KR20030005051A - 비틀림이 최소화된 3차원 직조 프리폼 - Google Patents

Abstract

강화 복합재료용 직물 프리폼이 개시된다. 위의 직물 프리폼은 편형하게 직조되어 원하는 형상으로 접힐 수 있다. 이때 접힌 곳에서의 섬유들은 접힘(folding)을 보상하도록 직조되어 있다.

Description

비틀림이 최소화된 3차원 직조 프리폼{Minimum distortion 3D woven preforms}

본 발명은 강화 복합재료용 직조 프리폼(woven preform)에 관한 것으로서, 편평하게(flat) 직조될 수 있고, 섬유에 바람직하지 않은 비틀림(distortion)을 야기하지 않고 최종 형상으로 접힐(folded) 수 있는 직조 프리폼에 관한 것이다.

구조 구성재(structural component)를 생산하기 위한 강화 복합재료의 사용은 현재 널리 보급되어 있는데, 특히 중량이 가볍고, 강하고, 강인하고, 열적으로 저항력이 있고, 자기지지력이 있으며, 또한 성형용이성이 요구되는 분야에서 특히 그러하다. 그러한 구성재는, 예를 들면 항공분야, 우주선 분야, 위성 분야, 배터리 분야, 레저 분야(레이싱 보트 및 자동차) 및 기타 분야에서 사용된다.

통상적으로 그러한 구성재는 매트릭스 재료에 묻힌(embeded) 강화재료로 이루어져 있다. 상기 강화 구성재는 글래스, 카본, 세라믹, 아라미드(예를 들면, 상품명 "KEVLAR"), 폴리에틸렌, 및/또는 바람직한 물리적, 열적, 화학적 및/또는 기타 바람직한 특성(그 중에서 주요한 것은 응력 파괴(stress failure)에 대한 큰 저항력이다)을 나타내는 재료와 같은 재료로부터 제조될 수 있다.

궁극적으로 완성된 구성재의 하나의 구성요소가 되는 그러한 강화재료의 사용을 통하여, 매우 큰 강도와 같은 상기한 강화재료의 바람직한 특성이 완성된 복합 구성재에 부여된다. 상기 구성 강화재료는 통상적으로 직조되거나, 편직되거나 또는 그렇지 않으면 강화 프리폼에 바람직한 구조와 형상으로 배향될 수 있다. 보통, 선택된 구성 강화재료의 특성을 최적으로 이용하는 것을 보장하기 위하여 특별한 주의가 기울여진다. 보통 그러한 강화 프리폼은 매트릭스 재료와 결합되어 소망되는 최종 구성재를 형성하거나 또는 궁극적으로 최종 구성재를 위한 사용 재료(working stock)를 생산하게 된다.

바람직한 강화 프리폼이 건조된 후, 매트릭스 재료가 프리폼에 또는 프리폼의 내부에 도입될 수 있으며, 이에 의하여 통상적으로 강화 프리폼은 매트릭스 재료내에 넣어지며, 매트릭스 재료는 강화 프리폼의 구성 요소의 사이의 간극 영역을 메운다. 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 카본 및/또는 마찬가지로 바람직한 물리적, 열적, 화학적 및/또는 기타 바람직한 특성을 나타내는 다른 재료와 같은 임의의 다양한 재료일 수 있다. 매트릭스로 사용되도록 선택된 재료는 강화 프리폼의 그것과 같거나 같지 않을 수 있으며, 또한 필적하는 물리적, 화학적, 열적 및/또는 기타 바람직한 특성을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 그러나, 통상적으로 매트릭스 재료는 동일한 재료는 아니거나 또는 필적하는 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 특성을 갖지는 않는다. 왜냐하면, 우선 무엇보다도 복합재료를 사용하는 통상적인 목적은 하나의 구성 재료만을 단독으로 사용하여서는 얻을 수 없는 특성의 조합을 최종 생산품내에서 얻는 것이기 때문이다. 위와 같이 결합된 후, 강화 프리폼과 매트릭스 재료는 열경화 또는 다른 공지의 방법에 의하여 동일한 공정에서 경화되고 안정화될 수 있으며, 이어서 소망되는 구성재를 생산하기 위하여 다른 공정을 거친다. 이 시점에서 위와 같이 경화되어 고화된 매트릭스 재료의 매스는 보통 매우 강하게 강화재료(예를 들면, 강화 프리폼)에 접착되는 점에 주목하는 것이 중요하다. 그 결과, 최종 구성재 상의 스트레스, 특히 섬유사이에서 접착제로서 작용하는 매트릭스 재료를 통한 스트레스는 효율적으로 강화 프리폼의 구성 재료에 전달되어 이에 의하여 지탱될 수 있다.

