KR102153128B1 - 프리프레그를 레이-업하여 3차원 부품을 형성하는 자동 방법에 사용하기 위한 점착성을 갖는 자기 지지형 프리프레그 - Google Patents
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Abstract
프리프레그를 레이-업하여 3차원 부품을 형성하는 자동 방법에 사용하기 위한 점착성을 갖는 자기 지지형 프리프레그가 본원에 제공된다.
Description
복합재, 예컨대 탄소 섬유 에폭시 및 비스말레이미드 (BMI) 재료의 구조적 성능 이점은 항공우주 산업에서 널리 알려져 있다. 항공기 설계자들은, 예를 들어 월등한 강성, 강도 및 레이더 흡수 능력으로 인해 복합재에 매력을 가져 왔다. 더 진보된 재료 및 더 폭넓은 다양한 재료 형태가 이용가능해짐에 따라, 복합재의 항공우주 용도는 증가되어 왔다.
자동화 테이프 레이어 기술이 개발되어서 윙 패널(wing panel) 및 미익부(empennage)와 같은 대형 복합 구조체의 제작을 위한 자동화 방법이 널리 사용되게 되었다. 현재의 테이프 레이어 기술은 매우 다양한 항공우주 구성성분에 필요한 공정 능력에서 유연성을 제공하도록 개선되어 왔다. 항공우주 산업에서의 테이프 적층 적용이, 예를 들어 대형 복합 구조체의 제조 비용을 제어하도록 도울 수 있는 재료 레이-업(lay up) 속도를 달성함에 따라, 테이프 레이어를 위한 새롭고 혁신적인 적용, 예컨대, 예를 들어 직경이 15 내지 20 피트인 대형 항공기 동체 섹션의 자동화 테이프 레이-업이 정의될 수 있다.
복합 부품의 제작 동안 금형에 비경화 복합 재료 (또는, 프리프레그)를 적용하기 위하여 자동 테이프 적층기(automatic tape laying machine) 및 자동 섬유 배치기(automatic fiber placement machine)가 사용된다. 그러한 기계들은 대형 복합 부품, 예컨대 항공기 동체, 윙 스킨 및 윈드 터빈 블레이드를 제작하는 데 특히 바람직하다. 이들 기계는 가동 테이프 전달 헤드를 갖는데, 이 헤드는 다수의 축 둘레를 이동하여 프리프레그 테이프를 다양한 금형 형상에 전달하기 위해 컴퓨터 제어된다. 자동화 테이프 적층기에 대한 보다 상세한 설명을 위하여, 문헌 [Gramshaw et al., "Advanced Technology Tape Laying for Affordable Manufacturing of Large Composite Structures" 46th International SAMPE Symposium, pp. 2484-94 (May 6-10, 2001)]을 참조한다. 자동화 테이프 레이어 및 자동화 섬유 배치 전달 헤드의 전반적인 설명을 위하여, 미국 특허 출원 공개 번호 2005/0039842를 참조한다.
자동화 테이프 레이어와 자동화 섬유 배치 전달 시스템은 유사한데, 전자는 단일 릴(reel)로부터 취해진 프리프레그 테이프의 단일 폭을 레이-다운하고, 후자는 하나 이상의 개별 릴로부터 취해진 하나 이상의 좁은 사전-슬릿화된(pre-slit) 프리프레그를 레이-다운한다.
프리프레그를 레이-업하기 위한 이들 현 시스템에 관한 문제는 프리프레그 내의 수지 매트릭스가 프리프레그에 점착성을 부여한다는 것이다. 이러한 점착성은 레이-업 공정의 다양한 스테이지에서의 수지 축적으로 이어질 수 있다. 적용 동안의 수지 축적에 대처하기 위하여, 이들 기계는 기계로부터 과량의 수지를 제거하기 위하여 특정 빈도로 중단된다.
이러한 문제를 경감시키기 위한 한 가지 방법은 감소된 온도 조건 하에서 프리프레그를 레이-업하는 것이다. 그렇게 함으로써, 수지 축적이 최소화되고 수지 축적과 관련하여 수반되는 문제에 대처해 왔다.
그러나, 프리프레그 레이-업이 일어나는 환경의 온도를 감소시키는 것은 비용이 든다. 제조하고자 하는 필수 부품의 다수 (예건대, 비행기 조립에 사용하도록 예정된 것들)가 매우 대형이기 때문에, 바닥면적 청사진(floor space blue print)은 그러한 부품들 중 하나 이상을 수용할 정도로 충분히 클 필요가 있다. 특히 더 온난한 기후에서 그러한 시설의 온도를 감소시키는 것과 관련된 에너지 비용은 상당할 수 있다.
