KR20090029167A

KR20090029167A - 프리폼 스티칭에 의한 복합 장갑용 층의 조립을 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20090029167A
Application number: KR1020080089565A
Authority: KR
Inventors: 로저 더블유. 엥겔바트
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2009-03-20
Also published as: JP2009068835A; EP2036715B1; KR101539766B1; ATE538924T1; CA2639444C; JP5319997B2; US7752955B2; EP2036715A1; US20090072569A1; CA2639444A1

Abstract

본 발명은 장갑 시스템에 대한 방법과 시스템을 제공한다. 본 발명의 장갑 시스템은 제1 표면 시트와 이 제1 표면 시트로부터 이어지는 형상화된 프리폼(preform)을 구비한다. 이 프리폼은 상기 제1 표면 시트에 근접한 제1 에지와, 측벽을 구비하되, 이 측벽은 제1 에지로부터, 상기 측벽에서 수직으로 이어지는 플랜지로 이어진다. 이 프리폼은 상기 제1 표면 시트의 영역을 둘러싸고 있다. 이 시스템은 상기 프리폼에 의해 둘러싸여진 영역 내에 보충적으로 형성되어 끼워질 장갑 재료의 타일도 구비하고 있다. 이 타일은 상기 프리폼 내에 위치하여 적어도 그 일부가 상기 제1 표면 시트와 플랜지 사이에 위치한다. 이 시스템은 상기 프리폼을 덮는 제2 표면 시트와, 상기 제1 표면 시트의 반대쪽 측면에 있는 타일을 구비한다.

Description

프리폼 스티칭에 의한 복합 장갑용 층의 조립을 위한 방법 및 시스템{Methods and Systems for Fabrication of Composite Armor Laminates by Preform Stitching}

본 발명은 미육군에 의해 부여된 계약번호 W911NF-05-2-0025에 따라 미국정부의 보조를 받아 이루어졌으며, 본 발명에 대하여 미국정부는 일정한 권한을 가진다.

본 발명은 일반적으로 복합 장갑(裝甲)용 층에 관한 것으로, 특히 복합 장갑용 층(composite armor laminates)을 조립하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

복합 판재(composite sheet material)와 같이 종래의 일부 장갑 시스템은 지지 구조물에 둘러싸인 고밀도 세라믹 타일을 포함하고 있다. 세라믹 타일은 탄도미사일을 수용하기 위하여 상기 지지 구조물 내에 위치하고, 실질적으로 미사일이 장갑차의 내부와 장갑 시스템으로 통과하는 것을 방지한다. 충격을 받으면, 하나 이 상의 타일이 미사일에 의해 직접적으로 충격을 받을 수 있고, 미사일에 의해 직접적으로 충격을 받지 않은 인접 타일은 다른 인접 타일에 힘을 전달한다. 타일 사이에 위치한 복합 스페이서는, 미사일에서 직접 충격을 받은 타일에 의해 전달된 힘의 일부를 흡수하여 인접 타일의 손상을 제한하여 준다. 장갑 시스템의 조립과정에서, 복합 스페이서는 장갑 시스템 구성요소의 배치에서 수작업으로 타일 사이에 놓여진다. 이러한 과정은 상당히 시간이 많이 걸리고 노동 집약적인 일이다.

본 발명은 종래의 문제점을 개선하여 새로운 프리폼 스티칭(preform stitching)에 의한 복합 장갑용 층의 조립을 위한 방법 및 시스템을 제공한다.

하나의 실시예에서, 장갑 시스템은 제1 표면 시트와 이 제1 표면 시트로부터 이어지는 형상화된 프리폼(preform)을 구비한다. 이 프리폼은 상기 제1 표면 시트에 근접한 제1 에지와, 측벽을 구비하되, 이 측벽은 제1 에지로부터, 상기 측벽에서 수직으로 이어지는 플랜지로 이어진다. 이 프리폼은 상기 제1 표면 시트의 영역을 둘러싸고 있다. 이 시스템은 상기 프리폼에 의해 둘러싸여진 영역 내에 보충적으로 형성되어 끼워질 장갑 재료의 타일도 구비하고 있다. 이 타일은 상기 프리폼 내에 위치하여 적어도 그 일부가 상기 제1 표면 시트와 플랜지 사이에 위치한다. 이 시스템은 상기 프리폼을 덮는 제2 표면 시트와, 상기 제1 표면 시트의 반대쪽 측면에 있는 타일을 구비한다.

