KR102250962B1 - 섬유-강화 복합 구조체의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 공간을 갖는 3 차원 구조체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 방법은 아래의 단계들을 포함한다:
(a) 섬유-강화 재료의 프리폼을 제1 구조로 배치하는 단계로서, 상기 프리폼은 지지 구조체에 의해 지지되는, 단계;
(b) 상기 지지 구조 상에 배치될 때 중간프리폼을 제조하도록 상기 프리폼을 선택적으로 경화시키는 단계로서, 상기 중간프리폼은 적어도 하나의 비-선택적으로 경화된 부분에 의해 상호 연결된 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분을 포함하는, 단계; 및
(c) 상기 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분이 적어도 부분적으로 내부 공간을 둘러싸는 3 차원 복합 구조체를 형성하도록 상기 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분을 서로에 대해 이동시키는 단계.

Description

섬유-강화 복합 구조체의 제조 방법

본 발명은 3 차원 복합 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 섬유-강화 복합 구조체의 제조 방법, 섬유-강화 복합 구조체를 포함하는 차량의 제조 방법, 섬유-강화 복합 구조체의 제조 장치 및 섬유-강화 복합 구조체에 이용되는 중간프리폼에 관한 것이다.

복잡한 3 차원 구조체는 차량과 같은 큰 구조물을 갖도록 다양한 방식으로 제조될 수 있고, 이 중 표준 방식은 미리 성형된 패널을 접착, 용접 또는 다른 방법으로 고정하여 차량 몸체를 제작하는 것이다. 이후 몸체는 별도의 섀시(chassis)에 장착되거나, 또는 모노코크(monocoque) 몸체라면 그 것이 섀시의 기능을 수행할 수도 있다. 차체가 형성되면, 배선 및 의자와 같은 차량의 내부 부품이 차체에 장착된다. 이는 어려운 공정일 수 있는데 왜냐하면 공정 중 몇몇 단계에서 고소에서 작업이 이루어져야 함은 물론이고 차체의 구멍을 통해 작업 접근이 이루어질 필요가 있기 때문이다.

비슷한 방법이 버스나 기차 또는 조립식 건물과 같은 다른 많은 대형 복합 구조체의 제조에도 적용된다.

몸체 패널은 평평한 시트(sheet)을 패널들의 형태로 형성하기에 매우 적합한 강(steel) 또는 알루미늄으로 보통 제조된다. 대안적으로, 섬유 보강 재료(fibre reinforced material)를 사용하여 몸체를 제조하는 것도 공지되어 있다. 이 경우, 이후 결합되거나 또는 접착되어 몸체의 3 차원 형상을 형성하도록 패널들이 형성되거나, 또는 몸체가 3 차원 형상을 형성하기 위해 미 경화상태로 장치에 안착(lay-up, "레이업")되고 이후 경화된다.

더 작고 복잡한 구조에 대해, 하나 이상의 프리폼(preform, "예비성형체")을 몰드(mould, "주형") 내에 (또는 그 위에) 배치시키는 방식 알려져 있다. 프리폼은 건조 섬유 시트 재료(dry fibre sheed material)로 형성되거나 수지(resin)와 같은 일정량의 매트릭스 물질을 이미 함유하고 있는 "프리프레그(prepreg)"일 수 있다. 개별적인 섬유 시트는 요구되는 형상을 형성하기 위해 몰드 내에 함께 겹층되거나(layered) 직조될(woven) 수 있다. 건조 섬유 프리폼인 경우, 섬유가 몰드 내에 놓여 진 때에 매트릭스 물질이 도포 될 수 있다. 구조체가 몰드에 의해 요구되는 형상으로 형성되면, 구조체는 이후 경화되어 매트릭스 및 섬유를 함께 고착시킨다. 크고 복잡한 구조체가 제조되는 경우, 개별 구성 요소들 개별적으로 성형 및 경화되어 함께 접착 또는 결합될 수 있다.

복합 구조체는 섬유(예를 들어, 탄소-섬유 또는 유리-섬유 등)로 강화된 폴리머(polymer) 매트릭스로 제조된 임의의 섬유-강화 복합재 일 수 있다.

제1 측면에서, 본 발명은 내부 공간을 갖는 3 차원 구조체를 제조하는 방법을 제공하며, 그 방법은 아래의 단계들을 포함한다:

(a) 섬유-강화 재료의 프리폼을 제1 구조로 배치하는 단계로서, 상기 프리폼은 지지 구조체에 의해 지지되는, 단계;

(b) 상기 지지 구조 상에 배치될 때 중간프리폼을 제조하도록 상기 프리폼을 선택적으로 경화시키는 단계로서, 상기 중간프리폼은 적어도 하나의 비-선택적으로 경화된 부분에 의해 상호 연결된 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분을 포함하는, 단계; 및

(c) 상기 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분이 적어도 부분적으로 내부 공간을 둘러싸는 3 차원 복합 구조체를 형성하도록 상기 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분을 서로에 대해 이동시키는 단계.

본 발명은 프리폼이 선택적으로 경화되는 3 차원 복합 구조체의 제조 방법을 제공하며, 프리폼이 제1 구조일 때 프리폼은 전체적으로 2 차원 형상이며 지지구조물 상에 배치되어 비-선택적으로 경화되는 가요성 구역들에 의해 연결되는 선택적으로 경화된 강성 구역들을 갖는 중간프리폼을 형성한다. 중간프리폼의 형상은 이후 선택적으로 경화된 부분들을 지지구조물로부터 들어 올려 최종 요구 3 차원 형상인 복합 구조체에 상응하는 제2 구조로 이동시키도록 변형될 수 있다.

비-선택적으로 경화된 부분에 의해 각각이 적어도 하나의 인접하는 선택적으로 경화된 부분에 결합되는 2 개 이상의 선태적으로 경화된 부분이 있을 수 있다. 이는 전체적으로 평평한 단일 프리폼으로부터 복잡한 3 차원 형상이 형성될 수 있게 한다.

본 발명에 따른 방법은 광범위한 구조체를 제조하는데 사용될 수 있는데, 특히 차량 몸체를 제조하는 방법으로서 유용하다. 예를 들어, 선택적으로 경화된 부분들 중 하나는 상기 몸체의 바닥을 형성하고, 다른 하나는 상기 몸체의 측면을 형성하고, 다른 하나는 전방이나 후방을 형성하고, 다른 하나는 차체의 지붕을 형성할 수 있다. 초기에 이는 지지구조물 위에 평평하게 놓이고 선택적으로 경화되면 3 차원 몸체를 형성하도록 접힌다. 비-선택적으로 경화된 부분은 바닥면을 측면들 중 적어도 하나의 면에, 그리고, 측면들 중 적어도 하나의 면을 지붕에 결합시킬 수 있고, 이에 이들 영역 내에 개별적인 접합 필요성을 제거할 수 있다.

상기 방법은 전체적으로 평평한 때, 즉 단계(a) 이전, 단계(b) 이전 또는 단계(b) 이후이면서 단계(c) 이전에, 이루어지는 프리폼 상에 구성 요소들을 추가하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 제조가 완료되면 구조체 내부에 배치될 구성 부품들을 추가하는 것을 포함할 수 있다. 차량의 경우, 이는 배선 직기(wiring loom) 또는 의자 또는 도어 카드(door card) 또는 지붕 라이닝(roof lining)을 추가하는 것을 포함할 수 있지만, 이는 임의의 유형의 구성 요소 또는 재료 일 수도 있다. 이는 다수의 구성 요소 및/또는 유사하거나 상이한 재료가 완성된 구조체에 보다 쉽게 조립될 수 있게 한다.

이에 프리폼은 평면으로 배치될 필요가 있고, 3 차원 구조체가 완성되면 그 내부에 있을 표면인 상부 표면, 및 완성 구조체의 외부 표면인 밑면을 가질 수 있다.

