KR102528795B1 - 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 그 형성 방법 - Google Patents

첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 그 형성 방법 Download PDF

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씨. 왈드롭 존
더블유. 헤이스 마이클
제임스 슈펜 히크먼 그레고리
에스. 톰슨 매튜
알. 하인즈 스테픈
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Abstract

첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 이러한 스트립을 형성하는 방법이 제공된다. 복합재 공급원료 스트립은 서로 그리고 스트립의 주축에 평행하게 연장되는 연속 단방향 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 섬유 연속성은, 스트립의 주축에 따른 인장 강도와 같은, 우수한 기계적 특성을 산출한다. 복합재 공급원료 스트립은 섬유에 평행하는 방향으로 복합재 적층판(composite laminate)을 슬리팅하는 것에 의해 제조될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 슬릿 스트립의 단면 형상은 스트립의 적어도 표면 사이에 재료를 재분포시키는 것 및/또는 다른 재료로 슬릿 스트립을 코팅하는 것에 의해 변경될 수 있다. 이 단면 형상 변경은 스트립 내에서 연속 섬유를 교란시키는 것 없이 수행될 수 있다. 스트립 내에서 섬유의 단면 분포는, 예컨대 첨삭 가공을 돕기 위해 스트립의 주축에 가까운 섬유의 더 높은 집중에 따라 불균등하게 될 수 있다.

Description

첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 그 형성 방법{Composite Feedstock Strips for Additive Manufacturing and Methods of Forming Thereof}
본 발명은 복합재 공급원료 스트립에 관한 것으로, 특히 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
첨삭 가공(additive manufacturing)은, 플라스틱 및 금속과 같은, 재료의 3차원(3D) 물체 부가 층(three-dimensional (3D) object adding layers)을 형성하는 프로세스이다. 프로세스는 종종 컴퓨터 시스템, 특히 각 층 및 전체 레이업 프로세스(layup process)를 설계하기 위해 CAD(computer aided design)에 의존한다. 첨삭 가공은, 예컨대 항공우주 어플리케이션(aerospace applications)에서 빈번하게 이용되는 복잡한, 저 용적 부품(complex, low volume parts)에 대해 특히 매력적이다. SLA(stereo lithography), SLS(selective laser sintering) 및 FDM(fused deposition modeling)은 첨삭적으로 가공된 구성요소(additively manufactured components)를 만들기 위해 이용되는 현재의 3가지 주요한 방법이다. 전형적으로, 어떠한 구조적 지지체(structural supports)(예컨대, 섬유(fibers))가 없는 재료인, 순수 수지(neat resins)가 이 목적을 위해 이용된다. 첨삭 가공 공급원료에 구조적 지지체를 통합하는 것은 어려운 것으로 입증되었고 일반적으로 작은 입자(small particles) 및 짧은 섬유(short fibers)로 제한된다. 그러나, 이들 형태의 구조적 지지체는 연속 섬유(continuous fibers)와 관련된 기계적 특성을 산출하지 않는다. 더욱이, 압출(extrusion)과 같은, 복합재 공급원료(composite feedstock)를 제조하기 위해 이용된 현재의 기술은 공급 원료에서 보이드(voids) 및 다른 결함(defects)을 야기시킬 수 있다. 마지막으로, 복합재 공급원료를 제조하는 압출 및 다른 유사한 기술은 구조적 지지체로 막히는(clogging) 경향이 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 그 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 이러한 스트립을 형성하는 방법이 제공된다. 복합재 공급원료 스트립은 서로 그리고 스트립의 주축에 평행하게 연장되는 연속 단방향 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 섬유 연속성은, 스트립의 주축에 따른 인장 강도와 같은, 우수한 기계적 특성을 산출한다. 복합재 공급원료 스트립은 섬유에 평행하는 방향으로 복합재 적층판(composite laminate)을 슬리팅하는 것에 의해 제조될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 슬릿 스트립의 단면 형상은 스트립의 적어도 표면 사이에 재료를 재분포시키는 것 및/또는 다른 재료로 슬릿 스트립을 코팅하는 것에 의해 변경될 수 있다. 이 단면 형상 변경은 스트립 내에서 연속 섬유를 교란시키는 것 없이 수행될 수 있다. 스트립 내에서 섬유의 단면 분포는, 예컨대 첨삭 가공을 돕기 위해 스트립의 주축에 가까운 섬유의 더 높은 집중에 따라 불균등하게 될 수 있다.
첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법이 제공된다. 몇몇 실시예에 있어서, 방법은 시트를 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅하는 단계와 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면을 코팅하는 단계를 갖추어 이루어진다. 예컨대, 외부 표면은 제2 수지를 구비하는 재료로 코팅될 수 있다. 이 코팅 프로세스는 복합재 공급원료 스트립의 표면에 걸쳐 코팅 층을 형성한다. 코팅 층 및 복합재 공급원료 스트립의 이러한 조합은 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로 불리워진다.
슬리팅을 위해 이용된 시트는 해당 시트 내에서 서로 평행하게 연장되는 제1 수지 및 연속 섬유를 구비하여 구성될 수 있다. 슬리팅은 시트 내에서 연속 섬유에 평행하는 방향을 따라 수행될 수 있고, 그에 의해 섬유의 연속성을 유지한다. 코팅은 크로스-헤드 압출 코팅 기술(cross-head extrusion coating technique) 또는, 분말 코팅(powder coating) 및 용액-기반 코팅 기술(solution-based coating technique)과 같은, 소정의 다른 적정한 기술을 이용해서 수행될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 연속 섬유의 분포는 이들 스트립을 코팅하기 이전에 균일하다. 이 섬유 분포는 슬리팅 동안 유지된다. 이와 같이, 슬리팅을 위해 이용된 시트의 단면 전체에 걸쳐 연속 섬유의 분포는 또한 균일할 수 있다. 그러나, 슬릿 스트립이 코팅되면, 코팅 재료, 예컨대 제2 수지에서 이용될 수 있는 연속 섬유가 없으므로 이 단면 분포는 변한다. 몇몇 실시예에 있어서, 제2 수지는 여러 형태의 섬유 또는 다른 형태의 필러(fillers)를 포함할 수 있거나 소정의 섬유나 필러로부터 실질적으로 자유로울 수 있다. 예컨대, 코팅 재료에서 비-수지 구성요소(non-resin components)의 집중(concentration)은 5 부피%(5% by volume) 이하 또는 심지어 1 부피% 이하일 수 있다.
대안적으로, 코팅 재료는 섬유, 입자 및 플레이크로 구성된 그룹으로부터 선택된 필러를 포함할 수 있다. 예컨대, 필러는, 시트의 연속 섬유 그리고 나중에 그들의 애스펙트 비(aspect ratio)를 적어도 기초로 하는 복합재 공급원료 스트립과는 다른, 불연속 섬유를 구비하여 구성될 수 있다. 필러는 열 민감성 첨가제(heat sensitive additive), 광물 보강재(mineral reinforcement), 열 안정제(thermal stabilizer), UV(ultraviolet) 안정제, 윤활제(lubricant), 내연제(flame retardant), 도전성 첨가제(conductive additive), 및 안료(pigment)로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 제1 수지 및 제2 수지 중 하나가 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성될 수 있다. 제1 수지 및 제2 수지는 동일하다. 예컨대, 제1 수지 및 제2 수지가 모두 PEKK(polyetherketoneketone)일 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면 상에 형성된 코팅 층의 두께는 균일하다. 이러한 형태의 코팅은 또한 컨포멀 코팅(conformal coating)으로 불리워질 수 있다. 두께 변동(thickness variation)은 20% 이하 또는 심지어 10% 이하일 수 있다. 이들 실시예에 있어서, 코팅된 복합재 공급원료 스트립의 단면은 코팅 이전에 복합재 공급원료 스트립의 단면의 확대 변동(scaled up variation)을 나타낼 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸친 연속 섬유의 집중은 이들 스트립을 코팅하기 이전에 적어도 약 40 부피%이다. 슬리팅 동안 섬유가 부가되거나 제거되므로, 연속 섬유로 시트 슬릿의 섬유 집중은 동일할 수 있다. 이 집중은, 예컨대 적층(lamination)을 위한 플라이의 선택을 통해 시트의 제조 동안 제어될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립의 단면, 또는 특히, 단면 프로파일은 재료로 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면을 코팅하는 동안 동일하게 남겨진다. 즉, 코팅 프로세스는 복합재 공급원료 스트립을 방해할 수 없다.
몇몇 실시예에 있어서, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일은 직사각형, 정사각형 및 사다리꼴로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 코팅된 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일은 타원형, 원형, 직사각형, 정사각형, 및 둥근 코너 직사각형, 그리고 둥근 코너 정사각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
몇몇 실시예에 있어서, 방법은 슬리팅을 위해 이용된 시트를 형성하는 단계를 더 갖추어 이루어진다. 이 동작은 시트를 슬리팅하기 이전에 수행되고 섬유 함유 플라이를 구비하는 레이업을 형성하는 것에 뒤이어 이 레이업을 적층하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 레이업의 모든 시트는 섬유 함유 플라이(fiber containing plies)이다. 이들 실시예에 있어서, 적층 시트(laminated sheet) 내의 연속 섬유의 부피율(volumetric fraction)은 일정(constant)할 수 있다. 대안적으로, 레이업은 하나 이상의 섬유 함유 플라이 뿐만 아니라 수지 플라이(resin plies) 중 하나 이상으로부터 형성될 수 있다. 수지 플라이는 섬유 또는 소정의 다른 필러로부터 자유로울 수 있다. 이들 대안적인 실시예에 있어서, 적층 시트 내의 연속 섬유의 부피율은 적층 시트의 두께 전체에 걸쳐 변화한다. 예컨대, 적층 시트 내의 연속 섬유의 부피율은 적층 시트의 표면 중 하나에서 보다 적층 시트의 두께에 따른 적층 시트의 중앙에서 더 크다.
몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면을 코팅하기 이전에, 방법은 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일을 변경시키는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립은 연속 섬유로부터 자유로운 표면 부분을 포함할 수 있고, 이들 표면 부분으로부터의 재료는 재분포될 수 있고 그에 의해 새로운 단면 프로파일을 형성한다.
첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다. 몇몇 실시예에 있어서, 코팅된 복합재 공급원료 스트립은 복합재 공급원료 스트립과 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면 상에 배치된 코팅 층을 구비한다. 복합재 공급원료 스트립은 시트 내에서 서로 평행하게 연장되는 제1 수지 및 연속 섬유를 구비한다. 코팅 층은 복합재 공급원료 스트립 주위에서 전체 또는 부분 쉘(shell)을 형성할 수 있다.
이들 및 다른 실시예가 도면을 참조하여 이하 더욱 상세히 설명된다.
도 1a는 몇몇 실시예에 따른 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립(composite feedstock strips)을 형성하는 방법에 대응하는 프로세스 플로우차트이다.
도 1b는 몇몇 실시예에 따른 코팅 층(coating layers)을 포함하는 복합재 재료 공급원료 스트립을 형성하는 다른 방법에 대응하는 프로세스 플로우차트이다.
도 2a는 몇몇 실시예에 따른 다수 수지 플라이(multiple resin plies) 및 섬유 함유 플라이(fiber containing plies)를 포함하는 레이업(layup)의 도식적 단면도이다.
도 2b는 몇몇 실시예에 따른 섬유 함유 플라이 중 하나에서 섬유의 지향(orientations of fibers)을 예시하는 도 2a에 도시된 레이업의 일부분의 도식적 투시도이다.
도 2c는 몇몇 실시예에 따른 단지 섬유 함유 플라이만을 포함하는 레이업의 도식적 단면도이다.
도 2d는 몇몇 실시예에 따른 레이업의 외부 플라이(outer plies)가 섬유 함유 플라이이도록 수지 플라이 및 섬유 함유 플라이를 포함하는 레이업의 도식적 단면도이다.
도 3a는 몇몇 실시예에 따른 도 2a에 도시된 레이업으로부터 형성된 적층 시트(laminated sheet)의 도식적 단면도이다.
도 3b는 몇몇 실시예에 따른 적층 시트의 두께에 따른 위치의 함수(function of location)로서 섬유의 부피율(volumetric fraction)을 나타내는 도식적 플롯이다.
도 3c는 몇몇 실시예에 따른 적층 시트 내의 섬유의 일정 부피율(constant volumetric fraction)을 나타내는 다른 플롯이다.
도 3d는 몇몇 실시예에 따른 슬리팅 방향(slitting directions)을 예시하는 도 3에 나타낸 적층 시트의 도식적 투시도이다.
도 4a는 몇몇 실시예에 따른 도 3d에 나타낸 적층 시트로부터 형성된 복합재 공급원료 스트립의 도식적 투시도이다.
도 4b는 몇몇 실시예에 따른 복합재 공급원료 스트립의 도식적 단면도이다.
도 4c는 몇몇 실시예에 따른 도 4b에 나타낸 복합재 공급원료 스트립의 도식적 투시도이다.
