KR20100054104A - 복합 구조부재를 접합하는 방법과 그 장치 및 그로부터 만들어진 구조부재 - Google Patents

복합 구조부재를 접합하는 방법과 그 장치 및 그로부터 만들어진 구조부재 Download PDF

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KR20100054104A
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splice
joint
layup
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단 디. 데이
윌리엄 토마스 클라인
피터 제이. 반 보스트
토마스 제이. 케네디
커티스 엠. 그로스
찰스 와이. 후
제프리 에이. 버틀러
찰스 제이. 닐슨
탕 디. 풍
로버트 지. 메이어
루이스 에이. 펠라
리차드 에이. 랜섬
저스틴 엘. 홀랜드
에릭 룬드
조셉 에프. 워렌
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더 보잉 컴파니
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Abstract

복합재 구조부재는, 겹치는 복합재 스플라이스부재에 의하여 서로 접합된 제1, 2복합재 섹션들을 포함한다.
Figure P1020090108973
복합재, 복합재섹션, 스플라이스 부재, 접합, 조인트, 블래더, 맨드릴

Description

복합 구조부재를 접합하는 방법과 그 장치 및 그로부터 만들어진 구조부재{Method and apparatus for joining composite structural members and structural members made thereby}
본 발명은 일반적으로 복합재 구조물에 관한 것으로, 특히 접합된 스플라이스를 사용하여 복합재 섹션들을 함께 접합하기 위한 방법과 장치 뿐만 아니라 그에의해 만들어진 복합재 구조부재들에 관한 것이다.
비교적 길이가 긴 복합재 구조부재들을 제작하기 위하여, 복합재 섹션들이 복합재 스플라이스 조인트(splice joint)를 사용하여 종종 서로 접합된다. 예컨대, 항공기 산업에 있어서, 비교적 긴 세로부재(stringer)들, 원형부재(spar)들, 프레임들 및, 기타 복잡한 복합재 기하구조들은, 금속제 스플라이스 부재 및 체결부재 (fastner)들을 사용하여 2개 이상의 길이가 긴 복합재 섹션들을 서로 접합하여 형성된다. 그러나, 금속제 스플라이스 부재들은 많은 조립상의 이유로 바람직하지 않다.
복합재 스플라이스 부재들을 사용하여 복합재 구조부재를 접합하는 것이 가능하다. 그러나, 긴 복합재 섹션들 사이에 복합재 스플라이스 조인트들을 형성하는 것은 실용적이지 못한바, 왜냐하면 상용 압력용기(autoclave)가 예컨대, 날개 세로부재, 원형부재 및 프레임 들과 같이 비교적 길이가 긴 부재를 수용할 만큼 충분히 크지않기 때문이다.
따라서, 복합재 스플라이스부재들의 사용을 허락하는 세로부재, 원형부재 및 프레임섹션들과 같은 구조부재들을 접합하기위한 방법과 장치가 필요하다. 또한, 복합재 스플라이스부재들에 의하여 서로 접합된 복합재 섹션들로부터 형성되는 복합재 구조부재들이 필요하다.
개시된 실시예들은, 압력용기 내에서 접합부를 경화할 필요가 없는, 국부영역에서 비교적 큰 복합재 구조부재들을 구조적으로 접합하기 위한 방법과 장치를 제공한다. 접합부 조인트에 국부적인 열과 압력을 가할 수 있도록 한 것은, 복합재 스플라이스부재의 사용을 허용하고 또 체결부재의 필요성을 제거한다.
하나의 개시된 실시예에 따르면, 복합재 구조부재는 제1복합재 섹션과 제2섹션을 포함한다. 복합재 스플라이스부재는, 적어도 부분적으로 제1, 2 섹션을 겹쳐서서로 접합한다. 스플라이스부재는 제1, 2복합재 섹션들 사이에 V자형 단면을 갖는 조인트를 형성한다. 복합재 섹션들은 예컨대 C형상, Z형상, J형상, T형상, I형상 및 모자형상 단면을 포함하지만 이에 한정되지 않는 복잡한 기하구조들을 갖는다.
개시된 방법의 실시예에 따르면, 복합재 구조부재를 제작하는 방법은 제1 및 제2복합재 섹션을 형성하는 것을 포함한다. 복합재 스플라이스부재가 형성되고 제1, 2복합재 섹션들 사이에 스플라이스 조인트를 형성한다. 스플라이스부재는 제1, 2복합재 섹션들에 접합된다. 스플라이스부재를 접합하는 것은, 조인트에 국부적으로 열과 압력을 가하기 위하여 프레스를 사용하는 것을 포함한다. 접합은, 조인트에 열이 가해지는 동안에 프레스 내에서 조인트에 압력을 가하기 위하여 팽창가능한 압력 블래더(bladder)를 사용하여 수행된다.
다른 실시예에 따르면, 복합재 부품들을 경화하는 장치는, 개방위치(부위를 적재하는 위치)와 폐쇄위치(부위를 경화하는 위치) 사이에서 상대이동 가능한 제1플랫폼과 제2플랫폼, 그리고 부위(part)가 그에 대하여 가압되는 공구를 포함한다. 공구는 제1플랫폼에 의하여 지지된다. 공구에 대하여 부위를 가압하기위하여 적어도 제1블래더가 가압되고 제2플랫폼에 의하여 지지되도록 된다. 공구를 가열하기 위한 수단들이 구비된다. 제1, 2플랫폼들은 독립되게 이동가능하다.
추가로 개시된 실시예에 따르면, 복합재 구조부재의 복합재 섹션들을 접합하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 접합기를 포함하고, 이 접합기는, 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들의 인접한 선단들과, 접합기의 양쪽에서 복합재 섹션들을 맞대기이음 관계로 지지하기 위한 지그들 사이의 조인트에다가 복합재 슬라이스부재를 접합한다.
추가적인 방법 실시예에 따르면, 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 복합재 섹션들을 정렬된 맞대기이음 관계로 지지하는 것을 포함한다. 복합 재 섹션들의 인접한 선단들은 프레스 내에 위치된다. 복합재 섹션들의 인접한 선단들위에 미경화된 스플라이스부재를 위치시킴으로써 복합재 섹션들 사이에 조인트가 형성된다. 프레스는 폐쇄되고 또 열과 압력을 가하기 위하여 프레스를 사용함으로써 스플라이스부재가 복합재 섹션들의 선단들에 접합된다.
다른 실시예에 따르면, 부품을 형성하기 위한 가열된 공구조립체는, 그 사이에서 부품이 형성되는 제1공구와 제2공구를 포함한다. 제1공구를 가열하기 위하여, 매체를 가열하기 위한 히터와, 가열된 매체를 불어주기 위한 송풍기, 가열된 매체를 제1공구 위로 지향하기위한 복수의 노즐들 및 송풍기와 노즐들 사이에 결합된 플리넘(plenum)을 포함하는 수단들이 제공된다.
