KR20140055993A - 복합재 만곡부 충전부 및 이를 제조하는 방법물 - Google Patents

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KR20140055993A
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폴 에스. 노르만
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더 보잉 컴파니
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Abstract

본 발명의 하나의 실시예에서, 복합재 구조물을 위한 복합재 만곡부 충전부가 제공된다. 상기 복합재 만곡부 충전부는 2 이상의 만곡부 층을 포함하되, 각각의 만곡부 층은, 상기 2 이상의 만곡부 층을 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층된 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭되는 적층된 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 갖고 정해진 반경으로 형성된 적층 복합재 겹의 층을 포함한다. 각각의 만곡부 층은 상기 복합재 구조물의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 적어도 하나의 측면이 다른 측면에 인접하게 정렬되도록 마무리된다.

Description

복합재 만곡부 충전부 및 이를 제조하는 방법물{COMPOSITE RADIUS FILLERS AND METHOD OF FORMING THE SAME}
본 발명은 일반적으로 복합재 구조물에 대한 것으로, 특히, 항공기와 같은 복합재 구조물에 사용되기 위한 복합재 만곡부 충전부 및 이를 제조하기 위한 방법에 대한 것이다.
탄소 섬유-보강 플라스틱(CFRP) 복합재 구조물과 같은 복합재 구조물은 높은 중량대 강성 비율, 부식 저항성 및 다른 유리한 특성으로 인해, 항공기, 우주비행체, 로우터 비행체(rotorcraft), 선박(watercraft), 자동차, 트럭, 및 다른 운송체나 구조물의 제조를 포함하여 다양한 구조물에 사용된다. 항공기 구조에서, 복합재 구조물은 동체, 날개, 꼬리부 및 다른 구성요소를 형성하기 위하여 그 사용이 증가하고 있다.
예를 들어, 비행기 날개는 복합재 스킨 패널이나 웹을 포함하는 복합재의 보강된 패널 구조물로 형성될 수 있는데, 복합재 스킨 패널이나 웹에 이 복합재 스킨 패널이나 웹의 강도, 강성, 좌굴 저항성(buckling resistance) 및 안정성을 향상시키기 위하여 보강 스티프너(stiffeners)나 스트링거(stringers)가 부착되거나 접착될 수 있다. 상기 복합재 스킨 패널이나 웹에 부착되거나 접착된 보강 스티프너나 스트링거는 다양한 하중을 전달하도록 형상화될 수 있고, T-스티프너(T-stiffeners), J-스티프너(J-stiffeners) 및 I-빔과 같은, 다양한 단면 형상으로 제공될 수 있다. 날개의 하중 수용능력을 보조하기 위하여, 일련의 늑골(ribs)이 쉬어 타이(shear ties)를 사용하여 상기 스트링거에 연결될 수 있다. 도 4a는 항공기 날개(18, 도 1)를 위한 공지된 쉬어 타이와 단일의 늑골 조립체(68)의 사시도를 나타낸다. 도 4a는 스트링거(74)와 스킨 패널(76)을 연결하는 쉬어 타이(72)를 구비한 단일 늑골(70)들을 보여준다. 도 4b는 항공기 날개(18, 도 1)를 위한 공지된 쉬어 타이와 총중량 늑골 조립체(78, airload rib assembly)의 사시도를 나타낸다. 도 4b는 늑골(82)을 구비한 쉬어 타이(80)를 나타낸다.
복합재 스킨 패널(skin panels)이나 웹(webs)에 T-스티프너, J-스티프너 및 I-빔과 같은 보강 스티프너가 수직으로 부착되거나 결합될 때, 상기 보강 스티프너의 각각의 만곡부에 의해 틈새 또는 공동 영역(void regions)이 형성될 수 있다. 그러한 틈새 또는 공동 영역은 통상 "만곡부 충전부 영역" 또는 "누들 영역"으로 칭한다. 보강 스티프너들 사이의 이러한 만곡부 충전부 영역 또는 누들 영역은 깨지기 쉬운데, 그것은 이들 영역이 3차원적으로 제약되기 때문이다. 복합재 재료나 접착제/에폭시 재료로 만들어지고 대체로 삼각형 단면을 가진 만곡부 충전부 또는 "누들"은 그런 영역에 추가의 구조적 보강을 제공하기 위하여 상기 만곡부 충전부 영역 또는 누들 영역을 채우기 위하여 사용된다.
만곡부 충전부 또는 누들에 대한 공지된 구조가 존재한다. 예를 들어, 그러한 만곡부 충전부 또는 누들의 공지된 구조는 단방향 섬유를 구비한 완전 0 도 겹(all zero-degrees plies)을 다발화하고 사출되는 CFRP 만곡부 충전부 또는 누들을 구비한다. 그러나, 그러한 사출된 완전 0 도 겹의 CFRP 만곡부 충전부 또는 누들은, 높은 잔류 응력 즉, 열경화 동안 발생할 수 있는 열 잔류 응력(thermal residual stress)와 같은, 제조 동안 소재 내부에 발생되는 내부 응력(internal stresses)로 이어지는 높은 두께-관통 열팽창과 수지 수축(resin shrinkage)를 가질 수 있다. 추가로, 그러한 사출된 완전 0 도 겹의 CFRP 만곡부 충전부 또는 누들의 단방향 섬유들은 낮은 파열 강도(pull-off strength)를 가질 수 있고, 예컨대 177℃와 같은 높은 온도에서 경화 동안에 그리고 이어서 -54℃ 이하와 같은 낮은 온도에 노출되어 생성될 수 있는 잔류 응력의 결과로 당겨져서 분리될 수 있어서, 결국 CFRP 만곡부 충전부 또는 누들에서 응력 또는 피로 파열로 이어질 수 있다. 낮은 파열 강도과 높은 파열 하중으로 인한 그러한 응력 또는 피로 파열의 가능성을 낮추기 위하여, 날개 늑골에 쉬어 타이(shear ties)의 사용이 필요할 수 있다. 그러나, 그러한 쉬어 타이의 사용은, 늑골이 스트링거와 만나는 각각의 위치에 쉬어 타이에 대한 필요성으로 인해 항공기에 중량을 추가하게 된다. 각각의 늑골-스트링거의 만남 위치에 쉬어 타이의 추가된 하중은 항공기의 수송 용량(payload capacity)을 감소시킬 수 있고, 연료 소모와 연료비를 증가시킬 수 있다. 게다가, 각각의 늑골-스트링거의 만남 위치에 쉬어 타이가 추가되면 제조상의 복잡성, 제조비용, 및 생산기간을 늘리게 된다.
추가로, 공지된 층상 만곡부 충전부 또는 누들이 존재하는데, 이는 일반적으로 삼각형 단면으로 되어 있고 단일 방향으로 된 피라미드의 겹을 사용하여 구성되어 있다. 그러나, 그러한 공지된 층상 만곡부 충전부 또는 누들은, 공지된 층상 만곡부 충전부 또는 누들의 단지 두개의 지점 또는 꼭지점에서 잔류 열 응력을 최소화할 수 있을 뿐 공지된 층상 만곡부 충전부 또는 누들의 모든 세 개의 지점 또는 꼭지점에서 그렇지는 않다.
따라서, 공지된 부재, 조립체 또는 방법에 비해서 이점을 제공하는 향상된 복합재 만곡부 충전부 및 이를 형성하는 방법에 대한 당해 분야에서의 필요성이 제기되었다.
향상된 복합재 만곡부 충전부 및 이를 형성하는 방법에 대한 필요성이 만족되었다. 아래에서 자세히 설명되듯이, 향상된 복합재 만곡부 충전부 및 이를 형성하는 방법의 실시예는 공지된 부재, 조립체 또는 방법에 비해서 상당한 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 복합재 구조물에 대한 복합재 만곡부 충전부가 제공된다. 복합재 만곡부 충전부는 2 개 이상의 만곡부 층을 포함한다. 각각의 만곡부 층은 2 개 이상의 만곡부 층를 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭(matching)되는 상기 적층 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 가진 정해진 반경으로 형성된 적층 복합재 겹들의 층을 포함한다. 각각의 만곡부 층은 바람직하게는 상기 복합재 구조물의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 다른쪽에 인접한 적어도 하나의 측면 정렬을 갖도록 바람직하게 정리된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 항공기 복합재 조립체가 제공된다. 상기 항공기 복합재 조립체는 만곡부 충전부 영역을 갖는 복합재 구조물을 포함한다. 상기 항공기 복합재 조립체는 추가로 상기 만곡부 충전부 영역을 채우는 복합재 만곡부 충전부를 포함한다. 상기 만곡부 충전부 영역은 2 개 이상의 만곡부 층을 포함한다. 각각의 만곡부 충전부 층은 2 개 이상의 만곡부 층를 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층된 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭(matching)되는 상기 적층된 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 가진 정해진 반경으로 형성된 적층 복합재 겹들의 층을 포함한다. 각각의 만곡부 층은 바람직하게는 상기 복합재 구조물의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 다른쪽에 인접한 적어도 하나의 측면 정렬을 갖도록 바람직하게 정리된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 원하는 두께의 복합재 적층(composite laminate layup)을 형성하기 위하여 정해진 반경을 갖는 성형 툴(forming tool) 둘레에 한 번 이상 적층 복합재 겹의 층을 감는 단계를 포함한다. 상기 방법은 공극(voids)을 제거하기 위하여 상기 복합재 적층을 부분적으로 부피를 축소하는(debulking) 부피축소 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 상기 복합재 적층으로부터 제거될 하나 이상의 정해진 부분에서 상기 복합재 적층의 모든 이음부를 정렬하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 상기 성형 툴의 하나 이상의 표면에 접하는 하나 이상의 절단선에서 상기 복합재 적층으로부터 하나 이상의 정해진 부분을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 상기 성형 툴로부터 상기 복합재 적층의 2 이상의 만곡부 층을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 복합재 구조의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 상기 2 이상의 만곡부 층을 서로 정렬하는 단계를 포함한다. 각각의 만곡부 층은 복합재 만곡부 충전부를 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층된 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭되는 적층된 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 갖고 정해진 반경으로 형성된다.
