KR102202254B1 - 연속 압축 몰딩 공구 다이를 위한 스태거 베벨 - Google Patents

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Abstract

공구 다이를 가진 예비 성형 열가소성수지 복합재료 적층판으로부터 열가소성 복합재료 부품을 조립하기 위한 연속 압축 성형 공정 및 장치는 공구 다이의 입구측에서 스태거 베벨 형상을 가지고 있다. 공구 다이의 입구 가장자리의 폭을 따라 표면 윤곽에서 굽음부 사이에서 각 섹션에서 베벨 형상의 길이를 스태거링 하는 것은 과도한 재료가 끼워 넣어지고 마무리된 열가소성수지 복합재료 부품에 주름을 형성하는 것을 방지한다. 공구 다이의 폭을 따른 각 섹션에서 테이퍼의 길이는 예비 성형 부품의 펄스 전진 거리와 맞추어 조정되어진다.

Description

연속 압축 몰딩 공구 다이를 위한 스태거 베벨{STAGGERED BEVEL FOR CONTINUOUS COMPRESSION MOLDING TOOLING DIES}
본 발명은 일반적으로 열가소성수지 복합재료 부품(thermoplastic composite parts)에 관한 것이고, 좀 더 구체적으로는 열가소성수지 적층판( (thermoplastic composite laminates)으로부터 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위한 연속 압축 몰딩 장치 및 방법에 관한 것이다.
많은 공정들이 열가소성수지 복합재료 부품들을 조립하기 위해 존재한다. 프레스 가공(pressing), 스탬핑 가공(stamping) 및 오토클레이브 성형(autoclave forming) 같은 비-연속 공정에 부가하여, 압출 성형(extrusion), 인발 성형(pultrusion), 롤 성형(roll forming), 그리고 압축 성형(compression molding) 같은 연속 공정들이 있다. 양한 단면 구성들을 가진 직선 및 곡선의, 연속하는 길이, 열가소성수지 복합재료 부품을 성형하기 위해 연속하는 조립 공정들의 예들이 미국특허 제7,807.005호(루빈 외), 제7,871,553호(윌커슨 외) 및 제8,333,858호(루빈 외)에 나타나 있고, 그들 각각은 여기에 참조로 그것 전체가 반영되어 있다.
앞의 공정들은 예를 들어, 항공우주산업을 포함하여 광범위한 다양한 잠재적 적용분야에 적용할 수 있는 용도를 찾을 수 있다. 공정들은 이상적으로 항공기 동체(an aircraft fuselage)의 지지 뼈대(supporting framework)에서 보강 부재와 같이 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하는데 적당하다. 열가소성수지 복합재료 보강 부재의 예들은 동체 외판(fuselage skins)으로 제한되지 않고, 날개 외판, 제어 표면, 도어 패널, 접근 패널(access panels), 용골 보(keel beams), 가로 보(floor beams) 및 갑판 보(deck beams)를 포함한다.
열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위한 연속 압축 몰딩(a continuous compression molding(CCM)) 공정의 전형적인 실행에서, 하나 이상의 굳지 않은 열가소성수지 플라이(unconsolidated thermoplastic plies)들이 CCM 공정 조립으로 공급되는 열가소성수지 복합재료 블랭크(a thermoplastic composite material blank)를 형성하도록 스테인리스강 박판(stainless steel foils) 또는 캡톤 레이어(kapton layers)로 양 측면에 덮여진다. CCM 공정 조립은 서로에 대해 순차적 관계로 제공되는 예비 성형 유닛(a pre-forming)과 프레스 또는 압밀(壓密) 유닛(consolidation unit)을 가지고 있다. 다른 유닛이 예를 들어, 부품의 길이 또는 다른 형상이나 모양을 따른 곡선부를 부품의 프레스 가공된 형상으로 제공하기 위하여 포함되고, 예비 성형 유닛 또는 압밀 유닛이 그런 모양을 제공하도록 구성되어진다.
CCM 공정 조립의 예비 성형 유닛은 하나 또는 다수의 실감개(one or multiple spools) 위에 감기는 실감개-롤 재료의 형태, 또는 적재된 재료 형태로 어떤 정의된 레이업(layup)에서 편평 또는 평면 열가소성수지 복합재료 블랭크의 연속적 공급을 수용하기에 알맞은 유입 단부(an intake end)를 가지고 있다. 예비 성형 유닛은 열가소성수지 복합재료 블랭크를 설정된 단면 구성을 가진 예비 성형 적층판(a pre-formed laminate)을 성형하는 성형 표면(forming surfaces)을 가진다. 예비 성형 유닛은 다양한 성형 표면을 사용하고, 열가소성수지 복합재료 블랭크에 설정된 단면 구성을 주기에 적합한 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에서 잘 알려진 많은 설계를 가지고 있다.
