KR20130136911A - 복합수지부 중의 공극을 감소시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

복합수지 적층부를 경화하기 위해 사용되는 기구에 전하가 대전된다. 전기충전된 기구는 상기 수지 중에 갇힌 기체들을 기구의 표면으로 끌어당기는 정전기력을 생성함으로써, 경화부 중의 공극을 감소시킨다.

Description

복합수지부 중의 공극을 감소시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING POROSITIES IN COMPOSITE RESIN PARTS}

본 발명은 일반적으로 복합수지부의 제조에 관한 것으로, 더 자세히는 상기 복합수지부 중의 공극을 감소시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

복합수지부는 프리프레그(prepreg) 형태의 섬유 강화 수지 여러 겹을 적층함으로써 제조될 수 있다. 프리프레그 적층부는 그것을 경화 기구(tool)에 위치시켜 가열 및 가압을 실시함으로써 경화된다. 적층부가 가열될 때, 여러 겹의 프리프레그들이 연화되어 흘러서 고결(consolidated) 구조물을 형성하는데, 그러나 경화 공정 중에 공기 및/또는 휘발성 기체가 층들 사이에 갇혀 경화부에 공극이 생성된다. 이와 같은 공극은 상기 적층부의 성능을 감소시킬 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 적층부 중 기구-접촉부에 갇힌 공기 및/또는 기체는 특히 문제를 발생시킬 소지가 있고, 몇몇 적용의 경우 제거가 어렵다. 적층부 중 기구-접촉부의 공극의 문제를 풀 한 가지 해결책은 적층부에 고압을 적용하여 갇힌 공기 및/또는 기체들을 강제로 밀어낼 수 있는 고온고압기(autoclave)에서 적층부를 경화하는 것이다. 복합재 적층부의 고온고압기 경화는 시간이 많이 소모되고, 노동 집약적이며, 비교적 비싼 대규모 자본 설비를 요구한다. 상기 문제를 풀 또다른 해결책은 유리 또는 폴리스크림(polyscrim) 소재와 같은 임베디드(embedded) 숨쉬는 소재를 사용하는 배깅 기법(bagging techniques)을 사용하여, 적층부가 적층의 바깥 껍질을 통해 숨을 쉬게 하는 것에 중점을 두는 것이다. 오븐 경화 시 사용되는 임베디드된 숨쉬는 소재를 비롯해, 숨쉬는 소재의 광범위한 사용 역시 시간이 많이 소모되고, 노동 집약적이며, 적층부의 공극, 특히 적층부 중 기구-접촉부 근처에 생성되는 공극을 제거하는 데 완전히 효과적이지 않을 수 있다.

이에 따라서, 실질적으로 적층부 중 기구-접촉부의 공극을 감소 또는 제거하는, 복합수지 적층부 경화 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다. 뿐만 아니라, 앞서 언급된 바와 같이 종래의 진공백 포장 기법(vaccum bagging techniques)을 사용하고 종래의 오븐 내에서 경화하는, 복합수지 적층부의 고온고압기 이외(out-of-autoclave)의 공정을 가능하게 하는 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.

개시된 구현예들은, 종래의 오븐을 사용하여 수행될 수 있고 기구-접촉부의 공극을 감소 또는 제거하는 데 효과적인 복합수지 적층부의 고온고압기 이외의 경화 방법 및 그와 같은 경화를 위한 장치를 제공한다. 기구-접촉부의 공극은, 정전기 전하 발생기(이것에 제한되지 않음)와 같은 전하 발생기를 사용하여 경화 기구를 대전시킴으로써, 감소된다. 이와 같은 기구-접촉부 공극의 감소로, 고온고압기 이외의 공정을 사용하여 적층부가 경화될 수 있다.

한 구현예에서, 전하 발생기가 사용되어 경화 기구를 음전하로 충전하고, 그 결과 적층부와 맞물리는 기구 표면이 음전하로 대전된다. 적층부는 양전하를 띤다. 기구 표면의 음전하는 경화 기구와 양전하를 띠는 적층부 사이에 전하 불균형, 즉 전위차를 형성하는데, 이와 같은 전위차는 정전기 인력(electrostatic attractive force)을 야기한다. 경화 공정 중에 적층부가 가열되면, 상기 수지가 점차 점성이 줄어들어 흐르기 시작하여, 갇힌 기체 분자들의 이동을 가능하게 한다. 정전기력은 갇힌 기체들 및 수지 둘 다의 분자들을 기구 표면으로 끌어당김으로써, 실질적으로 적층부의 공극, 특히 기구-접촉부의 공극을 감소 또는 제거한다.