게다가, 이들 기계에 사용되는 프리프레그 테이프는 배킹(backing) 상에 지지된 프리프레그 층을 함유한다. 배킹은 테이프가 전달 헤드에 의해 금형 상에 배치됨에 따라 제거되는 것으로, 이는 전형적으로 종이이거나 때로는 폴리에틸렌이다. 배킹의 표면은 테이프가 공급 롤로부터 권출되고 있을 때 프리프레그에 달라붙어서는 안 된다. 적절하게 기능하기 위하여, 프리프레그는 그것이 전달 헤드에 도달할 때까지 배킹에 접착되고, 전달 헤드에서 그것은 금형 상에 또는 사전 적용된 프리프레그 상에 차동적으로 방출된다. 프리프레그 테이프는 전달 헤드로 공급하기 위한 기계 상에 장착된 대형 롤 또는 스풀로서 제공된다.
프리프레그 테이프가 금형 상에 배치된 후, 배킹은 제거되고 권취 롤러 상에 권취된다. 결과로서, 공급 롤, 전달 헤드 및 권취 롤 사이에서 배킹 상에 지속적으로 장력이 존재한다. 프리프레그는 또한 전형적으로 전달 헤드에서 가열되고, 소정량의 압축 압력을 적용하여 프리프레그를 금형 또는 사전 적용된 프리프레그 층들에 접착시킨다. 게다가, 이 기계는 컴퓨터-제어된 경로로 프리프레그 테이프를 적층하고, 정확히 제어된 위치 및 각도에서 프리프레그를 관통 절단한다.
배킹은 그것이 공급 롤로부터 권취 롤까지 지나감에 따라 흔히 파손된다. 배킹의 파손으로 인해 자동화 프리프레그 적용기를 중단 및 재시동하는 것은 비용이 들고 시간-소모적인 작업이며, 이는 피하는 것이 바람직하다.
미국 특허 번호 5,472,553은 배킹 파손의 문제에 대한 명백한 해결을 제공한다. '533 특허는 수지 함침된 섬유의 토우(tow)들을 툴 상에 배치하는 장치를 언급하는데, 상기 섬유는 배커(backer)에 이형가능하게 부착되고 유동 경로를 따라 상기 장치를 통해 이동하며, 상기 장치는
토우들을 분배하기 위한 토우들의 복수의 회전가능한 토우 카세트 릴;
툴 상에 배치하는 동안 토우들에 대해 일정 장력을 유지하기 위한 토우 카세트 릴에 부착된 제1 저 장력화 수단;
유동 경로를 따라 장치를 통해 각각의 토우를 안내하기 위한 샤프트 상에서 개별적으로 회전가능한 복수의 풀리로 이루어진 가이드 풀리 조립체(guide pulley assembly);
토우들이 가이드 풀리 조립체로부터 빠져나간 후에, 토우들을 예정된 길이 및 형상으로 절단하기 위한 토우 절단 수단;
절단 수단을 통과한 후에 토우들을 안내하고, 토우들이 툴 상에 배치될 때 각각의 토우 말단의 위치를 결정하기 위한 인코더 풀리 수단;
토우들로부터 배커를 제거하고 배커를 배커 카세트 릴 상에 보관하기 위한 수단;
토우 카세트 릴에 부착된 제1 토우 장력화 수단과 함께 토우에 대한 장력을 제어하기 위한 배커 카세트 릴에 부착되며, 제1 토우 장력화 수단의 반대 방향으로 작용하여 토우가 툴 상에 배치될 때 토우에 대한 장력을 최소화하는 제2 토우 장력화 수단;
예정된 패턴에 응하여 각각의 토우를 개별적으로 구동하기 위한 구동 수단;
인코더 풀리 및 제어 수단 내에 설치된 예정된 패턴 둘 모두의 출력에 응하여 구동 수단 및 토우 절단 수단을 제어하기 위한 제어 수단; 및
절단된 토우들을 받아들이고 그들을 툴 표면 상에 배치하기 위한 토우 배치 헤드를 포함한다.
미국 특허 출원 공개 번호 2010/0282404는 다층 기재이고 내인열성인 배킹 재료를 제공한다. '404 공개는 자동화 테이프 적층기에 사용하기 위한 테이프를 제공하며, 상기 테이프는 하기를 포함하는 것으로 정의된다:
하기를 포함하고, 자동화 테이프 적층기 내에서 테이프를 사용하는 동안 비경화 복합 재료를 지지하기 위한 다층 기재:
a. 외부 필름 표면 및 내부 필름 표면을 갖는 적어도 하나의 플라스틱 필름을 포함하는 플라스틱 층; 및
b. 외부 섬유 표면 및 내부 섬유 표면을 가지며, 상기 내부 섬유 표면은 내부 필름 표면에 부착되는 것인 섬유질 층; 및
섬유질 보강재 및 비경화 수지 매트릭스를 포함하고, 비경화 복합 재료가 금형에 적용될 때 금형을 향해 위치되는 제1 복합 표면, 및 플라스틱 층 또는 외부 섬유 표면에 이형가능하게 접착된 제2 복합 표면을 갖는 비경화 복합 재료 층.