다른 실시예로서, 탄도를 막는 장갑층을 형성하는 방법은 제1 표면 시트를 제공하는 단계와, 상기 제1 표면 시트와 일체의 프리폼을 형성하는 단계와 형상화된 프리폼을 상기 제1 표면 시트에 연결하는 단계 중에서 적어도 하나의 단계로 이루어지되, 상기 프리폼은 제1 표면 시트의 일면에서 먼쪽 에지로 이어지고, 상기 프리폼은 상기 일면을 둘러싸도록 되어 있다. 상기 방법은 상기 프리폼에 의해 둘러싸이는 영역내에 장갑 재료의 타일을 위치시키는 단계와, 상기 프리폼의 먼쪽 에지로부터 플랜지를 형성하는 단계로서 이 플랜지의 적어도 토우(toe) 부분은 상기 일면에 실질적으로 평행하게 연장되고 타일의 적어도 일부를 덮도록 형성하는 단계, 및 제2 표면 시트를 상기 플랜지에 연결하여 상기 제1 및 제2 표면 시트 사이에서 상기 프리폼과 타일이 샌드위치가 되도록 연결하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예로서, 장갑 장착된 차량은 차량 동체와, 이 동체의 적어도 일부를 덮은 장갑 시스템을 구비한다. 장갑 시스템은 서로 평행하게 배치된 다수의 표면 시트와, 형상화된 프리폼을 구비하되, 이 프리폼은 다수의 제1 표면 시트의 일면으로부터 인접한 다수의 제2 표면 시트의 일면으로 연장되고, 상기 프리폼은 상기 제1 및 제2 표면 시트들을 결합한다.

본 발명에 따른 복합 장갑층 구조물을 제조하는 방법은 비용면에서 효율적이 고 높은 신뢰성을 확보할 수 있다. 복합 프리폼을 사용함으로써 본 발명의 제조방법과 시스템은 조립공정에서 수작업을 줄일 수 있게 해준다. 본 발명의 프리폼은, 경화되면 강성과, 타일 사이에서 충격력의 흡수, 및 타일 사이에서 충격력 방향의 분산을 제공하는 복합 섬유 또는 실을 구비하여, 넓은 영역으로 충격력을 전달할 수 있게 한다. 따라서 본 발명에 따른 장갑층 제조방법과 시스템은 효율적인 비용과 신뢰성있는 방식으로 복합 장갑층의 조립이 가능하게 하는 것이다.