앞에서 설명된 본 발명의 특징, 기능 및 장점은 본 발명의 다양한 실시예에서 독립적으로 달성될 수 있거나, 첨부된 도면과 이하의 설명을 참조로 하여 추가의 설명으로 다른 실시예에서 결합될 수 있을 것이다.
본 발명에 따라, 공지된 부재, 조립체 또는 방법에 비해서 향상된 이점을 제공하는 향상된 복합재 만곡부 충전부 및 이를 형성하는 방법이 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예를 나타내나 이에 한정되지는 않는 첨부된 도면과 이하의 발명의 상세한 설명으로부터 본 발명을 더욱 명확히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예를 구현한 하나 이상의 복합재 구조물을 갖는 하나 이상의 복합재 조립체를 구비하는 항공기의 사시도를 나타낸다.
도 2는 항공기 생산과 서비스 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 항공기의 블록 다이아그램(block diagram)을 나타낸다.
도 4a는 항공기 날개를 위한 공지의 쉬어 타이와 단일형 늑골 조립체의 사시도를 나타낸다.
도 4b는 항공기 날개를 위한 공지의 쉬어 타이와 총중량 늑골 조립체의 사시도를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예로 충전된 만곡부 충전부 영역을 갖는 T-스티프너의 형상으로 된 복합재 구조물의 사시도이다.
도 5b는 복합재 만곡부 충전부를 갖는 도 5a의 T-스티프너를 일체화한 복합재 조립체의 확대된, 부분 정면 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예를 구현하는 방법의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 성형 툴과 층의 실시예의 정면 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 6b는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예를 구현하는 방법의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 복합재 적층의 실시예의 확대된, 정면 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예를 구현하는 방법의 실시예의 다른 하나에 사용될 수 있는 성형 툴과 층의 실시예의 정면 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 7b는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예를 구현하는 방법의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 복합재 적층의 다른 실시예의 확대된, 정면 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예를 구현하는 방법의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 성형 툴의 표면에 접하는 절단선을 갖는 복합재 적층의 실시예의 확대된, 정면 단면도이다.
도 8b는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 만곡부 층을 남기고 제거된 부분을 갖는 도 8a의 복합재 적층의 확대된, 정면 단면도이다.
도 8c는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예의 하나의 확대된, 정면 단면도이다.
도 8d는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예의 다른 하나의 확대된, 정면 단면도이다.
도 9는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부의 실시예의 다른 하나의 확대된, 분해된 정면 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 방법의 실시예의 흐름도를 나타낸다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 모든 실시예를 다 도시한 것은 아니다. 사실, 몇 가지 다른 실시예가 제공될 수 있고, 여기에 예시된 것에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이러한 실시예가 본 발명이 충분하고 완전하게 되도록 제공되는 것이고, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 본 발명의 범위를 충분히 전달할 수 있을 것이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은, 본 발명에 따른 방법(200, 도 10)의 하나 이상의 실시예에 의해 형성된, 예컨대 복합재 만곡부 충전부(100a, 도 8c 참조), 복합재 만곡부 충전부(100b, 도 8d 참조) 및 복합재 만곡부 충전부(100c, 도 9 참조)와 같은 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5b 참조)의 실시예를 갖는 하나 이상의 복합재 구조물(28)을 갖는 하나 이상의 복합재 조립체(26)를 구비하는 항공기(10)의 사시도를 나타낸다. 도 1에 보이 바와 같이, 상기 항공기(10)는 동체(12), 코(14), 조종실(16), 날개(18), 하나 이상의 추진장치(20), 수직 꼬리부(22), 및 수평 꼬리부(24)를 구비한다. 도 1에 보인 항공기(10)는 하나 이상의 복합재 구조물(28)을 갖는 하나 이상의 복합재 조립체(26)를 구비하는 사용 여객기의 전형이지만, 본 발명의 실시예는, 본 발명에 따른 방법(200, 도 10)의 하나 이상의 실시예로 만들어진 하나 이상의 복합재 구조물(28)을 구비하는 다른 여객기, 화물기, 군용기, 회전형 항공기, 및 다른 형태의 항공기나 비행체, 또한 우주 비행체, 인공위성, 우주 발사체, 로켓, 및 다른 종류의 우주 비행체, 그리고 선박이나 다른 수상기구, 기차, 자동차, 트럭, 버스나 다른 적절한 구조물에도 적용될 수 있다.
도 2는 항공기 생산과 서비스 방법(30)을 나타내는 흐름도이다. 도 3은 항공기(50)의 블록 다이아그램(block diagram)을 나타낸다. 도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예는 도 2에 보인 바와 같은 항공기 생산과 서비스 방법(30)과 도 3에 보인 항공기(50)를 주된 내용으로 하여 설명될 것이다. 예비 생산 중에는, 예시적인 방법(30)은 항공기(50)의 시방서와 설계(32) 및 재료 준비(34)를 포함한다. 생산 중에는, 항공기(50)의 구성요소와 조립체 생산(36) 및 시스템 통합(38)이 이루어진다. 그 이후에, 상기 항공기(50)는 운항 서비스(42)에 놓이기 위하여 증명과 인도(40)를 거치게 된다. 고객에 의하여 운항 서비스(42) 동안에, 상기 항공기(50)는 일반적인 유지와 정비 서비스(44)를 받도록 계획된다. (유지와 정비 서비스에는 조정, 개조, 변경 및 다른 적절한 서비스가 포함된다.)
상기 방법(30)의 각각의 공정은 시스템 통합자, 제3자, 및/또는 오퍼레이터(예컨대, 고객)에 의하여 수행된다. 이러한 설명을 위하여, 시스템 통합자는 수의 제한없이 항공기 제조자와 대형 시스템 하도급업자를 포함하고; 제3자는 숫자의 제한없이 판매업자, 하도급업자 및 공급자를 포함하고; 오퍼레이터는 항공사, 대여업자(leasing company), 군부대, 서비스 단체 및 다른 적절한 오퍼레이터를 포함한다.
도 3에 보인 바와 같이, 예시적인 방법(30)에 의하여 생산된 상기 항공기(50)는 다수의 시스템(54)과 인테리어(56)를 갖춘 비행기 본체(52)를 구비한다. 고도의 시스템(54)의 예로서는 하나 이상의 추진 시스템(58), 전기 시스템(60), 유압 시스템(62) 및 환경 시스템(64)이 포함된다. 다른 적절한 시스템도 포함될 수 있다. 항공기를 예시로 설명하였으나, 본 발명의 원칙은 자동차 산업과 같은 다른 산업에도 적용될 수 있다.
여기에 예시된 방법과 시스템은 생산과 서비스 방법(30)의 단계들 중의 하나 이상의 동안에 적용될 수도 있다. 예를 들어, 구성요소 및 소조립체 제조(36)에 상응하는 구성요소와 소조립체들이 상기 항공기(50)가 운항되는 동안에 생산된 구성요소나 소조립체에 비슷한 방식으로 제조될 수 있다. 또한, 하나 이상의 장치의 실시예, 방법의 실시예 또는 이들의 결합이, 예를 들어, 상기 항공기(50)의 조립을 촉진함에 의해 또는 항공기의 비용을 줄임으로써 구성요소와 소조립체 제조(36)와 시스템 통합(38) 동안에 사용될 수 있다. 비슷하게, 하나 이상의 장치의 실시예, 방법의 실시예 또는 이들의 결합이, 항공기(50)가 서비스 중에, 예를 들어 물론 제한없이,유지와 정비 서비스(44)에도 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 복합재 구조물(28, 도 5a)에서 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a, 도 5b) 즉, "누들 영역"을 충전하기 위하여 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5a, 도 5b), 즉, "누들"이 제공된다. 도 5a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예로 충전된 만곡부 충전부 영역(116)을 갖는 T-스티프너(90)의 형상으로 된 복합재 구조물(28)의 사시도이다. 도 5b는 복합재 만곡부 충전부(100)를 갖는 도 5a의 T-스티프너(90)를 일체화한 복합재 조립체(26)의 확대된, 부분 정면 단면도이다.
