KR20040055797A - 강화 열가소성 파이프 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

파이프 부재(14)가 선형 방향으로 연속적으로 이동하는 동안 강화 섬유(22, 34, 44)가 비결합 상태에서 파이프 외면(14)에 대해 감기고 계속해서 이동하는 섬유가 감겨진 파이프 부재를 충분히 가열하여 감겨진 섬유와 파이프 부재 사이의 열결합을 야기시키는 신규의 연속적인 프로세스에 의해 섬유 강화 열가소성 파이프 부재(54)가 얻어진다. 연속적인 프로세스를 수행하기 위한 자동화된 장치(10)가 또한 개시된다.

Description

강화 열가소성 파이프 제조 방법 및 장치{REINFORCED THERMOPLASTIC PIPE MANUFACTURE}

콘크리트, 강철 등과 같은 여러가지 유체를 전송하는데 이미 사용된 종래의 물질로 파이프를 제조하는 것과 비교하여, 열경화성 및 열가소성 유기 폴리머로 형성된 파이프 부재(pipe member)의 섬유 강화(fiber reinforcement)는 단위 중량당 높은 강도(strength) 및 강성(stiffness)을 나타내는 것으로 이미 상업적으로 널리 이용되고 있다. 파이프 외면에 일반적으로 감겨지는 연속하는 섬유 필라멘트(continuous fiber filaments)를 갖는 복합 파이프 부재를 제조하기 위한 여러 가지 제조 절차도 널리 공지되어 있다. 일 실시예에 있어서, 열가소성 파이프 또는 결합기 부재가 맨드릴 상에서 회전되고, 동시에 열과 장력을 가하면서 강화용 섬유(reinforcing fiber)가 감겨지는 장력 와인딩 프로세스(tension winding process)가 상업적으로 활용된다. 하부의 열가소성 부재에 대한 와인딩 또는 감기(wraping) 동안의 섬유 장력은 이들 사이에 압축력(compaction force)을 제공하여 열가소성 재료의 외부 표면이 가열에 의해 녹거나 부드러워진 후 섬유의 열 결합을 확고히 한다. 이 프로세스는, 파이프 또는 결합기 부재의 종축(longitudinal axis)에 대해 상대적으로 큰 섬유각(fiber angles), 통상적으로 15도로 제한된다는 점이 발견되었는데, 그 이유는 섬유 장력의 방사 성분이 이 압축력을 제공하기 때문이다. 방사상 압축력(radial compaction force)을 증가시키기 위한 압축 롤러 수단을 사용하여 장력의 와인딩(tension winding)이 증가할 수 있지만, 결과적으로 나타나는 낮은 섬유각은, 감겨지고 있는 연속하는 섬유가 필라멘트 와인딩 프로세스의 재시작을 위해 절단될 수 없기 때문에, 맨드릴의 끝에서 바람직하지 않은 섬유 증대(build-up)로 나타나게 된다. 상기 장력 와인딩 프로세스동안 맨드릴을 회전시키고 상대적으로 높은 압력을 적용해야 하는 또 다른 필요에 의해, 강하고 비싼 맨드릴과 상당한 맨드릴 핸들링 수고가 함께 요구된다. 강화 플라스틱 파이프 부재의 제조를 위한 다른 제조 프로세스에 있어서, 열경화성 에폭시 수지 매트릭스의 연속하는 유리 섬유가 활용된다. 또 다른 제조업체는 강화 재료로 이루어진 여러 외부층에 의해 둘러 싸인 내부층으로서 열가소성 파이프 부재를 갖는 강화 열가소성 파이프 구성을 제조한다. 예를 들면, 한 제조업제는 열가소성 라이너를 에폭시 수지 매트릭스의 섬유유리층(fiberglass layer)으로 둘러싸고, 그 위에 유기 폴리머 매트릭스를 포함하는 또 다른 섬유 재료로 이루어진 외부 보호층을 제공한다. 열가소성 파이프 부재의 강화에 열경화성 폴리머를 사용하는 것은 종종 부가적인 제조 문제점을 유발한다. 이들 폴리머에 필요한 경화는 오염과 시간 지연을 야기시키며 이들 재료는 재활용이 불가능하다.