이하의 발명의 상세한 설명은 예시적으로 개시한 것이며 제한적인 의미로 진술된 것이 아니다. 발명의 상세한 설명은 이 기술 분야에서 숙련된 자라면 개시된 발명을 실시하고 이용할 수 있도록 되어 있고, 몇 가지 실시예와 적용례, 변형례 및 사용례를 제시하고 있고, 발명을 실시할 최적의 모드라고 생각되는 것을 포함하고 있다. 발명의 설명은 바람직한 실시예에 적용된 것으로, 즉 복합 장갑층을 형성하는 과정으로 설명되어 있다. 그러나, 이러한 발명의 설명은, 종래에는 조립에 상당한 노동력이 소요되었던 패널이나 시트의 대형 서브시스템의 형성에 다수의 재료가 결합되는, 구성요소와 조립체를 제조하는 데 적용될 일반적인 설명으로 간주되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 프리폼(100)의 사시도이다. 프리폼(100)은 다수의 다른 형태로 변형가능한 측벽(102)을 구비한다. 프리폼(100)은 도 1에서 육각형 형태로 예시되어 있으나, 어떤 형태 또는 비정형도 고려될 수 있다. 프리폼(100)에 의해 둘러싸이는 셀(cell, 104)과 같이, 프리폼(100)은 폐쇄형태로 형성되어 있다. 프리폼(100)은 단일 또는 다수의 셀을 구비할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 셀(104)은 셀 내에 수용될 장갑 재료(armor material)의 타일과 상응하는 크기와 형태를 갖도록 되어 있다. 하나의 실시예에서, 프리폼(100)은 소정의 형태로 된 판재(web of material)로부터 형성된다. 다른 실시예에서, 프리폼(100)은 소정의 형태를 가지는 골조나 굴대(도시 안됨)를 통해 감긴 연속적인 복합섬유(composite fiber)로부터 형성된다. 셀의 각 레그(leg)를 통해 채널화되는(channeled) 연속적인 복합섬유의 통로 또는 고리의 횟수는 상기 프리폼의 충격 흡수력 또는 강도 요건에 근거해서 정해진다. 연속적인 복합섬유는 탄소섬유(carbon fiber), 유리섬유(fiber glass fiber), 아라미드(Aramid^TM)와 같은 방향족 폴리아미드 섬유, 다른 섬유 필라멘트나 그 복합물로 이루어지나 이에 한정되는 것은 아니다. 연속적인 복합섬유는 또한 위의 재료로 된 실이나 줄 또는 그물로 이루어질 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 섬유, 그물 또는 줄은 접착제, 열가소물 또는 열경화물로 함침될 수 있다.

상기 예시적인 실시예에서, 측벽(102)은 제1 에지(106), 제2 에지(108) 및 그 사이에 이어지는 측벽(110)을 구비한다. 본 실시예에서, 각각의 에지(106, 108)는 측벽(110)에서 실질적으로 수직으로 연장되는 플랜지(112)를 구비한다. 변형 실시예에서, 플랜지(112)는 상기 에지들(106, 108) 중 하나 또는 모두에서 연장하는 하나의 토우(toe)를 구비하며, 다른 예에서는, 플랜지(112)는 상기 에지들(106, 108) 중 하나 또는 모두에서 반대쪽으로 연장하는 한쌍의 토우를 구비한다.

예시적인 실시예에서, 프리폼(100)은 강성의 자립체(自立體)이고, 다른 실시예에서는, 유연성있는 섬유 또는 직물이다. 상기 섬유 또는 직물은 에폭시나 수지 또는 이들의 다양한 복합물로 함침된 건조 카본이나 탄소섬유를 포함하여 이루어져 있다.

도 2는 (도 1에 보인) 프리폼(100)과 사용될 부분 조립된 장갑 시스템(200)의 사시도이다. 장갑 시스템(200)은 길이(204), 폭(206) 및 두께(208)를 갖는 제1 표면 시트(202)를 구비한다. 도 2에는 실질적으로 직사각형으로 도시되어 있지만, 규칙적 또는 비규칙적인 형태를 포함하여 어떤 형태가 될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 프리폼(100)은 제 1 표면 시트(202)와 일체적으로 형성된다. 프리폼(100)은 제 1 표면 시트(202)와 기워서 엮어지거나, 이와 달리 제 1 표면 시트(202)와 함께 형성될 수 있다. 제 1 표면 시트(202)는 엮은 탄소섬유, 탄소섬유 시트 또는 탄소섬유 직물로 이루어질 수 있다. 제 1 표면 시트(202)는, 예컨대 한정되지 않는 진공-보조 수지 전이몰딩(vacuum-assisted resin transfer molding, VARTM) 공법과 같은 진공 공법을 사용하여 수지나 에폭시의 주입을 위한 건조 직물(dry fabric)로 이루어질 수 있다. 제 1 표면 시트(202)는, 예컨대 한정되지 않는 수지, 에폭시 또는 이들의 혼합물과 미리 함침된 탄소섬유로 이루어질 수도 있다.