설정된 단면 구성을 가진 예비 성형 적층판은 예비 성형 유닛을 나와서 CCM 공정 조립의 압밀 유닛을 들어가고, 예비 성형 적층판에서 하나 또는 다수의 플라이들이, 상기에서 기재된 보강 부재와 같이, 열과 압력을 사용하여 단일, 프레스 및 합체된 열가소성수지 복합재료 부품을 성형하도록 압밀되어진다. 도 1을 참조하면, 예를 들어, 압밀 유닛은 예비 성형 유닛의 성형 표면과 만나는 하나 이상의 대응된 세트의 공구 다이(1)를 포함한다. 대응된 세트의 공구 다이(1)의 대응 세트에서 상부 공구 다이(an upper tooling die)(2)는(공구 다이(1)에서 전진하는 것으로 도시된) 예비 성형 적층판(5)의 상부 표면(4)의 윤곽에 대응하는 제1 윤곽 표면(a first contoured surface)(3)이 제공된다. 하부 공구 다이(a lower tooling die)(6)는 예비 성형 적층판(5)의 하부 표면(8)의 윤곽과 대응하고 제1 윤곽 표면(3)에 상보적인 제1 윤곽 표면(7)이 제공된다. 공구 다이(1)는 상부 공구 다이(2)와 하부 공구 다이(6)가 연장되어 공구-닫힘 위치(도 1에 도시됨)와 철회되어 공구-개방 위치(tool-open position) 사이에서 서로로 향하고 떨어지게 이동시키는 기계적, 전기적, 유압적, 공압적 또는 다른 타입의 작동기(actuators)(도시되지 않음)에 연결되어 있다. 예비 성형 적층판(5)인 상부 공구 다이(2)와 하부 공구 다이(6) 사이에서 이동함에 따라, 예비 성형 적층판(5)이 가열되고, 공구 다이(1)는 요구된 형상 및 두께로 예비 성형 적층판(5)에서 열가소성수지 플라이를 압밀하기에 충분한 압력을 제공한다.
예비 성형 적층판(5)이 도 1에 도시된 "모자(hat)" 형상 단면 구성과 같은, 2 이상 굽음부(bends), 그리고 3 이상 세그먼트를 가진 단면 구성을 가질 때, 예비 성형 적층판(5)에서 열가소성수지 플라이의 한 측면 또는 양쪽 측면 주위의 스레인리스강 박판 또는 캡톤 레이어가 예비 성형 적층판(5)이 공구 다이(1) 내로 전진 및 통과함에 따라 공구 다이(1)의 경사진 측면 세그먼트(9)에 의해 갇히게 된다는 것이 알려져 왔다. 이는 공구 다이(1)의 표면(3, 7)을 따라 예비 성형 적층판(5)이 잘 미끄러지는 것을 방지하고, 그리고 박판 및/또는 예비 성형 적층판에 주름(10)을 형성하게 한다. 박판 및/또는 예비 성형 적층판(5)의 주름은 부품 품질을 감소시키고 폐기율과 생산 비용을 증가시킨다. 그러므로 복합재료 또는 박판 또는 캡톤 재료 레이어에서 주름 없이 열가소성수지 복합재료 부품의 조립하게 하고, 폐기율과 생산 비용을 줄이고, 그리고 부품 품질 및 다른 효율성을 증가시키는 공정 기술 및 시설을 증진시키도록 하는 요구가 있다.
분명하게 될 다른 목적은 물론 앞에서의 목적들은 공구 다이가 공구 다이의 입구측에서 스태거 베벨 특성을 가지는, 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위하여 CCM 공정에서 공구 다이를 제공하는 것에 의해 일반적으로 달성되어진다. 공구 다이의 인입 가장자리(incoming edge)로부터, 단면 구성의 각 세그먼트에서 베벨 형상의 길이를 스태거링 하는 것은 공구 다이 사이에 초과 재료가 끼여지는 것을 방지하고 주름이 마무리된 열가소성수지 부품에 형성되는 것을 방지한다.
아래에서 상세히 기재된 주제의 하나의 측면은 연속 압축 몰딩 공정에서 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위한 공구 다이이다. 공구 다이는 단면 구성에서 적어도 제1 세그먼트와 제2 세그먼트를 성형하는 적어도 제1 굽음부를 포함하는 단면 구성을 가진 윤곽 표면을 가지고 있다. 베벨 형상은 제1 세그먼트에서 입구측으로부터 제1 길이를 연장하고, 제2 세그먼트에서 입구측으로부터 제1 길이 보다 더 큰 제2 길이를 연장하는 공구 다이의 입구측에 포함되어 있다. 제2 세그먼트는 공구 다이의 외부 가장자리에 제1 세그먼트보다 더 가깝게 위치되어진다.
또 다른 측면은 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위한 방법은, 단면 구성에서 적어도 제1 세그먼트와 제2 세그먼트를 성형하는 적어도 제1 굽음부를 포함하는 단면 구성을 갖는 예비 성형 적층판에 열가소성수지 복합재료 블랭크를 예비 성형하는 단계; 그리고 예비 성형 적층판의 단면 구성에 대응된 윤곽 표면을 가진 상부 및 하부 공구 다이를 가진 다이 프레스(a die press) 및 단면 구성의 제1 세그먼트에서 입구측으로부터 제1 길이를 연장하고, 단면 구성의 제2 세그먼트에서 입구측으로부터 제1 길이 보다 더 큰 제2 길이를 연장하는 공구 다이의 입구측에서 베벨 형상을 제공하는 단계; 그리고 예비 성형 적층판을 다이 프레스로 압밀하는 단계를 포함한다. 단면 구성의 제2 세그먼트는 공구 다이의 외부 가장자리에 제1 세그먼트보다 더 가깝게 위치되어진다.
또 다른 측면은 연속 압축 성형된 열가소성수지 복합재료 부품의 표면 마크 오프(surface mark-off)를 방지하기 위한 방법은, 단면 구성에서 적어도 제1 세그먼트와 제2 세그먼트를 성형하는 적어도 제1 굽음부를 포함하는 단면 구성을 가진 예비 성형 적층판을 예비 성형하는 단계; 예비 성형 적층판의 단면 구성에 대응된 윤곽 표면을 가진 상부 및 하부 공구 다이의 입구측에서 스태거 베벨 형상으로 예비 성형 적층판을 공급하는 단계; 그리고 압력이 제2 세그먼트에 적용되기 전에 제1 세그먼트에서 스태거 베벨 형상으로부터 압력을 적용하기 위하여 공구 다이를 통하여 예비 성형 적층판을 전지시키는 단계를 포함한다. 단면 구성의 제2 세그먼트는 공구 다이의 외부 가장자리에 제1 세그먼트보다 더 가깝게 위치되어진다.
