KR20120115263A - 다트 파이 프리폼을 위한 강화, 이 강화를 포함하는 파이 프리폼 및 파이 프리폼 강화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다트 3차원 파이 T형 프리폼을 위한 강화, 이의 제조방법 및 강화를 포함하는 복합 구조에 관한 것이다. 상기 강화는 폭, 길이, 두께에 의해 분리된 제1페이스 표면과 제2페이스 표면를 가지는 스티어드 직물이다. 상기 스티어드 직물의 제1페이스 표면은 프리폼의 다트 컴포넌트에 부착된다. 상기 스티어드 직물 강화는 단일층 또는 복층 직물일 수 있고, 프로그램가능한 수축 시스템을 이용하여 직조될 수 있다.

Description

다트 파이 프리폼을 위한 강화, 이 강화를 포함하는 파이 프리폼 및 파이 프리폼 강화방법{REINFORCEMENT FOR DARTED PI PREFORMS, PI PREFORMS COMPRISING THIS REINFORCEMENT AND METHOD OF REINFORCING THE PI PREFORMS}

본 발명은 직조 프레폼에 관한 것이고, 상세하게는 강화 복합 재료에 사용되는 직조 프리폼에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 매우 크게 굽은 형상으로 형성될 수 있도록 다트(darted)된 파이(Pi)-형상의 프리폼에 관한 것이다. 더욱 더 상세하게는 본 발명은 다트된 파이 형상의 프리폼을 위한 강화에 관한 것이다.

구조적인 컴포넌트를 제조하기 위한 강화 복합 재료는 특히 원하는 특성으로 경량화, 고강도, 질김, 내열성, 자기 보호의 특성을 가지며 제조 및 형태에 맞게 변경할 수 있도록 응용하는데 현재 폭넓게 사용되고 있다. 상기 컴포넌트는 예를 들면, 항공, 항공우주, 인공위성, 여가용(경주용 보트 및 차량) 및 다른 용도로 사용될 수 있다.

통상적으로 상기 컴포넌트는 매트릭스 재료에 삽입된 강화 재료로 구성된다. 상기 강화 컴포넌트는 유리, 카본, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌, 및/또는 원하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질을 나타내며 이들 중 최고의 성질이 응력 파괴에 대해 큰 강도를 지니는 다른 재료로 만들어진다.

궁극적으로 완전하게 만들어진 컴포넌트의 구성요소를 이루는 상기 강화 재료를 사용함에도 불구하고, 매우 높은 강도와 같은 강화 재료의 원하는 특성이 완전하게 만들어진 컴포넌트에 주입된다. 통상적으로 구성되는 강화 재료는 직조, 뜨개질로 직조 및 니트되거나(knitted), 그렇지 않으면 강화 프리폼의 원하는 구조 및 형상으로 맞추어진다. 통상 구성되는 강화 재료를 선택하기 위한 성질의 알맞은 이용을 확보하는데 특별히 기울인다. 통상 상기한 강화 프리폼은 매트릭스 재료로 통합되어 원하는 정도로 마무리된 컴포넌트를 제조하거나 마무리된 컴포넌트의 궁극적인 생산을 위한 작업 자본금을 만들 수 있다.

원하는 강화 프리폼이 구성된 후, 매트릭스 재료는 프리폼으로 삽입되고, 통상 강화 프리폼이 매트릭스 재료에 삽입되어 매트릭스 재료가 강화 프리폼의 구성요소 사이의 틈새 영역에 채워진다. 상기 매트릭스 재료는 매우 다양한 재료, 예를 들면 에폭시, 폴리에스터, 비닐 에스터, 세라믹, 카본 및/또는 다른 재료일 수 있고, 원하는 물리적, 열적, 화학적, 및/또는 다른 성질을 나타낼 수도 있다. 상기 매트릭스와 같은 용도로 선택된 재료는 강화 프리폼의 용도와 동일하거나 동일하지 않을 수 있고, 비교할만한 물질적, 화학적, 열적 또는 다른 성질을 가지거나 갖지 않을 수 있다. 그러나, 우선 복합재를 사용함에 있어서 요구되는 통상의 목적은 하나의 구성 재료만을 통해 달성할 수 없는 마무리된 제품 특성을 조합하는 데 있기 때문에, 통상적으로 복합재는 동일한 재료로 이루어지지 않거나 비교할만한 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 성질을 가질 것이다. 그래서 통합된 강화 프리폼 및 매트릭스 재료는 열경화성 수지 또는 다른 알려진 방법에 의해 동일한 작용으로 안정화되거나 경화될 수 있고, 그 다음 원하는 컴포넌트를 제조하기 위해 다른 작용을 받는다. 경화된 후 매트릭스 재료의 강화 매스(mass)가 보통 강화 재료(예, 강화 프리폼)에 매우 강하게 접착된다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 그 결과 마무리된 컴포넌트의 응력은 섬유 사이의 접착제로 작용하는 매트릭스 재료를 통해 강화 프리폼의 구성 재료에 의해 효과적으로 전달될 수 있다.

빈번하게는 플레이트, 시트, 직사각형, 정사각형의 솔리드 등과 같은 단순한 기하학적인 형상과 다른 구조로 된 컴포넌트를 제조하는 것을 바람직하다. 이와 같은 것을 달성하기 위해 상기한 기초적인 기하학적인 형상을 원하는 더욱 복잡한 형태에 통합할 수 있다. 상기한 형상에서 구성 요소를 가능한 한 강하게 연결하는 것을 고려할 수 있다. 하나의 상기한 전형적인 조합은 각각, 다른 것에 대한 각도(통상 오른쪽 각도)에서 상기 설명된 바와 같이 만들어진 강화 프리폼을 결합함으로써 만들어진다. 결합된 강화 프리폼의 각도 배열을 위한 통상의 목적은 원하는 모양을 형성하여 난 개 이상의 엔드 벽(wall) 또는 예를 들면 "T" 단면을 가지는 강화 프리폼을 제조하거나, 압력이나 인장과 같은 외부 힘에 노출되자마자 편향(deflection) 또는 고장(failure)에 반하여 생기는 그 결과로 생기는 강화 프리폼의 조합 및 복합 구조를 강화시키는 것이다. 어떠한 경우에도, 가능한 한 강한 구성 컴포넌트 사이에 각 연결을 생성하는 것에 관하여 고려한다. 본질적으로 강화 프리폼 구성, 연결의 취약함이 구조적인 체인에서 약한 링크로 이어질 수 있다.