본 발명 복합재 구조부재는, 제1 복합재 섹션과; 제2 복합재 섹션 및; 제1, 2 복합재 섹션들을 서로 적어도 부분적으로 겹치면서 접합하는 복합재 스플라이스부재를 포함한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 제1, 2 복합재 섹션들이 각각, C자 형상, Z자 형상, J자 형상, T자 형상, I형상 및 모자 형상 단면으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단면을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 스플라이스부재가 스플라이스부재의 단면을 가로질러 연장하는 V자 형상의 길이방향 섹션을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 제1, 2 복합재 섹션들이 각도를 형성하는 다른 방향들로 연장하고, 복합재 스플라이스부재는 제1, 2 복합재 섹션들에 각각 겹쳐져서 접합되는 제1, 2부위들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 복합재 스플라이스부재가 제1, 2 복합재 섹션들 사이에 V자 형상의 조인트를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, V자 형상의 조인트가, 복합재 스플라이스부재와 제1 복합재 섹션 사이의 제1스카프 조인트와, 복합재 스플라이스부재는 제2 복합재 섹션 사이의 제2스카프 조인트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 제1, 2 복합재 섹션들이 항공기를 위한 연속적인 원형부재, 연속 비임, 연속적인 세로부재 또는 연속적인 프레임을 형성하고, 스플라이스부재는 제1, 2 복합재 섹션들에 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명 항공기는, 청구항 제1항의 복합재 구조부재를 포함하는 프레임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 항공기의 프레임의 제조방법은, 복합재 구조부재를 날개조립체에 조립하는 것을 포함하고, 날개조립체는 프레임의 구성부품을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 항공기의 제조방법은, 청구항 제1항에 따른 적어도 하나의 복합재 구조부재로써 항공기를 조립하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 제1, 2 복합재 섹션들이, 원형부재와, 비임, 세로부재 및 프레임으로 구성된 그룹으로부터 선택된 연속적인 부위를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 연속적인 부위는, C자 형상, Z자 형상, J자 형상, T자 형상, I형상 및 모자 형상 단면으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단면을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 제1 복합재 섹션을 형성하고; 제2 복합재 섹션을 형성하며; 복합재 스플라이스부재를 형성하고; 그리고 제1, 2 복합재 섹션들 사이에 스플라이스 조인트를 형성하기 위하여 제1, 2 복합재 섹션들에 복합재 스플라이스부재를 접합하는 것을 포함한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 제1 복합재 섹션을 형성하는 단계가, 복합재 재료들의 제1레이업을 형성하고 이 제1레이업을 경화하는 것을 포함하고, 제2 복합재 섹션을 형성하는 단계는, 복합재 재료들의 제2레이업을 형성하고 이 제2레이업을 경화하는 것을 포함하며, 복합재 스플라이스부재를 형성하는 단계는, 복합재 재료들의 제3레이업을 형성하는 것을 포함하고, 그리고 스플라이스부재를 접합하는 단계는, 제1, 2 복합재 섹션들 위에 제3레이업을 위치시킨다음 이 제3레이업을 경화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 스플라이스부재를 접합하는 단계가, 조인트에 국부적으로 열과 압력을 가하기 위하여 프레스를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 제1레이업을 형성하는 단계가, 제1레이업의 엣지를 따라 제1경사면을 형성하는 것을 포함하고, 제2레이업을 형성하는 단계는, 제2레이업의 엣지를 따라 제2경사면을 형성하는 것을 포함하며, 그리고 제3레이업을 형성하는 단계는, 제3레이업이 제1, 2 복합재 섹션들 위에 위치된 때에 제1, 2경사면들과 각각 겹치는 제3, 4경사면을 형성하는 것을 포함하는 것을 특 징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 스플라이스부재를 접합하는 단계가, 맨드릴을 제공하고, 맨드릴 위에 조인트를 위치시키며, 조인트 위에 진공백을 위치시키고, 그리고 조인트에 압력을 가하기 위하여 백을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 스플라이스부재를 접합하는 단계가, 조인트에 압력을 가하기 위하여 가압된 블래더를 사용하고, 그리고 블래더에 의하여 조인트에 압력을 가해지는 동안에 조인트에 열을 가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 압력을 가하기 위하여 블래더를 사용하는 단계가 프레스 내에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 청구항 제8항의 방법에 의해 만들어진 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재는, 청구항 제8항의 방법에 의해 만들어지되, 제1, 2 복합재 섹션들의 각각은, C자 형상, Z자 형상, J자 형상, T자 형상, I형상 및 모자 형상 단면으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단면을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 제조방법은, 복합재 구조부재가 원형부재와, 비임, 세로부재 및 프레임으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 개방된 위치와 폐쇄된 위치 사이에서 상대적으로 이동가능한 제1, 2 플랫폼과; 그에 대하여 부위가 압착되고, 제1플랫폼에 의하여 지지되는 공구; 공구에 대하여 부위를 압착하기 위하여 제2 플랫폼에 의하여 지지되고 가압되도록 된 적어도 제1블래더 및; 공구를 가열하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 제1, 2 플랫폼의 각각이 이동가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 부위로 향하거나 그로부터 멀어지도록 대체로 수평적으로 선형이동하기 위하여 제1 플랫폼 상에 공구를 장착하기 위한 제1수단; 및 부위로 향하거나 그로부터 멀어지도록 선형이동하기 위하여 제2 플랫폼 상에 제1블래더를 장착하기 위한 제2수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 제2 플랫폼 상에 제거가능하게 장착된 프레임을 추가로 포함하고, 제1블래더는 프레임에 부착되고 프레임을 따라 제2 플랫폼으로부터 제거가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 가열수단이, 공구를 가열하기 위하여 제1 플랫폼 상에 장착된 제1가열 시스템; 및 부위를 가열하기 위하여 제2 플랫폼 상에 장착된 제2가열 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 제1가열 시스템이, 가열원과, 송풍기, 가열된 매체를 이송하기 위하여 송풍기와 가열원과 결합된 배관; 및 가열된 매체를 공구로 지향시키기 위하여 배관과 결합된 노즐들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 공구를 가열하기 위한 수단이, 블래더를 포위하는 단열을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 배관이, 공구로부터 가열된 매체를 이송하기 위한 귀환매체 덕트를 포함하고, 제1 가열 시스템이, 차가운 매체 공급원과, 부위를 냉각하기 위하여 공구로 차가운 매체를 선택적으로 공급하기 위하여 귀환매체 덕트 및 차가운 매체 공급원과 결합된 밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구성부품들을 경화하는 장치는, 매체가 공기 및 오일 중 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 장치는, 2개의 복합재 섹션들의 인접한 선단들 사이의 조인트에 복합재 스플라이스부재를 접합하기 위한 접합기; 및 복합재 섹션들을 맞대기 이음 관계로 지지하기 위하여 접합기의 양쪽에 구비된 지그들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 장치는, 접합기가, 맨드릴과, 접합기 내에서 복합재 섹션들의 선단들을 원하는 정렬로 유지하기 위하여 맨드릴을 복합재 섹션들과 연결하는 정렬핀들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 장치는, 지그들이, 스플라이스부재가 복합재 섹션들 사이의 조인트에 접합될 때, 복합재 섹션들을 원하는 정렬로 유지하고, 그들의 길이를 따라 복합재 섹션들을 지지하기 위하 여 정렬되는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 장치는, 접합기가, 스플라이스부재를 경화하기 위하여 조인트에 열을 가하기 위한 수단과, 경화하는 동안에 복합재 섹션들이 이동하지 않도록 붙잡아주기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 복합재 구조부재의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 장치는, 복합재 섹션들을 붙잡아주기 위한 수단이, 복합재 섹션들의 인접한 선단들을 서로 체결하고 조인트를 팽팽히 당기는 한쌍의 누름판들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 복합재 섹션들을 정렬된 맞대기이음 관계로 지지하고; 복합재 섹션들의 인접한 선단들을 프레스 내에 위치시키며; 복합재 섹션들의 인접한 선단들 위로 미경화된 스플라이스부재를 위치시킴으로써 복합재 섹션들 사이에 조인트를 형성하고; 프레스를 폐쇄하며; 그리고 프레스를 사용하여 조인트에 국부적으로 열과 압력을 가함으로써 복합재 섹션들의 선단들에 스플라이스부재를 접합하는 것을 포함한다.
본 발명 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 복합재 섹션들을 지지하는 단계가, 프레스의 양쪽에 지그들을 위치시키고, 스플라이스부재가 복합재 섹션들의 선단들에 접합됨에 따라 지그들 내에서 복합재 섹션들을 붙잡아주는 것을 특징으로 한다.