자주, (본질적으로) 플레이트, 쉬트, 직사각형 또는 정사각형 고체 등과 같은 단순한 기하학적 형상 이외의 다른 구조의 구성재를 생산하는 것이 소망된다.이를 달성하기 위한 하나의 방법은 기본적인 기하학적 형상을 소망되는 더욱 복잡한 형상으로 결합시키는 것이다. 그러한 하나의 통상적인 결합은, 위에서 설명한 바와 같이 제조된 강화 프리폼을 서로에 대하여 비스듬히(통상적으로는 직각으로) 연결하는 것에 의하여 이루어진다. 상기 연결된 강화 프리폼의 각을 이룬 배열의 통상적인 목적은, 소망되는 형상을 창조하여 하나 또는 그 이상의 말단벽(end wall) 또는 예를 들면 "T" 교차점을 포함하는 강화 프리폼을 형성하거나, 또는 압축력 또는 인장력과 같은 외력에 노출되었을 때의 변형 또는 파괴에 대하여 상기 결과로서 얻어지는 강화 프리폼의 결합체 및 이것이 낳는 복합 구조물을 강화하는 것이다. 어떠한 경우에 있어서도, 관계된 고려사항은 구성하는 구성재 사이의 각 접합부(juncture)가 가능한 한 강하게 만드는 것이다. 강화 프리폼 구성재 그 자체의 상기 소망되는 매우 큰 강력 때문에, 상기 이음매의 취약성은 사실상 구조 "체인"내에서 "약한 링크(weak link)"가 된다. 교차하는 구조(intersecting configurations)의 하나의 예가 미국특허 6,103,337호에 개시되어 있는데, 상기 특허명세서는 인용에 의하여 여기에 통합된다. 상기 미국특허는 두개의 강화 플레이트를 T자형으로 함께 연결하는 효과적인 수단을 개시한다.

상기와 같은 이음매(juncture)를 만들기 위하여 다양한 다른 제안들이 과거로부터 행하여져 왔다. 서로 분리된, 패널 요소 및 각이 진 보강 요소(angled stiffeninf element)를 형성하여 경화시키는 것이 제안되었는데, 이때 후자는 단일의 패널 접촉 표면을 갖거나 또는 한 말단에서 두 갈래져서 2개의 분기된 동일평면(co-planar)의 패널 접촉 표면을 형성한다. 이어서 상기 보강 요소의 패널접촉 표면(들)을 상기 다른 구성재의 접촉 표면에 열경화성 접착제 또는 다른 접착재료를 사용하여 접착식으로 본딩함으로써 두 구성재는 연결된다. 그러나, 상기 경화된 패널 또는 복합 구조물의 스킨에 인장력이 작용할 때, 받아들일 수 없을 정도로 낮은 하중이, 상기 보강 요소를 상기 패널로부터 그들의 경계면에서 분리시키는 "박리(peel)"력이 된다. 이는 상기 이음매의 유효 강력(effective strength)은 매트릭스 재료의 강력이지, 접착제의 그것이 아니기 때문이다.