단면 구성의 각 세그먼트에서 베벨 형상의 길이는 예비 성형 적층판이 진행하는 펄스 거리(a pulse distance)로 조정되고, 그래서 단면 구성의 가장 내부 세그먼트에서 베벨 형상의 길이는 가장 짧은 길이를 가지고, 그리고 공구 다이의 외부 가장자리로 향하여 각 연속 세그먼트에서 베벨 형상은 펄스 거리의 짝수 배수의 의해 증가하여 더 길어진다는 것이 또한 알려져 있다.
스태거 베벨의 다른 목적, 특징 및 이점들은 상세한 설명이 아래의 도면과 연결되어 고려될 때 분명해질 것이다.
이 이후에 다양한 실시 예들이 본 발명의 앞에서 및 다른 측면들을 나타내는 목적을 위한 도면들을 참조하여 기술되어질 것이다.
도 1은 "모자(hat)" 형상 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위한 상부 및 하부 공구 다이의 단면도를 나타내는 다이어그램이다.
도 2a 내지 2e는 "U", "I", "Z", "J" 그리고 "모자" 형상의 단면 구성을 가지고 제조되어지는 열가소성수지 복합재료 부품의 단면을 도시하는 다이어그램이다.
도 3a는 도 1에서 SS-SS, MS-MS 그리고 SS-SS 라인을 따라 하부 공구 다이의 표면 윤곽에서 베벨 형상의 부분 단면도를 나타내는 다이어그램이다.
도 3b는 도 1에서 SS-SS, MS-MS 그리고 SS-SS 라인을 따라 하부 공구 다이의 표면 윤곽에서 대안적인 베벨 형상의 부분 단면도를 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 하부 공구 다이의 사시도를 나타내는 다이어그램이다.
도 5a는 도 4에서 A-A, B-B 그리고 C-C 라인을 따라 하부 공구 다이의 표면 윤곽에서 스태거 베벨 형상의 부분 단면도를 나타내는 다이어그램이다.
도 5b는 도 4에서 A-A, B-B 그리고 C-C 라인을 따라 하부 공구 다이의 표면 윤곽에서 대안적인 스태거 베벨 형상의 부분 단면도를 나타내는 다이어그램이다.
도 6은 스태거 베벨 형상을 사용하는 연속 압축 몰딩 공정을 도시하는 흐름도(a flow diagram)이다.
도 7은 항공기 생산 및 서비스 방법의 흐름도이다.
도 8은 항공기의 블록다이어그램이다.
도면 번호는 이 이후에는 다른 도면에서 유사 구성 요소는 같은 도면 번호를 가지고 도면에 기재되어질 것이다.
아래의 상세한 설명은 공구 다이의 입구 가장자리 근접하거나 또는 가장자이에서 스태거 베벨 형상을 가지는 CCM 공정 조립의 압밀 유닛에서 공구 다이를 가진 열가소성수지 복합재료 박판(thermoplastic composite laminates)의 연속 압축 몰딩(continuous compression molding (CCM))을 위한 방법 및 장치를 기재한다. 스태거 베벨 형상은 예비 성형 적층판이 공구 다이를 통하여 전진함에 따라 예비 성형 적층판의 과도한 재료가 공구 다이의 측면으로 향하여 공구 다이의 중간으로부터 측면으로 바깥쪽으로 밀려지는 것을 허용하고, 그래서 마무리된 열가소성수지 복합재료 부품에서 성형으로부터 주름을 방지한다.
기재된 방법 및 장치는 예를 들어, "V" 형상 단면 구성에서와 같이, 2 이상 세그먼트를 형성하는 평면이거나 또는 하나 이상의 굽음부 또는 곡선부를 가지는 단면 구성을 포함하는 어떤 단면 구성을 가지는 열가소성수지 복합재료 부품들을 조립하도록 CCM 공정과 함께 사용되어진다. 상기 방법과 장치의 스태거 베벨 형상은 "U" ( 또는 채널), "I", "Z", "J", "T" 형상 단면 구성 또는 다른 바람직한 단면 구성들과 같이, 단면 구성에 3 이상 세그먼트를 형성하는 2 이상 굽음부를 가지는 단면 구성을 가진 열가소성수지 복합재료 부품을 조립할 때 향상을 제공한다. 연속 조립 공정으로 성형된 열가소성수지 복합재료 부품들에 대한 단면 구성의 예들은 도 2a-2e에 도시되어 있고, 도 2a는 채널, 도 2b는 I-빔, 도 2c는 Z-빔, 도 2d는 J-빔, 그리고 도 2e는 모자(hat) 형상이다.
CCM 공정 조립은 도 1에 도시된 타의 공구 다이를 가지는 압밀 유닛(a consolidation unit)을 전형적으로 사용한다. 도 1은 한 세트의 공구 다이(1)의 폭을 가로지르는 입구 단면도를 나타낸다. 상부 공구 다이(2)는 제1 윤곽 표면(3)을 가지고, 하부 공구 다이(6)는 제1 공구 윤곽 표면(3)에 상보적인 제2 윤곽 표면(7)을 가지고 있다. 윤곽 표면(3, 7)은 제1 및 제2 각이진 측면 세그먼트(9)에 의해 둘러싸인 중간 세그먼트(11)를 가지는 "모자(hat)" 형상의 단면 구성을 형성하고, 그리고 중간 세그먼트(11)와 측면 세그먼트(9) 사이에 굽음부(bends)(12)를 형성한다.