본 발명 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 스플라이스부재를 접합하는 단계가, 스플라이스부재 위에 진공백을 위치시키고, 진공백의 공기 를 빼냄으로써 스플라이스부재에 압력을 가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 스플라이스부재를 접합하는 단계가, 프레스 내에서 스플라이스부재와 진공백 위에 압력블래더를 위치시키고, 블래더를 가압함으로써 스플라이스부재에 압력을 가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 조인트를 형성하는 단계가 스플라이스부재와 복합재 섹션들의 선단들을 맨드릴 위에 위치시키는 것을 포함하고, 조인트에 열을 가하는 단계가 맨드릴 위에 뜨거운 매체를 지향시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 조인트에 열을 가하는 단계가, 맨드릴 위로 지향된 매체를 재순환시키고, 매체가 재순환될 때 이를 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 2개의 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 복합재 섹션들이, 바닥 비임과, 원형부재, 프레임 및, 세로부재 중의 하나를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 부위를 형성하기 위한 가열된 공구조립체는, 부위가 형성되는 사이에 구비된 제1, 2 공구를 포함하고; 제1공구를 가열하기 위한 수단이, 매체를 가열하기 위한 히터와, 가열된 매체를 불어주기 위한 송풍기, 제1공구 위로 가열된 매체를 지향시키기 위한 복수의 노즐들, 및 송풍기와 노즐들 사이에 결합된 플리넘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 부위를 형성하기 위한 가열된 공구조립체는, 플리넘이, 매체입구와, 제1공구 상에서 다른 영역들로 매체를 지향하도록 공간적으로 배열된 복수의 매체출구들을 포함하는 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 부위를 형성하기 위한 가열된 공구조립체는, 노즐들 각각이, 가열된 매체가 그를 통하여 제1공구 위로 유동하도록 구멍뚫린 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 부위를 형성하기 위한 가열된 공구조립체는, 제1공구가, 대체로 비어있는 쪽을 갖는 맨드릴이고, 노즐이 맨드릴의 비어있는 쪽 안으로 연장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 부위를 형성하기 위한 가열된 공구조립체는, 제2공구가, 부위를 형성하기 위한 공구표면과, 공구표면을 통하여 열의 방출을 감소하기 위한 열적 단열을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명 연속적인 날개 원형부재를 제조하기 위하여 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 경화된 복합재 제1 원형부재를 형성하고; 경화된 복합재 제2 원형부재를 형성하며; 제 1,2원형부재를 정렬된 맞대기이음 관계로 붙잡아주고; 정렬된 원형부재들의 선단들 사이의 조인트 위로 미경화된 복합재 스플라이스부재를 위치시키며; 정렬된 원형부재들의 선단들과 스플라이스부재를 프레스 내에 위치시키고; 스플라이스부재 위로 진공백을 적용하며; 프레스를 폐쇄하며; 진공백에 진공을 가하고; 공구에 대하여 스플라이스부재를 가압하기 위하여 압력블래더를 사용하여 스플라이스부재에 압력을 가하고; 스플라이스부재를 경화하기 위하여 공구와 스플라 이스부재를 가열하며; 스플라이스부재가 경화된 후 프레스를 개방하고; 그리고 프레스로부터 연속적인 날개 원형부재를 제거하는 것을 포함한다.
본 발명 연속적인 복합재 세로부재를 제조하기 위하여 복합재 섹션들을 접합하는 방법은, 경화된 복합재 제1 세로부재를 형성하고; 경화된 복합재 제2 세로부재를 형성하며; 제 1,2세로부재를 정렬된 맞대기이음 관계로 붙잡아주고; 정렬된 세로부재들의 선단들 사이의 조인트 위로 미경화된 복합재 스플라이스부재를 위치시키며; 정렬된 세로부재들의 선단들과 스플라이스부재를 프레스 내에 위치시키고; 스플라이스부재 위로 진공백을 적용하며; 프레스를 폐쇄하며; 진공백에 진공을 가하고; 공구에 대하여 스플라이스부재를 가압하기 위하여 압력블래더를 사용하여 스플라이스부재에 압력을 가하고; 스플라이스부재를 경화하기 위하여 공구와 스플라이스부재를 가열하며; 스플라이스부재가 경화된 후 프레스를 개방하고; 그리고 프레스로부터 연속적인 복합재 세로부재를 제거하는 것을 포함한다.
본 발명 연속적인 복합재 프레임을 형성하기 위하여 복합재 섹션들을 접합하기위한 장치는, 공구타워와; 공구; 공구타워 상에 공구를 제거가능하게 장착하기 위한 수단; 공구를 가열및 냉각하기 위하여 공구타워 상에 구비된 모듈식 가열 및 냉각시스템; 압력타워; 압력타워 상의 압력블래더; 프레임 섹션들 사이의 스플라이스 조인트에 압력을 가하기 위하여 압력블래더를 가압하기 위한 수단; 공구타워와 압력타워를 서로에 향하여 또는 멀어지게 이동하도록 장착하기 위한 수단; 접합동작 동안에 공구타워와 압력타워를 서로 잠가주기 위한 잠금수단; 및 프레임섹션들을 정렬된 맞대기이음 관계로 지지하면서 또 공구와 압력블래더 사이의 스플라이스 조인트를 붙잡아주기 위한 지그들을 포함한다.
개시된 실시예들은 2개의 복합재 섹션들 사이에 구조적 접합을 형성하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성을 만족하고, 이는 금속제 스플라이스편들의 필요성을 제거하고 또 압력용기 내에서 경화되어야 하는 접합된 조인트를 요구하지 않는다.
도 1은, 세로부재, 원형부재 또는 프레임과 같은(이에 한정되지 않음)연속적인 구조부재(104)를 형성하기 위하여, 복합재 섹션(104a, 104b, 104c)들과 같은 길이가 긴 복합재 섹션들을 접합하기 위하여 사용되는 대표적인 제조 셀(208)를 나타낸다. 적어도 제1복합재 섹션(104a)과 제2복합재 섹션(104b)이, 구조적인 접합을 사용하여 선단과 선단이 맞닿는(이하 맞대기라 함) 관계로 접합되어 스플라이스 조인트(110)를 형성한다. 복합재 섹션 (104-104c)들은 복수의 정렬된 접합조립체 지그(184)들에 의하여 지지된다. 접합조립체 지그(184)들은 복합재 섹션(104a-104c)들을 정렬된 관계로 지지하는 한편, 접합 스테이션(210,212)에 각각 위치된 접합기(186)들로 복합재 섹션(104a-104c)들이 그 길이방향 축들을 따라 당겨지도록 한다. 접합스테이션 (210,212) 들은 구조부재 (104)의 길이를 따라 위치되고, 거기서 스플라이스 조인트(110)들이 접합된다.
도 2 내지 4를 참조하여, 개시된 실시예들을 따르면, 구조부재(104)는 복합재 섹션(104a, 104b, 104c)들과 같은 다수의 복합재 섹션들을 스플라이스 조인트(110)들을 사용하여 맞대기 접합으로 형성된다. 도 3은 하나의 특정한 구조부재(104)의 평면도를 나타내고, 여기서 제1, 2 복합재 섹션(104a, 104b)들은 각각 스플라인 조인트(110)에서 서로 접합되어 "A"로 표시된 "비틀림(kink)" 또는 각도를 형성한다. 복합재 섹션(104a-104c)들의 각각은 임의의 다양한 단면 기하구조를 갖는 경화된 복합재 적층물을 구성하는바, 그러나 후술하는 바와 같이 실시예들을 설명하기 위하여 선정된 복합재 섹션(104a-104c)들은 도 4에 도시된 바와 같이 C자형상 단면을 갖는다.
여기서, 도면들에서는 특별한 구조부재(104)가 나타내어졌지만, 개시된 실시예들은 복합재 스플라이스 조인트(110)들을 사용하여 복합재 섹션들을 서로 접합함으로써 임의의 다양한 긴 구조부재들을 형성하는데 적용될 수 있다. 예컨대, 그리고 이에 한정됨이 없이, 개시된 실시예들은 복합재 색션들, 특히 단지 몇몇 예를 든 것이지만 복합재 바닥 비임(beam), 프레임, 세로부재들을 형성하기 위하여 길이가 긴 섹션들을 접합하기 위하여 사용된다. 더구나, 구조부재들은, 도 5에 도시된 Z형상, 도 6에 도시된 T 형상, 도 7에 도시된 J형상, 도 8에 도시된 모자 형상, 또는 도 9에 도시된 I형상을 포함하는(이에 한정되지 않음)임의의 다양한 단면형상들을 가질 수 있다.