다른 복합 강화 열가소성 파이프 구성이 미국 특허 제4,850,395에 개시되어 있다. 이 특허에 개시된 바와 같이, 열가소성 재료의 코어 부재는 내부 아라미드 섬유층으로 감겨지고 동시에 또 다른 테이프 및 메탈 외부층으로 피복된다. 이러한 최종 제품은 제조하기가 성가시고 비용이 비쌀 것이다는 것을 알 수 있을 것이다. 미국 특허 제 4,469,138호에는, 시작 폴리머 조성에 별개의 탄소 섬유를 단순히 혼합하는 것에 의해 강화되는 폴리프로필렌 파이프(polypropylene pipe lengths)가 개시되어 있다. 결과적으로 생성되는 제품에서는, 연속하는 섬유 강화에 제공되는 기계적 강도가 부족하고 파이프 부재가 사용될 때 적용되는 응력을 견디는데 있어서 최대의 효율성을 위해 연속하는 섬유를 소정의 공간 방향으로 배향하는 능력이 부족하게 된다. 후자의 관점에서, 강화 열가소성 파이프 부재에서의 연속하는 섬유 성분의 제어된 배향은, 활용되는 섬유 재료가 파이프 부재를 형성하는 열가소성 폴리머보다 일반적으로 더 강하기 때문에, 상기와 같은 최대의 효율성을 위해 섬유 배치가 고정되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 섬유 강화 최종 제품은, 상기 강화 파이프 부재에 감겨질 때 외부 응력의 방향에 대한 감겨지는 섬유의 공간 방향만큼 강하게 된다. 따라서, 섬유 강화 파이프 부재가 내부 유체 압력에 의해 섬유 배치 방향으로 응력을 받게 되면, 가해지는 부하는 포함된 섬유에 의해 주로 견뎌지게 되고 상기 파이프 부재의 강도는 최대값에 있게 된다. 역으로, 복합 부재가 섬유 방향에 대해 수직 방향으로 응력을 받게 되면, 인가된 힘은 주로 폴리머 파이프 부재에 의해 반드시 저항을 받을 것이고 그 결과 파이프 강도는 최소가 된다. 이러한 고려와 인지되는 쉘이론(shell theory) 계산을 활용하여 파이프가 사용되는 동안예측되는 응력을 더 분석하는 것으로부터, 본 섬유 강화 열가소성 파이프 부재의 어떤 설비는 후프(hoop) 방향으로의 섬유 배향을 나타내는 것이 결정되고, 반면 유사하지 않은 파이프 설비는 강화 파이프 부재의 종축에 대해 더 작은 각으로 섬유 방향이 배향될 필요가 있음이 결정된다.

열가소성 파이프 부재의 강화를 위한 또 다른 방법은 미국 특허 4,347,090호에 개시되어 있는데, 이 목적을 위해 파이프 부재에 대해 덧대는 편물 슬리브(fabric sleeve)를 활용한다. 이 방법에 의하면, 내부 라이너는 액체로 채워지고 그 다음 가열에 의해 확장되며 또한 위쪽의 유리 편물층(glass fabric layer)과의 열결합을 위해 부분적으로 용해된다. 열경화성 수지가 함유된 유리 천을 포함하는 가장 바깥쪽 층이 강화를 완성한다. 이러한 최종 제품과 그 제조 방법은 복잡하고 고가이다.

미국 특허 4,770,442호에는, 합성 수지 파이프를 서로 결합하기 위해 활용되는 보다 복잡한 전기용해형 결합기가 개시되어 있다. 상기 결합기 부재는 원통형 열가소성 슬리브를 포함하는데, 이것은 내면에 인접하게 배치된 메탈 가열 배선을 포함하며 외면은 열가소성 슬리브 재료의 열팽창보다 낮은 열팽창을 나타내는 재료 조성으로 형성된 와인딩 또는 커버링으로 강화된다. 이러한 강화는 이 수단에 의해 서로 결합되는 파이프의 상기 부재의 후속하는 열결합동안 복합 슬리브의 임의의 바깥 방향의 방사상 팽창을 제한하는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 일반적으로 섬유 강화 열가소성 파이프(fiber reinforced thermoplastic pipe lengths)의 제조에 관한 것으로, 특히 이들 제품을 제조하기 위한 신규의 연속하는 처리 수단에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 섬유 강화 열가소성 파이프 부재의 연속적인 제조에 활용될 수 있는 전형적인 처리 장치를 도시하는 개략도.

도 2는 도 1의 처리 장치를 위한 대표적인 자동 제어 수단을 나타내는 개략도.

따라서, 본 발명의 중요한 목적은 연속적인 방식으로 열가소성 파이프 부재의 섬유 강화를 위한 보다 효율적인 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 중요한 목적은 사용동안 나타나게 되는 인가되는 응력에 더 잘 대응하도록 섬유 배치가 물리적으로 내부에 통합된 신규의 섬유 강화 열가소성 파이프 부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 중요한 목적은 섬유 강화 열가소성 파이프 부재의 연속적인 제조를 위한 신규의 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 중요한 목적은 섬유 강화 열가소성 파이프 부재의 연속적인 제조를 위한 신규의 장치 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 목적은 하기의 본 발명의 상세한 설명을 통해 더욱 명확하게 될 것이다.