도 5a에 보인 바와 같이, T-스티프너(90)의 형상으로 된 상기 복합재 구조물(28)은 수직 웹(92), 수평 플랜지(96), 및 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 방사상으로 둘러싸는 플랜지-웹 전이부(97)를 포함한다. 도 5에 더 보이듯이, 상기 T-스티프너(90)의 플랜지(96)는 인터페이스(102), 예를 들어 스킨-스티프너 인터페이스에서 하나 이상의 베이스 층(110) 및/또는 스킨 패널(114)에 결합될 수 있다.상기 하나 이상의 베이스 층(110) 및/또는 스킨 패널(114)은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 베이스에 바람직하게는 인접하고 둘러싼다.
도 5b에 보인 바와 같이, 하나의 실시예에서, 복합재 조립체(26)는 수직 웹(92)을 갖는 T-스티프너(90), 수평 플랜지(96), 및 복합재 만곡부 충전부(100)를 갖는 만곡부 충전부 영역(116)을 포함한다. 도 5b에 더 나타낸 바와 같이, 상기 T-스티프너(90)의 플랜지(96)는 하나 이상의 베이스 층(110) 및/또는 스킨 패널(114)에 결합될 수 있다. 상기 복합재 조립체(26)는 추가로 상기 T-스티프너(90)에 인접한 스파(94, spars)를 포함한다.
도 5b에 더 나타낸 바와 같이, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 2 이상의 만곡부 층(142)을 포함한다. 각각의 만곡부 층(142)은 적층된 복합재 겹(134, plies, 도 5b, 도 6a)의 층(126, 도 6a)을 포함한다. 바람직하게, 상기 적층된 복합재 겹(134)의 층(126)은, 적층된 복합재 겹(134)의 층들 사이에 갇힐 수 있는 공기나 가스와 같은 공극을 제거하기 위하여, 상기 적층된 복합재 겹(134)을 압축하거나 경화하기 위하여 부피축소되었다. 도 5b에 더 나타낸 바와 같이, 각각의 만곡부 층(142)은 상기 적층된 복합재 겹(134)의 정해진 방사상 방향(99)을 갖는 정해진 반경(98)으로 형성된다. 상기 적층된 복합재 겹(134)의 상기 정해진 방사상 방향(99)은, 2 이상의 만곡부 층(142)을 둘러싸는 상기 T-스티프너(90)와 같은, 복합재 구조물(28, 도 5a)의 인접한 적층된 복합재 겹(118, 도 5b)의 방사상 방향(117, 도 5b)과 바람직하게는 실질적으로 매칭된다. 추가로, 바람직하게는 상기 적층된 복합재 겹(134)의 상기 정해진 방사상 방향(99)은 또한 2 이상의 만곡부 층(142)의 베이스를 둘러싸는 인접한 베이스 층(110) 및/또는 스킨 패널(114)과 같은 상기 복합재 구조물(28)의 방사상 방향(112, 도 5a)과 바람직하게는 실질적으로 매칭된다. 상기 적층된 복합재 겹(134)이 상기 적층 복합재 겹(118)의 연속과 같이 될 수 있도록, 상기 적층된 복합재 겹(134)이 각각의 만곡부 층(142)의 정해진 반경(98) 둘레로 만곡되는 방식은 상기 T-스티프너(90)와 같은 상기 둘러싸는 복합재 구조물(28)에서 상기 적층 복합재 겹(118, 도 5b)의 동일한 방사상 방향(117, 도 5b)을 따르게 된다.
상기 적층된 복합재 겹(134)은 바람직하게는, 예를 들어 수지함침된 재료(prepreg material)와 같은 매트릭스 재료에 의해 둘러싸이고 이 재료 내에 지지된 보강 재료로부터 형성될 수 있다. 상기 보강 재료는 유리나 탄소 섬유, 그래파이트, 방향족 폴리아미드 섬유(aromatic polyamide fiber), 파이버 글래스(fiber glass), 또는 다른 적절한 보강재료와 같은 고강도 섬유를 포함할 수 있다. 상기 매트릭스 재료는, 에폭시, 폴리에스터, 비닐 에스터 수지, 폴리에테르에테르케톤 폴리머(polyetheretherketone polymer, PEEK), 폴리에테르케톤케톤 폴리머(polyetherketoneketone polymer, PEKK), 비스말레이미드(bismaleimide), 또는 다른 적절한 매트릭스 재료와 같은 다양한 폴리머나 수지 재료를 포함한다. 여기서 사용된 바와 같이, "수지함침(prepreg)"은, 수지를 튼튼하고 견고한 섬유-보강 구조물 안에 굳히기 위하여 예컨대 오븐이나 고압가온기(autoclave) 안에서 가열함에 의해 정해진 형상으로 성형되고 경화되기에 충분히 유연한, 미경화되거나 부분적으로 경화된 수지로 함침된 파이버 글래스나 탄소 섬유와 같은 짜거나 꼰 섬유나 천같은 테이프 재료를 의미한다. 상기 적층 복합재 겹(134)은 수지함침된 단방향 테이프, 단방향 섬유(fiber) 테이프, 탄소섬유 보강 플라스틱(CFRP) 테이프, 또는 다른 적절한 테이프; 탄소섬유 보강 플라스틱(CFRP) 직물(fabric), 수지함침 직물, 직조된 탄소섬유 직물, 또는 다른 적절한 직물을 포함하는 직조 직물; 테이프나 직물의 결합; 또는 다른 적절한 복합재 재료의 형태로 이루어진다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는, 상기 복합재 구조물(28, 도 5a), 상기 스파(94, spars, 도 5b), 상기 베이스 층(110, 도 5b) 및 스킨 패널(114, 도 5b)과 같은 복합재 조립체(26, 도 5b)에서 구성요소를 형성하는 데 사용된 것과 동일한 수지와 섬유 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.
상기 2 이상의 만곡부 층(142, 도 5b)의 각각은 바람직하게는 상기 복합재 적층(130, 도 8a)으로 싸여진 성형 툴(120, 도 8a)의 하나 이상의 표면(141, 도 8a)에 접하여 형성된 절단선(140, 도 8a)을 통하여 복합재 적층(130, 도 8a)으로 부터 떼어냄으로써 획득된다. 각각의 만곡부 층(142)은 바람직하게는 대략 삼각형 단면을 갖는다. 각각의 만곡부 층(142)은, 상기 복합재 구조물(28, 도 5a)의 상기 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5b)를 형성하기 위하여, 적어도 하나의 측면(144, 도 8b)을 다른 것들에 인접하게 정렬되게 정리하는 것이 바람직하다. 특히, 각각의 만곡부 층(142)은, 수직 결합부(104, 도 5b)를 형성하여 결국 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5b)를 형성하기 위하여, 적어도 하나의 측면(144, 도 8b)을 다른 만곡부 층(142)의 적어도 하나의 측면(144, 도 8b)에 인접하게 정렬되게 정리하는 것이 바람직하다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 상기 복합재 구조물(28, 도 5a)의 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a, 도 5b)의 형상이나 구조에 실질적으로 상응하는 형상(101, 도 5b)이나 구조를 갖는 것이 바람직하다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 채워질 상기 만곡부 충전부 영역(116)의 형상과 구조를 따르고 거기를 채우기 위하여 형성된다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5b)의 형상(101, 도 5b, 도 8c, 도 8d)은 실질적으로 피라미드형 구조(103, 도 5b, 도 8c, 도 8d)를 갖는 것이 바람직하다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 대략 삼각형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
도 5b에 보인 바와 같이, 복합재 만곡부 충전부(100)의 개별 적층 복합재 겹(134)은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 3 개의 응력 집중점(106a, 106b, 106c)에서 만곡점을 형성하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 적층 복합재 겹(134)의 정해진 방사상 방향(99, 도 5b)은 상기 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5b)의 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)와 실질적으로 매치되도록 선택되고, 특히, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 3 개의 응력 집중점(106a, 106b, 106c)의 각각에서 상기 열팽창 계수(CTE)를 상기 복합재 만곡부 충전부(100)을 둘러싸는 상기 T-스티프너(90)와 같은 상기 복합재 구조물(28, 도 5a)의 각각의 인접한 적층 복합재 겹(118, 도 5b)의 CTE에 실질적으로 매칭하도록 선택되는데, 이는 상기 복합재 만곡부 충전부(100)와 상기 복합재 구조물(28)의 열경화 동안에 발생할 수 있는 특히 잔류 열응력으로부터 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 크랙을 최소화하거나 감축하기 위한 것이다. 바람직하게는, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 상기 복합재 만곡부 충전부(100)와 상기 복합재 구조물(28)의 열경화 동안에 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 3 개의 응력 집중점(106a, 106b, 106c, 도 5b)에서 잔류 열응력을 최소화한다. CTE 매칭은 바람직하게 잔류 열응력으로부터 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 크랙 가능성을 최소화하거나 감축한다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예는 바람직하게 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 3 개의 응력 집중점(106a, 106b, 106c)으로부터 높은 열응력을 멀리 이동시켜서 크랙이나 크랙 변형을 최소화시킨다. 게다가, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예는 바람직하게 파열 하중을 증가시키고 파열 강도를 향상시킨다. 여기서 사용된 용어, "파열 하중(pull-off load)"은, 보강 스티프너와 같은 복복합재 구조물이 복합재 스킨 패널이나 웹과 같은 다른 복합재 구조물에 부착되거나 접착된 위치에서 복합재 구조물에 적용된 전단 하중(shear load) 및/또는 모멘트 포스(moment force)를 의미하는데, 상기 전단 하중 및/또는 모멘트 포스는 상기 부착된 복합재 구조물로부터 상기 보강 스티프너를 박리나 분리시킬 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5b)를 형성하는 방법이 제공된다. 바람직하게는, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 복합재 구조물(28, 도 1, 도 5a)에서 만곡부 충전부 영역(116, 도 5b)을 채우기 위하여 사용된다. 도 10은 본 발명에 따른 방법(200)의 실시예의 흐름도를 나타낸다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 방법(200)은 정해진 두께(t1, 도 6a)의 복합재 적층(130, 도 6b)을 형성하기 위하여, 정해진 반경(121, r1, 도 6a)을 갖는 성형 툴(120, 도 6a) 주위로 한번 이상 적층 복합재 겹(134, 도 6a)의 층(126, 도 6a)을 감는 단계 또는 적층하는 단계(202)를 포함한다. 상기 감는 단계(202)의 하나의 실시예는 도 6a와 도 6b에 보여진다. 상기 감는 단계의 다른 실시예는 도 7a와 도 7b에 보여진다. 그러나, 그러한 실시예는 여기에 보인 실시예로 한정하고자 하는 것은 아니며, 다른 적절한 감거나 적층하는 공정도 본 발명의 방법(200)에 사용될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예를 구현하는 방법의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 성형 툴(120)과, 층(126a)의 형태와 같은 층(126)의 실시예의 정면 단면도를 개략적으로 나타낸다. 도 6a에 보인 바와 같이, 상기 성형 툴(120)은 늘어날 수 있는 원통형 맨드렐(122)의 형태로 될 수 있다. 그러나, 다른 적절한 형상이나 구조의 성형 툴(120)이 사용될 수도 있다. 상기 성형 툴(120, 도 6a)은 정해진 반경(121, r1, 도 6a)을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 정해진 반경(121, r1)의 길이는 약 0.25 인치에서 1.0 인치의 범위에 있다. 그러나, 상기 정해진 반경(121, r1)의 다른 적절한 길이도 사용될 수 있다.
