KR20140048835A - 튜브형 직물 예비성형체, 섬유 강화 복합체, 및 이의 제조방법 - Google Patents

튜브형 직물 예비성형체, 섬유 강화 복합체, 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20140048835A
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central axis
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조나단 고에링
스티브 비들
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알바니 엔지니어드 콤포짓스, 인크.
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Abstract

섬유 강화 복합체용 예비성형체, 섬유 강화 복합체, 및 이의 제조방법이 개시된다. 하나의 방법은 중심축을 갖는 튜브형 직물 구조체를 형성하기 위하여 복수의 경사를 하나의 위사와 교직하는 단계를 포함한다. 상기 예비성형체는 순환 제직 기술 또는 튜브형 제직 기술(endless or tubular weaving technique)을 이용하여 제직될 수 있으며, 또한 그의 길이를 따라 둘 이상의 직경을 갖도록 제직될 수 있다. 상기 다층 구조체는 상기 튜브형 직물 구조체의 하나 또는 두 표면 위에 형성된 포(fabric) 또는 상기 튜브형 직물 구조체의 하나 또는 두 표면에 부착된 포의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 최종 구조체는 창문틀, 바퀴 테두리, 또는 제트 엔진의 연소기의 일부일 수 있다.

Description

직물 예비성형체, 섬유 강화 복합체, 및 이의 제조방법{Woven preforms, fiber reinforced composites, and methods of making therof}
본 발명은 섬유 강화 복합체에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 직물 예비성형체, 이 직물 예비성형체를 포함하는 섬유 강화 복합체, 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 복합체 구조체는 창문틀과 같은 항공기 구조체의 건설에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 언급된 모든 특허, 특허 출원, 문헌, 참조, 임의의 제품에 대한 제조업자의 지시사항, 설명, 제품 규격, 및 제품 시트는 참조에 의하여 본 명세서에 통합되며, 본 발명의 실시에 있어서 채용될 수 있다.
구조 성분을 생산하기 위한 강화 복합체의 사용은 현재 널리 퍼져 있으며, 경량이고, 강하고, 인성이 크고, 내피로성이고, 자기지지성이며, 성형(forming) 및 형태화(shaping)에 적응성인 이들의 바람직한 특성이 추구되는 응용 분야에서 특히 그러하다. 그러한 성분들은 예를 들면 항공학, 항공우주산업, 위성, 레크리에이션(예를 들면 경주용 보트 및 자동차), 및 다른 응용분야에서 사용된다.
전형적으로 그러한 성분들은 매트릭스 재료중에 심어넣어진(embedded) 강화 재료로 이루어진다. 상기 강화 성분은 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌, 및/또는 소망하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질(그 중에서 중요한 것은 응력 파괴에 대항하는 큰 강도이다)을 나타내는 다른 재료와 같은 재료로부터 만들어질 수 있다. 궁극적으로 완성된 성분의 구성 요소가 되는 그러한 강화 재료를 사용함으로써 매우 큰 강도와 같은, 강화 재료의 소망하는 특성이 완성된 복합체 성분에 부여된다. 구성 강화 재료는 전형적으로 직물, 편성물 또는 조물(braided materials)일 수 있다. 보통 선택되는 구성 강화 재료의 성질의 최적 이용을 보장하기 위하여 특히 주의가 기울여진다. 보통 그러한 강화 예비성형체는 매트릭스 재료와 결합되어 목적하는 완성된 성분을 형성하거나 또는 완성된 성분의 궁극적인 생산을 위한 작업 재고품(working stock)을 생산한다.