게다가, 배킹이 파손되지 않는 경우에도, 일단 테이프로부터 박리되면 폐기되어야 할 필요가 있다. 따라서, 배킹이 자동화 테이프 레이어를 통해 이동함에 따라 배킹에 적용되는 많은 힘을 견디기에 충분한 치수 안정성, 인열 강도 및 파열 강도를 갖는 테이프 배킹을 제공하는 것뿐만 아니라, (배킹을 필요로 하지 않도록) 자기-지지형이고, 제거하지 못한다면 수지 축적을 최소화하도록 실질적으로 점착성을 갖지 않는 프리프레그 테이프를 제공하는 것이 요망될 것이다.
본원의 제1 측면에서는, 프리프레그를 레이-업하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 이 측면에서의 방법의 단계는
프리프레그를 실온에서 제공하며, 여기서 프리프레그는 열경화성 수지 성분 및 섬유를 포함하고, 여기서 열경화성 수지 성분은 고체 형태이고 승온 조건에 노출시 연화되는 것인 단계; 및
승압 조건을 적용하면서 프리프레그를 툴의 표면 주위에 3차원 배열로 배치하여 툴 표면 주위에 세팅된 3차원 경화성 부품을 형성하는 단계를 포함한다.
본원의 제2 측면에서는, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제1 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저(enclosure) 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기에 충분한 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
본원의 제3 측면에서는, 사전-슬릿화된(pre-slit) 프리프레그를 배치하여 윤곽지어진 복합 부품을 형성할 수 있는 프리프레그 층을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
사전-슬릿화된 프리프레그의 하나 이상의 스풀을 제공하며, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 수지 성분 및 섬유를 포함하고, 여기서 수지 성분은 고체 형태이고 승온 조건에 노출시 연화되는 것인 단계;
사전-슬릿화된 프리프레그를 윤곽지어진 배열로 툴의 표면 상에 배치하기 위해 하나 이상의 스풀로부터 분배하여 툴 표면 주위에 세팅된 윤곽지어진 경화성 부품을 형성하며, 여기서 상기 배치는 배치되는 프리프레그에 대한 승압 조건의 적용으로 일어나는 것인 단계; 및
배치된 윤곽지어진 경화성 부품을 조정하여 툴 표면 주위에 예정된 부품 구성을 형성하는 단계를 포함한다.
본원의 제4 측면에서는, 윤곽지어진 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제3 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 윤곽지어진 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
윤곽지어진 경화성 부품-포함 인클로저를, 윤곽지어진 경화성 부품을 경화시켜 윤곽지어진 복합 부품을 형성하기에 충분한 승온 및/또는 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
본원의 제5 측면에서는, 사전-슬릿화된 프리프레그를 배치하여 윤곽지어진 복합 부품을 형성할 수 있는 프리프레그 층을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
사전-슬릿화된 자기-지지형 자기-이형가능 비경화 프리프레그의 하나 이상의 스풀을 실온에서 제공하며, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 미개량(unadvanced) 열경화성 수지 성분 및 복수의 연속 섬유를 포함하고, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, 여기서 이들 표면 중 적어도 하나는 실질적으로 점착성이 없는 것인 단계;
사전-슬릿화된 프리프레그를 윤곽지어진 배열로 툴의 표면 상에 배치하기 위해 하나 이상의 스풀로부터 분배하여 툴 표면 주위에 세팅된 윤곽지어진 경화성 부품을 형성하며, 여기서 상기 배치는 배치되는 프리프레그에 대한 승압 조건의 적용으로 일어나는 것인 단계; 및
배치된 윤곽지어진 경화성 부품을 조정하여 툴 표면 주위에 예정된 부품 구성을 형성하는 단계를 포함한다.
본원의 제6 측면에서는, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제5 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기에 충분한 승온 및/또는 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
본원의 제7 측면에서는, 비경화 프리프레그를 레이-업하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
자기-지지형 자기-이형가능 비경화 프리프레그를 실온에서 제공하며, 여기서 프리프레그는 미개량 열경화성 수지 성분 및 복수의 연속 섬유를 포함하고, 여기서 프리프레그는 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, 이들 표면 중 적어도 하나는 실질적으로 점착성이 없는 것인 단계;
3차원 배열로 프리프레그 상의 한정된 위치에 승온 조건 및 승압 조건을 적용하면서 툴 주위에 배치하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 단계를 포함한다.
본원의 제8 측면에서는, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제7 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기에 충분한 승온 및/또는 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
도 1은 본 기술분야의 상태를 대표하는 전형적인 자동화 테이프 적층기 전달 헤드의 일반적 다이어그램이다.
자동화 테이프 적층기는 전형적으로 갠트리(gantry) 스타일이며, 예를 들어 갠트리 상에서의 5-축 이동 및 전달 헤드 상에서의 5-축 이동을 갖는 10개의 이동 축을 가질 수 있다. 전형적인 자동화 테이프 레이어는 갠트리 구조물 (평행 레일들), 정밀 고정대(precision ground way) 상에서 이동하는 크로스피드 바(crossfeed bar), 재료 전달 헤드를 승강하는 램 바(ram bar), 및 램 바의 하단에 부착된 재료 전달 헤드로 이루어진다.