공구 다이(1)의 입구 단부는 예비 성형 유닛의 출구 단부로부터 예비 성형 적층판(5)을 수용하기에 적합하다. 입구 단부는 압밀 유닛으로 들어감에 따라(즉, 예비 성형 적층판(5)의 입구를 위해 상부 공구 다이(2)의 제1 윤곽 표면과 하부 공구 다이(6)의 제2 윤곽 표면(7) 사이에 충분한 틈(clearance)을 제공하도록) 예비 성형 적층판(5)에서 플라이의 체적 인자(the bulk factor of the plies) 수용하고 마크오프(mark-off)를 방지하도록 입구 가장자리에 근접한 둥근 입구 가장자리(a rounded incoming edge)와 베벨 형상(a bevel feature )을 가진다. 베벨 형상은 윤곽 표면(3, 7)이 더 가까이 모이면 점점 증가하는 압력을 제공하도록 입구 가장자리에서 더 넓어지고 점점 감소하는 상부 공구 다이(2)와 하부 공구 다이(6)의 윤곽 표면(3, 7) 사이에 공간을 제공하는 테이퍼 부분을 포함한다.
도 3a 및 3b는 도 1의 SS-SS 라인(측면 세그먼트(9)에서 표면 윤곽을 도시하는)과 MS-MS 라인(중간 세그먼트(11)에서 표면 윤곽을 도시하는)을 따라 길이의 방향에서 하부 공구 다이(6)의 입구 가장자리(16)에 근접한 윤곽 표면(7)의 부분 단면도이다. 상부 공구 다이(2)의 윤곽 표면(3)의 부분 단면도는 같다. 예비 성형 적층판(5)은 화살표(15)에 의해 도시된 방향에서 공구 다이(1)를 통과한다. 입구 가장자리(the incoming edge)는 공구 다이(1)에 매끄러운 입구(a smooth entry)를 제공하도록 둥글게 되어 있다. 입구 가장자리(16)에 인접한 윤곽 표면(7)은 윤곽 표면(7)이 요구된 높이(17)에 도달될 때 까지 입구 가장자리(16)자리로부터 위로 점점 윤곽 표면(7)을 올리는 테이퍼 부분(14)을 포함하는 베벨 형상을 포함한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 테이퍼 부분(14)은 입구 가장자리(16)에서 시작하여 입구 가장자리(16)에서 윤곽 표면(7)의 요구된 높이까지 연장한다. 테이퍼 길이(20)는 점선(210에 의해 도시된 것처럼 중간 세그먼트(11)와 측면 세그먼트에서 같다. 도 3b에서, 테이퍼 부분(14)은 입구 가장자리(16)로부터 단거리(a short distance)(18)를 시작하여 요구된 높이(17)까지 테이퍼 길이(20)를 연장한다. 단거리(18)와 테이퍼 길이(20)는 도 3b에서 점선(22, 23)에 의해 도시된 것처럼, 중간 세그먼트(11) 및 측면 세그먼트99)에서 동일하다. 입구 가장자리(16)로부터 단거리(18)는 (도 3b에 도시된 것처럼) 편평하거나 또는 그것이 테이퍼 부분(14)의 경사각과 다른 경사각을 가진 제2 테이퍼 부분(도시되지 않음)을 포함한다.
공구 다이의 입구 가장자리부터 측정되거나 또는 입구 가장자리로부터 단거리가 측정된 때 단면 구성의 각 세그먼트에서 베벨 형상에서 테이퍼 부분의 길이를 스태거링 하는 것은 과도한 재료가 공구 다이 사이에 끼이거나 열가소성수지 복합재료 부품들에서 성형으로부터 주름을 방지한다는 것이 알려져 있다. 테이퍼 부분은 단면 구성의 중간 세그먼트에서 테이퍼 부분의 길이는 가장 짧은 테이퍼이고, 그리고 공구 다이의 측면을 향하여 이동하여 나가는 각 연속하는 인접 세그먼트에서 테이퍼 부분의 길이는 앞의 연속하는 인접 세그먼트에서 테이퍼 부분의 길이 보다 증가하여 더 길어지게 그렇게 배열되어진다. 이런 방법에서 테이퍼 부분의 길이를 스태거링 하는 것은 예비 성형 적층판이 공구 다이를 통과하여 전진하면 중간 세그먼트에서 중간 세그먼트의 양측의 다음 인접 세그먼트 까지, 그런 다음 인접 세그먼트까지, 공구 다이의 측면을 향하여 예비 성형 적층판의 과도한 재료가 측면으로 밀려지는 것을 허용한다.
스태거 베벨 형상을 사용하는 예시적인 하부 공구 다이(30)가 도 4에 도시되어 있다. 공구 다이(30)는 모자 형상 단면 구성을 가진 예비 성형 적층판을 압밀하기 위한 윤곽 표면(32)을 가지고 있다. 표면 윤곽은 중간 세그먼트(34), 그리고 측면 세그먼트(36) 및 중간 세그먼트(34)의 양 측면에 외부 세그먼트(38)를 가지고 있다. 여기에 기재된 스태거 베벨 형상은 어떤 단면 구성을 가지고 사용되지만, 스태거 베벨 형상의 이점들은 예를 들어, 도2a-2e에 도시된 타입의 적어도 두 개의 굽음부와 세 개의 세그먼트를 가지는 단면 구성에 향상되고 있다.