목적하는 강화 예비성형체가 구축된 후, 매트릭스 재료가 예비성형체 내로 도입될 수 있으며, 이에 의하여 전형적으로 강화 예비성형체는 매트릭스 재료 중에 둘러싸이며 매트릭스 재료가 강화 예비성형체의 구성 요소들 사이의 영역을 충전한다. 매트릭스 재료는 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및 소망하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질을 또한 나타내는 다른 재료와 같은 넓고 다양한 재료일 수 있다. 매트릭스로서 사용되기 위하여 선택되는 재료는 강화 예비성형체의 재료와 같거나 같지 않을 수 있으며 필적할 만한 물리적, 화학적, 열적, 또는 다른 성질을 가질 수 있거나 갖지 않을 수 있다. 그러나, 전형적으로 그들은 같은 재료가 아닐 것이며 또는 필적할 만한 물리적, 화학적, 열적, 또는 다른 성질을 갖지 않을 것이다. 왜냐하면, 무엇보다도 복합체를 사용하는데 있어서 추구되는 통상의 목적이 하나의 구성 재료만을 사용하는 것으로는 달성할 수 없는 특성의 조합을 완제품에서 달성하는 것이기 때문이다. 그렇게 조합된 후, 강화 예비성형체와 매트릭스 재료는 그 후 동일한 작업에서 열경화 또는 다른 알려진 방법으로 경화되고 안정화될 수 있으며, 그 후 목적하는 성분을 생산하기 위한 다른 작업에 가해질 수 있다. 그렇게 경화된 후, 고화된 매트릭스 재료의 덩어리(mass)는 강화 재료(예를 들면, 강화 예비성형체)에 매우 강하게 부착되어 있는 것에 주의하는 것이 이때 중요하다. 그 결과, 완성된 성분상의 응력은, 특히 섬유들 사이의 접착제로서 작용하는 매트릭스 재료를 통하여, 강화 예비성형체의 구성 재료로 효과적으로 전달되고 이에 의하여 효과적으로 지탱된다.
자주, 플레이트, 시트, 직사각형 또는 정사각형 고체 등과 같은 단순한 기하학적 형태 이외의 배치 형태의 성분들을 생산하는 것이 요구된다. 이를 행하는 하나의 방법은 그러한 기본적인 기하학적 형태들을 목적하는 더 복합한 형태로 결합하는 것이다. 모든 그러한 형태에서, 관련된 고려사항은 구성 성분들 사이의 각 접합부(juncture)를 가능한 한 강하게 만드는 것이다. 강화 예비성형체 구성요소 그 자체의 소망하는 매우 큰 강도를 고려할 때, 접합부의 약함은 효과적으로 구조 "체인"에서 "약한 고리(weak link)"가 된다.
선행 기술이 강화된 복합체의 구조 일체성(structural integrity)을 더 개선하려고 하였으며 부분적으로 이에 성공하였지만, 접착제 또는 기계적 커플링의 사용과는 다른 방법을 통하여 이를 더 개선하거나 또는 상기 문제를 해결하려는 요구가 존재한다. 이와 관련하여, 특수 기계로 직물 3차원("3D") 구조체를 생성하는 것이 하나의 방법이 될 수 있다. 그러나, 이와 관련된 비용은 매우 크며 또한 제직기가 하나의 구조체를 생성하도록 하는 것은 바람직하지 않다. 다른 방법은 2차원("2D") 구조체를 제직하여 이를 3D 형태로 접는 것일 것이며 그래서 패널은 일체적으로 제직(integrally woven)된다. 즉 실들이 평평한 베이스 또는 패널부분(planar base or panel portion) 및 다른 구성부분(constituent portions) 사이에서 연속적으로 교직된다.
항공기에서 그러한 섬유 예비성형체 강화재를 갖는 복합 재료의 증가된 사용은 복합체 창문틀과 같은 복합체 성분에 대한 필요로 이어졌다. 창문틀의 열적 변형(thermal strain)은 주위 구조체의 그것과 매칭되어야 하므로 이들 창문틀이 복합체로 만들어지는 것은 바람직한 것 이상이다. 비록 이들 창문틀은 계란형, 원형 또는 임의의 다른 형태일 수 있지만, 그러한 창문틀(10)의 전형적인 기하는 예를 들면 도 1에 도시되어 있다.
이들 창문틀(10)의 단면 형태는 전형적으로 일련의 'T', 'L', 및/또는 'U' 형태로 분해될 수 있다. 도 1에서 창문틀(10)의 단면 형태는 예를 들면 한 쌍의 'L' 형태, 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같이 서로 등을 맞대도록 위치하는 한 쌍의 'L' 형태(12)로서 생성될 수 있다.
항공기 구조체는 위에서 논의된 것과 같이 선대칭적 기하학적 구조(즉, 하나의 축을 따라 대칭인 기하학적 구조)를 종종 포함한다. 위에서 설명한 것과 같은 구조체를 사용할 수 있는 다른 항공기 성분은 예를 들면 바퀴 테두리(wheel rims), 컨테인먼트 링(containment rings), 제트 엔지의 연소기이다. 선대칭 형태를 갖는 섬유 강화 예비성형체를 제조하는 많은 기술이 존재한다. 이들은 윤곽 제직(contour weaving), 브레이딩(braiding), 및 필라멘트 와인딩을 포함한다.