음전하는 마찰 대전(triboelectric charging)(이것에 제한되지 않음)과 같은 기계적 기법을 사용하여, 기구에 대전될 있다. 마찰 대전은 경화되지 않은 복합재 적층부와 기구 표면 사이에 충분한 전위차를 생성할 만큼 대전 서열(triboelectric series) 상에서 충분히 떨어져 있는 두 소재를 기구 뒷면에 위치시킴으로써 얻어진다. 기타 다른 구현예에서, 음전하는 밴 더 그래프(Van der Graaff)정전기 발생기와 같은 전동 전력(dynamically powered) 장치를 사용하여 기구에 대전될 수 있다.

개시된 한 구현예에 있어서, 복합수지부 중의 공극을 감소시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 기구 표면에 경화되지 않은 복합재 적층부를 위치시키고 기구를 충전하여 기구를 대전시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 더 나아가 기구 상의 전하를 사용하여 경화되지 않은 복합재 적층부 내부의 분자들을 기구의 표면으로 끌어당기고, 상기 복합재 적층부를 경화하는 단계를 포함한다. 기구의 전기 충전은 마찰 대전 또는 밴 더 그래프 정전기 발생기를 사용하여 수행될 수 있다. 충전은 기구를 음전하로 대전시킴으로써 수행되는데, 대전된 음전하는 복합재 적층부 중의 기체 분자들을 기구 표면으로 끌어당기는 데 사용된다.

또다른 구현예에서, 복합재 적층부의 제조 방법이 제공되는데, 본 방법은 경화되지 않은 복합수지 적층부를 기구 표면에 위치시키고, 복합재 적층부 위로 진공백(vaccum bag)을 밀봉(seal)하는 단계를 포함한다. 본 방법은 더 나아가 진공백 안을 진공 상태로 만들고, 복합재 적층부를 가열하고, 기구를 대전시켜, 복합수지 적층부 내부의 기체 분자들을 기구의 표면으로 끌어당기는 단계를 포함한다. 또한 상기 방법은 복합재 적층부를 경화하는 단계를 포함한다. 경화 공정은 오븐 안에서 수행될 수 있다. 기구의 대전은 기구의 마찰 대전에 의해 수행될 수 있다.

그밖의 또다른 구현예에 있어서, 복합수지 적층부 중의 기구-접촉부의 공극을 감소시키면서 동시에 기구의 표면에서 경화하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 전하를 사용하여 복합수지 적층부 중의 기체 분자들을 기구 표면으로 끌어당기는 단계를 포함한다.

그밖의 또다른 구현예에 있어서, 복합수지부를 경화하기 위한 장치가 제공되는데, 본 장치는 복합수지 적층부와 맞물리도록 구성된 기구 표면을 갖는 기구와, 복합수지 적층부 중의 기체 분자들을 기구 표면으로 끌어당기기에 충분한 크기로 기구 표면에 전하를 발생시킬 수 있는 전하 발생기를 포함한다.

본 개시의 한 면에 있어서, 복합수지부의 공극을 감소시키는 방법에 제공되는데, 본 방법은 경화되지 않은 복합재 적층부를 기구의 표면에 위치시키고 상기 경화되지 않은 복합재 적층부 내부의 분자들을 기구 표면으로 끌어당기는 단계를 포함한다. 유리하게는, 상기 방법은 더 나아가 상기 적층부를 경화하는 단계를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 방법은 기구를 전기 충전하여 기구를 대전시킴으로써 상기 분자들을 기구 표면으로 끌어당기는 단계를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 방법에서 기구의 전기 충전은 마찰 대전을 사용하여 수행될 수 있다. 유리하게는, 상기 방법에서 기구의 전기 충전은 밴 더 그래프 정전기 발생기를 사용하여 수행될 수 있다. 유리하게는, 상기 방법에서 기구의 전기 충전은 음전하 발생기를 사용하여 수행되어, 기구에 대전된 전하가 음전하일 수 있다. 유리하게는, 상기 방법은 더 나아가 기구 상의 전하를 사용하여 복합재 적층부 중의 기체 분자들을 기구 표면으로 끌어당기는 단계를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 방법에서 기구의 전기 충전은 정전기 전하 발생기를 사용하여 수행될 수 있다. 유리하게는, 상기 방법에서 기구의 충전은 한 층의 소재를 기구와 접촉하도록 위치시키고, 상기 층의 소재의 표면 위로 공기를 통과시키는 것을 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 방법에서 기구의 전기 충격은 FEP 한 층을 기구에 맞대어 위치시키고, 하나의 소재를 FEP 층에 맞대어 위치시킴으로써 수행될 수 있는데, 여기서 상기 소재는 나일론 및 폴리에스테르 중 하나이다.