이제 도 2와 도 3을 참조하면, 인접한 제1, 2 복합재 섹션(104a, 104b)들은 복합재 스플라이스부재(112)를 사용하여 서로 접합되는바, 이는 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복합재 섹션(104a, 104b)들의 단면에 대응하는 대체로 C자 형상 단면을 갖는다. 스플라이스부재(112)는, 웹(112c)에 의하여 연결된 상부 및 하부 플랜지(112a, 112b)들을 포함한다. 비록 설명된 예에서는 스플라이스부재가, 하나의 조각으로 이루어진 것으로 도시되지만, 어떤 적용예에서는 스플라이스부재가 2개 이상의 섹션들 또는 조각들로 구성될 수 있다. 복합재 섹션(104a, 104b)들은 미소한 각도 "A"를 형성하기 때문에(도 3), 스플라이스부재(112)는 각도 "A"와 대체로 동일한 각도를 형성하는 도 2에 도시된 바와 같은 2개의 인접한 섹션(114)들을 포함한다. 도 9에 가장 잘 도시된 바와 같이, 스플라이스부재(112)는 인접한 복합재 섹션(104a, 104b)들과 겹치는 스카프 타입의 조인트(110)를 형성한다. 그러나, 여기서 스카프 타입의 조인트가 나타내어졌지만, 겹치기 조인트(lap joint), 계단 겹치기 조인트(step lap joint), 장부촉이음(tabled joint)등을 포함하는(이에 한정되지 않음) 스플라이스 조인트(110)를 형성하기 위하여 다른 타입의 조인트들이 사용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 복합재 섹션(104a, 104b)들 각각은, 탄소섬유 에폭시와 같은 섬유보강 폴리머수지의 다수 적층된 플라이(도시안됨)들을 포함하고, 바깥쪽 엣지(117)들은 테이퍼지거나 경사진 기하구조를 형성하는 플라이 경사면 (drop-offs: 도시안됨)을 포함한다. 마찬가지로, 스플라이스부재(112)는 복합재 섹션(104a, 104b)들의 플라이들과 각각 정렬된 섬유보강 폴리머수지의 다수의 플라이(도시안됨)들로부터 형성된다. 스플라이스부재(112)는, 기울어지거나 경사진 표면(116)을 한정하는 대체로 V자 형상을 갖고, 이 경사면(116)은, 복합재 섹션 (104a, 104b)들의 바깥쪽 인접한 선단들 상에 있는 대응하는 경사진 엣지(117)들에 겹쳐지고 접합되어 스플라이스 조인트(110)을 형성한다. 상기에서 언급하였듯이, 스플라이스 조인트(110)가 설명되었지만, 적용예에 따라 다른 스플라이스 구조들도 가능하다.
이제, 복합재 섹션(104a-104c)들의 구조적 접합방법들을 개략적으로 나타내는 도 11를 참조하기로 한다. 단계 126에서 시작하면, 복합재 섹션(104a-104c)들이 적합한 공구(도시안됨) 상에서 레이업된 다음, 일반적으로 압력용기(autoclave:도시안됨)내에서 열과 압력을 사용하여 단계 128에서 개별적으로 경화된다. 다음, 단계 130에서, 제1, 2 복합재 섹션(104a, 104b)들과 같은 2개의 인접한 복합재 섹션들의 선단들을 수용할 준비를 하기 위하여 접합기(186)(도 1)가 개방된다.
단계 132에서, 제1, 2 복합재 섹션(104a, 104b)들은 접합조립체 지그(184: BAJ)(도 1 참조)내에 적재되고, 서로 정렬된다. 다음. 단계 134에서, 제1, 2 복합재 섹션(104a, 104b)들의 선단들을 접합기 내로 밀어넣는다. 단계 134에서 스플라이스부재(112)가 레이업되어 공구(도시안됨)상에 형성된 후, 스플라이스부재(112)는 단계 138에서 도시된 바와 같이, 스플라이스 조인트(110)에서 복합재 섹션(104a, 104b)들 상에 정렬되고 설치된다.
단계 140에서, 스플라이스부재(112)를 포함하는 스플라이스 영역 위에 진공백이 설치되고, 이어서 단계 142에서 접합기(186)가 폐쇄된다. 단계 144에서 도시된 일련의 단계들에 의하여 미경화된 스플라이스부재(112)가 복합재 섹션 (104a, 104b)들의 선단들에 접합된다. 단계 146에서 시작하면, 스플라이스부재 (112) 레이업의 플라이들을 부분적으로 통합하기 위하여 진공백 내에 진공이 도입된다. 다음, 단계 148에서, 가방과 같은 압력블래더(pressure bladder: 후술됨)가 가압되고, 이 는 맨드릴(194)(도 13)에 대하여 스플라이스부재(112)와 복합재 섹션 (104a, 104b)들을 가압함으로써, 스플라이스부재 (112) 레이업의 플라이들을 추가로 통합한다.
이때, 단계 150에서 가열사이클이 시작되어, 미경화된 스플라이스부재(112)를 경화하고 이를 복합재 섹션 (104a, 104b)들에 접합하여 스플라이스 조인트(110)를 형성하기 위하여, 복합재 섹션 (104a, 104b)들과 스플라이스부재(112)가 국부적으로 가열된다. 끝으로 단계 152에서, 스플라이스부재(112)가 냉각되고, 이어서 단계 154에서 접합기(186)가 개방된다. 단계 156에서, 진공백이 제거되고, 필요하다면 단계 158에 도시된 바와같이, 스플라이스부재(112)가 트리밍된다. 결과적으로 얻어진 접합된 스플라이스 조인트(110)는 단계 160에서 비파괴적으로 검사(NDI)되고, 이어서 접합조립체 지그(184)들로부터 구조부재(104)가 제거된다. 적용예에 따라서, 완성된 구조부재(104)는 단계 164에서 도장되고 밀봉된다. 여기서 단계들 158-164은 임의로 원하는 순서대로 수행될 수 있다.
도 11과 관련하여 상기에서 설명된 방법의 실시예에서, 복합재 섹션 (104a, 104b)들은, 미경화된 스플라이스부재(112)가 스플라이스 조인트(110)에 적용되기 전에 경화된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 복합재 섹션 (104a, 104b)들의 일부 만이 미경화된 스플라이스부재(112)가 스플라이스 조인트(110)에 적용되기 전에 경화되는 것이 가능하다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 스플라이스부재(112)에 걸치는 복합재 섹션 (104a, 104b)들의 부위(115)들은, 스플라이스부재(112)가 스플라이스 조인트(110)에 적용되는 때에 미경화 또는 부분적으로 경화된("스테이지 된") 상태일 수가 있고, 반면에 복합재 섹션 (104a, 104b)들의 나머지 영역들은 경 화된 상태이다.이러한 변형예에서, 복합재 섹션 (104a, 104b)들의 미경화된 부위(115)들은 미경화된 스플라이스부재(112)와 경화된다.
도 12는 접합기(186)를 위한 제어시스템의 구성부품들을 개략적으로 나타낸프로그램가능한 로직제어기(PLC) 또는 퍼스널 컴퓨터(PC)를 포함하는 제어기(166)는, 미리 프로그램된 방식으로 제어기능들을 자동적으로 수행하기 위하여 다양한 소프트웨어 프로그램들을 사용할 수 있다. 조작자 제어 및 디스플레이(180)는, 설정의 조정 및 공정정보의 표시를 허용하기 위하여 조작자가 소프트웨어 프로그램 (178)들에 접근하여 제어기(166)와 인터페이스를 형성하도록 해준다. 어떤 경우들에 있어서, 제어기(166)는 접합조립체 지그(184)(도 1)들과 결합되어 길이가 긴 복합재 섹션 (104a, 104b)들의 서로에 대한 위치를 감지하거나 제어한다.