도 6a에 보인 바와 같이, 상기 성형 툴(120)의 외부 표면(124)은, 적층 복합재 겹(134)을 갖는 층(126a)의 형태와 같은 층(126)의 제1 단부(125) 위에 위치된다. 상기 층(126)은, 성형 플랫폼(128, 도 6a) 위에 위치될 수 있고, 또는 상기 감는 단계(202)를 위한 다른 적절한 표면에 놓일 수 있다. 도 6a와 도 6b에 보인 실시예에서, 상기 성형 툴(120)은 바람직하게는 화살표 방향(d)로 표시된 방향으로 감기고, 상기 감는 단계(202)는 정해진 두께(t1, 도 6b)의 복합재 적층(130, 도 6b)을 형성하기 위하여 적층 복합재 겹(134)의 층(126)을 상기 성형 툴(120) 주위로 여러번 연속적으로 감는 단계를 포함한다. 상기 감는 단계(202) 또는 상기 복합재 적층(130a, 도 6b)과 같은 형태로 상기 복합재 적층(130)을 쌓는 단계는, 공지의 적층장치를 사용하여 수동 공정으로 또는 자동 공정으로 수행될 수 있다.
도 6b는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예를 구현하는 방법(200)의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 복합재 적층(130a)의 형태와 같은 복합재 적층(130)의 실시예의 확대된, 정면 단면도이다. 도 6b에 보인 바와 같이, 상기 적층 복합재 겹(134)의 상기 층(126)은, 상기 제1 단부(125)에서 시작하여 제2 단부(127)에서 끝나도록 상기 성형 툴(120) 둘레에 여러 번 연속적으로 감기게 된다. 도 6b에 보인 바와 같이, 상기 제1 단부(125)에 상기 제2 단부(127)를 접합하거나 고정하기 위하여 또는 상기 복합재 적층(130)에 상기 제2 단부를 접합하거나 고정하기 위하여 상기 제1 단부(125)와 제2 단부(127) 사이에 겹침 이음부(131)가 형성될 수 있다. 다르게는, 다른 형태의 이음부, 결합부, 접합부 또는 고정수단이 상기 복합재 적층(130)에 상기 제2 단부(127)를 접합하거나 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 도 6b에 추가로 보인 바와 같이, 성형된 상기 복합재 적층(130)은, 상기 성형 툴(120)의 외부면(124)와 상기 복합재 적층(130)의 외부면(132) 사이의 거리에서 측정될 수 있는 정해진 두께(t1)를 갖는 것이 바람직하다.
도 7a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예를 구현하는 방법(200)의 실시예의 다른 하나에 사용될 수 있는 성형 툴(120)과, 층(126b)의 형태와 같은 층(126)의 실시예의 정면 단면도를 개략적으로 나타낸다. 도 7a에 보인 바와 같이, 상기 성형 툴(120)은 연장될 수 있는 원통형 맨드렐(122)의 형태로 되어 있다. 그러나, 다른 적절한 형상이나 구조의 성형 툴(120)이 사용될 수도 있다. 상기 성형 툴(120, 도 7a)은 정해진 반경(121, r1, 도 7a)을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 정해진 반경(121, r1)의 길이는 약 0.25 인치에서 1.0 인치의 범위에 있다. 그러나, 상기 정해진 반경(121, r1)의 다른 적절한 길이도 사용될 수 있다.
도 7a에 보인 바와 같이, 상기 성형 툴(120)의 외부 표면(124)은, 적층 복합재 겹(134)을 갖는 층(126b)의 형태와 같은 층(126)의 제1 단부(133) 위에 위치된다. 상기 층(126)은, 성형 플랫폼(128, 도 7a) 위에 위치될 수 있고, 또는 상기 감는 단계(202)를 위한 다른 적절한 표면에 놓일 수 있다. 도 7a와 도 7b에 보인 실시예에서, 상기 성형 툴(120)은 바람직하게는 화살표 방향(d, 도 7a)로 표시된 방향으로 감기고, 상기 감는 단계(202)는 정해진 두께(t2, 도 7b)의 복합재 적층(130b, 도 7b)을 형성하기 위하여 적층 복합재 겹(134)의 층(126)을 상기 성형 툴(120) 주위로 한번 감는 단계를 포함하고, 적층 복합재 겹(134)의 층(126)을 맞대어 잇거나, 겹쳐 잇거나, 또는 다른 이음, 결합 또는 접합하는 단계를 포함한다. 상기 감는 단계(202) 또는 상기 복합재 적층(130b, 도 7b)과 같은 형태로 상기 복합재 적층(130)을 쌓는 단계는, 공지의 적층장치를 사용하여 수동 공정으로 또는 자동 공정으로 수행될 수 있다.
도 7b는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예를 구현하는 방법(200)의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 복합재 적층(130b)의 형태와 같은 복합재 적층(130)의 다른 실시예의 확대된, 정면 단면도이다. 도 7b에 보인 바와 같이, 상기 적층 복합재 겹(134)의 상기 층(126)은, 상기 제1 단부(133)에서 시작하여 제2 단부(135)에서 끝나도록 상기 성형 툴(120) 둘레에 한 번 감기게 된다. 도 7b에 보인 바와 같이, 상기 제1 단부(133)를 상기 복합재 적층(130)의 상기 제2 단부(135)에 접합하거나 고정하기 위하여 상기 제1 단부(133)와 제2 단부(135) 사이에 맞댐 이음부(138)가 형성될 수 있다. 다르게는, 겹침 이음부(131, 도 6b) 또는 다른 형태의 이음부, 결합부, 접합부 또는 고정수단이 상기 제2 단부(135)에 상기 제1 단부(133)를 접합하거나 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 도 7b에 추가로 보인 바와 같이, 성형된 상기 복합재 적층(130)은, 상기 성형 툴(120)의 외부면(124)와 상기 복합재 적층(130)의 외부면(136) 사이의 거리에서 측정될 수 있는 정해진 두께(t2)를 갖는 것이 바람직하다.
도 10에 보인 바와 같이, 상기 방법(200)은 공극을 제거하기 위하여 상기 복합재 적층(130)을 부피축소하는(debulking) 단계(204)를 포함한다. 상기 부피축소 단계(204)는, 적층된 복합재 겹(134)의 층들 사이에 갇힐 수 있는 공기나 가스와 같은 공극을 제거하기 위하여 상기 복합재 적층(130)을 압축하거나 경화하는 단계(204)를 추가로 포함한다. 부피축소는 바람직하게도 상기 복합재 적층(130)의 밀도를 증가시킨다. 상기 부피축소 단계(204)는, 충분한 시간 동안 상기 복합재 적층(130)을 효과적으로 부피축소하기 위하여 충분한 열 및/또는 압력 하에서 상기 성형 툴(120) 위에서 상기 복합재 적층(130)을 진공 배깅(vacuum bagging)하거나, 고압가온기나 다른 적절한 가열용기 및/또는 가압용기에서 상기 복합재 적층(130)을 충분한 열 및/또는 압력에 노출시키는 것과 같은 공지의 공정을 통하여 수행된다.