차체가 평평하게 유지될 때 이러한 구성 요소들을 추가하는 것은, 3 차원 최종 형태에서 차체 내부에서 작업하는 것보다 그 작업 완료가 쉽기 때문에 더 유리하다.

구성 요소가 추가되면 패널들은 3 차원 차체를 형성하기 위해 구부러질 수 있다.

선택적 경화 공정은, 여전히 가단성 있는(malleable) 비-선택적으로 경화된 부분으로 선택적으로 경화된 부분들을 연결(link) 시킴으로써, 중간프리폼의 선택적으로 경화된 부분들이 바람직하게 이동될 수 있게 한다. 이에, 선택적 경화는 적어도 2 개의 분리된 경화 단계를 제공함으로써 동일한 재료가 2 개의 상이한 상태에 있을 수 있게 만든다.

이 방법은 종래 기술에 비해 많은 이점을 갖는다. 다수의 개별적으로 경화된 구성 요소들을 함께 결합하는 것이 아니라, 보다 선택적으로 경화된 프리폼을 필요한 최종 형상으로 성형 또는 재구성함으로써 크고 복잡한 구조가 제조될 수 있다. 따라서, 프리폼은 복합 구조체를 형성하도록 변형(예를 들어, 접힘) 될 수 있는 네트(net)를 형성할 수 있다. 이렇게 하면 최종 구조체에 접합해야 하는 접합부의 개수가 줄어들어 구조체의 강도를 향상시킬 수 있다.

다른 장점으로는 복합 구조체를 만들기 위해 단일 네트(single net)를 사용함으로써 폐기물을 줄일 수 있다는 점이 있다. 또한, 함께 접착되어야 하는 다수의 개별 경화 부품들이 제조될 필요가 없기 때문에, 제조 시간 및 공정 복잡도이 감소될 수 있다. 이에 별도의 패널 접합 작업을 생략할 수 있어 사이클 시간이 단축될 수 있다. 또한, 제1 구조인 상태에서, 복잡한 구조체(예: 차량 섀시 또는 본체)의 최종 내부에 대한 접근이 제2 구조인 상태에 있을 때에 비해 더 용이할 수 있다. 또한, 추가 구성 요소가, 중간프리폼 단계에서 보다 용이하게 복합 구조체에 추가되거나 설치될 수 있어 추가적인 장점이 있다. 종래 기술의 방법은 별도의 제1 및 제2 구조를 제공하지 않기 때문에 - 모든 구성 요소들은 복합 구조체가 제2 구조인 상태에 있을 때 설치되어야 하며 이 때 작업 접근은 제한되거나 어려울 수 있다.

본 방법은, 중간프리폼이 제2 구조로 이동된 때 수행되는 추가 경화 단계를 포함할 수 있다. 추가 경화 단계는 비-선택적으로 경화된 부분을 완전히 경화시키거나 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이는 최종 복합 구조체를 형성하도록 중간프리폼을 제2 형태로 완전히 고화(hardened)시킬 수 있다. 이는 최종 구조체의 강도를 향상시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 추가 경화 단계는 생략될 수 있다. 이러한 실시예에서, 비-선택적으로 경화된 부분은 경화되지 않거나 부분적으로 경화된 상태로 남겨질 수 있다. 다른 실시예들에서, 이들은 주변 조건(ambient conditions)에서 자연적으로 경화되도록 유지될 수 있다.

비-선택적으로 경화된 부분들 중 적어도 하나는 선택적으로 경화된 부분들이 이동될 수 있게 하는 가요성 힌지부(flexible hinge)를 형성할 수 있다

본 방법은, 선택적으로 경화된 패널이 이동된 후에 수행되는, 비-선택적으로 경화된 부분을 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 최종 3 차원 구조체의 추가 이동을 방지하여 최종 3 차원 모양을 유지하도록 하며 구조체의 최종 강도를 향상시킬 수 있다.

프리폼을 선택적으로 경화시키는 단계는 비-선택적으로 경화된 부분에 비해 더 많이 선택적으로 경화된 부분을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이는 비-선택적으로 경화된 부분이 유연성 또는 가단성(malleable)을 유지하게 하여 중간프리폼이 제1 구조인 상태로부터 제2 구조인 상태로 이동할 수 있게 한다. 다른 실시예들에서, 선택적으로 경화된 부분 및 비-선택적으로 경화된 부분 모두는 부분적으로 경화되면서도 상이한 정도로 경화된다. 따라서, 본 방법은 미경화된 복합 재료의 가단성을 이용하여 형상이 변경될 수 있도록 한다.

경화는, 선택적으로 경화되는 부분에 열, 마이크로파 에너지, 자외선 및 압력 중 하나 또는 그 이상이 가해지면서도, 선택적으로 경화되는 것이 아닌 부분에 그러한 에너지들이 가해지지 않거나 또는 적게 가해지는 능동 공정(active process)일 수 있다. 대안적으로, 프리폼은, 적절한 재료 선택을 통해, 선택적으로 경화될 부분들에서 더 빠른 속도로 그리고 다른 부분들에서 더 느린 속도로 자연적으로 경화되도록 배치될 수 있다. 각각의 경우에, 어떤 부분들이 다른 부분보다 더 많이 경화되어 충분히 단단해지지만 다른 부분들은 구부리거나 접을 수 있을 정도로 충분히 경화되지 않는 시점이 있을 것이다.

프리폼을 선택적으로 경화시키는 단계는 선택적으로 경화된 부분을 완전히 경화시키는 한편 비-선택적으로 경화된 부분을 경화되지 않는 상태로 또는 적어도 부분적으로 경화된 상태로 남기는 단계를 포함할 수 있다. 프리폼을 선택적으로 경화시키는 단계는 비-선택적으로 경화된 부분을 경화시키지 않으면서 선택적으로 경화된 부분을 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이는 선택적으로 경화된 부분에 비하여 비-선택적으로 경화된 부분에 상이한 정도의 경화가 이루어질 수 있게 한다.

프리폼을 선택적으로 경화시키는 단계는 선택적으로 경화된 부분을 형성할 프리폼의 부분들에 열, 압력 또는 둘 다를 선택적으로 인가하면서 다른 부분에는 인가하지 않는 단계를 포함한다. 열 및/또는 압력을 선택적으로 인가함으로써, 프리폼의 특정 영역들이 경화될 수 있으나, 프리폼의 다른 부분들은 유연성을 유지하도록 완전히 경화되지 않거나 또는 적어도 부분적으로 경화될 수 있다. 이는 선택적으로 경화된 부분 및 비-선택적으로 경화된 부분이 분리 및 구별되어 형성될 수 있게 한다. 열 및/또는 압력은 또한 프리폼을 압밀하는(consolidate) 것을 용이하게 할 수 있다.

프리폼은 제1 구조인 상태에서 실질적으로 평면 일 수 있고; 중간프리폼은 제2 구조인 상태에서 더 3 차원 형상이 되도록 접힐(folded) 수 있다. 제1 구조인 상태에서, 중간프리폼의 납작하거나 또는 평평한 형상은 용이한 접근(취급)을 가능케 한다. 예를 들어, 결국 최종 복합 구조체의 내부를 형성할 중간프리폼 부분은 개방된 또는 평면형인 제1 구조 일 때 더욱 쉽게 접근할 수 있다. 이는 추가 구성 요소가 더 쉽게 장착될 수 있게 하거나 코팅 등이 복합 구조체에 더 쉽게 적용되도록 할 수 있다. 이는, 구별될 수 있는 제1 및 제2 구조가 제공되지 않아 복합구조체가 단지 최종적 요구 형상으로 성형(moulding)되어야 하는, 종래 기술의 방법보다 유리하다.