열가소성 파이프의 섬유 강화는, 놀랍게도, 파이프 부재와 감겨질 때의 섬유 사이의 종래의(customary) 상대적 회전을 반대로 하는 것에 의해 연속적인 방식으로 보다 효율적으로 수행될 수 있음이 밝혀졌다. 특히, 본 발명의 처리 절차는 파이프를 회전없이 선형 방향으로 연속적으로 이동시키고, 동시에 상기 이동하는 파이프 부재의 외면에 대해, 비결합 상태의 유기 폴리머, 세라믹, 메탈, 및 탄소로 이루어진 그룹에서 선택된 재료 조성으로 형성된 다수의 연속적으로 나란히 배치된 강화 섬유를 소정의 공간 방향으로 감고, 그 후, 상기 섬유가 감겨진 파이프가 동일한 방향으로 계속 이동하는 동안 강화 섬유와 파이프 외면 사이의 열결합을 충분히 야기시키기 위해 섬유가 감겨진 파이프를 가열한다. 상기 섬유 강화에 대해 증가된 기계적 강도를 부여하기 위해서는, 본원에서 이미 언급된 감겨진파이프(wrapped pipe lengths)의 최종 용도에 따라 특정 공간 방향으로 배향된 섬유를 통해 섬유 배치가 수행되어야만 한다. 이에 따르면, 섬유는 파이프에 대한 후프 방향으로 감길 수 있고 상기 파이프의 종축에 대해 더 작은 또는 중간 각도로 감길 수 있다. 또한, 최종 제품이 주변 환경 또는 기계적 손상에 노출되는 것을 보호하는 보호물로서 기능하도록 감겨지는 하나 이상의 오버랩(overwraps)을 포함하기 위해서, 본 처리 절차에 따라 강화 섬유의 복수의 랩(wrap)이 연속적으로 감겨질 수 있다. 유사하게, 개개의 섬유 랩을 상이한 공간 방향으로 연속적으로 감는 것이 본 처리 절차에 따라 예기되는데, 개개의 랩은 모두 단일의 가열 단계를 통해 배치 이후 하부의 열가소성 파이프 부재와 결합된다. 본 처리 절차는 맞댄 용점(butt-welding), 접착 결합 등과 같은 종래의 수단을 활용하는 것뿐만아니라 다수의 파이프 사이에 존재하는 물리적 접합점만으로 어떻게 해서든 서로 결합되는 것에 의해 연속하는 섬유 배치 이전에 일렬의 구성으로 파이프 끝이 서로 연결된 다수의 파이프를 통해 유사하게 수행될 수 있다. 파이프 부재를 형성하는 본 조성 구성의 적절한 열가소성 유기 폴리머 재료는 고밀도 폴리에틸렌과 중간 밀도의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 황화물, 폴리에테르케톤케톤(polyetherketoneketone), 폴리아미드, 폴리아미드이미드 및 폴리비닐리덴 디플루오르화물(polyvinylidene difloride)를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 유사하게, 세라믹, 메탈, 탄소, 아라미드 및 파이프가 사용되는 온도 이상의 연화 온도(softening temperature)를 갖는 다른 폴리머 섬유 및 E 타입과 S타입 글래스와 같은 글래스 조성물을 포함하는 아주 다양한 종류의 재료가 본 처리절차의 섬유 강화재로서 적절한 것으로 밝혀져 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

기본적으로, 열가소성 파이프 또는 파이프들의 외주(outer periphery)에 대해 비결합 상태에서 감겨진 후 연속하는 섬유의 본 발명의 열결합은 감겨진 섬유와 상기 파이프 부재의 외면 사이의 동작적인 협력을 포함한다. 연속하는 강화 섬유가 내부에 결합된 선택된 예비 성형 테이프(selected preformed tape)에서 매트릭스 조성물로서 기능하는 임의의 열가소성 폴리머 재료와 열가소성 파이프 부재의 외면 사이의 열결합 단계 동안 연화 또는 용해 동작이 발생한다. 이런 식으로, 감겨진 섬유는, 상기 파이프 외면을 용해할 때 발생하는 것과 같이 본 방법에서 섬유가 감겨진 파이프 부재가 가열될 때 연화된 또는 용해된 열가소성 폴리머로 파이프 부재에 물리적으로 결합된다. 본 가열 단계는 또한 가열시 파이프 부재의 상당한 방사상 팽창을 나타내고 이것은 감겨진 섬유의 파이프 외면에 대한 물리적 접착을 더 촉진시킨다. 이렇게 함에 있어서, 열가소성 파이프 폴리머에 대한 열팽창 계수보다 낮은 선택된 섬유 재료에 대한 열팽창 계수를 갖는 것에 의해 주어지는 최대의 이점을 가지고 방사상 압축 또는 압축력이 결합된 구성 요소 사이에서 생성된다. 본원에서 정의된 섬유 강화 방법은 아주 다양한 섬유 재료가 이미 언급된 바와 같이 선택되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 강화 섬유 재료는, 선택된 열가소성 파이프 폴리머보다 기계적으로 더 딱딱하고 사용되는 동안 열가소성 파이프 부재의 사용 온도(service temperature)보다 더 높은 유리 천이 또는 용해 온도를 갖는 한, 상기 언급된 클래스의 적절한 재료로부터 선택될 수 있다. 선택된 폴리머 섬유는 연속하는 베어 필라멘트(bare filaments)를 포함하고 폴리머에 의해 젖을 수 있는 연속 섬유는 가열동안 상기 언급된 압축 영역에서 용해되어 흐른다. 적절한 예비 성형 연속 섬유 재료 또는 열가소성 폴리머로 형성된 매트릭스를 갖는 프리프레그(prepreg; 수지 침투 가공재) 테이프의 선택을 위해, 상기 매트릭스 폴리머는, 선택된 파이프 폴리머의 연화 온도 이하의 연화 또는 용해 온도를 갖도록 선택되는 것이 바람직하다.