도 5a는 몇몇 실시예에 따른 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일을 변경시키기 위해 이용된 액화기(liquefier)의 도식적 도면이다.
도 5b는 몇몇 실시예에 따른 도 5a에 나타낸 액화기로 들어가는 복합재 공급원료 스트립의 도식적 단면도이다.
도 5c는 몇몇 실시예에 따른 도 5a에 나타낸 액화기를 떠나는 복합재 공급원료 스트립의 도식적 단면도이다.
도 5d 내지 도 5f는 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(uncoated composite feedstock strips)의 다른 예의 도식적 단면도이다.
도 5g 내지 도 5k는 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(coated composite feedstock strips)의 다른 예의 도식적 단면도이다.
도 5l 내지 도 5n은 복합재 공급원료 스트립이 코팅 이전에 그 단면 프로파일이 변할 때 여러 제조 단계에서 복합재 공급원료 스트립의 도식적 단면도이다.
도 5o 내지 도 5q는 복합재 공급원료 스트립이 코팅 후에 그 단면 프로파일이 변할 때 여러 제조 단계에서 복합재 공급원료 스트립의 도식적 단면도이다.
도 6의 a 및 b는 몇몇 실시예에 따른 휘어진 복합재 공급원료 스트립(bent composite feedstock strip)의 도식적 단면도이다.
도 7a는 몇몇 실시예에 따른 적층 시트를 형성하기 위해 이용된 장치의 도식적 도면이다.
도 7b는 몇몇 실시예에 따른 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하기 위해 이용된 장치의 도식적 도면이다.
도 8a는 테스트에 이용된 복합재 공급원료 스트립의 단면의 사진이다.
도 8b는 적층 두께(laminate thickness) 및 코팅 두께(coating thickness)의 함수로서 정사각형 적층 코어(square laminate core) 상에 원형 코팅(circular coating)으로 코팅된 공급원료에서의 코팅 부피율(coating volume fraction)의 플롯이다.
도 8c는 적층 두께, 코팅 두께, 및 코팅 단면 형상의 함수로서 코팅된 공급원료에서의 섬유 함유율(fiber content)의 플롯이다.
도 9는 여기에 개시된 엔드 에펙터(end effectors)를 이용할 수 있는 항공기 생산 및 서비스 방법의 블록도이다.
도 10은 여기에 개시된 복합재 구조체를 포함할 수 있는 항공기의 도식적 예시이다.
이하의 설명에 있어서, 다수의 특정 상세내용은 제공된 개념의 이해를 통해 제공되도록 설명된다. 제공된 개념은 이들 특정 상세내용의 몇몇 또는 전부 없이도 실시될 수 있다. 다른 예에 있어서, 설명된 개념을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 잘 알려진 프로세스 동작은 상세하게 설명하지 않는다. 몇몇 개념이 특정 실시예와 함께 설명되는 한편, 이들 실시예는 제한되는 것으로 의도되지 않음이 이해될 것이다.
서론
항공우주와 같은, 많은 어플리케이션은 아직 소량 생산 볼륨(low production volumes)의 복잡한 기하학적 형상을 갖는 부품을 필요로 한다. 반면, 몰딩(molding)과 같은, 대량 생산 볼륨(high production volumes)을 위해 적절한 많은 기술이 시간이 지남에 따라 개발되었고, 이들 기술은 상당한 비용이 소요되고 종종 필요한 특성을 갖는 부품을 생산하지 않는다. 첨삭 가공은 이들 공백을 채우기 위한 시도에서 최근에 많은 인기를 얻고 있다. 그러나, 많은 구조적 요구(예컨대, 제조된 구성요소의 강도)는 현재의 첨삭 가공 기술로는 용이하게 달성될 수 없었다. 예컨대, 섬유(fibers) 또는 입자(particles)와 같은, 구조적 지지체를 첨삭 가공 공급원료에 통합하는 것은 중대한 도전이다. 작은 단면 프로파일로 공급원료를 직접적으로 형성하도록 시도할 때, 작은 섬유 및 입자 조차도 압출가공 노즐(extruding nozzles)을 막히게 하는 경향이 있다. 아직, 작은 프로파일은 복잡한 기하학적 형상, 엄격한 치수 허용오차, 및/또는 부드러운 표면 마무리로 부품을 제조하기 위해 필수적이다.
일반적으로 복합재 재료에 대해 그리고 특히 첨삭 가공을 이용해서 형성된 복합재 부품에 대한 특정의 관심이 있는 하나의 영역은 연속 섬유(continuous fibers)를 이용하는 것이다. 연속 섬유는 섬유의 방향으로 높은 강도 레벨(high strengths levels)을 제공한다. 예컨대, PAEK(polyaryletherketone) 수지로 형성되고 촙 카본 섬유(chopped carbon fibers)의 30 부피%로 채워진 복합재 공급원료 스트립은 약 3 MSI(million pounds per square inch)의 인장 탄성률(tensile modulus)을 갖을 수 있다. 동시에, 동일한 수지로 형성되고 연속 탄소 섬유의 35 부피%로 채워진 복합재 공급원료 스트립은 10 MSI 보다 더 큰 인장 탄성률을 갖을 수 있다. 더욱이, 연속 섬유 공급원료를 이용해서 생산된 복합재 부품은 현재 생산된 비교할 만한 비강화 부품(unreinforced parts)의 대략 6배의 강도(strength) 및 10배의 강성(stiffness)을 갖는 것으로 예상된다.
그러나, 첨삭 가공에 연속 섬유를 통합하는 것은 단섬유(short fibers) 및 입자(particles)를 통합하는 것 보다 더욱 더 도전적이다. 현재의 첨삭 가공 기술은 상용화에서 연속 섬유로 복합재 공급원료 스트립을 간단히 생산할 수는 없다. 연속 섬유를 취급하는 것, 연속성(continuity)을 유지하는 것, 및 섬유의 지향을 보존하는 것은 통상적인 첨삭 가공 기술에 대해 중요한 장애로 되는 것으로 판명되었다.
여기서는 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립 및 이러한 스트립을 형성하는 방법이 개시된다. 이들 복합재 공급원료 스트립은 연속 단방향 섬유(continuous unidirectional fibers)를 포함한다. 특히, 섬유는 서로 그리고 스트립의 주축(principal axes)에 대해 평행하게 연장된다. 이들 공급원료 스트립은 보이드(voids) 또는 다른 형태의 결함(defects)을 도입하는 것 없이 높은 등급의 복합재 플라이 또는 필름으로부터 생산될 수 있다.
복합재 공급원료 스트립은 수지 플라이 중 하나 이상과 하나 이상의 섬유-함유 플라이의 레이업(layup)을 적층(laminating)하는 것에 의해 형성된다. 레이업에서 이들 플라이의 위치는 최종 스트립 내에서 섬유 및 다른 재료의 분포(distribution)를 제어하는데 이용된다. 더욱이, 레이업에서 모든 섬유-함유 플라이의 지향(orientation)은 이 레이업에서의 모든 섬유가 단방향(unidirectional)이라는 것이다. 적층(lamination) 후, 적층 시트(laminated sheet)는 다수의 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅된다. 슬리팅(slitting)은 이들 스트립에서 섬유에 평행하는 방향을 따라 수행된다. 이와 같이, 섬유의 연속성이 보존된다. 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 제안된 방법은 저 비용이고, 수지 재료(예컨대, 열가소성 재료(thermoplastic materials)) 및 섬유 재료에 광범위하게 적용할 수 있으며, 공급원료 스트립 내에서 섬유의 여러 양 및/또는 분포를 생산하도록 용이하게 조절될 수 있다. 공급원료는 생산된 복합재 부품에 대해 FDM(fused deposition modeling) 첨삭 가공 기술을 위해 이용될 수 있다. 복합재 공급원료 스트립은 연속 단방향 섬유를 포함하고 또한 보강 공급원료 스트립(reinforced feedstock strips), 또는 특히 연속 섬유 보강 공급원료 스트립(continuous fiber reinforced feedstock strips) 또는 로드(rods)로서 언급될 수 있다.
소정의 평면 플라이(planar plies)가 레이업을 형성하는데 이용될 수 있고, 특정 플라이로 한정되는 것은 아니지만, 이러한 항공우주 등급 섬유-함유 플라이 등을 포함한다. 더욱이, 여러 레이업 배열이 최종 공급원료 스트립 내에서 섬유 및 다른 재료의 여러 분포를 달성하는데 이용될 수 있고, 그에 의해 복합재 공급원료 스트립의 새롭고 특이한 구성에 대해 문을 연다. 더욱이, 이러한 재료 선택 및 배열 선택의 넓은 범위는 최소 섬유 파열(fiber disruption) 또는 좌굴(buckling) 뿐만 아니라 연속적인 장비 실행시간으로 경제적인 처리를 허용한다. 롤-투-롤 처리(roll-to-roll processing)와 같은, 다양한 연속적인 처리 기술은 개별 동작 또는, 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 레이업을 형성하는 것과 레이업을 적층하는 것의 조합과 같은, 다수 동작의 조합에 대해 이용될 수 있다.
레이업은 플라이의 연속적 롤(continuous rolls)로부터 형성될 수 있다. 이들 롤 중 하나는 섬유-함유 플라이(fiber-containing ply)를 포함할 수 있다. 이 플라이에서 섬유는 연속적이고 롤 와인딩(roll windings)의 방향으로 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 동일하거나 다른 섬유-함유 플라이의 다수 롤이 동일한 레이업을 형성하는데 이용될 수 있다. 다른 플라이는, 섬유로부터 자유로울 수 있는, 수지 플라이(resin plies)일 수 있다. 방법은 하나 이상의 섬유-함유 플라이와 하나 이상의 수지 함유 플라이를 포함하는 롤이 풀리는 연속적인 프로세스일 수 있고, 플라이는 레이업의 모든 플라이를 적층 시트에 압밀(consolidating)시키기 위해 처리 장비(예컨대, 라미네이터(laminator))로 연속적으로 공급된다. 몇몇 실시예에 있어서, 슬리터(slitter)가 또한 이러한 연속적인 처리의 일부일 수 있다. 슬리터는 적층 시트를 개별 복합재 공급원료 스트립으로 커팅하고, 이는 컴팩트한 저장과 선적(shipping)을 위한 롤로 형성될 수 있다. 이러한 연속적인 처리는 또한 액화기(liquefier)를 포함할 수 있고, 이는 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일을 변경시킨다. 예컨대, 스트립은 슬리팅(slitting) 후에는 정사각형 프로파일(square profile)을 갖고 이어 액화기를 통해 지나간 후에는 원형 프로파일(circular profile)을 갖을 수 있다. 마지막으로, 첨삭 가공이 또한 연속적인 처리의 일부로 될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립은 코팅된다. 복합재 공급원료 스트립이 슬리팅된 후에 코팅의 부가는, 첨삭 가공 또는 특정 어플리케이션을 위해 적절한 외부 표면 상에 재료를 부가하기 위해, 및/또는 연속 단방향 섬유의 더 높은 집중(concentrations)을 갖는 (그리고 섬유로부터 자유로울 수 있는, 코팅 층에 대해 설명함에도 더 높은 전체 섬유 집중을 갖는) 복합재 공급원료 스트립을 이용하기 위해, 그들의 단면 프로파일을 변경시키는데 이용될 수 있다. 예컨대, 외부 표면 상에서 몇몇 재료를 재분포하는 것(redistributing)에 의해 단면 프로파일을 변경시키는 것은 섬유 장애(fiber disturbance)를 회피하기 위해 표면 상에서 무섬유 재료(fiber free material)의 실질적 양을 요구할 수 있다. 몇몇 제한이 이들 무섬유 재료의 조성 및/또는 재분포 동안 이용된 처리 조건에 부과될 수 있다. 한편, 재료로 슬릿 스트립(slit strips)을 코팅하는 것은, 균일한 코팅 층, 및 다른 특징을 형성하기 위해, 필러(fillers)를 갖춘 재료와 같은, 새로운 재료 선택을 제공한다. 몇몇 실시예에 있어서, 재분포는 코팅과 결합될 수 있다.
첨삭 가공 동안, 복합재 공급원료 스트립은 복합재 부품, 통상적으로 복잡한 기하학적 형상을 갖는 부품을 형성하기 위해 이용된다. 이러한 연속적 처리는 통상적인 개별 처리(discrete processing), 특히 몇몇 동작이 수작업으로 수행될 때 보다 일반적으로 더 빠르고 더 제어된다(예컨대, 더 좋은 섬유 지향 제어). 당업자는 상기 설명된 모든 처리 동작이 수행될 필요가 없음을 이해한다. 예컨대, 복합재 공급원료 스트립은 그들의 단면 프로파일을 변경시키는 것 없이 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 스트립은 열가소성 복합재 배치 기술(thermoplastic composite placement technique)을 이용해서 부품에 놓여져 압밀될 수 있다. 더욱이, 첨삭 가공은 완전히 다른 프로세스의 일부분일 수 있다. 마지막으로, 이들 처리 동작을 그룹짓는 것은 다를 수 있고 반드시 하나의 큰 그룹의 일부분일 필요는 없다. 예컨대, 레이업 형성과 적층(lamination)은 하나의 그룹의 일부분일 수 있다. 적층 시트의 롤은 이 그룹에서의 모든 동작을 완료한 후 형성될 수 있다. 이 롤은 이어 다른 그룹에 속하는 슬리팅 동작 동안 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅될 수 있다. 또 다른 처리 그룹은 단면 프로파일 변화 동작(cross-sectional profile changing operations)을 포함할 수 있다.
