들 위에서 복합재 테이프를 라미네이팅(laminating)하는 방법을 다룬다.
자동차, 해양, 및 항공우주 산업들에서 이용되는 것과 같은 복합재 라미네이트 구조물(composite laminate structur)들은 자동화된 섬유 배치(automated fiber placement: AFP) 기계들이라고 흔히 지칭되는, 자동화된 복합재 재료 적용 기계(automated composite material application machine)들을 이용해서 제작될 수 있다. AFP 기계들은, 예를 들어, 더 넓은 밴드(band)로 콜리메이트되는(collimated) "토우(tow)들"이라고 알려진 가늘고 긴(slit) 프리프레그 테이프(prepreg tape)의 상대적으로 좁은 스트립(strip)들을 제조 툴(manufacturing tool) 또는 다른 서브스트레이트(substrate) 둘레로 둘러쌈으로써(wrapping) 구조 부재(structural member)들 및 스킨 조립체(skin assembly)들을 제작하기 위하여 항공기 산업에서 이용될 수 있다. AFP 기계들은, 수치 제어 하에서 "그때그때 봐 가며(on-the-fly)", 전형적으로는 6개 이상의 테이프 스트립들을 정렬하고(align), 컷팅하고(cut), 배치하는(place) 복수의 테이프 제어 모듈(tape control module)들을 포함하는 재료 적용 헤드(material application head)를 가진다. 테이프 스트립(tape strip)들은 압착 롤러(compaction roller) 또는 슈(shoe)와 같은 압착 장치를 이용해서 툴에 대해 압착되는 단일한 넓은 컨포멀 밴드폭(conformal bandwidth)을 형성하는 연속적인, 엣지와 엣지가 맞닿은 접촉(edge-to-edge contact)을 이루도록 정렬된다.
라미네이트 구조물을 형성하는 플라이(ply)들은 0°, 45°, 및 90° 플라이들과 같이 상이한 섬유 지향(fiber orientation)들을 갖는 플라이들로 구성될 수 있는데, 여기서 각각의 플라이는 AFP 기계에 의해 배치된 테이프 스트립들의 컨포멀 밴드폭의 복수의 코오스(course)들에 의하여 형성된다. 몇몇 경우들에 있어서, 부품의 형상에 따라서, 서브스트레이트(예컨대, 툴)는 하나 이상의 레이디어스 모서리(radius edge)들을 가질 수 있고, 이 위로 테이프 스트립들이 적용되고 압착되어야 한다. 하지만, 때때로, 90°컨벡스 레이디어스와 같이 상대적으로 샤프한(sharp) 컨벡스 레이디어스를 갖는 모서리 위에 45°각도와 같은 각도를 이루어 테이프 스트립들을 적용할 필요가 있다는 문제가 존재한다. 압착 장치가 각도를 이루어(at an angle) 레이디어스 모서리 위에서 움직일 때, 레이디어스 모서리 앞에서 방금 놓인(just laid) 테이프 스트립들의 컨포멀 밴드폭의 트레일링 엣지(trailing edge)는 레이디어스 모서리 위에서의 압착 장치의 지속된 움직임(movement)에 의해 서브스트레이트로부터 들어 올려져 버릴 수 있고, 그 결과, 플라이들에서 보이드(voids)들 또는 주름(wrinkle)들을 초래할 수 있으며, 이것은 완성된 구조물의 품질에 불리하게 영향을 줄 수 있다.
따라서, 배치 및 압착된 후에 테이프를 들어 올림(lifting)으로써 초래되는 플라이들에서의 보이드들 또는 주름들을 감소시키거나 제거하는, 컨벡스 레이디어스 모서리들 위에서 복합재 테이프를 라미네이팅하는 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예들은 상대적으로 샤프한 컨벡스 레이디어스 모서리 위에서 복합재 테이프를 라미네이팅하는 방법을 제공하고, 여기서 테이프는 레이디어스 모서리에 대해 45°각도와 같은 각도를 형성하는 섬유 지향을 가지고 적용된다. 본 방법은 압착 롤러가 레이디어스 모서리 위에서 트래버싱할(traverse) 때 레이디어스 모서리를 갖는 서브스트레이트로부터 방금 놓인(just-laid) 테이프가 들어 올려지는 것을 감소시키거나 제거한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 서브스트레이트 상에서 컨벡스 레이디어스 모서리 위에 복합재 테이프를 라미네이팅하는 방법이 제공된다. 본 방법은 서브스트레이트 위에서 컨벡스 레이디어스 모서리를 향하여 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계, 및 서브스트레이트에 대해 테이프 스트립들을 압착하기 위하여 압착 장치를 이용하는 것을 포함하여, 재료 배치 헤드가 서브스트레이트 위에서 이동하고 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 서브스트레이트 상에 복합재 테이프 스트립들의 밴드폭을 배치하는 단계를 포함한다. 본 방법은 컨벡스 레이디어스 모서리와 접촉하는 밴드폭의 트레일링 엣지(trailing edge) 둘레로 압착 장치를 선회시킴으로써 컨벡스 레이디어스 모서리 근처에 놓인 테이프 스트립들을 압착 장치가 들어 올리는 것(lifting off)을 방지하는 단계를 더 포함한다. 본 방법은 또한 재료 배치 헤드가 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 테이프 스트립들의 밴드폭을 접는 단계를 포함한다. 