시판 테이프 레이어들은 일반적으로 편평 테이프 적층기(flat tape laying machine, FTLM) 또는 윤곽 테이프 적층기(contour tape laying machine, CTLM)를 사용하여 편평하거나 경미하게 윤곽지어진 라미네이트 적용의 레이-업 전용으로 구성되어 있다. 갠트리 스타일 테이프 레이어 상에는, 토블링(tobling) (또는 편평 테이블)이, 바닥에 고정된 갠트리 구조물 아래에서 일반적으로 롤링되고, 이어서 기계 전달 헤드가 레이-업 표면에 대해 초기화된다.
도 1은 전형적인 테이프 적층기 전달 헤드 (100)의 예를 제공한다. FTLM 및 CTLM 기계용 전달 헤드는 기본적으로 도 1에 도시된 전달 헤드 (100)와 동일한 구성이다. 시판 자동화 테이프 레이어 상의 전달 헤드는 전형적으로 3 인치, 6 인치 및 12 인치의 재료 폭을 받아들이도록 구성된다. 편평 테이프 레이어는 전형적으로 폭이 6 인치 및 12 인치인 재료를 사용한다. 윤곽 테이프 레이어는 전형적으로 3 인치 및 6 인치 폭의 재료를 사용한다. CTLM 시스템은 편평한 평면의 윤곽 표면에서 떨어져 레이-업할 때 폭이 3 인치 또는 6 인치인 재료를 통상 사용한다.
테이프 레이어를 위한 재료 (102)는 일반적으로 대직경 스풀 내에 들어 있다. 테이프 재료 (102)는 배킹지 (106)를 가지며, 이는 프리프레그 (수지 함침 섬유)가 툴 표면 (108)에 적용됨에 따라 추출된다. 재료의 스풀은 전형적으로 전달 헤드 공급 릴 (104) 내로 로딩되고, 상부 테이프 가이드 활송장치(chute)를 통해 스레딩(thread)되고 절단기 (110)를 지나간다. 이어서, 재료 (102)는 하부 테이프 가이드들을 통과하는데, 이들 가이드는 분절된 압축 슈(segmented compaction shoe) (112) 아래에 그리고 배킹지 권취 릴 (114) 상에 있다. 배킹지는 추출되고, 종이 권취 릴 (114)의 종이 권취 롤러 상에 권취된다. 전달 헤드 (100)는 툴 표면 (108)과 접촉되고, 테이프 재료 (102)는 압축 압력으로 툴 표면 (108) 상에 "배치"된다. 이 테이프 적층기는 전형적으로 컴퓨터 프로그래밍된 경로 (코스)로 툴 표면 (108) 상에 테이프를 적층하고, 정확한 위치 및 각도에서 재료 (102)를 절단하고, 테일을 배치하고, 툴 표면 (108)으로부터 전달 헤드 (100)를 들어올리고, 이 코스의 시작 위치로 철수하고, 그리고 다음 코스의 적층을 시작한다.
전달 헤드 (100)는 결함이 검출되었을 때 기계 제어 신호를 보내서 테이프 재료 (102)의 적층을 중단시키는 광학 테이프 결함 검출 시스템을 가질 수 있다. 전달 헤드 (100)는 또한 전형적으로, 프리프레그 재료를 가열하여 테이프-대-테이프 접착을 위한 점착성 수준을 증가시키는 가열 시스템 (116)을 갖는다. 가열된 테이프 온도는 일반적으로 75℉ 내지 110℉의 범위이다.
섬유 배치는, 토우라 불리는 개별 프리프레그 섬유들이 스풀로부터 당겨져 나오고 섬유 전달 시스템을 통해 도 1에 도시된 전달 헤드 (100)와 유사한 섬유 배치 헤드 내로 공급되는, 유사한 공정이다. 섬유 배치 헤드에서, 토우들은 단일 섬유 밴드로 평행화(collimate)되고 작업 표면 상에 라미네이팅될 수 있는데, 이때 작업 표면은 헤드스톡(headstock)과 테일스톡(tailstock) 사이에 장착될 수 있다. 섬유 밴드 또는 코스를 시작할 때, 개별 토우들은 헤드를 통해 공급되고 표면, 예컨대 표면 (108) 상에 압축된다. 이 코스를 레이-다운하고 있을 때, 헤드 (100)는 개별 토우들을 절단하거나 재시작할 수 있으며, 그럼으로써 섬유 밴드의 폭이 하나의 토우 폭과 동일한 증분으로 증가 또는 감소되게 할 수 있다. 섬유 밴드의 폭 조정은 인접한 코스들 사이의 과도한 갭 또는 오버랩을 제거하지 못한다면 이를 최소화한다. 이 코스의 종료시에, 남아 있는 토우들이 플라이(ply) 경계의 형상에 매칭되도록 절단될 수 있다. 이어서, 헤드는 다음 코스의 시작에 위치될 수 있다.
