KR102687854B1 - 3차원 인쇄된 열가소성 핀을 이용한 복합재의 강화 - Google Patents

3차원 인쇄된 열가소성 핀을 이용한 복합재의 강화 Download PDF

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Abstract

각각이 공간에 의해 분리된 섬유 다발을 각각 포함하는 복수의 층을 포함하는 복합재 물품으로서, 적어도 하나의 다발의 측면에 접합되고 또 층들 사이의 공간을 통해 연장하거나 생성되는 핀; 및 층 및 핀과 결합 된 수지를 포함한다. 핀은 복합재 물품의 x-y 평면에서 크랙의 전파를 방지 또는 감소시키는 물리적인 장벽을 형성한다.

Description

3차원 인쇄된 열가소성 핀을 이용한 복합재의 강화{COMPOSITE TOUGHENING USING THREE DIMENSIONAL PRINTED THERMOPLASTIC PINS}
본 발명은 신규한 복합재 구조물 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
복합재는 경량, 상대적 강도 및 더욱 복잡한 형상으로의 성형(molded) 가능성 때문에 구조적인 재료로서 금속을 대체한다.
그러나 종래의 복합재 구조물은 응력 하에서 크랙 발생(cracking: 특히, 박리)을 나타낼 수 있다. 중간층(열가소성 베일(veil) 및 입자와 같은) 형태의 종래의 복합재 강화 기술은 고응력 집중 영역에서의 파괴를 제어함에 있어서 한정된 효과를 보인다. 많은 경우에서, 두께를 통한(through thickness) 요구되는 인성(toughness properties)을 얻기 위하여 강화된 필름 접착제가 필요하다. 또한, 기계적 파스너(fastner)가 허용 가능한 설계의 표준(default)일 수 있다. 이는 조인트 반경(joint radius)에서와 같이 구조물의 두께를 통하여 고응력 영역(100)이 발생하는 통합형 항공기 구조물에 대하여 특히 관심 사항이다(도1 참조).
그러므로 조인트 반경에서 발생하는 크랙(102)은 취성 파괴가 발생하도록 강화되지 않은 층으로 단지 건너뛰는 것이 필요하다. 이러한 크랙 발생은 두께를 통한 강화기법(이하 '관통두께 기법'이라 함)을 사용하여 완화될 수 있다. 그러나 통상적인 관통두께 방법(필름 접착제와 같은)은 주입 도중에 수지 유동 경로의 붕괴(disruption)로 인하여 액체 성형된 구조물에는 채용되지 않고, 이에 공극 (pores), 다공성 및 건조 스폿(dry spots)과 같은 결함을 야기한다. 이러한 결함은 복합재 라미네이트 구조물의 면내(in-plane) 물성을 상당히 저하시킨다.
관통두께 기법 및 그 제약 조건은 다음과 같다:
- Z 핀(Z-pins): 적층 보강(stacked reinforcements)에 사용되지만 삽입 공정 도중에 발생하는 심각한 미세 구조적 결함으로 인해 현재 사용되지 않는다(복합재의 면내 물성을 저하시킨다).
- 스티치(Stitches) : 건식 섬유 프리폼을 강화하기 위하여 사용되지만 삽입 공정 도중에 발생하는 심각한 미세 구조적 결함으로 인해 현재 사용되지 않는다(복합재의 면내 물성을 저하시킨다).
- 전형적으로 액체 성형 방법으로 적용되는 3차원(3D) 직조/3D 편직/3D 편조 된 프리폼(preforms). 그러나 제조 공정 도중에 야기된 3D 프리폼 내에서의 섬유 정렬오류(misalignment)로 인해, 이러한 프리폼은 특정한 기하학적 형상으로 제한되고 통합된 항공기 조인트에는 쉽게 적용되지 않는다.
도 2는 통상적인 베일, 스티치 및 z- 핀으로 강화된 복합재를 특징으로 하는 를 애쉬비 플롯(Ashby plot)을 도시하고 또 면내 물성이 모드 1의 층간 파괴 인성(Mode 1 Interlaminar Fracture Toughness(Gic))의 함수로서 개방 구멍 압축(Open Hole Compression(OHC)) 강도로 측정된 갭(gap)을 명확히 보여 준다. 도 2는 관통두께 방법이 통해 베일에 비해 모드 I의 파괴 인성을 크게 증가하고 또 Z 핀에 대하여 최대 1400%의 증가가 가능하다는 것을 도시한다.
그러나 관통두께 보강은, 제조 공정 도중에 야기된 미세 구조적 결함으로 인해 OHC 강도 및 다른 면내 물성에서 손상 내성(damage tolerance)을 감소시킨다. 한편, 중간층으로 적용된 베일은 OHC에서 더 적은 감소를 나타내는바, 섬유 프리폼에 베일을 적용하는 동안 섬유에 대한 더 적은 붕괴가 유발된다. 그러나 Gic에서 효과적인 개선은 저조하다. 따라서 연속적인 관통두께 보강을 사용하여, 통상적으로 달성되지 못하였던 갭 표시 성능(gap representing performance)이 손상 내성 및 면내 물성을 저하시키지 않고 높은 모드 1의 파괴 인성을 얻고 있다.
그러면, 요구되는 것은 복합재를 통해 연속적이며 면내 물성을 감소시키지 않는 관통두께 기법이다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시킨다.
본 개시는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 기재하는 것으로, 섬유 토우(tows: 304); 및 플라이(plies: 302)와 결합한 복수의 핀(308)을 포함한다. 복수의 핀(308)은 섬유 토우(304) 사이의 상이한 공간(306)을 통과하고, 하나 이상의 핀(308)은 섬유 토우(304) 중 적어도 하나의 표면(310)에 접합된다. 핀(308)은 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)에서 크랙의 전파를 감소시키는 물리적 장벽을 형성한다. 수지는 전형적으로 플라이(302) 및 핀(308)과 결합된다.
복합재 물품은 많은 방식으로 구현될 수 있다. 실시예는 이하 예 중 하나 또는 임의의 조합을 포함하나 이에 한정되지는 않는다.
1. 복합재 물품(300e)으로서, 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)는 복수의 플라이(336a, 336b, 336c, 336d) 또는 층(338a, 338b, 338c, 338d)에 배치되고(disposed), 복수의 층(338a, 338b, 338c, 338d) 또는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)를 통해 공간(342)이 존재하며, 공간(342)은 상이한 층(338a, 338b, 338c, 338d) 또는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)에서 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)에 의해 경계진다.
2. 핀(308)이 서로 상이한 기계적 물성을 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d).
3. 핀(308)은 각각 섬유 토우(304) 사이의 공간(306)의 체적의 적어도 90%를 채우는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d).
4. 섬유 토우(304) 중 적어도 하나는 왜곡되지 않은 섬유 토우(612)를 포함하고, 핀(308)들 중 적어도 하나는 왜곡되지 않은 섬유 토우(612)의 표면(616)에 접합된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d).
5. 섬유 토우(304) 중 적어도 하나는 비 마모된(unfrayed) 섬유(614)를 포함하고, 핀(308)들 중 적어도 하나는 비 마모된 섬유(614)의 표면(618)에 접합된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d).
6. 핀(308c)들 중 적어도 하나는 원통 형상인 복합재 물품(300c).
7. 핀(308b)들 중 적어도 하나는 자신의 길이(L)를 따라 불균일하거나 불규칙한 단면(330)을 갖는 복합재 물품(300b).
8. 핀(308b)들 중 적어도 하나는 플라이 사이에서 더 넓은 복합재 물품(300b).
9. 하나 이상의 핀(308)은 수지 및 섬유 토우에 접합된 복합재 물품.
10. 하나 이상의 핀(308)은 앵커(602)로부터 공간(306) 사이로 인출되는 복합재 물품.
11. 핀(308a)들 중 적어도 하나는 모든 플라이(302)를 통해 연장하지 않는 복합재 물품(300a).
12. 핀(308c)들 중 적어도 하나는 모든 플라이(302)를 통해 연장하는 복합재 물품(300a).
13. 섬유 토우(304)는 각각 적어도 2mm의 직경을 갖고 적어도 1000개의 섬유를 포함하며, 및/또는 공간(306)은 각각 적어도 2mm의 직경을 갖고, 및/또는 플라이(302)는 각각 2-10mm 범위의 두께를 가지며, 및/또는 핀(308)은 각각 2-5mm 범위의 두께를 갖고, 및/또는 핀(308)은 각각 1-3mm 범위의 길이를 가지며, 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)은 10mm-1 미터 범위의 총 두께를 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d).