열가소성 파이프 외면에 감겨진 섬유 강화를 연속적으로 결합하기 위해 임의의 적절한 가열원이 본 방법에서 사용될 수 있다. 예견되는 열원은 불활성 가스, 산화 가스 및 환원 가스와 그 혼합물, 적외선 패널과 집속 적외선 수단과 같은 적외선 가열원, 가열 롤러, 벨트 및 슈 장치와 같은 유도 가열원, 전기 저항 가열원, 레이저 가열원, 마이크로파 가열원, RF 가열원, 플라즈마 가열원 및 초음파 가열원을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 외부 화염 열원은 높은 에너지 밀도를 갖는 경제적인 가열을 제공하며 가스 버너 또는 버너들이 섬유가 감겨진 열가소성 파이프 부재의 외주면을 둘러싸도록 적절히 설계되도록 한다. 본 방법에서 연속하는 가열 단계의 활용은, 처리되고 있는 재료의 용융을 방지하는 냉각 수단 또는 빠른 반응성 가열 장치와 같이 프로세스 인터럽션의 경우에 동작적으로 관련되는 보조 장치 수단을 더 고안할 수 있다. 또한, 상기 열가소성 파이프 부재의 외면에 감겨진 강화 섬유를 연속적으로 열결합하는 본 방법이 또 다른 방식으로 수정될 수 있다. 따라서, 본 방법을 수행함에 있어서 유익한 것으로 판정된 상기 언급된 압축력을 생성하기 위해서, 이미 가열된 섬유가 감겨진 열가소성 파이프 부재를 가압하도록 회전가능하게 장착된 롤러 부재가 활용될 수 있다. 이러한 압축 롤러는 수행되는 프로세스 요구 사항과 최종 제품에서 요구되는 물리적 특성에 따라 본 발명에서 냉각되거나, 가열되거나 또는 주변 환경 온도로 유지될 수 있다.

상기 언급된 바와 같이, 본 연속 방법은 시작 및 종료 둘 다와 가능하다면 프로세스 인터럽션동안 수행되는 설비를 반드시 더 포함한다. 본 처리 절차의 바람직한 시작은 여러 가지 방식으로 수행될 수 있는데 단일의 열가소성 파이프 또는 다수의 파이프를 가지고 시작하여 적절한 섬유 와인딩 수단으로 상대적으로 일정한 속도로 이들 부재에 연속하는 선형 이동을 제공하는 것을 포함한다. 연속하는 열가소성 파이프는 종래의 사출성형기 수단을 활용하여 적절하게 제공될 수 있고, 동시에 동작적으로 관련된 섬유 와인딩 수단으로의 별개의 파이프의 제공은 별개의 파이프를 일렬 구성으로 물리적으로 단순히 서로 접합하고 각각의 파이프 끝을 서로 녹이거나 용해하는 것을 예비적으로 포함할 수 있다. 공지의 무빙 벨트 구동 메커니즘과 모터 구동 롤러를 포함하는 종래의 수단이 프로세스동안 상기와 같은 방식으로 열가소성 파이프 부재의 연속적인 이송에 대해 활용될 수 있다. 적절한 시작은 종래의 클램핑 또는 접착 결합 수단으로 처리되는 제 1의 이동 열가소성 파이프 부재의 외면에 초기의 연속적인 섬유를 물리적으로 고착시키는 것을 선택적으로 포함할 수도 있다. 상기 상술된 방식으로 감겨진 강화 섬유의 연속적인 열결합에 후속하여, 본 방법은 임의의 다른 섬유 배치를 지지하기 위해 활용되는 종래의 컷오프 수단으로 종료될 수 있다. 바람직한 컷오프 수단은 이동하는 파이프 부재 또는 부재들과 동일한 선형 방향으로 이동하는 무빙 커터 장치를 활용할 수 있고 감겨진섬유 강화와 함께 파이프를 절단하는 커터를 포함한다.