압착 장치는 종축(longitudinal axis) 및 압착 장치의 하나의 말단에서 종축을 따라 존재하는 툴 중심점(tool center point)을 가지고, 테이프 스트립들의 밴드폭의 트레일링 엣지 둘레로 압착 장치를 선회시키는 것은 툴 중심점 둘레로 압착 장치를 선회시키는 것을 포함한다. 테이프 스트립들의 밴드폭을 배치하는 것은 복수의 테이프 스트립들을 나란히 서브스트레이트 상에 배치하는 것을 포함하고, 압착 장치를 선회시키는 것은 밴드폭의 엣지 근처의 테이프 스트립들 중의 하나를 따라 존재하는 점에서 압착 장치를 선회시키는 것을 포함한다. 압착 장치를 선회시키는 것은 재료 배치 헤드가 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 수행된다. 압착 장치는 컨벡스 레이디어스 모서리로부터 각도적으로 오프셋된(angularly offset) 회전축을 갖는 압착 롤러일 수 있다. 하나의 실시예에서, 압착 롤러의 회전축은 컨벡스 레이디어스 모서리로부터 약 45°만큼 각도적으로 오프셋된다. 압착 장치와 서브스트레이트 사이의 접촉은 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로의 재료 배치 헤드의 움직임을 통하여 유지된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 레이디어스 모서리(radius edge)에 의해 이어진(connected) 두 개의 표면들을 갖는 서브스트레이트(substrate) 상에 프리프레그 섬유(prepreg fiber)들을 배치하는(laying down) 방법이 제공된다. 본 방법은 레이디어스 모서리에 대해 각도를 이루어(at an angle) 제1 서브스트레이트 표면을 가로질러(across) 복합재 재료 배치 헤드(material placement head)를 이동시키는 단계, 및 프리프레그 섬유들의 밴드폭(bandwidth)을 제1 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계를 포함한다. 본 방법은 제1 서브스트레이트 표면에서부터 제2 서브스트레이트 표면으로 레이디어스 모서리 둘레로 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계, 및 재료 배치 헤드가 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 프리프레그 섬유들의 밴드폭의 하나의 엣지(edge) 근처의 점(point) 둘레로 재료 배치 헤드를 선회시키는(pivoting) 단계를 더 포함한다. 본 방법은 레이디어스 모서리에 대해 각도를 이루어 레이디어스 모서리로부터 제2 서브스트레이트 표면을 가로질러 재료 섬유 배치 헤드를 이동시키는 단계, 및 프리프레그 섬유들의 밴드폭을 제2 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 프리프레그 섬유들의 밴드폭을 제1 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계는, 서로 나란히(side-by-side), 엣지와 엣지가 맞닿은 접촉(edge-to-edge contact)을 이루도록 섬유 토우들의 스트립(strip)들을 배치하는 단계, 및 섬유 토우들의 스트립들을 압착하는 단계를 포함한다. 점(point) 둘레로 재료 배치 헤드가 선회되되, 점(point)은 프리프레그 섬유들의 밴드폭의 하나의 엣지에 가까운 섬유 토우들의 스트립들 중의 하나 안에 위치해 있다. 섬유 토우들의 스트립들을 압착하는 것은 압착 롤러(compaction roller)를 이용해서 수행되고, 재료 배치 헤드를 선회시키는 것은 압착 롤러의 하나의 말단(end)에 가까이 있는 툴 중심점 둘레로 압착 롤러를 선회시키는 것을 포함한다. 본 방법은 재료 배치 헤드가 제1 서브스트레이트 표면에서부터 제2 서브스트레이트 표면으로 레이디어스 모서리 둘레로 이동될 때 프리프레그 섬유들의 밴드폭을 접는 것(folding)을 더 포함한다. 레이디어스 모서리에 대한 재료 배치 헤드의 움직임의 각도는 약 45°일 수 있다.
또 다른 실시예에 따라서, 압착 롤러를 가지는 재료 배치 헤드를 이용하여 컨벡스 레이디어스 위에서 복합재 토우들을 라미네이팅하는 방법이 제공된다. 본 방법은 복합재 토우들이 복합재 토우들이 컨벡스 레이디어스 위에서 밴드폭 내에 라미네이팅되고 있을 때 컨벡스 레이디어스 둘레로 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 재료 배치 헤드가 컨벡스 레이디어스 둘레로 이동을 시작하기 바로 전에 놓인 토우들을 압착 롤러가 들어 올리는 것을 방지하는, 밴드폭을 가로지르는(across) 위치에서 압착 롤러를 선회시키는 단계를 더 포함한다. 본 방법은 또한 압착 롤러가 컨벡스 레이디어스 둘레로 이동할 때 프리프레그 토우들의 밴드폭을 접는 단계를 포함한다. 밴드폭을 가로지르는 위치 둘레로 압착 롤러가 선회하되, 밴드폭을 가로지르는 위치는 밴드폭의 트레일링 엣지를 따라서 중앙 토우(center tow)와 마지막 토우(last tow) 사이에 존재한다.