하부 공구 다이(30)는 한 세트의 공구 다이(1)의 수 부분(the male portion)이고, 그리고 상보적인 윤곽 표면을 가지는 상부 공구 다이(도시되지 않음)와 함께 다루어진다. 도 4에서 화살표(40)는 예비 성형 적층판이 입구측(an entry side)(42)에서 출구측(도시되지 않음)으로 공구 다이를 통과하여 지나가는 방향을 도시한다.
공구 다이(30)의 입구측(42)은 압밀 유닛의 공구 다이 사이에 삽입되는 예비 성형 적층판의 체적 인자를 수용하도록 상부 공구 다이의 상보적 윤곽 표면과 하부 공구 다이(30)의 윤곽 표면(32) 사이의 입구측(42)에서 공간을 증가시키는 베벨 형상(44)을 포함한다. 베벨 형상(44)은 공구 다이(30)의 입구 가장자리(46)로부터 길이를 연장하고, 그리고 입구 가장자리(46)(도 5a) 또는 입구 가장자리(46)로부터 단거리(도 5b)로부터 연장하는 테이퍼 부분(48)을 포함한다.
도 5a 및 5b는 도 4에서 A-A, B-B 및 C-C 라인에 따른 3개의 부분 단면도에서 예시적인 하부 공구 다이(30)에서 사용되는 예시적 스태거 베벨 형상을 도시하고 있다. 라인 A-A에서 단면은 중간 세그먼트(34)에서 베벨 형상을 나타낸다. 라인 B-B에서 단면은 측면 세그먼트(36)에서 베벨 형상을 나타낸다. 라인 C-C에서 단면은 외부 세그먼트(38)에서 베벨 형상을 나타낸다. 세그먼트(34, 36, 38)의 각각에서, 입구 가장자리(46)는 그것이 공구 다이로 들어감에 따라 예비 성형 적층판을 걸고, 부수거나 찢을 수 있는 날카로운 가장자리를 방지하도록 충분할 정도로 둥글게 되어 있다. 베벨 형상은 윤곽 표면(32) 아래에서 깊이(50)까지 입구 가장자리(46)가 낮아지게 제공한다.
도 5a를 참조하면, 세그먼트 각각에서 베벨 형상은 테이퍼 부분(48)이 요구된 높이에 도달할 때 까지 하부 입구 가장자리(46)로부터 길이 LA, LB 또는 LC를 연장하는 점점 증가하는, 상부 테이퍼 부분(48)을 포함한다. 테이퍼 부분(48)은 상기에서 기재된 바와 같이, 요구된 깊이(50)와 베벨 형상의 길이 LA, LB 또는 LC에 의해 결정된 각(52)이 제공된다.
도 5b에 도시된 대안적 실시 예에서, 세그먼트의 각각에서 베벨 형상(44)은 입구 가장자리(46)와 테이퍼 부분(48) 사이에 위치된 편평 부분(a flat section)(54)을 또한 포함한다. 편평 부분(54)은 입구 가장자리(46)로부터 약 3인치까지, 바람직하게는 약 2인치까지 연장하는 길이(56)를 가지고 있다. 편평 부분(54)의 길이(56)는 중간 세그먼트(34), 측면 세그먼트(36) 및 외부 세그먼트(38)의 각각에서 같다. 본 발명에서 1인치는 2.54cm를 나타낸다.
중간 세그먼트(34), 측면 세그먼트(36) 및 외부 세그먼트(38) 각각에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LA, LB 및 LC는 다르다. 중간 세그먼트(34)에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LA는 가장 짧다(즉, 중간 세그먼트(34)에서 베벨 형상(44)은 입구 가장자리(46)에 가장 가깝게 끝난다. 측면 세그먼트(36)에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LB는 중간 세그먼트(34)에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LA보다 더 길다. 외부 세그먼트에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LC는 측면 세그먼트(36)에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LB보다 더 길고, 그래서 가장 긴 테이퍼 부분(48)이다. 그러므로 세그먼트(34, 36, 38)의 각각에서 입구 가장자리(46)로부터 베벨 형상(44)의 길이는 가장 짧은 길이를 가지는 중간 세그먼트에서 베벨 형상과 가장 긴 길이를 가지는 외부 세그먼트에서 베벨 형상을 제공하기 위하여 스태거되어지고, 중간 세그먼트에서 외부 세그먼트까지 각 연속하는 인접 세그먼트에서 베벨 형상의 길이는 바로 앞의 인접하는 세그먼트보다 더 길다.
테이퍼 부분(48)의 길이를 스태거링하고 그래서 중간 세그먼트(34), 측면 세그먼트(36) 및 외부 세그먼트(38)에서 베벨 형상(44)의 길이는, 베벨 형상(44) 및 공구 다이(30)의 윤곽 표면(32) 사이에 경계(the border)(60)를 나타내는, 도 5a 및 5b에서 수직 점선(58)에 의해 도시되어 있다. 중간 세그먼트(단면 A-A로 도시됨)에서 경계(60)는 입구 가장자리(46)에 가장 가깝고, 그래서 중간 세그먼트(34)에서 베벨 형상(44)은 가장 짧다. 유사하게, 외부 세그먼트(38)에서 경계(60)는 입구 가장자리(46)로부터 가장 긴 거리이고, 그래서 외부 세그먼트(38)에서 베벨 형상(44)은 가장 길다.