제어기(166)는, 가열/냉각 시스템(192, 196), 블래더 가압(174) 및 백 진공(176)을 포함하여, 접합기(186)상의 여러 구성부품들 및 시스템들을 제어한다. 접합기(186)는, 온도 및 압력과 같은 신호를 제어기(166)로 제공하는 후술하는 다양한 센서(182)들을 포함한다.
도 13은, 접합기(186)의 기능적 블록다이어그램으로서, 개략적으로 제1(공구) 플랫폼(188)과 제2(압력) 플랫폼(190)을 포함한다. 플랫폼(188,190)들은, 서로에 대하여 가까워지거나 멀어지면서 선형 수평이동하도록 공통 베이스(202) 상에 가이드(204)들에 의하여 미끄럼 또는 구름운동하도록 장착된다. 후술하는 바와 같이, 플랫폼(188,190)들은 도 13에 도시된 개방위치로부터 폐쇄위치(도 16과 21)로 이동할 수 있고, 이 폐쇄위치에서 접합조립체 지그(184)에 의하여 지지되는 동안에, 조립된 복합재 섹션(104a, 104b)들의 선단들과 스플라이스부재(112)를 포함하는 스플라이스 영역에는 국부적으로 열과 압력이 가해진다. 이렇게 국부적으로 가해진 열과 압력은 스플라이스부재(112)를 복합재 섹션(104a, 104b)들에 구조적으로 접합하여 접합된 스플라이스 조인트(110)를 만든다. 플랫폼(188,190)들은, 인출 및 잠금(206)을 사용하여 그들의 폐쇄위치에 하강되어 잠가진다. 공구 플랫폼(188)은, 센서(182)들과, 가열/냉각 시스템(192) 및, 맨드릴(194)를 포함한다. 마찬가지로, 압력 플랫폼(190)은, 센서(182)들과, 가열/냉각 시스템(192), 압력 블래더(198) 및, 백(bag)의 진공을 인출하고 블래더(198)를 가압하는 데 사용되는 펌프(200)를 포함한다.
접합기(186)의 보다 상세한 구성을 나타내는 도 13-15를 참조한다. 접합기(186)는 개략적으로 공구타워(235)와 압력타워(245)를 포함하고, 이들 사이에서 조립된 스플라이스부재(112)와 복합재 섹션(104a, 104b)들이 구조적으로 접합되어 접합된 스플라이스 조인트(110)를 형성한다. 공구타워(235)는, 임의의 적합한 수단에 의하여 베이스(202)상에서 선형 수평이동하도록 장착된 공구 플랫폼(188)을 포함한다. 설명된 예에서, 플랫폼(188)은 트랙(220)들에 의하여 안내되는 다리부(204)들을 포함한다. 맨드릴(194)을 포함하는 공구는, 가압판(214)에 차례로 고정된 맨드릴 베이스(215)상에 장착된다. 가압판(214)은 공구 플랫폼(188)상에 지지된다. 맨드릴 베이스(215)는, 맨드릴(194)이 쉽게 제거 및/또는 교체되도록 일련의 잠금레버(225)들에 의하여 가압판(214)으로부터 해제가능하다.
압력타워(245)는, 트랙(220)들과 결합하는 다리부(204)를 또한 갖는 압력 플 랫폼(190)을 포함한다. 팽창가능한 압력 블래더(198)는 덮개(224)에 고정된 프레임(199)내에 유지된다. 덮개(224)는 또한, 압력 플랫폼(190)상에 장착된 가압판(220)에 고정된다. 가열/냉각 시스템(192, 196)들은 각각, 맨드릴(194)과 압력 블래더(198)주변 영역을 가열 및 냉각하기 위하여 주행하는 플랫폼(188, 190)들 상에 장착된다. 외부커버(226)들은, 공구 및 압력타워(235, 245)상의 구성부품들을 각각 보호하도록 포위하기 위하여 채용된다. 플랫폼(188, 190)들을 구동하여 도 13 과 14에 도시된 개방(부위를 적재/하역하는) 위치와 도 16에 도시된 폐쇄(부위를 경화하는)위치 사이에서 트랙(220)을 따라 주행하도록 전기 또는 다른 형태의 모터(도시 안됨)가 사용된다. 타워(235, 245)들 사이에 인출봉(221)(도 14)이 연결되어, 플랫폼(188, 190)들을 최종 폐쇄위치로 인출하도록 적용된다.
특히, 도 17을 참조하면, 가압 블래더(198)는, 맨드릴(194)의 형태와 유사한, 대체로 C자 형상의 단면을 갖는다. 블래더(198)는, 예를 들어(이에 한정되지 않음) 실리콘고무를 포함하는 특별한 적용예를 위한 온도 및 압력에 견딜 수 있는 임의의 적합한 재료로 형성된다. 액체연결(232)은, 블래더(198)를 출입하는 가스 또는 액체인 가압된 액체를 허용한다.
도 17을 참조하면, 이는 접합작동을 준비하기 위하여 접합기(186)를 준비하고 폐쇄하는 단계들을 나타낸다. 먼저, 스플라이스부재(112)가, 기설명된 접합조립체 지그(184)들에 의한 공학적으로 한정된 공간에 지지된 복합재 섹션(104a, 104b)들 사이의 조인트(110)위에 적용된다. 다음, 접합기(186)가 여전히 열린 상태에서, 진공 백(234)이 스플라이스부재(112)위에 적용된다. 스플라이스부재(112)와 진공 백(234)은, 조인트(110)의 한 쪽에 플라이의 생성(build-up: 도시안됨)들을 포함하는 복합재 섹션(104a, 104b)들의 전체 두께로 연장한다. 스플라이스부재(112)와 진공 백(234)이 설치되면, 플랫폼(188,190)을 서로에 대하여 각각 움직여줌으로써 접합기(186)가 폐쇄된다. 앞서 언급한 바와같이, 압력블래더 덮개(224)에 대한 맨드릴(194)의 위치를 잠그기 위하여 잠금아암(218)(도 15)이 회전될 수 있을 때까지 플랫폼(188,190)을 함께 끌어당기기 위하여, 필요하다면 인출봉(221)이 채용될 수 있다.
도 19를 참조하면, 복합재 섹션(104a, 104b)들이 국부적으로 가열되는 경화공정 동안에, 복합재 섹션(104a, 104b)들은 그들의 세로축(265)을 따라 움직인다.최종 조립조건들을 달성하기 위하여, 이러한 움직임은, 스플라이스 조인트(110)를 팽팽히 잡아당기고 복합재 섹션(104a, 104b)들의 인접한 선단들을 서로 체결하는 한쌍의 누름판(236)을 사용하여, 복합재 섹션(104a, 104b)들을 붙잡아 줌으로써 대체로 감소된다. 누름판(236)들은, 스플라이스 조인트(110) 위에 놓여 지고 복합재 섹션(104a, 104b)들을 견고하게 연결하는 복합재 섹션(104a, 104b)들의 상부 및 바닥부 상에 있는 내마모성의 여분의 엣지섹션(도시안됨)들에 고정된다.
도 20을 참조하면, 이는 스플라이스 조인트(110)의 영역을 스플라이스 조인트(110)의 경화에 충분한 온도로 가열하고, 경화 후에 스플라이스 부재(112)를 냉각하는 데에 사용되는 가열/냉각 시스템(192, 196)들의 추가적인 상세내용을 도시한다. 공구타워(235) 쪽에서, 가열요소(216)가 공급덕트(238)를 통해 매니폴드(240)로 공급된 매체를 가열하고, 매니폴드(240)는 가열된 매체를 분배덕 트(242)들로 보낸다. 분배덕트(242)들은, 가열된 매체를 노즐(244)들로 공급하고, 노즐(244)들은 그 한 쪽이 비어있는 맨드릴(194)의 내부표면 위로 가열된 매체를 지향되게 한다. 여기서 사용된 "매체" 와 "가열된 매체"는 공기와 다른 가스들 뿐만 아니라 오일을 포함하는 액체들을 포함하는(이에 한정되지 않음) 유동가능한 다양한 매체들을 포함한다. 유도가열과 같은(이에 한정되지 않음) 다른 형태의 가열방식이 또한 가능하다.