전체적으로, 제공된 복합재 공급원료 스트립은 저 비용 및 높은 품질을 갖추고, 구성의 넓은 범위에서, 복합재 재료의 넓은 범위뿐만 아니라 단면 크기 및 프로파일의 넓은 범위로부터 형성될 수 있다. 이들 공급원료 스트립은 연속 섬유 보강 첨삭 가공 시장의 필요를 공급하도록 큰 체적으로 생산될 수 있다. 열가소성 복합재 인발형성 프로세스(thermoplastic composite pultrusion processes)를 이용해서 만들어진 비교할만한 공급원료는 특히 하이 엔드 어플리케이션(high end applications)을 위해 적절한 고성능 열가소성 재료에서 작은 직경 로드 재료(small diameter rod material)를 효과적으로 생산하는 것이 가능하지 않다.
복합재 공급원료 스트립 및 그 형성의 예
도 1은 본 발명에 따른, 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법(100)에 대응하는 프로세스 플로우차트이다. 방법(100)은 동작(102) 동안 레이업을 형성하는 것에 뒤이어 동작(110) 동안 레이업을 적층하는 것으로 시작할 수 있다. 적층 시트는 동작(110) 동안 형성되고 후에 동작(120) 동안 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅된다. 몇몇 예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립의 단면 형상은 선택적 동작(130) 동안 변경된다. 동작(130)은 선택적 동작(132) 동안 복합재 공급원료 스트립을 가열하는 것(heating) 및/또는 선택적 동작(134) 동안 재료를 재분포하는 것(redistributing)을 포함할 수 있다. 재료를 재분포하는 것은 복합재 공급원료 스트립에서 섬유의 상대적인 지향(relative orientations)에 영향을 미치는 것 없이 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 방법(100)은 선택적 동작(140) 동안 첨삭 가공을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 복합재 공급원료 스트립은 복합재 부품을 형성하기 위해 이러한 동작 동안 소모될 수 있다. 이제 이들 동작의 각각은 방법(100)의 다양한 단계에서의 구성요소, 설명된 동작을 수행하는데 이용된 장비, 및 테스트 샘플을 예시하는 다양한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
레이업을 형성하는 것을 포함하는 동작(102)에 대해 언급하면, 이 동작 동안 형성된 레이업은 하나 이상의 섬유 함유 플라이(one or more fiber containing plies) 및 하나 이상의 수지 플라이(one or more resin plies)를 포함할 수 있다. 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 수지 플라이는 섬유를 포함하지 않을 수 있다. 섬유가 수지 플라이 중 하나 이상에 포함되어도, 이들 섬유는, 연속 단방향 섬유(continuous unidirectional fibers)를 포함하는, 하나 이상의 섬유 함유 플라이와는 다르다.
레이업(200)의 일례를 예시하는 도 2a를 참조하면, 이러한 특정 레이업은 4개의 섬유 함유 플라이(204a-204d) 및 6개의 수지 플라이(202a-202f)를 포함한다. 섬유 함유 플라이(204) 및 수지 플라이(202)의 수, 두께, 및 배열은, 적어도 부분적으로, (레이업(200)을 적층하는 것에 의해 형성된) 도 3a에 도시된 적층 시트(210) 내에서 재료의 단면 분포를 제어하는데 이용될 수 있다. 이 재료는, 적어도 어느 정도까지는, 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 적층 시트(210)를 슬리팅(slitting)에 의해 형성되는, 복합재 공급원료 스트립(composite feedstock strips; 220)에 유지될 수 있다. 더욱이, 플라이(202, 204)의 수 및 두께는 적층 시트(210)의 두께(210a)를 제어하는데 이용될 수 있고, 이는 결국 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 치수를 제어한다.
레이업(200)을 형성하는데 이용된 수지 플라이(202)는 섬유로부터 자유로울 수 있다. 모든 연속 단방향 섬유는 섬유 함유 플라이(204)에 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 수지 플라이(202)는, 입자(particles) 및/또는 짧은 다방향 섬유(short multidirectional fibers)와 같은, 다른 형태의 필러(fillers)를 포함할수 있다. 도 2a를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 레이업(200)의 적어도 하나의 외부 플라이(208a)는 수지 플라이(202)이다. 특히, 양 외부 플라이(208a 및 208b)는 수지 플라이(202)일 수 있다. 섬유 함유 플라이(204)를 포함하는, 레이업(200)의 모든 다른 플라이 및, 몇몇 실시예에 있어서, 다른 수지 플라이(202)는 외부 플라이(208a 및 208b) 사이에 배치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 레이업(200)의 각 측 상의 다수 외부 플라이는 수지 플라이(202)이다. 도 2a에 제공된 예는 레이업(200)의 일측 상의 2개의 수지 플라이(202a 및 202b) 및 레이업(200)의 타측 상의 2개의 수지 플라이(202e 및 202f)를 예시한다. 배열의 이러한 형태는 레이업(200) 및 이어 적층 시트(210)의 충분하게 두꺼운 표면부 및 결국 복합재 공급원료 스트립(220)이 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 형상을 변경시키는 것을 허용하도록 섬유로부터 자유로움을 보장하는데 이용될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 수지 플라이(202)는 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성된다. 특히, 하나 이상의 수지 플라이(202)는 PES(polyethersulfone)를 구비하여 구성된다. 동일한 레이업(200)을 형성하는 모든 수지 플라이(202)는 동일한 조성(composition)을 갖을 수 있다. 대안적으로, 동일한 레이업을 형성하는 여러 수지 플라이(202)는 여러 조성을 갖을 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 섬유 함유 플라이(204)는 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 구룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성된다. 이들 재료는 매트릭스 수지(matrix resins)로서 언급될 수 있고 수지 플라이(202)의 수지와는 구별되어야 한다. 특히, 섬유 함유 플라이(204)는 PEKK(polyetherketoneketone)를 구비하여 구성될 수 있다.
섬유 함유 플라이(204)에서 이용된 수지는 수지 플라이(202)에서 이용된 수지와 동일하거나 다를 수 있다. 예컨대, 수지 플라이(202)는 PES(polyethersulfone)를 구비하여 구성될 수 있고, 한편 섬유 함유 플라이(204)는 PEKK(polyetherketoneketone)를 구비하여 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 수지 플라이(202)는 PEKK(polyetherketoneketone)를포함할 수 있고, 한편 섬유 함유 플라이(204)는 PPS(polyphenylenesulfide)를 구비하여 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 수지 플라이(202)는 PEKK(polyetherketoneketone)를 포함할 수 있고, 한편 섬유 함유 플라이(204)는 PEKK(polyetherketoneketone)를 구비하여 구성될 수 있다.
섬유 함유 플라이(204) 및 수지 플라이(202)에서 이용된 하나 이상의 수지는 열가소성 수지(thermoplastic resins)일 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 섬유 함유 플라이(204) 및 수지 플라이(202)에 이용된 하나 이상의 수지는 열경화성 수지(thermoset resin)를 포함할 수 있다. 열경화성 수지는, 이용된다면, (예컨대, 필러로서 이용된) 하나 이상의 열가소성 수지와 결합될 수 있다. 더욱이, 열경화성 수지가 이용될 때, 이러한 수지를 함유하는 수지 플라이(202) 및/또는 섬유 함유 플라이(204)는, 예컨대 해당 열경화성 수지의 유리 전이 온도(glass transition temperature) 이상으로 가열될 수 있다.
각 수지 플라이(202)의 두께는 약 0.001 인치와 0.020 인치 사이, 또는 특히 0.002 인치와 0.010 인치 사이로 될 수 있다. 각 섬유 함유 플라이(204)의 두께는 약 0.003 인치와 0.015 인치 사이, 또는 특히 0.005 인치와 0.010 인치 사이로 될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 섬유 함유 플라이(204)의 연속 섬유(continuous fibers; 206)는, 유리(glass)(S-타입 또는 E-타입), 석영(quartz), 아라미드(aramid), 탄소 섬유(carbon fibers), 탄소 나노튜브(carbon nanotubes) 또는 그 조합과 같은, 소정의 적절한 섬유 구성요소일 수 있다. 실질적으로 각 섬유 함유 플라이(204) 내의 모든 (예컨대, 90% 이상) 섬유(206)는 연속적이고 Y축을 따라 연장되는 섬유(206)를 예시하는, 예컨대 도 2b에 도시된 바와 같은 단방향 배열로 지향된다. 단방향 배열(unidirectional arrangement)은 또한 0/0 배열로서 언급될 수 있다. 특히, 레이업(200)을 형성하는 모든 섬유 함유 플라이(204)에서 모든 섬유(206)는 서로 평행한다. 당업자는 용어 평행(parallel)이 약 ± 5°이하 또는 심지어 약 ± 2°보다 더 이하와 같은 몇몇 허용오차를 허용한다는 것을 이해한다.
(단방향이 아닌) 섬유 지향(fiber orientations)의 다른 형태가 적층 시트(210)의 이어지는 슬리팅(slitting)을 간섭할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 여기에 개시된 방법에 따라 복합재 공급원료 스트립(220)을 형성하기 위해 적용가능할 수 있다. 당업자는 섬유 함유 플라이(204) 내의 섬유(206)의 형태, 단면 치수, 양 뿐만 아니라 섬유 함유 플라이(204)에서 이용된 매트릭스 수지 및 수지 플라이(202)에서 이용된 수지의 형태가 복합재 공급원료 스트립(220)의 비용 및 궁극적으로 원하는 물리적 및 기계적 특성을 포함하는, 다양한 팩터를 기초로 변할 수 있음을 인식한다.
몇몇 실시예에 있어서, 레이업을 형성하는 모든 섬유 함유 플라이(204)는 롤(rolls), 예컨대 프리프레그 테이프(prepreg tapes)로 초기에 제공될 수 있다. 이들 섬유 함유 플라이(204)에서 섬유(206)는 이들 롤의 와인딩 방향(winding direction)을 따라 연장될 수 있다. 다수 섬유 함유 플라이(204)가 이용될 때, 모든 플라이는 레이업(200)의 모든 섬유(206)가 서로에 대해 평행(단방향성)함을 보장하기 위해 레이업(200)에서 서로에 관하여 정확하게 지향된다.
몇몇 실시예에 있어서, 레이업(200)을 형성하는 것은 롤-투-롤 프로세스(roll-to-roll process)에서 수행된다. 도 7a를 참조하면, 섬유 함유 플라이(204a 및 204b) 및 수지 플라이(202a 및 202b)는 각각의 롤(702)로부터 풀려질 수 있고 예열 구간(preheating zone; 704)으로 들어감에 따라 레이업(200)을 형성한다. 롤-투-롤 처리(roll-to-roll handling)와 같이, 이들 연속 시트 형성 프로세스는 이중 벨트 프레스(double belt press), 롤 인발형성 머신(roll pultrusion machine), 또는 몰딩 머신에서의 연속적 압축(continuously compressed in molding machines)으로 수행될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 동작(102)을 완료한 후, 방법(100)이 동작(110) 동안 레이업(200)을 적층하는 것으로 계속된다. 이 동작 동안, 적층 시트(210)가 형성된다. 특히, 모든 수지 시트(202) 및 모든 섬유 함유 시트(204)의 재료는 이 동작 동안 압밀될 수 있다. 동시에, 섬유(206)의 단방향 지향(unidirectional orientation)이 보존될 수 있다. 섬유(206)는 이 동작 동안 서로에 대해 더 가깝게 이동할 수 있거나, 그렇지 않으면 단면 내에서 그들의 지향을 변경한다. 예컨대, 다수 섬유 함유 플라이(204)가 레이업을 형성하기 위해 이용될 때, 이들 섬유 함유 플라이(204) 중 하나의 섬유(206)는 이들 섬유 함유 플라이(204) 중 다른 하나의 섬유에 가깝게 이동될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 각 섬유 함유 플라이(204)에 제공된 섬유(206)의 지향은 실질적으로 그대로 동일하게 남겨질 수 있다. 예컨대, 섬유 함유 플라이(204)는 미리 압밀될 수 있다. 대안적으로, 하나의 레이업(200)이 형성되고, 섬유(206)의 상대적 지향(relative orientation)이 적층 동작(110) 동안 동일하게 남겨질 수 있다.