본 섬유 강화 열가소성 파이프 부재의 연속적인 제조를 제공하기 위해서 신규의 장치 수단이 활용된다. 기본적으로는, 본 장치는 회전 섬유 제공 수단과의 동작적 관련을 위해 선형 이동 방향으로 파이프를 연속적으로 이송하는 파이프 공급 수단과, 상기 이동하는 파이프의 외면 상에 소정의 공간 방향에서 다수의 나란히 놓여진 강화 섬유 랩(wraps)을 연속적으로 감기 위해 상기 이동하는 파이프의 둘레에 대해 회전하는 섬유 공급 수단, 및 감겨진 강화 섬유 랩과 이동하는 파이프의 외면 사이에 열결합이 연속적으로 형성되도록 하는 가열 수단을 활용한다. 상기 장치는 상이한 섬유 배치 각도에서 연속적인 섬유 랩을 감고, 연속적인 섬유 랩의 감는 방향을 반전하며, 최종 제품에 대한 환경적 또는 기계적 손상에 대한 보호 피복(protective covering)으로서 기능하는 연속하는 섬유 또는 테이프 재료의 오버랩을 감는 것과 같은 여러 가지 목적을 위한 다수의 개별적인 섬유 공급 수단을 더 포함한다. 상기 개별적인 섬유 공급 수단의 바람직한 실시예는 회전식 섬유 또는 테이프 스풀과 동작적으로 관련되는 종래의 원통형 와인더 메커니즘일 수 있다. 본 장치의 파이프 공급 수단은, 이미 언급된 바와 같이, 공지의 무빙 벨트 구동 메커니즘과 모터 구동 롤러 등을 포함하는 종래의 구성일 수 있다. 감겨지는 섬유 또는 테이프 랩의 연속하는 열결합을 위해 이미 언급된 여러 종류의 가열원이 본 장치에서 활용될 수 있지만, 선택되는 열원이 섬유가 감겨진 파이프의 전체 주위에 대해 열을 균일하게 제공하는 것이 바람직하다. 이하 더욱 상세히 설명될 장치의 실시예에 있어서, 활용되는 특정 가열 수단은 섬유가 감겨진 파이프 부재의 전체주위를 둘러싸며 적절히 배치된 내부 가스 버너를 구비하는 원통 형상의 가열기로 구성되는 것이 바람직하다. 섬유가 감겨진 이동하는 파이프 부재를 본원에서 설명된 열 결합 접착의 종료시 하나 이상의 적절한 길이로 절단하기 위한 목적을 위해 예시된 장치 실시예에서 무빙 커터가 또한 활용된다. 상기 예시된 실시예의 전체 장치는 종래의 속도 서보메커니즘 시스템을 활용하는 공지의 로봇식 제어 수단에 의해 자동적으로 동작된다.

도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 섬유 강화 열가소성 파이프 부재를 연속적으로 제조하기 위해 활용될 수 있는 대표적인 처리 장치를 도시하는 개략도이다. 도시된 장치 수단은 본 발명에 따른 상기 연속적인 제조를 위해 활용되는 개개의 프로세스 단계를 또한 도시한다. 상기 결합된 장치와 프로세스 순서도(10)는 먼저 도시된 장치(16)를 통해 일정한 속도로 수평 선형 방향으로 공급되는 베어 열가소성 파이프(14)를 연속적으로 이송시키기 위한 종래의 트랙터 형태의 공급 메커니즘을 활용한다. 베어 파이프 부재(14)는 이동하는 파이프의 외면에 대해 강화 섬유의 제 1의 플라이(ply)를 연속적으로 감싸기 위해 파이프 주위를 둘러싸는 모터 구동회전 드럼 부재(20)를 활용하는 제 1의 원통형 와인더 메커니즘(18)으로 상기 방식으로 나아간다. 강화 섬유는 상기 와인더 메커니즘과 동작적으로 관련되며 상대적으로 일정한 회전 속도로 섬유 재료를 공급하는 회전식 스풀(124)로부터 공급되는 다수의 선택된 연속 길이의 나란히 배치된 섬유를 포함한다. 도면에 또한 도시된 바와 같이, 섬유 강화의 상기 제 1의 랩 또는 플라이는, 드럼 부재(20)의 반시계 방향의 회전에 응답하여 이동하는 파이프의 종축에 대해 소정의 공간 각도로 비결합 상태에서 감겨진다. 본 도면에서 구체적으로 도시되진 않았지만, 예시된 실시예에서 감겨지는 특정 강화 섬유 재료(22)는 열가소성 폴리머 매트릭스에 끼워진 연속하는 길이의 유리 필라멘트로 이루어지고, 또 다른 상업적으로 입수 가능한 유사한 구성의 프리프레그 또는 예비성형된 강화 테이프가 예시된 장치에서 처리에 동일하게 적절한 것으로 간주될 수 있다.