코스를 배치하는 동안, 각각의 토우는 그 자체의 속도로 분배되어, 각각의 토우가 독립적으로 부품의 표면 (108)에 정합될 수 있게 한다. 따라서, 이들 섬유는 측지적 경로(geodesic path)에 제한되지 않으며, 그렇기 때문에 특정 설계 목적을 충족시키도록 다룰 수 있다. 점착성 향상을 위한 가열과 조합하여 롤링 압축 장치는 토우를 레이-업 표면 (108) 상에 라미네이팅한다. 토우를 작업 표면 (또는 사전에 적층된 플라이) 상에 가압함으로써, 토우는 레이-업 표면 (108)에 접착되며, 그럼으로써 포획된 공기를 제거하고 진공 디벌킹(debulking)에 대한 필요성을 최소화한다. 이는 또한 섬유가 오목한 표면 상에 적층될 수 있게 한다.
테이프 적층 헤드와 같은 섬유 배치 헤드에, 예를 들어 아암 메커니즘(arm mechanism)을 사용하여 수 개의 운동축(axis of motion)이 구비될 수 있고, 컴퓨터로 수치 제어될 수 있다. 이들 운동축은 기계가 토우들을 라미네이팅하고 있을 때, 헤드 (100)가 표면 (108)에 대해 확실히 수직이 되게 하는 데 필요할 수 있다. 이 기계는 또한 다수의 전자식 섬유 장력기를 가질 수 있는데, 이는, 예를 들어 공조 크릴(air conditioned creel) 내에 장착될 수 있다. 이들 장력기는 개별 토우 분배(payout)를 제공하고 정확한 장력을 유지할 수 있다. 헤드 (100)는 개별 프리프레그 토우들을 정확하게 분배하고, 절단하고, 클램핑하고, 제한할 수 있다.
제1 측면
이제, 제1 측면에 관하여, 프리프레그를 레이-업하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 본 방법은 전술된 바와 같이 기계를 사용할 수 있다. 이 측면에서의 방법의 단계는
프리프레그를 실온에서 제공하며, 여기서 프리프레그는 열경화성 수지 성분 및 섬유를 포함하고, 여기서 열경화성 수지 성분은 고체 형태이고 승온 조건에 노출시 연화되는 것인 단계; 및
승압 조건을 적용하면서 프리프레그를 툴의 표면 주위에 3차원 배열로 배치하여 툴 표면 주위에 세팅된 3차원 경화성 부품을 형성하는 단계를 포함한다.
이 측면에서, 프리프레그는 3 내지 12 인치 범위의 폭을 가질 수 있다.
이 측면에서, 고체 형태의 열경화성 수지 성분이 연화되는 승온 조건은 250℉ 이하, 예컨대 75 내지 250℉의 범위일 수 있다. 이 측면에서, 승압 조건은 200 psi 이하, 예컨대 40 psi 이하, 바람직하게는 0.5 내지 40 psi의 범위일 수 있다.
제2 측면
제2 측면에 관하여, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제1 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기에 충분한 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
이 측면에서, 인클로저는 진공 하에, 예컨대 20 내지 30 인치Hg의 진공 하에 있을 수 있다.
이 측면에서, 인클로저는 통기성일 수 있다. 이 측면에서, 3차원 경화성 부품-포함 인클로저는 승온 조건 하에 둘 수 있다.
제3 측면
제3 측면에 관하여, 사전-슬릿화된 프리프레그를 배치하여 윤곽지어진 복합 부품을 형성할 수 있는 프리프레그 층을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
사전-슬릿화된 프리프레그의 하나 이상의 스풀을 제공하며, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 수지 성분 및 섬유를 포함하고, 여기서 수지 성분은 고체 형태이고 승온 조건에 노출시 연화되는 것인 단계;
사전-슬릿화된 프리프레그를 윤곽지어진 배열로 툴의 표면 상에 배치하기 위해 하나 이상의 스풀로부터 분배하여 툴 표면 주위에 세팅된 윤곽지어진 경화성 부품을 형성하며, 여기서 상기 배치는 배치되는 프리프레그에 대한 승압 조건의 적용으로 일어나는 것인 단계; 및
배치된 윤곽지어진 경화성 부품을 조정하여 툴 표면 주위에 예정된 부품 구성을 형성하는 단계를 포함한다.
이 측면에서, 사전-슬릿화된 프리프레그는 0.125 내지 0.5 인치의 폭을 가질 수 있다. 이 측면에서, 승온 조건은 250℉ 이하, 예컨대 75 내지 250℉의 범위일 수 있다. 이러한 승온 조건은 또한 분배 동안 적용될 수 있다.
이 측면에서, 승압 조건은 200 psi 이하, 예컨대 40 psi 이하, 바람직하게는 0.5 내지 40 psi의 범위일 수 있다.