14. 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 포함하는 조인트.
본 발명은 스킨(skin: 1004), 보강재(stiffener: 1006) 및 스킨(1004)과 보강재(1006) 사이의 계면 영역(interfacial region: 1008)을 포함하는 통합형 항공기 구조물(1200)을 더 기재한다. 계면 영역(1208)은 각각이 섬유 토우(304)를 포함하는 복수의 플라이(302) 및 복수의 핀(308)을 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 포함한다.
본 발명은 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 제조하는 방법을 더 기재하는바, 상기 방법은(a) 복수의 섬유 토우(304)(플라이에 배치될 수 있는) 및 섬유 토우(304) 사이에 또는 섬유 토우(304)에 의해 경계진 공간(306)을 제공하는 단계; 및(b) 각각이 공간(306)들 중 상이한 하나의 공간을 통과하는 복수의 핀(308)을 형성하기 위하여 복수의 공간(306)에 재료(322)를 배치하는 단계; 를 포함한다.
하나의 실시예에서, 방법은(i) 베이스 층 위에 앵커(anchor: 602)를 형성하기 위하여, 출구(450)와 베이스를 먼저 x-y 평면에서 그 다음 z 방향으로 서로에 대해 이동시키면서 출구(450)로부터 베이스 층 위에 그리고 공간(306) 중의 하나 내부로 재료(322)를 배치하는(depositing) 단계; (ii) 앵커(602)의 일부가 인출되어 핀(308)을 생성하도록, 출구(450)로부터 재료(322)의 공급이 없이 출구(450) 및 베이스 층을 서로에 대해 이동시키는 단계; (iii) 출구(450)가 공간(306)들 중 다음의 하나의 공간 위에 위치되도록 출구(450)로부터 핀(308)을 해제하고 그리고 출구(450) 및 베이스 층을 서로에 대해 이동시키는 단계; 및(iv) 복수의 핀(308)을 생성하도록 단계(i) -(iii)을 반복하는 단계; 를 포함한다.
하나 이상의 예에서, 방법은 각각의 플라이(302)가 배치된 후 플라이(302) 사이의 공간(306)에 재료(322)가 배치되도록 단계(a) 및 (b)를 반복하는 단계를 더 포함하는바, 다음 플라이(302)의 공간(306)에 배치된 재료(322)의 적어도 일부는 이전 플라이(302)의 공간(306)에 배치된 재료(322)와 정렬되고 또 연결되어 복수의 플라이(302)를 통해 연장하는 핀(308)을 형성한다.
하나 이상의 예에서, 방법은 서로의 상부에 배치된 복수의 플라이(302)를 얻기 위하여 단계(a)를 반복하는 단계; 및 상기 반복하는 단계 후에, 플라이(302)들 중 적어도 일부를 통해 연장하는 핀(308)을 형성하기 위하여 단계(b)를 수행하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 예에서, 방법은 섬유 토우(304)에 대한 핀(308)의 접합(bond)을 향상하기 위하여 핀(308)이 형성된 이후의 후처리 단계에서 핀(308) 및 플라이(302)를 가열하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 다른 예에서, 방법은 적층 공법을 이용하여 재료(322)를 배치하는 단계를 포함하며, 적층 공법을 사용하여 재료(322)를 배치하는 동안에 핀(308)이 섬유 토우(304)에 접합된다.
이제 도면을 참조하면, 동일한 참조 번호는 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다 :
도 1은 T- 조인트에서 고응력 집중 영역을 도시한다.
도 2는 종래의 구조물에서 달성할 수 없는 갭 표시 성능(gap representing performance)(파괴 인성을 달성하고 면내 물성을 유지하는 관점에서)을 나타낸다.
도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g 및 3l는 적층 제조된 Z 핀을 포함하는 예시적인 복합재 물품의 개략적인 단면도로서,
도 3a는 핀이 모든 층을 통해 연장하지 않는 실시예를 도시하고,
도 3b는 층 사이에 더 두꺼운 단면을 갖는 핀의 실시예를 도시하며,
도 3c는 핀이 균일한 두께(매끄러운 벽)를 갖는 복합재 물품의 실시예를 도시하고,
도 3d는 핀은 수직축을 따라 가변 직경을 갖는 층들 사이에 주로 위치하는 후육부(thickened portion)를 갖는 물품의 실시예를 도시하며,
도 3e는 본 명세서에 기재된 복합재 물품에 사용될 수 있는 연속적인 z 핀 형태를 도시하고,
도 3f는 상이한 층의 섬유 토우에 의해 공간이 한정되는 실시예를 도시하며,
도 3g는 도 3f의 평면도이고,
도 3h는 복합재와 결합된 수지를 도시하고, 도 3l는 플라이 사이에서 핀에 결합된 층을 포함하는 실시예를 도시한다.
도 4는 본 명세서에 기재된 복합재 물품을 제조하는데 사용되는 예시적인 3D 프린터를 도시한다.
도 5는 본 명세서에 기재된 z 핀을 포함하는 예시적인 복합재 물품을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6a는 본 명세서에 기재된 하나 이상의 실시예에 따른 플라이에서 불연속적인 z 핀 형태를 도시한다.
도 6b 및 6c는 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예에 따른 건조 섬유 평직상에 앵커로부터 인출된 단일 핀 층 및 핀을 도시하는 것으로, 도 6c는 도 6b의 확대도이다.
도 7a는 본 명세서에 기재된 핀을 제조하기 위해 3D 프린터를 제어하기 위한 입력 컴퓨터지원 설계(CAD)를 도시한다.
도 7b 및 7c는 각각의 노즐 온도 230℃ 및 260℃에서 도 7a의 CAD 파일을 사용하여 제조된 결과적인 인쇄된 핀을 도시한다.
도 7d는 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이 제조된 핀의 치수를 나타내는 테이블이다.
도 8a는 예시적인 3D 인쇄 방법을 사용하여 인쇄 설정의 범위(인쇄 노즐로부터의 재료의 공급 속도, mm/초)에 걸쳐 인쇄된 열가소성 필라멘트의 인장 강도의 변화를 도시한다.
도 8b는 예시적인 3D 인쇄 방법을 사용하여 인쇄 설정의 범위(인쇄 노즐로부터 재료의 공급 속도)에 걸쳐 인쇄된 열가소성 필라멘트의 공학적 변형율(strain)의 변화를 도시한다.
도 9a는 하나 이상의 예에 따라 연속적인 z 핀을 제조하기 위한 공정 매개변수를 도시하는 테이블이다.
도 9b는 하나 이상의 예에 따라 불연속적인 z 핀을 제조하기 위한 공정 매개변수를 도시하는 테이블이다.
도 10은 본 명세서에 기재된 복합재 물품을 포함하는 통합형 항공기 구조물을 도시한다.
도 11은 본 개시의 실시예들에 따른 핀을 포함하는 복합재 물품을 제조하기 위해 프린터를 제어하는 예시적인 컴퓨터 하드웨어 환경이다.
설명
이하의 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고, 또 예시로서 도시된 몇몇 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조한다. 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들이 이용될 수 있고 또 구조적인 변경이 이루어질 수 있음이 이해된다.
기술 설명
예시적인 구조물
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 각각 공간(306)(예컨대, 공극(306a))에 의해 분리된 섬유 토우(304)를 포함하는 복수의 플라이(302) 또는 층(302a)을 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 도시한다. 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)은 하나 이상의 핀(308)을 더 포함하고, 각각의 핀(308)은 섬유 토우 (304) 사이의 상이한 공간(306)을 통과하며, 각각의 핀(308)은 적어도 하나의 섬유 토우(304)의 표면(310)(x, y 또는 z 방향의 임의의 측면)에 접합된다. 핀(308)은 섬유 토우(304) 사이의 공간(306)을 통해 또 각각의 층 또는 플라이(302) 너머로 연장하여, 복합재 물품(300) 내에서 그리고 복합재 물품(300)의 임의의 방향에서의 크랙(102)(예컨대, 층 사이(interlaminar), 층 내부(intralaminar) 및/또는 층을 가로 지르는(translaminar) 크랙)의 박리 전파를 방지 또는 억제하는 기둥 또는 물리적인 장벽(312)을 형성한다.