추가적인 실시예에 따라서, 압착 롤러를 갖는 테이프 라미네이팅 기계(tape laminating machine)를 이용하여 컨벡스 레이디어스 위에서 복합재 테이프를 라미네이팅하는 방법이 제공된다. 본 방법은 서브스트레이트 위에서 경로를 따라 이동하도록 테이프 라미네이팅 기계를 프로그래밍하는(programming) 단계, 및 압착 롤러에게 경로를 따라서 이동하고 컨벡스 레이디어스와 접촉하는 테이프의 트레일링 엣지 둘레로 선회하도록 지시해서(directing), 컨벡스 레이디어스 바로 앞에서 놓인 테이프를 압착 롤러가 들어 올리는 것을 방지하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 압착 롤러가 컨벡스 레이디어스 위에서 이동할 때 테이프를 접는 단계를 포함한다. 본 방법은 컨벡스 레이디어스를 갖는 복합재 레이업(composite layup)을 디지털적으로 정의하는 단계, 및 디지털적으로 정의된 레이업의 플라이(ply)들을 레이아웃(layout)하도록 테이프 라미네이팅 기계를 이용하는 단계;를 더 포함한다. 테이프 라미네이팅 기계는 테이프 라미네이팅 기계가 0°, 45°, 및 90° 섬유 지향들을 각각 갖는 플라이들을 레이업하기 위한 수정된(modified) 경로를 따라서 이동하도록 프로그램될 수 있다. 경로를 따라서 이동하고 테이프의 트레일링 엣지 둘레로 선회하도록 압착 롤러에게 지시하는 것은 압착 롤러가 컨벡스 레이디어스 위에서 이동할 때 테이프를 접으면서 수행된다.
도 1은 컨벡스 레이디어스 모서리를 갖는 서브스트레이트 위에 복합재 테이프를 배치하는(laying down) 테이프 라미네이팅 기계의 투시도의 도면이다.
도 2는 선행기술의 방법을 이용해서 컨벡스 레이디어스 모서리 위에 배치되고 있는 컨포멀 밴드폭의 정면도의 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 서브스트레이트의 도면으로서, 선행기술의 방법을 이용할 때 서브스트레이트로부터 떼어지는(pulled away) 밴드폭의 한 영역을 도시한다.
도 4는 도 3과 유사한 도면이되, 선행기술의 방법을 이용해서 레이디어스 모서리 둘레로 테이프의 밴드폭을 접는 압착 또는 롤러를 도시한다.
도 5는 컨벡스 레이디어스 모서리 위에 복합재 테이프를 라미네이팅하는 방법의 흐름도의 도면이다.
도 6은 도 2와 유사한 정면도의 도면이되, 수정된 툴 중심점(modified tool center point)을 도시하고, 레이디어스 모서리가 압착 롤러에 의해 트래버싱될(traversed) 때 압착 롤러는 수정된 툴 중심점 둘레로 선회된다.
도 7은 본 발명의 방법에 따라서, 레이디어스 모서리 위에서 트래버싱하기 시작하는 압착 롤러의 투시도의 도면이다.
도 8은 도 7과 유사한 도면이되, 컨포멀 밴드폭의 트레일링 엣지에서, 수정된 툴 중심점 둘레로 선회되는 압착 롤러를 도시한다.
도 9는, 압착 롤러가 각도를 이루어 레이디어스 모서리를 트래버싱할 때 압착 롤러를 회전시키는 본 발명의 기술을 채용하는, 복합재 부품을 레이업하는(laying up) 방법의 전체 흐름도의 도면이다.
도 10은 항공기 제조 및 서비스 방법의 흐름도의 도면이다.
도 11은 항공기의 블록도의 도면이다.
예시적인 실시예들의 특성이라고 여겨지는 신규한 특징들이 첨부된 청구항들에서 제시된다. 하지만, 예시적인 실시예들뿐만 아니라 바람직한 사용 모드, 추가적인 목적들, 및 그 이점들은 본 발명의 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명을 참조하여 첨부 도면들과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 것이다.
도 1을 참조하면, 자동화 섬유 배치(AFP) 기계(12)는 재료 배치 헤드(material placement head)(20)를 포함하고, 이것의 움직임은 적용(application)을 위해서 적합한 로봇(robot)(14)에 의해 제어될 수 있다. 재료 배치 헤드(20)의 기능들뿐만 아니라 로봇(14)은 컨트롤러(controller)(16)에 의해 제어될 수 있고, 컨트롤러(16)는 제한 없이 CNC(computer numerically controlled) 컨트롤러 또는 하나 이상의 NC 프로그램들(18)을 채용하는 컴퓨터를 포함할 수 있다. 재료 배치 헤드(20)는 2008년 2월 27일에 출원된 미국 특허출원 제12/038,155호, 미국 특허 제7,213,629호, 및 2007년 2월 8일에 공개된 미국 특허출원공개공보 제20070029030호에서 설명된 것들과 유사할 수 있고, 그 전체 내용들은 본 명세서의 이 부분에서 참조에 의해 통합된다(incorporated by reference). 재료 배치 헤드(20)는 재료 공급 시스템(material supply system)(도시되지 않음) 및 복수의 테이프 제어 모듈들(도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 이들은 리쓰레드 메카니즘(rethread mechanism)들, 재료 가이드(material guide)들, 및 재료 커팅 메카니즘(material cutting mechanism)들을 포함할 수 있고, 모두 도시되지는 않으나 본 기술분야에서 잘 알려져 있다.