장갑 시스템(armor system, 200)은 보충적인 맞물림 결합으로 셀 내에 하나 또는 그 이상의 장갑 타일(armor tile, 210)을 구비한다. 예시적인 실시예에서, 셀은 실질적으로 육각형 단면이고, 타일 또한 실질적으로 육각형 단면으로 되어 있다. 모든 셀에 타일(210)로 채워질 때까지 타일(210)은 셀(104) 내에 위치된다. 예시적인 실시예에서, 장갑 타일(210)은 세라믹 재료, 예컨대 이에 한정되는 것은 아니고, 붕소 카바이드, 실리콘 카바이드, 알루미늄 카바이드, 티타늄 붕소화합물로 이루어질 수 있다. 각 장갑 타일(210)은 외주면부(212)를 구비하는데, 외주면부(212) 사이에 놓이는 분할 프리폼(100)를 통해 인접한 장갑 타일(210)의 외주면부(212)와 병렬 결합하기 위한 것이며, 탄도 충격력이나 인접 타일의 파손과 같은 큰 충격력을 감쇄시키거나 견디어 낼 수 있는 복합 장갑층을 제공하기 위한 것이다. 프리폼(100)에 의한 인접 장갑 타일(210)의 분리는 인접한 타일에 전달된 충격력의 흡수를 촉진하고 다른 타일에 대한 충격력의 분산을 촉진한다.

도 3은 도 2에 보인 부분 조립된 장갑 시스템(200)의 다른 사시도이다. 예시적인 실시예에서, 장갑 시스템(200)은 프리폼(100)에 결합될 제2 표면 시트(300)를 구비한다. 제2 표면 시트(300)는 제1 표면 시트와 실질적으로 비슷하나, 제2 표면 시트(300)는 여러가지 실시예에서 제1 표면 시트(202)와 차이가 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 위에서 기술된 바같이, 프리폼(100)은 제1 표면 시트(202)와 일체로 형성된다. 더욱이, 이들 표면 시트(202, 300)는 각각의 역할에 최적성능을 허용하기 위하여 서로 다른 재료로 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 표면 시트(202)는 차량에서 장갑 시스템(200)의 위치 때문에 제2 표면 시트(300) 보다 더 큰 정도로 기상이나 다른 요소에 노출되어 있다. 제1 표면 시트(202)는 제2 표면 시트(300) 보다 자외선, 마찰 및 화학물질에 대하여 더 큰 내성이 요구된다. 예시적인 실시예에서, 제2 표면 시트(300)는 스티칭(stitching, 302)를 이용하여 제2 에지(108)로부터 연장되는 플랜지(112)를 통해 프리폼(100)에 연결된다. 다른 실시예에서는 제2 표면 시트(300)는 접착제를 사용하여 플랜지(112)에 연결된다.

도 4는 도 2에 보인 장갑 시스템(200)과 사용될 프리폼(100) 부분(400)의 종단면도이다. 예시적인 실시예에서, 프리폼(100)은 제1 에지(106), 제2 에지(108), 측벽(110) 및 플랜지(112)를 포함한다. 타일(210)이 측벽(110) 내에서 밀착하도록 위치되고 (도 4에서는 참고적으로 틈을 표시함), 타일(210)의 부분이 플랜지(112)에 의해 덮인다. 측벽(110)은 이웃한 타일(210) 사이에서 쿠션과 충격분산의 효과를 제공하는 기능도 있다. 플랜지(112)는 제2 에지(108)에 유연하게 구비되어 있는데, 타일(210)의 설치시에는 플랜지(112)가 수직으로 세워져 있고, 타일이 셀(104) 내에 위치하고 나면, 플랜지(112)는 측벽(110)에 수직하게 굽혀져서 타일(210)의 일부를 덮게 된다. 그러고 나서 제2 표면 시트(300)가 예컨대, 스티칭이나 접착제에 의해 플랜지(112)에 결합된다.