다음에, 초기에 섬유가 감겨진 이동하는 파이프(26)는 동일한 섬유 강화(34)의 제 2의 플라이의 적용을 위해 이미 활용된 동일한 형태의 회전 드럼 부재(30)와 회전식 스풀(32)을 갖는 제 2의 원통형 와인더 메커니즘(28)으로 전송된다. 이렇게 함으로써, 이제, 상기 섬유 강화는 이동하는 파이프의 종축에 대해 이미 활용된 것과는 상이한 소정의 배치 각도로 비결합 상태에서 정렬되고 제 2의 플라이의 상기 배치는 드럼 부재(30)의 시계 방향 회전에 응답한다. 이제 플라이가 두 개인 섬유가 감겨진 파이프(36)는 동일한 회전 드럼 부재(40)와 회전식 스풀(42)을 또한 구비하는 제 3의 원통형 와이터 메커니즘으로 또한 전송되는데, 여기서 열가소성 필름 테이프와 같은 보호 오버랩(46)의 최종 플라이(44)는 섬유를 핸들링 및/또는 환경적 열화로부터 보호하기 위해 이동하는 섬유 강화 파이프 위에 적용된다. 본 도면에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 상기 보호 오버랩은 앞서의 섬유 랩에서 활용된 것과는 반대의 소정의 공간 각도로 감겨지고 드럼 부재는 다시 반시계 방향으로 회전한다. 감겨지는 섬유 강화의 전체적인 기계적 강도를 향상시키는 것이 가능하고 또한 동시에 섬유 강화가 이후 파이프 부재에 열적으로 결합될 때 생성되는 압축력에 보호 오버랩이 부가하는 것을 더 가능하게 한다. 상기 열결합은, 파이프 부재로부터 떨어진 상태에서 파이프 부재를 둘러싸며 상기 개시된 형태의 적절한 가열 소자를 구비하는 공동의 원통(hollow cylinder)으로 구성되는 정지하고 있는 가열 수단(50)으로 전송되는 방금 보호된 섬유가 감겨진 파이프 부재(48)에 의해 연속적으로 수행된다. 본 장치의 실시예의 상기 가열된 챔버의 길이를 통해 일정한 속도로 동일한 선형 방향으로의 파이프 부재의 통과는 파이프 주위의 모든 랩의 열결합을 야기하여 하부의 파이프 외면에 고착되고 개개의 섬유 랩은 감겨지는 공간 방향을 유지한다. 이동 가능한 컷오프 메커니즘(52)은 도시된 장치에서 남아 있는 파이프 구성의 연속 이동을 방해하지 않으면서 이렇게 완성된 섬유 강화 열가소성 파이프를 적절한 길이로 기계적으로 절단한다. 이러한 컷오프 동작은 현존하는 플라스틱 파이프 사출 성형 장치에서 이미 활용되는 것과 같은 여러 가지 공지의 톱 또는 칼 장치에 의해 수행될 수 있다. 도시된 이동하는 컷터는 강화 섬유만이 절단되어야 하는 경우에는 원형 칼을 포함하는 칼 수단을 사용할 수 있지만 전체 섬유 강화 파이프가 나머지 파이프 구성으로부터 제거되는 것이 바람직한 경우에는 톱 장치가 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 이동하는 컷터 메커니즘은 특정한최종 용도의 어플리케이션을 위해 필요하다면 절단된 파이프의 하나 이상의 절단면에 필요에 따른 프로파일을 제공하기 위해 루터(router), 플래너(planar), 또는 챔퍼(chamfer) 수단 등을 더 포함할 수 있다.

도 2에는, 도 1의 처리 장치를 위한 대표적인 자동화 제어 시스템을 형성하는 블록도가 개략적으로 도시되어 있다. 기본적으로, 상기 제어 시스템(60)은 조작자 활성화 인터페이스에 의한 지시에 따라 상기 장치에서 수행되는 파이프 이동과 섬유 감기 동작을 조정하기 위한 종래의 속도형 서보메커니즘을 포함한다. 본 도면에서 활용되는 도면 부호는 상기 장치의 제어되는 소자와 현재 도시된 제어 수단의 소자 사이의 동작적 관련을 나타내기 위해 도 1의 장치의 설명에서 이미 사용된 것과 동일한 부호를 또한 포함한다. 도 2에서 설명된 전체적인 제어 시스템(60)은 공지의 마스터-슬레이브 타입으로 이루어지는데, 트랙터 공급 소자(12)는 마스터 제어 소자로서 동작하고 모든 원통형 감기 소자(18, 28, 및 38)는 슬레이브이다. 이에 따르면, 마스터 및 슬레이브 서보 제어 수단(62) 사이의 속도 또는 속력비는 조작자 인터페이스 소자(66)에서의 설정에 의해 조정되는 도시된 제어 시스템의 메인 제어 소자(64)에 의해 결정된다. 도시된 제어 시스템의 히터 제어 소자(68)는 모든 가열 조건을 자동적으로 처리하고 동시에 도시된 제어 시스템에서의 메인 제어(64) 및 조작자 인터페이스(66) 소자에 장치 동작동안 발견되는 임의의 고장 상태와 프로세스 처리 상태 둘 다를 신호한다. 컷오프 제어(70)는, 만약 사용된다면, 조작자 인터페이스 소자(66)를 통해 확립된 설정을 통해 메인 제어(64)에 의해 시작된다. 도시된 제어 시스템의 나머지 전력 제어 소자(72)는 통상적인 전원(power supply;도시되지 않음)으로부터 도시된 장치로 입력되는 전력을 제어하는 설정을 통해 종래의 방식으로 동작된다.