본 개시의 또다른 면에 있어서, 복합소재부의 제조 방법이 제공되는데, 상기 제조 방법은 경화되지 않은 복합수지 적층부를 기구의 표면에 위치시키고, 진공백을 복합수지 적층부 위로 밀봉하고, 진공백 안을 진공 상태로 만들고, 복합수지 적층부를 가열하고, 기구를 대전시켜 복합수지 적층부 내의 기체 분자들을 기구의 표면으로 끌어당기는 단계들을 포함한다. 유리하게는, 상기 방법은 더 나아가 복합재 적층부를 경화하는 단계를 포함한다. 유리하게는, 상기 방법에서 기구의 대전은 기구의 마찰 대전에 의해 수행될 수 있다. 유리하게는, 상기 방법에서 마찰 대전은 제1 소재의 제1층을 기구와 접촉하도록 위치시키고(여기서 제1 소재의 제1층은 대전 서열에서 상대적으로 음전하임), 제1 소재의 제1층을 제2 소재와 접촉시킴으로써(여기서 제1 소재 및 제2 소재는 대전 서열에서 실질적으로 간격이 떨어져 있음) 수행될 수 있다. 유리하게는, 상기 방법은 제1 소재를 제2 소재와 접촉시키는 것이 제1 소재 위로 공기를 통과시키는 것일 수 있다.

본 개시의 또다른 면에 있어서, 복합수지 적층부를 기구의 표면에서 경화하면서 동시에 그중 기구-접촉부의 공극을 감소시키는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 전하를 사용하여 복합수지 적층부 중의 기체 분자들을 기구의 표면으로 끌어당기는 단계를 포함한다.

본 개시의 또다른 면에 있어서, 복합수지부를 경화하는 장치가 제공되는데, 상기 장치는 복합수지 적층부와 접촉하도록 구성된 기구 표면을 갖는 기구와, 복합수지 적층부 중의 기체 분자를 기구 표면에 끌어당기기에 충분할 정도로 기구 표면에 전하를 발생시키기 위한 전하 발생기를 포함한다. 유리하게는, 상기 장치에서 전하 발생기는 마찰대전 전하 발생기(triboelectric charge generator)를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 장치에서 마찰대전 전하 발생기는 대전 서열에서 충분히 떨어져 있어서 기구 표면에 전하를 생성하는, 서로 접촉해 있는 둘 이상의 소재를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 장치에서 마찰대전 전하 발생기는 기구 상에 위치할 수 있다. 유리하게는, 상기 장치에서 마찰대전 전하 발생기는 대전 서열에서 본질적으로 음전하를 띠고 기구와 접촉하는 제1 소재 및, 기구 표면에 전하를 생성하기에 충분할 정도로 대전 서열에서 제1 소재와 떨어져 있고 제1 소재와 접촉하고 있는 제2 소재를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 장치에서 제1 소재는 제1층 및 제2층을 포함하고, 제2 소재는 상기의 제1층과 제2층 사이에 배치되어서, 제1층 및 제2층의 표면을 가로지르는 공기의 흐름을 허용하는 투과성을 가질 수 있다. 유리하게는, 상기 장치에서 제2 소재는 제1 소재를 뒤덮어 기구에 밀봉된 신축 백(flexible bag)일 수 있다. 유리하게는, 상기 장치에서 제1 소재는 불소화된 에틸렌 프로필렌(FEP)이고, 제2 소재는 나일론 및 폴리에스테르 중 하나일 수 있다. 유리하게는, 상기 장치에서 신축 백은 공기 유입구를 포함하고, 전하 발생기는 공기 유입구로부터 제1 소재를 거쳐 신축 백 밖으로 공기를 빨아들이기 위한 벤츄리(Venturi) 장치를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 장치는 더 나아가 경화 오븐 내의 기구를 지지하도록 구성된 받침대 및, 전하 발생기와 상기의 받침대 사이의 하나의 전기 절연층(electrical insulation)을 포함할 수 있다.

상기의 특징, 기능 및 이점들은 본 개시의 다양한 구현예에서 독립적으로 달성되거나, 또는 더 자세하게 하기의 내용 및 도면을 참조하여 이해될 수 있는 다른 구현예들에서 혼합되어 나타날 수 있다.