교차 구성의 예가 미국 특허 6,103,337에 개시되어 있고, 이의 명세서는 여기서 참고문헌으로 사용된다. 이 참고문헌은 2개의 강화 플레이트를 T-형(form)으로 결합하기 위한 효과적인 수단을 제안한다. 이것은 제1강화 패널을 제1패널에 대한 가장자리에 배치된 제2강화패널에 결합함으로써 달성될 수 있다.

상기와 같이 결합시키기 위해 과거에 다양하게 제안되었다. 패널 요소와 서로 분리되며 단일 패널 접촉 표면을 가지거나 한쪽 끝에서 두 갈래로 분기되어 두 개의 갈라진 동일평면 패널 접촉 표면을 형성할 수 있도록 된 강화 요소를 생성 및 경화시키는 것을 제안한다. 그리고나서, 두 개의 컴포넌트는 강화 요소의 패널 접촉 표면을 다른 컴포넌트의 접촉표면에 열경화성 접착제 또는 다른 접착 재료를 이용하여 접합함으로써 결합된다. 그러나, 인장이 경화 패널 또는 복합 구조의 표면에 작용되는 경우에 용인할 수 없이 중요하지 않는 하중으로 인해 그 사이면에서 강화 요소와 패널을 분리하는 "벗겨내는(peel)" 힘이 발생한다. 왜냐하면 그 점에서 효과적인 강도는 접착제의 강도이며, 강화 재료 또는 매트릭스의 강도가 아니다.

상기 컴포넌트의 사이면에서 금속 볼트 또는 리벳의 사용은 용인될 수 없다. 왜냐하면 적어도 부분적으로 상기한 첨가제는 복합구조 자체의 결합성을 약화 및 파괴하고, 중량을 증가시키고, 상기한 요소 및 주위 재료 사이에서처럼 열적 팽창계수의 차이를 초래하기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 다른 접근은 컴포넌트 중 하나를 다른 컴포넌트에 스티칭하여 강화 섬유를 연결지점에 삽입하기 위해 실(thread)로 스티함에 따른 상기 방법의 사용을 통해 고강도 섬유를 결합 영역에 삽입하는 개념에 바탕을 두고 있다. 상기한 접근은 미국특허번호 4,331,495에 도시되어 있고, 이의 방법 분할로 대응되는 것은 미국특허번호 4,256,790이다. 이 특허는 접착적으로 접합된 섬유층으로부터 만들어진 제1 및 제2복합 패널 사이에 만들어진 연결 구조를 개시한다. 상기 제1패널은 한 쪽 끝에서 두 갈래로 분기되어 종래기술의 방법에서 2개의 분기된 동일 평면 패널 접촉 표면을 형성하고, 양쪽 패널을 통해 비경화된 유연한 복합 실의 스티치에 의해 제2패널에 결합된다. 상기 패널 및 실은 동시에 경화되거나 함께 경화된다. 접합 강도를 향상시키기 위한 또 다른 방법이 미국특허 5,429,853호에 개시되어 있다.

종래 기술은 강화 복합재의 구조적인 결합성을 향상시키려고 하지만, 특히 미국특허 6,103,337호의 경우에 이를 개선하고 접착제 또는 기계적인 커플링의 사용과 다른 접근을 통해 문제를 해결하기 위한 시도가 요구되고 있다.이와 관련하여 한 가지 접근 방법은 직조 3차원("3D") 구조를 특화된 기계에 의해 만드는 것이다. 그러나, 상기 관련된 비용이 매우 비싸고 단일 구조를 만들기 위한 직조 기계를 가지는 것이 바람직하지 않다. 이러한 사실에도 불구하고, 섬유 강화 복합재 컴포넌트로 처리될 수 있는 3D 프리폼은 바람직하다. 왜냐하면 상기 컴포넌트들은 종래의 2차원("2D") 라미네이트 복합재와 관련한 증가된 강도 및 내구성을 제공하기 때문이다. 이 프리폼은 특히 평면을 벗어난 하중을 전달하는 복합재가 필요한 적용예에 유용하다. 그러나, 상기 설명된 종래기술에 따른 프리폼은 높은 평면에서 벗어난 하중에 견디고, 자동 직조기 공정으로 직조되며, 및 프리폼의 두께 부분을 다양화하기 위해 제공될 수 있는 능력이 제한되어 있다.

또 다른 접근은 평평하고 다중층 구조로 직조되어 3D 형상으로 다중층 구조를 접는 방법이다. 다중층 프리폼을 3D 형상을 접으려는 시도는 통상적으로 프리폼이 접힐 때 왜곡되는 부분을 발생시킨다. 상기한 왜곡은 프리폼이 접힐 때 직조된 섬유의 길이가 본래의 길이와 달라지기 때문이다. 이로 인해 직조된 섬유 길이가 너무 짧은 영역에서의 움푹 들어간 곳(dimples and ripples) 및 섬유 길이가 너무 긴 영역에서 휨(buckles)이 발생한다. 프리폼이 접힌 영역에서의 움푹 들어간 곳 또는 만곡(loop)을 발생시키는 3D 프리폼 직조 아키텍처의 예는 미국특허 6,874,543에 개시되어 있고, 상기 특허의 전문 내용은 여기서 참고문헌으로 이용된다.