도 1a 및 동작(110)에 따라 계속하면, 이 적층 동작(110)은 레이업(200)을 가열하는 것(heating) 및 압축하는 것(compressing)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 동작(110)이, 예컨대 도 7a에 도시된 장치(700)를 이용해서 연속적인 방식(예컨대, 롤-투-롤 방식(roll-to-roll manner))으로 수행될 수 있다. 특히, 장치(700)는 적층 온도(lamination temperature)까지 레이업을 미리-가열하기 위한 예열 구간(704)을 포함할 수 있다. 당업자는 적층 온도가 섬유 함유 플라이(204) 및 수지 플라이(202)에서 이용된 수지, 이들 플라이의 두께, 및 다른 프로세스 파라미터에 의존할 수 있음을 이해할 것이다. 일반적으로, 온도 하한(lower temperature limit)은 레이업(200)을 형성하는 여러 플라이의 용융 압밀(melt consolidation)을 보장하고 레이업을 형성하는 (섬유(206) 이외의) 재료의 어느 정도의 흐름에 대해 충분해야 한다. 한편, 온도 상한(upper temperature limit)은 적층 시트(210)로 플라이의 압밀 동안 섬유(206)의 지향을 유지하고 열 열화(thermal degradation)를 방지하도록 제어되어질 필요가 있을 수 있다.
동작(110) 동안, 가열된 레이업(200)은 예열 구간(704)으로부터, 또한 압밀 구역(consolidation zone)으로 언급될 수 있는, 적층 구역(lamination zone; 710)으로 공급될 수 있다. 적층 구역에서, 레이업(200)은 단일 집적 적층 시트(single integrated laminate sheet; 210)를 형성하기 위해 압밀된다. 레이업(200)이 적층 구간(710)을 통해 앞으로 이동함에 따라, 적어도 압밀 구역(710)의 초기 부분을 통해 연속적으로 가열될 수 있다.
적층 시트(210)의 일례가 하나의 예가 도 3a에 도시된다. 적층 시트(210)의 (도 3a에서 Ttotal로서 도시된) 두께(210a)는 시트의 2개의 표면(213 및 215) 사이에서 연장된다. 몇몇 실시예에 있어서, 적층 시트(210)의 두께((Ttotal)는 약 0.060 인치 이하, 특히 약 0.050 인치 이하 또는 심지어 약 0.040 인치 이하이다. 적층 시트(210)의 두께(Ttotal)는 도 4b를 참조하여 이하 더욱 설명되는 바와 같이 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면을 결정함을 주지해야 한다. 또한 도 3a에 도시된 것은 해당 시트의 2개의 표면(213 및 215) 사이에서 균들한 거리에 위치된 적층 시트(210)의 중앙 평면(center plane; 217)이다.
몇몇 실시예에 있어서, 적층 시트(210) 내의 섬유(206)의 부피율이 적층 시트(210)의 두께를 통해 변한다. 이 문서의 목적을 위해, 부피율은 이 구성요소를 함유하는 구조체의 전체 체적에 대한 하나의 구성요소(예컨대, 섬유(206))의 체적의 비율로서 정의된다. 부피율이 구조체의 단면을 참조하여 논의될 때, 부피율은 단면 영역의 비율(예컨대, 전체 구조체의 전체 단면에 대한 문제가 되고 있는 구성요소의 단면 영역의 비율)로서 제공될 수 있다. 적층 시트(210) 내에서 섬유(206)의 부피율의 가변성(variability)은 레이업(200)의 하나 이상의 섬유 함유 플라이(204) 및 하나 이상의 수지 플라이(202) 뿐만 아니라 각 플라이의 구성요소의 배열에 기인할 수 있다.
도 3a에 제공된 적층 시트(210)의 예는 2개의 표면 부분(212 및 216)을 포함한다. 특히, 표면 부분(surface portion; 212)은 적층 시트(210)의 제1 표면(213)을 형성하는 반면, 표면 부분(216)은 제2 표면(215)을 형성한다. 양 부분(212 및 216)은 실질적으로 섬유(206)로부터 자유로울 수 있다. 중앙 부분(214)은 적층 시트(210)의 모든 섬유(206)를 포함할 수 있다. 명확하게 하기 위해, 중앙 부분(214)은 2개의 표면 부분(214 및 216) 사이에 배치된다. 이는 적층 시트(210)의 중앙 평면(217) 주변에서 섬유(206)를 집중시키는 예이다. 분포의 이러한 형태는 단지 수지 플라이(202)로부터 표면 부분(212, 216)을 형성하는 것에 의해 달성될 수 있다. 본 예에 있어서, 수지 플라이(202)는 섬유로부터 자유롭다. 동시에, 중앙 부분(214)은 다양한 하나 이상의 섬유 함유 플라이(204)로부터 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 하나 이상의 수지 플라이(202)는 또한 중앙 부분을 형성하는데 이용될 수 있다. 도 2a에 도시된 레이업(200)의 예를 참조하면, 제1 표면 부분(212)은 수지 플라이(202a 및 202b)로부터 형성될 수 있고, 반면 제2 표면 부분(216)은 수지 플라이(202e 및 202f)로부터 형성될 수 있다. 중앙 부분(214)은 섬유 함유 플라이(204a-204d) 뿐만 아니라 수지 플라이(202c 및 202d)로부터 형성될 수 있다. 섬유 함유 플라이(204) 및 수지 플라이(202)의 이러한 배열 및 수는 중앙 부분(214)의 원하는 두께 뿐만 아니라 중앙 부분(214) 및 적층 시트(210) 전체 내에서 섬유의 분포를 달성하기 위해 선택된다.
도 3a를 참조하면, 적층 시트(210)의 전체 두께(210a)에 대한, 섬유(206)로부터 자유로울 수 있는, 표면 부분(212)의 두께(212a)의 비율(Tportion/Ttotal)은 약 5%와 45% 사이, 또는 특히 약 10%와 30% 사이일 수 있다. 이 무섬유(fiber-free) 부분(212)은 도 5b-도 5c를 참조하여 이하 더욱 설명된 바와 같이 섬유(206)를 교란시키는 것(disturbing) 없이 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 프로파일을 변경시키는 것을 허용한다.
도 8a는 (도 2a에 도시되고 앞에서 설명된 것과 유사한 플라이 배열을 갖춘) 테스트 적층 시트(test laminate sheet)의 단면 이미지를 예시한다. 도 8a의 단면 이미지는 테스트 샘플의 단면을 통한 섬유의 실제 분포를 예시한다. 특히, 이러한 테스트 적층 시트는 다음의 레이업을 이용해서 준비되었다: 2개의 PES 플라이 / 탄소-PEKK 플라이 / PES 플라이 / 2개의 탄소-PEKK 플라이 / PES 플라이 / 탄소-PEKK 플라이 / 2개의 PES 플라이. 탄소-PEKK 플라이는 탄소 섬유의 60% 이상을 포함하였고, 각각은 약 0.0054 인치의 두께를 갖는다. PES 플라이는 두께에 있어서 각각 0.005 인치이었다. 수평 백색 패치(horizontal white patches)는 탄소-PEKK 플라이에 의해 제공된 섬유(206)의 단면이다. 이들 백색 수평 패치의 4개의 구별되는 그룹이 있고, 각 그룹은 별도의 탄소-PEKK 플라이에 대응한다. 패치는 도 3a에 제공되고 앞에서 설명한 모델에 대응하는 이 테스트 적층 시트의 표면(213, 215)으로부터 떨어져 명확히 위치된다.
도 3a-b 및 도 8a를 참조하면, 적층 시트(210) 내의 섬유(206)의 부피율은 표면(213 및 215)의 한쪽 또는 양쪽 보다 적층 시트(210)의 중앙 평면(217)에서 더 크다. 특히, 도 3b는 두께 방향(Z축)을 따른 위치를 기초로 부피율 프로파일(219)의 하나의 예를 예시한다. 이 도면은, 섬유로부터 자유로운, 표면 부분(212, 216)과, 모든 섬유(206)를 포함하는, 중앙 부분(214)을 확인한다. 표면 부분(212, 216)은 섬유로부터 자유로우므로, 이들 부분의 부피율은 제로 레벨(zero level)이다. 몇몇 실시예에 있어서, 부피율 프로파일(219)은, 예컨대 도 3b에 도시된 바와 같이, 적층 시트(210)의 중앙 평면(217)에 관하여 대칭(symmetric)이다. 이 대칭 프로파일은, 도 2a에 예시된 예와 같이, 레이업(200)에서 플라이의 대칭 포지션(symmetric position)에 의해 달성될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 전체 적층 시트(210) 내의 섬유(206)의 부피율의 평균은 평균적으로 약 1%와 60% 사이, 또는 특히 약 10%와 50% 사이 또는 심지어 약 20%와 40% 사이이다. 이러한 특징은 또한 총 섬유 적재(total fiber loading)로서 언급될 수 있다. 그러나, 대부분의 통상적인 복합재 재료와는 달리, 적층 시트(210)는 섬유(206)의 불균등 분포(uneven distribution)를 갖는다.
도 1a로 되돌아가면, 방법(100)은 동작(120) 동안 적층 시트(210)를 복합재 공급원료 스트립(220)으로 슬리팅하는 것으로 계속될 수 있다. 이 동작 동안 적층 시트(210)는 복합재 공급원료 스트립(220)으로 바뀐다. 슬리팅은 워터젯 슬리팅(waterjet slitting), 회전 커팅(rotational cutting), 압력 휠 슬리팅(pressure wheel slitting), 또는 롤 슬리팅(roll slitting) 중 하나를 이용해서 수행될 수 있다. 더욱이, 적층 시트(210)를 복합재 공급원료 스트립(220)으로 슬리팅하는 것은 롤-투-롤 프로세스로 수행된다.
도 3d 및 도 4a를 참조하면, 슬리팅은 적층 시트(210)와 함께 모든 섬유(206)에 대해 평행하는 방향(230)을 따라 수행될 수 있다. 이와 같이, 슬리팅은 섬유(206)의 연속성을 교란시키지 않는 바, 예컨대 섬유를 커팅하지 않는다. 동작(120) 동안 형성된 복합재 공급원료 스트립(220)의 각각의 단면 프로파일(221)은, 예컨대 도 4a-도 4c에 도시된 바와 같이, 정사각형(square)일 수 있다. 더욱 일반적으로, 단면 프로파일(221)은 직사각형(rectangle)일 수 있다. 프로파일(221)의 이러한 형태는 적층 시트(210)의 표면(213, 215)에 대해 실질적으로 수직인 방향에서의 슬리팅의 결과이다. 이러한 정사각형 또는 직사각형 프로파일은 둥근 프로파일(round profile), 예컨대 원형 프로파일(circular profile) 또는 타원형 프로파일(oval profile)로 나중에 변환될 수 있다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 각 복합재 공급원료 스트립(220)의 모든 섬유(206)는 해당 스트립의 주축(primary axis; 223)에 평행한다. 본 서류의 목적을 위해, 주축(223)은, 도 4c에 도시된 바와 같이 그 길이(220c)와 같은, 복합재 공급원료 스트립(220)의 가장 긴 치수를 따라 연장되는 축으로서 정의된다. 상기한 바와 같이, 모든 섬유(206)는 그 슬리팅 이전에 적층 시트(210)에 평행한다. 더욱이, 슬리팅은 섬유에 대해 평행하는 방향을 따라 수행된다. 결과적으로, 모든 섬유(206)는 복합재 공급원료 스트립(220)에서 서로에 대해 (상기 정의된 바와 같이) 평행하게 남겨지고 스트립의 주축(223)에 대해 평행하게 연장된다. 섬유의 이러한 연속적이고 단방향 지향은 복합재 공급원료 스트립(220)의 우수한 인장 강도 및 다른 기계적 특성을 초래한다. 예컨대, 90 ksi를 넘는 인장 강도가 몇몇 대표적인 테스트 스트립에서 측정되었다.
동시에, 복합재 공급원료 스트립(220)은 그 주축(223)에 대해 수직인 방향으로 구부려질 수 있다. 이 굽힘 능력(bending capability)은 섬유(206)의 단방향 지향과, 몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립(220) 내의 섬유(206)의 불균등 분포에 의해 제공된다. 특히, 도 6의 a 및 b는 90°휘어진 스트립의 단면을 예시한다. 제2 표면 부분(266)은 중앙 부분(224)의 굽힘 반경(bend radius; R2) 보다 더 예리한 굽힘 반경(R1)을 겪는다. 동시에, 표면 부분(226)은 섬유(206)로부터 자유로울 수 있고, 결과적으로, 중앙 부분(204) 보다 더 가단적(malleable)일 수 있다. 섬유 분포는 저장, 선적, 및 첨삭 가공(additive manufacturing)에서 이어지는 이용을 위해 작은 직경 패키지로 감겨지도록 복합재 공급원료 스트립(220)을 허용한다.