이 측면에서, 승압 조건은 10초 미만의 기간 동안 유지될 수 있다.
제4 측면
제4 측면에 관하여, 윤곽지어진 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제3 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 윤곽지어진 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
윤곽지어진 경화성 부품-포함 인클로저를, 윤곽지어진 경화성 부품을 경화시켜 윤곽지어진 복합 부품을 형성하기에 충분한 승온 및/또는 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
이 측면에서, 인클로저는 진공 하에, 예컨대 20 내지 30 인치Hg의 진공 하에 있을 수 있다.
이 측면에서, 인클로저는 통기성일 수 있다.
이 측면에서, 윤곽지어진 경화성 부품-포함 인클로저는 승온 조건 하에 둘 수 있다.
제5 측면
제5 측면에 관하여, 사전-슬릿화된 프리프레그를 배치하여 윤곽지어진 복합 부품을 형성할 수 있는 프리프레그 층을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
사전-슬릿화된 자기-지지형 자기-이형가능 비경화 프리프레그의 하나 이상의 스풀을 실온에서 제공하며, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 미개량 열경화성 수지 성분 및 복수의 연속 섬유를 포함하고, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, 여기서 이들 표면 중 적어도 하나는 실질적으로 점착성이 없는 것인 단계;
사전-슬릿화된 프리프레그를 윤곽지어진 배열로 툴의 표면 상에 배치하기 위해 하나 이상의 스풀로부터 분배하여 툴 표면 주위에 세팅된 윤곽지어진 경화성 부품을 형성하며, 여기서 상기 배치는 배치되는 프리프레그에 대한 승압 조건의 적용으로 일어나는 것인 단계; 및
배치된 윤곽지어진 경화성 부품을 조정하여 툴 표면 주위에 예정된 부품 구성을 형성하는 단계를 포함한다.
이 측면에서, 사전-슬릿화된 프리프레그는 폭이 0.125 내지 0.5 인치일 수 있다.
이 측면에서, 승온 조건은 250℉ 이하, 예컨대 75 내지 250℉의 범위일 수 있다. 승온 조건은 분배 동안 적용될 수 있다.
이 측면에서, 승압 조건은 200 psi 이하, 예컨대 40 psi 이하, 바람직하게는 0.5 내지 40 psi의 범위일 수 있다.
이 측면에서, 승압 조건은 10초 미만의 기간 동안 유지될 수 있다.
이 측면에서는, 툴 또는 프리프레그 표면에 대한 접착력으로서 점착성을 측정한다.
이 측면에서, 수지 성분은 고체 형태일 수 있고 승온 조건에 노출시 연화된다.
제6 측면
제6 측면에 관하여, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제5 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기에 충분한 승온 및/또는 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
제7 측면
제7 측면에 관하여, 비경화 프리프레그를 레이-업하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 자동화 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
자기-지지형 자기-이형가능 비경화 프리프레그를 실온에서 제공하며, 여기서 프리프레그는 미개량 열경화성 수지 성분 및 복수의 연속 섬유를 포함하고, 여기서 프리프레그는 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, 이들 표면 중 적어도 하나는 실질적으로 점착성이 없는 것인 단계;
3차원 배열로 프리프레그 상의 한정된 위치에 승온 조건 및 승압 조건을 적용하면서 툴 주위에 배치하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 단계를 포함한다.
제8 측면
제8 측면에 관하여, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법의 단계는
제7 측면에서 전술된 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기에 충분한 승온 및/또는 승압 조건 하에 두는 단계를 포함한다.
열경화성 수지 성분
열경화성 수지 조성물은 그의 적어도 일부로서 옥사진 성분을 포함한다. 옥사진 성분은 하기 구조에 의해 포괄될 수 있다:
<화학식 I>
상기 식에서, o는 1 내지 4이고, X는 직접 결합 (o가 2일 때), 알킬 (o가 1일 때), 알킬렌 (o가 2 내지 4일 때), 카르보닐 (o가 2일 때), 티올 (o가 1일 때), 티오에테르 (o가 2일 때), 술폭시드 (o가 2일 때) 및 술폰 (o가 2일 때)으로부터 선택되고, R1은 수소, 알킬 및 아릴로부터 선택된다.
대안적으로, 옥사진 성분은 하기 구조에 의해 포괄될 수 있다:
상기 식에서, p는 2이고, Y는 비페닐 (p가 2일 때), 디페닐 메탄 (p가 2일 때), 디페닐 이소프로판 (p가 2일 때), 디페닐 술피드 (p가 2일 때), 디페닐 술폭시드 (p가 2일 때), 디페닐 술폰 (p가 2일 때) 및 디페닐 케톤 (p가 2일 때)으로부터 선택되고, R4는 수소, 할로겐, 알킬 및 알케닐로부터 선택된다.