접힘 시 왜곡 문제를 해결하기 위한 한 가지 방안은 미국 특허 6,466,675에 개시되어 있고, 상기 특허의 전문 내용은 여기서 참고문헌으로 이용될 수 있다. 이 참고문헌은 소위 T 형, 또는 파이 형, 3D 구조로 접힐 수 있는 평평한 다중층 구조를 제공한다. 왜냐하면 프리폼의 접힘부는 플렌지 또는 모재에 대하여 일반적으로 수직한 하나 또는 두 개의 레그(leg)(T- 및 파이형 각각)를 발생시킨다. 이것은 굴곡부에서 상기 언급한 움푹 패인 곳 및 만곡을 방지하기 위해 직조하는 동안 섬유의 길이를 조절함으로써 달성된다. 직조공정에서, 상기 접힘부에서 어떤 섬유는 너무 길고 다른 섬유는 너무 짧다. 상기 짧은 섬유와 긴 섬유는 프리폼이 절곡될 때 길이가 동등해져서 부드럽게 접히게 한다.

접힌 프리폼의 잇점은 패널 사이의 결합 강도를 강화시키고 패널을 강화시킨다. 이들이 서로 직조될 때 패널들은 강화 재료와 매트릭스 재료를 공유하고, 단일 구조를 생성한다. 상기 통합적으로 직조된 강화 패널 또는 레그 및 모재 또는 플렌지 사이의 결합은 종래기술에 따른 강화(reinforcement)처럼 결합 강도를 위한 접착제의 강도에만 의존하는 더 이상 취약한 연결이 아니다. 대신에, 프리폼의 섬유는 통합적으로 레그와 플렌지를 서로 직조한다.

그러나, 빈번하게는 커브(curve)와 같은 복합된 형상은 강화를 필요로 한다. 접힌 T- 또는 파이형 강화는 커브 표면을 수용하기 위해 레그의 다팅(darting)을 필요로 한다. 접핀 프리폼의 플렌지 재료가 커브 형상을 취할 때, 커브 표면의 길이가 반드시 곡률의 내측에서 외측까지 변한다. 휘어짐 시 곡률의 외측 원호 길이, 더 큰 반경을 가지는 표면이 증가하지만, 곡률의 내측 원호 길이는 짧아진다. 전형적인 접힌 프리폼의 레그는 굴곡 표면을 수용하기 위해 필요한 길이로 변화될 수 없다. 굴곡 표면을 수용하기 위해, 레그는 다트되어야 하고, 즉 레그가 변화된 원호 길이와 동일하게 컷팅되어야 한다.

통상적으로, 상기 컷(cut)은 곡률의 한정된 반경을 따라 이루어지지만, 다른 비반경 컷은 길이 변화를 수용하기 위해 사용될 수 있다. 휘어진 프리폼의 내측의 감소된 길이를 허용하기 위해 레그가 컷팅되고, 상기 컷 모서리가 겹침을 허용하거나 과도한 재료가 제거된다. 유사하게는 곡률의 외측에서 증가된 길이를 수용하기 위해 레그가 절단되고, 그 결과 레그 사이의 삼각형 갭이 발생한다. 다른 구성에서 다팅은 각 레그에서 강화재료의 연속성을 파괴한다. 3D T- 또는 파이 프리폼의 레그는 프리폼의 하중 전달 능력을 매우 낮출 수 있다. 왜냐하면 모서리 주위에서 주요한 하중 경로를 제공하는 섬유를 절단하는 것과 관련된 다팅 때문이다. 종래기술에 따른 방법은 휘어진 표면을 강화하는데 사용되는 다트 프리폼의 적절한 강화를 위한 필요에 적절히 해결하지 않았다.

본 발명은 3D 프리폼, 특히 다트된 3D 프리폼을 강화시킴으로써 종래기술의 단점을 해결할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 3D 프리폼에 강화를 제공한다.

또한, T- 또는 파이 형 3D 프리폼을 위한 강화를 제공한다.

또한, 본 발명은 다트된 프리폼을 위한 직조, 스티어드 직물 강화를 제공한다.

또한, 본 발명은 강화로 3D 파이 프리폼의 레그 사이에 클레비스를 사용하도록 구성된 직조, 스티어드 직물을 제공한다.

본 발명의 더 나은 이해를 위해 본 발명의 작용 잇점 및 이의 사용에 의해 달성되는 특별한 목적을 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이지만 이에 한정되지 않는다.

본 명세서에서 "포함하는" 및 "포함한다"는 용어는 "구성하는" 및 "구성한다"는 것을 의미하고, 혹은 미국 특허법에서 "포함하는" 및 "포함한다"는 용어로 통상 주어지는 의미를 가진다. 청구항에서 "본질적으로 구성하는" 또는 "본질적으로 구성한다"는 용어는 미국 특허법에서 그것들을 설명하는 의미를 가진다. 본 발명의 다른 실시예는 다음의 명세서(본 발명의 범위 내)로부터 설명되거나 분명하여질 것이다.

첨부한 도면은 본 발명의 더 많은 이해를 돕기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부로 구성된다. 여기서 제공되는 도면은 본 발명의 다른 실시예를 보여주고, 이의 설명은 본 발명의 원리를 설명하기 위해 도와준다.
도 1은 종래의 3D 파이 프리폼의 측면도이다;
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 취한 종래의 3D 프리폼의 단면도이다;
도 3은 종래의 3D 다트 프리폼의 측면도이다;
도 4는 벤트 또는 굽은 형상으로 이루어진 종래의 3D 다트 프리폼의 측면도이다;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어드 직물 강화의 측면도이다;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리폼의 레그 사이에 배치된 도 5의 스티어드 직물을 가지는 도 2의 3D 프리폼이다;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어드 직물 강화를 포함하는 도 2의 3D 프리폼이다;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어드 직물 강화를 포함하는 T형 프리폼의 단면도이다;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어드 직물 강화의 단면도이다; 및
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리폼의 레그 사이에 배치된 도 9의 스티어드 직물 강화를 가진 도 2의 3D 프리폼이다.