재료 배치 헤드(20)는 컨포멀 밴드폭(24)을 공급(feed)(25)하는데, 본 명세서에서 컨포멀 밴드폭(24)은 때때로, 압착 롤러(22)와 같은 압착 장치와 서브스트레이트(34)와의 사이의 닙(nip)(45)에 대한, 테이프 스트립들의 형태의 복합재 테이프 스트립들(26), 프리프레그 토우들, 또는 다른 로빙(roving)들의 테이프 밴드폭(24)이라고도 지칭되고, 서브스트레이트(34)는 복합재 재료의 사전에 적층된 플라이(previously laid ply) 또는 툴을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "테이프 스트립들(tape strips)"은 강화(reinforced) 스트립들과 강화 플라스틱(reinforced plastic) 스트립들, 프리프레그 테이프들, 토우들, 및 다른 로빙들을 포함하는 것으로 의도되고, "밴드폭(bandwidth)" 및 "컨포멀 밴드폭(conformal bandwidth)"은 서로 연속해서 나란히(side-by-side), 실질적으로 엣지와 엣지가 맞닿은 접촉을 이루도록 배열된 복수의 테이프 스트립들을 포함하는 것으로 의도된다. 슈(shoe)와 같은 다른 압착 장치들이 서브스트레이트(34) 상으로 컨포멀 밴드폭(24)을 배치하는 데에 이용될 수 있다. 압착 롤러(22)는 원통형 형상이고, 툴 중심점(tool center point)(30)뿐만 아니라 회전축(32)을 가진다. 재료 배치 헤드(20)는 서브스트레이트(34) 위에서 압착 롤러(22)를 이동시키고, 서브스트레이트(34) 상으로 컨포멀 밴드폭(24)을 압착시킨다. 서브스트레이트(34) 위에서 재료 배치 헤드(20)의 각각의 지나감(pass)은 테이프 스트립들(26)의 코오스가 컨포멀 밴드폭(24)을 형성하는 배치(placement)를 초래하고, 재료 배치 헤드(20)의 복수의 지나감(pass)들은 복합재 재료의 플라이들(도시되지 않음)이 서브스트레이트(34)에 대해서 적층되고 압착되는 형성(formation)을 초래한다.
서브스트레이트(34)는 컨벡스 레이디어스 모서리(convex radius edge)(40)를 따라서 함께 이어진(connected) 평행하지 않은(non-parallel) 서브스트레이트 표면(surface)들(36, 38)을 가질 수 있다. 재료 배치 헤드(20)는 XYZ 좌표계(43)에서의 수평축 또는 Z 축에 대응하는 기준축(reference axis)(35)에 대해 0°, 45°, 및 90° 지향을 포함하되 이에 한정되지 않는 섬유 지향의 다양한 각도들로 테이프 스트립들(26)의 컨포멀 밴드폭(24)들의 코오스들을 배치할 수 있다. 도 1에서, 재료 배치 헤드(20)는 하나의 서브스트레이트 표면(36) 위에 스물 여섯 개의 테이프 스트립들의 밴드폭(24)을 부분적으로 배치했고, 예컨대 제한 없이 45°각도일 수 있는 각도 θ로 레이디어스 모서리(40)를 향하여 한 방향(a direction)(27)으로 이동하고 있다. 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 압착 롤러(22)는 테이프 코오스의 배치 동안, 서브스트레이트 표면(36)에서부터 레이디어스 모서리(40) 둘레로 위로 이동하고, 그리고 서브스트레이트 표면(38)을 가로질러(across) 이동한다.
이제, 도 2 내지 도 4에 주목해 보면, 도 2 내지 도 4는 컨벡스 레이디어스 모서리(40) 위에 컨포멀 밴드폭(24) 내의 복합재 테이프 스트립들(26)을 배치하는 선행기술의 방법을 도시한다. 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 압착 롤러(22)의 툴 중심점(30)은 압착 롤러(22)의 두 개의 말단(end)들 사이의 실질적으로 중간에 위치하고, 컨포멀 밴드폭(24) 내의 중앙 테이프 스트립(26a)의 중심선(42)을 따라 위치한다. 압착 롤러(22)는 각도 θ로 레이디어스 모서리(40)를 향해 이동하기 때문에, 툴 중심점(30)이 레이디어스 모서리(40)의 시작지점(beginning)에 도달할 때, 컨포멀 밴드폭(24)의 리딩 엣지(leading edge)(44)는 위로 이동해 올라가서 레이디어스 모서리(40) 위에서 이동하기 시작하고, 반면에 컨포멀 밴드폭(24)의 방금 놓인(just-laid) 트레일링 엣지(53)는 레이디어스 모서리(40) 아래에 남아 있다.
툴 중심점(30)이 레이디어스 모서리(40)에 도달할 때, 그것은 레이디어스 모서리(40)를 넘어서 서브스트레이트 표면(38) 상으로 이동해 올라가기 시작한다. 레이디어스 모서리(40) 위에서의 압착 롤러(22)의 이러한 움직임 동안, 압착 롤러(22)에 의해서 테이프 밴드폭(24)의 트레일링 엣지에 인가되는 압력은 감소되지만, 압착 압력은 테이프 밴드(24)의 리딩 엣지(44)에 계속해서 인가된다. 테이프 밴드폭(24)에 인가되는 압착 압력의 이러한 차이는 크로스해칭(crosshatching)(46)에 의해 표시되는 트레일링 엣지(31)를 따르는 테이프 밴드폭(24)의 영역이 서브스트레이트 표면(36)으로부터 뜨는 것(pull away)을 초래하고, 라이네이트 구조물의 잠재적인 보이드들 또는 주름을 낳는다. 도 4는 압착 롤러(22)가 레이디어스 모서리(40) 둘레로 트레버싱하고 서브스트레이트 표면(38) 상으로 테이프 밴드폭(24)을 압착하기 시작하는 것을 도시한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 테이프 밴드폭(24)이 레이디어스 모서리(40) 둘레에 적용되지만, 테이프 밴드폭(24)의 영역(46)은 서브스트레이트 표면(36)에 대해서 타이트하게(tightly) 압착되지 않는다.