프리폼은 복합 구조체의 전체(또는 일부분)가 형성될 수 있는 네트(net)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 네트는 제조되는 복합 구조체의 3 차원 형상에 대응하는 2 차원 패턴을 형성한다. 이는 전체 3 차원 복합 구조체가 단일 2 차원 네트를 접음으로써 형성될 수 있다는 것을 의미한다.

프리폼은 네트에 걸쳐 이격된 위치들에 상이한 특성을 갖는 재료들이 배열된 부분들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고강도 재료를 가진 일부가 완제품에서 고강도가 요구되는 영역에 적용될 수 있고, 저강도 재료를 가진 일부가 더 작은 강도가 요구되는 다른 영역에 적용될 수 있다.

프리폼은 섬유 재료인 단일한 연속적인 시트(single continuous sheet)를 포함할 수 있다(즉, 서로 결합된 섬유의 다중 시트들을 포함하지 않거나 함께 접착되며 개별적으로 경화된 구성 요소들 포함하지 않음). 이는 최종 복합 구조체의 강도를 향상시킬 수 있다. 이는, 크고 복잡한 몰드를 채우기 위해 섬유재로 다수의 구역들이 결합되거나 또는 개별 구성 요소들이 함께 경화 및 접합이나 용접되어야 하는 종래 기술의 방법에 비해 유리하다.

본 방법은 중간프리폼이 제2 구조로 이동하기 전에 중간프리폼의 선택적으로 경화된 부분에 보강 부재를 장착하거나 설치하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 최종 복합 구조체에 추가적인 강도를 제공할 수 있다. 보강 부재는 중간프리폼이 제1 구조인 상태에 있어 접근이 용이할 때 장착될 수 있다. 적용될 수 있는 보강 부재의 예는 A-포스트 차량의 B- 포스트를 형성하는 금속 요소이다. 선택적으로 경화시키는 단계는 이들 요소를 프리폼에 접합시킬 수 있다.

단계(a)에서, 선택적으로 경화된 부분과 비-선택적으로 경화된 부분(선택적으로 경화되지 않은 부분) 상의 프리폼에 걸쳐 연속적으로 연장되는 섬유 재료로 이루어진 시트(sheet)를 포함하는 프리폼이 제공되는 것이 바람직하다. 이는, 섬유들이 힌지부를 가로질러 인접한 부분 내로 이어짐으로써, 최종 구조체에 큰 강도를 부여하고 인장력이 힌지부를 가로 질러 전달되어 힌지부가, 별도의 패널들이 함께 고정되는 많은 선행 기술 구조의 경우에 유발될 수 있는, 잠재적 약점이 되지 않게 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 대안에서, 본 방법은, 단계(b)에서 프리폼을 경화시켜 경화된 부분 및 선택적으로 미경화된 부분을 제공하는 것이 아니라, 강성인 제1 구조로 프리폼을 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 방법 단계(b)는 프리폼에 열을 가하여 적어도 하나의 영역을 적어도 부분적으로 용융시켜 2 개의 비용융 부분을 연결하는 가요성 힌지부를 형성한 후, 단계(c)에서 2 개의 비용융 부분을 서로에 대해 이동시켜 2 개의 비용융 부분이 3차원 복합 구조체의 내부 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 3 차원 복합 구조체를 형성한다.

두 개의 비용융 부분을 이동시킨 이후 힌지부가 응고될 수 있다.

힌지부의 용융을 용이하게 하기 위해, 프리폼은 힌지부를 덮는 적어도 하나의 가열 요소를 구비할 수 있고 이에 전류가 가열 요소를 통과하여 방식으로 단계(b)가 이루어질 수 있다.

가열 요소는 프리폼의 표면에 고정되거나 프리폼 내에 내장될 수 있다. 이는 저항성 전선을 포함할 수 있다

실용적인 배치예에서, 프리폼은 다수의 힌지부를 형성할 수 있으며, 각각에는 가열 요소가 제공될 수 있다. 가열 요소는 직렬 또는 병렬로 함께 연결되어 전기 회로를 형성할 수 있다.

단단한 프리폼은 대체로 평평할 수 있다. 단단한 구조이기 때문에 프리폼은 그 형상을 자체 모양을 유지할 수 있어 제1 구조인 상태에서 프리폼은 지지부를 필요치 않을 수 있다. 다만, 제1 구조인 상태에서 프리폼은 평평하거나 실질적으로 평평하여 지지 표면 상에서 배치되는 것이 바람직하다.

경화될 가요성 프리폼이 아닌 경질 프리폼(rigid preform)을 사용하는 다른 방법은 몇몇 조건에서는 바람직할 수 있다. 예를 들어, 단단하고 평평한 프리폼은, 부피가 커서, 경화되지 않은 프리폼에 비해 운반하기가 더 쉽다. 프리폼이 단단하며 추후 경화되지 않을 것이기 때문에, 경화되지 않은 재료가 시간이 지남에 따라 경화되기 시작할 위험이 없다. 단점은 가요성 프리폼을 제공하는 것에 비해 부피가 크다는 것이며 최종 구조체를 구성하는 데 더 많은 에너지가 필요하다는 것이다. 처음에는 경질 프리폼을 생산하기 위해 에너지가 필요하고 힌지부를 녹이기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하다는 것이다.

제2 측면에서, 본 발명은 차량을 제조하는 방법을 제공하며, 차량은 바닥, 하나 이상의 측면 패널 및 지붕 패널을 갖는 몸체를 포함하며, 상기 방법은 제1 측면에 따른 단계들을 적용하여 몸체를 형성하는 것을 포함하며, 여기서, 단계(b)의 선택적으로 경화된 부분은 바닥, 측면 및 지붕을 포함한다.

차량을 제조하는 방법은, 중간프리폼이 제2 구조인 상태로 이동되기 이전에, 즉, 몸체, 측면 및 지붕이 평평하게 배치될 때, 차량의 하나 이상의 구성 요소들을 중간프리폼 내에 설치하는 단계를 더 포함한다.

제3 측면에서, 본 발명은 섬유-강화 복합 구조체의 제조 장치를 제공하며, 상기 제조 장치는 하나 또는 복수의 재료 시트로부터 프리폼을 쌓아 올릴 수 있는 지지 구조물, 중간프리폼을 생성하도록 프리폼의 적어도 일부를 선택적으로 경화하도록 배열된 선택적 경화 수단을 포함하되, 상기 중간프리폼은 적어도 하나의 비-선택으로 경화된 부분에 의해 상호연결되는 복수의 선택적으로 경화된 부분들을 포함한다.

상기 장치는 중간프리폼을 생성하기 위해 상기 프리폼에 열 및/또는 압력을 선택적으로 인가할 수 있다.

선택적 경화 수단은 상기 프리폼의 적어도 일부에 열 및/또는 압력을 선택적으로 인가하기 위해 상기 프리폼에 체결하도록 배치된 한 쌍의 이동식 대향 표면들을 포함한다. 이는 프리폼에 열과 압력을 선택적으로 가하는 빠르고 효율적인 방식을 제공한다. 이동식 표면들 중 하나는 경화 이전에 배치된 된 프리폼을 유지하기 위한 지지 구조물을 형성할 수 있다.

상기 대향 표면들 중 하나 또는 둘 모두는 프리폼을 성형하도록 배치된 몰드(mould)를 형성한다. 이는 선택적으로 경화된 부분의 형상이 한정되도록 한다.

선택적 경화 수단은 프리폼의 표면에 단속적으로(discretely) 작용하며 선택적으로 경화될 영역에 접촉하도록 구성된 하나 이상의 가열 압반(heated platents)을 포함할 수 있다.