도 1 및 도 2는 일체로 직조된 종속 레그(dependent legs;102(a),102(b))(합쳐서 "레그(102)")를 가지는 3D Pi 프리폼(100)을 도시한다. 상기 프리폼은 플렌지(104)로부터 연장되는 레그(102(a) 및 102(b))를 제조하기 위해 적절히 직조 및 접혀진 평평한 다층 직조 구조로부터 제조된다. 다른 십자형 단면 형상이 접힌 프리폼으로부터 가능하다는 것이 당업자에게 분명하여질 것이다. 예를 들면, 오직 하나의 레그(102)가 형성되면 T 형상이 평평한 직조 프리폼으로부터 이루어질 수 있다. 유사하게는 T 형상이 예를 들면 내측 접촉 표면(106(a) 및 106(b))이 서로 붙어 있는 것처럼 레그(102)가 서로 간격 없이 분리된 프리폼으로부터 발생할 수도 있다.

본 명세서의 목적을 위해, "섬유"는 넓은 의미로 사용되고, 섬유, 실 또는 끈(braids)을 포함한다. 탄소 섬유가 바람직하지만, 깨진, 예를 들면 깨진 탄소 섬유 또는 유리를 늘릴 수 있는 것에 한정되지 않고 다른 어떤 섬유도 실질적으로 적용가능하다.

명확하게 하기 위해, 임의적으로 선택된 좌표 시스템은 도 1-4에 제공되어 공간에서 다양한 관점의 방향을 도시한다. 이것은 도면의 이해를 돕는데 제공되고, 본 발명의 명세서의 일부가 아니다. 상기 도면에서 사용되는 좌표 시스템에서, 씨실 또는 필(fill;F) 섬유 또는 실이 X축으로 정렬되고, 날실(W) 섬유 또는 실이 Y축으로 정렬되어 있다. Z 축은 평면 플렌지(104)에 대하여 수직하다.

프리폼(100)은 도 1에 도시한 바와 같이 날실(W) 섬유 또는 실(103)과 씨실(F) 섬유 또는 실(105)로부터 조립된다. 어떤 실시예에서 개개의 날실(W)과 씨(F) 섬유(103,105)는 직조 프리폼을 제조하기 위해 어떤 주지된 패턴으로 서로 상호직조된다. 알려진 직조 방법을 통해, 날실(W) 섬유(103) 및 씨실(F) 섬유(105)는 플렌지(104)와 레그(102)에서 직조되고, 날실(W) 섬유(103)는 플렌지(104)와 레그(102)에서 Y방향으로 연속해서 지나간다. 씨실(F) 섬유(105)는 접히지 않은 프리폼에서 X 방향으로 지나간다. 상기 레그가 3D 프리폼을 제조하기 위해 접혀질 때 레그(102)에서 씨실(F) 섬유(105)는 Z 방향으로 향한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 레그(102)는 플렌지(104)로부터 멀리 떨어진 자유단(108(a),108(b))을 가진다. 통상적으로 자유단(108)은 도 2에 도시한 바와 같이 테이퍼질 수 있다. 다른 자유단의 형상은 설계 기준 또는 다른 고려에 따라 예측된다. 상기한 자유단 형상의 비제한적인 예로 사각형, 원형 또는 볼록한 십자 형상을 포함한다. 인접한 레그(102)는 동일한 단부 형상 또는 다른 형상을 가질 수 있다.단부 형상은 필요한 경우 프리폼의 길이를 따라 다양할 수 있다.

유사하게는 플렌지(104)는 플랜지 끝단에 위치한 단부(110(a) 및 110(b); 합해서 단부(110))을 포함한다. 도시한 바와 같이, 단부는 테이퍼 진 것으로 보여진다. 상기 자유단(108) 처럼 플렌지 단부는 테이퍼진 형상과 다른 형상을 가질 수 있다. 또한 비제한적인 예로, 단부(110)는 사각형, 원형, 또는 볼록한 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 레그(102)와 플렌지(104)의 어느 한 쪽이 동일하거나 다른 길이를 가질 수 있다. 예를 들면, 레그(102(a))는 레그(102(b))에 비해 더 길거나 그 반대 일 수도 있다. 유사하게, 플렌지(104)의 어느 한 쪽도 다른 쪽에 비해 더 폭이 넓을 수 있다.

도 1의 3D 프리폼(100)은 플렌지의 상단면(112)이 통상 X 및 Y 방향으로 평면인 직선 형상으로 보여진다. 상기 형상은 평평한 패널이 필요한 용도에 유용할 수 있다. 그러나, 수많은 적용예에서 곡선 모양 또는 곡선의 3D 패널을 만들기 위해 곡선의 프리폼을 가지는 것이 바람직하다. 도 4는 일 실시예로서, 어떤 적용예에서 곡선 패널의 비제한적인 예이다. 도시한 바와 같이 플렌지(104)는 X축 혹은 씨실(F) 방향으로 평평한 또는 거의 평평하다. 도시한 형상은 대략 90° 굽은 혹은 곡선으로 이루어진 Y축 섬유, 날실(W) 섬유(103)를 보여준다. 도시한 것처럼, 날실(W) 섬유(103)는 초기에 Y축 방향으로 정렬되다가 벤딩을 통해 방향이 변하여 Z 축 방향으로 정렬된다.

도 3은 당해기술분야에서 알려진 바와 같이 벤딩하기 전에 종래의 3D 다트된(darted) 프리폼(101)을 도시한다. 다트(116)는 일반적으로 자유단(108)에서 연장되어 플렌지(104)의 아래 면(114)에서 끝나는 레그(102)에서 절단된다.다트는 각 레그에서 삼각형 단면으로 절단함으로써 도 3에 도시한 바와 같이 다트되도록 형성된다. 레그(102)로부터 제거된 삼가형 조각의 제1측면은 레그의 자유단(108)에서 정렬된다. 다트(116)의 2개 추가 측면은 삼각형의 제1측면의 각 단부로부터 연장되고, 플렌지(104)의 아래 측면(114)에서 합쳐진다.