상기 설명에 있어서, 보다 효율적인 방식으로 섬유 강화 열가소성 파이프 부재를 연속적으로 제조하기 위한 아주 유용하고 신규의 수단이 제공되었다. 본원에서 구체적으로 상술된 것과 동일한 방식으로 생성된 섬유가 감겨진 파이프 부재에 대해 이미 공지된 수정예가 수행될 수 있으며 프로세스 종료 장치 수정예가 이러한 연속적인 제조 절차를 수행하는데 사용될 수 있다. 결과적으로, 본원의 청구의 범위의 진정한 취지와 범위 내에 있으며, 당업자에 의해 고안될 수도 있는 개시된 제조 절차에서의 모든 변형예를 포괄하는 것으로 이해되어져야 한다.

Claims (34)

1. 고체의 열가소성 유기 폴리머 부재로 형성되고, 내면 및 외면을 가지며, 세라믹, 메탈, 탄소, 및 유기 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 재료 조성으로 형성된 다수의 연속하는 나란히 배치된 강화 섬유를 구비하는 섬유 강화 파이프로서,

   상기 다수의 연속하는 나란히 배치된 강화 섬유는 상기 파이프의 외면에 대해 소정의 공간 방향으로 열적으로 결합되며,

   상기 파이프가 선형 방향으로 연속적으로 이동하는 동안, 상기 강화 섬유는 비결합 상태에서 상기 파이프의 외면에 대해 연속적으로 감겨지고, 후속하여 파이프가 동일한 선형 방향으로 계속 이동하는 동안, 섬유가 감겨진 파이프를 충분히 가열하여 이들 사이에 열결합을 야기시키는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
2. 제 1항에 있어서, 상기 강화 섬유의 다수의 랩(wraps)을 구비하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
3. 제 1항에 있어서, 상기 강화 섬유는 후프 방향(hoop direction)으로 감겨지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
4. 제 1항에 있어서, 상기 강화 섬유는 상기 파이프의 종축에 대해 일정한 각도로 감겨지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 파이프는 원통형 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
6. 제 2항에 있어서, 상기 개개의 섬유 랩은 상이한 공간 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
7. 내면 및 외면을 가지며, 동일한 고체 열가소성 유기 폴리머로 각각 형성되고 끝이 서로 결합된 다수의 동일한 섬유 강화 파이프로서,

   상기 결합된 파이프는, 세라믹, 메탈, 탄소, 및 유기 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 재료 조성으로 형성되며 각각의 결합된 파이프의 외면에 대해 소정의 방향에서 열적으로 결합되는 다수의 연속하는 나란히 배치된 강화 섬유를 구비하고,

   상기 결합된 파이프가 선형 방향으로 연속적으로 이동하는 동안, 상기 강화 섬유는 비결합 상태에서 상기 결합된 파이프의 외면에 대해 연속적으로 감겨지고, 후속하여 결합된 파이프가 동일한 선형 방향으로 계속 이동하는 동안 섬유가 감겨진 결합된 파이프를 충분히 가열하여 이들 사이에 열결합을 야기시키는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
8. 제 7항에 있어서, 상기 강화 섬유의 다수의 랩(wraps)을 구비하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
9. 제 8항에 있어서, 상기 개개의 섬유 랩은 상이한 공간 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
10. 제 7항에 있어서, 상기 강화 섬유는 상기 결합된 파이프의 종축에 대해 일정한 각도로 감겨지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 파이프.
11. 내면 및 외면을 가지며 고체 열가소성 유기 폴리머로 형성된 파이프의 강화 방법에 있어서,

    (a) 파이프를 선형 방향으로 연속적으로 이동시키는 단계와;