이제, 도 5 내지 도 8에 주목해 보면, 도 5 내지 도 8은 컨벡스 레이디어스 모서리(40) 위에 복합재 테이프를 라미네이팅하는 방법을 대략적으로 도시하는데, 이 방법은 도 2 내지 도 4와 관련하여 상술한 바와 같은, 테이프 밴드폭(24)이 압착된 서브스트레이트 표면(36)으로부터 뜨는 것을 방지한다. 특히 도 5를 참조하면, 본 방법은 단계 50에서 시작하고, 여기서 예컨대 45° 테이프 코오스들이 45° 플라이를 형성하도록 배치되고 있을 때, 압착 롤러(22) 또는 유사한 압착 장치는 컨벡스 레이디어스 모서리(40)에 대해 각도 θ로 서브스트레이트 표면(36) 위에서 이동된다. 도 6 내지 8에서, 레이디어스 모서리(40)는 90° 반경(radius: 레이디어스)으로 도시되지만, 본 발명에 따른 방법은 다른 상대적으로 샤프한 각도들의 컨벡스 레이디어스 모서리들 위에 복합재 테이프를 라미네이팅하도록 채용될 수 있다는 점이 여기서 주목되어야 한다. 단계 52에서, 서브스트레이트 표면(36)에 대해 테이프를 압착하는 압착 롤러(22)에 복합재 프리프레그 테이프가 공급된다(fed). 단계 54에서, 압착 롤러(22)는 컨벡스 레이디어스 모서리(40) 위로 이동한다. 단계 56에서, 레이디어스 모서리(40) 아래의 방금 놓인 테이프가 서브스트레이트 표면(36)으로부터 뜨는 것을 방지하기 위하여 압착 롤러(22)가 테이프의 트레일링 엣지(31) 둘레로 회전된다.
도 7 및 도 8은 도 6에서 약술된 방법의 더욱 세부적인 사항들을 도시한다. 이 예에서, 압착 롤러(22)의 움직임들을 제어하기 위해 이용되는 NC 프로그램(18)(도 1)에 대한 수정(modification)들은 테이프 밴드폭(24)의 트레일링 엣지(31) 근처의, 30a으로 지정되는 위치까지 회전축(32)을 따라 툴 중심점(30)의 재배치(relocation)를 초래한다. 예를 들어, 툴 중심점(30)은 끝에서 두 번째(second-to-last) 테이프 스트립(26b)의 중심선(39)(도 6)과 정렬되거나 트레일링 엣지(31)를 따라서 존재하는 다른 점(point)들에서 정렬될 수 있다. 압착 롤러(22)의 수정된 툴 중심점(30a)이 쓰는 듯한(sweep-like) 벤딩(bending) 또는 와이핑(wiping) 모션으로 레이디어스 모서리(40) 둘레로 지나갈 때, 압착 롤러(22)는 또한 각도 Φ를 통해 Y축 둘레로 XZ 평면에서 선회한다(도 8). 압착 롤러(22)가 레이디어스 모서리(40) 둘레에서 계속될 때, 선회점(pivot point), 즉, 툴 중심점(30a)은 테이프 밴드폭(24)의 트레일링 엣지(31)의 근처에 위치해 있기 때문에, 방금 놓인 테이프 스트립들(26)을 서브스트레이트 표면(36)으로부터 뜨게 하는 경향이 있는, 트레일링 엣지(31)에서 테이프 스트립들(26)에 인가되는 힘은 최소화되거나 없어지게 된다. 대신, 레이디어스 모서리(40) 위에서 병진운동할(translate) 때 X축 및 Y축 양쪽 모두에 대한 압착 롤러(22)의 조정된(coordinated) 움직임들은 압착 롤러(22)가 레이디어스 모서리(40)를 완전히 트래버싱할 때까지 전체 테이프 밴드폭(24) 전체에 걸쳐서 압착 압력이 유지되는 것을 초래한다.