그러한 구성재의 경계에서 금속 볼트 또는 리벳을 사용하는 것은 받아들일 수 없는데, 이는 그러한 부가에 의하여 적어도 부분적으로 복합 구조물의 일체성을 파괴하거나 약화시키고, 중량을 증가시키고, 또한 그러한 구성요소들과 주위의 재료 사이의 열팽창계수가 달라지게 하기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 다른 접근방법은, 구성요소의 하나를 다른 구성요소에 바느질하여 재봉사가 접합 사이트내 및 이를 가로질러서 강력섬유를 도입하도록 하는 것과 같은 방법의 사용을 통하여 이음매 영역(joint area)을 가로질러 고강력섬유를 도입하는 개념을 기초로 하고 있다. 그러한 하나의 접근방법이 미국특허 4,331,495호 및 이와 분할 출원관계에 있는 방법발명에 대한 미국특허 4,256,790호에 개시되어 있다. 이들 특허는 접착식으로 본딩된 섬유 가닥들로 만들어진 제1 및 제2 복합 패널 사이에 만들어진 접합부를 개시한다. 상기 제1 패널은 한 말단에서 두 갈래져서 상기 종래 기술과 같은 방식으로 2개의 분기된 동일평면의 패널 접촉 표면을 형성하며, 상기 접촉 표면은 양 패널에 걸쳐서 미경화 플렉서블 복합사(composite thread)를 바느질하여 상기 제2 패널에 연결되어 있다. 이어서 상기 패널들과 실은 공동경화(co-cure)된다. 즉, 동시에 경화된다.

접합 강력(junction strength)을 개선하기 위한 다른 방법은 미국특허 5,429,853호에 개시되어 있다.

종래기술이 강화된 복합재료의 구조적 일체성을 개선하는 것을 추구하여 왔고, 특히 미국특허 6,103,337호의 경우에는 성공을 달성하였지만, 접착제 또는 기계적 결합(mechanical coupling)의 사용과는 다른 방법을 통하여 구조적 일체성을 개선하거나 상기 문제점을 해결하고자 하는 욕구가 존재한다. 이러한 관점에서, 특수한 기계에 의하여 3차원("3D") 직물구조물을 형성하는 것이 하나의 방법이 될 수 있다. 그러나, 이와 관련된 비용은 막대하고 또한 단순한 구조를 형성하기 위한 직조기를 갖는 것은 바람직하지 않다.

다른 접근방법은 2차원("2D") 구조물을 직조하고 이를 원하는 형상으로 접는 것이 될 것이다. 그러나, 이는 통상적으로 상기 프리폼이 접힐 때 비틀어진(distorted) 부분을 낳는다. 직조된 대로의 섬유의 길이가 프리폼이 접혔을 때에 섬유가 그러해야 할 길이와 다르기 때문에 상기 비틀림이 발생한다. 이에 의하여 직조된 상태에서의 섬유 길이가 너무 짧은 영역에서는 움푹 들어간 곳(dimple) 및 잔물결(ripple)이 야기되고, 섬유길이가 너무 긴 영역에서는 굽어진 곳(buckle)이 야기된다. 이러한 비틀림(distortion)은 바람직하지 않은 표면 이상을 일으키고, 구성재의 강력(strength)과 강성(stiffness)을 감소시킨다. 이러한 것은 커팅과 다팅(darting)에 의하여 경감될 수 있지만, 이러한 공정은 노동력이 많이 소요되거나 또는 프리폼의 일체성을 손상시키기 때문에 바람직하지 않다.

상기한 바와 같이, 섬유 강화 복합재료 구성재로 가공될 수 있는 3D 프리폼은 2D 적층 복합재료에 비하여 증가된 강력을 제공하기 때문에 바람직하다. 이러한 프리폼은 복합재료가 평면에서 벗어난 하중(out-of-plane loads)을 지탱하는 것이 요구되는 응용분야에서 특히 유용하다.

따라서, 다른 대안적 접근방법 및/또는 3D 프리폼을 형성하는 개선된 방법 및/또는 강화 복합재료 구조물을 제공하는 3D 프리폼에 대한 필요가 존재한다.

따라서, 본 발명의 주요한 목적은 현존하는 프리폼 및/또는 지금까지 입수가능한 강화 복합재료 구조물에 대한 대안 및/또는 개선이 되는 디자인의 3D 프리폼을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 프리폼을 구성하는 섬유의 비틀림(distortion)없이 원하는 형상으로 접힐(folded) 수 있는 3D 프리폼을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 T자형 강화 복합재료를 성형하는 데 특히 유용한 3D 프리폼을 제공하는 데 있다.