또한, 다트는 레그(102)의 자유단(108)으로부터 연장되어 플렌지(104)의 아래 면(114)에서 끝나는 단일 컷(cut)일 수 있다.

삼각형 다트를 가지는 다트 프리폼(101)(도 3)이 도 4에 도시한 형상으로 굽어진 경우에, 제거된 삼각형 단면의 가장자리(예를 들어 118(a) 및 118(b))가 서로 모여 프리폼의 플렌지(104)가 굽은 형상으로 되게 한다. 인접한 가장자리의 한 쌍(예를 들어 118a/118b, 118c/118d, 118e/118f(도 3))은 같은 평면으로 모여서 도 2에 도시한 바와 같이 레그(102)의 부드러운 내측면(106(a) 및 106(b))과 외측면(107(a) 및 107(b))을 유지할 수 있다. 어떤 적용예에서는 레그(102)의 부드러운 평면이 필요하지 않다. 다른 적용예에서 단일 컷 다트가 사용될 수 있고, 프리폼이 굽어진 경우에 컷 가장자리가 겹칠 수 있다. 다중 다트의 다른 타입은 적용예에 의해 필요한 것처럼 사용될 수 있다.

사용되는 다트의 종류 및 수에 관계없이 프리폼의 효과는 일반적으로 같다. 자유단(108)에서 플렌지(104)의 아래 면(114)을 향해 연장되는 레그(102)의 어떤 컷도 컷의 길이를 따라 레그(102)의 모든 날실(W) 섬유(103)를 절단할 것이다. 왜냐하면 날실(W) 섬유(103)는 굽은 프리폼(101)의 가장자리 주위의 경로에 전달하는 프라이머리 하중을 제공하기 때문에, 날실(W) 섬유(103)를 컷팅하는 것은 하중 경로를 방해하여 하중을 전달하기 위한 구조적인 능력을 매우 감소시킬 수 있다.

레그(102)의 씨실(F) 섬유(105)에 평행하지 않은 컷은 한 개 이상의 씨실(F) 섬유(105)를 컷팅하기 쉽다. 일반적으로 이해되는 바와 같이, 레그(102)에서 강화 섬유 또는 실을 컷팅하는 것은 강화의 연속성을 파괴하여 강화의 효과를 감소시킨다. 특히, 날실(W) 섬유(103)에서 파괴는 프리폼의 강도를 아주 많이 줄인다.

도 4에 도시한 굽은 다트 프리폼(101)에서, 상기 프리폼은 레그(102)가 곡률 반경 R의 내측면, 즉 레그 측면의 오목한 면이다. 어떤 예에서, 레그가 다트 프리폼(미도시)의 외측 곡률에 있도록 굽은 프리폼을 제공하는 것이 바람직하다. 유사한 다팅은 3D 프리폼이 레그 측면에서 볼록하게 굽어지도록 하는데 사용된다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 프리폼이 굽어질 때 다트는 완전히 열리고 삼각형의 공간은 곧은 컷으로부터 형성된다.

많은 적용예에서, 길이방향을 따라 볼록한 및 오목한 곡률을 가지도록 복잡한 곡률의 프리폼을 제조하는 것이 바람직하다. 상기한 적용예에서, 프리폼은 길이를 따라 어떤 영역에서 레그 측에서 볼록하거나 레그 측면에서 오목해질 수 있다. 따라서 레그(102)는 어떤 영역에서 곡률의 내측(예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이)에 있을 수 있고, 다른 영역에서 곡률의 외측에 있을 수 있다.

곡률의 방향에 관계없이, 또는 모두 굴곡이 있다면 레그(102)에서 날실(W) 또는 씨실(F) 강화 섬유(103 및 105)의 연속성에서 어떤 방해 또는 파괴도 프리폼을 약하게 한다. 왜냐하면 프리폼은 강화 섬유, 특히 날실(W) 방향의 섬유의 연속성으로부터 더 많은 강도를 얻는다. 컷팅 혹은 방해받은 날실(W) 강화 섬유(103)를 가지는 프리폼에 매트릭스 재료를 주입함으로 인해 강도가 거의 개선되지 않는다. 왜냐하면 프리폼의 강도는 매트릭스 재료의 강도에 따라 다르기 때문이다.

다트 프리폼(101)을 강화하기 위해, 도 5에 도시한 바와 같이 스티어드(steered) 직물(201)은 다트 프리폼(101)의 한 개 또는 2개의 레그(102)에 부착될 수 있고, 변경된 프리폼에 레진이 주입될 수 있다. 당업자에게 분명하여질 것이지만, 동일하거나 유사한 스티어드 직물(201)은 다트되지 않은 직물에 부착되어 프리폼의 강도, 경도, 또는 다른 강화 특성을 증가시킬 수 있다.

스티어드 직물(201)은 평평하게 직조되어 도 5에 도시한 바와 같이 직물 전체에 걸쳐 서로 수직방향으로 향하도록 된 날실(W) 섬유 또는 실(203) 및 씨실(F) 섬유 또는 실(205)로 구성될 수 있다. 일반적으로 직물의 평평한 표면(212,213)은 이격되어 도 6에 도시한 바와 같이 직물(201)의 두께 t를 가진다. 두께 t는 두 개 이상의 스티어드 직물를 조합하여 이루어지거나 평평한 스티어드 직물을 직조하고 직물의 길이를 따라 직물을 접음으로써 이루어진다. 어느 경우에도, 스티어드 직물(210)의 두께 t는 d(도 2)보다 더 크지 않고, 레그(102(a) 및 102(b)) 사이의 간격은 가끔 클레비스로 언급된다. 도 5는 서로에 대하여 그리고 직물(201) 자체적으로 국한되어 있는 날실(W) 섬유(203) 및 씨실(F) 섬유(205)의 방향을 지시하는 직교 좌표(206)를 포함한다. 유리하게도, 날실(W) 섬유(203)는 도 5에 도시한 바와 같이 벤드(bend) 주위에 연속해서 있다.