보다 구체적으로는, 옥사진은 하기 구조 중 하나 이상에 의해 포괄될 수 있다:
상기 식에서, X는 직접 결합, CH2, C(CH3)2, C=0, S, S=O 및 O=S=O로부터 선택되고, R1 및 R2는 동일 또는 상이하고, 수소, 알킬, 예컨대 메틸, 에틸, 프로필 및 부틸, 및 아릴로부터 선택된다.
따라서, 옥사진은 하기 예시된 구조들 중 임의의 것으로부터 선택될 수 있다:
상기 식에서, R1 및 R2는 상기 정의된 바와 같다.
옥사진 구조 I 또는 II 어느 것에 의해서도 포괄되지 않더라도, 추가의 옥사진이 하기의 구조에 의해 포괄될 수 있다:
상기 식에서, R1 및 R2는 상기 정의된 바와 같고, R3은 R1 또는 R2와 같이 정의된다.
따라서, 이들 옥사진의 구체적인 예는 하기를 포함한다:
옥사진 성분은 다작용성 옥사진 및 단작용성 옥사진의 조합을 포함할 수 있다.
단작용성 옥사진의 예는 하기 구조에 의해 포괄될 수 있다:
상기 식에서, R은 알킬, 예컨대 메틸, 에틸, 프로필 및 부틸이다.
옥사진 성분은 조성물의 총 중량을 기준으로 약 10 내지 약 99 중량%, 예컨대 약 25 내지 약 75 중량%, 바람직하게는 약 35 내지 약 65 중량% 범위의 양으로 존재해야 한다.
섬유
섬유는 단방향성 섬유, 제직 섬유, 초핑 섬유, 부직 섬유 또는 불연속 장섬유로 구성될 수 있다.
선정된 섬유는 탄소, 유리, 아라미드, 붕소, 폴리알킬렌, 석영, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌 술피드, 폴리 p-페닐렌 벤조비스옥사졸, 탄화규소, 페놀포름알데히드, 프탈레이트 및 나프테노에이트로부터 선택될 수 있다.
탄소는 폴리아크릴로니트릴, 피치 및 아크릴로부터 선택되고, 유리는 S 유리, S2 유리, E 유리, R 유리, A 유리, AR 유리, C 유리, D 유리, ECR 유리, 유리 필라멘트, 스테이플 유리, T 유리 및 산화지르코늄 유리로부터 선택된다.
Claims (44)
- 프리프레그를 실온에서 제공하며, 여기서 프리프레그는 열경화성 수지 성분 및 탄소 섬유를 포함하고, 여기서 열경화성 수지 성분은 고체 형태이고 250℉ 이하의 승온 조건에 노출시 연화되는 것인 단계; 및
200 psi 이하의 승압 조건을 적용하면서 프리프레그를 툴의 표면 주위에 3차원 배열로 배치하여 툴 표면 주위에 세팅된 3차원 경화성 부품을 형성하는 단계
를 포함하는, 프리프레그를 레이-업하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 자동화 방법. - 제1항에 있어서, 프리프레그가 3 내지 12 인치 범위의 폭을 갖는 것인 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 승온 조건이 75 내지 250℉의 범위인 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 승압 조건이 40 psi 이하인 방법.
- 제1항에 있어서, 승압 조건이 0.5 내지 40 psi의 범위인 방법.
- 제1항의 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저(enclosure) 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기 위한 200 psi 이하의 승압 조건 하에 두는 단계
를 포함하는, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법. - 제8항에 있어서, 인클로저가 진공 하에 있는 것인 방법.
- 제8항에 있어서, 인클로저가 20 내지 30 인치Hg의 진공 하에 있는 것인 방법.
- 제8항에 있어서, 인클로저가 통기성인 방법.
- 제8항에 있어서, 3차원 경화성 부품-포함 인클로저를 250℉ 이하의 승온 조건 하에 두는 것인 방법.
- 사전-슬릿화된(pre-slit) 프리프레그의 하나 이상의 스풀을 제공하며, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 수지 성분 및 탄소 섬유를 포함하고, 여기서 수지 성분은 고체 형태이고 250℉ 이하의 승온 조건에 노출시 연화되는 것인 단계;
사전-슬릿화된 프리프레그를 윤곽지어진 배열로 툴의 표면 상에 배치하기 위해 하나 이상의 스풀로부터 분배하여 툴 표면 주위에 세팅된 윤곽지어진 경화성 부품을 형성하며, 여기서 상기 배치는 배치되는 사전-슬릿화된 프리프레그에 대한 200 psi 이하의 승압 조건의 적용으로 일어나는 것인 단계; 및
배치된 윤곽지어진 경화성 부품을 조정하여 툴 표면 주위에 예정된 부품 구성을 형성하는 단계
를 포함하는, 사전-슬릿화된 프리프레그를 배치하여 윤곽지어진 복합 부품을 형성할 수 있는 프리프레그 층을 형성하는 자동화 방법. - 제13항에 있어서, 사전-슬릿화된 프리프레그의 폭이 0.125 내지 0.5 인치인 방법.
- 삭제
- 제13항에 있어서, 승온 조건이 75 내지 250℉의 범위인 방법.