도 3a는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 도시하는바, 핀(308)이 섬유 토우(304)를 포함하는 층(301) 또는 플라이(302)의 높이를 통과하고 그 위로 연장하며 또 대체로 공간(306)의 두께인 균일한 두께를 갖는다. 본 예시적인 실시 예에서, 핀(308)은 전체 두께를 관통하지 않고 단지 모든 층(302a) 또는 플라이 (302)의 하위 세트(subset)에만 존재한다. 이러한 형태에서, 핀(308)은 플라이 (302)에 위치된 불연속적인 핀(308a)으로 간주된다. 불연속적인 핀은 중량을 최소화하도록 복합재의 인성(toughness)을 조절할 수 있게 한다(예컨대, 핀은 인성이 요구되는 위치에만 배치된다).
도 3b는 핀(308)이 플라이(302) 또는 층(301)(예컨대, 옥수수 이삭(cob) 구조의 옥수수) 사이에 주로 위치하는 후육부(314)를 갖는 복합재 물품(300b)의 실시 예를 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 매끄러운 원통형상 벽과는 대조적으로, 거친 또는 "옥수수 이삭의 옥수수" 타입의 그러한 표면 구조는 우수한 기계적인 맞물림(interlocking) 구조를 얻기 위해 사용될 수 있다. 도 3b의 실시예에서, 핀 (308)은 각 개별적인 핀(302)의 높이 위 및 아래로 연장하여, 다중의 섬유 층의 전체 두께에 걸쳐 관통두께 핀(through thickness pin)을 생성한다. 이러한 형태에서, 핀(308)은 플라이(302)에 위치된 연속적인 핀(308b)으로 간주된다.
도 3c는 핀(308)이 균일한 두께(매끄러운 벽)를 갖고 각각의 개별적인 플라이(302) 또는 층(301)의 높이의 위 및 아래로 연장하여 다중의 층(301) 또는 플라이(302)의 전체 두께에 걸쳐 관통두께 핀(308c)을 생성하는 복합재 물품(300c)의 실시예를 도시한다.
도 3d는 핀(308)이 층(301) 또는 플라이(302) 사이에 주로 위치하는 후육부 (316)를 갖고, 수직축(318)을 따라 가변적인 직경을 갖는 복합재 물품(300d)의 실시예를 도시한다. 핀(308)은 전체 두께를 관통하지 않고 단지 모든 층(301) 또는 플라이(302)의 하위 세트에만 존재한다.
도 3e는 핀(308)의 높이(H), 평균 직경(D) 및 표면(330)의 균일성을 포함하는 핀(308)을 형성하기 위하여 제어될 수 있는 기하학적 특성을 도시한다. 하나 이상의 예에서, 표면(330)은 주름진 표면(320) 또는 불균일/불규칙 표면(332)으로 형성된다. 다른 예에서, 표면(330)은 매끄러운 표면(334)이다. 도시되지는 않았지만, 각각의 핀의 점착 섬유성(stringiness)(예컨대, 점성 및/또는 직경)이 또한 제어 될 수 있다.
도 3f 및 3g는 복합재 물품(300e)의 플라이(302) 또는 층(301)이, 각각이(예컨대, 단방향) 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)의 서로 다른 방위(370)를 갖는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d) 또는 층(338a, 338b)의 복수 또는 스택(340a, 340b, 340c, 340d)을 포함하는 예를 도시한다. 이 경우, 복수의 층(338a, 338b, 338c, 338d) 또는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)를 통해 공간(342) 또는 공극 (344)이 생성되고 또 공간(342) 또는 공극(344)은 상이한 플라이(336a, 336b, 336c, 336d) 또는 상이한 층(338a, 338b, 338c, 338d)에서 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)에 의해 경계지고, 한정되거나 벽으로 구획된다.
상이한 평면(346)에 존재하는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)는 공극(344)은 또는 공간(342)을 형성하도록 서로에 대해 상이한 각도로 정렬되거나 배향된 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)를 포함한다. 매트(600)(예컨대, 도 6b에 도시된 바와 같은)를 포함하는 하나의 예에서, 각각의 층(301) 또는 플라이(302) 내의 섬유 토우(304)는 서로 90도 각도로 위치하고 서로 직조된다. 그러나 다른 예에서, 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)는 서로에 대해 임의의 각도(예컨대, 45도)로 배향될 수 있다. 하나 이상의 예에서, 핀의 높이(H)는 공극(344)은 또는 공간(342)의 벽을 한정하는 층(338a, 338b, 338c, 338d) 또는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)의 개수의 함수이다. 하나 이상의 예에서, 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d) 사이의 공간(342)은 섬유 토우(340a, 340c) 사이의 중간 층(338b)에 존재한다.
도 3h는 플라이(302) 및 핀(308)과 결합된 수지(348)를 포함하는 복합재 물품(300f)을 도시하는 것으로서, 최외곽 섬유층(301d) 또는 최외곽 플라이(302e)의 위 및 아래로 그리고 수지 표면(348)으로 연장하는 하나 이상의 핀(308)을 나타낸다.
도 3I는 플라이(302) 또는 층(301)의 어느 한 측면에 재료층(350)이 배치되어 핀(308)이 플라이(302) 또는 섬유 층(301)의 어느 한 측면 상의 재료층(350)에 결합할 수 있는 복합재 물품(300g)을 도시한다. 하나 이상의 예에서, 층(350)은 핀(308)을 제조하는데 사용되는 동일한 재료(322)(예컨대, 열가소성 재료)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 예에서, 층(350)은 하나 이상의 앵커(602) 또는 더욱 두꺼운 배치부(deposition portion)를 포함하며, 앵커 또는 더욱 두꺼운 배치부는, 일단 핀(308)이 형성되면, 핀(308)을 위한 재료(322)를 제공 및/또는 핀(308)이 부착되게 하는 무언가를 제공하는 기판, 기초 및/또는 소스로서 한정된다. 하나 이상의 추가적인 예에서, 층(350)은 재료(322)의 필라멘트를 포함하는 네트워크 또는 웹을 포함한다.
예시적인 제조방법
도 4는 압출 노즐(402), 공급기(404) 및 z 방향의 핀(z 핀)을 제조하기 위하여 섬유 토우 사이의 공극 또는 공간(306) 내로 재료(322)를 공급하기 위해 용융기 (406)를 포함하는 예시적인 3D 프린터(400); 와 핀(308)이 형성되는 동안에 플라이 (302) 또는 베이스 층(408)을 지지하기 위한 플랫폼(410)(예컨대, 프린트 베드 또는 베이스)을 포함한다. 예시적인 프린터(400)는 탁상용 용융 배치 모델링(FDM :Desktop Fused Deposition Modeling) 3D 프린터를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 하나 이상의 예에서, 3D 프린터는 소프트웨어를 사용하여 제어된다. 플랫폼(410) 및/또는 노즐(402)은 이동되어, 노즐(402) 및 플라이(302) 또는 베이스 층(408)이 x-y 평면(412)에서 서로에 대해 이동할 수 있고 또 z 방향(414)에서 수직으로 위 또는 아래로 이동할 수 있다. 하나 이상의 추가적인 예에서, 프린터는 2개의 엔드 이펙터(end effector)(또는 이중 엔드 이펙터)를 갖는 로봇 헤드를 갖는바, 하나의 엔드 이펙터는 섬유 토우(304)를 포함하는 층(301) 또는 플라이(302)를 배치하는데(또는 층(들)(301)의 표면상에 레이업) 사용되고, 다른 엔드 이펙터는 핀(308)을 형성하기 위해 재료(322)의 비드(bead)(들)의 배치에 사용된다.
도 5는 적층 제조 배치방법을 사용하여 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 제조하기 위한 공정 흐름을 예시하는 플로우차트이다.
블록(500)은 공간(306)(예컨대, 공극)에 의해 분리된 섬유 토우(304)를 포함하는 층(301)(예컨대, 섬유 베드 또는 직물 층 또는 섬유질 부분) 또는 플라이 (302)를 배치하거나 제공하는 것을 나타낸다. 하나 이상의 예에서, 플라이(302) 또는 층(301)은 적층 제조 배치(deposition) 기법을 이용하여 배치된다. 예시적인 실시예에서, 섬유 토우(304)는 섬유 다발을 포함한다. 하나 이상의 예에서, 섬유는 유리 섬유, 케블라(kevlar), 탄소 및 열가소성 재료로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함한다.
블록(502)은 각각이 공간(306) 중 다른 하나의 공간을 통과하는 복수의 핀(308)을 형성하도록 복수의 공간(306)에 재료를 배치하는 것을 나타낸다. 하나 이상의 예에서, 재료(322)는 복수의 공간(306)의 각각 내부에서 또 관통하여 연장하는 핀(308)을 형성하도록 부다 제조 배치 기법을 사용하여 배치된다. 하나 이상의 예에서, 핀(308)은 도 6b에 도시된 바와 같이 앵커(602)로부터의 공간(306) 사이로 인출된다. 하나 이상의 예에서, 일단 핀(308)이 형성되면, 앵커(602)는 핀(308)을 위한 재료(322)를 제공 및/또는 핀(308)이 부착되게 하는 무언가를 제공하는 기판, 기초 및/또는 소스로서 한정된다.