이들 기술의 각각은 장점 및 단점을 갖는다. 그러나, 이들 중 어느 것도 동심인 세그먼트를 갖는 형태의 단일 튜브형 예비성형체(single tubular preform)를 제조하는데 사용될 수 없다.
따라서, 본 발명의 일 예시적인 구현예는 하나 이상의 동심 세그먼트(concentric segments)를 갖는 복잡한 선대칭 형태로 성형될 수 있는 이음매 없는 섬유 예비성형체의 제직방법이다. 기체(airframe) 및 엔진 구조체의 창문틀 및 연소기는 그러한 형태의 예비성형체를 이용하는 구조체의 몇몇 예이다. 상기 방법은 엔지니어링된 튜브를 제직하는 단계를 포함하며, 상기 튜브는 섬유 강화 복합체의 기술에서 통상적으로 '양말(socks)'로 지칭된다. 상기 양말은 평평(flat)하게 제직되지만 목적하는 3차원 형태로 이어진다. 이들 예비성형체는 이어서 수지 이송 성형(resin transfer molding) 또는 화학적 증기 침투(chemical vapor infiltration)와 같은 공정을 이용하여 복합체 성분으로 가공될 수 있다.
이 구현예에 따른 상기 방법은 일반적으로 복수의 경사를 하나의 위사와 교직하여 중심축을 갖는 튜브형 직물 구조체를 형성하는 단계를 포함한다. 이 예비성형체는 그의 길이를 따라 둘 이상의 직경을 갖도록 이음매 없이 제직될 수 있다. 이 방법은 더 큰 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제1 부분을 더 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제2 부분 위로 상기 중심축을 따라 접는 단계, 및 선택적으로 가장 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제3 부분을 상기 예비성형체의 상기 제2 부분 속으로 접는 단계를 더 포함한다. 상기 예비성형체는 미리 결정된 형태를 갖는 맨드렐과 공형(共形)이 되도록 성형될 수 있다. 복수의 경사는 상기 예비성형체의 중심축에 평행일 수 있으며, 또한 위사는 상기 예비성형체의 후프 방향에 평행일 수 있다.
본 발명의 일 예시적인 구현예는 섬유 강화 복합체용 이음매 없는 예비성형체이다. 상기 예비성형체는 하나의 위사와 교직하여 중심축을 갖는 튜브형 직물 구조체(tubular woven structure)를 형성하는 복수의 경사를 포함한다. 상기 복수의 경사는 순환 제직 기술 또는 튜브형 제직 기술(endless or tubular weaving technique)을 이용하여 하나의 위사와 교직될 수 있다. 상기 예비성형체는 그의 길이를 따라 둘 이상의 직경을 가져서 더 큰 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제1 부분은 더 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제2 부분 위로 중심축을 따라 접혀질 수 있다. 상기 예비성형체의 제3 부분은 선택적으로 상기 제2 부분 속으로 접혀질 수 있다. 상기 예비성형체는 미리 결정된 형태를 갖는 맨드렐과 공형(共形)이 되도록 성형될 수 있다. 복수의 경사는 상기 예비성형체의 중심축에 평행일 수 있으며, 또한 위사는 상기 예비성형체의 후프 방향에 평행일 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 구현예는 위에서 설명한 예비성형체를 포함하는 섬유 강화 복합체이다. 상기 섬유 강화 복합체는 매트릭스 재료를 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 수지이다. 상기 섬유 강화 복합체는 예를 들면 엔진의 연소기(combustor) 또는 항공기 창문틀의 일부일 수 있다.
본 발명의 특징을 이루는 새로운 다양한 특징들이 본 개시에 첨부되며 본 개시의 일부를 형성하는 특허청구범위에 특히 지적되어 있다. 본 발명, 작동 이점 및 이의 사용에 의하여 얻어지는 특정한 목적을 더 잘 이해하기 위하여, 다음의 동반하는 설명 및 첨부 도면을 참조한다. 상기 동반하는 설명에서는 바람직하지만 비제한적인 본 발명의 구현예가 예시되어 있으며 첨부 도면에서 대응하는 성분들은 동일한 참조 번호로 확인된다.