몇몇 실시예에 있어서, 섬유(206)는 복합재 공급원료 스트립(220)에서 적어도 100 피트 또는 심지어 적어도 약 1000 피트의 평균 길이를 갖을 수 있다. 이는 복합재 공급원료 스트립(220)에서 섬유의 연속성 측면을 반영한다. 동시에, 예컨대 도 5c에 도시된 바와 같이, 리포밍(reforming) 후 복합재 공급원료 스트립(220)의 주 단면 치수(principal cross-sectional dimension; 220d)는 약 0.060 인치 이하 또는, 특히 약 0.050 인치 이하 또는 심지어 약 0.040 인치 이하일 수 있다. 이 작은 단면 치수(220d)는 첨삭 가공을 위해 필요로 될 수 있다. 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면은 원(circle)이고, 그 주 단면 치수(220d)는 도 5c에 도시된 바와 같이 원의 직경이다. 그러나, 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 프로파일이 정사각형이면, 이때 그 주 단면 치수는, 도 4b에 도시된 것과 동일한, 폭(220b) 및 두께(220a)이다.
도 1a로 돌아가면, 방법(100)은 선택적 동작(130) 동안 각 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일을 변경시키는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 각 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일은 (적층 시트의 슬리팅 후) 정삭각형인 것으로부터 원(circle) 또는 육각형(hexagon)으로 변경될 수 있다. 현재, 첨삭 가공을 위해 이용된 노즐은 재료를 인가하는 동안 방향 전환에 도움을 주도록 둥근 프로파일을 갖는다. 이와 같이, 둥글거나 (둥글게 되는 것에 가까운) 유사한 복합재 공급원료 스트립(220)의 단편 프로파일을 갖는 것은 첨삭 가공 동안 도움이 될 수 있다. 그러나, 첨삭 가공 기술은 다른 형태의 단면 프로파일로 다른 공급원료 스트립을 이용하도록 개발될 수 있다. 현재의 방법은 연속 섬유의 지향이나 그 연속성을 교란시키는 것 없이 많은 다른 형태의 프로파일을 형성하는 것을 허용한다.
동작(130)은 복합재 공급원료 스트립(220)을 가열하는 것(도 1a에서 블록(132))과 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이 단면 프로파일(221a)의 코너(228)로부터 멀어지는 재료(229)를 재분포시키는 것(도 1a에서 블록(134))을 포함할 수 있다. 특히, 도 5b는 폼(form; 510) 내에 배치된 복합재 공급원료 스트립(220)을 예시한다. 폼(510)의 단면 프로파일은 둥글 수 있다. 그러나, (A-A로서 식별되고 도 5a에서 언급하는) 이러한 장소에서 폼(510)의 직경은 도 5b에서 파선으로 식별된 최종 단면 프로파일의 직경 보다 더 크다. 이러한 위치에서, 복합재 공급원료 스트립(220)의 코너(228)는 폼(510)과 접촉한다. 코너(228)는 최종 단면 프로파일(221b)의 경계의 외측으로 연장되고 소정의이러한 외측 재료는 동작(130) 동안 (예컨대, 보이드(voids)를 채우는 것에 의해) 경계 내로 들어오게 할 것임을 주지해야 한다. 몇몇 실시예에 있어서, 코너(228)로부터 떨어져 재분포된 재료(material; 229)는 섬유(206)로부터 자유롭다.
동작(130) 동안 외측 재료의 이러한 재분포는 최종 단면 프로파일(221b)의 경계 내에 있는 재료에 대한 실질적인 충격 없이 수행될 수 있다. 특히, 복합재 공급원료 스트립(220) 내에서 연속 섬유(206)의 포지션은, 예컨대 복합재 공급원료 스트립(220)의 중앙 부분(224)의 통계 단면 프로파일을 나타내는 도 5b 및 도 5c로 예시한 바와 같이, 동작(130) 동안 유지된다. 이는 가열된 폼(510)으로 코너(228)의 직접 접촉에 기인하여 복합재 공급원료 스트립(220)의 코너(228)의 선택적 가열에 의해 달성될 수 있다. 복합재 공급원료 스트립(220)의 나머지 부분은 복합재 공급원료 스트립(220)을 형성하는 재료의 열 절연 특성(heat insulating nature)과 동작(130)이 수행되는 속도에 기인하여 코너 이하로 가열될 수 있다. 특히, 동작(130) 동안, 연속 섬유(206)를 구비하는 중앙 부분(224)은 코너(228)로부터 떨어져 재분포되는 재료(229) 보다 더 낮은 온도를 갖을 수 있다. 상기 주지한 바와 같이, 재료(229)는 연속 섬유(206)로부터 자유로울 수 있다.
단면 프로파일을 변경시키는 것은 동작(130)이 액화기(500)를 이용해서 수행될 수 있고, 그 일례가 도 5a에 도시된다. 액화기(500)는 테이퍼진 단면 프로파일을 갖는 폼(510)과 폼(510)을 가열하기 위한 히터(512)를 포함할 수 있다. 복합재 공급원료 스트립(220)의 연속 섬유(206)가 단방향이고 연속적이기 때문에, 복합재 공급원료 스트립(220)은 (복합재에서 구조적 지지체(structural supports)로서 이용된 입자 및 촙 연속 섬유에 따른 일반적인 문제인) 막힘(clogging) 없이 액화기(500)를 통해 용이하게 공급될 수 있다. 더욱이, 복합재 공급원료 스트립(220)은, 연속 섬유(206)의 연속 속성에 기인하여 다시 액화기(500)를 통해 공급되는 동안 그 인장 강도를 실질적으로 유지할 수 있고, 이는 동작(130) 동안 복합재 공급원료 스트립(220)를 처리하는 것을 간단하게 한다.
몇몇 실시예에 있어서, 동작(130)은 수행되 않는다. 직사각형 또는 정사각형 프로파일을 갖춘 복합재 공급원료 스트립(220)은 이어지는 처리를 위해 이용될 수 있다. 방법(100)은 또한 복합재 공급원료 스트립(220)을 이용해서 첨삭 가공을 수행하는 것(140)을 포함할 수 있다.
도 1b는 방법(100)의 다른 예에 대응하는 프로세스 플로우차트이다. 본 예는 슬릿 스트립(slit strips) 상에서 수행된 코팅 동작(coating operation)을 포함하고, 이와 같이, 이 방법을 이용해서 형성된 복합재 공급원료 스트립은 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)으로서 언급될 수 있다. 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 다양한 예가 도 5g-도 5k에 도시되고, 이들 도면 및 코팅 동작을 참조하여 이하 더욱 상세히 설명된다. 특별히 주지하지 않는 한, 참조부호 220으로 식별된 복합재 공급원료 스트립은 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)으로부터 그를 구별하기 위해 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립으로서 언급될 수 있다. 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)은 코팅 동작 동안 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)으로 변환된다.
도 1b로 돌아가면, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)을 형성하는 방법(100)의 많은 동작이, 도 1a를 참조하여 상기 설명된, 복합재 공급원료 스트립(220)을 형성하는 방법(100)의 대응하는 동작과 유사할 수 있다. 도 1a에 대한 다양한 참조 및 상기한 대응하는 설명이 적절할 때 이루어진다.
도 1a 및 도 1b의 플로우차트 간의 주요 차이점은 후자의 플로우차트의 코팅 동작(136)이다. 특히, 코팅 동작(136)은 코팅되지 않은 공급원료 스트립(220)을 형성 한 후 수행될 수 있다. 상기시키기 위해, 코팅되지 않은 공급원료 스트립(220)은 동작(120) 동안 적층 시트를 슬리팅하는 것에 의해 형성될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 코팅 동작(136)은 스트립의 표면 상에서 적어도 몇몇 재료를 재분포시키는 것에 의해 동작(130) 동안 복합재 공급원료 스트립의 단면 형상을 변경시키는 것에 대한 필요성을 제거한다. 이들 실시예에 있어서, 동작(130)은 수행되지 않는다. 대안적으로, 동작(130)이 수행될 때, 코팅 동작(136)은 동작(130) 전 또는 후에 수행될 수 있다. 즉, 단면 형상 변경 동작(130)은 (코팅이 뒤따르는) 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220) 상이나 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 어느 쪽에서 수행될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 제공된 플로우차트 간의 다른 차이점, 또는 특히, 이들 2가지 예에서 이용된 재료들 간의 차이는 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)에서의 섬유 분포일 수 있다. 이 섬유 분포는 복합재 공급원료 스트립(220)을 형성하기 위해 이용된 적층 시트의 하나에 대응한다. 도 1b에 제공된 방법(100)의 예에서, 코팅 동작은 복합재 공급원료 스트립(220)의 부분을 재배열하는 것 대신 단면 형상 변경을 위해 이용될 수 있다. 특히, 복합재 공급원료 스트립(220)은, 예컨대 복합재 공급원료 스트립(220)의 외부 표면 상으로 코팅 재료를 부가하는 것에 의해, 단면 형상을 변경시키는 동안, 교란되지 않고 남겨질 수 있다. 이와 같이, 복합재 공급원료 스트립(220)의 전체 단면은 연속 섬유를 포함할 수 있다. 복합재 공급원료 스트립(220)이 교란되지 않고 남아 있으므로 이러한 특정 예에서 복합재 공급원료 스트립(220)에서 필요로 되는 무섬유 부분은 없다. 연속 섬유는 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 모든 표면 가까이에 위치될 수 있다. 코팅되지 않은 공급원료 스트립(220)을 형성하기 위해 이용된 적층 시트는 단지 섬유 함유 플라이만으로부터 형성될 수 있고 외부 수지 시트를 포함하지 않을 수 있다.
도 1b를 참조하면, 방법(100)은 선택적 동작(104) 동안 적층 시트(210)를 형성하는 것을 갖추어 이루어질 수 있다. 동작(104)은 동작(102) 동안 레이업(200)을 형성하는 것에 뒤이어 동작(110) 동안 레이업(200)을 적층하는 것을 포함할 수 있다. 동작(102 및 110)의 몇몇 예가 도 1a를 참조하여 앞에서 설명되었다. 레이업(200) 및 적층 시트(210)의 예는 도 2a-도 2d, 도 3a 및 도 3d에 예시된다. 레이업(200)은 하나 이상의 섬유 함유 플라이(204)를 그리고, 몇몇 예에서는 수지 플라이(202)를 포함할 수 있다. 수지 플라이(202)는 (예컨대, 도 2a에 도시된 바와 같이) 외부 플라이(208a 및 208)로서 이용될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서 그리고 도 1a를 참조하여 앞에서 설명된 방법(100)의 예와는 달리, 도 1b의 방법(100)에 따라 형성된 레이업(200)은 단지 섬유 함유 플라이(204)만으로부터 형성될 수 있다. 도 2c는 섬유 함유 플라이(204a-204d)를 포함하는 이러한 레이업(200)의 하나의 예를 예시한다. 본 예에서 외부 플라이(208a-208b)는 또한 섬유 함유 플라이임이 주지되어야 한다. 본 예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 변경은 재료를 재분포하는 것 보다는 오히려 이들 복합재 공급원료 스트립(220)을 코팅하는 것에 의해 달성될 수 있다.
대안적으로, 레이업(200)은 하나 이상의 섬유 함유 플라이에 부가하여 하나 이상의 수지 플라이를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 플라이(208a-208b)는 섬유 함유 플라이일 수 있다. 도 2d는 섬유 함유 플라이(204a)가 하나의 외부 플라이(208a)로서 기능하고 섬유 함유 플라이(204d)가 다른 외부 플라이(208b)로서 기능하는 동안 수지 플라이(202a 및 202b)가 스택(stack) 내부에 위치되는 이러한 레이업의 예를 예시한다.
상기한 바와 같이, 코팅 동작은 단면 형상 변경을 위해 이용될 수 있다. 적어도 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220) 상에서 수행될 수 있는 재료 재분포는 없고 그 표면 상에서 필요로 되는 무섬유 재료는 없다. 이와 같이, 레이업(200)의 외부 플라이(208a-208b)는 연속 섬유를 포함할 수 있다.
이들 실시예에 있어서, 레이업(200) 내의 그리고 후에 적층 시트(210)에서 연속 섬유의 부피율은, 예컨대 도 3c에 도시된 바와 같이, 두께의 전체에 걸쳐 일정할 수 있다. 특히, 도 3c는 적층 시트(210)(또는 코팅되지 않은 복합재 공급원료(200))의 두께 전체에 걸쳐 섬유 부피율 프로파일(219)을 예시한다. 그러나, 코팅 층이 형성됨에 따라, 이 단면 분포는 연속 섬유가 일반적으로 이 코팅 층에는 제공되지 않음에 따라 변한다.
하나 이상의 수지 플라이가 레이업(200)을 형성하기 위해 이용될 때, 이들 플라이는 연속 섬유로부터, 그리고 몇몇 실시예에서는, 다른 필러(fillers)로부터 자유로울 수 있다. 몇몇 플라이는 연속 섬유를 갖는 반면 다른 플라이는 그렇지 않기 때문에, (레이업(200) 내의 그리고 후에 적층 시트(210)에 따라) 연속 섬유의 부피율은 전체에 걸쳐 변한다. 하나의 이러한 예가 도 3b를 참조하여 앞에서 설명되었고, 연속 섬유의 부피율은 양쪽 표면 부분(212, 216) 보다 중앙 부분(214)에서 더 클 수 있다. 도 3b 및 도 3c에서 부피율 프로파일(219)을 비교하면, 당업자는 다수의 수지 플라이가 감소되거나 심지어 레이업(200)으로부터 완전하게 제거될 때 연속 섬유의 더 높은 적재(higher loading)가 가능할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1b를 참조하면, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)을 형성하는 방법(100)은 동작(120) 동안 적층 시트(210)를 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅하는 것을 갖추어 이루어질 수 있다. 동작(120) 동안 형성된 복합재 공급원료 스트립은 여전히 코팅되지 않은 채임을 주지해야 한다. 슬리팅 동작(120)의 다양한 예가 도 1a를 참조하여 앞에서 설명되었고 또한 도 3d 및 도 4a에 도시된다.