어떤 적용예에서 두께 t, 클레비스 폭보다 작거나 Pi 프리폼의 레그(102) 사이의 공간 d를 가지는 스티어드 직물을 제공하여 직물이 채워지지 않은 레그(102) 사이의 공간을 남길 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 스티어드 직물에 추가로 클레비스 안에 다른 재료, 컴포넌트, 부속품을 배치하는 것이 유리하다. 다른 재료, 컴포넌트, 또는 부속품은 프리폼에 기능성을 추가하거나 직물 또는 프리폼으로 쉽게 달성하기 어려운 기계적 또는 물리적 특성을 추가할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 또 다른 스티어드 직물(214)의 단면도를 나타낸다. 도 6에 도시한 바와 같이 평평한 스티어드 직물(201)을 가진 레그(102(a) 및 102(b)) 사이에 클레비스를 채우기보다 스티어드 직물이 먼저 평평하게 직조된 다음 레그(102) 사이에 삽입하기 전에 통상 U자 모양의 구조 안으로 길이를 따라 접힌다. U자 형상의 구조에서, 평평한 표면(212)의 일부가 서로를 향해 접혀서 표면의 일부가 도 9에 도시한 바와 같이 서로 평행하게 된다. 도 10은 스티어드 직물이 U자 모양으로 접혀서 클레비스의 폭 d에 삽입된 모습을 보여준다. 일실시예(미도시)에서, 스티어드 직물(214)은 평평하게 직조되어 접힘으로써, 통상 평평한 표면(212 또는 213)의 일부가 0°와 180°사이의 경사진 각도를 형성할 수 있다.

접힌 스티어드 직물(214)은 실질적으로 클레비스를 채울 수 있다. 또한, 접힌 스티어드 직물(214)은 클레비스를 채우지 않고 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 접힌 레그(216(a) 및 216(b)) 사이에 공간을 남겨둘 수 있다. 어떤 예에서, 접힌 직물(214) 레그(216(a) 또는 216(b)) 중 하나와 레그(102(a) 또는 102(b))의 내측 표면 사이에 공간을 남겨두는 것이 바람직하다.

설명의 편의를 위해, 도 10은 클레비스의 닫힌 단부에 인접한 닫힌 단부(218)를 가지는 접힌 스티어드 직물(214)을 보여준다. 접힌 스티어드 직물(214)은 도시된 것으로부터 180°회전된 방향으로 클레비스에 배치될 수 있다는 것을 주목해야한다. 그렇게 함에 있어서, 클레비스는 직물(214)로 채워지는 것처럼 보이지만 오픈 코어(open core)를 유지할 수 있다.

스티어드 직물(201)은 날실(W) 섬유 방향으로 측정되는 길이와 씨실(F) 섬유방향으로 측정되는 폭을 가진다. 일반적으로 스티어드 직물(201)이 다트 프리폼(101)의 레그(102)에 부착될 때 상기 스티어드 직물(201)의 길이가 날실(W)방향으로 측정되는 바와 같이 다트 프리폼(101)의 길이에 정렬된다. 굽은 혹은 곡선 구조에서, 그 길이는 선형으로 측정되지만 곡선 영역에서 길이를 포함한다. 씨실(F) 방향으로 측정되는 스티어드 직물(201)의 폭은 강화될 레그(102)의 길이와 일치시킬 수 있다. 어떤 예에서, 직물(201)의 폭은 강화될 레그의 길이보다 작거나 더 클 수 있다.

도시한 바와 같이, 스티어드 직물(201)은 본질적으로 90° 굽은 직물을 가지며 도 4에서 다트 및 벤트 프리폼(101)에 일치시킬 수 있다. 상기 스티어드 직물(201)은 내부 가장자리(208)와 외부 가장자리(210)를 가진다. 도시한 바와 같이 외부 가장자리(210)는 벤트 프리폼(101)의 플렌지(104)의 아래측(114)에 의해 형성되는 반경에 일치하도록 형성된다. 유사하게는 내부 가장자리(208)는 레그(102)의 자유단(108)에 일치시키도록 형성되어 도 4에서 벤트 프리폼(101)의 곡률 R의 내부 반경을 포함한다.

벤트 프리폼(101)과 스티어드 직물(201)이 오직 하나의 벤트 또는 곡선 단면이 약 90°로 벤딩된 것으로 보여진다. 상기 설명한 바와 같이, 프리폼은 벤트 프리폼(100)의 길이를 따라 레그 측에서 오목하거나 볼록하게 굽어지거나 오목 및 볼록의 어떤 조합으로 굽어질 수 있다. 벤트 프리폼(101)은 보여진 90°보다 더 크거나 더 작은 벤트들로 구성될 수 있다. 상기 스티어드 직물은 직물이 부착될 벤트 프리폼(101)의 곡률을 맞추기 위해 직조될 수 있다. 스티어드 직물(201)은 곡선 영역에 있는 내부 가장자리(208)에서 더 짧은 섬유를 직조하고, 곡선 또는 벤드로 제한된 영역에 있는 직물(201)의 외부 가장자리(210)를 향해 점진적으로 더 긴 후속하는 섬유를 직조함으로써 제조된다. 예를 들면, 스티어드 직물(201)의 내부 반경 R에서 맨 안쪽의 날실(W) 섬유(203)는 벤드 또는 커브의 각도 측정를 초과하는 반경 R의 원호 길이와 동일한 길이를 가진다. 곡률의 외부 반경을 향하여 맨 안쪽 섬유로부터 거리 x 만큼 옵셋된 다음 섬유는 벤드 또는 커브의 동일한 각도 측정으로 (R+x)의 원호 길이와 동일한 길이를 가진다. 곡선이 없는 영역, 내측 가장자리와 외측 가장자리를 따라 섬유가 동일한 길이를 가진다.