이로운 구현예의 특성으로 여겨지는 새로운 특징들은 첨부된 청구항에 기술되어 있다. 그러나 바람직한 사용과 그것의 추가적인 목적 및 이점뿐만 아니라 이로운 구현예들까지 모두 본 명세서에 첨부된 도면과 관련하여 읽으면서 이로운 구현예의 하기의 상세한 기술을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것인데, 여기서:
도 1은 복합수지 적층부의 경화용 장치의 기능적 블록 다이어그램으로, 상기 장치는 적층부의 공극을 감소시킨다.
도 2는 도 1에 나타난 장치의 한 구현예의 측면 전개도이다.
도 3은 도 2에서 선 3-3을 따라 절개한 비전개(unexploded) 단면도이다.
도 4는 상기 장치의 또 다른 구현예의 측면도이다.
도 4a는 마찰대전 효과를 활용하는 밴 더 그래프 정전기 발생기의 개략적인 도면이다.
도 5는 상기 장치의 추가 구현예의 측면도이다.
도 6은 복합수지 적층부의 경화 방법의 흐름도로, 상기 방법은 적층부의 공극을 감소시킨다.
도 7은 항공기 제작 및 운행 방법의 흐름도이다.
도 8은 항공기의 블록 다이어그램이다.

도 1은 복합수지 적층부의 경화용 장치의 구성성분들을 포괄적으로 묘사하는데, 상기 장치는 갇힌 기체로 인한 적층부의 공극을 감소시킨다. 적층부, 특히 기구-접촉부의 공극의 감소 덕분에, 고온고압기 이외의 공정을 사용하여 복합재 적층부를 경화할 수 있다. 경화되지 않은 복합재 적층부(20)가 적절한 기구(22)(때로 경화 기구 또는 결합(bond) 기구이라고 명명함)의 표면(25)에 위치된다. 아래서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 경화 공정 중에 적층부(20)에 압축 압력(compaction pressure)을 적용하기 위해, 진공백(도 1에 나타나지 않음)이 적층부(20) 위에 놓여 기구 표면(25)에 밀봉될 있다. 기구(22)에 놓인 적층부(20)는 점선(26)에 의해 표시된 종래 오븐에서 경화될 수 있다. 적층부의 공극, 특히 기구 표면(25) 근처의 적층부의 공극을 감소시키기 위해, 전하 발생기(24)가 사용되어 기구(22)를 음전하로 대전시키고, 이것이 경화 주기 내내 유지될 수 있다. 상기 경화되지 않은 복합재 적층부(20)는 양전하(+)를 띈다. 양전하로 충전된 적층부(20)와 음전하로 충전된 기구(22)로부터 야기된 전위차(V)는 갇힌 공기 및/또는 휘발성 기체 분자(58)(이후, 종합적으로 기체(들) 또는 기체 분자라 명명함)를 기구(22)의 표면(25)으로 끌어당기는 정전기력(F)를 생성한다. 기체 분자(58)가 기구 표면(25)으로 이동함으로써, 갇힌 기체에 의해 유발된 경화된 적층부(20) 중의 공극은 실질적으로 감소 또는 제거된다.

다음은 종래의 진공백 포장 기법을 사용하여 경화 공정 중에 적층부(20)에 압축 압력을 적용하면서 종래의 오븐(26)에서 복합수지 적층부(20)를 경화하는 데 활용될 수 있는 도 1에 나타난 장치의 한 구현예를 묘사하는 도 2 및 도 3에 관심이 향한다. 경화되지 않은 복합재 적층부(20)는 프리프레그 여러 겹을 포함할 수 있고, 이들 각각은 고분자 수지 기지(20b) 중에 보유된 섬유 강화재(20a)(도 3)를 포함한다. 경화되지 않은 복합재 적층부(20)는 기구(22)의 표면(25)에 위치된다. 상기의 묘사된 구현예에서, 기구 표면(25)은 실질적으로 평면으로 나타나 있지만, 다른 적용들의 경우 기구 표면(25)은 하나 이상의 등고면(contours) 또는 곡선 또는 평면과 등고면과의 조합을 가질 수 있다(도면에 나타나지 않음). 기구(22)는 전하 발생기(24)(본 실시예에서, 전원이 공급되지 않는 기계 형태의 전하 발생기(24)가 도 1에 묘사됨)에 의해 생성되는 전하를 유지할 수 있는 금속, 복합재 또는 기타 소재들을 포함할 수 있다.