적층 시트(210), 그리고 결과적으로 슬릿 공급원료 스트립(220)은 도 4b 및도 4c에 도식적으로 도시된 바와 같이, 스트립(220)의 주축(223)(예컨대, Y 방향)을 따라 서로 평행하게 연장되는 연속 섬유(206) 및 수지(207)를 구비하여 구성될 수 있다. 슬리팅(slitting; 슬리팅)은 모든 연속 섬유(206)에 평행하는 방향을 따라 수행될 수 있고, 그에 의해 섬유(206)의 연속성을 유지한다.
몇몇 실시예에 있어서, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 전체에 걸쳐 연속 섬유(206)의 집중(concentration)은 적어도 약 30 부피% 또는 심지어 약 40 부피%, 적어도 약 50 부피%, 또는 심지어 적어도 약 60 부피%이다. 이러한 섬유(206)의 높은 집중은, 섬유(206)의 방향으로의 인장 강도와 같은, 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있다. 이러한 집중은, 도 4b에 도시된 표면 부분(222, 226)과 같은, 연속 섬유(206)로부터 자유로운 부분을 제거하는 것에 의해 달성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 섬유를 교란시키는 것 없이 이들 부분에서 재료를 재분포시키기 위해, 코팅이 이용되지 않을 때, 무섬유 표면 부분(222, 226)이 필요로 된다. 섬유(206)가 슬리팅 동작(120) 동안 부가되거나 제거되지 않으므로, 적층 시트(210)와 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 섬유 집중은 동일할 수 있다. 이 집중은 적층 시트(210)의 제조 동안, 또는 특히 동작(102) 동안 레이업(200)을 형성하는 동안 제어될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 프로파일은 직사각형, 정사각형, 원, 및 사다리꼴로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 이들 예의 몇몇은 도 5d-5f에 도시된다. 원형 단면 프로파일은 도 5l 및 도 5m을 참조하여 이하 더욱 설명되는 바와 같이 코팅 전에 재료를 재분포시키는 것에 의해 처음에 직사각형 또는 정사각형으로부터 형성될 수 있다. 예컨대 웨지 형상 슬리팅 툴(wedged shape slitting tool)이 슬릿의 방향으로 몇몇 재료를 밀 때, 사다리꼴 단면 프로파일이 형성될 수 있다. 상부 및 바닥 표면 상에 재료를 재분포시키는 것에 의해 사다리꼴 단면으로 시작하는 것으로부터 원형 프로파일을 형성하는 것이 도전적일 수 있음을 주지해야 한다. 코팅 층을 형성하는 것은 이들 도전을 극복하는데 도움을 줄 수 있다.
도 1b를 참조하면, 방법(100)은 동작(136) 동안 복합재 공급원료 스트립(220)의 외부 표면(225)을 코팅하는 것으로 진행할 수 있다. 코팅 동작은 크로스-헤드 압출 코팅 기술(cross-head extrusion coating technique), 분말 코팅(powder coating), 및 용액-기반 코팅 기술(solution-based coating technique)을 포함할 수 있다. 도 7b는 복합재 공급원료 스트립(220)을 코팅하고 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)을 형성하기 위한 장치(720)의 예를 예시한다.
동작(136) 동안, 코팅 층(522)이 도 5d 및 도 5g에 도식적으로 도시된 바와 같이 외부 표면(225) 상에 형성된다. 코팅 층(522)은 수지를 포함할 수 있다. 이 수지는, 레이업(200)을 형성하는 플라이의 부분일 수 있는, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 수지와 동일하거나 다를 수 있다. 명확성을 위해, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 수지는 제1 수지(207)로서 불리워질 수 있는 한편, 코팅 층(522)의 수지는 (예컨대, 도 5g와 관련하여) 제2 수지(523)로 언급될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 제1 수지(207) 및 코팅 층(522) 중 하나는 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylsulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 수지(207) 및 제2 수지(523)는 모두 PEKK(polyetherketoneketone)일 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 코팅 층(522)에 대해 이용된 재료는 제2 수지(523)에 부가하여 필러(filler)를 구비하여 구성될 수 있다. 필러는 섬유(fibers), 입자(particles) 및 플레이크(flakes)로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 예컨대, 필러는 시트의 연속 섬유 그리고 나중에 그들의 애스펙트 비(aspect ratio)를 적어도 기초로 하는 복합재 공급원료 스트립과는 다른, 불연속 섬유를 구비하여 구성될 수 있다. 필러는 열 민감성 첨가제(heat sensitive additive), 광물 보강재(mineral reinforcement), 열 안정제(thermal stabilizer), UV(ultraviolet) 안정제, 윤활제(lubricant), 내연제(flame retardant), 도전성 첨가제(conductive additive), 안료(pigment), 및 그 다양한 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일례에 있어서, 필러는 열 민감성 첨가제이다. 동일한 다른 예에서, 필러는 광물 보강재이다. 동일한 다른 예에서, 필러는 열 안정제이다. 동일한 다른 예에서, 필러는 UV(ultraviolet) 안정제이다. 동일한 다른 예에서, 필러는 윤활제이다. 동일한 다른 예에서, 필러는 내연제이다. 동일한 다른 예에서, 필러는 도전성 첨가제이다. 동일한 다른 예에서, 필러는 도전성 안료이다.
몇몇 실시예에 있어서, 코팅 층(522)의 두께는 균일하다. 이러한 형태의 코팅 층은 또한 컨포멀 코팅(conformal coating)으로 불리워질 수 있다. 예컨대, 두께 변동(thickness variation)은 20% 이하 또는 심지어 10% 이하일 수 있다. 이들 실시예에 있어서, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 단면은, 예컨대 도 5h 및 도 5k에 도식적으로 도시된 바와 같이, 코팅 이전에 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면의 확대 변동(scaled up variation)을 나타낼 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면, 또는 특히 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 프로파일은 코팅 동작(136) 동안 동일하게 유지된다. 이러한 형태 유지성(shape retention)은 도 5d 및 도 5g에 도식적으로 도시된다. 이들 실시예에 있어서, 코팅 프로세스는 복합재 공급원료 스트립(220)을 교란시키지 않는다.
코팅 동작(136) 동안 동일하게 유지되는 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 프로파일에도 불구하고, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 단면 프로파일은 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 프로파일과는 다를 수 있다. 예컨대, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)은 상기한 바와 같이 직사각형, 정사각형, 또는 사다리꼴 프로파일을 갖을 수 있다. 이 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)으로부터 형성된 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)은, 예컨대 도 5d 및 도 5g에 도식적으로 도시된 바와 같이, 원형 프로파일 또는 타원형 프로파일을 갖을 수 있다.
코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 다양한 예가 도 5g-5k에 도시된다. 몇몇 실시예에 있어서, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 단면 프로파일은, 예컨대 도 5h 또는 도 5k를 참조하면, 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)과 동일할 수 있다. 당업자는 단면 프로파일의 주요 치수가 이들 예에서 여전히 증가할 것임을 이해할 것이다. 일반적으로, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 단면 프로파일은 타원형, 원형, 직사각형, 정사각형, 및 둥근 코너 직사각형, 그리고 둥근 코너 정사각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
몇몇 실시예에 있어서, 코팅 동작(136) 이전에, 방법(100)은 동작(130) 동안 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 단면 프로파일을 변경시키는 것을 포함할 수 있다. 본 예는 도 5l-5n에 도식적으로 도시된다. 특히, 도 5l은 정사각형 단면 형상을 갖춘 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)을 예시한다. 이 형상은, 예컨대 슬리팅 동작(120)의 결과일 수 있다. 동작(130) 동안, 이 정사각형 단면 형상은 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)의 재료를 재분포시키는 것에 의해 변경된다. 이 동작은 도 1a를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 도 5m은 이 동작 후 원형 단면 형상을 갖춘 여전히 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)을 예시한다. 계속해서, 이 원형 복합재 공급원료 스트립(220)은 코팅될 수 있고, 그에 의해 도 5n에 도식적으로 도시된 바와 같이, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)을 형성한다.
몇몇 실시예에 있어서, 방법(100)은 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 단면 프로파일을 변경시키는 것을 포함할 수 있다. 즉, 형상 변경 동작(130)이 코팅 동작(136) 후 수행된다. 본 예는 도 5o-5q에 도식적으로 도시된다. 특히 도 5o는 정사각형 단면 형상을 갖춘 코팅되지 않은 복합재 공급원료 스트립(220)을 예시한다. 이 정사각형 복합재 공급원료 스트립(220)은 코팅될 수 있고, 그에 의해 도 5p에 도식적으로 도시된 바와 같이, 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)을 형성한다. 동작(130) 동안, 이 정사각형 단면 형상은 코팅된 복합재 공급원료 스트립(520)의 코팅 층(522)의 재료를 재분포시키는 것에 의해 변경된다. 소정의 특정 이론에 제한되는 것 없이, 도 5o-5q에 도시된 접근은 도 5l-5n에 도시된 접근 보다 연속 단방향 섬유(206)에 대해 덜 효과적일 수 있다고 믿어진다.
첨삭 가공에서 이용하기 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립의 다양한 실시예의 특징은 예시적 분석을 이용해서 분석되었다. 이 분석에 있어서, (섬유가 없는) 순수 수지의 코팅 또는 30 wt% 불연속 섬유를 함유하는 수지의 코팅이 섬유 함유 플라이로 만들어진 정사각형 적층 코어(square laminate core)에 인가된다. 이 코어는 그 두께 전체에 걸쳐 약 60%의 연속 섬유의 일정한 부피율(constant volumetric fraction)을 갖는다. 도 8b는 적층 두께와 코팅의 두께의 함수로서 원형 코팅에 대한 코팅 부피율의 플롯이다. 정사각형 적층 코어에 대해, 적층 폭은 적층 두께와 동일하고, 적층 두께는 레이업에서 이용된 섬유 함유 플라이의 수를 기초로 이산적으로 증가한다. 도 8b에 개시된 적층 두께는 4-9개의 섬유 함유 플라이에 대응한다. 데이터 포인트(data points)의 상대적인 크기는 최종 코팅된 로드 직경(final coated rod diameter)에 대응하고, 동일한 직경을 갖는 실시예를 연결하는 실선은 일련의 왼쪽에 대해 주어진 것과 동등하다. 코팅 두께는 삽입된 도면에 도시된 바와 같이 적층 코어의 코너로부터 방사상으로 측정된 최소 코팅 두께에 의해 주어진다. 파선은 일련의 우측에 열거된 것과 동등한 동일한 최소 코팅 두께를 갖는 실시예를 연결한다. 실제적 제조 및 이용을 위한 기술적 중요성에 대한 가능성의 범위를 좁히기 위해, 이하의 제한이 이들 실시예 및 다른 코팅 단면 형상으로 이어지는 것에 대해 배치되었다: (1) 적층 두께는 실제적 슬리팅 동작에 대해 0.030 인치 보다 더 크다; (2) 단면의 소정 위치에서 최소 코팅 두께(minimum coating thickness)는 0.004 인치이고, 또는 코팅 동작에서 제조 허용오차를 허용하도록 더 크다; (3) 단면의 가장 큰 치수는 0.070 인치의 입구 직경(inlet diameter)을 갖는 액화기로 들어가도록 공급원료를 허용하기 위해 0.070 인치 이하이어야 한다; 그리고 (4) 액화기의 벽(wall)으로 인해 발생하는 연속 섬유 간섭(continuous fiber interference)이 없음을 보장하기 위해, 코팅 재료의 0.001 인치의 최소가 섬유 함유 적층 코어와 소정의 형상 변환 후 액화기의 벽 사이에서 유지된다. 이들 제약에 따르면, 만족스러운 실시예를 위한 해결 공간(solution space)은 도 8b에서 강조된 삼각형 구역에 의해 나타내어진다. 51-65%로부터, 코팅의 비교적 큰 부피율이 요구된다. 이는 순수 수지 코팅을 위한 최종 코팅된 로드에서 부피로 20-28% 섬유 함유율로, 그리고 30 wt% 불연속 섬유에 따른 코팅을 위한 36-40%로 전환된다.