접힌 스티어드 직물(214)은 유사한 방식에 의해 도 5에 도시한 바와 같이 곡률의 내부 가장자리(208)에서 더 짧게 직조되고 곡선의 외측 가장자리(210)에 점진적으로 더 길게 접근하는 날실(W) 섬유 또는 실로 만들어진다.

스티어드 직물은 직물의 각 모서리에서 다른 수축(take up)양을 제공할 수 있는 예를 들어 프로그램 가능한 수축(take up) 시스템을 포함하는 직조 장비에서 직조될 수 있다. 프로그램 가능한 수축 시스템은 본질적으로 어떤 곡선 형상에 까까운 곡선 및 직선 단면의 임의 조합을 가지는 직물을 제조할 수 있다.

단순성을 위해, 2개의 레그를 가지는 파이 프리폼을 강화시키는 것이 여기서 논의될 것이며, 동일한 스티어드 직물(201)과 방법은 한 개의 레그를 가지는 T 프리폼 및 2개 이상의 레그를 가지는 프리폼을 강화시키는데 사용되는 것을 인식할 수 있다. 스티어드 직물(201)을 직조하여 벤트 프리폼(101)에 일치시킨 후, 상기 직물(201)이 프리폼에 부착된다. 적어도 2개의 레그(102)를 가지는 다트 및 벤트 프리폼(101)을 위해, 스티어드 직물은 한 개 또는 2개의 레그(102)에 부착될 수 있다. 어떤 예에서, 한 쌍의 인접한 레그(102) 사이에 스티어드 직물(201)을 부착하는 것이 바람직하다. 상기 구조에서 레그 사이의 공간은 통상 클레비스로 알려져 있다. 상기한 구조에서 스티어드 직물의 사용은 도 6에 도시되어 있다.

도 6은 유사하게는 도 2의 인접한 레그(102(a) 및 102(b)) 사이에 배치된 스티어드 프리폼을 가지며, 적어도 내부 표면(106(a) 및 106(b)) 중 하나와 인접하는 일반적으로 평평한 표면(212,213)을 가지는 프리폼과 유사한 파이 형상의 프리폼의 단면도이다. 상기 스티어드 직물의 두께는 레그(102)의 내부 표면(106(a) 및 106(b)) 사이의 공간에 해당한다. 따라서 레그(102) 사이에 배치된 스티어드 직물(201)은 당해 기술분야에서 알려진 수단에 의해 하나 또는 둘 다의 레그에 부착될 수 있다. 예를 들면, 스티어드 직물(201)은 재봉(sewing), 스티칭(stitching), 스테이플링(stapling), 접착제, 주입제(impregnate), 또는 당해 기술에서 알려진 다른 어떤 방법에 의해 하나 또는 둘 다의 레그(102)에 부착될 수 있다.

또한, 스티어드 직물은 도 7에 도시한 바와 같이 다트 프리폼(101)의 하나 또는 둘 다의 외부 표면(107(a) 및 107(b))에 부착될 수 있다. 상기한 것과 유사한 방법은 스티어드 직물(201)을 외부 표면(107(a) 및 107(b))에 부착하는데 사용될 수 있다.

유사하게는, 스티어드 직물(201)은 직물을(201)을 프리폼의 한 쪽 또는 양쪽 레그에 부착함으로써 T 형 프리폼을 강화시키는데 사용될 수 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 스티어드 직물(201)은 프리폼 레그(102)의 한 쪽에 T 형 프리폼(301)에 부착된다. 스티어드 직물은 당해 기술분야에서 알려진 어떤 수단을 통해 부착될 수 있다.

프리폼의 레그의 외측에 스티어드 직물 강화를 가지는 다트 프리폼과 비교하는 경우에 인접한 레그(102(a) 및 102(b)) 사이에 위치한 스티어드 직물(201)로 강화되며 어떤 적용예에서 유리한 다트 파이 프리폼(101)은 더 부드럽고 더욱 균일한 외부 표면(107)을 제공한다.

스티어드 직물(201)이 하나 이상의 스티어드 직물(201)로 강화되면 다트 및 벤트 프리폼(101)에 적절히 부착되고, 프리폼(101)과 스티어드 직물(201)에 매트릭스 재료(예를 들어 레진)가 당해 기술분야에서 알려진 단일 구조로서 주입될 수 있다. 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레이마이드(bismaleimide), 폴리에스테르, 비닐-에스터, 세라믹, 및 카본 및/또는 다른 재료와 같은 다양한 재료를 가질 수 있고, 그리고 원하는 물리적, 열적, 화학적, 및/또는 다른 특성을 나타낸다. 후속하는 경화 단계는 현재 강화 프리폼에서 수행되어 최종 강화 복합재 구조를 제조할 수 있다. 당해 기술분야에서 알려진 바와 같이 주입하자마자 매트릭스 재료는 강화 날실(W) 섬유((203) 및 (205))를 둘러싸고, 섬유 사이의 빈틈을 채운다. 한번 경화된 고체화된 매트릭스 재료는 강화 다트 프리폼의 섬유들(103,105,203,205)과 매우 강한 결합력을 형성함에 따라 파이 또는 T 형 프리폼, 스티어드 직물 강화 및 적어도 부분적으로 프리폼과 스티어드 직물 강화에 주입되는 매트릭스 재료를 포함하는 3차원 복합 구조를 이룬다. 결과적으로 최종 컴포넌트의 응력은 효과적으로 전달될 수 있고, 섬유(103,105,203,205)에 의해 생긴다.다트 및 벤트 프리폼(101)의 영역에서 하중 경로는 특정 노트(note)를 가진다. 왜냐하면 레그(102)의 날실(W) 섬유는 다팅(darting) 공정에서 절단되기 때문에, 최초의 하중 전달 경로가 절충된다. 스티어드 직물(201)을 레그(102)에 붙인 다음 주입 및 매트릭스 재료의 경화는 새롭고 기계적으로 개선된 하중 전달 경로를 제공한다. 프리폼의 레그(102)에 의해 전달되는 전형적인 하중은 벤드 또는 커브 영역에 있는 스티어드 직물(201)로 빼앗겨 프리폼의 다트 영역을 효과적으로 우회한다. 따라서, 하중 전달 능력이 커브 영역에서 복원 및 개선된다.