도 9는 도 5 내지 도 8과 관련하여 앞서 설명된 방법을 이용해서 복합재 라미네이트 부품들을 레이업하는 방법의 전체 다이어그램을 도시한다. 단계 58에서, 원하는 부품 레이업(part layup)이 예컨대 제한 없이 CAD 시스템(도시되지 않음)을 이용해서 디지털적으로 정의된다. 단계 60에서, AFP 기계의 작동 및 움직임들을 제어하기에 적합한 프로그램을 생성하기 위하여 NC 프로그래밍(programming)이 개시된다(initiated). 62에서, 45° 플라이들 상에서 압착 롤러 회전점(즉, 툴 중심점(30))을 쉬프트하도록(shift) NC 프로그래밍이 수정되고, 그래서 압착 롤러(22)가 레이디어스 모서리(40) 위로 이동할 때 툴 중심점(30a)이 테이프 밴드폭(24)의 트레일링 엣지(31) 근처에 존재한다. 64에서, 필요한 경로들 및 NC 경로들이 생성되고 이것은 재료 배치 헤드(20)의 움직임을 제어한다. 66에서, 부품 프로그램(part program)이 후처리되고(post-processed), 이것은 부품을 레이업하기 위해 이용되는 AFP 기계(12)의 NC 제어에 대해 이용하기 위하여 준비된다. 단계 68에서, AFP 기계(12)를 제어하기 위해서 이용되는 컨트롤러(16) 안으로 프로그램이 로딩되고, 이에 이어서 단계 70에서 부품이 레이업될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 잠재적인 애플리케이션들에서 용도를 발견할 수 있는데, 특히 예를 들어, 우주항공, 해양, 자동차 애플리케이션들, 및 복합재 부품들이 이용될 수 있는 다른 애플리케이션을 포함하는 운송 산업에서 용도를 발견할 수 있다. 그래서, 이제 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예들은 도 10에서 도시된 바와 같은 항공기 제작 및 서비스(aircraft manufacturing and service) 방법(72) 및 도 11에서 도시된 바와 같은 항공기(74)의 맥락에서 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들의 항공기 애플리케이션들은 예를 들어 제한 없이 빔(beam)들, 스파(spar)들, 및 스트링거(stringer)와 같은 스티프너 부재(stiffener member)들의 제작을 포함할 수 있고, 이는 몇 개만을 예로 든 것이며 이에 제한되지 않는다. 생산 전(pre-production) 동안, 예시적인 방법(72)은 항공기(74)의 사양 및 설계(specification and design)(76)와 자재 조달(material procurement)(78)을 포함할 수 있다. 생산(production) 동안, 항공기(74)의 구성요소 및 서브어셈블리 제조(component and subassembly manufacturing)(80)와 시스템 통합(system integration)이 일어난다. 그 이후에, 항공기(74)는 인증 및 인도(certification and delivery)(84)를 거쳐서 서비스 중(in service)(86)에 놓일 수 있다. 고객에 의해 서비스 중에 있는 동안, 항공기(74)는 일상적인 유지보수 및 점검(maintenance and service)(88)에 대한 스케줄이 잡히고, 이것은 변형(modification), 재구성(reconfiguration), 재단장(refurbishment) 등을 포함할 수 있다.
방법(72)의 프로세스들 각각은 시스템 통합자(system integrator), 써드 파티(third party), 및/또는 오퍼레이터(operator)(예컨대, 고객)에 의해서 실시되거나 수행될 수 있다. 이 설명의 목적을 위해서, 시스템 통합자는 제한 없이 임의의 수의 항공기 제조자들 및 메이저-시스템(major-system) 하청업자들을 포함할 수 있고; 써드 파티는 제한 없이 임의의 수의 판매자(vendor)들, 하청업자(subcontractor)들, 및 공급자(supplier)들을 포함할 수 있고; 오퍼레이터는 항공사(airline), 리스회사(leasing company), 군사 단체(military entity), 서비스 기구(service organization) 등일 수 있다.
도 11에서 도시된 바와 같이, 예시적인 방법(72)에 의해 제조된 항공기(74)는 복수의 시스템(92)을 가진 기체(airframe)(90) 및 내부(interior)(94)를 포함할 수 있다. 하이레벨 시스템(92)의 예들은 추진 시스템(propulsion system)(96), 전기 시스템(electrical system)(98), 유압 시스템(hydraulic system)(100), 및 환경 시스템(environmental system)(102) 중의 하나 이상을 포함한다. 임의의 수의 다른 시스템들이 포함될 수 있다. 항공우주적인 예가 도시되지만, 본 발명의 원리들은 해양 및 자동차 산업과 같은 다른 산업에 적용될 수 있다.
본 명세서에서 구체화된 시스템들 및 방법들은 제조 및 서비스 방법(72)의 단계들 중의 임의의 하나 이상 동안 채용될 수 있다. 예를 들어, 제조 프로세스(80)에 대응하는 구성요소들 또는 서브어셈블리들은 항공기(74)가 서비스 중인 동안 생산된 구성요소들 또는 서브어셈블리들과 유사한 방식으로 제작 또는 제조될 수 있다. 또한, 장치 실시예들, 방법 실시예들, 또는 이들의 조합 중의 하나 이상은 예를 들어, 항공기(74)의 조립을 현저하게 가속화시키거나 항공기(74)의 비용을 절감시킴으로써 제조 단계들(80 및 82) 동안 이용될 수 있다. 유사하게, 장치 실시예들, 방법 실시예들, 또는 이들의 조합 중의 하나 이상은 예를 들어 제한 없이 유지보수 및 점검(88)을 위하여 항공기(96)가 서비스 중인 동안 이용될 수 있다.