인접 세그먼트 또는 스태거 증가부(the stagger increment)(62)에서 테이퍼 부분(480의 길이 LA, LB, LC 사이에서 차이는 거의 같다. 예를 들어, 중간 세그먼트(34)에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LA는, 측면 외부 세그먼트(38)에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LC보다 1/4 인치 더 짧은, 측면 세그먼트(36)에서 테이퍼 부분(48)의 길이 LB보다 1/4 인치 더 짧다. 스태거 증가부(62)는 예비 성형 적층판의 크기 및 형상에 기초하여 약 1/8 인치에서 약 1인치까지 변화하고, 모든 스태거 증가부(62) 영역은 거의 동등하게 제공된다.
CCM 공정 조립에서 압밀 유닛은 공구 다이가 수축되어 공구-개방 위치에 있는 동안에 예비 성형 유닛으로부터 떨어지고 압밀 유닛 내에서 예비 성형 적층판을 앞쪽으로 점진적으로 전진시키는 펄스 장치(a pulsating device)를 가지고 있다. 예비 성형 적층판은, 사용된 재료 및 압밀의 요구 레벨과 같은 인자들에 종속하여, 미리 결정된 개별 길이(즉, 펄스 거리(a pulse distance)), 예를 들어 1/4 인치, 1/2 인치 또는 3/4 인치로 점차적으로 전진되어진다. 상부 및 하부 다이는 예비 성형 적층판의 전방 이동이 멈추어질 때 공구 다이 사이에서 예비 성형 적층판의 부분을 압밀하기에 충분한 미리 정의된 힘과 압력에서 서로로 향하여 이동되어지고, 그리고 그때 다이들은 예비 성형 적층판이 펄스 거리를 전진하는 것을 허용하도록 개방되어진다. 전진과 멈춤의 이 공정은 예비 성형 적층판의 전체 길이가 압밀되어질 때 까지 반복된다.
스태거 증가부(62)는 펄스 거리의 균등 배수(an even multiple of the pulse distance) (예들 들어, 1, 2, 3 또는 더 이상 배수)로 있게 선정되어진다. 예를 들어, 예비 성형 부품의 펄스 거리가 매 10초당 1/4 인치이면, 베벨 형상(44)의 스태거 증가부(62)는 1/4 인치, 1/2 인치 또는 3/4 인치이다. 그러므로 베벨 형상(44)의 스태거 증가부(62)는 예비 성형 적층판의 펄스 거리와 맞추어진다.
베벨 형상(44)에서 테이퍼 부분(48)의 깊이(50) 및 길이 LA, LB, LC는 조립되어지는 열가소성수지 복합재료 부품의 형상에 기초하여 일반적으로 결정되어진다. 깊이(50)는 예비 성형 유닛을 떠남에 따라 예비 성형 적층판의 두께에 기초되어진다. 입구 가장자리(46)에서 베벨 형상(44)의 깊이(50)는 윤곽 표면(32)의 높이 아래에서 0.050에서 0.300 인치 사이가 바람직하다. 테이퍼 부분(48)의 길이 및 그래서 베벨 형상(44)은 열가소성수지 복합재료 박판 재료의 특성들에 기초하여 결정되어지고, 상기에 기재된 것처럼 스태거 베벨 형상(44)을 형성하기 위하여 단면 구성의 각 세그먼트는 다르다. 베벨 형상(44)과 공구 다이(30)의 윤곽 표면(32) 사이에서 입구 가장자리(46)에서 경계(60)까자 중간 세그먼트(34), 측면 세그먼트(36) 및 외부 세그먼트(38)의 각각에서 베벨 형상(44)의 길이는 약2에서 6인치의 범위에 있다.
도 6은 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위하여 스태거 베벨 형상을 가진 공구 다이를 사용하는 연속 압축 몰딩 공정(80)의 흐름도이다. 단계 72에서, 조립되어질 열가소성수지 복합재료 부품의 단면 구성이 선택되고 요구된 크기 및 형상이 결정되어진다. 부품의 형상은 보상 설계(a compensated design)를 창출하는 스프링 백(springback)을 위한 단계 74에서 그 때 해석되어진다. 단계 76에서, 조립율(the fabrication rate)과 펄스 거리(pulse distance)는 조립되어지는 열가소성수지 복합재료 부품의 크기 및 형상, 그리고 관련 기술 분야에서 알려진 다른 공정 파라미터에 기초하여 선택되어진다. 단계 78에서, 공구 설계는 조립되어질 부품의 보상 설계와 일치하도록 선택되어지고, 그리고 열, 압력과 전진 속도 및 거리와 같은 공정 파라미터들이 결정되어진다. 공구 설계는 공구 다이(30)의 중간 세그먼트(34)를 위한 공칭 베벨 길이 및 깊이를 결정하도록 단계 80에서 개선되어진다. 측면 세그먼트(36)의 베벨 길이와 깊이 및 외부 세그먼트(38)와 같은 어떤 추가적 세그먼트는, 중간 세그먼트(34)의 각 연속하고, 인접하는 세그먼트의 테이퍼 부분(48)의 길이 LA, LB, LC는 상기에 기재된 바와 같이 바로 앞에서 인접하는 세그먼트보다 더 커지게, 단계 82에서 그때 결정되어진다. 스태거 베벨 설계를 가진 공구 다이는 단계 84에서 그 때 조립되어지고, 열가소성수지 복합재료 부품은 단계 86에서 스태거 베벨 설계를 가진 공구 다이를 사용하여 조립되어진다.