도 1a 및 1b는 각각 강화 복합재료용 프리폼으로서 사용되는 직물의 직조된 상태에서의 측면 단면도 및 접힌 상태에서의 측면 단면도이다.

도 2a 및 2b는, 본 발명의 가르침을 수용한 것으로서, 각각 강화 복합재료용 프리폼으로서 사용되는 직물의 직조된 상태에서의 측면 단면도 및 접힌 상태에서의 측면 단면도이다.

도 3a 및 3b는, 본 발명의 가르침을 수용한 것으로서, 가지각색의 길이를 갖는 복수개의 위사섬유들을 나타내는 직물의 직조된 상태에서의 측면 단면도 및 접힌 상태에서의 측면 단면도이다.

도 4a 및 4b는, 본 발명의 가르침을 수용한 것으로서, 다른 구조를 갖는 직물의 직조된 상태에서의 측면 단면도 및 접힌 상태에서의 측면 단면도이다.

상기한 목적과 다른 목적 및 다른 장점은 편평(flat)하게 직조될 수 있고, 수지를 함침시키기 전에 섬유에 바람직하지 않은 비틀림(distortion)을 야기하지 않고 최종 형상으로 접힐(folded) 수 있는 직조 프리폼을 제공하는 것에 의하여 달성된다. 이는 제직 동안에 어떤 영역에서는 너무 짧고 다른 영역에서는 너무 길게 되도록 섬유의 길이를 조정함으로써 달성된다. 이어서, 프리폼이, 접힌 곳에서 매끄러운 전이(smooth transition)를 제공하는 형상으로 접힐 때, 섬유는 균등화(equalized)된다. 이 테크닉은, 특히 T자형 직조 프리폼(woven preform)을 성형하는 데 적합하지만, 다양한 형상에 이용될 수 있다. 또한, 직조 프리폼에 대하여 언급하였지만, 편조(braided) 또는 바느질 본딩된(stitched bonded) 것과 같은 부직포(non-wovens)에도 응용될 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자에게 분명할 것이다.

따라서, 본 발명에 의하여 그 목적 및 장점이 실현될 것이며, 본 발명의 설명은 첨부된 도면과 관련하여 이해되어야 한다.

이제, 유사한 부분은 유사하게 번호붙여질 첨부 도면을 더욱 자세하게 참조하면, 도 1a에는 위사 섬유(도해 목적을 위하여 12A, 12B, 12C) 및 경사 섬유(14)를 포함하는 직물(10)이 도시되어 있다. 그러나, 상기한 바와 같이, 상기 직물은 통상적으로 항공 분야에서 사용되는 탄소 섬유 또는 탄소계 섬유와 같은 다양한 재료로 만들어 질 수 있다.

도 1a 및 1b에 도시된 것은 원하는 형상으로 접힐 수 있는 직조 프리폼을 형성하는데 있어서 전통적인 접근이라고 생각될 수 있다. 이러한 관점에서, 조직으로부터 하부 4열의 경사 섬유들(14)이 없는 공간(16)이 상기 직물에 제공된다. 이는 도 1b에 도시된 바와 같이 직물(10)의 인접한 부분 또는 레그(18, 20)가 직물(10)에 대하여 직각으로 접힐 수 있도록 하기 위한 것이다.

그러나, 이에 의하여 다음과 같은 문제점이 발생한다. 즉, 편평하게 직조되었을 때나 또는 접혔을 때 위사 섬유(12A, 12B, 12C)의 길이는 동일하기 때문에,접혔을 때 섬유(12B)가 너무 짧은 영역(22, 24)에서는 움푹 들어간 곳(dimple) 및 잔물결(ripple)을 야기하고, 위사 섬유(12C)가 너무 긴 영역(26, 28)에서는 굽어진 곳(buckle)을 야기한다. 영역(22, 24)의 움푹 들어간 곳(dimple) 및 잔물결(ripple)은 접혔을 때 너무 짧은 위사 섬유(12B)가 경사 섬유를 아래방향으로 잡아 당기기 때문에 생긴다. 영역(26, 28)에서, 위사 섬유(12C)는 접혔을 때 너무 길기 때문에, 이들 섬유는 바깥방향으로 굽어진다(buckle). 이러한 현상이 바람직하지 않은 표면 이상을 일으키고, 구성재의 강력(strength)과 강성(stiffness)을 감소시킨다.