본 개시에서 용어 "포함하는(comprising)" 및 "포함한다(comprises)"는 "포함하는(including)" 및 "포함한다(includes)"을 의미할 수 있으며 또는 미국 특허법에서 용어 "포함하는(comprising)" 및 "포함한다(comprises)"에 통상적으로 주어지는 의미를 가질 수 있다. 만일 특허청구범위에서 사용된다면 용어 "본질적으로 이루어진(consisting essentially of)" 또는 "본질적으로 이루어지다(consists essentially of)"는 미국 특허법에서 이들에게 할당하는 의미를 갖는다. 본 발명의 다른 측면은 다음의 개시에서 설명되며 다음의 개시(및 본 발명의 범위내)로부터 명백하다.
본 발명에 대한 추가적인 이해를 제공하기 위하여 포함된 첨부 도면은 본 명세서에 통합되며 본 명세서의 일부를 구성한다. 여기에 제시된 도면은 본 발명의 다양한 구현예들을 도시하며 본 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 도움을 준다. 이하 도면에서,
도 1은 항공기 창문 틀의 모식도이며;
도 2는 도 1에 도시된 항공기 창문 틀의 단면도이며;
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 방법에 관련된 단계의 모식도이며;
도 4a는 본 발명의 일 측면에 따른 직물 이음매 없는 예비성형체(woven seamless preform)의 단면도이며;
도 4b는 본 발명의 일 측면에 따른 직물 이음매 없는 예비성형체의 상면도이며;
도 5는 제직기 상에서 보이는 이음매 없는 플랫(flat) 직물 예비성형체의 상면도이며;
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 측면에 따른 방법에 관련된 단계의 모식도이며;
도 7은 본 발명의 일 측면에 따른 직물 이음매 없는 예비성형체의 사진이며;
도 8은 본 발명의 일 측면에 따른 직물 이음매 없는 예비성형체의 사진이며;
도 9는 본 발명의 일 측면에 따른 직물 이음매 없는 예비성형체의 사진이며;및
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 측면에 따른 방법에 관련된 단계의 모식도이다.
이제 이하에서 본 발명의 바람직한 구현예들이 도시된 첨부도면을 참조하면서 본 발명을 더 상세하게 설명할 것이다. 그러나 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있으며 본 발명이 본 명세서에 기재된 예시 구현예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 예시된 구현예들은 본 명세서가 철저하고 완전하게 되도록 하고 또한 본 기술분야의 당업자들에게 본 발명의 범위를 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
다음의 설명에서, 도면 전체를 통하여 유사한 참조 기호는 유사하거나 대응하는 부분(parts)을 지칭한다. 추가적으로, 다음의 설명에서, "위의(upper)", "아래의(lower)", "상부(top)" 및 "하부(bottom)", "제1(first)", "제2(second)" 등과 같은 용어는 편의상의 단어이며 제한적인 용어로 해석되어서는 안 된다.
이제 첨부도면을 참조하면, 도 3은, 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 이음매 없는 예비성형체(100)의 제직 방법에 관련된 단계를 도시한다. 이 방법은 이음매 없는 예비성형체 또는 엔지니어링된 튜브를 제직하는 단계를 포함하는데, 이는 섬유 강화 복합체 기술에서 통상적으로 '양말'로 지칭된다. 상기 양말은 평평(flat)하지만 목적하는 치수를 갖는 맨들렐 상에 합치(conformed)되었을 때 목적하는 3차원 형태로 된다.
본 구현예에 따른 방법은 제직기 상에서 경사(20)의 적어도 두 층(14, 16)을 사용한다. 위사(18)는 전형적으로 제직기의 너비를 따라 연속적으로 왕복하는 북(shuttle)을 이용하여 삽입되며 따라서 예비성형체는 페쇄된 가장자리(closed edge)를 가지게 될 것이며, 따라서 후프 방향으로 연속적인 강화재를 갖게 된다. 그러한 배열에서, 북이, 일방향으로, 예를 들면 왼쪽에서 오른쪽으로 운동하는 경우, 위사(18)는 상부층(14)에서 경사(20)와 제직하며, 또한 북이 오른쪽에서 왼쪽으로 운동하는 경우, 위사(18)는 하부층(16)에서 경사(20)와 제직한다. 위사(18)는 북에서 떨어지므로, 상부층(14) 및 하부층(16)과 제직하는 위사(18)는 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 가장자리에서 연결된다.