상기 방법(200)은, 상기 부피축소 단계(204) 후에, 정해진 두께의 상기 복합재 적층(130)을 얻기 위하여 필요에 따라 상기 감싸는 단계(202)와 부피축소 단계(204)의 각각을 한번 이상 반복하는 단계를 추가로 포함한다.
도 10에 보인 바와 같이, 상기 방법은, 상기 복합재 적층(130, 도 8a)으로부터 제거될 하나 이상의 정해진 부분(139, 도 8a)에서 상기 복합재 적층(130)의 겹침 이음부(131, 도6b) 및/또는 맞댐 이음부(138, 도 7b) 또는 다른 적절한 이음부, 결합부, 또는 접합부와 같은 모든 이음부, 결합부 또는 접합부를 정렬하는 단계(206)를 추가로 포함한다. 상기 정렬 단계(206)는, 상기 성형 툴(120)과 상기 복합재 적층(130) 사이의 경계부에서 상기 복합재 적층(130) 위의 12시 위치(141b, 도 8a), 3시 위치(141d, 도 8a), 6시 위치(141a, 도 8a) 및/또는 9시 위치(141c, 도 8a)와 같은 제거될 하나 이상의 정해진 부분(139, 도 8a)에서 상기 복합재 적층(130, 도 8a)의 예컨대 겹침 이음부(131, 도6b) 및/또는 맞댐 이음부(138, 도 7b, 8a)와 같은 이음부를 정렬하는 단계를 포함한다.
도 10에 보인 바와 같이, 상기 방법(200)은, 상기 성형 툴(120, 도 8a)의 하나 이상의 표면(141, 도 8a)에 접하는 하나 이상의 절단선(140, 도 8a)에서 상기 복합재 적층(130, 도 8a)로부터 하나 이상의 정해진 부분(139, 도 8a)을 제거하는 단계(208)를 추가로 포함한다. 상기 제거하는 단계(208)는, 상기 성형 툴(120, 도 8a) 둘레에 실질적으로 정사각형 구조(151, 도 8a)를 형성하기 위하여, 예컨대 코너(143a, 도 8a)에서 코너(143d, 도 8a)로, 코너(143d, 도 8a)에서 코너(143b, 도 8a)로, 코너(143b, 도 8a)에서 코너(143c, 도 8a)로, 그리고 코너(143c, 도 8a)에서 코너(143a, 도 8a)로 이어지는 4 개의 직각 절단선과 같은 절단선(140)을 형성하는 단계를 구비하는 것이 바람직하다. 도 8a는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예를 구현하는 방법(200)의 실시예의 하나에 사용될 수 있는 성형 툴(120)의 표면에 접하는 절단선(140)을 갖는 복합재 적층(130)의 실시예의 확대된, 정면 단면도이다.
복합재 적층(130, 도 8a)로부터 하나 이상의 정해진 부분(139, 도 8a)은, 초음파 절단장치와 초음파 절단공정, 직물 절단장치와 직물 절단공정, 레이저 절단장치와 레이저 절단공정, 또는 다른 적절한 절단장치와 절단공정과 같은 공지의 절단장치와 절단공정으로 상기 복합재 적층(130, 도 8a)을 절단함으로써 상기 성형 툴(120, 도 8a)의 하나 이상의 표면(141, 도 8a)에 접하는 하나 이상의 절단선(140, 도 8a)에서 제거된다.
도 10에 보인 바와 같이, 상기 방법(200)은, 상기 성형 툴(120, 도 8a)로부터 상기 복합재 적층(130, 도 8b)의 2 이상의 만곡부 적층(142, 도 8b)을 제거하는 단계(210)를 추가로 포함한다. 도 8b는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하는 데 사용하기 위하여, 제1 만곡부 층(142a)과 제2 만곡부 층(142b)를 포함하는 제1쌍의 만곡부 층(142)의 형태와 같은 그리고 제1 만곡부 층(142c)와 제2 만곡부 층(142d)를 포함하는 제2쌍의 만곡부 층(142)의 형태와 같은 만곡부 층(142)을 남기고 제거된 부분(139, 도 8a)을 갖는 도 8a의 복합재 적층(130)의 확대된, 정면 단면도이다. 도 8b에 보인 바와 같이, 상기 만곡부 층(142)는 각각 대체로 삼각형 단면을 갖는다.
제1 복합재 만곡부 충전부(100, 도8 c)는 제1 만곡부 층(142a, 도 8b, 도 8c)와 제2 만곡부 층(142b, 도 8b, 도 8c)와 같은 제1쌍의 만곡부 층(142)으로부터 형성될 수 있다. 원(149a, 도 8b)은 접선 절단선(150a, 도 8b)을 통해 상기 성형 툴(120)로부터 제거될 수 있는 상기 제1 만곡부 층(142a, 도 8b, 8c) 부분을 나타낸다. 원(149b, 도 8b)은 접선 절단선(150b, 도 8b)을 통해 상기 성형 툴(120)로부터 제거될 수 있는 상기 제2 만곡부 층(142b, 도 8b, 8c) 부분을 나타낸다. 도 8c에 보인 상기 복합재 만곡부 충전부(100)에 유사한 제2 복합재 만곡부 충전부(100)는 제1 만곡부 층(142c, 도 8b)와 제2 만곡부 층(142d, 도 8b)와 같은 제2 세트의 만곡부 층(142)으로부터 형성될 수 있다. 상기 제1 만곡부 층(142c, 도 8b) 부분은 접선 절단선(150c, 도 8b)을 통해 상기 성형 툴(120)로부터 제거될 수 있고, 상기 제2 만곡부 층(142d, 도 8b) 부분은 접선 절단선(150d, 도 8b)을 통해 상기 성형 툴(120)로부터 제거될 수 있다. 제1 만곡부 층(142a), 제2 만곡부 층(142b), 제1 만곡부 층(142c), 및 제2 만곡부 층(142d)과 같은 상기 만곡부 층(142)은 각각 접선 절단선(150a, 150b, 150c, 150d)에서 초음파 절단장치와 초음파 절단공정, 직물 절단장치와 직물 절단공정, 레이저 절단장치와 레이저 절단공정, 또는 다른 적절한 절단장치와 절단공정과 같은 공지의 절단장치와 절단공정으로 상기 성형 툴(120)로부터 상기 만곡부 적층(142)을 절단해 냄으로써 제거된다.
도 8a, 도 8b에 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a)은 제1 측면(144a), 이 제1 측면(144a)에 직각인 제2 측면(146a), 상기 성형 툴(120)에 인접한 제3 방사 측면(148a, radial side), 및 방사상으로 향하여 적층된 복합재 겹(147a, 도 8b)을 포함하는 적층 복합재 겹(134)를 포함한다. 도 8a, 도 8b에 보인 바와 같이, 상기 제2 만곡부 층(142b)은 제1 측면(144b), 이 제1 측면(144b)에 직각인 제2 측면(146b), 상기 성형 툴(120)에 인접한 제3 방사 측면(148b, radial side), 및 방사상으로 향하여 적층된 복합재 겹(147b, 도 8b)을 포함하는 적층 복합재 겹(134)를 포함한다. 도 8a에 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142c)은 제1 측면(144c), 이 제1 측면(144c)에 직각인 제2 측면(146c), 상기 성형 툴(120)에 인접한 제3 방사 측면(148b, radial side), 및 방사상으로 향하여 적층된 복합재 겹(147c, 도 8b)을 포함하는 적층 복합재 겹(134)를 포함한다. 도 8a에 보인 바와 같이, 상기 제2 만곡부 층(142d)은 제1 측면(144d), 이 제1 측면(144d)에 직각인 제2 측면(146d), 상기 성형 툴(120)에 인접한 제3 방사 측면(148d, radial side), 및 방사상으로 향하여 적층된 복합재 겹(147d, 도 8b)을 포함하는 적층 복합재 겹(134)를 포함한다.
