KR20100051821A - 합성 적층 구조물 - Google Patents

Abstract

에지를 갖는 합성 적층물과, 상기 에지에 의해 지지되고 충격에 파쇄되는 수지를 포함하는 충격 지시계를 포함하는 구조물이 개시된다. 상기 파쇄는 예를 들어, 깨짐, 또는 상기 충격 지시계로부터의 하나 또는 그 이상의 조각들로 분리됨으로 인하여 충격 손상의 영구적인 시각적 증거를 제공한다. 충격 손상의 그러한 시각적 증거를 제공할 뿐만 아니라, 상기 충격 지시계는 또한 충격 보호 요소를 제공할 수 있다. 통상적으로, 상기 충격 지시계는 상기 합성 적층물을 형성하는 재료보다 더 잘 부서지고 덜 강한 수지로부터 형성된다. 예를 들면, 상기 합성 적층물을 형성하는 재료는 강화될 수 있고, 상기 충격 지시계를 형성하는 수지는 비강화될 수 있다.

Description

합성 적층 구조물{COMPOSITE LAMINATE STRUCTURE}

본 발명은 합성 적층 구조물 및 그러한 구조물에서 충격 손상을 나타내는 방법에 관한 것이다. 특히, 절대적이진 않지만, 상기 구조물은 항공기 부품의 일부분을 형성할 수 있다.

많은 항공기 부품들은 합성 적층 재료들로 만들어진다. 예를 들어, 항공기 날개 내부의 스트링거(stringer), 보강재, 스파(spar) 구조물들이 모두 합성 적층 구조물의 형태로 존재할 수 있다. 적층되도록 설계되어진 방식으로 적층될 때, 상기 구조물은 튼튼할 수도 있지만, 충격 손상에 취약하여 얇은 조각으로 갈라지는 결과를 초래할 수 있다. 얇은 조각으로 갈라지는 결과, 상기 구조물은 약해지고 결국 목적 달성에 실패하게 된다. 만일, 충격이 정면 방향(즉, 충격이 에지에 수직인 방향 및 상기 구조물을 구성하는 적층물의 평면에 평행인 방향)을 향해 발생한다면, 충격이 발생하는 합성 적층 구조물의 에지 부분(상기 합성 적층 구조물의 층이 끝나는 부분)이 특히 취약하다.

만일 충격이 정면 방향에서 힘의 중요한 구성 요소라면, 상기 충격은 상기 합성 적층 구조물을 구성하는 적층물들 사이의 결합에 손상을 입힐 수 있고, 얇은 조각으로 갈라지게 되는 결과를 발생 또는 부가시킬 수 있다. 그러한 충격들은 예를 들어, 통상적이지 않은 방법으로 상기 합성 적층 구조물의 단부면들이 노출되었을 때, 상기 구조물 위에서 작업하는 동안 인부들이 연장을 떨어뜨리는 결과로 인해 발생할 수 있다. 상기 합성 적층 구조물이 손상되는 또 다른 이유는 오랜 기간 경과로 인한 마모 때문인데, 그러한 마모는 예를 들어, 인부들이 상기 구조물 위에서 앉거나 서는 것 또는, 연장이나 다른 장비로 상기 구조물에 직접적으로 접촉시키는 것 때문에 발생한다. 예를 들어, 인부들이 항공기 위에서 작업하는 동안 그러한 구조물의 단부면 위에 연장이나 연장 상자들을 두는 것은 통상적이다. 합성 적층 구조물의 에지는 적어도 보수 작업하는 동안에는 상기 설명한 바와 같이 직접적인 마모 및 직접적인 충격에 통상적으로 노출된다. 상기 합성 구조물들의 제조 및 조립 과정 동안 유사한 충격 위협이 존재한다.

항공기 부품을 설계할 때, 항공기의 합성 적층 구조물의 강도 및 다른 기계적 특성에 영향을 미치는, 상기 설명된 요인들이 고려되어야 한다. 그러므로, 상기 설명된 요인들은 통상적으로, 상기 합성 적층 구조물들은 여분의 강도가 제공될 필요가 있고 이는 크기 및 중량을 증가시킨다는 것을 의미한다.

얇은 층의 합성물의 에지를 강화하는 하나의 알려진 시도는 에지 보호 장치를 설치하는 것(예를 들면, 미국특허공개공보 제US2006/0234007호)이다. 또 다른 해결책은 롤 형태(roll-form)의 에지 즉, 접힘층(folded layer)에 의해 형성되는 에지로 합성 적층물을 형성하는 것이다. 그러나, 이러한 종래의 방법들의 문제점은 충격에 대한 충분한 시각적 증거를 제공하지 못한다는 것이다. 그러한 시각적 증거는 상기 구조물에 요구되는 것이다.