나일론 또는 폴리에스테르(이들에 제한되지 않음)로 이루어질 수 있는 종래의 신축 진공백(32)은 적층부(20)를 덮고, 종래의 밀봉 테이프 또는 기타 밀봉 방법들(도면에 나타나지 않음)을 사용하여 기구 표면(25)에 밀봉되어 있다. 비록 도면에 묘사되지 않았으나, 하나 이상의 공기 흡입기, 필플라이(peel ply), 콜 플레이트(caul plates) 등이 진공백(32) 아래 적층부(20) 위에 놓일 수 있다. 진공백(32)은 진공백(32)을 비우기 위해 사용되는, 진공 튜브(40)와 연결된 공기 유출구(38)를 포함하는데, 그로 인해 경화 주기 동안 적층부(20)에 압축 압력이 적용된다.

아래서 기술될 전하 발생기(24)는 기구(22)의 바닥층(36)에 부착된다. 전하 발생기(24)는 기구(22) 및 부품 적층(20)과 함께, 경화를 수행하는 종래의 가열 오븐(26) 내부에 놓일 수 있는 오븐 받침대(30)에서 지지된다. 전하 발생기(24)는 절연층(28)(이것에 제한되지는 않으나 유리 섬유로 이루어짐)에 의해 오븐 받침대(30)와 전기적으로 절연된다. 전하 발생기(24)로 기구(22)를 충전하는 동안, 상기 절연층(28)이 전하 발생기(24)를 오븐 받침대(30)와 절연함으로써, 기구(22)에 대전된 음전하의 방전을 방지한다.

도 2 및 3에 나타난 구현예에서, 전하 발생기(24)는 마찰 정전기 전하 발생기를 포함하는데, 상기 발생기는 제1 소재의 제1층(42) 및 제2층(44)을 포함하고, 상기 두 층은 공기가 통과하도록 허용하는 제2 소재의 투과층(46)에 의해 일정 간격으로 분리되어 있다. 제1 소재의 제1층(42a)과 제2층(44a)은 제2 소재층(46)과 접촉하는 서로 마주보는 표면들(42a 및 44a)(도 3)을 갖는다. 마찰대전 전하 발생기(24)는 마찰대전 효과에 의해 전하를 발생시킨다. 때로 마찰대전 충전이라고 알려진 마찰대전 효과는 문지르기 방법과 같이, 특정 소재가 그밖의 다른 소재와 접촉하고 그런 다음 분리되어, 전기 충전되는 접촉성 대전(contact electrification) 상태이다(그러나 어떤 경우에는 문지르기 또는 분리하기 없이 단순한 접촉을 통해서 전하 이동이 발생할 수 있다). 생성된 전하의 극성 및 세기는 소재의 종류, 소재의 표면 거칠기, 온도, 변형률(strain) 및 소재의 기타 속성에 따라 달라진다. 소재들은 이들이 다른 물체와 접촉했을 때 전하 분리(charge separation)의 극성의 순서에 따라, 대전 서열(triboelectric series)라고 알려진 목록에 배열될 수 있다. 대전 서열의 아래쪽에 가까이 있는 소재는, 대전 서열의 위쪽에 가까이 있는 소재와 접촉했을 때, 더 많은 음전하를 획득하고, 반대의 경우도 마찬가지다. 두 소재가 대전 서열에서 서로 멀리 떨어져 있으면 있을수록, 더 많은 전하가 이동한다.

소재의 층들(42, 44 및 46)은 예를 들어, 폴리에스테르 또는 나일론(이것에 제한되지 않음)으로 이루어지는 진공백(56)으로 덮어 씌워져 있다. 진공백(56)은 예를 들어 종래의 실링 테이프의 사용(도면에 나타나지 않음)과 같은 모든 적합한 기법에 의해 기구(22)의 바닥면(36)에 밀봉되고, 제2 소재의 제2층(44)과 정확히 맞닿는다. 진공백(56)의 한 면에 부착된 벤츄리 장치(52)는 흡입관(54)과 연결되어 있다. 벤츄리 장치(52)는 진공백(56) 내부에 국소 부분 진공을 생성하는 내부 벤츄어 튜브(도면에 나타나지 않음)를 포함한다. 이와 같은 국소 부분 진공은 공기가 진공백(56)의 유입구(48)로 들어가 제2 소재의 층(46)을 통해 빠져나가도록 한다.