선택적 경화 수단은 복사(예를 들어, 열, 자외선 또는 마이크로파 방사), 대류, 유도 또는 전도의 형태로 에너지를 프리폼의 특정 부분에 선택적으로 지향시키도록 배열된 선택적 에너지 전달 수단을 포함할 수 있다

제4 측면에서, 본 발명은 섬유-강화 복합 구조체를 제조하는데 사용하기 위한 중간프리폼을 제공하며, 중간프리폼은 적어도 하나의 비-선택적으로 경화된 부분에 의해 상호연결된 복수의 선택적으로 경화된 부분을 포함하되, 상기 선택적으로 경화된 부분은 복합구조체를 생성하기 위하여 제1 구조로부터 제2 구조로 이동가능하다.

중간프리폼은 전술한 제1 측면의 방법의 처음 두 단계에 의해 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 중간프리폼은 임의의 다른 적절한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 중간프리폼은 제2 구조로 접혀서 원하는 복합 구조체를 생성할 수 있다. 복합 구조체를 제2 구조로 이동시키는 최종 단계는 별도의 제조 공정의 일부로서 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중간프리폼은 제2 구조로 이동되기 전에 상이한 위치에 저장되거나 이송될 수 있다. 중간프리폼은 최종 복합 구조체보다 공간을 적게 차지할 수 있어 저장 및 운반이 더 쉬울 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 내부 공간을 갖는 3 차원 구조체를 제조하는 방법에 사용하기 위한 섬유 보강 재료를 갖는 프리폼을 제공하며, 상기 프리폼은:

섬유 재료 및 매트릭스 재료를 갖는 적어도 하나의 시트를 포함하는 제1 부분;

섬유 재료 및 매트릭스 재료를 갖는 적어도 하나의 시트를 포함하는 제2 부분; 및

제1 부분과 제2 부분을 연결하는 제3 부분으로서, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분에 사용된 것과 다른 경화 특성 및 용융 특성을 갖는 섬유 재료 및 매트릭스 재료를 갖는 적어도 하나의 시트를 포함하는 제3 부분을 포함한다.

제1 및 제2 부분은, 본 발명의 일 측면의 방법에 따라 사용될 때, 중간프리폼의 선택적으로 경화된 부분을 형성할 수 있고 제3 부분은 비-선택적으로 경화된 부분을 형성할 수 있다. 대안적으로, 이들은 용융되거나 부분적으로 용융된 힌지부에 의해 연결되는 2 개의 강성 부분을 형성한다.

프리폼의 각 부분은 섬유 재료로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.

매트릭스 재료는 미경화 또는 부분 경화된 열경화성 재료를 포함할 수 있다.

매트릭스 재료는 경질의 열가소성 재료를 포함할 수 있다.

매트릭스 재료는 에폭시, 비닐 에스테르 또는 폴리 에스테르 열경화성 플라스틱을 포함할 수 있다.

제3 부분의 매트릭스 재료는 제1 및 제2 부분에 비해 더 높은 경화 온도를 가질 수 있거나, 동일한 온도 조건에서 제1 및 제2 부분에 비해 더 느린 경화 속도를 가질 수 있거나, 제1 및 제2 부분의 수지 매트릭스 재료에 비해 낮은 경화 속도 및 높은 경화 온도 모두를 가질 수 있다.

제3 부분의 매트릭스 재료는 제1 및 제2 부분에 비해 낮은 용융 온도를 가질 수 있다.

섬유 재료로 이루어진 시트는 직조된 세장형 섬유로 이루어진 시트를 포함할 수 있다. 세장형 섬유는, 예를 들어, 탄소, 유리, 아라미드 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 적절한 강화 섬유 일 수 있다.

각 부분의 시트는 적어도 하나의 미경화된 수지로 이루어진 시트로 덮인 건조 섬유 시트 일 수 있다. 건조 섬유를 통해, 당업자라면 시트들이 수지 매트릭스 재료에 함침되지 않은 것이라는 것으로 이해할 것이다.

대안적으로, 각각의 부분의 시트는 수지 매트릭스 재료로 예비-함침 될 수 있다.

건조 시트와 프리프레그 시트를 함께 제공할 수 있다.

프리폼은 제1 부분에 걸쳐 연속적으로 연장되고 제3 부분에 걸쳐 연장되어 제2 부분에 걸쳐 연속적으로 연장되는 적어도 하나의 건조 섬유 재료 시트를 포함할 수 있다. 레이어가 겹쳐진 시트가 두 개 이상 있을 수 있다.

제3 부분에 걸쳐 연장된 시트를 사용하는 것은, 섬유가 사용 시 힌지부를 형성하는 부분에 바로 걸쳐 연장하면서 그 부분 양측에 고정됨으로써, 큰 강도를 제공한다.

제3 부분은 층들로 배열된 복수의 섬유 시트들을 포함할 수 있고, 여기서 제1 부분에 대한 경계 및 제2 부분에 대한 경계에 있는 몇몇 시트들의 모서리(edges)는 층들을 통해 다른 시트들의 모서리로부터 이격(offset, "오프셋") 되며 이에 시트들은 상응하는 제1 및 제2 부분의 시트들의 모서리 영역들에 인터리브(interleave, "사이에 끼워넣기") 된다.

제3 부분의 시트를 제1 및 제2 부분의 시트에 인터리빙하는 것은 시트가 매트릭스 재료로 예비 - 함침되는 경우에 특히 적합하며, 이에 중간프리폼을 형성하기 위한 초기 경화 후에 제1 및 제2 부분은 미경화된 또는 부분적으로 경화된 제3 부분의 모서리들을 고정할 것이다.

시트가 건조 시트 인 경우, 제3 부분에 사용된 수지 매트릭스의 층들은 제1 및 제2 부분에 사용된 층들과 다른 특성을 가질 수 있다

프리폼은 제조될 제품의 3 차원 형상을 형성하도록 접히거나 성형될 수 있는 2 차원 네트를 포함할 수 있다.

프리폼은 3 차원 물품을 형성하도록 이동될 때 프리폼의 다른 부분과 겹치도록 접힐 수 있는 하나 이상의 탭을 포함할 수 있다.

프리폼은, 복잡한 3 차원 형상이 제조될 수 있도록 하는 다수의 힌지부를 형성하기 위해, 복수의 제1 부분이나 제2 부분 및 제3 부분을 포함할 수 있다.

제6 측면에서, 본 발명은 내부 공간을 갖는 3 차원 구조체를 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은 다음 단계를 포함한다: (a) 섬유 강화 재료로 이루어진 프리폼을 제1 구조인 상태로 배열하는 단계로서, 여기서 프리폼은 지지 구조물에 의해 지지되며 제1 속도로 경화되는 제1 재료 및 제1 속도 보다 느린 제2 속도로 경화되는 제2 재료를 포함하고; (b) 중간프리폼을 생성하도록 제1 재료를 경화하는 단계; (c) 제2 재료에 대해 제1 재료를 이동시켜 두 개의 재료들이 상기 구조체의 내부 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸게 하는 단계; (d) 제2 재료가 경화되게 하는 단계.

본 발명의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여, 오직 예시로서, 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유-강화 복합 구조체의 제조 방법을 도시한다.
도 2a는 도 1에 도시된 방법에 따른 프리폼을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 프리폼을 지지 구조가 보일 수 있는 측면도로 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 방법에 따른 제1 구조의 중간프리폼을 도시한다.
도 4는 복합 구조체를 형성하기 위해 제2 구조로 이동된 도 3의 중간프리폼을 도시한다.
도 5는 선택적인 추가 경화 단계가 적용된 후의 복합 구조체 도시한다.
도 6은 경화 이전에 본 발명의 일 측면에 따른 프리폼의 실시예를 도시하며, 이는 개방 상부 구조체를 형성할 수 있다.
도 7은 프리폼을 형성하는 수지 필름 및 섬유 재료의 건조 시트가 교번하는 층으로 배열된 것을 도시한다.
도 8은 미리 함침된 섬유 및 수지 매트릭스 재료 시트를 사용하는 교번 층 배치를 도시한다.