상이한 예시적인 실시예들의 설명이 도시 및 설명의 목적을 위해서 제시되었으며, 공개된 형태의 실시예들로 한정 또는 제한하려는 의도는 아니다. 여러 가지 변경들 및 변형들이 당해 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 나아가, 상이한 예시적인 실시예들은 다른 예시적인 실시예들과 비교하여 상이한 이점들을 제공할 수 있다. 선택된 실시예 또는 실시예들은 실시예들의 원리와 실용적인 애플리케이션을 가장 잘 설명하기 위하여 선택 및 설명되었고, 당해 기술분야의 통상의 기술자들이 심사숙고된 특정 사용에 적합한 다양한 변경들을 가진 다양한 실시예들에 대해서 본 공개를 이해하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 본 발명은 이하의 항목들에 따른 실시예들을 포함한다:
항목 1. 레이디어스 모서리(radius edge)에 의해 이어진(connected) 두 개의 표면들을 갖는 서브스트레이트(substrate) 상에 프리프레그 섬유(prepreg fiber)들을 배치하는(laying down) 방법으로서,
레이디어스 모서리에 대해 각도를 이루어 제1 서브스트레이트 표면을 가로질러(across) 재료 배치 헤드(material placement head)를 이동시키는 단계;
프리프레그 섬유들의 밴드폭(bandwidth)을 제1 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계;
제1 서브스트레이트 표면에서부터 제2 서브스트레이트 표면으로 레이디어스 모서리 둘레로 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계; 및
재료 배치 헤드가 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 프리프레그 섬유들의 밴드폭의 하나의 엣지(edge) 근처의 점(point) 둘레로 재료 배치 헤드를 선회시키는(pivoting) 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 2. 항목 1에 있어서,
레이디어스 모서리에 대해 각도를 이루어 레이디어스 모서리로부터 제2 서브스트레이트 표면을 가로질러 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계; 및
프리프레그 섬유들의 밴드폭을 제2 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 3. 항목 1에 있어서,
프리프레그 섬유들의 밴드폭을 제1 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계는:
서로 나란히(side-by-side), 엣지와 엣지가 맞닿은 접촉(edge-to-edge contact)을 이루도록 섬유 토우들의 스트립(strip)들을 배치하는 단계; 및
섬유 토우들의 스트립들을 압착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 4. 항목 3에 있어서,
점(point) 둘레로 재료 배치 헤드가 선회되되, 점(point)은 프리프레그 섬유들의 밴드폭의 하나의 엣지에 가까운 섬유 토우들의 스트립들 중의 하나 안에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 5. 항목 3에 있어서,
섬유 토우들의 스트립들을 압착하는 것은 압착 롤러(compaction roller)를 이용해서 수행되고,
재료 배치 헤드를 선회시키는 것은 압착 롤러의 하나의 말단(end)에 가까이 있는 툴 중심점(tool center point) 둘레로 압착 롤러를 선회시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 6. 항목 1에 있어서,
재료 배치 헤드가 제1 서브스트레이트 표면에서부터 제2 서브스트레이트 표면으로 레이디어스 모서리 둘레로 이동될 때 프리프레그 섬유들의 밴드폭을 접는 것(folding)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 7. 항목 1에 있어서,
레이디어스 모서리에 대한 재료 배치 헤드의 움직임의 각도는 약 45°인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 8. 서브스트레이트 상에서 컨벡스 레이디어스 모서리(convex radius edge) 위에 복합재 테이프를 라미네이팅(laminating)하는 방법으로서,
서브스트레이트 위에서 컨벡스 레이디어스 모서리를 향하여 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계;
서브스트레이트에 대해 복합재 테이프 스트립들을 압착하기 위하여 압착 장치를 이용하는 것을 포함하여, 재료 배치 헤드가 서브스트레이트 위에서 이동하고 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 서브스트레이트 상에 복합재 테이프 스트립들의 밴드폭을 배치하는 단계;
컨벡스 레이디어스 모서리와 접촉하는 밴드폭의 트레일링 엣지(trailing edge) 둘레로 압착 장치를 선회시킴으로써 컨벡스 레이디어스 모서리 근처에 놓인 복합재 테이프 스트립들을 압착 장치가 들어 올리는 것(lifting off)을 방지하는 단계; 및
재료 배치 헤드가 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 밴드폭을 접는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 9. 항목 8에 있어서,
압착 장치는 종축(longitudinal axis) 및 압착 장치의 하나의 말단에서 상기 종축을 따라 존재하는 툴 중심점(tool center point)을 가지고,
밴드폭의 트레일링 엣지 둘레로 압착 장치를 선회시키는 것은 툴 중심점 둘레로 압착 장치를 선회시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 10. 항목 8에 있어서,
테이프 스트립들의 밴드폭을 배치하는 것은 복수의 테이프 스트립들을 나란히 서브스트레이트 상에 배치하는 것을 포함하고,
압착 장치를 선회시키는 것은 밴드폭의 엣지 근처의 테이프 스트립들 중의 하나를 따라 존재하는 점에서 압착 장치를 선회시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 11. 청구항 8에 있어서,
압착 장치를 선회시키는 것은 재료 배치 헤드가 컨벡스 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 12. 청구항 8에 있어서,
압착 장치는 컨벡스 레이디어스 모서리로부터 각도적으로 오프셋된(angularly offset) 회전축을 갖는 압착 롤러인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 13. 청구항 12에 있어서,
압착 롤러의 회전축은 컨벡스 레이디어스 모서리로부터 약 45°만큼 각도적으로 오프셋된 것을 특징으로 하는 방법.