제2 소재의 층(46)을 통과해 흐르는 공기는 제1 소재의 제1층(42)과 제2층(44)의 표면들(42a, 44a)(도 3) 위를 가로질러 움직인다. 층(46)을 형성하는 제2 소재와 두 층(42 및 44)을 형성하는 제1 소재는, 공기가 층(46)을 통과하고 제1층(42) 및 제2층(44) 위를 흐를 때 기구(22)에 원하는 정도의 음전하를 발생시키기에 충분하도록 대전 서열에서 충분히 떨어져 있도록 선택된다. 예를 들어, 그러나 이것에 제한되지 않고, 한 구현예에서, 소재의 제1층(42) 및 제2층(44) 각각은 Teflon^®과 같은 적합한 FEP(불소화된 에틸렌 프로필렌)처럼, 대전 서열에서 상대적으로 음전하를 갖는 소재로 이루어질 수 있고, 제2 소재의 층(46)은 대전 서열에서 상대적으로 양전하를 갖는 직물 유리/N10으로 이루어질 수 있다.

진공백(56)의 제2층(44)과의 접촉은, 제1층(42) 및 제2층(46)의 서로 마주보는 표면들(42a 및 44a) 위를 지나가는 공기 흐름(50)과 함께, 마찰대전 전하 발생 효과에 의해 기구(22)에 음전하가 대전되게 한다. 마찰대전 효과를 통해 기구(22)에 정전기 전하를 발생시키기 위해, 소재들의 다른 배열들이 기구(22)의 뒷면(36)에 활용될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 전하 발생기(24)에 의해 생성된 전하는 기구(22)를 음전하로 충전한다. 기구 표면(25)의 음전하는 기체(58) 및 수지(60) 둘 다의 분자들(도 3)을 기구 표면(25)으로 끌어당기는 정전기력(electrostatic force) F(도 1)를 생성함으로써, 경화부 중의 공극, 특히 기구-접촉부의 공극을 실질적으로 감소 또는 제거한다. 정전기력 F에 의해 야기되는 수지 분자들(60)의 기구 표면(25)으로의 이동은 기체 분자들(58)이 적층부(20)에서 빠져나와 기구 표면(25)으로 이동하는 것에 일조할 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 도 1에 나타난 전하 발생기(24)는 기구 표면(25)에 정전기성 음전하를, 그리고 기구(22)와 복합재 적층부(20) 사이에 원하는 전위차를 형성하기 위해, 기구(22)로 이동될 수 있는 전하를 발생시킬 수 있는 여러 장치들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조할 때, 전하 발생기(24)는 기구(22)에 직접 연결되어 있을 수 있는 전원공급 정전기 전하 발생기(64)를 포함할 수 있다. 이와 같은 예에서, 기구(22)는 전기 절연층(28)에 의해 기구(22)로부터 절연된 오븐 받침대(30) 상에서 지지된다.

정전기 발생기(64)는 둘 이상의 도르래(나타나지 않음)에 감긴 신축적 유전체(dielectric material)로 만든 벨트(나타나지 않음) 및 상기 도르래 근처에 위치된 전극들(나타나지 않음)로 이루어진 밴 더 그래프 정전기 발생기를 포함할 수 있다. 선택적으로, 정전기 발생기(64)는 도 4a에 나타난 바와 같이, 마찰대전 효과를 활용하는 밴 더 그래프 정전기 발생기의 형태를 포함할 수 있다. 이와 같은 후자의 예에서, 하나 이상의 벨트(65)와 한 쌍의 롤러(67 및 69)(둘 중 하나가 절연체로 만들어졌거나 또는 둘 다 대전 서열에서 서로 다른 위치에 있는 절연체(하나는 상기 소재나 벨트보다 위에, 다른 하나는 상기 소재나 벨트보다 아래에)로 만들어짐) 사이의 마찰이 상기 롤러(67 및 69)를 반대 극성들로 충전한다. 그러고 나서, 상기 롤러(67 및 69)의 전기장(나타나지 않음)이 전극들(71 및 73) 상에서 코로나 방전(corona discharge)을 유도하는데, 상기 전극들은 롤러(67 및 69) 상의 전하와 극성이 반대인 벨트(65) 상의 전하를 분사한다. 앞서 기술된 전원공급 유형의 정전기 발생기(64)의 사용은 복잡한 또는 상당히 울퉁불퉁한(contoured) 표면이 있는 경화 기구(22), 그리고 대형 및 소형 기구 줄들(strings) 모두와 관련하여 바람직할 수 있다.