도 10에 보인 바와 같이, 상기 방법(200)은, 복합재 구조물(28, 도 5a)의 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a)에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부(100)를 같이 형성하기 위하여 2 이상의 만곡부 층(142)을 정렬하는 단계(212)를 추가로 포함한다. 도 5b에 보인 바와 같이, 각각의 만곡부 층(142)은, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 둘러싸는 상기 복합재 구조물(28)의 인접한 적층 복합재 겹(118)의 방사상 방향(117)에 실질적으로 매칭되는 적층 복합재 겹(134)의 정해진 방사상 방향(99)을 갖는 정해진 반경(98)으로 형성되는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 상기 정렬하는 단계(212)는 실질적으로 피라미드형 구조(103, 도 8c)로 된 형상(101, 도 8c)을 갖는 복합재 만곡부 충전부(100a) 형태와 같은 복합재 만곡부 충전부(100, 도 8c)를 형성하기 위하여 제2 만곡부 층(142b, 도 8c)에 제1 만곡부 층(142a, 도 8c)을 정렬하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 정렬하는 단계(212)는 실질적으로 피라미드형 구조(103, 도 8d)로 된 형상(101, 도 8d)을 갖는 복합재 만곡부 충전부(100b) 형태와 같은 복합재 만곡부 충전부(100, 도 8d)를 형성하기 위하여 제1 만곡부 층(142a, 도 8d), 제2 만곡부 층(142b, 도 8d), 및 제3 만곡부 층(152, 도 8d)을 정렬하는 것을 포함한다. 도 8d에 보인 바와 같이, 상기 제3 만곡부 층(152)은 제1 만곡부 층(142a), 제2 만곡부 층(142b) 사이의 위치(166)에 위치하는 것이 바람직하다.
도 8c는 본 발명의, 복합재 만곡부 충전부(100a)의 형태와 같은, 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예의 하나의 확대된, 정면 단면도이다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 이러한 실시예에서, 도 8c에 보인 바와 같이, 2 이상의 만곡부 층(142)은, 수직 결합부(104)를 형성하여, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 상기 제2 만곡부 층(142b)에 인접하여 정렬된 제1 만곡부 층(142a)을 포함한다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 복합재 구조물(28, 도 5a)의 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a)에 실질적으로 상응하는 형상(101, 도 8c)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 형상(101)은 실질적으로 피라미드형 구조(103, 도 8c)를 갖는 것이 바람직하다. 복합재 만곡부 충전부(100a)의 형태와 같은, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 대체로 삼각형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
도 8c에 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a)의 상기 제1 측면(144a)은 상기 수직 결합부(104)를 형성하기 위하여 상기 제2 만곡부 층(142b)의 제1 측면(144b)과 정렬된다. 상기 제1 만곡부 층(142a)의 상기 제2 측면(146a)과 상기 제2 만곡부 층(142b)의 상기 제2 측면(146b)은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 실질적으로 직선으로 정렬된다. 상기 제1 만곡부 층(142a)의 제3 방사 측면 (148a)는 바람직하게는 바깥쪽으로 위치되고, T-스티프너(90, 도 5b)와 같은 둘러싸는 복합재 구조물(28, 도 5a)에 인접하면서 상응하게 하는 것이 바람직하다. 상기 제2 만곡부 층(142b)의 제3 방사 측면(148b) 또한 바람직하게는 바깥쪽으로 위치되고, T-스티프너(90, 도 5b)와 같은 둘러싸는 복합재 구조물(28, 도 5a)에 인접하면서 상응하게 하는 것이 바람직하다. 도 8c에 보인 바와 같이, 상기 제3 방사 측면(148a)은 상기 제3 방사 측면(148b)에 반대로 놓이는 것이 바람직하다.
복합재 만곡부 충전부(100a)의 형태와 같은, 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 결합될 수 있는 상기 제1 만곡부 층(142a)와 상기 제2 만곡부 층(142b)과 비슷하게, 상기 제1 만곡부 층(142c, 도 8b)와 상기 제2 만곡부 층(142d 도 8b)도 복합재 만곡부 충전부(100a)의 형태와 같은, 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 결합될 수 있다. 상기 제1 만곡부 층(142c, 도 8b)와 상기 제2 만곡부 층(142d 도 8b)은, 다른 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 도 8c에 보인 상기 제1 만곡부 층(142a)와 상기 제2 만곡부 층(142b)과 유사한 형태와 구조로 서로에 대해 인접하게 정렬될 수 있다.
도 8d는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100a)의 형태와 같은, 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예의 다른 하나의 확대된, 정면 단면도이다. 이 실시예에서는,도 8d에 보인 바와 같이, 3-층(tri-laminate) 복합재 만곡부 충전부는 3 개의 만곡부 층(142)을 포함한다. 도 8d에 보인 바와 같이, 상기 3 개의 만곡부 층(142)은 제1 만곡부 층(142a), 제2 만곡부 층(142b, 또는 다르게는 제1 만곡부 층(142c, 도 8b)과 제2 만곡부 층(142d, 도 8b)), 및 제3 만곡부 층(152, 도 8d)를 포함할 수 있다. 도 8d에 보인 바와 같이, 상기 제3 만곡부 층(152)는 제1 측면(154), 제2 측면(156) 및 베이스(158)를 포함한다. 상기 제3 만곡부 층(152)은 상기 제1 만곡부 층(142a)와 제2 만곡부 층(142b)의 사이에 그리고 인접하게(다르게는 제1 만곡부 층(142c, 도 8b)과 제2 만곡부 층(142d, 도 8b) 사이에 그리고 인접하게) 끼일 수 있기에 충분한 형태와 크기를 갖는 것이 바람직하다. 도 8d에 보인 바와 같이, 상기 제3 만곡부 층(152)은 실질적으로 피라미드형 구조(105)를 갖는 것이 바람직하다. 상기 제3 만곡부 층(152)은 인접한 베이스 층(110, 도 5a), 스킨 패널(114, 도 5a) 또는 복합재 웹(108, 도 9)의 방사상 방향에 실질적으로 상응하는 정해진 방사상 방향을 갖는 적층 복합재 겹(134)를 추가로 구비한다.
도 8d에 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a), 상기 제2 만곡부 층(142b), 및 상기 제3 만곡부 층(152)은, 복합재 만곡부 충전부(101a)와 같은 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 모두 인접하게 정렬된다. 도 8d에 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a)은 수직 결합부(104c)를 형성하기 위하여 상기 제2 만곡부 층(142b)에 인접하게 정렬된다. 도 8d에 더 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a)의 부분(160a)은 결합부(104a)를 형성하기 위하여 상기 제3 만곡부 층(152)의 제2 측면(156)에 인접하게 정렬된다. 도 8d에 더 보인 바와 같이, 상기 제3 만곡부 층(152)은 상기 제1 만곡부 층(142a)와 상기 제2 만곡부 층(142b) 사이(다르게는 제1 만곡부 층(142c, 도 8b)과 제2 만곡부 층(142d, 도 8b) 사이)의 영역(166, 도 8d)에 위치된다. 결합부(104a)와 결합부(104b)는 영역(166)에서 수직 결합부(104c)에 결합된다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 상기 복합재 구조물(28, 도 5a)의 만곡부 충전부 영역(116, 도 5b)에 실질적으로 상응하는 형상(101, 도 8d)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 형상(101)은 실질적으로 피라미드형 구조(103, 도 8d)를 갖는 것이 바람직하다. 복합재 만곡부 충전부(100b)와 같은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 대체로 삼각형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
도 10에 보인 바와 같이, 상기 방법(200)은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 경화 후에 각각의 만곡부 층(142)의 안밖으로 하중 전달을 촉진하기 위하여 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 경화 전에 상기 2 이상의 만곡부 층(142, 도 9)에 하나 이상의 접착제층(170, 도 9)을 도포하는 단계(214)를 선택적으로 포함한다. 도 9는 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100c)와 같은 복합재 만곡부 충전부(100)의 실시예의 다른 하나의 확대된, 분해된 정면 단면도로서, 복합재 구조물(28, 도 9) 및/또는 복합재 웹(108, 도 9)에 대한 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 결합 또는 접착을 강화하기 위하여 복합재 만곡부 충전부(100c)와 같은 복합재 만곡부 충전부(100)에 도포된 하나 이상의 접착제층(170)을 갖는다.
상기 하나 이상의 접착제층(170)은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)과 상기 복합재 구조물(28)이 경화되기 전에 도포되는 것이 바람직하다. 상기 하나 이상의 접착제층(170)은 추가적인 수지, 에폭시 접착제, 폴리우레탄 접착제, 강화 아크릴 접착제, 폴리아미드 기반 접착제(나일론)이나 이오노머 등과 같은 열 접착제, 또는 다른 적절한 접착제를 포함한다.
추가로 접착제층(170)은 상기 복합재 만곡부 충전부(100a, 도 8c)와 상기 복합재 만곡부 충전부(100b, 도 8d)의 실시예의 경화 전에 필요에 따라 상기 2 이상의 만곡부 층(142)에 도포된다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100a, 도 8c)와 상기 복합재 만곡부 충전부(100b, 도 8d)에 대하여, 바람직하게는, 경화 후에 제1 만곡부 층(142a)과 제2 만곡부 층(142b)과 같은 각각의 만곡부 층(142)의 안밖으로 하중 전달을 촉진하기 위하여, 상기 제1 만곡부 층(142a, 도 8c, 도 8d)의 제1 측면(144a, 도 8c, 도 8d)에 그리고 상기 제2 만곡부 층(142b, 도 8c, 도 8d)의 제2 측면(144b, 도 8c, 도 8d)에 하나 이상의 접착제층(170)이 도포될 수 있다.