압력타워(245) 쪽에서, 가열요소(230)가 공급덕트(246)를 통해 매니폴드(248)로 공급된 매체를 가열하고, 매니폴드(248)는 가열된 매체를 분배덕트(250)들로 보낸다. 분배덕트(250)들은, 뜨거운 매체를 노즐(252)들로 공급하고, 노즐(252)들은 압력블래더(198)와 스플라이스부재(112)의 외부성형라인(outside mold line: OML)을 포위하는 영역으로 매체를 지향되게 한다.
도 21은 가열/냉각 시스템(192, 196)들 뿐만 아니라 진공백 제어(274) 및 블래더압력 제어(282)와 같은 다른 시스템들의 추가적인 구성부품들을 나타낸다. 맨드릴(194)을 가열하기 위하여, 주위 매체가 히터(216)를 통하여 도입되고, 매니폴드(240)에 의하여 노즐(244)들로 분배된다. 히터(216)는, 진공백 압력센서(295)와, 맨드릴 히터매체 온도센서(277), 맨드릴 외피(lag) 온도센서(262) 및, 맨드릴 제어온도(264)로부터 수신된 데이타에 부분적으로 기초한 가열제어(272)에 의하여 제어된다.
압력타워(245) 쪽에서, 주위 매체가 히터(230)를 통하여 뜨거운 매체 매니폴드(248)로 도입되고, 이 매니폴드(248)는 뜨거운 매체를 노즐(244)들로 분배한다. 압력블래더(198)에 가해진 압력은, 압력데이터를 가열제어(276)로 제공하는 압력센서(297)를 포함하는 압력제어(282)에 의하여 제어된다. 히터(230)를 통하여 유동하는 매체는, 압력제어 온도센서(266)와 압력히터 온도센서(301)에 의하여 생성된 데이타에 기초한 제어(276)에 의하여 추가로 제어된다.
도 22를 참조하면, 이는 공구타워(235)의 변형예를 나타낸다. 이 예에서, 자기수납형 모듈식의 가열/냉각시스템(284)이 주행하는 플랫폼(288)상에서 레일(도시안됨)에 의하여 지지된다. 플랫폼(288)은 이동가능한 베이스(290)상에서 선형적으로 이동가능하다. 맨드릴(194)은, 맨드릴이송대(286) 상에 제거가능하게 지지된 맨드릴 베이스(342)에 고정된다. 그리하여, 맨드릴이송대(286)는 플랫폼(288)으로부터 쉽게 제거될 수 있고, 맨드릴 베이스(342)를 따라 맨드릴(194)이 맨드릴이송대(286)로부터 제거될 수 있다. 가열/냉각시스템(284)은, 해제가능한 연결기(327)들에 의하여 맨드릴(194)과 해제가능하게 결합된 후술하는 매체 공급 및 귀환덕트(도 22에 도시안됨)를 포함한다.
가열/냉각시스템(284)의 추가적인 상세내용이 도 22-25에 도시된다. 송풍기 구동모터(325)는, 히터(216)를 통해, 그 다음 덕트(296)를 통해 한쌍의 뜨거운 매체공급덕트(314, 316)로 매체를 이동시키는 송풍기(294)를 구동한다. 뜨거운 매체 공급덕트(314, 316)들은, 맨드릴 베이스(342)의 뒤를 관통하는 입구연결(326, 328)(도 25)들과 각각 결합된다. 입구연결(326, 328)들을 통해 공급된 뜨거운 매체는, 이하에서 상세히 설명될 노즐조립체(300)(도 24)로 공급된다. 노즐조립체(300)로부터 귀환된 매체는, 귀환매체 입구연결(330)를 통과하여 귀환덕트(318)을 매래 고 전환밸브(322)로 공급된다.
도 24는 노즐조립체(300)의 추가적인 상세내용을 나타낸다. 노즐조립체(300)는 맨드릴(194)의 뒤에 고정된다. 노즐조립체(300)에는 박스 형상의 구멍이 뚫린 노즐(338)들이 부착된다. 구멍이 뚫린 노즐(338)들은, 부분적인 격벽(194a)에 의하여 한정된 맨드릴(194)에서 칸막이 방 또는 영역(339)내로 연장한다. 각 노즐(338)은 체결부재(도시안도힘)로써 프레임(334)에 고정된다. 매체 입구연결(326, 328)들은 프레임(334)에 고정된 판(331)에 고정된다. 귀환매체 연결(330)은, 그를 관통하여 입구연결(326, 328)들이 연장하는 개구부(도시안됨)를 포함하는 판(336) 위에 장착된다. 입구연결(326, 328)들로 유입되는 매체는, 맨드릴(194)의 내면에 대체로 균일하게 매체를 공급하는 노즐(338)응 통과한다. 귀환매체는 연결(330, 327)을 통하여 전환밸브(322)(도 23)로 통과한다.
도 25-26을 참조하면, 전환밸브(322)는, 아암(374, 376)에 의하여 각각 제어되는 한쌍의 힌지연결된 밸브부재(378, 380)을 포함한다. 차가운 매체 입구(372)는, 밸브(322)로 차가운 매체가 유입되도록 선택적으로 개방된다. 도 26에 도시된 조건에서, 밸브(380)는 폐쇄되고, 밸브(378)는 개방되어 입구(324)를 통해 수용된 귀환매체를 허용하여 출구(370)를 통해 배출되도록 하고, 그리하여 가열 사이클 동안에 재순환하도록 한다. 밸브부재(380)는 가열 사이클 동안에 차가운 매체입구 (372)를 폐쇄한다.
도 26은 냉각사이클 동안에, 차가운 매체가 맨드릴(194)로 공급될 때 전환밸브(322)의 조건을 나타낸다. 밸브(378)는, 입구(324)를 통해 수용된 귀환매체를 매 체 통기공(375)을 통해 전환하는 제2위치로 이동된다. 밸브부재(380)는 또한 자신의 개방위치로 이동되어, 차가운 매체가 입구(372)를 통해 유입되고, 맨드릴(194)로 공급되도록 출구(370)를 통과한다.
도 26-30을 참조하면, 이는 맨드릴(194)과, 맨드릴 이송대(286)상에서 맨드릴 베이스(342)의 장착의 상세내용을 잘 나타낸다. 맨드릴 이송대(286)상의 핀(351)(도 30)들은, 맨드릴 베이스(342)에 고정된 브래킷(346)들에 결합된 소켓(348)(도 27 및 28)내에 수용된다. 맨드릴 베이스(342)의 뒷쪽의 위치제한 핀(363)은 맨드릴 베이스(342)와 맨드릴 이송대(286)사이에 제3접촉점을 제공한다. 위치제한 핀(363)은 맨드릴 이송대(286) 상에서 멈춤편(367)(도 30)과 결합한다. 소켓(348)들과 핀(351)들 사이에 형성된 볼조인트 연결은, 맨드릴(194)과 맨드릴 베이스(342)가 도 30에 도시된 바와같이 X축 및 Y축을 따라 연장하도록 하는 한편, 위치제한 핀(363)은 X축을 따른 그러한 운동을 제한한다. 맨드릴 베이스(342)는, 편차를 최소화하고, 맨드릴(194)을 통한 압력시스템의 힘에 반응하도록 설계되어 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, 맨드릴(194)은, 각각이 보유핀(350)을 구비한 선단 브래킷(352)을 포함한다. 보유핀(350)들은, 접합공정 동안에 복합재 섹션(104a, 104b)들이 정렬된 위치에 유지되도록 복합재 섹션(104a, 104b)들에 구비된 개구부(도시안됨)내에 수용된다.