본 발명의 잇점은 3D 프리폼을 위한 강화를 제공하는 것을 포함한다. 특히, 본 발명은 레그가 다트되어 프리폼이 커브 형상을 띠게 하는 경우에 3D 프리폼의 레그에 강화(reinforcement)를 제공한다. 강화는 3D 프리폼과 동일한 커브 패턴으로 직조되며 적어도 프리폼의 굴곡부를 통해 연속되는 섬유를 가지는 스티어드 직물에 의해 제공된다.

스티어드 직물 강화는 유리, 카본, 세라믹, 아라미드(예, "KEVLAR"), 폴리에틸렌 및/또는 원하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질을 나타내는 다른 재료와 같은 재료로부터 만들어지는 섬유 또는 실로 제조될 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예와 변형예가 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이의 명확한 실시예 및 변경예를 한정하는 것이 아니라 다른 변경 및 변형예가 당업자에 의해 첨부된 청구항으로 정의되는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않는 범위에서 실시가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (25)

1. 적어도 하나의 다트 컴포넌트를 가지고,
   폭, 길이, 두께에 의해 분리된 제1페이스(face) 표면 및 제2페이스 표면을 가지는 스티어드 직물을 포함하고, 상기 스티어드 직물의 제1페이스 표면은 프리폼의 다트 컴포넌트에 부착되는 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 스티어드 직물은 직조되는 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 스티어드 직물은 프로그램가능한 수축 시스템을 이용하여 직조되는 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2페이스 표면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 및 제2페이스 표면은 평면인 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 강화의 길이는 다트 프리폼의 날실 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 스티어드 직물은 유리, 카본, 세라믹, 아라미드 및 폴리에틸렌으로 구성된 군으로부터 선택된 재료로 만들어진 섬유 또는 실을 이용하여 직조되는 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
   
8. 청구항 1에 따른 강화를 포함하는 3차원 파이 또는 T형 다트 프리폼.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 스티어드 직물 및 다트 컴포넌트에 매트릭스 재료가 동시에 주입되는 것을 특징으로 하는 강화된 다트 프리폼.
   
10. 청구항 9에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 경화되는 것을 특징으로 하는 강화된 다트 프리폼.
    
11. 청구항 9에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레미드, 폴리에스테르, 비닐에스터, 세라믹 및 카본으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 강화된 다트 프리폼.
    
12. 3차원 파이 또는 T형 프리폼을 다팅하는 단계;
    다트 프리폼에 구성할 스티어드 직물 강화를 제조하는 단계; 및
    상기 스티어드 직물 강화를 다트 프리폼에 적어도 다트 영역에 부착하는 단계;
    를 포함하는 3차원 파이 또는 T형 프리폼 강화방법.
    
13. 청구항 12에 있어서, 상기 스티어드 직물 강화는 프로그램 가능한 수축 시스템을 이용하여 직조되는 것을 특징으로 하는 3차원 파이 또는 T형 프리폼 강화방법.
    
14. 청구항 12에 있어서, 상기 다트 프리폼과 스티어드 직물 강화에 동시에 매트릭스 재료로 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 파이 또는 T형 프리폼 강화방법.
    
15. 청구항 14에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레이미드(bismaleimide), 폴리에스터, 비닐에스터, 세라믹, 및 카본으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 파이 또는 T형 프리폼 강화방법.
    
16. 청구항 14에 있어서, 상기 매트릭스 재료를 경화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 파이 또는 T형 프리폼 강화방법.
    
17. 청구항 12에 있어서, 상기 스티어드 직물 강화는 유리, 카본, 세라믹, 아라미드, 및 폴리에틸렌으로 구성된 군으로부터 선택되는 재료로 만들어진 섬유 또는 실에 의해 직조되는 것을 특징으로 하는 3차원 파이 또는 T형 프리폼 강화방법.
    
18. 적어도 하나의 다트 컴포넌트를 가지는 파이 또는 T형 프리폼;
    폭, 길이, 두께에 의해 분리되는 제1 및 제2페이스 표면을 가지는 스티어드 직물, 상기 스티어드 직물의 제1페이스 표면은 프리폼의 다트 컴포넌트에 부착되며; 및
    프리폼 및 스티어드 직물 강화에 적어도 부분적으로 주입되는 매트릭스 재료;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 구조.
    
19. 청구항 18에 있어서, 상기 스티어드 직물은 프로그램가능한 수축 시스템을 이용하여 직조되는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 구조.
    
20. 청구항 18에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레이미드(bismaleimide), 폴리에스터, 비닐에스터, 세라믹 및 카본으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 구조.
    
21. 청구항 1에 있어서, 상기 스티어드 직물은 길이를 따라 접히는 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
    
22. 청구항 21에 있어서, 상기 제2페이스 표면의 제1부분과 제2페이스 표면의 제2부분은 0° 및 180° 사이의 경사진 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
    
23. 청구항 21에 있어서, 상기 제2페이스 표면의 제1부분은 제2페이스 표면의 제2부분과 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 3D 파이 또는 T형 프리폼을 위한 강화.
    
24. 청구항 12에 있어서, 상기 스티어드 직물을 다트 프리폼에 부착하기 전에 길이를 따라 스티어 직물을 접는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 파이 또는 T형 프리폼 강화방법.
    
25. 청구항 18에 있어서, 상기 스티어드 직물은 제2페이스 표면의 제1부분과 제2페이스 표면의 제2부분은 0° 및 180° 사이의 경사진 각도를 형성하도록 길이를 따라 접히는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 구조.

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