예컨대, 재료(322)의 배치(deposition)는(i) 베이스 층 상에 앵커(602)를 형성하기 위하여, 출구(450)와 베이스 층(408)을 서로에 대해 처음에는 x-y 평면 (412)에서 그런 다음 z 방향(414)에서 서로에 대하여 이동시키면서 출구(450)(예컨대, 노즐(402))로부터 베이스 층(408) 상으로 그리고 공간(306) 중 하나의 공간에 재료(322)를 배치하고; (ii) 출구(450)로부터 재료(322)의 공급없이 출구(450) 및 베이스 층(408)을 서로에 대해 이동시켜, 앵커(602)의 일부가 인출되어 핀(308)을 형성하며; (iii) 출구(450)로부터 인출된 재료 또는 핀(308)을 해제하고, 출구 (450)와 베이스 층(408)을 서로에 대해 이동시켜 출구(450)가 공간(306)들 중 다음의 공간 위에 위치되게 하고; (iv) 단계(i) -(iii)을 반복하여 복수의 핀(308)을 생성하는 것을 포함한다, 다양한 예들에서, 베이스 층은 플라이(302) 또는 재료(322)의 층이다.
핀(308)을 위한 재료(322)의 예는 적층 제조를 사용하여 배치하기에 적절한 적어도 하나의 재료, 예컨대, 중합체를 포함한다. 예시적인 중합체는 폴리 아미드, 폴리 에테르 케톤(PEK), 폴리 에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리 에테르 케톤 케톤 (PEKK), 폴리 이미드(PI), 폴리 에테르 이미드(PEI), 유아이템(Ultem™) 또는 개질제를 갖는 앞서 언급된 하이브리드 형태의 열가소성 플라스틱과 같은 열가소성 플라스틱, 및/또는 탄소 나노튜브(들), 그라핀(graphene), 점토 개질제(들), 불연속 섬유(들), 계면 활성제(들), 안정제(들), 분말(들) 및 미립자(들)와 혼입물을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
하나 이상의 예에서, 핀(308)(예컨대 z 핀)의 패턴은 도 6a에 도시된 바와 같이, 공극 간격(pore spacing) 및 층(301) 또는 플라이(302)의 영역을 수용하도록 인쇄된다. 도 6a는 간격(650) 및 공간(306)(예컨대, 공극(306b))을 갖는 불연속적인 z 핀(308a)을 포함하는 직조된(예컨대, 탄소) 섬유 매트(600)를 포함하는 플라이(302)를 도시한다. 매트(600)는 도 6b에 도시된 바와 같이 서로 직조된 직교하는(예컨대, 탄소) 섬유 토우(650, 652)를 포함한다. 또한, 층(301) 또는 플라이(302)는, 핀(308)이 공극을 통과하여 섬유 토우(304) 내의 섬유의 파손을 최소화하도록 핀(308)의 패턴을 통하여 주의 깊게 배치될 수 있다. 핀(308)이 삽입됨에 따라 섬유 토우(304)에서 섬유(604)의 파손이 발생하는 몇몇 실시예에서, 프리 프레그(pre-preg)의 적층체(stack)를 통하여 강성있는 핀의 어레이(array)가 압입되는 종래의 제조 방법에 비해 섬유 파손의 양이 감소된다.
핀(308)은 패턴의 범위를 생성하기 위해 핀의 직경(D) 및 간격을 제어하여 임의의 단면으로 제조될 수 있다. 노즐(402)의 직경이 0.4mm 이상인 경우, 핀의 직경(D)은 일반적으로 0.7mm 이상이다. 제조될 수 있는 다양한 핀의 패턴 또는 구성의 예가 표 1에 도시된다.
핀 구성 "핀" 직경(mm) 핀 간격(mm)
1 0.7 5.6
2 0.9 7.6
3 1.1 9.6
4 0.7 4.1
5 0.9 5.9
6 1.1 7.4
7 0.7 3.4
8 0.9 5
9 1.1 6.2
몇몇 실시예에서, 핀 단면은 층(301) 또는 플라이(302)의 평균 공극 면적과 유사한 사이즈를 갖는다. 예컨대, 핀(308)은 공간(306)의 체적의 적어도 90%를 채울 수 있다. 다른 예에서, 핀(308)의 단면은 예컨대, 섬유(604)에 의해 형성된 측벽(606)과의 더 큰 접촉을 제공하고 또 핀(308)과의 더 큰 면 접촉을 생성하기 위하여 공간(306)의 형상과 상보적(complimentary)이다. 예컨대, 공간(306)이 정사각형인 경우, 핀(308)의 단면도 정사각형일 수 있고, 그리하여 섬유(604)에 대한 핀(308)의 접촉 면적이 최대가 된다.
하나 이상의 예시적인 응용에서, 공극 공간(306)의 기하학적 구조는 투과성(프리폼에 대한 수지 충전 시간에 영향을 주는 매개변수) 및 미세 크랙의 위험성(공극 또는 공간(306)이 커질수록 미세 크랙의 위험성을 증가시킨다)에 결정적이다. 이러한 경우에, 핀(308)의 단면은 원하는 투과성 얻고 또한 복합재 전체에 미세 크랙 발생을 감소시키도록 맞춤될 수 있다. 또 다른 예에서, 핀(308)의 단면은 비 균일 기하학적 구조를 통해 표면 영역을 제공하고 또 크랙에 대한 비틀린(tortuous) 통로를 생성하여, 복합재의 인성을 증가시키도록 맞춤될 수 있다.
도 6b 및 6c는 핀(308)이 적층 제조 배치공정 동안에/그 일부로서 배치됨에 따라 핀(308)이 섬유 토우(304)에 접합되는 실시예를 도시한다. 핀(308)은 배치될 때 액체 상태 또는 점착성 상태로 섬유(604)에 접합될 수 있어서, 핀(308)의 일부(608)가 섬유 표면(610)의 불완전한 부위 내에 존재하고 그리하여 섬유(604)에 접합되게 된다. 예컨대, 핀(308)은 배치된 재료(322)의 표면 장력 및 핀(308)의 재료(322)의 용융 온도에 따라 다양한 제어된 강도로 섬유(604)에 접합될 수 있다. 하나 이상의 예에서, 섬유 토우(304)의 측벽(606)에 핀(308)을 연결하는 것은 섬유 토우(304)를 따른 크랙 전파에 대한 "장벽(roadblock)"으로서 작용할 것이 요구된다.
이하에서 추가 논의되는 바와 같이, 3-D 인쇄 매개변수들(예컨대, 재료(322)의 공급 속도, 유속 및 노즐(402)의 온도)은 각각의 핀(308)의 배치 동안에 주의 깊게 맞춤될 수 있어, 핀(308)의 재료 물성을 국부적으로 제어할 수 있다.
핀(308)을 위한 재료(322)는 다양한 형상, 예컨대, 재료(322)의 일련의 액(drops) 또는 비드(beads)로 배치될 수 있다.
블록(500)의 단계는 블록(502)의 단계를 수행하기 전에, 서로의 상부에 배치된 복수의 층(301) 또는 플라이(302)를 형성하거나 또는 얻기 위하여 반복될 수 있어서, 모든 복수의 층(301) 또는 플라이(302)가 배치된 후에, 공간(306)을 통해 그리고 적어도 일부/복수의 플라이(302) 또는 층(301)을 통해 연장하는 핀(308)을 형성한다. 본 실시예는 도 12에 도시된 바와 같이, 보강재(1206)와 접속하는 스킨 (1004)을 제작하기에 유용할 수 있고, 스킨(1004)과 보강재(1006) 사이의 계면 또는 계면 영역(1008)에 핀(308)을 위한 재료(322)의 액적을 위치시키기 전에 스킨(1004) 내의 층(301) 또는 플라이(3302)가 적층된다.
블록(504)은 복수의 층(301) 또는 플라이(302)를 배치하기 위해 블록 (500 -502)의 단계를 선택적으로 반복하는 것을 나타낸다. 각각의 핀(308)에 대한 재료 (322)는 섬유 토우(304)의 각각의 층(301) 또는 플라이(302) 다음에 일시에 배치되고, 또 다음의(next) 층(301) 또는 플라이(302)의 공간(306)에 배치된 재료 (322)의 적어도 일부는 이전의(previous) 층(301) 또는 플라이(302)의 공간(306)에 배치된 재료(322)와 정렬 및 연결되어 복수의 층(301) 또는 플라이(302)를 통하여 연장하는 핀(308)을 형성한다.