최종 코팅된 공급원료에서 섬유 함유율은 적층 두께(laminate thickness), 최종 코팅된 공급원료 단면 형상(final coated feedstock cross-sectional shape), 및 코팅 재료(coating material)의 함수로서 도 8c에 표시된다. 강조된 해결 공간은 이하의 형상의 코팅에 따라 정사각형 적층 코어를 위해 이전에 열거된 4가지 제약을 만족시킨다: 원형, 정사각형, 및 둥근 코너 정사각형. 순수 수지 및 30 wt% 불연속 섬유에 따른 코팅에 대응하는 해결 공간은 각각 실선 테두리를 갖는 구역과 점선 테두리를 갖는 구역에 의해 주어진다. 원형 코팅은 첨삭 가공 동안 액화기에서 형상 변환을 요구하지 않고, 반면 정사각형 및 둥근 정사각형 코팅은 액화기에서 또는 액화기 이전에 원형으로 형상 변환을 요구한다. 액화기의 출구의 단면 영역은 액화기를 통한 꾸준하고 안정적인 흐름이 유지되는 것을 보장하도록 도입되는 코팅된 공급원료의 단면 영역과 동등하다.
도 8c에서 원형 코팅된 공급원료를 위한 해결 공간은 도 8b에서 강조된 삼각형 구역에 대응한다. 최대 적층 코어 두께는 최종 코팅된 공급원료가 0.070 인치 액화기 입구로 신뢰할 수 있게 공급될 수 있음을 보장하도록 제한되고, 달성가능한 섬유 함유율은 최소 코팅 두께가 코팅 동작의 실현가능성(practicality)을 위한 적어도 0.004 인치임을 보장하는데 필요한 코팅의 양에 의해 제한된다.
코팅의 부피율은 감소할 것으로 생각할 수 있고, 따라서 전체 섬유 함유율은 정사각형 코팅으로 코팅하는 것에 의해 증가하였고 도 5o-5q에 도시된 바와 같이 액화기에서 변경되도록 형상을 허용한다. 정사각형 코팅 해결 공간은 0.070 인치 액화기 입구로 들어가도록 공급원료를 허용하기 위한 작은 적층 두께로 제한된다. 코팅된 공급원료를 위한 섬유 함유율의 범위는 코팅 두께를 변경시키는 것으로부터 초래되고, 적층 코어의 측면으로부터 측정된 바와 같이, 더 높은 섬유 함유율이 더 얇은 코팅 두께로부터 초래된다. 0.005 인치 코팅 두께의 최소는 전체 코팅 부피율이 적어도 0.001 인치 코팅 재료가 원으로 형상 변환 후 액화기의 벽과 적층 코어의 코너 사이에서 유지되는 충분히 크다는 것을 보장하도록 요구된다. 이러한 코팅 두께는 순수 수지 코팅에 대해 34% 및 30 wt% 불연속 섬유-충전 코팅(discontinuous fiber-filled coating)에 대해 44%의 최대 섬유 함유율을 산출한다.
해결 공간은 더 큰 적층 두께로 확장될 수 있는 한편, 여전히 도 5i에 도시된 바와 같이, 둥근 코너 정사각형 코팅을 이용하는 것에 의해 전체 섬유 함유율을 최대화한다. 단면에서 가장 큰 치수, 반대 코너로부터의 대각선 거리가 감소되기 때문에, 더 큰 적층 코어 두께가 이용되어질 수 있다. 입구에서 액화기 벽에 따른 더 적은 접촉 영역이 벽과 전체 접촉을 갖는 원형 코팅에 비해 더욱 신뢰할 수 있는 공급을 허용하기 때문에 가장 큰 치수가 0.070 인치인 경우가 또한 허용된다. 주어진 적층 두께에 대해, 코팅된 공급원료의 섬유 함유율은, 둥근 코너에 따라, 적층의 측면으로부터 측정됨에 따라, 더 얇은 코팅을 이용하는 것에 의해 증가될 수 있어, 대각선 거리는 0.070 인치이다. 최대 달성가능 섬유 함유율이, 적층의 코너로부터 용이하게 측정된, 둥근 코너에서 코팅 두께가 실제 코팅 동작에 대해 0.004 인치의 최소 허용가능 값에서 유지되는 각 적층 두께에 대해 또한 표시된다. 이들 최대 둥근 코너에 따르면, 적층의 측면으로부터 측정된 코팅 두께는 각각 0.033 인치, 0.039 인치 및 0.044 인치의 적층 두께에 대해 0.005 인치, 0.006 인치 및 0.007 인치이어야 하고, 순수 수지 코팅을 이용해서 34-35 부피% 및 30 wt% 불연속 섬유에 따른 코팅을 이용해서 44 부피% 의 섬유 함유율을 산출한다.
항공기 및 항공기를 제조 및 운용하기 위한 방법
예시된 실시예는 연속 섬유의 연속적 단방향 지향 및 스트립의 단면 전체에 걸쳐 이들 연속 섬유의 맞춤형 분포(tailored distribution)을 갖는 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 새로운 제조 방법을 제공한다. 더욱이, 이들 방법은 여러 단면 프로파일 및/또는 스트립의 치수에 대해 제공된다. 이들 방법에서 이용된 연속적 프로세싱은 프로세싱 처리량(processing throughput)을 증가시킬뿐만 아니라 복합재 공급원료 스트립의 다양한 특징의 제어의 높은 레벨을 제공한다. 실시예는, 예컨대 항공우주 산업을 포함하는, 폭 넓은 다양한 잠재적인 적용에서 적용가능한 용도를 찾는다. 개시된 방법은 브라켓(brackets), 크립 지지체(clip supports), 링크 레버(link levers), 또는 더욱 일반적으로, 현재 금속으로 형성된, 소정의 불규칙한 단면 구조체(예컨대, 러그(lugs), 엔드 피팅(end fittings))와 같은, 복잡한 기하학적 구조를 갖춘 부품의 첨삭 가공을 위해 이상적으로 적합하다. 부품은 (비-가변 단면(non-varying cross sections)과 같은) 빔(beams)과 같은 단순한(예컨대, 선형(linear)) 기하학적 구조를 갖춘 부품과는 일반적으로 구별되어야 한다. 개시된 방법은 첨삭 가공을 이용해서 제조될 수 있는, 비-가변 단면에 따르는 독특한, 주문형(customized), 또는 매우 한정된 부품에 대해 또한 적합하다.
본 발명의 예가 도 9에 도시된 바와 같은 항공기 생산 및 서비스 방법(1100)과 도 10에 도시된 바와 같은 항공기(1102)의 상황에서 설명될 수 있다. 생산 개시 이전 동안, 방법(1100)은, 항공기(1102)의 사양 및 설계와(블록 1104), 자재 조달(블록1106)을 포함할 수 있다. 생산 동안, 항공기(1102)의 구성요소 및 서브어셈블리 제조(블록 1108)와, 시스템 통합(블록 1110)이 발생될 수 있다. 복합재 공급원료 스트립은 이들 단계, 예컨대 항공기(1102)의 사양 및 설계(블록 1104)와, 자재 조달(블록 1106), 구성요소 및 서브어셈블리 제조(블록 1108), 및 시스템 통합(블록 1110) 중 하나 동안 첨삭 가공에서 형성되고 이용될 수 있다. 그 후, 항공기(1102)는 서비스 중(블록 1114)에 배치되도록 인증 및 인도(블록 1112)를 통해 나갈 수 있다. 서비스 중인 동안, 항공기(1102)는 정기적인 유지보수 및 점검(블록 1116)을 위해 예정된다. 정기적인 유지보수 및 점검은 항공기(1102)의 하나 이상의 시스템의 변형, 재구성, 개장(refurbishment) 등을 포함할 수 있다.
예시적 방법(1100)의 프로세스의 각각은 시스템 통합자, 제3자, 및/또는 오퍼레이터(예컨대, 소비자)에 의해 수행 또는 실행될 수 있다. 본 설명의 목적을 위해, 시스템 통합자는, 제한 없이, 소정 수의 항공기 제조업체 및 메이저-시스템 하청업체를 포함할 수 있고; 제3 자는, 제한 없이, 소정 수의 판매자, 하청업체, 및 공급자를 포함할 수 있고; 오퍼레이터는 항공사, 리스 회사, 군사 업체, 서비스 단체 등을 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 예시적 방법(1100)에 의해 생산된 항공기(1102)는 다수의 상위-레벨 시스템(1120) 및 내부(interior; 1122)를 갖는 기체(airframe; 1118)를 포함할 수 있다. 상위-레벨 시스템(1120)의 예는 추진 시스템(1124), 전기 시스템(1126), 유압 시스템(1128) 및 환경 시스템(1130) 중 하나 이상을 포함한다. 소정 수의 다른 시스템이 포함될 수 있다. 항공 우주의 예가 도시됨에도 불구하고, 여기에 개시된 원리는, 자동차 산업과 같은, 다른 산업에도 적용될 수 있다. 따라서, 항공기(1102)에 부가하여, 여기에 개시된 원리는 다른 운송수단, 예컨대 지상 운송수단, 해상 운송수단, 항공우주 운송수단에 적용할 수 있다.
여기에 도시되고 개시된 장치(들) 및 방법(들)은 방법(1100)의 단계 중 어느 하나 이상 동안 채택될 수 있다. 예컨대, 구성요소 및 서브어셈블리 제조(블록 1108)에 대응하는 구성요소 또는 서브어셈블리는 항공기(1102)가 서비스 중(블록 1114)인 동안 생산된 구성요소 또는 서브어셈블리와 유사한 방식으로 제조 또는 생산될 수 있다. 또한, 장치(들), 방법(들), 또는 그 조합의 하나 이상의 예는, 예컨대 항공기(1102)의 조립을 실질적으로 더 신속히 처리하거나 비용을 줄이는 것에 의해, 제조 단계(블록 1108 및 블록 1110) 동안 이용될 수 있다. 마찬가지로, 장치 또는 방법 실현의 하나 이상의 예, 또는 그 조합은, 예컨대 제한 없이, 항공기(1102)가 서비스 중(블록 1114)인 동안 그리고 유지보수 및 점검(블록 1116) 동안 이용될 수 있다.
결론
여기에 개시된 장치(들) 및 방법(들)의 여러 예는 다양한 구성요소, 특징, 및 기능을 포함한다. 여기에 개시된 장치(들) 및 방법(들)의 다양한 예는 소정의 조합으로 여기서 개시된 장치(들) 및 방법(들)의 소정의 다른 예의 소정의 구성요소, 특징, 및 기능성을 포함할 수 있고, 모든 이러한 가능성은 본 발명의 의미 및 범위 내로 되도록 고려됨을 이해해야 한다.
여기서 설명된 예의 많은 변형이 상기 설명 및 관련 도면에서 제공된 교시의 이점을 갖추는 것에 관계하는 당업자에게 떠오를 것이다.
따라서, 요약하면, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 다음이 제공된다:
A1. 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법으로, 방법이:
시트를 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅하는 단계로서,
시트가 시트 내에서 서로에 대해 평행하게 연장되는 제1 수지 및 섬유를 구비하여 구성되고;
슬리팅이 시트 내에서 모든 섬유에 대해 평행하는 방향을 따라 수행되는, 단계와;
제2 수지를 구비하는 재료로 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면을 코팅하고, 그에 의해 복합재 공급원료 스트립에 걸쳐 배치된 코팅 층을 구비하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
A2. 문단 A1의 방법으로, 시트 내에서 서로 평행하게 연장되는 섬유가 연속 섬유인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A3. 문단 A1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 섬유의 분포가 균일한 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A4. 문단 A1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 섬유의 집중이 적어도 약 40 부피%인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A5. 문단 A1의 방법으로, 재료로 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면을 코팅하는 동안 복합재 공급원료 스트립의 단면이 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A6. 문단 A1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면 상의 코팅 층의 두께가 균일한 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A7. 문단 A1의 방법으로, 코팅 층을 위해 이용된 재료가 섬유, 입자 및 플레이크로 구성된 그룹으로부터 선택된 필러를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A8. 문단 A7의 방법으로, 필러가 불연속 섬유를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A9. 문단 A7의 방법으로, 필러가 열 민감성 첨가제(heat sensitive additive), 광물 보강재(mineral reinforcement), 열 안정제(thermal stabilizer), UV(ultraviolet) 안정제, 윤활제(lubricant), 내연제(flame retardant), 도전성 첨가제(conductive additive) 및 안료(pigment)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A10. 문단 A1의 방법으로, 코팅이 크로스-헤드 압출 코팅 기술(cross-head extrusion coating technique), 분말 코팅(powder coating), 또는 용액-기반 코팅 기술(solution-based coating technique) 중 하나를 이용해서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A11. 문단 A1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 직사각형, 정사각형 및 사다리꼴로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 코팅된 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 타원형, 원형, 직사각형, 정사각형, 및 둥근 코너 직사각형, 그리고 둥근 코너 정사각형으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A12. 문단 A1의 방법으로, 제1 수지 및 제2 수지 중 하나가 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A13. 문단 A1의 방법으로, 제1 수지 및 제2 수지가 동일한 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A14. 문단 A13의 방법으로, 제1 수지 및 제2 수지가 모두 PEKK(polyetherketoneketone)인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A15. 문단 A1의 방법으로, 시트를 슬리팅하기 이전에, 섬유 함유 플라이를 구비하는 레이업을 형성하고 레이업을 적층하며, 그에 의해 시트를 형성하는 것을 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A16. 문단 A15의 방법으로, 레이업의 모든 시트가 섬유 함유 플라이인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A17. 문단 A1의 방법으로, 시트를 슬리팅하기 이전에, 하나 이상의 섬유 함유 플라이 및 수지 플라이 중 하나 이상을 구비하는 레이업을 형성하고 레이업을 적층하며, 그에 의해 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A18. 문단 A17의 방법으로, 적층 시트 내의 섬유의 부피율이 적층 시트의 두께 전체에 걸쳐 변하는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A19. 문단 A18의 방법으로, 적층 시트 내의 섬유의 부피율이 적층 시트의 표면 중 하나에서 보다 적층 시트의 두께를 따라 적층 시트의 중앙에서 더 큰 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A20. 문단 A19의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 외부 스트립을 코팅하기 이전에, 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일을 변경시키는 것을 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
A21. 문단 A1의 방법으로, 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 이용해서 첨삭 가공을 수행하는 것을 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다음이 제공된다:
B1. 시트 내에서 서로 평행하게 연장되는 제1 수지 및 섬유를 구비하는 복합재 공급원료 스트립과;
제2 수지를 구비하고 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면에 배치되며 복합재 공급원료 스트립 주위에서 쉘을 형성하는 코팅 층을 구비하여 구성되고,
코팅 층이 제2 수지를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립.