본 발명은 섬유-강화 복합 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 다음 예시에서, 차량의 몸체를 만드는 방법을 설명한다.

섬유-강화 복합 구조체(fibre-reinforced composite structure)는 섬유 재료로 강화된 중합체 매트릭스(polymer matrix)로 만들어진 임의의 섬유-강화 재료 일 수 있다. 섬유 재료는, 예를 들어, 탄소, 유리, 아라미드(aramid) 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 적절한 강화 섬유 일 수 있다. 중합체 매트릭스는, 에폭시, 비닐 에스테르(vinylester) 또는 폴리 에스테르(polyester) 열경화성 플라스틱과 같은 복합 재료의 형상을 설정하는데 사용될 수 있는 임의의 적합한 재료 일 수 있다. 섬유-강화 복합 구조체는, 예를 들어, 자동차, 우주 항공 또는 건설 산업에서 사용하기에 적합한 탄소-섬유 또는 유리-섬유 재료 일 수 있다. 서술된 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 자동차 섀시(chassis) 또는 차체와 같은 차량용 구조 부품을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예들에서, 섬유-강화 복합 구조체는 당업자에게 명백한 임의의 다른 목적을 위한 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유-강화 복합 구조체를 제조하는 방법(100)이 도 1에 도시되어 있다. 상기 방법(100)은 일반적으로 다음의 단계들을 포함한다: 프리폼(preform, "예비성형물")을 제1 구조로 배치하는 단계(102); 중간프리폼(intermediate preform, "중간 예비성형물")을 제조하기 위하여 상기 프리폼을 선택적으로 경화하는 단계(104); 및 상기 복합 구조체를 형성하기 위해 상기 제1 구조와 제2 구조 사이에서 상기 중간프리폼을 이동시키는 단계(106).

"선택적으로 경화된(selectively-cured)"의 의미는, 프리폼의 일부가 다른 "비-선택적으로 경화된(non-selectively cured)" 부분보다 빠른 속도로 경화된다는 뜻이다. 그렇게 함에 있어서, 선택적으로 경화된 부분들은 적어도 선택적으로 경화하는 단계(104) 직후에 비-선택적으로 경화된 부분보다 큰 강성을 가질 수 있다. "선택적으로 경화된"이라는 용어는 프리폼의 일부에 열 및/또는 압력을 선택적으로 적용함으로써 더 빠른 속도로 경화되도록 "강제"하는 것(forcing)을 포함한다. "선택적으로 경화된"은 또한 프리폼이 다른 속도로 경화되도록 "강제"하는 것뿐만 아니라 주변 조건(ambient condition) 하에서 다른 속도로 자연스럽게 경화될 수 있도록 하는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 실시예에서, 프리폼은 제1 속도로 경화되는 제1 재료 및 제1 속도보다 느린 제2 속도로 경화되는 제2 재료를 포함한다. "선택적 경화(selective curing)"는 "선택적으로 경화된" 부분이 "비-선택적으로 경화된" 부분에 비해 더 많이 경화되도록 특정 기간 동안 주변 조건 하에서 프리폼을 경화시키는 것을 포함할 수 있다.

프리폼(202)을 제1 구조로 배열하는 제1 단계(102)가 도 2a에 개략적으로 도시되어 있다. 프리폼(202)은 제조되는 최종 복합 구조체의 원하는 형상(또는 원하는 형상의 적어도 일부)을 제공하도록 접히거나 변형될 수 있는 네트(net)를 형성하기 위한 형상을 가진다. 따라서, 네트는 최종 삼차원 복합 구조체가 형성될 2 차원 패턴에 대응할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 네트는 나중에 추가될 어떠한 추가 패널 또는 섹션 없이도 원하는 복합 구조체의 모든 부분들(예를 들어, 네트가 최종 복합 구조의 전체에 해당함)을 제공할 수 있다. 도 2a에서 도시된 바와 같이, 제1 구조는 네트가 개방된 구조(또는 접히지 않은 구조)에, 즉, 원하는 형상인 복합 구조체로 접히기 이전 구조(후술할 제2 구조에 상응함)에 상응한다. 몇몇 실시예들에서, 프리폼에 의해 제공되는 네트는 원하는 복합 구조체의 전체에 대응하지 않을 수 있다. 이러한 실시예들에서, 부가적인 구성들을 최종적으로 원하는 복합 구조체를 생성하기 위해 추가될 수 있다. 선택적인 경화 단계(104) 이전에 및 그 도중에 제1 구조로 프리폼을 지지하기 위해 지지 수단 또는 몰드(mould)가 제공될 수 있다

프리폼(202)을 제1 구조로 배치하는 단계는 당업계에 공지된 바와 같이 프리폼을 몰드 또는 맨드릴(mandrel) 내에 또는 그 위에 배치시킴으로써(예를 들어, 프리폼을 "레이업(laying up)하는 것") 프리폼을 절단하고 및/또는 프리폼의 성형하는 단계를 포함할 수 있다. 프리폼(202)은 매트릭스 물질(예를 들어, 수지)이 나중에 경화될 때 구조체를 경화시키기 위해 나중에(예를 들어, 몰드 내에서 한번) 첨가되는 임의의 적합한 건조-섬유 물질(dry-fibre material) 일 수 있다. 다른 실시예들에서, 프리폼(202)은 이미 일정량의 매트릭스 수지를 포함할 수 있다(즉, "프리프레그(prepreg)" 프리폼일 수 있다). 몇몇 실시예들에서, 프리폼(202)은 (후술되는 바와 같이) 단일 연속 시트인 섬유 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 프리폼(202)은, 몰드 내로 레이 업 될 때, 적층(stacked), 스티칭(stitchend), 제직(woven) 또는 달리 결합될 수 있는 하나 또는 그 이상의 구역(section) 또는 층(layer)을 포함할 수 있다. 본 발명은 열경화성 재료 및 열가소성 재료 모두에 연관될 수 있다. 또한, 복합 구조체는 후술하는 바와 같이 강화 또는 비-강화 복합 구조체 일 수 있다.

서술된 실시예에서, 최종 복합 구조체는 차량(예를 들어, 자동차 또는 항공기)의 몸체 또는 섀시를 형성하는 구성 요소이다. 이 실시예에서, 제1 구조는 몸체의 측면 패널, 격벽(bulkhead), 바닥(floor) 등이 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이 대체로 평평하게 전개된(unfolded) 또는 확장된 구조에 대응한다. 다른 실시예들에서, 복합 구조체는 도면들에 도시된 형상으로 제한되지 않으며 임의의 다른 형상인 복합 구조체들일 수 있다.