조립과정 중에, 프리폼(100)은 실질적으로 강성의 재료로 되어 있거나 반강성의 재료로 되어 로봇 팔과 같은 자동 장착기계를 사용하여 타일(210)을 셀(104) 내에 장착시키는 것이 편리하게 되어 있다. 타일(210)을 셀(104) 내에 장착시키고 나서, 플랜지(112)가 굽혀져서 타일(210)과 실질적으로 같은 높이로 된다. 그러고 나서, 제2 표면 시트(300)가 플랜지(112)에 스티칭으로 꿰매지거나 접착된다. 표면 시트(202, 300)와 프리폼(100)가 건조 복합재료로부터 제조되는 경우, 한정되지 않 지만, 예컨대 진공-보조 수지 전이몰딩(vacuum-assisted resin transfer molding, VARTM) 공법과 같은 진공 공법을 사용하여 장갑 시스템(200)에 수지나 에폭시가 추가로 주입될 수 있다. 다른 실시예에서, 표면 시트(202, 300)와 프리폼(100)은, 한정되지 않고 예컨대 수지나 에폭시 또는 이들 복합물로 미리 함침된 탄소와 같은 섬유로 형성될 수 있다. 추가로 함침된 탄소 복합물을 경화시키는 공정을 포함한다.

도 5는 예시적인 장갑 시스템(200)의 사시도이다. 경화시킨 후에, 표면 시트(202, 300)와, 프리폼(100) 및 타일(210)은 견고한 복합 장갑층을 형성하여, 필요한 치수에 맞추기 위해 절단되거나 가공된다.

도 6은 동체를 포함하는 경량 고이동성 차량(600)의 사시도로서, 이 차량(600)에는 일련의 구동 휠(604)이나 트랙 위에 창착된 동체(602)와, 동체(602)에 장착된 회전체(606)를 구비한다. 동체(602)는 철갑판(608)으로 만들어진다. 복합 장갑 시스템(200)은 차량의 특정 영역에 특정 형상으로 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 장갑 시스템(200)은 프리폼(100)을 통하여 인접한 장갑 타일에 폭발하는 미사일의 폭발력의 에너지 흡수를 제공한다. 인접한 타일에 작용하는 충격력은 프리폼(100)을 통하여 인접한 타일로 에너지 전달이 이루어져 조정된다.

본 발명의 실시예가 다양한 형태로 기술되었는 바, 업계에서 숙련된 자라면 본 발명의 정신과 청구범위 내에서 더 많은 변형례를 실시할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 프리폼의 사시도이고,

도 2는 도 1에 보인 프리폼과 사용될 부분 조립된 장갑 시스템의 사시도이고,

도 3은 도 2에 보인 부분 조립된 장갑 시스템의 다른 사시도이고,

도 4는 도 2에 보인 장갑 시스템과 사용될 프리폼 부분의 종단면도이고,

도 5는 도 1 내지 4에 보인 예시적인 장갑 시스템의 사시도이고,

도 6은 동체를 포함하는 경량 고이동성 차량의 사시도이다.

Claims

제1 표면 시트;

장갑재료의 타일을 수용하도록 형상화된 프리폼으로서, 이 프리폼은 상기 제1 표면 시트로부터 연장되고, 상기 제1 표면 시트에 근접한 제1 에지와, 상기 제1 에지로부터 플랜지로 연장되는 측벽을 구비하며, 상기 플랜지는 상기 측벽에서 수직으로 연장되도록 되어 있으며, 상기 제1 표면 시트의 영역을 둘러싸고 있는 프리폼;

미리 정해진 형상의 장갑 재료의 타일로서 상기 프리폼 내에 장착되고, 적어도 일부가 상기 제1 표면 시트와 플랜지 사이에 위치하는 장갑 재료의 타일; 및

상기 제1 표면 시트의 반대쪽 측면에서 상기 프리폼과 상기 타일을 덮도록 배치된 제2 표면 시트;를 포함하여 이루어지는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 에지는 상기 제1 표면 시트와 일체적으로 이루어지는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 에지는 상기 제1 표면 시트에 스티칭을 이용하여 연결되는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 에지는 상기 제1 표면 시트에 접착제를 이용하여 연결되는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 프리폼과 상기 제1 표면 시트 및 상기 제2 표면 시트 중의 적어도 어느 하나는 탄소와 에폭시를 포함하는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 타일은 세라믹을 포함하는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 표면 시트는 상기 플랜지를 이용하여 상기 프리폼에 스티칭으로 꿰매어져 연결되는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 플랜지는 제1 및 제2 토우를 구비하되, 이들 토우는 서로 반대방향으로 연장하는 장갑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 타일과, 프리폼, 제1 표면 시트 및 제2 표면 시트의 내부 및 이들 사이에 함침되는 수지를 포함하는 장갑 시스템.
제1 표면 시트를 제공하는 단계;