B2. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 시트 내에서 서로 평행하게 연장되는 섬유가 연속 섬유인 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B3. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 섬유의 분포가 균일한 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B4. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 섬유의 집중이 적어도 약 40 부피%인 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B5. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면 상의 코팅 층의 두께가 균일한 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B6. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 코팅 층이 섬유, 입자 및 플레이크로 구성된 그룹으로부터 선택된 필러를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B7. 문단 B6의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 필러가 불연속 섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B8. 문단 B6의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 필러가 열 민감성 첨가제(heat sensitive additive), 광물 보강재(mineral reinforcement), 열 안정제(thermal stabilizer), UV(ultraviolet) 안정제, 윤활제(lubricant), 내연제(flame retardant), 도전성 첨가제(conductive additive) 및 안료(pigment)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B9. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 직사각형, 정사각형 및 사다리꼴로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 코팅된 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 타원형, 원형, 직사각형, 정사각형, 및 둥근 코너 직사각형, 그리고 둥근 코너 정사각형으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B10. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 제1 수지 및 제2 수지 중 하나가 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B11. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 제1 수지 및 제2 수지가 동일한 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
B12. 문단 B1의 코팅된 복합재 공급원료 스트립으로, 제1 수지 및 제2 수지가 모두 PEKK(polyetherketoneketone)인 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
C1. 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법으로, 방법이:
하나 이상의 섬유 함유 플라이 및 수지 플라이 중 하나 이상을 구비하는 레이업을 형성하는 단계로서,
레이업을 형성하는 모든 하나 이상의 섬유 함유 플라이의 모든 연속 섬유가 서로 평행한, 단계와;
레이업을 적층하고 그에 의해 적층 시트를 형성하는 단계; 및
적층 시트를 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅하는 단계로서,
슬리팅이 적층 시트 내에서 모든 연속 섬유에 평행하는 방향을 따라 수행되는, 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
C2. 문단 C1의 방법으로, 적층 시트 내에서 연속 섬유의 부피율이 적층 시트의 두께 전체에 걸쳐 변하는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C3. 문단 C2의 방법으로, 적층 시트 내의 연속 섬유의 부피율이 적층 시트의 표면 중 하나에서 보다 적층 시트의 두께를 따라 적층 시트의 중앙에서 더 큰 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C4. 문단 C3의 방법으로, 적층 시트 내의 연속 섬유의 부피율이 적층 시트의 양 표면 보다 적층 시트의 두께를 따라 적층 시트의 중앙에서 더 큰 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C5. 문단 C4의 방법으로, 적층 시트 내의 연속 섬유의 부피율의 프로파일이 적층 시트의 중앙에 관하여 대칭인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C6. 문단 C3의 방법으로, 적층 시트의 표면 중 하나를 형성하는 적층 시트의 부분이 연속 섬유로부터 자유로운 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C7. 문단 C6의 방법으로, 적층 시트의 전체 두께에 대한 연속 섬유로부터 자유로운 부분의 두께의 비가 약 5%와 45% 사이인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C8. 문단 C1의 방법으로, 적층 시트 내에서 연속 섬유의 부피율의 평균이 평균적으로 약 1%와 60% 사이인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C9. 문단 C1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일이 정사각형인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C10. 문단 C1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 각각에서 모든 연속 섬유가 해당 복합재 공급원료 스트립의 주축에 평행하는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C11. 문단 C1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일을 변경시키는 단계를 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C12. 문단 C11의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일이 원으로 변경되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C13. 문단 C11의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일을 변경시키는 단계가 각 복합재 공급원료 스트립를 가열하는 것과 단면 프로파일의 코너로부터 떨어져 재료를 재분포하는 것을 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C14. 문단 C13의 방법으로, 코너로부터 떨어져 재분포된 재료가 연속 섬유로부터 자유로운 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C15. 문단 C13의 방법으로, 각 복합재 공급원료 스트립 내에서 연속 섬유의 위치가 단면 프로파일의 코너로부터 떨어져 재료를 재분포하는 동안 유지되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C16. 문단 C15의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일을 변경시키는 동안, 연속 섬유를 구비하는 복합재 공급원료 스트립의 각각의 부분이 연속 섬유로부터 자유로운 코너로부터 떨어져 재분포된 재료 보다 더 낮은 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C17. 문단 C11의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립의 각각의 단면 프로파일을 변경시키는 단계가 액화기를 이용해서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C18. 문단 C1의 방법으로, 레이업의 적어도 하나의 외부 플라이가 하나 이상의 수지 플라이 중 하나인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C19. 문단 C18의 방법으로, 레이업의 양쪽 외부 플라이가 하나 이상의 수지 플라이 중 2개인 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C20. 문단 C18의 방법으로, 하나 이상의 수지 플라이가 연속 섬유로부터 자유로운 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C21. 문단 C1의 방법으로, 하나 이상의 수지 플라이가 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C22. 문단 C1의 방법으로, 하나 이상의 수지 플라이가 PES(polyethersulfone)를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C23. 문단 C1의 방법으로, 하나 이상의 섬유 함유 플라이가 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), 및 PEI(polyetherimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C24. 문단 C1의 방법으로, 하나 이상의 섬유 함유 플라이가 PEKK(polyetherketoneketone)를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C25. 문단 C1의 방법으로, 연속 섬유가 복합재 공급원료 스트립에서 적어도 100 피트의 평균 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C26. 문단 C1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립이 약 0.050 인치 이하의 주 단면 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C27. 문단 C1의 방법으로, 레이업을 형성하고 시트를 적층하는 단계가 롤-투-롤 프로세스에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C28. 문단 C1의 방법으로, 적층 시트를 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅하는 단계가 워터젯 슬리팅(waterjet slitting), 회전 커팅(rotational cutting), 압력 휠 슬리팅(pressure wheel slitting), 또는 롤 슬리팅(roll slitting) 중 하나를 이용해서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C29. 문단 C1의 방법으로, 적층 시트를 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅하는 단계가 롤-투-롤 프로세스에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
C30. 문단 C1의 방법으로, 복합재 공급원료 스트립을 이용해서 첨삭 가공을 수행하는 단계를 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법이 또한 제공된다.
D1. 첨삭 가공을 위한 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립이:
수지와;
서로 평행하고 복합재 공급원료 스트립의 주축을 따라 연장되는 연속 섬유를 구비하고,
연속 섬유의 부피율이 복합재 공급원료 스트립의 주축에 수직인 적어도 하나의 방향을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립.
D2. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립 내의 연속 섬유의 부피율이 복합재 공급원료 스트립의 표면 보다 주축에 따른 복합재 공급원료 스트립의 중앙에서 더 큰 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D3. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 연속 섬유의 부피율이 복합재 공급원료 스트립의 주축에 수직인 양 방향을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D4. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립이 보이드로부터 자유로운 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D5. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 적층 가공 내의 연속 섬유의 부피율이 평균적으로 약 1%와 60% 사이인 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D6. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 연속 섬유가 복합재 공급원료 스트립의 길이를 따라 연속적인 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D7. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 모든 연속 섬유가 복합재 공급원료 스트립의 주축에 평행하는 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D8. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 정사각형인 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D9. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 원인 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
D10. 문단 D1의 복합재 공급원료 스트립으로, 수지가 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복합재 공급원료 스트립이 또한 제공된다.
따라서, 본 발명은 예시된 특정 예로 한정되지 않고 변경 및 다른 예가 첨부된 청구항의 범위 내에 포함되도록 의도됨이 이해되어진다. 더욱이, 상기 설명 및 관련 도면이 엘리먼트 및/또는 기능의 소정의 예시적인 조합의 상황에서 본 발명의 예를 설명함에도 불구하고, 엘리먼트 및/또는 기능의 여러 조합이 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어나는 것 없이 대안적 구현에 의해 제공될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 첨부된 청구항에서 괄호 참조부호는 단지 설명의 목적을 위해 제공되고, 본 발명에서 제공된 특정 예로 청구된 주제의 범위를 제한하도록 의도되지는 않는다.

Claims (15)

  1. 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법으로, 방법이:
    시트 내의 섬유의 부피율을 시트의 두께 전체에 걸쳐 변화시키는 단계로서,
    시트가 시트 내에서 서로에 대해 평행하게 연장되는 제1 수지 및 섬유를 구비하여 구성되고,
    두께가 섬유에 수직인, 단계와,
    시트를 복합재 공급원료 스트립으로 슬리팅하는 단계로서,
    슬리팅이 시트 내에서 모든 섬유에 대해 평행하는 방향을 따라 수행되는, 단계와;
    제2 수지를 구비하는 재료로 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면을 코팅하고, 그에 의해 복합재 공급원료 스트립에 걸쳐 배치된 코팅 층을 구비하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    시트 내에서 서로 평행하게 연장되는 섬유가 연속 섬유인 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 섬유의 분포가 균일한 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 섬유의 집중이 적어도 40 부피%인 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    재료로 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면을 코팅하는 동안 복합재 공급원료 스트립의 단면이 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    복합재 공급원료 스트립의 외부 표면 상의 코팅 층의 두께가 균일한 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 직사각형, 정사각형 및 사다리꼴로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 코팅된 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 타원형, 원형, 직사각형, 정사각형, 및 둥근 코너 직사각형, 그리고 둥근 코너 정사각형으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    시트를 슬리팅하기 이전에, 섬유 함유 플라이를 구비하는 레이업을 형성하고 레이업을 적층하며, 그에 의해 시트를 형성하는 것을 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    시트를 슬리팅하기 이전에, 하나 이상의 섬유 함유 플라이 및 수지 플라이 중 하나 이상을 구비하는 레이업을 형성하고 레이업을 적층하며, 그에 의해 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 첨삭 가공을 위한 코팅된 복합재 공급원료 스트립을 형성하는 방법.
  10. 복합재 공급원료 스트립 내에서 서로 평행하게 연장되는 제1 수지 및 섬유를 구비하는 복합재 공급원료 스트립으로서,
    복합재 공급원료 스트립 내의 섬유의 부피율이 복합재 공급원료 스트립의 두께 전체에 걸쳐 변화하고, 두께가 섬유에 수직인, 복합재 공급원료 스트립과;
    제2 수지를 구비하고 복합재 공급원료 스트립의 외부 표면 상에 배치되며 복합재 공급원료 스트립 주위에서 쉘(shell)을 형성하는 코팅 층으로서,
    코팅 층이 제2 수지를 구비하는, 코팅 층을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립.
  11. 제10항에 있어서,
    복합재 공급원료 스트립 내에서 서로 평행하게 연장되는 섬유가 연속 섬유인 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립.
  12. 제10항에 있어서,
    복합재 공급원료 스트립의 단면 전체에 걸쳐 섬유의 집중이 적어도 40 부피%인 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립.
  13. 제10항에 있어서,
    코팅 층이 섬유, 입자 및 플레이크로 구성된 그룹으로부터 선택된 필러를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립.
  14. 제10항에 있어서,
    복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 직사각형, 정사각형 및 사다리꼴로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 코팅된 복합재 공급원료 스트립의 단면 프로파일이 타원형, 원형, 직사각형, 정사각형, 및 둥근 코너 직사각형, 그리고 둥근 코너 정사각형으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립.
  15. 제10항에 있어서,
    제1 수지 및 제2 수지 중 하나가 PES(polyethersulfone), PPS(polyphenylenesulfide), PEEK(polyetheretherketone), PEKK(polyetherketoneketone), PEI(polyetherimide), 및 TPI(thermoplastic polyimide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 복합재 공급원료 스트립.
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