프리폼(202)이 제1 구조로 배치되면, 본 방법(100)은 프리폼(202)을 선택적으로 경화시켜(104) 도 3에 도시된 중간프리폼(204)을 제조하는 단계로 진행한다. 선택적 경화 단계(104)는 프리폼(202)의 특정 부분만을 경화하는 것을 포함하고, 이로써, 생성된 중간프리폼(204)은 하나 이상의 비-선택적으로 경화된 부분(그 중 5 개가 도 3에 208a, 208b, 208c, 208d, 208e로 표시됨)에 의해 상호연결되는 복수의 선택적으로 경화된 부분들(206a, 206b, 206c, 206d, 206e, 206f) 208b, 208c, 208d, 208e)을 포함한다. 선택적 경화 단계(104) 동안, 선택적으로 경화된 부분(206a-206f)은 비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)과 비교하여 더 크게 또는 더 심하게 경화될 수 있다. 예를 들어, 선택적 경화 단계(104)는 선택적으로 경화된 부분(206a-206f)을 완전히 경화시키는 동시에 비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)을 미 경화 상태로 유지하거나 적어도 부분적으로만 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적으로 경화된 부분(206a-206f)은, 비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)이 경화되지 않은 채로, 적어도 부분적으로 경화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 선택적으로 경화된 부분 및 비-선택적으로 경화된 부분 모두는 선택적 경화 단계에 의해 부분적으로 경화될 수 있다. 선택적으로 경화된 부분 및 비-선택적으로 경화된 부분은 프리폼의 각 부분들을 두께 방향으로 관통해 연장되어 가요성 부분들에 의해 구별되는 강성 부분들을 형성할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이들은 프리폼의 상이한 층들에 의해 형성될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 선택적으로 경화된 부분에 가해지는 열 및/또는 압력은, 프리폼의 특정 영역들을 경화하는 것과 분리되어 단계들이 수행됨에도 불구하고, 비-선택적으로 경화된 부분으로 확산될 수 있다. 이는 비-선택적으로 경화된 부분들에서 부주의하게 프리폼이 경화되는 것을 초래할 수 있다. 이러한 영향은 프리폼의 선택적 경화에 기여하도록 관리될 수 있다.

선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)은 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 제조되는 차체 또는 섀시의 바닥, 측면 패널 및 격벽(bulkheads)을 포함하는 프리폼의 영역들에 대응할 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 차량 섀시 또는 몸체가 선택적으로 경화된 부분에 의해 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전체 차량 섀시가 다른 추가 패널이 없는 프리폼에 의해 제공된다. 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 최종 복합 구조체의 이들 부분을 연결하는 프리폼(202)의 영역들에 대응할 수 있다, 예를 들어, 비-선택적으로 경화된 부분은 최종 복합 구조체의 꼭지점들(coners) 및/또는 모서리들(edges)를 포함할 수 있다. 따라서, 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 도 3의 음영 영역으로 도시된 바와 같이 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f) 사이에서 상호 연결 경계를 형성할 수 있다. 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)에 의해 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)을 상호 연결함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 최종 복합 구조체로 접힐 수 있는 힌지형 네트 구조(hinged net)가 형성된다.

서술된 실시예에서, 프리폼(202)은 당업계에 공지된 바와 같이 열 및/또는 압력을 인가하여 경화될 수 있다. 적용되는 열 및/또는 압력의 수준은 사용되는 섬유 또는 매트릭스 재료의 유형(type), 또는 프리폼의 형상 및 두께에 맞춰질 수 있다. 따라서 프리폼(202)을 선택적으로 경화하는 단계(104)는 프리폼(202)의 특정 부분 또는 영역에만 열, 압력 또는 양자를 선택적으로 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 많은 양의 압력 또는 열이 프리폼(202)의 특정 부분을 경화시키기 위해 적용될 수 있다. 이는, 예를 들어, 프리폼(202)을 성형하는데 사용되는 몰드(또는 맨드릴)의 특정 부분에 열 및/또는 압력을 가함으로써 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 열 및/또는 압력은 프리폼(202)에 직접 가해질 수 있다. 프리폼은, 예를 들어, (후술 될 바와 같이) 프리폼(202)의 일부분에만 열과 압력을 가하도록 배치된 가열된 프레스 내에서 선택적으로 경화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 가열된 압반들(platens)이 선택적으로 경화될 프리폼의 영역들에 접촉하도록 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 대안적인 선택적 경화 기술이 프리폼에 열 및/또는 압력을 선택적으로 작용하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 에너지는 복사, 대류, 유도 또는 전도로 가해질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복사 열, 자외선 또는 마이크로파 에너지는 선택적으로 경화될 영역에 선택적으로 가해질 수 있다. 이러한 실시예에서, 비-선택적으로 경화된 부분들은 마스킹되어(masked) 복사 열/자외선/마이크로파 에너지를 수용하지 못한다(또는 덜 수용한다). 몇몇 실시예들에서, 프리폼에 압력을 제공하기 위해 프레스가 아닌 진공형 또는 팽창형 주머니(inflatable bladder)가 사용될 수 있다.

일단 선택적으로 경화되면, 이후의 중간프리폼(204)의 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)은 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)에 비해 더 큰 강성을 가질 수 있다. 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)과 비교하여 더 큰 유연성을 가질 수 있다. 따라서, 비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)은, 선택적 경화 단계(104) 후에, 가단성(malleable, "펴 늘일 수 있는)을 유지할 수 있는 한편, 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)은 비교적 뻣뻣하면서(stiff) 강성(rigid)일 수 있다. 이는 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)이 몰드 또는 맨드릴에 의해 형성된 바와 같은 그 형상을 유지하면서도, 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 중간프리폼(204)의 형상이 변형될 수 있도록 힌지로서 작용할 수 있다. 이는 최종 복합 구조체가 2 개의 개별 단계(선택적 경화 단계(104)의 전과 후)에서 형성되도록 한다. 이는, 단일 형상화 또는 성형 단계가 수행된 후에 복합 구조체를 완전히 경화시키는 단일 경화 공정이 수행되는 종래 기술의 방법과 대조적이다.

선택적 경화 단계(104)가 완료되면, 본 방법(100)은 중간프리폼(204)을 제1 구조(도 3에 도시 됨)과 제2 구조(도 4에 도시 됨) 사이에서 이동시키는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 중간프리폼(204)은 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)을 성형하는데 사용되는 몰드로부터 우선 제거되거나 방출될 수 있다. 중간프리폼(204)은, 선택적 경화된 부분들(206a-206f)을 서로에 대해 이동시킴으로써, 제2 구조로 변이(moved)된다. 이는 중간프리폼(204)의 형상을 도 4에서 도시된 바와 같이 제조되는 원하는 형상인 최종 복합 구조체로 변화시킨다.

비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 제1 구조와 제2 구조 사이에서 이동되는 것을 제어하도록 배치된다. 프리폼을 선택적으로 경화시킴으로써, 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 나중에 제1 구조 및 제2 구조 사이에서 제어된 운동을 가능하게 하도록 미경화(또는 단지 부분적으로 경화) 된 채로 남을 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 제1 구조로부터 제2 구조로의 이동하는 것은 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)을 변형시킴으로써 제어될 수 있다. 이러한 변형은 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)이 서로에 대해 이동되도록 할 수 있다. 이 변형은, 몇몇 실시예들에서, 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e) 중 하나 또는 그 이상을 구부리는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 가단성 또는 가요성이 있는 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 선택적으로 경화된 부분(206a-206f)이 서로에 대해 구부러지거나 회전되게(hinged) 할 수 있고 그 이동은 이 회전(hinging)에 의해 제어된다. 따라서, 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 선택적으로 경화된 부분들을 힌지-결합하여(hinge-ably couple) 재구성 가능한 구조를 생성하는 힌지 수단(또는 힌지 부분)을 형성한다. 힌지 부분은 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f) 사이의 경계 또는 결합부를 따라 연장될 수 있다. 서술된 실시예에서, 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 차량 섀시 또는 몸체의 몸체 측면 패널, 바닥, 기둥(pillars) 및 격벽(bulkgeads) 사이에서 연장되는 힌지부를 포함한다.

비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)의 형상 및 위치는 제조되는 복합 구조체의 최종 형상을 결정할 수 있다. 예를 들어, 중간프리폼의 변형(또는 접힘)이 비-선택적으로 경화된 부분들을 따라 우선 이루어지고, 이는 이에 중간프리폼 내에 생성된 접힘 위치들을 유도하도록 작용한다.