위에서 설명한 튜브형 제직 기술을 이용하는 본 발명의 일 예시적인 구현예는 예를 들면 도 4b에 도시된 것과 같은 하나 이상의 동심 세그먼트를 갖는 복잡한 선대칭 형태(즉 중심축에 대하여 회전 대칭을 갖는 형태)로 형성될 수 있는 이음매 없는 섬유 예비성형체(120)를 제직하는 방법이다. 도 4b는 본 튜브형 제직 기술을 이용하여 제직된 이음매 없는 섬유 예비성형체(120)의 상면도이다. 도 4a는 가상선 B-B를 따른 동일한 구조체의 단면도이며, 이는 섬유 예비성형체(120)의 다른 세그먼트 'a' 내지 'f'를 를 묘사한다. 도 4a 및 4b로부터 상상될 수 있듯이, 상기 예비성형체의 세그먼트 'a', 'c' 및 'g'는 동심이며, 세그먼트 'b', 'd', 'e', 및 'f'도 동심이다. 도 4b는 섬유 예비성형체(120)의 상면도이며, 세그먼트 'a', 'c' 및 'g'는 수직 평면 또는 3차원 좌표 시스템의 z 축을 따라 형성되어 있기 때문에 이들은 이 도면에서 보이지 않는다. 직물 예비성형체(120)의 바람직한 일 구현예가 도 4a 및 4b에 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 튜브 제직 기술의 어떠한 변형이라도 실제적으로 이용하여 동심 세그먼트를 갖는 구조체로 성형될 수 있는 이음매 없는 예비성형체를 생성할 수 있다.
예비성형체(120)는 실제로 예비성형체(120) 내로 제직되는 경사(20)의 수를 변화시켜 제직될 수 있으며, 따라서 (튜브에서 개개의 고리를 형성하는) 각 위사(18) 쌍의 길이는 예비성형체(120)의 길이를 따라 변할 수 있다. 이는 도 5에 도시된 바와 같은 그 길이를 따라 변화하는 직경을 갖는 튜브 예비성형체(120)를 낳는다. 제직기 상에서의 이음매 없는 플랫(flat) 직물 예비성형체(120)의 상면도인 도 5는 제직 부분(110) 및 부분적인 제직 부분(115)를 갖는다. 제직 부분(110)에서 모든 경사(20)는 위사(18)와 교직되어 있으며, 부분적 제직부분(115)에서는 단지 일부 경사(20)만이 위사(18)와 제직하여 제직 부분(110)과 비교할 때 더 작은 직경의 튜브를 형성한다. 예비성형체의 가장자리들은 화살표 125에 의해 표시되어 있으며, 위사(18)를 운반하는 북이 연속적으로 예비성형체(120)를 제직하는 동안 제직기의 너비를 따라 연속적으로 왕복하기 때문에 상기 가장자리들은 실제적으로 이음매가 없다.
직물 예비성형체(120)는 제직기로부터 제거된 후, 경사(20)의 비제직부분을 절단하고 예비성형체(120)의 외측상에 매그러운 표면을 형성하도록 가장자리(125)를 따라 트리밍(trimming)되어 예를 들면 도 7에 도시된 것과 같은 구조체를 낳는다. 이어서 이는 목적하는 형태의 맨드렐 위에 놓여지고, 더 큰 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제1 부분(130)은 더 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제2 부분(140) 위로, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 예비성형체의 중심축을 따라 접혀진다. 또한, 가장 작은 직경을 갖는 제3 부분(150)은 안쪽으로 접혀져서 예를 들면 도 6b에 도시된 것과 같은, 접혀진 예비성형체(120)를 형성할 수 있다. 그러나, 복수의 경사(20)는 항상 상기 예비성형체의 중심축을 따라 연결되며, 위사(18)는 항상 예비성형체(120)의 후프 방향에 평행이어서 연속적인 후프 강화를 제공하는 것에 주의해야 한다.
상상할 수 있듯이, 이들 이음매 없는 예비성형체는 주름을 형성하지 않고 목적하는 형태를 형성하도록 엔지니어링된다. 이는 다팅(darting) 및 수공작업(hand work )을 필요로 할 수 있는 방법에 비하여 상당한 이득이다. 게다가, 그 결과의 구조체는 후프 방향으로 연속적인 강화재를 가지며, 이는 전체 구조체의 기계적 강도를 개선한다.