항목 14. 청구항 8에 있어서,
압착 장치와 서브스트레이트 사이의 접촉은 레이디어스 모서리 둘레로의 재료 배치 헤드의 움직임을 통하여 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 15. 압착 롤러를 갖는 재료 배치 헤드를 이용하여 컨벡스 레이디어스 위에 복합재 토우들을 라미네이팅하는 방법으로서,
복합재 토우들이 컨벡스 레이디어스 위에서 밴드폭 내에 라미네이팅되고 있을 때 컨벡스 레이디어스 둘레로 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계;
재료 배치 헤드가 컨벡스 레이디어스 둘레로 이동을 시작하기 바로 전에 놓인 복합재 토우들을 압착 롤러가 들어 올리는 것을 방지하는, 밴드폭을 가로르는(across) 위치에서 압착 롤러를 선회시키는 단계; 및
압착 롤러가 컨벡스 레이디어스 둘레로 선회할 때 복합재 토우들의 밴드폭을 접는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 16. 항목 15에 있어서,
밴드폭을 가로지르는 위치 둘레로 압착 롤러가 선회되되, 밴드폭을 가로지르는 위치는 밴드폭의 트레일링 엣지를 따라서 중앙 토우(center tow)와 마지막 토우(last tow) 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 17. 압착 롤러를 갖는 테이프 라미네이팅 기계(tape laminating machine)를 이용하여 컨벡스 레이디어스 위에서 복합재 테이프를 라미네이팅하는 방법으로서,
서브스트레이트 위에서 경로를 따라 이동하도록 테이프 라미네이팅 기계를 프로그래밍하는(programming) 단계;
경로를 따라서 이동하고 컨벡스 레이디어스와 접촉하는 테이프의 트레일링 엣지 둘레로 선회하도록 압착 롤러에게 지시해서(directing), 컨벡스 레이디어스 바로 앞에서 놓인 테이프를 압착 롤러가 들어 올리는 것을 방지하는 단계; 및
압착 롤러가 컨벡스 레이디어스 위에서 이동할 때 테이프를 접는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 18. 항목 17에 있어서,
컨벡스 레이디어스를 갖는 복합재 레이업(composite layup)의 디지털 정의를 생성하는 단계; 및
복합재 레이업의 생성된 디지털 정의에 따라서 복합재 플라이(ply)들을 레이업하도록 테이프 라미네이팅 기계를 이용하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 19. 항목 17에 있어서,
테이프 라미네이팅 기계를 프로그래밍하는 것은:
45° 섬유 지향(fiber orientation)을 갖는 플라이들을 레이업하기 위한 수정된(modified) 경로를 따라서 이동하도록 테이프 라미네이팅 기계를 프로그래밍하는 것,
0° 섬유 지향을 갖는 플라이들을 레이업하기 위한 종래의 경로를 따라서 이동하도록 테이프 라미네이팅 기계를 프로그래밍하는 것, 및
90° 섬유 지향을 갖는 플라이들을 레이업하기 위한 종래의 경로를 따라서 이동하도록 테이프 라미네이팅 기계를 프로그래밍하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 20. 항목 17에 있어서,
경로를 따라서 이동하고 테이프의 트레일링 엣지 둘레로 선회하도록 압착 롤러에게 지시하는 것은 압착 롤러가 컨벡스 레이디어스 위에서 이동할 때 테이프를 접으면서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.

Claims (20)

  1. 레이디어스 모서리(radius edge)에 의해 이어진(connected) 두 개의 표면들을 갖는 서브스트레이트(substrate) 상에 프리프레그 섬유(prepreg fiber)들을 배치하는(laying down) 방법으로서,
    레이디어스 모서리에 대해 각도를 이루어 제1 서브스트레이트 표면을 가로질러(across) 재료 배치 헤드(material placement head)를 이동시키는 단계 ― 상기 재료 배치 헤드는 압착 롤러(compaction roller)를 가짐 ―;
    프리프레그 섬유들의 밴드폭(bandwidth)을 제1 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계;
    제1 서브스트레이트 표면에서부터 제2 서브스트레이트 표면으로 레이디어스 모서리 둘레로 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계; 및
    압착 롤러의 선회점(pivot point)을 통과하는 축 둘레로 재료 배치 헤드를 선회시키는(pivoting) 단계 ― 상기 축은 압착 롤러의 회전축에 수직이고, 상기 선회점은 재료 배치 헤드가 레이디어스 모서리 둘레로 이동할 때 압착 롤러의 중심과 압착 롤러의 엣지(edge) 사이의 압착 롤러의 회전축을 따라 위치함 ―;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    레이디어스 모서리에 대해 각도를 이루어 레이디어스 모서리로부터 제2 서브스트레이트 표면을 가로질러 재료 배치 헤드를 이동시키는 단계; 및
    프리프레그 섬유들의 밴드폭을 제2 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    프리프레그 섬유들의 밴드폭을 제1 서브스트레이트 표면 상에 배치하는 단계는:
    서로 나란히(side-by-side), 엣지와 엣지가 맞닿은 접촉(edge-to-edge contact)을 이루도록 섬유 토우들의 스트립(strip)들을 배치하는 단계; 및
    섬유 토우들의 스트립들을 압착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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  6. 청구항 1에 있어서,
    재료 배치 헤드가 제1 서브스트레이트 표면에서부터 제2 서브스트레이트 표면으로 레이디어스 모서리 둘레로 이동될 때 프리프레그 섬유들의 밴드폭을 접는 것(folding)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    레이디어스 모서리에 대한 재료 배치 헤드의 움직임의 각도는 45°인 것을 특징으로 하는 방법.
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