- 삭제
- 제13항에 있어서, 승압 조건이 40 psi 이하인 방법.
- 제13항에 있어서, 승압 조건이 0.5 내지 40 psi의 범위인 방법.
- 제13항에 있어서, 승압 조건을 10초 미만의 기간 동안 유지하는 것인 방법.
- 제13항에 있어서, 분배하는 동안 250℉ 이하의 승온 조건을 적용하는 것인 방법.
- 제13항의 방법에 의해 형성된 윤곽지어진 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
윤곽지어진 경화성 부품-포함 인클로저를, 윤곽지어진 경화성 부품을 경화시켜 윤곽지어진 복합 부품을 형성하기 위한 250℉ 이하의 승온 및/또는 200 psi 이하의 승압 조건 하에 두는 단계
를 포함하는, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법. - 제22항에 있어서, 인클로저가 진공 하에 있는 것인 방법.
- 제22항에 있어서, 인클로저가 20 내지 30 인치Hg의 진공 하에 있는 것인 방법.
- 제22항에 있어서, 인클로저가 통기성인 방법.
- 삭제
- 자기-지지형 자기-이형가능 비경화성인, 사전-슬릿화된 프리프레그의 하나 이상의 스풀을 실온에서 제공하며, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 미개량(unadvanced) 열경화성 수지 성분 및 복수의 연속 탄소 섬유를 포함하고, 여기서 수지 성분은 250℉ 이하의 승온 조건에 노출시 연화되는 것이고, 여기서 사전-슬릿화된 프리프레그는 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, 여기서 이들 표면 중 적어도 하나는 점착성이 없는 것인 단계;
사전-슬릿화된 프리프레그를 윤곽지어진 배열로 툴의 표면 상에 배치하기 위해 하나 이상의 스풀로부터 분배하여 툴 표면 주위에 세팅된 윤곽지어진 경화성 부품을 형성하며, 여기서 상기 배치는 배치되는 사전-슬릿화된 프리프레그에 대한 200 psi 이하의 승압 조건의 적용으로 일어나는 것인 단계; 및
배치된 윤곽지어진 경화성 부품을 조정하여 툴 표면 주위에 예정된 부품 구성을 형성하는 단계
를 포함하는, 사전-슬릿화된 프리프레그를 배치하여 윤곽지어진 복합 부품을 형성할 수 있는 프리프레그 층을 형성하는 자동화 방법. - 제27항에 있어서, 사전-슬릿화된 프리프레그의 폭이 0.125 내지 0.5 인치인 방법.
- 삭제
- 제27항에 있어서, 승온 조건이 75 내지 250℉의 범위인 방법.
- 삭제
- 제27항에 있어서, 승압 조건이 40 psi 이하인 방법.
- 제27항에 있어서, 승압 조건이 0.5 내지 40 psi의 범위인 방법.
- 제27항에 있어서, 승압 조건을 10초 미만의 기간 동안 유지하는 것인 방법.
- 제27항에 있어서, 분배하는 동안 250℉ 이하의 승온 조건을 적용하는 것인 방법.
- 제27항에 있어서, 점착성이 툴 또는 사전-슬릿화된 프리프레그 표면에 대한 접착력으로서 측정되는 것인 방법.
- 제27항에 있어서, 수지 성분이 고체 형태이고 250℉ 이하의 승온 조건에 노출시 연화되는 것인 방법.
- 제27항의 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기 위한 250℉ 이하의 승온 및/또는 200 psi 이하의 승압 조건 하에 두는 단계
를 포함하는, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법. - 제38항에 있어서, 인클로저가 진공 하에 있는 것인 방법.
- 제38항에 있어서, 인클로저가 20 내지 30 인치Hg의 진공 하에 있는 것인 방법.
- 제38항에 있어서, 인클로저가 통기성인 방법.
- 삭제
- 자기-지지형 자기-이형가능 비경화 프리프레그를 실온에서 제공하며, 여기서 비경화 프리프레그는 미개량 열경화성 수지 성분 및 복수의 연속 탄소 섬유를 포함하고, 여기서 비경화 프리프레그는 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, 이들 표면 중 적어도 하나는 점착성이 없는 것인 단계; 및
비경화 프리프레그 상의 한정된 위치에 250℉ 이하의 승온 조건 및 200 psi 이하의 승압 조건을 적용하면서 툴 주위에 3차원 배열로 배치하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 단계
를 포함하는, 비경화 프리프레그를 레이-업하여 3차원 경화성 부품을 형성하는 자동화 방법. - 제43항의 방법에 의해 형성된 3차원 경화성 부품을 인클로저 내에 배치하는 단계; 및
3차원 경화성 부품-포함 인클로저를, 3차원 경화성 부품을 경화시켜 3차원 복합 부품을 형성하기 위한 250℉ 이하의 승온 및/또는 200 psi 이하의 승압 조건 하에 두는 단계
를 포함하는, 3차원 복합 부품을 제조하는 방법.
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