도 3b를 참조로 도시된 하나의 예시적인 실시 예에서, 공정은 다음과 같이 진행한다. 재료(322a)(예컨대, 열가소성)의 제1 배치는, 섬유 토우(304a)의 플라이(302a) 또는 층(301a)에서 섬유 토우(304a) 사이의 공간(306c) 또는 갭에 또는 그 내부로 선택적으로 위치되거나 배치된다. 섬유 토우(304b)의 다음의 플라이 (302b) 또는 다음의 층(301b)은 섬유 토우(304a)의 이전의 플라이(302a) 또는 이전의 층(301a) 위에 배치된다. 이어서 재료(322b)의 제2 배치는, 재료(322a)의 제1 배치와 정렬된 위치에서 섬유 토우(304b)의 다음의 플라이(302b)에서 섬유 토우 (304b) 사이의 공간(306d)에 또는 그 내부로 선택적으로 위치된다. 재료(322a)의 제1 배치는 재료(322b)의 제2 배치에 연결된다.
프리폼을 형성하기 위하여 공정이 반복되는바, 각각의 플라이(302a, 302b) 사이의 재료(322a, 322b)의 연결이 재료 (322a)의 제1 배치 및 재료(322b)의 제2 배치를 포함하는 핀(308) 또는 기둥을 형성한다. 몇몇 경우에서, 핀(308a)은 단지 하나 이상의 층(301)만을 연장하거나, 프리폼의 두께를 통해 불연속적인 형태로 연장한다. 다른 경우에서, 핀(308b)은 두께를 통한 연속적인 형태로 프리폼을 통해 전체로 연결된다.
이러한 예가 도 3b를 참조하여 설명되지만, 본 기법은 많은 예(예컨대, 도 3a, 도 3c, 도 3d, 도 3f, 도 3h 및 도 3i에 도시된 바와 같이)에서 사용될 수 있다. 또한, 본 예는 단일 플라이(302a, 302b)에서 섬유 토우(304a, 304b)에 의해 한정되거나 경계진 공극 공간(306c, 306d)으로 도시되지만, 도 3f 및 도 3g에 도시된 바와 같이, 상이한 층(338a, 338b, 338c, 338d) 또는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)에서 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)에 의해 공간(342)이 한정되는 실시예에서의 상이한 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)에 재료(322a)의 제1 배치 및 재료(322b)의 제2 배치가 이루어질 수 있다.
블록(506)은 블록(500-504)의 적층 제조 배치 단계 이후의 선택적인 후처리 단계를 나타낸다. 몇몇 실시예에서, 후처리는 핀(308)을 용융하거나 연화시키기 위하여 또 섬유 토우(304)에 대한 핀(308)의 접합(예컨대, 3차원에서)을 촉진 또는 증가시키기 위하여 그리고 공극 또는 공간(306)을 핀(308)으로 채우는 것을 촉진하기 위하여, 핀(308) 및 플라이(302)(그리고 플라이 내의 섬유 토우(304))를 가열(예컨대, 히트 건(heat gun) 또는 오븐을 사용)하는 것을 포함한다.
블록(508)은 핀(308)과 섬유 토우의 플라이(302) 또는 층(301)을 수지와 선택적으로 조합하는 것을 나타낸다. 일부 실시예에서, 핀(308)은 도 3h에 도시된 바와 같이, 최외곽 섬유 층(301d) 또는 플라이(302)의 위 및 아래로 그리고 잠재적으로 수지 표면(348b)까지 또한 연장된다.
블록(510)은 최종 결과물인 복수의 섬유 토우(304)를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)을 나타내고; 또 하나 이상의 핀(308)(예컨대, 핀(308)의 어레이)을 포함할 수 있다. 핀(308) 중 하나 이상은 섬유 토우(304) 사이 및 섬유 토우(304)에 의해 경계진 상이한 공간(306)을 통과한다.
방법의 단계(500-510)는 복합재 물품이 많은 방법으로 구현되도록 수행될 수 있다. 실시예들은 다음의 예 중 하나 또는 임의의 조합이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.
1. 섬유 토우(304)가 복수의 플라이(302) 또는 층(301)에 배치되고, 하나 이상의 핀(308)이 플라이(302) 또는 층(301)의 섬유 토우(304) 사이의 상이한 공간(306)을 통과하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d).
2. 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)가 복수의 플라이(336a, 336b, 336c, 336d) 또는 층(338a, 338b, 338c, 338d)에 배치되고, 공간(342)이 복수의 층(338a, 338b, 338c, 338d) 또는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)를 관통하며, 공간(342)은 예컨대, 도 3f 및 도 3g에 도시된 바와 같이, 상이한 층(338a, 338b, 338c, 338d) 또는 플라이(336a, 336b, 336c, 336d)에서 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)에 의해 경계지고, 벽으로 구획되거나 한정되는 복합재 물품(300e). 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d)의 상이한 배향(370)은 섬유 토우(340a, 340b, 340c, 340d) 사이에 공간(342)을 생성한다.
3. 섬유 토우(304)가 직조되어, 예컨대, 도 6b에 도시된 바와 같은 섬유 매트 또는 직조된 직물을 형성하도록 된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
4. 섬유 토우(304)가 편조물(braids)(예컨대, 스티치된 직물 또는 편조된 직물)로 배열된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
5. 섬유 토우(304)가 편사(yarn)를 포함하는 편조물을 포함하거나 편조물로 배열되고, 핀(308)은 편사 사이 또는 섬유 토우(304) 사이 공간(306)을 통과하며, 편사는 플라이(302)의 공간(306) 사이의 공간을 통과하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
6. 섬유 토우(304)가 주름지지 않은(non-crimp) 직물에 배열된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
7. 섬유 토우(304)가 규칙적인 슬릿(사이에 갭을 갖는 평행한 섬유 토우(304)를 포함하는)을 갖는 단방향 테이프로 배열된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
8. 섬유 토우(304)가 다축 보강재에 배열된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
9. 각각의 층(301) 또는 플라이(302)에서, 또는 z 방향의 상이한 층(301a, 301b) 또는 플라이(302a, 302b)에서 핀(308)이 서로 상이한 기계적 물성(예컨대, 핀(308)이 복합재와 결합하는 위치)을 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
10. 하나 이상의 핀(308)이 적어도 하나의 섬유 토우(304)의 표면(310)에 접합된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
11. 핀(308)은 각각 섬유 토우(304) 사이의 공간(306)의 체적의 90% 이상, 95% 이상, 또는 98% 이상을 채우는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f)
12. z 핀(308a)은 도 6a에 도시된 바와 같이, 나일론 줄과 같은 스트링(620)에 의해 연결된 복합 제품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
13. 섬유 토우(304) 중 적어도 하나는 왜곡되지 않은(unistorted) 섬유 토우(612)를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f). 하나 이상의 예에서, 핀들(308) 중 적어도 하나는 도 6b에 도시된 바와 같이 왜곡되지 않은 섬유 토우(612)의 표면(616)에 접합된다. 하나 이상의 예에서, 왜곡되지 않은 것이란, 핀이 섬유 토우들 사이의 공간을 통과함에 따라, 핀이 섬유 토우 사이의 공간이 아닌 플라이의 영역을 강제로 통과될 때 발생하는 왜곡의 결여를 지칭한다. 하나 이상의 예에서, 왜곡되지 않은 것이란, 핀이 공극 공간에 배치되기 전에 비해 섬유 토우의 추가적인 왜곡이 없는 것으로 한정된다.
14. 섬유 토우(304) 중 적어도 하나가 비 마모된(unfrayed) 섬유(614)를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f). 다양한 예들에서, 적어도 하나의 핀(308)은 비 마모된 섬유(614)의 표면(618)에 접합된다. 하나 이상의 예에서, 비 마모된 것이란, 핀이 섬유 토우들 사이의 공간을 통과함에 따라, 핀이 섬유 토우 사이의 공간이 아닌 플라이의 영역을 강제로 통과될 때 발생하는 마모의 결여를 의미한다. 하나 이상의 예에서, 비 마모된 것이란, 핀이 공극 공간에 배치되기 전에 비해 섬유 토우의 마모가 없는 것으로 한정된다.
15. 핀(308c)들 중 적어도 하나는 원통 형상인 복합재 물품(300c).