적층부 공극을 감소 또는 제거하는, 복합재 적층부(20) 경화용 장치의 추가 구현예가 도 5에 묘사되어 있다. 이와 같은 예에서, 기구(22)의 바닥면(36)은 실질적으로 제1 소재 한 층(42)으로 덮어 씌워져 있다. 제2 소재의 한 층(56)이 제1 소재의 층(42)을 뒤덮고, 층(42)과 절연층(28) 사이에 끼어 있다. 제1층(42)과 제2층(56)은 기구 표면(25)에 원하는 정전기 전하를 생성할 정도로 대전 서열에서 충분히 서로 다른 본질적 전하를 갖는다. 예를 들어, 기구(22)의 바닥면(36)과 접촉하는 층(42)은 상대적으로 음전하를 갖는 FEP/Teflon 소재로 이루어질 수 있고, 층(56)은 대전 서열에서 상대적으로 양전하를 갖는 나일론 또는 폴리에스테르로 이루어질 수 있다. 도 5에 나타난 구현예에서는, 도 2 및 3에 나타난 구현예에서 수행된 바와 같이 공기를 두 층(42 및 56) 중 한 층 위로 통과시킬 필요가 없다.

이제 관심은 경화부 중의 기구-접촉부의 공극을 감소시키고, 종래의 진공백 공정 기법 및 종래의 경화 오븐을 사용하여 수행될 수 있는, 복합재 적층부 경화용 방법의 전단계를 폭넓게 묘사한 도 6으로 향한다. (66)에서 시작하여, 경화되지 않은 적층부(20)가 기구(22)의 표면(25)에 놓인다. (68)에서, 진공백(32)이 적층부(20) 위에 놓이고, 기구(22)에 밀봉된다. (78)에서, 진공백(32) 내부가 진공 상태가 되고, (72)에서, 기구(22)가 전기 충전되는데, 이 단계는 상기 묘사된 예에서, 기구(22)에 음전하를 대전하고, 그 결과 기구 표면(25)에 정전기성 음전하를 생성하는 단계를 포함한다. (74)에서, 기구 표면(25)에 대전된 정전기 전하가 사용되어 기체 및 수지 분자들을 기구 표면(25)으로 끌어당긴다. (76)에서, 종래의 오븐(26)에 적층부(20)와 함께 음전하로 충전된 기구(22)를 위치시킴으로써 복합재 적층부가 경화된다.

본 개시의 구현예들은 다양한 잠재적 응용들, 특히 예를 들어, 우주항공, 해양, 자동차 산업을 비롯한 운송수단 산업과 자동화된 적층 장비가 사용될 수 있는 그밖의 다른 응용분야들에서 사용될 수 있다. 따라서, 이제 도 7 및 9을 참조하여, 본 개시의 구현예들은 도 7에 나타난 항공기 제조 및 운행 방법(78)과 도 8에 나타난 항공기(80)의 상황에서 사용될 수 있다. 개시된 구현예들의 항공기에서의 응용들은 예를 들어, 이것에 제한되지 않으나, 빔(beam), 가로날개뼈대(spars) 및 스트링거(stringers) 등 그외의 복합수지부의 경화를 포함할 수 있다. 사전 제작 중에, 예시적 방법(78)은 항공기(80)의 명세서 및 설계(82) 그기고 자재 조달(84)을 포함할 수 있다. 제작 중에는, 항공기(80)의 구성부품 및 하위부품 제조(86) 및 시스템 통합(88)이 발생한다. 그러고 나서, 항공기(80)는 운행(92)되도록 하기 위해 인증 및 인도(90)를 거칠 수 있다. 항공기(80)는 고객에 의해 운행되는 동안, 정기적인 유지보수 서비스(94)가 예정되는데, 이것은 또한 변형(modification), 재구성, 재정비 등을 포함할 수 있다.

상기 방법(78)의 각 공정들은 시스템 통합자, 제3자 및/또는 작동자(예를 들면, 고객)에 의해 실행 또는 수행될 수 있다. 이와 같은 내용의 실현을 목적으로, 시스템 통합자는, 다음에 제한되지 않으나, 항공기 제조업자 및 주요 시스템 하청업자 등을 포함할 수 있고; 제3자는, 다음에 제한되지 않으나, 여러 판매책, 하청업체 및 공급업체를 포함할 수 있고; 그리고 작동자는 항공사, 리스 회사, 군사업체, 서비스 조직 등일 수 있다.

도 8에 나타난 바와 같이, 예시적 방법(78)에 의해 제작된 항공기(80)는 다수의 장치들(98)과 인테리어(100)를 장착한 동체(96)를 포함할 수 있다. 고급 장치들(98)들의 예는 추진 장치(102), 전기 장치(104), 유압 장치(106) 및 환경 장치(108) 중 하나 이상을 포함한다. 그밖의 다른 수많은 장치들이 포함될 수 있다. 항공우주 분야를 예로 나타냈으나, 본 개시의 기본 원칙들은 해상 및 자동차 산업과 같은 그밖의 다른 산업들에 적용될 수 있다.