본 발명의 주된 목적은, 에지를 갖는 합성 적층물과, 상기 에지에 의해 지지되고 충격에 파쇄되는 수지를 구비하는 충격 지시계를 포함하는 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 충격 지시계를 파쇄하는 단계를 포함하는, 상술한 구조물에서 충격 손상을 나타내는 방법을 제공하는 것이다.

상기 파쇄는 예를 들어, 균열 또는 상기 충격 지시계로부터 하나 또는 그 이상의 조각들로 분리됨으로 인해, 충격 손상의 영구적인 시각적 증거를 제공한다. 그러한 충격 손상의 시각적 증거를 제공할 뿐만 아니라, 상기 충격 지시계는 상기 충격 에너지 일부를 흡수함으로써 충격 보호 요소를 제공한다.

상기 충격 지시계는 통상적으로, 상기 합성 적층물을 형성하는 재료보다 더 잘 부서지고 덜 강한 수지를 포함한다. 예를 들어, 상기 합성 적층물을 형성하는 재료는 강화될 수 있고, 상기 충격 지시계를 형성하는 수지는 비강화될 수 있다.

상기 합성 적층물은 통상적으로, 에폭시 수지와 같은 열경화성 물질을 포함할 수 있다. 상기 충격 지시계를 형성하는 재료는 동일한 열경화성 수지 또는 유사하거나 더 낮은 온도에서 경화되는 수지로부터 형성될 수 있다.

상기 충격 지시계는 길이가 제한될 수 있고, 상기 에지의 전체 길이의 적어도 반 이상을 따라 형성된 스트립을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 합성 적층물의 복수의 층들이 상기 에지에서 끝나게 된다. 다르게는, 상기 에지는 접힘층에 의해 형성되는 롤 형태의 에지일 수 있다.

상기 충격 지시계는 동시 경화, 동시 결합 또는 부차적인 결합에 의해 상기 에지에 부착될 수 있다. 상기 충격 지시계가 동시 경화에 의해 상기 에지에 부착되는 경우, 상기 충격 지시계는(예를 들어, 수지 강화 에지로 상기 합성 적층물을 형성함으로써) 상기 합성 적층물과 일체적으로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 충격 지시계는 노즐로부터 수지를 토출함으로써 상기 에지에 도포되고 그것을 경화시킴으로써 상기 에지에 상기 토출된 물질을 동시 결합한다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 충격 지시계는 열경화성 수지의 비드(bead)를 암몰드(female mould)에 공급하는 단계, 상기 합성 적층물의 에지를 상기 암몰드에 삽입하는 단계, 및 상기 합성 적층물이 경화되고 상기 비드가 상기 에지에 동시 경화되도록 상기 비드 및 상기 합성 적층물을 가열하는 단계에 의해 도포될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 합성 적층물은 강화면 및 매트릭스 수지면을 포함하고, 상기 충격 지시계는 상기 합성 적층물의 에지를 암몰드에 삽입하는 단계와, 상기 에지 및 상기 암몰드 사이에 갭을 제공하는 단계와, 상기 매트릭스 수지면이 상기 갭 내부로 흘러 상기 충격 지시계를 형성하도록 상기 합성 적층물을 가열하는 단계에 의해서 형성된다.

본 발명의 실시예들은 하기의 도면들을 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 스트링거에 충격 지시계를 도포하는 방법을 나타내는 사시도이다.
도 2는 충격 지시계를 지지하는 스트링거의 단부를 나타내는 사시도이다.
도 3 내지 5는 스트링거 형성의 세 단계를 나타내는 도면이다.
도 6은 충격 지시계를 지지하는 다른 스트링거의 말단부를 나타내는 도면이다.
도 7는 충격 지시계를 지지하는 또 다른 스트링거의 말단부를 나타내는 도면이다.
도 8은 충격 지시계를 지지하는 롤 형태의 스트링거의 말단부를 나타내는 도면이다.
도 9는 동시 경화되는 제조 공정의 끝을 나타내는 도면이다.
도 10은 충격 지시계가 스트링거와 일체로 형성되는 제조 공정의 끝을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 스트링거(1)는 블레이드(2) 및 한 쌍의 플랜지(3, 4)를 포함한다. 스트링거(1)는 도 3 내지 5에서 도시된 공정에 의해 형성된다. 첫 번째 단계에서, 평면 소재(charge,5a)가 숫 성형 기구(6) 상에 배치된다. 소재(5)는 시트(sheet) 더미로 형성된 적층 구조물을 포함하고, 각 시트는 열경화성 에폭시 수지를 침투시킨 복수의 단방향성 탄소 섬유를 포함한다. 이러한 시트들은 일반적으로, “수지 침투 가공재(prepreg)”로 알려져 있다. 각각의 수지 침투 가공재 시트는 도 3에 개략적으로 도시되어 있으며, 명확성을 위해 다른 도면에는 도시되지 않았다.