추가의 예시적인 구현예에 따른 본 발명은 예를 들면 도 9에 도시된 바와 같이 이음매 없는 예비성형체(200)를 제작하는 방법이다. 이 예는 'U' 형태 단면을 갖지만, 'U'의 기립한 다리중의 하나를 제거함으로써 'L'도 가능하다는 것이 명백할 것이다. 이 방법은 위의 구현예들에서 설명한 양말 또는 튜브 제직 기술을 사용한다. 그러나, 이 경우의 이음매 없는 예비성형체(200)는 일정한 직경을 갖는 두 부분(230, 250) 및 전이 부분(240)을 가지며, 전이 부분(240)에서 예비성형체는 더 작은 직경 부분(250)으로부터 더 큰 직경 부분(230)으로 연결된다.
직물 예비성형체(200)는 제직기로부터 제거된 후, 경사(20)의 비제직 부분을 절단하고 예비성형체(200)의 외측상에 매그러운 표면을 형성하도록 가장자리(125)를 따라 트리밍된다. 이어서 이는, 이 경우 'U' 형태 맨드렐인, 목적하는 형태의 맨드렐 위에 놓여지고, 더 큰 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제1 부분(230)은 더 작은 직경을 갖는 제2 부분(240) 위로, 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 예비성형체의 중심축을 따라 접혀진다. 또한, 가장 작은 직경을 갖는 제3 부분(250)은 안쪽으로 접혀져서 예를 들면 도 10b에 도시된 것과 같은, 접혀진 예비성형체(200)를 형성할 수 있다. 예비성형체에서 접혀진 부분을 형성하는 것은 또한 예비성형체에 '소매 끝동(cuffs)'을 다는 것으로 지칭된다. 그러나, 복수의 경사(20)는 항상 상기 예비성형체의 중심축을 따라 연결되며, 위사(18)는 항상 예비성형체(200)의 후프 방향에 평행이어서 연속적인 후프 강화를 제공하는 것에 주의해야 한다.
이 직물 예비성형체의 형태를 정의(defining)하는 것은 목적하는 구조체의 단면을 정의하는 곡선을 따르는 2차원 좌표 시스템에서 작업하면 용이하다. 이는 예를 들면 도 5에 도시된 "s" 좌표이며, 여기에서 경사 방향은 x축을 따르는 화살표로 표시되어 있으며, 위사 방향은 이 좌표 시스템의 y축을 따른다. 이 좌표는 한 쌍의 위사의 경사 방향으로의 위치에 해당한다. 특정한 "s" 위치에서의 위사의 요구되는 길이는 그 동일한 위치에서의 목적하는 구조체의 둘레(perimeter)를 계산함으로써 정의된다. 실제로, 이 과정은 도 5에 도시된 바와 같이 동심 구조체를 펼치고 평평하게 한다.
상기 이음매 없는 예비성형체는 경사 방향을 따른 각각의 "s" 위치에서 적당한 길이의 위사를 갖도록 엔지니어링되었기 때문에, 상기 이음매 없는 예비성형체는 주름을 형성하지 않고 목적하는 형태를 취할 것이다. 이는 다팅 및 수공작업을 필요로 할 수 있는 방법에 비하여 상당한 이득이다. 게다가, 그 결과의 구조체는 후프 방향으로 연속적인 강화재를 가지며, 이는 전체 구조체의 기계적 강도를 개선한다.
비록 단일층 구조체가 본 명세서에서 개시된 구현예들에서 설명되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 또한 두 개 보다 많은 경사층과 하나 보다 많은 위사를 포함하는 다층 구조를 갖는 구조체 또는 예비성형체가 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 본 기술분야의 당업자에 의하여 생산될 수 있다. 이 다층 구조체는 또한 상기 튜브형 직물 구조체의 하나 또는 두 표면 위에 형성된 포(fabric) 또는 상기 튜브형 직물 구조체의 하나 또는 두 표면에 부착된 포(fabric)의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 이 추가적인 층은 레이업 구조체(lay-up structure), 플랫 직물 구조체(flat woven structure), 순환 직물 구조체(endless woven structure), 부직포 구조체, 조물 구조체 또는 편성물 구조체일 수 있다.