이제 도 2a 및 2b를 참조하면, 유사한 부분은 유사하게 번호붙여져 있다. 도 2a에서 알 수 있듯이, 위사 섬유(12B')는 단지 도해를 위한 목적으로만 도시되어 있다. 직조된 상태(도 2a에 도시)와 접힌 상태(도 2b에 도시)의 섬유 길이의 차이 때문에, 상기 섬유길이는 영역(30)에서는 너무 짧게 직조되고, 영역(32)에서는 너무 길게 직조된다. 이러한 길이 차이는 프리폼이 원하는 형상으로 접혔을 때 같아져서, 소망되는 길이가 얻어진다. 도 2b는 접혔을 때 "파이"자형 단면을 갖는 프리폼의 통상적인 섬유 경로를 나타낸다. 섬유(12B')는 영역(30)에서는 너무 짧게 되고 영역(32)에서는 너무 길게 되는 경로(path)로 의도적으로 직조된다. 이에 의하여 짧은 부분에서 인장력이 야기되는데, 상기 인장력은 "파이"자형 형상으로 접혔을 때 긴 부분의 끌어들임(drawing in)을 야기하여, 양 쪽에서의 섬유(12B') 길이는 접힌 부분에서 같아지고 적당해지며, 상기한 비틀림(distortion)과 굽어진 곳(buckle)을 회피한다.

물론, 도 2a 및 2b는 단지 하나의 섬유(12B)만을 사용하는 것을 나타내는 기본개념을 도시한다. 프리폼의 길이를 따라서 동일한 섬유경로를 가질 많은 섬유가 있을 것이다. 또한, 앞으로 논의되는 바와 같이, 조직에서의 그들의 위치에 따라서 필요로 하는 다른 길이를 제공하도록 동일한 방식으로 직조되는 추가적인 위사 섬유들이 있을 것이다.

이제 도 3a 및 3b를 참조하면, 각각 직조된 상태의 직물(10)과 파이자형 프리폼으로 접힌 상태의 직물(10)이 도시되어 있다. 상기 프리폼 형상은 도해의 목적만을 위한 것이다. 왜냐하면, 본 발명은 본 기술분야의 당업자에게 명백한 바와 같이 많은 형상에 대하여 적용될 수 있기 때문이다.

도시된 바와 같이, 파이자형 프리폼의 직물(10)의 상부 부분(34)은 경사 섬유(14)들 및 일반적으로 참조부호 12'로 지칭되는 위사 섬유(12')들의 층들을 포함한다. 파이자형 프리폼의 레그 부분(36, 38)은 유사하게 경사 섬유(14)들 및 위사 섬유(12)들의 층들을 포함한다. 앞의 예에서 그러한 바와 같이, 직물(10)은 목적에 적합하도록 소망되는 조직패턴(예를 들면, 주자직(satin) 등)으로 직조된다. 또한, 바로 앞선 예에서와 같이, 본 발명은 편평한 직물로부터 접힌 상황으로 이행할 때 통상적으로 발생하기 마련인 비틀림(distortion) 및 굽어짐(buckle)을 제거하기 위한 것이다.

도 3a에서 알 수 있는 바와 같이, 조직에서의 그들의 위치에 따라서, 상기 위치는 섬유 경로(fiber path)를 결정할 것이다. 예를 들면, 위사 섬유(40)은 공간(16)의 양쪽에서 동일한 길이이며, 섬유(42)는 도 3a의 좌측면에서는 너무 길고 우측면에서는 너무 짧다. 유사하게, 섬유(44)는 좌측면에서는 너무짧고 우측면에서는 너무 길다.