소재(5a)는 도 4에 도시된 바와 같이, 성형기구(6)에 따라 변형되어 U자 형상부(5b)를 형성한다. U자 형상부(5b)는 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 L자 형상부들(5c, 5d)로 절단되고, L자 형상부들(5c, 5d)은 도 2에 도시된 바와 같이, 배면을 서로 맞댄 채로 배치된다. L자 형상부들(5c, 5d)이 배면을 서로 맞댄 채로 배치되면, 그들은 동시 경화되어 스트링거(1)를 경화시키고, 합체된다.

스트링거(1)의 길이 방향은 0°로 정의되고, 스트링거(1)의 높이 방향은 90°로 정의된다. 스트링거(1)의 구성(lay-up)은 상기 0°/±45°/90°의 방향으로 배향되는 스트링거(1)에서의 섬유의 백분율을 나타내는 지표(notation)에 의해 표현된다.

통상적인 스트링거(1) 구성은 60/30/10 이다. 그러므로, 상기 섬유의 60%는 0° 방향으로 배향되고, 30%는 ±45° 방향으로 배향되며, 10%는 90° 방향으로 배향된다.

스트링거(1)는 도 1에 도시된 상기 공정에 의해 가공되고 밀봉된(경화 후) 노출된 탑 에지(top edge, 8)를 포함한다.

성형된 기계 절단기(10)는 에지(8)를 따라 이동하고, 재료를 제거하여 도 2에 도시된 오목부(groove, 11)를 형성한다. 클리닝(cleaning) 장치(12)는 상기 가공 공정에 의해 발생된 상기 물질들을 제거한다. 노즐(14)로부터 액체 에폭시 수지가 토출됨으로써 오목부(11)에 비드(13)가 부착된다. 피니싱 툴(finishing tool, 15)은 바람직한 형상의 슬롯(16)을 갖고, 툴(15)은 노즐(14)의 배면에서 에지(8)를 따라 이동하여 비드(13)로부터 초과량의 수지를 제거한다.

이러한 공정들은, 에지(8)가 가공됨과 동시에 비드(13)가 도포되도록 즉시 수행된다.

그 후, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수지는 오목부(11)에 안착된 충격 지시계(9)를 형성하면서, 경화되어 비드(13)를 에지(8)에 함께 결합시킨다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스트링거(1)의 탑 에지 부분(8)이 평평하게 되도록, 상기 가공 단계는 생략될 수 있다. 도 7에 도시된 다른 실시예에서, L자 형상부(5c, 5d)가 수지 침투 가공재 시트의 끝부분에서 각진 에지(8b)를 갖도록, 상기 수지 침투 가공재의 여러 겹들은 도 4에 도시된 변형 단계에서, 서로에 대하여 미끄러질 수 있다. 그러므로, 오목부(11)는 이런 경우, 별도의 가공 단계를 요구하지 않고 형성된다.

도 6 및 7에 도시된 경우, 스트링거(1)와 충격 지시계들(9a, 9b)은 다른 시간에 경화되지 않고, 동시에 경화될 수 있다.

롤 형태의 스트링거(1)는 도 8에 도시된다. 이는, 접혀져서 롤 형태의 에지(8c)를 형성하는 단일 수지 침투 가공재 접힘층으로부터 형성된다. 충격 지시계(9c)는 수지 비드를 토출하고 그것을 롤 형태의 에지(8c)에 동시 결합시킴으로써 롤 형태의 에지(8c)에 부착된다.

도 9에 도시된 다른 제조 공정에 있어서, 충격 지시계(9)는 경화되지 않은 에폭시 수지의 비드(20)를 암몰드(21)에 제공하는 단계와, 스트링거 블레이드(2)를 암몰드(21)에 삽입하는 단계와, 스트링거(1) 및 비드(20)가 동시 경화에 의해 서로 결합되도록 상기 몰드 어셈블리를 가열하는 단계에 의해 스트링거(1)의 에지에 도포된다.

도 10에 도시된 또 다른 제조 공정에 있어서, 충격 지시계(9)는 스트링거 블레이드(2)를 암몰드(21)에 삽입하는 단계와, 에지(8)와 암몰드(21) 사이에 갭(22)을 제공하는 단계와, 블레이드(2) 내에 있는 상기 에폭시 수지 메트릭스가 갭(22)으로 흘러 충격 지시계(9)를 형성하도록 스트링거(1)를 가열하는 단계에 의해서, 스트링거(1)와 일체적으로 형성된다.