유사하게, 비록 단지 두 개 또는 세 개의 다른 직경을 갖는 구조체가 본 명세서에서 개시되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 실제적으로 임의의 갯수의 직경을 갖는 동심 세그먼트를 갖는 구조체가 본 발명의 방법을 이용하여 생산될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 방법은 기계 제직될 수 있는 실제적으로 모든 섬유에 적용될 수 있으며, 또한 실제적으로 모든 패턴(즉 평직, 능직, 주자직 등)이 상기 예비성형체의 본체(main body)에 이용될 수 있다. 유사하게, 본 발명에서 이용되는 경사 및/또는 위사는 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드 및 소망하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질을 나타내는 다른 재료로 이루어진 군에서 선택된 재료로 이루어질 수 있다. 궁극적으로 완성된 복합체의 구성 요소가 되는 그러한 강화 재료를 사용함으로써, 매우 큰 강도와 같은, 강화 재료의 소망하는 특성이 완성된 복합체 성분에 부여된다. 본 발명에서 이용되는 경사 및/또는 위사는 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 가연(加撚) 멀티필라멘트, 합연 멀티필라멘트, 미가연 토우(untwisted tow), 케이블 구조체(cabled structure) 또는 조물 구조체(braided structure)일 수 있다.
목적하는 강화 예비성형체(120, 200)가 구축된 후, 수지 이송 성형 또는 화학적 증기 침투를 이용하여 매트릭스 재료가 예비성형체(120, 200) 내로 도입될 수 있으며, 이에 의하여 전형적으로 강화 예비성형체는 매트릭스 재료 중에 둘러싸이며 매트릭스 재료가 강화 예비성형체의 구성 요소들 사이의 영역을 충전한다. 매트릭스 재료는 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및/또는 소망하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질을 또한 나타내는 다른 재료와 같은 넓고 다양한 재료일 수 있다. 최종 구조체는 본 기술분야에서 통상적으로 알려진 방법을 이용하여 경화되어, 예를 들면 창문틀, 바퀴 테두리, 또는 제트 엔진의 연소기의 일부를 형성하는 복합체를 형성할 수 있다.
비록 본 발명의 바람직한 구현예들과 이의 수정예들(modifications)이 본 명세서에서 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 엄밀한 구현예들과 이의 수정예들로 제한되지 않으며, 다른 수정예들과 변형예들이 본 기술분야의 당업자들에 의하여 첨부된 특허청구범위에 의하여 정의된 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 실행될 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
10: 창문틀
12: 창문틀(10)의 'L' 단면 형태
14: 상부 경사층
16: 하부 경사층
18: 위사
20: 경사
100, 200: 이음매 없는 예비성형체
110: 제직 부분
115: 부분적인 제직 부분
125: 예비성형체의 가장자리
130, 230: 더 큰 직경을 갖는 예비성형체의 제1 부분
140: 더 작은 직경을 갖는 예비성형체의 제2 부분
150, 250: 가장 작은 직경을 갖는 예비성형체의 제3 부분
240: 예비성형체의 전이 부분

Claims (35)

  1. 섬유 강화 복합체용 이음매 없는 선대칭 예비성형체(seamless axisymmetric preform)으로서,
    하나 이상의 위사와 교직하여(interwoven) 중심축을 갖는 튜브형 직물 구조체(tubular woven structure)를 형성하는 둘 이상의 경사층(two or more layers of warp yarn)을 포함하는 예비성형체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 둘 이상의 경사층은 순환 제직 기술 또는 튜브형 제직 기술(endless or tubular weaving technique)을 이용하여 상기 하나 이상의 위사와 교직된 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 예비성형체는 그의 길이를 따라 둘 이상의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  4. 청구항 3에 있어서, 더 큰 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제1 부분은 더 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제2 부분 위로 상기 중심축을 따라 접혀져 있는 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  5. 청구항 4에 있어서, 가장 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제3 부분이 상기 예비성형체의 상기 제2 부분 위로 접혀져 있는 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 예비성형체는 미리 결정된 형태(shape)를 갖는 맨드렐과 공형(共形)인 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 경사는 상기 예비성형체의 중심축을 따르는 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 위사는 상기 예비성형체의 후프 방향(hoop direction)에 평행인 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 경사 및/또는 위사는 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  10. 청구항 1에 있어서, 복수의 상기 경사 및/또는 하나의 상기 위사는 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 가연(加撚) 멀티필라멘트(twisted multifilament), 합연 멀티필라멘트(plied multifilament), 미가연 토우(untwisted tow), 케이블 구조체(cabled structure) 또는 조물 구조체(braided structure)인 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 예비성형체는 다층 구조체(multilayered structure)인 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 다층 구조체는 상기 튜브형 직물 구조체의 하나 또는 두 표면 위에 형성된 포(fabric) 또는 상기 튜브형 직물 구조체의 하나 또는 두 표면에 부착된 포(fabric)의 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 포는 레이업 구조체, 플랫 직물 구조체(flat woven structure), 순환 직물 구조체(endless woven structure), 부직포 구조체, 조물 구조체 또는 편성물 구조체인 것을 특징으로 하는 예비성형체.