16. 핀(308b)들 중 적어도 하나는 자신의 길이(L)를 따라 불균일하거나 불규칙한 단면(330)을 갖는 복합재 물품(300b).
17. 핀(308b)들 중 적어도 하나는 플라이 사이에서 더 넓은 복합재 물품(300b).
18. 핀의 모든 높이에서, 핀의 벽을 한정하는 단지 한 쌍의 섬유가 되는 기능으로서 비 균일 단면이 존재하는 복합재 물품. 따라서 하나의 단면에서 핀은 모래시계(hour-glass) 형상을 가질 수 있으나, 모래시계 형상의 평면으로부터 90도의 단면에서 형상이 일반적으로 타원형 또는 원형일 수 있다.
19. 하나 이상의 핀(308)이 최외곽 섬유 층(301d) 또는 플라이(302e) 위 및 아래 그리고 수지 표면(348b)까지 연장하는 복합재 물품(300f).
20. 하나 이상의 핀(308)이 수지(348) 및 섬유 토우(304)에 접합되는 복합 재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
21. 하나 이상의 핀(308)이 앵커(602)로부터 공간(306) 사이로 인출되는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f).
22. 핀(308)이 플라이(302) 또는 섬유 층(301)의 어느 하나의 측면의 재료층(350)에 결합될 수 있도록 플라이(302) 또는 층(301)의 어느 하나의 측면에 재료층(350)이 배치된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
23. 핀(308)이 플라이(302) 또는 섬유 층(301)의 어느 하나의 측면의 재료층(350)에 결합될 수 있도록 플라이(302) 또는 층(301)의 어느 하나의 측면에 재료층(350)이 배치되고, 재료층(350)은 핀(308)이 인출되는 하나 이상의 앵커(602)를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g). 앵커는 일단 핀(308)이 형성되면, 핀(308)을 위한 재료(322)를 제공 및/또는 핀(308)이 부착되게 하는 무언가를 제공하는 기판, 기초 및/또는 소스로서 한정된다.
24. 적어도 하나의 핀(308a)이 모든 플라이(302)를 통해 연장하지 않는 복합재 물품(300a).
25. 적어도 하나의 핀(308c)이 모든 플라이(302)를 통해 연장하는 복합재 물품(300b).
26. 핀(308)이 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g) 내에 균일하게 분포된 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
27. 핀(308)이 불균일한 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g). 예컨대, 핀(308)은 일부 영역에서 더 많이 집중되고 다른 영역에서 집중되지 않을 수 있다(예컨대, 조인트 계면이 있는 곳에 더 많이 집중되고 계면에서 멀어 질수록 적게 집중되는).
28. 섬유 토우(304)는 각각 적어도 2mm의 직경(D1)을 갖고 적어도 1000개의 섬유를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)(도 3c, 3d, 3e, 3h 참조).
29. 공간(306)은 각각 적어도 2mm의 직경(D2) 또는 폭을 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)(도 3c, 3d, 3e, 3h 참조).
30. 플라이(302)는 각각 2-10 mm 범위의 두께(T)를 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)(도 3c, 3d, 3e, 3h 참조).
31. 핀(308)은 각각 2-5mm 범위의 두께 또는 직경(D)을 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)(도 3c, 3d, 3e, 3h 참조).
32. 핀(308)은 각각 1-3mm 범위의 길이 또는 높이(H)를 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)(도 3c, 3d, 3e, 3h 참조).
33. 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)은 10mm-1미터 범위의 총 두께(T3)를 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
34. 핀(308)이 "비드(bead)"로 배치된 열가소성 재료를 포함하고 또 열가소성 재료의 표면 장력이 분자를 구동하여 외부 표면에서 코어로 안쪽으로 당겨지도록 하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
35. 핀(308)이 폴리 아미드, 폴리 에테르 케톤, 폴리 에테르 에테르 케톤, 폴리 에테르 케톤 케톤, 폴리이 미드, 폴리 에테르 이미드 및 폴리 페닐 술폰으로부터 선택된 적어도 하나의 열가소성 재료를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
36. 핀(308)이 열가소성 재료의 하이브리드를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
37. 복합재 물품을 포함하는 통합형 항공기 구조물(1000) 및 조인트로서, 조인트 또는 구조물은 스킨(1004), 보강재(1006), 및 스킨(1004)과 보강재(1006) 사이의 계면 영역(1008)을 포함하고, 계면 영역(1008)은 섬유 토우(304)를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d); 각각의 핀(308)이 섬유 토우(304) 사이의 공간(306)을 통과하고 또 각각의 핀(308)이 적어도 하나의 섬유 토우(304)의 표면(310)에 접합되는 복수의 핀(308); 및 플라이(302) 및 핀(308)과 결합된 수지(1010); 를 포함하고, 핀(308)은 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)에서 크랙(102)의 전파를 감소시키는 물리적 장벽(312)을 형성한다. 계면 영역(1008)은 스킨(1004)의 일부, 보강재(1006)의 일부 및/또는 스킨(1004)과 보강재(1006) 사이의 층을 포함한다.
케이스 연구
3D 인쇄된 핀(308)의 예가 도 7a-7d에 도시된다. 본 케이스에서, 핀(308)은 230℃ 및 260℃의 인쇄 온도를 사용하여 제조되었다. 인출작업(drawing)은 핀(308)의 직경(D), 간격(650) 및 핀의 길이(L)가 각각 0.9mm, 3.0mm 및 5.0mm로 설정되었다. 다른 예에서, 제조된 핀(308)에 대하여 얻어진 직경(D), 간격(650) 및 길이(L)는 각각 약 1.1mm, 2.8mm 및 4.9mm이다. 그러나 예컨대, 상술한 바와 같이 다른 치수가 가능하다.
재료 물성 제어
하나 이상의 예에서, 적층 제조된 또는 인쇄된 z 핀(308)의 재료 물성은 본명세서에 기재된 적층 공법을 사용하여 제어 및/또는 변경된다.
도 8a 및 도 9b는 적층 제조 배치조건(노즐 온도)이 z 핀(308)을 위해 사용되는 재료의 물성을 어떻게 변화시키는지를 도시한다. 인장 강도 및 공학 변형율(engineering strain)의 변화가 예로서 포함되지만, 공급 속도, 열가소성 재료의 유량 및 노즐 온도와 같은 영향력 있는 프린터 입력을 제어함으로써 적층 제조 공정을 통해 다른 재료 물성이 제어될 수도 있다.
도 9a는 연속적인 Z 핀(308c)을 사용하는 본 명세서에 기재된 임의의 실시예에 대하여, 연속적인 Z 핀(308c)(적어도 하나의 핀(308)이 모든 플라이를 통해 연장한다)을 제조하기 위한 예시적인 공정 매개변수를 도시하는 표이다.
도 9b는 불연속적인 Z 핀(308a)을 사용하는 본 명세서에 기재된 임의의 실시예에 대하여, 불연속적인 Z 핀(308a)(즉, 적어도 하나의 핀(308)이 모든 플라이를 통해 연장하지 않는다)을 제조하기 위한 예시적인 공정 매개변수를 도시하는 표이다.
다양한 예들에서, 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)은 다음의 임의의 조합을 포함한다:
인쇄 매개 변수의 제어는 특정한 시스템 적용을 위하여 맞춤된 물성을 갖는 적층된 복합재 재료를 포함하는 고성능 층간 기술을 생성하는 것을 지원한다. 통상적인 조립 기법은 전체 구조에 대해 단일 설정에서만 처리할 수 있고, 따라서 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예에 의해 제공된 바와 같이 위치를 기반으로 해서하나의 위치에서 재료 물성을 변경할 수 없다.
예시적인 적용
하나 이상의 실시 예에서, 본 명세서에 기재된 z 핀 네트워크는 항공기에 사용된 복합재를 강화하기 위하여 사용되는바, 특히 모드 I 또는 모드 II 층간 부하가 작용되는 고응력 집중 영역, 예컨대 통합된 항공기 구조(Integrated Aircraft Structures: IAS)에서 사용된다. IAS는 복합재의 파괴 인성의 불량으로 인하여 부서지기 쉬운 에폭시에서 예측 가능한 파괴를 조장하는 반복(redundancy)의 근원을 제공하는 파스너(fastener)에 의해 현재 결합되고 있다. 그러나 파스너를 사용함에 따른 주된 문제점은 파스너가 야기하는 증가된 중량인데, 왜냐하면 부품이 종종 필요 이상으로 더 두껍게 만들어져서 파스너 구멍에서 높은 응력 집중을 유발하기 때문이다.