상기 설명된 충격 지시계(9)는 충격에 파쇄되는 물질로부터 형성되고, 하나 또는 그 이상의 균열 그리고/또는 하나 또는 그 이상의 조각으로 분리되는 결과를 초래한다. EA9394 에폭시 수지는 상기 필요한 파쇄 특성을 제공하는 것으로 알려져 있지만 다른 물질들을 고려해 볼 수도 있다. 예를 들어, 비드(13)가 경화를 위해 가열될 필요가 없도록 상기 수지는 실내 온도에서 경화될 수 있다.

충격 지시계(9)는 상기 합성 적층물을 형성하는 재료보다 더 잘 부서지고 덜 강한 수지로부터 형성된다. 예를 들어, 비강화된 EA9394 수지는 상기 합성 적층물을 형성하는 탄소 섬유 강화 수지 침투 가공재보다 더 잘 부서지고 덜 강하다. 또한, 각각의 충격 지시계(9)는 굴곡진 볼록한 외부 표면을 갖고, 에지(8)의 너비를 가로질러 변하는 두께를 갖는다. 이러한 구조는 많은 장점을 갖는다.

그것은 평평한 스트립일 때보다 더 파쇄되기 쉽게 만든다.

그것은 하나 또는 그 이상의 조각들이 파쇄된 후 더 잘 분리되도록 만든다.

그것은 측면으로부터의 어떠한 기둥 파쇄 균열들 또는 빈공간들(voids)을 더 잘 보이게 한다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 스트링거 2: 스트링거 블레이드
3, 4: flange 5, 5a: 소재
5b: U자 형성부 5c, 5d: L자 형성부
6: 성형기구 8: 에지
8b: 각진 에지 8c: 롤 형태의 에지
9: 충격 지시계 10: 기계 절단기
11: 오목부 12: 클리닝 장치
13, 20: 비드 14: 노즐
15: 피니싱 툴 16: 슬롯
21: 암몰드 22: 갭

Claims (19)

1. 에지를 갖는 합성 적층물; 및
   상기 에지에 의해 지지되고 충격에 파쇄되는 수지를 포함하는 충격 지시계를 포함하는 구조물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 충격 지시계는 상기 합성 적층물을 형성하는 재료보다 더 잘 부서지고 덜 강한 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 충격 지시계는 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수지는 비강화된 것을 특징으로 하는 구조물.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수지는 100℃ 보다 낮은 온도, 바람직하게는 50℃ 보다 낮은 온도에서 경화되는 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구조물은 제1 온도에서 경화되는 열경화성 물질을 포함하고, 상기 수지는 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 경화되는 열경화성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 충격 지시계는 상기 에지의 오목부 내에 안착되는 것을 특징으로 하는 구조물.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 충격 지시계는 상기 에지의 폭을 따라서 변화하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 구조물.
9. 제8항에 있어서,
   상기 충격 지시계의 외부 표면은 볼록한 것을 특징으로 하는 구조물.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충격 지시계는 상기 에지의 전체 길이의 적어도 반 이상을 따라 연장되는 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성 적층물의 복수의 층들은 상기 에지에서 끝나게 되는 것을 특징으로 하는 구조물.
12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에지는 상기 합성 구조물의 접힘층에 의해 형성되는 롤 형태의 에지인 것을 특징으로 하는 구조물.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 구조물을 포함하는 항공기 부품.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 상기 구조물에서 충격 손상을 나타내는 방법으로서,
    상기 충격 지시계를 파쇄하는 단계를 포함하는 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 충격 지시계로부터 하나 또는 그 이상의 조각들을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 구조물의 제조 방법으로서,
    노즐로부터 수지를 토출함으로써 상기 충격 지시계를 상기 에지에 도포하는 단계를 포함하는 방법.
17. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 구조물의 제조 방법으로서,
    상기 충격 지시계를 상기 에지에 동시 경화시키는 단계를 포함하는 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 충격 지시계는,
    열경화성 수지의 비드를 암몰드에 공급하는 단계;
    상기 합성 적층물의 에지를 상기 암몰드에 삽입하는 단계; 및
    상기 합성 적층물이 경화되고, 상기 비드가 상기 에지에 동시 경화되도록 상기 비드 및 상기 합성 적층물을 가열하는 단계에 의해서 도포되는 것을 특징으로 하는 구조물 제조 방법.
19. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 합성 적층 구조물의 제조 방법으로서,
    상기 합성 적층물의 각 층은 강화면 및 매트릭스 수지면을 포함하고,
    상기 방법은 상기 합성 적층물의 에지를 암몰드에 삽입하는 단계와, 상기 에지 및 상기 암몰드 사이에 갭을 제공하는 단계와, 상기 매트릭스 수지면이 상기 갭으로 흐르고 상기 충격 지시계를 형성하도록 상기 합성 적층물을 가열하는 단계에 의해서 상기 충격 지시계를 형성하는 단계를 포함하는 합성 적층 구조물 제조 방법.

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