  14. 청구항 1에 따른 상기 예비성형체를 포함하는 섬유 강화 복합체.
  15. 청구항 14에 있어서, 매트릭스 재료를 더 포함하는 섬유 강화 복합체.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 수지인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합체.
  17. 청구항 14에 있어서, 상기 복합체는 창문틀(window frame), 바퀴 테두리(wheel rim), 또는 제트 엔진의 연소기(combustor)의 일부인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합체.
  18. 섬유 강화 복합체용 이음매 없는 선대칭 예비성형체의 형성방법으로서,
    둘 이상의 경사층을 하나 이상의 위사와 교직하여 중심축을 갖는 튜브형 직물 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 형성방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 둘 이상의 경사층은 순환 제직 기술 또는 튜브형 제직 기술을 이용하여 상기 하나 이상의 위사와 교직되는 것을 특징으로 하는 형성방법.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 예비성형체가 그의 길이를 따라 둘 이상의 직경을 갖도록 제직되는 것을 특징으로 하는 형성방법.
  21. 청구항 20에 있어서, 더 큰 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제1 부분을 더 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제2 부분 위로 상기 중심축을 따라 접는 단계를 더 포함하는 형성방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 가장 작은 직경을 갖는 상기 예비성형체의 제3 부분을 상기 예비성형체의 상기 제2 부분 위로 접는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형성방법.
  23. 청구항 18에 있어서, 상기 예비성형체는 미리 결정된 형태를 갖는 맨드렐과 합치되도록(comform) 하는 것을 특징으로 하는 형성방법.
  24. 청구항 18에 있어서, 상기 경사는 상기 예비성형체의 중심축에 평행인 것을 특징으로 하는 형성방법.
  25. 청구항 18에 있어서, 상기 위사는 상기 예비성형체의 후프 방향에 평행인 것을 특징으로 하는 형성방법.
  26. 청구항 18에 있어서, 상기 경사 및/또는 위사는 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에틸렌, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 형성방법.
  27. 청구항 18에 있어서, 상기 경사 및/또는 상기 위사는 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 가연(加撚) 멀티필라멘트, 합연 멀티필라멘트, 미가연 토우, 케이블 구조체 또는 조물 구조체인 것을 특징으로 하는 형성방법.
  28. 청구항 18에 있어서, 상기 튜브형 직물 구조체의 하나 또는 두 표면 위에 포(fabric)의 하나 이상의 층을 형성 또는 부착하여 다층 구조체를 형성하는 단계를 더 포함하는 형성방법.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 포는 레이업 구조체, 플랫 직물 구조체, 순환 직물 구조체, 부직포 구조체, 조물 구조체 또는 편성물 구조체인 것을 특징으로 하는 형성방법.
  30. 청구항 18의 단계를 포함하는 섬유 강화 복합체의 형성방법.
  31. 청구항 30에 있어서, 상기 예비성형체를 매트릭스 재료 중에 적어도 부분적으로 함침하는 단계를 더 포함하는 형성방법.
  32. 청구항 31에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 수지인 것을 특징으로 하는 형성방법.
  33. 청구항 31에 있어서, 상기 매트릭스 재료를 적어도 부분적으로 경화하는 단계를 더 포함하는 형성방법.
  34. 청구항 30에 있어서, 상기 복합체는 창문틀, 바퀴 테두리, 또는 제트 엔진의 연소기의 일부인 것을 특징으로 하는 형성방법.
  35. 하나의 위사와 교직하여 중심축을 갖는 이음매 없는 튜브형 직물 구조체를 형성하는 복수의 경사를 포함하는 섬유 강화 복합체.
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