    (b) 세라믹, 메탈, 탄소 및 유기 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 재료 조성으로 형성된 다수의 연속하는 나란히 배치된 강화 섬유를 비결합 상태에 있는 동안 상기 이동하는 파이프의 외면에 대해 소정의 공간 방향으로 감는 단계; 및

    (c) 상기 파이프가 동일한 선형 방향으로 계속 이동하는 동안 강화 섬유와 파이프 사이의 열결합을 야기시키기 위해 섬유가 감겨진 파이프를 충분히 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 열결합은 상기 이동하는 파이프의 방사상 팽창을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
13. 제 11항에 있어서, 상기 열결합은 파이프 외면의 용해(melting)를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
14. 제 11항에 있어서, 상기 강화 섬유는 고체 열가소성 유기 폴리머로 형성된 매트릭스에서 제공되는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 열결합은 상기 섬유 매트릭스의 용해를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
16. 제 11항에 있어서, 상기 열결합은 상기 이동하는 파이프의 방사상 팽창과 상기 파이프 외면의 용해를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
17. 제 14항에 있어서, 상기 열결합은 상기 이동하는 파이프의 방사상 팽창을 포함하고 상기 강화 섬유 매트릭스의 용해 및 파이프 외면의 용해가 수반되는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
18. 내면 및 외면을 가지며, 동일한 고체 열가소성 유기 폴리머로 각각 형성되고 끝이 서로 결합된 다수의 동일한 파이프 강화 방법에 있어서,

    (a) 결합된 파이프를 선형 방향으로 연속적으로 이동시키는 단계와;

    (b) 세라믹, 메탈, 탄소 및 유기 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 재료 조성으로 형성된 다수의 연속하는 나란히 배치된 강화 섬유를 비결합 상태에 있는 동안 각각 이동하는 결합된 파이프의 외면에 대해 소정의 공간 방향으로 감는 단계; 및

    (c) 상기 결합된 파이프가 동일한 선형 방향으로 계속 이동하는 동안 강화 섬유와 파이프 사이의 열결합을 야기시키기 위해 섬유가 감겨진 파이프를 충분히 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
19. 제 18항에 있어서, 상기 열결합은 상기 이동하는 파이프의 방사상 팽창을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
20. 제 18항에 있어서, 상기 열결합은 파이프 외면의 용해(melting)를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
21. 제 18항에 있어서, 상기 강화 섬유는 고체 열가소성 유기 폴리머로 형성된 매트릭스에서 제공되는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
22. 제 21항에 있어서, 상기 열결합은 상기 섬유 매트릭스의 용해를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
23. 제 18항에 있어서, 상기 열결합은 상기 이동하는 파이프의 방사상 팽창과 상기 파이프 외면의 용해를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
24. 제 21항에 있어서, 상기 열결합은 상기 이동하는 파이프의 방사상 팽창을 포함하고 상기 강화 섬유 매트릭스의 용해 및 파이프 외면의 용해가 수반되는 것을 특징으로 하는 강화 방법.
25. 내면 및 외면을 가지며, 고체 열가소성 유기 폴리머로 형성되는 파이프 강화 장치에 있어서,

    (a) 회전하는 섬유 공급 수단과 동작적 관련을 위해 파이프를 선형 이동 방향으로 연속적으로 이송시키는 파이프 공급 수단과;

    (b) 상기 이동하는 파이프의 외면 상에 소정의 공간 방향으로 다수의 나란히 배치된 강화 섬유 랩을 연속적으로 감기 위해 상기 이동하는 파이프에의 둘레에 대해 회전하는 섬유 공급 수단; 및

    (c) 감겨진 강화 섬유 랩과 이동하는 파이프의 외면 사이에서 열결합이 연속적으로 형성되도록 하는 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
26. 제 25항에 있어서, 다수의 섬유 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
27. 제 25항에 있어서, 강화 섬유 감기를 종료하기 위해 상기 섬유 공급 수단과 동작적으로 관련되는 기계적 컷오프 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
28. 제 25항에 있어서, 상기 섬유 공급 수단은 회전식 섬유 스풀과 동작적으로 관련되는 원통형 와인더 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
29. 제 28항에 있어서, 상기 섬유 스풀은 고체 열가소성 유기 폴리머로 형성된 매트릭스에 나란히 배치된 강화 섬유를 제공하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
30. 제 25항에 있어서, 상기 파이프 공급 수단은 일정한 속도로 연속하는 선형 이동을 제공하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
31. 제 30항에 있어서, 상기 파이프 공급 수단은 무빙 벨트 구동 메커니즘에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
32. 제 26항에 있어서, 상기 개개의 섬유 랩은 상이한 공간 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
33. 제 25항에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 섬유가 감겨진 파이프를 둘러싸는원통형 히터를 활용하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.
34. 제 25항에 있어서, 상기 파이프 공급 수단은 끝이 서로 결합된 다수의 별개의 파이프를 연속적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 강화 장치.