또한, 볼트 및 파스너로 인한 복합재 파괴는 구멍에서 국부적으로 시작하나 다음에는 관통두께 방향으로 전파되는 경향이 있다. 파괴 인성을 높이고 보다 예측 가능한 파괴에 대한 수단을 제공함으로써 IAS는 본 명세서에 기재된 복합재 물품을 사용하여 보다 효과적으로 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예는 모드 I 및 모드 II 파괴 인성을 향상시키고 또 복합재 부품을 연결하는데 사용되는 파스너의 개수를 감소하거나 또는 기계적으로 결합될 때 부품 두께에 적용되는 안전 인자를 최소화함으로써 안정한 복합재 파괴 필요성을 해결할 방법을 제공한다.
도 10은 스킨(1004), 보강재(1006)(예컨대, 블레이드 또는 탑 햇(top hat) 보강재) 및 스킨(1004)과 보강재(1004) 사이의 계면 영역(1008)을 포함하는 통합형 항공기 구조물(1000)(T-조인트)을 도시한다. 계면 영역(1008)은 각각이 섬유 토우(304)를 포함하는 복수의 플라이(302)와; 각각의 핀(308)이 섬유 토우(304) 사이의 상이한 공간(306)을 통과하고 또 각각의 핀(308)이 적어도 하나의 섬유 토우(304)의 표면(310)에 접합된 복수의 핀(308); 을 포함하는, 본 명세서에서 기재된 바와 같은 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 포함한다. 핀(308)은 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)에서 크랙의 전파를 감소시키는 물리적인 장벽을 형성한다. 다양한 예에서, 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)은 공극 공간(306)을 통해 형성된 핀(308)이 수지(1010) 및 섬유 토우(304)의 표면에 접합되고 또 앵커(602)에 고정된다.
계면 영역(1008)은 스킨(1004)의 일부, 보강재(1006)의 일부 및/또는 스킨(1004)과 보강재(1006) 사이의 층을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 핀(308)은 지지 부재가 복합재와 접촉하는 곳에만 존재한다. 복합재 물품을 통합할 수 있는 다른 구조물은 패널을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 핀(308)은 외주부 강도를 증가시키기 위해 패널의 에지에만 배치된다. 핀(308)의 선택적인 위치(예컨대, 계면 영역 또는 외주부에서만)는 강화가 필요한 곳에 핀을 포함함으로써 중량을 절감할 수 있게 한다. 하나 이상의 예에서, 스킨(1002)에 가장 가까운 핀(308)의 정상부(T5)(도 3e 참조)는 스킨(1002)과 보강재(1006) 사이의 외주부 또는 계면(1052)으로부터 최대한 10cm의 거리(1050)에 위치된다.
그러나 본 발명의 실시예들에 따른 z 핀 구조는 복합재의 손상 내성의 개선을 필요로 하는 임의의 적용예(예컨대, 구조적인 또는 반(semi)-구조적인 구성 부품)에 사용될 수 있다.
이점 및 개선점
액체 성형으로 제조된 복합재의 강화를 위한 통상적인 기법은 열가소성 베일(veil)을 사용하는 것을 포함한다. 그러나 열가소성 베일은 층 특이성이 있고 또 관통두께 강화 기법과 비교하여 평범한 개선만을 제공한다. 또한, 통상적인 강화 기법은 제조 공정 중에 유발되는 제조 제한사항 및/또는 미세구조 결함으로 인해 채용되지 않는다.
본 명세서에서 제시된 예시적인 강화 방법은 z 핀을 제조하기 위한 새로운 방법 및 다공성 평직 섬유 매트로 제조된 액체 성형된 복합재에서 z 핀을 사용하기위한 새로운 방법을 포함한다. 본 명세서에 제시된 새로운 제조 방법의 하나의 목표는 미세구조 결함을 최소화하는 것이다. 통상적인 방법은 최종 복합재가 자신의 면내 특성을 유지하기 위하여, 미세구조 결함을 최소화하는 것을 주된 목표로 하여 탄소 토우 주위에 연속적인 관통두께 강화기구를 배치하는 것을 제공하지 않는다.
더구나, 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예를 사용하여 달성될 수 있는 바와 같이 섬유 파손이 최소화되도록 공극 간격 사이에 핀을 인쇄하는 대신에, 통상적인 금속 z 핀은 별개로 제작된 다음 건식 섬유 매트/프리프레그 플라이의 적층체를 통해 물리적으로 압입(예컨대, 못 박음)된다. 또한, 본 발명자가 알기에는, 통상적인 z 핀은 본 명세서에 기재된 예시적인 공정을 사용하여 달성될 수 있는 바와 같은 열가소성 또는 고 전연성(high ductility) 재료가 아니라, 탄소 섬유 /BMI 또는 금속으로 제조된다.
공정 환경
도 11은 본 명세서에 기재된 3D 프린터(400)를 제어하는데 필요한 공정 요소를 구현하는데 사용되는 예시적인 시스템(1100)을 도시한다.
컴퓨터(1102)는 프로세서(1104)(범용 프로세서(1104A) 및 전용 프로세서(1104B)) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1106)와 같은 메모리를 포함한다. 일반적으로, 컴퓨터(1102)는 메모리(1106)에 저장된 운영 체제(OS; 1108)의 제어하에 작동하고, 입력 및 명령(예컨대, 아날로그 또는 디지털 신호)를 수용하고 입력/출력(I /O)모듈(1110)을 통해 결과를 제공하기 위해 사용자/다른 컴퓨터와 인터페이스 한다. 컴퓨터 프로그램 애플리케이션(1112)은 컴퓨터(1102)의 메모리(1106)에 저장된 데이터를 액세스하고 조작한다. 운영 체제(1108) 및 컴퓨터 프로그램 애플리케이션(1112)은, 컴퓨터(1102)에 의해 판독되고 실행될 때, 컴퓨터(1102)가 본 명세서에 기재된 작동을 수행하게 하는 명령으로 구성된다.
하나의 실시예에서, 운영 체제(1108) 및 컴퓨터 프로그램(1112)을 구현하는 명령은 메모리(1106)에 유형적으로 구현되고, 본 명세서에 기재된(예컨대, 조 5에 기재된 바와 같은) 인쇄 방법을 수행할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품 또는 제조물품을 만든다. 이와 같이, 본 명세서에서 사용된 "제조물품", "프로그램 저장장치" 및 "컴퓨터 프로그램 제품"이라는 용어는 임의의 컴퓨터 판독 가능 장치 또는 매체로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램을 포함하도록 의도된다.
당업자는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 본 구성에 대해 많은 수정이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 예컨대, 당업자는 상기 구성 요소 또는 임의의 수의 상이한 구성 요소, 주변 장치 및 다른 장치의 임의의 조합이 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
항목 1. 복수의 섬유 토우(304)와; 복수의 핀(308); 및 플라이(302)와 핀(308)과 결합된 수지(1010); 를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g)으로서,
각각의 핀(308)은 섬유 토우(304)에 의해 경계진 상이한 공간(306)을 통과하고 또 각각의 핀(308)은 적어도 하나의 섬유 토우(304)의 표면(310)에 결합되며;
핀(308)은 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)에서 크랙(102)의 전파를 감소시키는 물리적인 장벽(312)을 형성하는; 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
항목 2. 항목 1에서, 핀(308)은 서로 상이한 기계적 물성을 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
항목 3. 항목 1 또는 2에서, 핀(308c)들 중 적어도 하나는 원통 형상인 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
항목 4. 항목 1 내지 3에서, 핀(308b)들 중 적어도 하나는 자신의 길이(L)를 따라 불균일하거나 불규칙한 단면(330)을 갖는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g).
항목 5. 스킨(1004), 보강재(1006), 및 스킨(1004)과 보강재(1006) 사이에 계면 영역(1008)을 포함하는 통합형 항공기 구조물(1000)로서,
계면 영역(1008)은,
섬유 토우(304);
각각의 핀(308)이 섬유 토우(304) 사이의 공간(306)을 통과하고 또 각각의 핀(308)이 적어도 하나의 섬유 토우(304)의 표면(310)에 결합되는 복수의 핀(308); 및
플라이(302) 및 핀(308)과 결합된 수지(1010);를 포함하는 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)을 포함하고;
핀(308)은 복합재 물품(300a, 300b, 300c, 300d)에서 크랙(102)의 전파를 감소시키는 물리적 장벽(312)를 형성하며; 및
계면 영역(1008)은 스킨(1004)의 일부, 보강재(1006)의 일부 및/또는 스킨(1004)과 보강재(1006) 사이의 층을 포함하는 통합형 항공기 구조물(1000).