본 명세서에서 구현된 장치 및 방법들은 제작 및 운행 방법(78)의 하나 이상의 단계들을 수행하는 동안 활용될 수 있다. 예를 들어, 제작 공정(86)에 해당하는 구성 부품 또는 하위 부품들은 항공기(80)가 운행되는 동안 제작되는 구성 부품 또는 하위 부품들과 유사한 방법으로 제작 또는 제조될 수 있다. 또한, 제조 단계(86 및 88) 중에, 예를 들면 항공기(80)의 조립을 실질적으로 신속히 처리하거나 또는 비용을 축소시킴으로써, 하나 이상의 장치 구현예, 방법 구현예, 또는 이들의 조합이 활용될 수 있다. 이와 유사하게, 항공기(80)이 운행되는 동안, 하나 이상의 장치 구현예, 방법 구현예 또는 이들의 조합이, 예를 들면 이것에 제한되지 않으나, 유지보수 및 운행(94)에 활용될 수 있다.

묘사 및 기술을 위해 서로 다른 유리한 구현예들의 내용이 제시되었는데, 이들은 총망라된 것이거나 또는 개시된 형태의 구현예들에 제한된 것이 아니다. 당업자들에게는 여러 변형 및 변경이 명확히 이해될 것이다. 더 나아가, 다른 유리한 구현예들은 그밖의 유리한 구현예들과 비교할 때 서로 다른 이점들을 제공할 수 있다. 선택된 구현예(들)은, 구현예의 기본 원칙들과 실용적인 응용 방법을 가장 잘 설명하기 위해, 그리고 당업자 이외의 사람들이 고려된 특정 용도에 알맞도록 다양하게 변경된 다양한 구현예들에 대한 개시를 이해할 수 있도록, 선택 및 기술되었다.

Claims (15)

1. 복합수지부의 공극을 감소시키는 방법으로서,
   경화되지 않은 복합재 적층부를 기구의 표면에 위치시키는 단계; 그리고
   경화되지 않은 복합재 적층부의 내부 분자들을 기구의 표면으로 끌어당기는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 추가로 적층부를 경화하는 단계를 포함하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 기구의 표면으로 분자들을 끌어당기는 단계는 기구를 전기 충전함으로써 기구를 대전시키는 단계를 포함하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 기구의 전기 충전이 마찰대전 충전을 사용하여 수행되는 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 기구의 전기 충전이 밴 더 그래프(Van der Graaf) 정전기 발생기를 사용하여 수행되는 방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 기구의 전기 충전이 음전하 발생기를 사용하여 수행되고, 기구에 대전된 전하가 음전하인 방법.
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기구 상의 전하를 사용하여 복합재 적층부 중의 기체 분자들을 기구의 표면으로 끌어당기는 단계를 추가로 포함하는 방법.
8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기구의 전기 충전이 정전기 전하 발생기를 사용하여 수행되는 방법.
9. 복합수지부를 경화하기 위한 장치로,
   복합수지 적층부와 접촉하도록 구성된 기구 표면을 갖는 기구; 및
   복합수지 적층부 중의 기체 분자들을 기구 표면으로 끌어당기기에 충분할 정도로 기구 표면에 전하를 발생시키기 위한 전하 발생기를 포함하는 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 전하 발생기가 마찰대전 전하 발생기를 포함하는 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 마찰대전 전하 발생기가 기구 표면에 전하를 생성할 만큼 대전 서열(triboelectric series)에서 충분히 떨어져 있는, 서로 접촉한 둘 이상의 소재를 포함하는 장치.
12. 제10항에 있어서, 상기 마찰대전 전하 발생기가 기구 상에 위치하는 장치.
13. 제10항에 있어서, 상기 마찰대전 전하 발생기가:
    대전 서열에서 본질적으로 음전하를 갖는, 기구와 접촉한 제1 소재 및,
    기구 표면에 전하를 발생시키에 충분할 정도로 대전 서열에서 제1 소재와 떨어져 있는, 제1 소재와 접촉한 제2 소재를 포함하는 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 소재는 제1층 및 제2층을 포함하고, 그리고
    상기 제2 소재는 상기 제1층 및 제2층 사이에 배치되고, 상기 제1층 및 제2층의 표면들을 가로지르는 공기의 흐름을 허용하는 투과성을 갖는 장치.
15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로
    경화 오븐 내에서 기구를 지지하도록 구성된 받침대; 및
    상기 전하 발생기와 상기 받침대 사이에 하나의 절연층을 포함하는 장치.
    

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