이 때문에, 레그 부분(36, 38)이 도 3b에서와 같이 아래 방향으로 접힐 때, 섬유 길이는 도 2a 및 2b에 대하여 논의된 바와 같은 방식으로 같아진다. 레그 부분(36, 38)및 상부 부분(34) 사이의 공간(16)은 도해 목적상 과장된 것에 주의해야 한다.

이제 도 4a 및 도 4b를 참조하면, T자 형상의 프리폼(50)을 제조하기 위한 레이아웃이 도시되어 있다. 도 4a는 직조된 상태의 직물이고, 도 4b는 접힌 상태의 직물이다.

T자의 상부 부분은 2개의 레그부분(52, 54)로 이루어져 있다. T자의 하부는 부분(56)을 포함한다. 앞의 예에서와 같이, 상기 프리폼은 목적에 적합하게 소망되는 패턴으로 직조되는데, 그러나 본 발명의 장점을 구현하기 위하여 위사 섬유(58)가 변경되어 있다. 이와 관련하여, 섬유(58)은 상부에서는 너무 길고 하부에서는 너무 짧다. 섬유(60)은 상부에서는 너무 짧고 하부에서는 너무 길다. 섬유(62)는 상부와 하부에서 모두 동일한 길이이다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 섬유(58)과 섬유(60)은 상기한 너무 긴 섬유 경로와 너무 짧은 섬유 경로 때문에 앞에서 설명한 바와 같이 거동한다. 이들은 부분(52)와 부분(54)을 서로 연결시키는데 기여한다. 섬유(62)는 부분(52, 54)를 부분(56)과 연결시키는데 기여한다.

본 발명의 모든 프리폼의 경우와 같이, 일단 원하는 형상으로 접히면, 상기프리폼들은 이어서 수지로 함침되거나 코팅되어 소망되는 형상의 복합재료 구조물을 형성한다.

따라서, 본 발명에 의하여 그 목적 및 장점이 실현되며, 바람직한 구현예가 여기에서 개시되고 상세하게 설명되었지만, 본 발명의 범위는 그에 의하여 제한되는 것이 아니며 오히려 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 그것에 의하여 결정되어야 한다.

본 발명의 직물에 따르면, 프리폼을 구성하는 섬유의 비틀림(distortion)없이 원하는 형상으로 접힐(folded) 수 있는 3D 프리폼을 제조할 수 있다.

Claims (6)

1. 3차원 형상을 갖는 구조물 성형하기 위한 2차원 직물에 있어서, 상기 직물은,

   상기 직물의 제1 부분(portion);

   상기 제1 부분에 대하여 접힐 수 있는 상기 직물의 제2 부분;

   상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 연결하는 복수의 섬유; 및

   상기 복수의 연결 섬유에 의하여 정의되는 섬유 경로를 포함하며,

   상기 섬유 경로는 상기 경로 보다 짧게 직조된 섬유의 부분 및 상기 경로 보다 길게 직조된 섬유의 부분을 구비하여, 상기 제2 부분에 대하여 상기 제1 부분을 접었을 때 이 접힘(folding)을 보상하기 위하여 상기 섬유 경로를 따라서 상기 짧게 직조된 섬유가 상기 길게 직조된 섬유의 부분(portion)을 끌어들이는(drawing in) 직물.
2. 제1항에 있어서, 상기 직물은 경사 섬유 및 위사 섬유를 포함하고, 상기 연결 섬유는 위사 섬유인 것을 특징으로 하는 직물.
3. 제1항에 있어서, 상기 직물은 편평하게(flat) 직조되고, 상기 제1 및 제2 부분은 접혀서 3차원 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 직물.
4. 제3항에 있어서, 상기 3차원 형상은 "파이"자 형상 또는 T자 형상인 것을 특징으로 하는 직물.
5. 제4항에 있어서, 상기 직물은 복합재료를 강화하기 위한 프리폼인 것을 특징으로 하는 직물.
6. 제1항에 있어서, 상기 직물은 상기 제1 및 제2 부분에 복수의 직조층들을 구비하고, 복수의 섬유 경로가 상기 제1 및 제2 부분의 상기 직조층들의 다른 직조층들 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 직물.