도 31을 참조하면, 맨드릴(194)은 체결부재(도시안됨)를 사용하여 맨드릴 베이스(342)에 고정된다. 맨드릴 베이스(342)로부터 맨드릴(194)을 단열시키기 위하여, 서로 이격된 열장벽(364)들을 따라 맨드릴(194)과 맨드릴 베이스(342)사이에 단열시이트(358)가 끼워진다.
도 32는 경화공정 동안에, 스플라이스 조인트(110)(도 10)의 영역에 열을 보유하는 것을 돕는 기능을 하는 블래더(198)를 감싸는 단열(366)의 사용을 나타낸다. 이 실시예에서, 스플라이스부재(112)(도 10)의 경화에 필요한 열은, 도 23와 관련하여 이미 설명한 바 있는 가열시스템(284)을 사용하여 공구 측(도 15에서 공구타워(235))으로부터만 제공된다. 몇몇 실시예들에서, 블래더(198)와 주변 단열(366) 사이에 선택적인 가열요소(히터:도시안됨)을 위치시키는 것이 필요하거나 또는 바람직하다.
도 33을 참조하면, 제거가능한 블래더 조립체(382)는 팽창가능한 블래더(198)를 포함한다. 블래더(198)의 엣지들은 반(semi)가요성 재료로 형성된 반(semi)강성의 프레임(199)에 고정된다. 블래더 프레임(199)은, 블래더조립체(382)가 쉽게 제거 및/또는 교체되도록 하면서 프레임(199)을 스냅끼워맞춤 관계로 지지하는 일련의 리테이너(386)들에 의하여 블래더 덮개(224)에 해제가능하게 지지된다.
블래더(198)는 단일의 블래더이거나, 또는 도 33 과 34에 도시된 타입의 중복된 이중블래더를 포함한다. 블래더프레임 리테이너(386)들은 블래더덮개(224)에 고정되고 대체로 원형 단면을 갖는다. 블래더프레임(199)은, 보강된 실리콘과 같은 반강성 재료로 만들어지고, 그 원주를 따라 리테이너(386)를 스냅끼워맞춤 관계로 수용하는 원형 홈(도시안됨)을 포함한다. 제1블래더(198)가 새는 경우를 대비하여 중복되게 제1(외부)블래더의 내부에 팽창가능한 제2블래더(398)가 위치된다. 도 35 는, 열이 접합기(186)의 공구 측에만 제공되는 경우 맨드릴(194)을 통하여 발생되는 열을 보유하기 위하여 단열(366)을 사용한 것을 나타낸다.
도 36을 참조하면, 이는 도 19와 관련하여 이미 설명된 누름판(236)들의 사용을 제거한 블래더프레임(199)의 변형예를 나타낸다. 가압블래더(198)는, 단열 (366)을 따라 덮개(224)상에 지지된 블래더프레임(199)에 부착된다. 블래더(198)는, 블래더(198)와 맨드릴(194)사이에 포위된 복합재 섹션(104a)에 대하여 지탱된다. 프레임(199)은, 복합재 섹션(104a)위에 놓이면서 이를 지탱하는 부위(394)를 포함하는 강성의 플랜지(355)를 갖는다. 플랜지(355)는, 복합재 섹션(104a)에 대하여 충분한 힘을 가하고 또 이를 불룩하게 하는 것을 도와, 복합재 섹션(104a)이 움직이는 것을 억제하고, 이에따라 누름판(236)의 필요성을 제거한다.
도 37을 참조하면, 이는 맨드릴(194)에 대하여 덮개(224)를 위치시키는 덮개카트(388)의 사용을 나타낸다. 덮개카트(388)는 작업영역에 수동으로 위치된다. 작업높이로 상승된 후, 이는 맨드릴(194)쪽으로 이동된다. 카트(388)는, 로울러(도시안됨)들 상에 장착된 이동가능한 베이스(390)와, 작동기 피스턴(391)에 의하여 구동되는 승강기구(388)를 포함한다. 승강기구(388)는 덮개(224)를 원하는 높이로 상승시키는데 사용되고, 이동가능한 베이스(390)는 접합작동을 준비하기 위하여 도 37에 도시된 위치로 덮개(224)를 이동시키는데 사용된다. 승강기구(388)는, 복합재 섹션(104a, 104b)들 또는 맨드릴(194)에 하중을 가하지않고 덮개위치에 미세한 조정이 가능하도록 되어있다. 덮개(224)와 플랫폼(288)상의 위치장치(392a, 392b)들은, 덮개가 폐쇄위치로 이동된때 서로에 대하여 정렬된 관계가 되는 것을 확실히 해준다.
도 38과 39는 맨드릴 조립체와 가열시스템(284)의 모듈식 속성을 나타낸다. 도 38에 도시된 바와 같이, 플랫폼(288)은 후퇴위치에 있고, 맨드릴(194)는 가열시스템(284)과 결합된다. 맨드릴(194)을 제거 및/또는 교체하기 위하여, 플랫폼(288)은 도 38에 도시된 바와 같이 베이스(290)상에서 전진위치로 이동된다. 다음, 해제가능한 연결(327)들을 이용하여 가열시스템(284)이 맨드릴(194)로부터 분리된다.
상기에서 개시된 실시예들은 다양한 잠재적인 적용예에서 사용될 수 있는바, 특히 예컨대 항공, 해상 및 자동차 적용을 포함하는 운송산업에 사용될 수 있다. 그래서, 도 40 과 41을 참조하면, 개시된 실시예들은 도 40에 도시된 바와 같은 항공기 제조 및 서비스 방법(400)과, 도 41에 도시된 바와 같은 항공기(402) 관련하여 사용될 수 있다. 예비제작 동안에, 예시적인 방법(400)은, 항공기(402)의 사양 및 설계(404)와 재료확보(406)를 포함한다. 제작 도중에, 항공기(402)의 부품및 서브조립체 제작(408)과 시스템 통합(410)이 이루어진다. 그 후, 항공기(402)는 서비스(414)에 제공되기 위하여 인증 및 인도(412)가 이루어진다. 고객에 의하여 서비스되는 동안에, 항공기(402)는 정례적인 유지 및 서비스(416)(이는 또한 수정, 재구성, 교체 등을 포함)가 예정되어 있다.
방법(400)의 각 공정은 시스템 통합기, 제3자 및/또는 조작자(예컨대, 고객)에 의하여 수행된다. 본 설명의 목적을 위하여, 시스템 통합기는 이에 한정됨이 없이 임의 숫자의 항공기 제조자들 및 주요시스템 하청업자들을 포함하고; 제3자는 이에 한정됨이 없이 임의 숫자의 판매자들, 하청업자들 및 공급업자들을 포함하며; 조작자는 항공회사, 리스회사, 군사조직, 서비스기구 등일 수 있다.
도 41에 도시된 바와 같이, 예시적인 방법(400)에 의하여 제작된 항공기(402)는, 복수의 시스템(420)들과 내장(422)들을 갖는 프레임(418)을 포함한다. 높은 레벨 시스템(420)들의 예들은, 하나 이상의 추진시스템(424)과, 전기시스템(426), 유압시스템(428)과 환경시스템(430)을 포함한다. 임의 갯수의 다른 시스템들이 포함될 수 있다. 비록 항공기 예가 도시되었지만, 개시된 원칙들은 해상 및 자동차 산업들과 같은 다른 산업들에도 적용될 수 있다.
여기서 구체화된 시스템들과 방법들은, 제조 및 서비스방법(400)의 임의의 하나 이상의 단계들 동안에 적용될 수 있다. 예컨대, 제조공정(408)에 대응하는 부품 및 서브조립체들은, 항공기(402)가 서비스에 적용되는 동안에 제조된 부품 및 서브조립체들과 동일한 방식으로 조립되거나 제조될 수 있다. 또한, 하나 이상의 장치 실시예들, 방법 실시예들, 또는 이들의 조합이 제조단계(408, 410) 동안에, 예컨대 대체로 항공기(402)의 조립을 신속히하거나 제조원가를 저감함으로써 활용될 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 장치 실시예들, 방법 실시예들, 또는 이들의 조합이, 항공기(402)가 서비스에 제공되는 동안에 예컨대, 유지 및 서비스(416)에 그리고 이에 한정되지않고 활용될 수 있다.