본 발명의 실시 예들은 도 7에 도시된 항공기의 제조 및 서비스 방법(100)과 도 8에 도시된 항공기(102)의 맥락에서 기술되어진다. 제작 준비 단계 동안에, 예시적 방법(100)은 항공기(102)의 사양 및 설계(specification and design)(104)와 공구 다이의 설계 및 열가소성수지 복합재료 부품들을 조립하기 위한 CCM 공정을 포함하는 자재조달(material procurement)(106)을 포함한다. 생산 동안에, 항공기(102)의 구성요소 및 하위조립체 제조(108)와 시스템 통합(110)이 일어난다. 그 후, 항공기(102)는 서비스 상태(in service)(114)에 놓이도록 인증 및 인도(112)를 통과한다. 고객에 의해 서비스 상태에 있는 동안에 (수정(modification), 구조변경(reconfiguration), 재정비(refurbishment) 등을 또한 포함하는) 일상적 보수 및 점검()(116)이 계획되어 있다.
방법(100)의 각 공정들은 시스템 통합자, 제3자 및/또는 사용자(예들 들어, 고객)에 의해 수행 또는 실행되어진다. 설명을 목적으로, 시스템 통합자는 제한 없이 많은 항공기 제조업자 및 주요-시스템 하도급업자(major-system subcontractor)를 포함하고; 제2자는 제한 없이 많은 수의 판매회사, 하도급업자, 그리고 공급회사를 포함하고; 사용자는 항공회사, 리스회사, 군용업체, 서비스 기구 등이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 예시적 방법(100)에 의해 생산된 항공기(102)는 다수의 시스템(a plurality of systems)(120)과 인테리어(an interior)(122)를 가진 기체(an airframe)(118)를 포함한다. 고-레벨 시스템(120)의 예들은 추진 시스템9124), 전기 시스템(126), 유압 시스템(126), 그리고 환경 시스템(130)을 포함한다. 많은 다른 시스템들이 포함되어진다. 항공우주 예들이 도시되어 있어도, 발명의 원리는 열가소성수지 복합재료 부품을 사용하는 다른 산업들에도 적용되어진다.
여기에 구체화된 장치와 방법들은 어떤 하나 이상의 생산 및 서비스 방법(100)의 단계들 동안에 사용되어진다. 예를 들어, 생산 공정(108)에 대응하는 구성요소 또는 하위조립체는 항공기(102)가 서비스 상태에 있는 동안에 생산된 구성요소 또는 하위조립체와 유사한 방법으로 조립 또는 제조되어진다. 또한, 하나 이상의 장치 실시 예들, 방법 실시 예들, 또는 그들의 조합이 예를 들어, 실질적으로 항공기의 비용을 감소시키거나 또는 신속하게 조입하는 것에 의해 생산 단계(108, 110) 동안에 사용되어진다. 유사하게, 하나 이상의 장치 실시 예들, 방법 실시 예들, 또는 그들의 조합이 항공기(102)가 서비스 상태에 있는 동안에, 예를 들어 제한 없이 보수 및 점검(116)에 사용되어진다.
발명이 어떤 예시적 실시 예들에 대해 참조로서 기재되어 있는 동안에, 그런 실시 예들은 예시의 목적이고 제한은 없다. 다양한 변화들이 만들어지고 균등물이 발명의 범위로부터 이탈 없이 그들의 구성요소에 대체되어지는 것은 관련 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되어진다. 부가하여, 많은 수정들이 그것의 필수적 범위를 이탈하는 것 없이 여기에 가르침에 대한 특별한 환경에 적응하게 되어 있다. 따라서 청구항들은 개시된 특별한 실시 예들로 한정되지 않는다고 생각되어진다. 아래에서 제시하는 방법 청구항들은 거기에 인용된 단계들이 알파벳 순서(alphabetical order) 또는 그들이 인용된 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 구성되지 않으며, 그리고 상기 단계들 중의 하나의 적어도 지속 부분 동안에 동시에 수행되어지는 2 이상의 단계들을 배제하도록 구성되어 있지 않다. 또한, 발명은 다음의 항목들에 따른 실시 예들을 포함한다.
항목 1.
연속 압축 형성된 열가소성수지 복합재료 부품의 표면 마크 오프를 방지하기 위한 방법은, 단면 구성에서 적어도 제1 세그먼트와 제2 세그먼트를 형성하는 적어도 제1 굽음부를 포함하는 단면 구성을 가지는 예비 성형 적층판을 예비 성형하는 것; 예비 성형 적층판의 단면 구성에 일치되는 윤곽 표면을 가지는 상부 및 하부 공구 다이의 입구측에서 스태거 베벨 형상에 예비 성형 적층판을 공급하는 것; 압력에 제2 세그먼트에 적용되기 전에 제1 세그먼트에서 스태거 베벨 형상으로부터 압력을 공급하도록 예비 성형 적층판이 공구 다이를 통과하여 전진시키는 것을 포함한다.
항목 2.
항목 1의 방법에서, 단면 구성의 제2 세그먼트는 공구 다이의 외부 가장자리에 대해 제1 세그먼트보다 더 가깝게 위치되어 있다.
항목 3.
항목 2의 방법에서,
공구 다이의 외부 가장자리에 대해 제2 세그먼트보다 더 가깝게 위치된 단면 구성에서 제3 세그먼트를 형성하는 적어도 제2 굽음부를 제공하고, 그리고 압력이 제3 세그먼트에 적용되기 전에 제2 세그먼트에서 스태거 베벨 형상으로 압력을 적용하는 것을 더 포함한다.
항목 4.
항목 2의 방법에서, 압력은 예비 성형 적층판이 공구 다이를 통하여 전진하는 펄스 거리의 균등 배수로 선택되는 스태거 증가부에서 제1 세그먼트, 제2 세그먼트 및 제3 세그먼트에 적용되어진다.