도 9에 보인 바와 같이, 하나 이상의 접착제층(170)이 상기 제1 만곡부 층(142a)의 제3 방사상 측면(148a), 상기 제2 만곡부 층(142b)의 제3 방사상 측면(148b), 제3 만곡부 층(162)의 베이스(158)의 바닥, 그리고 상기 제3 만곡부 층(162)의 상부에 도포될 수 있다. 경화 후에 각각의 만곡부 층의 안밖으로 하중 전달을 촉진하기 위하여, 추가로 하나 이상의 접착제층(170, 도시 안됨)이 상기 제1 만곡부 층(142a)와 상기 제2 만곡부 층(142b) 사이에 필요에 따라 도포될 수 있다.
도 9는 3개의 만곡부 층(142)를 포함하는 3-층 복합재 만곡부 충전부의 다른 실시예를 나타낸다. 도 9에 보인 바와 같이, 상기 3개의 만곡부 층(142)은 제1 만곡부 층(142a), 제2 만곡부 층(142b) (다르게는 제1 만곡부 층(142c, 도 8b), 제2 만곡부 층(142d, 도 8b)), 및 제3 만곡부 층(162, 도 9)를 포함한다. 도 9에 보인 바와 같이, 상기 제3 만곡부 층(162)은, 복합재 웹(108, 도 9)의 적층 복합재 겹(109, 도 9)의 방사상 방향(111, 도 9)과 실질적으로 매칭되는 정해진 방사상 방향(159)을 갖는 적층 복합재 겹(134)과 베이스를 포함한다. 상기 제3 만곡부 층(162)은 상기 제1 만곡부 층(142a)와 제2 만곡부 층(142b)의 사이에 그리고 인접하게(다르게는 제1 만곡부 층(142c, 도 8b)과 제2 만곡부 층(142d, 도 8b) 사이에 그리고 인접하게) 끼일 수 있기에 충분한 형태와 크기를 갖는 것이 바람직하다. 도 9에 보인 바와 같이, 상기 제3 만곡부 층(162)은 상기 제1 만곡부 층(142a)와 제2 만곡부 층(142b)의 사이에 중앙에, 상기 제1 만곡부 층(142a), 제2 만곡부 층(142b) 및 제3 만곡부 층(162) 사이에 연장되는 수직축(164)을 따라 위치한다. 복합재 만곡부 충전부(100a)와 같은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 바람직하게는, 상기 복합재 구조물(28, 도 9)의 만곡부 충전부 영역(116, 도 5b)에 실질적으로 상응하는 형상(101, 도 9)을 갖는다. 상기 형상(101)은 실질적으로 피라미드형 구조(103, 도 9)를 갖는 것이 바람직하다. 복합재 만곡부 충전부(100c)와 같은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 대체로 삼각형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
도 9에 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a), 제2 만곡부 층(142b) 및 제3 만곡부 층(162)은 복합재 만곡부 충전부(100c)와 같은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 모두 서로에 인접하게 정렬된다. 도 9에 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a)은 상기 제2 만곡부 층(142b)에 실질적으로 인접하게 정렬된다. 도 9에 더 보인 바와 같이, 상기 제1 만곡부 층(142a)의 제3 방사상 측면(148a)은 바람직하게는 바깥쪽으로 위치하고, 둘러싸고 있는 상기 복합재 구조물(28)에 상응하고 이에 인접하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 제1 만곡부 층(142a)의, 방사상으로 향한 적층 복합재 겹(147a)과 같은 상기 적층 복합재 겹(134)은, 상기 제1 만곡부 층(142a)에 인접한 상기 복합 구조물(28, 도 9a)의 수직 웹(92)의 인접한 적층 복합재 겹(118, 도 9)의 방사상 방향(117, 도 5b)와 실질적으로 매칭된다.
상기 제2 만곡부 층(142b)의 제3 방사상 측면(148b)도 바람직하게는 바깥쪽으로 위치하고, 둘러싸고 있는 상기 복합재 구조물(28)에 상응하고 이에 인접하는 것이 바람직하다. 도 9에 보인 바와 같이, 상기 제3 방사상 측면(148a)은 상기 제3 방사상 측면(148b)에 대해 반대쪽에 위치되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 제2 만곡부 층(142b)의 방사상으로 향한 적층 복합재 겹(147a)과 같은 상기 적층 복합재 겹(134)은 상기 제2 만곡부 층(142b)에 인접한 상기 복합 구조물(28, 도 9a)의 수직 웹(92)의 인접한 적층 복합재 겹(118, 도 9)의 방사상 방향(117, 도 5b)와 실질적으로 매칭된다.
미경화된 복합재 만곡부 충전부(100)가 여기에 설명된 방법(200)에 의하여 형성된 다음, 미경화된 복합재 만곡부 충전부(100)는 상기 복합재 구조물(28)의 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a)에 설치되기 전에 경화될 수 있다. 다른 실시예에서는, 미경화된 복합재 만곡부 충전부(100)는 상기 복합재 구조물(28, 도 5a) 및/또는 상기 복합재 조립체(26, 도 5b)의 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a) 안으로 설치되고, 상기 복합재 조립체(26)의 만곡부 충전부 영역(116)과 함께 경화된다. 상기 경화는 고압가온기 경화공정, 진공백 경화공정, 고압가온기와 진공백의 조합 경화공정, 또는 다른 적절한 경화공정과 같은 공지의 경화공정을 포함한다. 상기 경화는 복합재 만곡부 충전부(100)와 상기 복합재 구조물(28) 및/또는 상기 복합재 조립체(26)를 효과적으로 경화시키기 위하여 재료 시방서에 의해 필요에 따라 상승된 온도와 압력 하에서 일어난다. 경화 동안에, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 복합재 재료는 경화되고, 경화 동안 상기 만곡부 충전부 영역(116)에 설치되면, 상기 복합재 구조물(28) 및/또는 상기 복합재 조립체(26) 내에서 상기 만곡부 충전부 영역(116)의 형상을 유지한다.
상기 복합재 만곡부 충전부(100)가 상기 복합재 구조물(28) 및/또는 상기 복합재 조립체(26)의 상기 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a)에 설치되기 전에 경화되면, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 경화시킨 후에, 경화된 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 경화되거나 경화되지 않은 상기 복합재 구조물(28) 및/또는 상기 복합재 조립체(26)의 상기 만곡부 충전부 영역(116) 내에서, 접착 고정이나, 공동-경화(co-curing), 보조 고정, 또는 다른 공지의 고정이나 공동-고정의 공정을 통하여 고정되거나 공동-고정될 수 있다. 고정 공정은 복합재 만곡부 충전부(100)를 경화되거나 경화되지 않은 상기 복합재 구조물(28) 및/또는 상기 복합재 조립체(26)의 상기 만곡부 충전부 영역(116) 내에서 효과적으로 고정하거나 공동-고정하기 위하여 재료 시방서에 의해 필요에 따라 상승된 온도와 압력 하에서 일어난다.
본 발명에서 설명된 상기 방법(200)의 실시예는 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 열 경화 동안에 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 세 응력 집중점(106a, 106b, 106c, 도 5a)에서 잔류 열응력을 최소화하는 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5a)를 형성한다. 추가로, 본 발명에서 설명된 상기 방법(200)의 실시예는, 파열강성을 향상시키는 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5a)를 형성하고, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 적층 복합재 겹(134)은 수직 웹(92, 도 5a)으로부터 수평 플랜지(96, 도 5a)로 파열 하중을 공지의 복합재 만곡부 충전부 또는 누들보다 더 균일하게 재배치한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 항공기(10)의 복합재 조립체(26, 도 1, 도 5b)가 제공된다. 상기 항공기(10) 복합재 조립체(26)는 만곡부 충전부 영역(116, 도 5b)을 갖는 복합재 구조물(28, 도 1, 도 5a)을 포함한다. 상기 복합재 구조물(28)은 T-스티프너(90, 도 5a, 도 5b)를 포함한다. 상기 T-스티프너(90)는 스파(94, spar, 도 5b) 또는 리브(도 4b)에 있는 플랜지-웹 전이부(97, 도 5a)나 스킨-스티프너 인터페이스와 같은 인터페이스(102, 도 5a)를 포함한다. 상기 항공기(10) 복합재 조립체(26)은 만곡부 충전부 영역(116)을 채우는 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5b)를 추가로 포함한다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 바람직하게는 2 이상의 만곡부 층(142, 도 5b)을 포함한다. 각각의 만곡부 층(142)은, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 상기 2 이상의 만곡부 층(142)을 둘러싸는 T-스티프너(90, 도 5b)와 같은 상기 복합재 구조물(28, 도 5a)의 인접한 적층 복합재 겹(118, 도 5b)의 방사상 방향(117, 도 5b)와 실질적으로 매칭하는 적층 복합재 겹(134)의 정해진 방사상 방향(99, 도 5b)을 갖고 정해진 반경(98, 도 5b)으로 형성된 적층 복합재 겹(134, 도 5b)의 층(126, 도 6a)을 포함한다. 각각의 만곡부 층(142)은 바람직하게는, 상기 복합재 구조물(28, 도 5a)의 상기 만곡부 충전부 영역(116, 도 5b)에 실질적으로 상응하는 형상(101, 도 5b)을 갖는 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여, 적어도 하나의 측면(144, 도 8b)이 다른 측면에 인접하게 정렬되도록 마무리된다.