비록 본 개시의 실시예들이 특정한 예시적인 실시예들에 대하여 설명되었으나, 특정한 실시예들은 설명을 위한 것이고 이에 한정되지 않으며, 당업자들에게는 다른 변경들이 이루어질 수 있다.
도 1은 연속한 구조부재를 형성하기 위하여 복합재 섹션들을 접합하기 위한 장치의 개략적인 블럭다이어그램이다.
도 2는 도 1에 도시된 2개의 복합재 섹션들 사이의 스플라이스 조인트에 대한 측면도이다.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 선 4-4를 따른 단면도이다.
도 5 내지 도 9는 다른 타입의 구조부재들의 형태를 나타내는 단면도들이다.
도 10은 도 3에서 "B"로 표시된 영역의 단면도이다.
도 11은 복합재 섹션들의 구조접합을 위한 방법을 나타내는 간략화된 플로우 다이어그램이다.
도 12는 복합재 섹션들의 구조접합을 위한 장치에 사용된 제어시스템을 나타내는 블럭 다이어그램이다.
도 13은 복합재 섹션들의 구조접합을 위한 장치의 기능적 블럭 다이어그램이다.
도 14는 개방위치에 있는 접합기의 블럭다이어그램이다.
도 15는 도 14에 도시된 접합기의 사시도이다.
도 16은 폐쇄위치에 도시된 접합기의 다른 블럭다이어그램이다.
도 17은 압력 블래더의 블럭 다이어그램이다.
도 18은 접합기 상에 진공백과 스플라이스부재의 설치를 설명하는 블럭다이 어그램이다.
도 19는 경화공정 동안 복합재 섹션들을 지지하기 위하여 사용된 한쌍의 누름판들을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 20은 맨드릴과 블래더를 가열하기 위하여 사용된 가열시스템들을 나타내는 블럭 및 개략도이다.
도 21은 접합기의 제어시스템 성형부의 구성부품들을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 22는 공구타워의 변형된 형태에 대한 개략도로서, 모듈식 가열/냉각시스템을 나타낸다.
도 23은 도 22에 도시된 모듈식 가열/냉각시스템의 추가적인 구성부품들을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 24는 맨드릴조립체와 모듈식 가열/냉각시스템 사이의 연결들을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 25는 모듈식 가열/냉각시스템의 전환밸브 형성부의 블럭 다이어그램으로서, 밸브가 가열모드로 절환된 것을 나타낸다.
도 26은 도 25와 유사한 블럭 다이어그램이지만, 밸브가 냉각모드로 절환된 것을 나타낸다.
도 27은 맨드릴 조립체의 구성부품들을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 28은 맨드릴 조립체의 추가적인 구성부품들을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 29는 원형부재 섹션들을 인덱싱하는데 유용한 맨드릴의 상세를 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 30은 맨드릴 이송대의 블럭다이어그램이다.
도 31은 맨드릴 조립체의 구성부품들과 맨드릴 베이스 사이의 관계를 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 32는 블래더와 덮개 조립체의 블럭다이어그램이다.
도 33은 제거가능한 블래더와 프레임을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 34는 이중압력 블래더의 블럭다이어그램이다.
도 35는 복합재 섹션들에 압력을 가하기 위한 압력 블래더를 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 36은 경화 중에 복합재들을 제위치에 지지하기에 유용한 프레임의 변형된 형태를 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 37은 공구 플랫폼에 대한 이동가능한 압력덮개카트를 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 38은 후퇴위치에 있는 공구 플랫폼을 나타내는 블럭다이어그램이다.
도 39는 도 38과 유사하지만, 전진위치로 이동된 공구 플랫폼과, 맨드릴 이송대를 제거할 준비작업으로 가열/냉각 시스템으로부터 분리된 맨드릴 조립체를 나타낸다.
도 40은 항공기 제작 및 서비스 방법론의 플로우차트이다.
도 41은 항공기의 블럭다이어그램이다.

Claims (14)

  1. 제1 복합재 섹션과;
    제2 복합재 섹션 및;
    제1, 2 복합재 섹션들을 서로 적어도 부분적으로 겹치면서 접합하는 복합재 스플라이스부재를 포함하는 복합재 구조부재.
  2. 제1항에 있어서, 제1, 2 복합재 섹션들은 각각, C자 형상, Z자 형상, J자 형상, T자 형상, I형상 및 모자 형상 단면으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재.
  3. 제2항에 있어서, 스플라이스부재는 스플라이스부재의 단면을 가로질러 연장하는 V자 형상의 길이방향 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재.
  4. 제1항에 있어서, 제1, 2 복합재 섹션들은 각도를 형성하는 다른 방향들로 연장하고, 복합재 스플라이스부재는 제1, 2 복합재 섹션들에 각각 겹쳐져서 접합되 는 제1, 2부위들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재.
  5. 제1항에 있어서, 복합재 스플라이스부재는 제1, 2 복합재 섹션들 사이에 V자 형상의 조인트를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재.
  6. 제5항에 있어서, V자 형상의 조인트는, 복합재 스플라이스부재와 제1 복합재 섹션 사이의 제1스카프 조인트와, 복합재 스플라이스부재는 제2 복합재 섹션 사이의 제2스카프 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재.
  7. 제1항에 있어서, 제1, 2 복합재 섹션들은 항공기를 위한 연속적인 원형부재, 연속 비임, 연속적인 세로부재 또는 연속적인 프레임을 형성하고, 스플라이스부재는 제1, 2 복합재 섹션들에 접합되는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재.
  8. 제1 복합재 섹션을 형성하고;
    제2 복합재 섹션을 형성하며;
    복합재 스플라이스부재를 형성하고; 그리고
    제1, 2 복합재 섹션들 사이에 스플라이스 조인트를 형성하기 위하여 제1, 2 복합재 섹션들에 복합재 스플라이스부재를 접합하는 것을 포함하는 복합재 구조부재의 제조방법
  9. 제8항에 있어서, 제1 복합재 섹션을 형성하는 단계는, 복합재 재료들의 제1레이업을 형성하고 이 제1레이업을 경화하는 것을 포함하고,
    제2 복합재 섹션을 형성하는 단계는, 복합재 재료들의 제2레이업을 형성하고 이 제2레이업을 경화하는 것을 포함하며,
    복합재 스플라이스부재를 형성하는 단계는, 복합재 재료들의 제3레이업을 형성하는 것을 포함하고, 그리고
    스플라이스부재를 접합하는 단계는, 제1, 2 복합재 섹션들 위에 제3레이업을 위치시킨다음 이 제3레이업을 경화하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 스플라이스부재를 접합하는 단계는, 조인트에 국부적으로 열과 압력을 가하기 위하여 프레스를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 제1레이업을 형성하는 단계는, 제1레이업의 엣지를 따라 제1경사면을 형성하는 것을 포함하고,
    제2레이업을 형성하는 단계는, 제2레이업의 엣지를 따라 제2경사면을 형성하는 것을 포함하며, 그리고
    제3레이업을 형성하는 단계는, 제3레이업이 제1, 2 복합재 섹션들 위에 위치된 때에 제1, 2경사면들과 각각 겹치는 제3, 4경사면을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 스플라이스부재를 접합하는 단계는,
    맨드릴을 제공하고,
    맨드릴 위에 조인트를 위치시키며,
    조인트 위에 진공백을 위치시키고, 그리고
    조인트에 압력을 가하기 위하여 백을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 스플라이스부재를 접합하는 단계는,
    조인트에 압력을 가하기 위하여 가압된 블래더를 사용하고, 그리고
    블래더에 의하여 조인트에 압력을 가해지는 동안에 조인트에 열을 가하는 것 을 특징으로 하는 복합재 구조부재의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 압력을 가하기 위하여 블래더를 사용하는 단계는 프레스 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 복합재 구조부재의 제조방법.
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