Claims (15)

  1. 연속 압축 몰딩 공정에서 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위한 공구 다이(30)는,
    적어도 중간 세그먼트(34) 및 측면 세그먼트(36)를 형성하는 적어도 제1 굽음부를 포함하는 단면 구성을 가진 윤곽 표면(32); 및
    중간 세그먼트(34)에서 입구측으로부터 상기 공구 다이(30)의 출구측으로 제1 길이(LA)를 연장하고, 상기 측면 세그먼트(36)에서 입구측으로부터 상기 공구 다이(30)의 출구측으로 상기 제1 길이(LA)보다 제2 길이(LB)를 더 크게 연장하는 공구 다이(30)의 입구측에서 베벨 형상(44);을 포함하는 공구 다이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측면 세그먼트(36)는 공구 다이(30)의 외부 가장자리에 대해 중간 세그먼트(34)보다 더 가깝게 위치되는 공구 다이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    단면 구성에서 외부 세그먼트(38)를 형성하는 적어도 제2 굽음부를 더 포함하고, 상기 외부 세그먼트(38)에서 입구측으로부터 상기 공구 다이(30)의 출구측으로 측면 세그먼트(36)의 제2 길이(LB)보다 더 큰 제3 길이(LC)로 연장하는 베벨 형상(44)을 구비하고, 상기 외부 세그먼트(38)는 공구 다이(30)의 측면 외부 가장자리에 대해 상기 측면 세그먼트(36)보다 더 가까이 위치되어 있는, 공구 다이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 길이(LB)와 제1 길이(LA) 사이에서 차이는 제3 길이(LC)와 제2 길이(LB) 사이에서 차이와 같게 되어 있고, 제1 길이, 제2 길이 및 제3 길이 사이에서 스태거 증가부(62)를 형성하도록 되어 있는, 공구 다이.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스태거 증가부(62)가 0.318 cm (1/8 인치) 내지 2.54 cm (1 인치)의 범위에 있는 공구 다이.
  6. 제 3 항에 있어서,
    제1 길이(LA), 제2 길이(LB) 및 제3 길이(LC)는 5.08cm (2 인치) 내지 15.24cm (6 인치)의 범위에 있는 공구 다이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 베벨 형상(44)은 입구 가장자리(46)가 요구된 높이 아래에서 요구된 깊이로 있도록 요구된 높이에 대해 공구 다이의 입구측(42)의 입구 가장자리(46)로부터 연장하는 테이퍼 부분(48)을 포함하는 공구 다이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 베벨 형상(44)은 입구 가장자리(46)가 요구된 높이 아래에서 요구된 깊이로 있도록 요구된 높이에 대해 공구 다이(30)의 입구측(42)의 입구 가장자리(46)로부터 단거리 연장하는 테이퍼 부분(48)을 포함하는 공구 다이.
  9. 제 7 항에 있어서,
    요구된 깊이는 0.127cm (0.050 인치) 내지 0.762cm (0.300 인치)의 범위에 있는 공구 다이.
  10. 제 8 항에 있어서,
    요구된 깊이는 0.127cm (0.050 인치) 내지 0.762cm (0.300 인치)의 범위에 있는 공구 다이.
  11. 열가소성수지 복합재료 부품을 조립하기 위한 방법은,
    단면 구성에서 적어도 중간 세그먼트(34) 및 측면 세그먼트(36)를 형성하는 적어도 제1 굽음부를 포함하는 단면 구성을 가지는 예비 성형 적층판에 열가소성수지 복합재료 블랭크를 예비 성형하는 단계; 그리고
    단면 구성의 중간 세그먼트(34)에서 입구측(42)으로부터 공구 다이(30)의 출구측으로 제1 길이(LA)를 연장하고, 단면 구성의 측면 세그먼트(36)에서 입구측으로부터 공구 다이(30)의 출구측으로 제1 길이(LA)보다 더 큰 제2 길이(LB)를 연장하는 공구 다이(30)의 입구측에서 베벨 형상(44)과 예비 성형 적층판의 단면 구성에 일치된 윤곽 표면(32)을 가진 상부 및 하부 공구 다이를 가지는 다이 프레스를 제공하는 단계; 그리고
    다이 프레스로 예비 성형 적층판을 압밀하는 단계를 포함하는 복합재료 부품 조립 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    단면 구성의 측면 세그먼트(36)는 공구 다이(30)의 외부 가장자리(46)에 대해 중간 세그먼트(34)보다 더 가까이 위치되어 있는 복합재료 부품 조립 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    공구 다이의 외부 가장자리에 대해 측면 세그먼트(36)보다 더 가까이 위치된 단면 구성에서 외부 세그먼트(38)를 형성하는 적어도 제2 굽음부를 제공하는 단계, 그리고 입구측(42)으로부터 공구 다이(30)의 출구측으로 측면 세그먼트(36)에서 제2 길이(LB)보다 더 긴 제3 길이(LC)를 외부 세그먼트(38)에서 베벨 형상(44)을 연장하는 단계를 더 포함하는 복합재료 부품 조립 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 길이(LB)와 제1 길이(LA) 사이에서 차이는 제3 길이(LC)와 제2 길이(LB) 사이에서 차이와 같은 베벨 형상(44)에서 공구 다이(30)의 출구측으로 스태거 증가부(62)를 제공하는 단계를 더 포함하는 복합재료 부품 조립 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 스태거 증가부(62)는 예비 성형 적층판이 공구 다이(30)를 통하여 전진하는 펄스 거리의 균등 배수로 있게 설정되는 복합재료 부품 조립 방법.
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