몇몇 실시예들에서, 프리폼(202)(및 이후의 중간프리폼(204))은, 중간프리폼(204)이 접혀 제2 구조를 형성하면서, 제1 구조 일 때 실질적으로 평평하거나 평면 일 수 있다. 제1 구조의 이러한 초기 평평한 배열은 최종 복합 구조체의 내부가 될 영역에 대한 더 큰 접근성을 제공한다. 이는, 예를 들어, 중간프리폼(204)이 제1 구조이면서 접근이 제2 구조에 있을 때보다 용이 할 때, 추가 구성 요소 또는 시스템이 장착되거나 설치될 수 있게 한다. 이는, 복합 구조체가 최종 형상을 가질 때 다른 부품이 장착되거나 설치되어야 만 하는 종래 기술 방법에 비해, 복잡한 제품(예를 들어, 차량 또는 항공기)의 제조를 용이하게 할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 구조는 복합 구조체를 형성하는 네트의 임의의 다른 미굽힘(unfolded, "전개된") 구조 일 수 있으며 반드시 실질적으로 평면이거나 평평해야만 하는 것은 아니다.

몇몇 실시예들에서, 복합 구조체를 생성하기 위해 프리폼이 제2 구조로 이동되면 방법(100)이 종료될 수 있다. 이러한 실시예에서, 비-선택적으로 경화된 부분들(208a-208e)은 경화되지 않은 채로 남겨 지거나 적어도 부분적으로만 경화된다. 구조체 내 임의의 잔여 결합부는 필요에 따라 접착되거나 결합될 수 있다(예컨대, 비-선택적으로 경화된 부분에 의해 연결되지 않음). 몇몇 실시예들에서, 중간프리폼은 자연적으로(예를 들어, 주변 조건(ambient conditions)에서) 완전히 경화되도록 놓일 수 있다.

다른 실시예들에서, 중간프리폼(204)이 일단 제2 구조로 이동되면, 본 방법(100)은 하나 이상 또는 그 이상의 추가 경화 단계를 진행할 수 있다. 추가 경화 단계는, 도 5에 도시된 바와 같이, 최종 복합 구조체(210)를 형성하도록 중간프리폼을 완전히 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가 경화 단계는, 중간프리폼(204)이 제2 구조에 있는 동안 수행될 수 있다. 몰드(mould) 또는 지그(jig)가 제2 경화 단계(108)가 수행되는 동안 중간프리폼(204)의 형상을 유지하도록 제공되고 이에 더 이상의 형상 변화가 이루어지지 않을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 추가 경화 단계는 중간프리폼(204)를 완전히 경화시켜 경화된 최종 복합 구조체를 형성할 수 있다. 추가 경화 단계는 이미 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)에 비해 비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)을 보다 더 경화시킬 수 있고, 선택적 경화 단계(104)와 동일하거나 유사한 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)에 추가의 열 및/또는 압력이 가해질 수 있고 이에 미경화된(또는 부분적으로 경화된) 부분이 완전히 경화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 선택적으로 경화된 부분들(206a-206f)이 부분적으로 경화된 상태로부터 완전히 경화되도록(또는 이미 경화된 경우 더 이상 경화되지는 않지만 단순히 가열만 되도록) 열 및/또는 압력이 복합 구조체 전체에 가해질 수 있는 한편, 비-선택적으로 경화된 부분(208a-208e)은 또한 완전히 경화된다. 추가 경화 단계(108)가 완료되면, 구조체 내에 남아있는 임의의 결합부는 이미 이루어 지지 않았다면, 필요에 따라 함께 접착되거나 결합될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 본 방법(100)은, 중간프리폼이 제2 구조로 이동하기 전에, 중간프리폼의 선택적으로 경화된 부분들에 하나 또는 그 이상의 보강 부재를 장착 또는 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 보강 부재(들)는 금속 보강 부재 등과 같은 부가 구조 부품을 포함할 수 있다. 이는 최종 복합 구조체에 추가적인 강도를 제공할 수 있다. 보강 부재(들)는, 중간프리폼이 제1 구조이면서 접근을 더 용이하게 하는 상태에서, 장착될 수 있다. 이들은 예를 들어 프리폼을 레이 업하는 동안 장착될 수 있다. 아니면, 보강 부재(들)는 본 방법(100)의 임의의 다른 단계에서 장착될 수 있다.

본 방법(100)은 복합 재료의 형상이 선택적 경화 단계(104)가 수행된 후에 변형될 수 있는 2 스테이지 제조 공정을 제공한다. 이는 중간프리폼(204)이 성형되고 평면 및 개방 위치에서 선택적으로 경화될 수 있게 한다. 따라서, 중간프리폼(204)은 중간프리폼(204)을 구부림으로써 더 큰 복합물 형상이 생성될 수 있는 네트(net)을 형성할 수 있다. 그렇지 않다면, 이러한 복잡한 형상인 구조체는 함께 결합되는 다수의 개별적으로 성형되면서 경화되는 구성 요소들로부터 제조되어야만 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 복합 구조체 내의 결합부들의 개수는 개별 구성 요소들로 제조된 구조체에 비해 더 적을 수 있다. 이는 복합 구조체의 강도 및 강성을 향상시킬 수 있다. 또한, 다수의 구성 요소를 생성할 필요가 감소될 수 있기 때문에, 제조 시간이 단축되고 제조 공정이 단순화될 수 있다. 복합 구조체를 제조하는 것은 생산 및 조립 요구 사항을 보다 효율적이게 하여 할 수 있다. 이는 개별적으로 성형되면서 경화되는 몸체 측면, 바닥 기둥들 및 전후방 격벽을 단일 부품으로 대체함으로써 부품 및 재료 수량을 줄일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프리폼은 단일한 연속적인 재료(또는 복수의 층인 연속 섬유 재료)를 포함할 수 있다. 이것은 최종 복합 구조체의 강도를 향상시킬 수 있다. 이것은 하나의 프리폼으로부터 더 크고 복잡한 형상을 성형할 수 있게 한다.

몇몇 실시예들에서, 본 방법(100)의 단계들은 개별적으로 수행될 수 있는데, 예를 들어, 두 가지 다른 제조 공정들의 일부로서 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 본 방법(100)을 사용하여 제조된 중간프리폼은 산출물(output)로서 제공될 수 있고, 제2 구조로의 이동은 개별적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 중간프리폼(204)은 복합 구조체 제조자에 의해 제3 자에게 제공되어 차량 등으로 조립될 수 있다. 중간프리폼(204)은 이송이 용이한 제1 구조(예를 들어, 평평한 제1 구조는 용이한 이송 및 저장 역시 용이하게 할 수 있음)로 이송될 수 있다. 중간프리폼(204)은 이어 차량의 조립 중에 제2 구조로 변이될(moved) 수 있고, 임의의 추가적인 접합 및 추가 경화 단계가 필요에 따라 적용될 수 있다. 이는, 완전히 경화된 복합 구조체가 이미 경화된 상태로 제2 구조로 제공되는 종래 기술 방법을 사용한다면 불가능할 것이다. 그러한 구조는 본 발명의 중간프리폼(204)에 비해 저장 및 운송이 더욱 어렵고 비효율적이다.

본 발명은 또한 섬유-강화 복합 구조체의 제조 장치를 제공할 수 있다. 이 장치는 열 및/또는 압력을 프리폼의 적어도 일부에 선택적으로 가하여 중간프리폼을 생성하도록 배치된 선택적 경화 수단을 포함할 수 있다. 생성된 중간프리폼은 전술한 바와 같이 적어도 하나의 비-선택적으로 경화된 부분에 의해 상호 연결되는 복수의 선택적 경화 부분을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적 경화 수단은 한 쌍의 이동식 대향 표면들을 포함하는 프레스 기구를 포함할 수 있다. 대향 표면들은 프리폼에 압력을 가하기 위해 프레스 방식으로 연동될 수 있다.