결어
이상은 본 개시의 바람직한 실시예의 설명이다. 바람직한 실시예에 대한 상기 기재는 예시 및 설명을 위해 제공되었다. 이는 망라적인 것이 아니거나 개시 내용을 기재된 정확한 형태로 한정하려고 하는 것이 아니다. 상기의 교시에 비추어 많은 수정 및 변경이 가능하다. 권리의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않고 오히려 여기에 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 복합재 물품으로서,
    각각 섬유 다발을 포함하는 섬유 토우들;
    섬유 토우들에 의해 경계진 공간들을 통과하는 핀들; 및
    섬유 토우들과 핀들을 둘러싸는 수지;를 포함하고,
    섬유 토우들은 플라이들에 위치되며,
    섬유 토우들 중 적어도 2개의 인접한 섬유 토우들은 플라이들 중 상이한 플라이들에 있고,
    공간들은 각각 플라이들을 통해 연장되고 섬유 토우들 중 인접한 섬유 토우들에 의해 경계지며,
    핀들은 각각 공간들 중 하나의 공간만으로 연장되고,
    핀들 중 적어도 하나의 핀은 플라이들 중 일부의 플라이만을 통해 연장되며,
    핀들은 각각 섬유 토우들 중 적어도 하나의 섬유 토우의 표면에 접합되고,
    핀들은 복합재 물품에서 크랙의 전파를 감소시키는 물리적인 장벽을 형성하는, 복합재 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    핀들은 각각 1mm 내지 3mm의 길이를 갖는, 복합재 물품.
  3. 제1항에 있어서,
    핀들은 서로 상이한 기계적 물성을 갖는, 복합재 물품.
  4. 제1항에 있어서,
    핀들의 각각은 섬유 토우들에 의해 경계진 공간들의 각각의 체적의 적어도 90%를 채우는, 복합재 물품.
  5. 제1항에 있어서,
    섬유 토우들 중 적어도 하나의 섬유 토우는 플라이들로의 핀들의 삽입에 의해 왜곡되지 않은(undistorted) 섬유 토우를 포함하고,
    핀들 중 적어도 하나의 핀은 왜곡되지 않은 섬유 토우의 표면에 접합되고 접촉하는, 복합재 물품.
  6. 제1항에 있어서,
    섬유 토우들 중 적어도 하나의 섬유 토우는 비 마모된(unfrayed) 섬유를 포함하고,
    핀들 중 적어도 하나의 핀은 비 마모된 섬유의 표면에 접합된, 복합재 물품.
  7. 제1항에 있어서,
    핀들 중 적어도 하나의 핀이 플라이들에서보다 플라이들 사이에서 더 넓도록 핀들 중 적어도 하나의 핀이 길이를 따라 변하는 단면을 갖는, 복합재 물품.
  8. 제1항에 있어서,
    핀들은 수지 및 섬유 토우들에 접합된, 복합재 물품.
  9. 제1항에 있어서,
    복합재 물품은 베이스 층 및 베이스 층 위에 형성된 복수의 앵커들을 더 포함하고, 핀들은 각각 앵커들 중 상이한 앵커로부터 공간들 사이로 인출되는, 복합재 물품.
  10. 제1항에 있어서,
    핀들 중 적어도 하나의 핀은 모든 플라이들을 통해 연장하는, 복합재 물품.
  11. 제1항에 있어서,
    복합재 물품은 플라이들의 각각의 어느 한 측면 상에 배치된 재료의 층을 더 포함하고,
    핀들은 플라이들의 각각의 어느 한 측면 상의 재료의 층에 결합하는, 복합재 물품.
  12. 통합형 항공기 구조물로서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 복합재 물품을 포함하는 스킨;
    보강재; 및
    스킨과 보강재 사이의 계면;을 포함하고,
    스킨의 복합재 물품은 계면에 인접하여 위치되는, 통합형 항공기 구조물.
  13. 복합재 물품으로서,
    각각 섬유 다발을 포함하는 섬유 토우들;
    섬유 토우들에 의해 경계진 공간들을 통과하는 핀들; 및
    섬유 토우들과 핀들을 둘러싸는 수지;를 포함하고,
    핀들 중 적어도 하나의 핀은 길이를 따라 주름진 표면을 가지며,
    핀들은 각각 섬유 토우들 중 적어도 하나의 섬유 토우의 표면에 접합되고,
    핀들은 복합재 물품에서 크랙의 전파를 감소시키는 물리적인 장벽을 형성하는, 복합재 물품.
  14. 복합재 물품을 제조하는 방법으로서,
    (a) 각각 공간들 중 상이한 공간을 통과하는 핀들을 형성하기 위하여, 각각 섬유 다발을 포함하는 섬유 토우들에 의해 경계진 공간들에 재료를 배치하는 단계;를 포함하고,
    단계 (a)는,
    (i) 베이스 층 위에 앵커를 형성하기 위하여, 출구와 베이스 층을 먼저 x-y 평면에서 그 다음 z 방향으로 서로에 대해 이동시키면서 출구로부터 베이스 층 위로 그리고 공간들 중 하나의 공간 내부로 재료를 배치하는 단계;
    (ii) 앵커의 일부가 인출되어 핀들의 각각을 생성하도록, 출구로부터 재료의 공급이 없이 출구 및 베이스 층을 서로에 대해 이동시키는 단계;
    (iii) 출구가 공간들 중 다음의 공간 위에 위치되도록, 출구로부터 핀들의 각각을 해제하고 그리고 출구 및 베이스 층을 서로에 대해 이동시키는 단계; 및
    (iv) 핀들을 생성하도록 단계 (i) - (iii)을 반복하는 단계;를 포함하는, 복합재 물품을 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    섬유 토우들은 플라이들에 위치되고,
    복합재 물품을 제조하는 방법은 플라이들이 각각 배치된 후 공간들에 재료가 배치되도록 단계 (a)를 반복하는 단계를 더 포함하며,
    다음 플라이의 공간에 배치된 재료의 적어도 일부는 이전 플라이의 공간에 배치된 재료와 정렬되고 또 연결되어 플라이들을 통해 연장하는 핀들을 형성하는, 복합재 물품을 제조하는 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    섬유 토우들을 포함하는 플라이들의 스택을 배치하는 단계; 및
    플라이들 중 적어도 일부를 통해 연장하는 핀들을 형성하도록 단계 (a)를 수행하는 단계를 더 포함하는, 복합재 물품을 제조하는 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    섬유 토우들에 대한 핀들의 접합을 향상하기 위하여, 핀들이 형성된 이후의 후처리 단계에서 핀들 및 섬유 토우들을 가열하는 단계를 더 포함하는, 복합재 물품을 제조하는 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    3차원 인쇄를 포함하는 적층 공법을 이용하여 재료를 배치하는 단계를 더 포함하고, 적층 공법을 사용하여 재료를 배치하는 동안에 핀들이 섬유 토우들에 접합되는, 복합재 물품을 제조하는 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    섬유 토우들은 플라이들에 위치되고,
    섬유 토우들은 각각 적어도 2mm의 직경을 갖고 또 열가소성 재료, 유리 섬유, 케블라(kevlar) 및 탄소로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 각각 포함하는 적어도 1000개의 섬유를 포함하며,
    공간들은 각각 적어도 2mm의 직경을 갖고,
    플라이들은 각각 2 내지 10mm의 두께를 가지며,
    핀들은 각각 2 내지 5mm의 두께를 갖고 또 폴리 아미드, 폴리 에테르 케톤, 폴리 에테르 에테르 케톤, 폴리 에테르 케톤 케톤, 폴리 이미드, 폴리 에테르 이미드, 폴리 페닐 술폰 및 이들의 하이브리드로부터 선택된 적어도 하나의 열가소성 재료를 포함하며,
    핀들은 각각 1 내지 3mm의 길이를 가지며,
    복합재 물품은 10mm 내지 1 미터의 총 두께를 갖는, 복합재 물품을 제조하는 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    핀들 중 적어도 하나의 핀은 길이를 따라 주름진 표면을 갖는, 복합재 물품을 제조하는 방법.
  21. 통합형 항공기 구조물로서,
    스킨;
    제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 복합재 물품을 포함하는 보강재; 및
    스킨과 보강재 사이의 계면;을 포함하고,
    보강재의 복합재 물품은 계면에 인접하여 위치되는, 통합형 항공기 구조물.
  22. 통합형 항공기 구조물로서,
    스킨;
    보강재; 및
    스킨과 보강재 사이의 계면;을 포함하고,
    계면은 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 복합재 물품을 포함하는, 통합형 항공기 구조물.
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