상기 제1 표면 시트와 일체의 프리폼을 형성하는 단계와 형상화된 프리폼을 상기 제1 표면 시트에 연결하는 단계 중에서 적어도 하나의 단계를 실행하되, 상기 프리폼은 제1 표면 시트의 일면에서 먼쪽 에지로 이어지고, 상기 프리폼은 상기 일면을 둘러싸도록 하는 단계;

상기 프리폼에 의해 둘러싸이는 영역내에 장갑 재료(armor material)의 타일을 위치시키는 단계;

상기 프리폼의 먼쪽 에지로부터 플랜지를 형성하는 단계로서 이 플랜지의 적어도 토우(toe) 부분은 상기 일면에 실질적으로 평행하게 연장되고 타일의 적어도 일부를 덮도록 형성하는 단계; 및

제2 표면 시트를 상기 플랜지에 연결하여 상기 제1 및 제2 표면 시트 사이에서 상기 프리폼과 타일이 샌드위치가 되도록 연결하는 단계;를 포함하는 탄도를 막는 장갑층을 형성하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 장갑 재료의 타일과 크기 및 형태에서 상응하도록 상 기 프리폼을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 탄도를 막는 장갑층을 형성하는 방법.
제10항에 있어서, 진공공법을 이용하여 상기 샌드위치 내에 수지를 주입하는 단계를 추가로 포함하는 탄도를 막는 장갑층을 형성하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 프리폼과 제1 및 제2 표면 시트 중의 적어도 어느 하나는 수지가 미리 함침된 탄소섬유로 형성되어 있고, 추가로 상기 프리폼과 제1 및 제2 표면 시트 중의 적어도 어느 하나를 경화시키는 단계를 포함하는 탄도를 막는 장갑층을 형성하는 방법.
제10항에 있어서, 형상화된 프리폼을 상기 제1 표면 시트에 연결하기 위하여 상기 프리폼을 상기 제1 표면 시트에 스티칭하는 단계를 포함하는 탄도를 막는 장갑층을 형성하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 제2 표면 시트를 상기 플랜지에 연결하기 위하여 상 기 제2 표면 시트를 상기 플랜지에 스티칭하는 단계를 포함하는 탄도를 막는 장갑층을 형성하는 방법.
차량 동체와, 이 동체의 적어도 일부를 덮은 장갑 시스템을 구비하여 이루어지되,

상기 장갑 시스템은 서로 평행하게 배치된 다수의 표면 시트와, 형상화된 프리폼을 구비하되, 이 프리폼은 다수의 제1 표면 시트의 일면으로부터 인접한 다수의 제2 표면 시트의 일면으로 연장되고, 상기 프리폼은 상기 제1 및 제2 표면 시트들을 결합하며, 상기 장갑 시스템은 상기 제1 및 제2 표면 시트와 상기 프리폼 사이에 샌드위치된 다수의 장갑 재료로 된 타일을 구비하고 있는 장갑 장착된 차량.
제16항에 있어서, 상기 프리폼은 상기 제1 표면 시트에 근접한 제1 에지와, 상기 제1 에지로부터 플랜지로 연장되는 측벽을 구비하며, 상기 플랜지는 상기 측벽에서 수직으로 연장되도록 되어 있는 장갑 장착된 차량.
제16항에 있어서, 상기 프리폼은 적어도 하나의 타일을 둘러싸도록 되어 있는 장갑 장착된 차량.
제16항에 있어서, 상기 프리폼은 다수의 타일을 둘러싸도록 되어 있는 다수의 탄소섬유 통로를 포함하여 이루어지는 장갑 장착된 차량.
제16항에 있어서, 상기 프리폼은 상기 제1 표면 시트와 일체로 이루어지는 장갑 장착된 차량.