프레스 기구의 대향하는 표면들은 프리폼의 적어도 일부에 열 및/또는 압력을 선택적으로 가하기 위해 프리폼과 체결하도록 배치될 수 있다. 이는 프리폼에 가해진 열이 선택적으로 경화된 부분에 국한되도록 대향 표면들의 일부만을 가열함으로써 이루어질 수 있다. 다른 실시예들에서, 대향 표면들은 프리폼의 일부에만 압력을 국부적으로 인가시키기 위해 선택적으로 경화된 부분과 체결되도록 배열되는 융베이스들(raised portions)을 포함할 수 있다. 상응하는 침강부들(recessed portions)이, 대향하는 표면들이 비-선택적으로 경화된 부분에서 프리폼과 접촉하지 않도록 제공될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 대향 표면들 중 하나 또는 둘 모두는 프리폼을 성형하도록 배열된 몰드를 형성할 수 있다. 이러한 실시예에서, 대향 표면들은 중간프리폼을 원하는 형상으로 성형하도록 형성된 몰드의 2 개의 반편(halves)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 대향 표면들은 중간프리폼을 형성하여 섀시의 차체의 측면 패널, 격벽 및 바닥 패널을 생성할 수 있다.

다른 실시예들에서, 선택적 경화 수단은 상이한 형태를 취할 수 있으며, 예를 들어 단속적으로(discretely) 작용하는 가열 압반(heated platens)을 포함하고, 이는 선택적으로 경화되어야 할 프리폼의 영역들에 접촉하도록 배열된다. 다른 실시예들에서, 선택적 경화 수단은 복사(예를 들어, 열, 자외선 또는 마이크로파 방사), 대류, 유도 또는 전도의 형태로 에너지를 프리폼의 특정 부분에 선택적으로 지향시키도록 배열된 선택적 에너지 전달 수단을 포함할 수 있다. 마스킹 수단은 또한 비-선택적으로 경화된 부분들을 형성하는 프리폼의 영역들을 마스킹하도록(mask) 제공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 프리폼의 전부 또는 일부에 압력을 가하기 위해 별도의 압력 인가 수단이 제공될 수 있다. 압력 인가 수단은 진공형 또는 팽창형 주머니의 형태를 취할 수 있다.

도 6은 3 차원 구조체를 형성하는데 사용될 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 프리폼(300)의 일 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 이 프리폼은 박스 구조인 베이스(330) 및 4 개의 측면(310)을 형성하는 네트(net)를 포함한다. 베이스는 힌지 부(320)에 의해 각각의 측면에 연결된다. 본 명세서에서, 측면은 프리폼의 제1 부분으로, 베이스는 프리폼의 제2 부분으로 그리고 힌지부는 제3 부분으로 간주될 수 있다. 또한 두 개의 대향 측면들의 모서리들(edges) 상에 탭(tab)(340)이 도시되며, 이는 완성된 박스 구조체에서 수직으로 만나는 측면들이 서로 결합될 수 있게 한다.

도 7은 프리폼을 형성하는 재료의 층들의 하나의 배열을 상세히 도시한다. 도시된 바와 같이, 각 부분은 건조 섬유 시트 재료(dry fibre sheet material)인 5 개의 층들의 겹층(stack, "스택")을 포함한다. 각 시트는 AA 단면을 따라 측면, 힌지 및 베이스에 걸쳐 연속적으로 연장한다. 각 시트는 두 가지 유형의 미경화 수지 필름으로 덮여 있다. 제1 및 제2 영역에서, 제3 부분에 사용된 수지 필름보다 낮은 경화 온도 및/또는 빠른 경화 시간을 갖는 수지 필름이 사용된다. 이는, 베이스 및 측면이 경화되면서 힌지부가 완전히 경화되지 않아야 하는 중간프리폼을 형성하는 제1 단계에서 전체 프리폼에 균일한 열을 가할 수 있게 한다. 필름의 가열된 수지 매트릭스 재료는 건조 재료로 유동할 것이고, 여기서 이후 수지 내에 매립된 섬유로 경화된다.

도 8은 동일한 절단선 AA를 따르는 프리폼의 제2 배열을 상세히 도시하는데, 이 실시예에서, 수지 필름으로 교번적으로 적층된 섬유의 건조 시트가 아닌, 사전 함침된(pre-impregnated) 시트가 사용된다. 힌지부 내에 상이한 수지를 갖기 위해, 시트는 라인 AA를 따라 측면으로부터 베이스까지 연속적으로 연장되지 않는다. 대신에, 베이스와 측면와 다른 시트가 제3 부분(힌지부)에 사용된다. 중간프리폼에 강도를 더하기 위해, 인접한 층들 내 시트의 모서리들은 오프셋(offset, "일정 거리 이격")되거나 엇갈린다는 것이 주목할 점이다. 이러한 방식으로, 측면 및 베이스의 경화된 시트들은, 중간프리폼이 형성될 때, 미경화 또는 부분적으로 경화된 힌지부의 시트를 단단히 고정할(grip) 것이다.

본 발명의 방법은 다양하며 상이한 형상의 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 이는 흰색의 몸체 또는 배터리 케이스 또는 몸체 패널과 같은 자동차의 일부분을 생산하는 데 사용될 수 있다. 또한 경량 및 고강도의 복합 구조가 유리한 우주 항공 또는 철도 분야와 같은 다른 분야에서도 사용될 수 있다.

Claims (25)

1. 내부 공간을 갖는 3 차원 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
   (a) 섬유-강화 재료를 갖는 프리폼을 제1 구조로 배치하는 단계로서, 상기 프리폼은 지지 구조체에 의해 지지되는, 단계;
   (b) 상기 지지 구조 상에 배치될 때 중간프리폼을 제조하도록 상기 프리폼을 선택적으로 경화시키는 단계로서, 상기 중간프리폼은 적어도 하나의 비-선택적으로 경화된 부분에 의해 상호 연결된 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분을 포함하는, 단계; 및
   (c) 상기 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분이 내부 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸는 3 차원 복합 구조체를 형성하도록 상기 적어도 2 개의 선택적으로 경화된 부분을 서로에 대해 이동시키는 단계
   를 포함하되,
   상기 단계(b) 또는 단계(c) 이전에 상기 프리폼이 평평할 때 상기 프리폼 상에 구성 요소들들 추가함으로써 상기 구성 요소들이 상기 3차원 구조체의 내부 공간 내에 배치되도록 하는, 단계
   를 더 포함하는 방법.
2. 제1 항에 있어서, 비-선택적으로 경화된 부분에 의해 각각이 적어도 하나의 인접하는 선택적으로 경화된 부분에 결합되는 2 개 이상의 선택적으로 경화된 부분들이 있는 방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 프리폼은 상기 3 차원 구조체의 완성 시 상기 3 차원 구조체의 내부에 배치될 표면인 상부 표면 및 완성된 구조체의 외면인 밑면을 갖도록 평평하게 배치되는 방법.
4. 제1 항에 있어서, 상기 중간프리폼이 적어도 부분적으로 상기 3 차원 구조체의 내부 공간을 둘러싸도록 이동되면 추가 경화 단계를 수행하는 방법.
5. 제1 항에 있어서, 상기 프리폼은 이격된 위치에 배치된 상이한 특성을 갖는 재료의 부분들 포함하는 방법.
6. 제1 항에 있어서, 상기 프리폼이 상기 3 차원 구조체의 내부 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 이동되기 전에 상기 중간프리폼의 선택적으로 경화된 부분에 보강 부재를 장착하거나 설치하는 단계를 더 포함하는 방법.
7. 바닥, 하나 이상의 측면 패널 및 지붕 패널을 갖는 몸체를 포함하는 차량의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 따른 방법들을 적용하여 상기 몸체를 형성하는 방법을 포함하며, 단계 (b)에서 선택적으로 경화된 부분은 상기 바닥, 상기 측면 패널 및 상기 지붕 패널을 포함하는 방법.
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