도 8c에 보인 실시예에서, 상기 2 이상의 만곡부 층(142)은, 실질적으로 피라미드형 구조(103)를 갖고 대체로 삼각형 단면을 갖는 형상(101)을 갖는 복합재 만곡부 충전부(100a)와 같은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 제2 만곡부 층(142b)에 인접하게 정렬된 제1 만곡부 층(142a)을 포함한다. 다른 실시예에서는, 도 8d에 보인 바와 같이, 실질적으로 피라미드형 구조(103)를 갖고 대체로 삼각형 단면을 갖는 형상(101)을 갖는 복합재 만곡부 충전부(100a)와 같은 상기 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하기 위하여 상기 2 이상의 만곡부 층(142)은 모두 서로에게 인접하게 정렬된 제1 만곡부 층(142a), 제2 만곡부 층(142b) 및 제3 만곡부 층(152)을 포함한다. 상기 제3 만곡부 층(152)은 상기 제1 만곡부 층(142a)와 상기 제2 만곡부 층(142b) 사이의 위치(166)에 놓이는 것이 바람직하다.
당해 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하듯이, 본 발명에 따는 방법(200)의 실시예에 의하여 형성된 신규한 복합재 만곡부 충전부(100)를 예컨대 항공기 날개(18, 도 1)와 같은 복합재 구조물(28, 도 5a)로 일체화하는 것은 다수의 실질적인 장점을 가져온다. 상기 복합재 만곡부 충전부(100(도 5a), 100a(도 8c), 100b(도 8d), 및 100c(도 9)), 및 방법(200, 도 10)은, 적층 또는, 상기 만곡부 층(142)의 적층 복합재 겹(134)의 방사상 방향으로의 연속적인 적층을 상기 둘러싸는 복합재 구조물(28, 도 5a)의 적층 복합재 겹(118, 도 5b)의 방사상 방향(117, 도 5b)에 매칭할 수 있게 하고, 이어서 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 성능과 강성과 같은 기계적인 속성을 상기 둘러싸는 복합재 구조물(28)의 성능과 강성과 같은 기계적인 속성에 더욱 가까이 매칭할 수 있게 한다. 상기 만곡부 층(142)의 적층 복합재 겹(134)을 방사상 방향으로 배치함으로써, 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 세 개의 응력 집중점(106a, 106b, 106c, 도 5b)에서 열 잔류응력이 최소화될 수 있다. 열경화 공정 중에 발생할 수 있는 상기 열 잔류응력은, 개별적인 적층 복합재 겹(134)의 직립 특성에 기인하여, 그리고 상기 복합재 만곡부 충전부(100)의 세 개의 응력 집중점에서 가장 높은 열응력 위치가 세 개의 응력 집중점(최고점)에서 벗어나 복합재 만곡부 충전부(100)의 중심으로 이동하는 것에 기인하여 본 발명의 복합재 만곡부 충전부(100)에 의하여 최소화될 수 있다. 여기서 설명된 상기 복합재 만곡부 충전부(100)는 이런 복합재 만곡부 충전부들의 상부 피크(top peak) 또는 응력 집중점(106c, 도 5a)에 공통인 z-방향으로의 높은 두께관통 열팽창(through-thickness thermal expansion)을 갖고 마찬가지로, 바닥 피크(bottom peaks) 또는 응력 집중점(106a, 106b, 도 5a)에 공통인 방향으로 높은 두께관통 열팽창을 갖는다.
추가로, 여기 설명된 상기 복합재 만곡부 충전부((100, 도 5a), 100a(도 8c), 100b(도 8d), 100c(도 9)), 및 방법(200, 도 10)의 실시예는, -54℃(-65℉) 이하와 같은 저온에서 발생할 수 있는 복합재 만곡부 충전부(100)의 응력이나 피로 파괴를 최소화하는 복합재 만곡부 충전부(100)를 제공하고, 또한 형성될 더 큰 만곡부 충전부 영역(116, 도 5a)을 허용한다. 추가로, 여기 설명된 상기 복합재 만곡부 충전부((100, 도 5a), 100a(도 8c), 100b(도 8d), 100c(도 9)), 및 방법(200, 도 10)의 실시예는, 파열강성을 향상시키고, 복합재 구조물(28)의 수직 웹(92, 도 5a)으로부터 수평 플랜지(96, 도 5a)로 파열 하중을 더욱 균일하게 재배치하는 복합재 만곡부 충전부(100, 도 5a)를 제공하고, 또 이것은 스트링거-늑골(stringer-rib) 교차점에서 감소된 수용가능한 단점에 더하여, 높은 파열 용량을 제공할 수 있다. 이것은 바람직하게도, 플랩 트랙(flap tracks)이나 엔진 스트럿 부착 위치와 같은 항공기 날개(18, 도 1)로 높은 면이탈 하중(out-of-plane load)이 전달되는 위치에서 일체화 늑골(70, 도 4a)에서의 쉬어 타이(72, shear ties, 도 4a)에 대한 필요성을 제거하게 된다.
더욱이, 여기 설명된 상기 복합재 만곡부 충전부((100, 도 5a), 100a(도 8c), 100b(도 8d), 100c(도 9)), 및 방법(200, 도 10)의 실시예는, 네 개의 수직 절단선에서 성형 툴(120)이나 맨드렐(122)에 접하는 상기 복합재 적층(130, 도 8b)의 미경화된 부분의 절단을 가능하게 한다. 이것은, T-스티프너(90, 도 5a) 또는 스트링거(74, 도 4a)와 같은 복합재 구조물(28)에서 상기 만곡부 충전부 영역(116)의 공간 또는 용적과 동일한 형상과 구조의 상기 복합재 만곡부 충전부(100)을 형성하기 위하여 서로에 대해 인접하게 쌍으로 정렬될 수 있는 대체로 삼각형 단면을 갖는 네 개의 실질적으로 피라미드형 만곡부 층(142)을 남기게 된다. 유일한 상기 복합재 만곡부 충전부(100) 또는 "누들"은, 맨드렐(122, 도 6a)과 같은 성형 툴(120) 위로 한 번 이상 적층 복합재 겹(134)의 층(126)을 둘러쌈으로써 형성되고, 이어서 네 개의 만곡부 층(142)이 상기 성형 툴(120) 둘레에 남을 때까지 상기 성형 툴(120)로부터 복합재 적층(126)의 초과 부분을 잘라내게 된다. 그 다음, 상기 네 개의 만곡부 층(142)은 제거되어 쌍으로 결합되어 2-층 복합재 만곡부 충전부(100a, 도 8c) 또는 3-층 복합재 만곡부 충전부(100b, 도 8d) 또는 다른 적절한 복합재 만곡부 충전부를 이루는 2 개의 복합재 만곡부 충전부(100)를 형성하게 된다. 여기 설명된 상기 복합재 만곡부 충전부((100, 도 5a), 100a(도 8c), 100b(도 8d), 100c(도 9)), 및 방법(200, 도 10)의 실시예는, 종래의 복합재 만곡부 충전재에서 얻을 수 있는 것보다 큰 응력과 파열하중을 견디기 위하여 향상된 구조 특성을 갖는 복합재 만곡부 충전재(100)를 제공할 수 있고, 더 높은 성능의 날개와 다른 복합재 구조물을 허용할 수 있을 것이다.
이상의 설명과 첨부된 도면에 개시된 것을 바탕으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙달된 자라면, 본 발명의 많은 변경이나 다른 실시예를 도출할 수 있을 것이다. 여기에 설명된 실시예는 예시적인 것이며, 이에 한정하기 위한 의도로 기술되거나 도시된 것이 아니다. 여기에 구체적인 용어가 사용되었지만, 일반적이고 설명적인 의미로 사용된 것이지 한정하기 위한 목적으로 사용된 것은 아니다. 본 발명의 추가의 실시예에 따르면, 만곡부 충전부 영역을 갖는 복합재 구조물; 만곡부 충전부 영역을 채우는 복합재 만곡부 충전부를 포함하는 항공기 복합재 조립체가 제공된다. 상기 복합재 만곡부 충전부는 2 이상의 만곡부 층을 포함하되, 각각의 만곡부 층은, 상기 2 이상의 만곡부 층을 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층된 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭되는 적층된 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 갖고 정해진 반경으로 형성된 적층 복합재 겹의 층을 포함하고, 각각의 만곡부 층은 상기 복합재 구조물의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 적어도 하나의 측면이 다른 측면에 인접하게 정렬되도록 마무리된다.
따라서, 상기 2 이상의 만곡부 층은 실질적으로 피라미드형 구조를 갖는 상기 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 제2 만곡부 층에 인접하게 정렬된 제1 만곡부 층을 포함한다.
따라서, 상기 2 이상의 만곡부 층은 실질적으로 피라미드형 구조를 갖는 상기 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 모두 서로 인접하게 정렬된 제1 만곡부 층, 제2 만곡부 층 및 제3 만곡부 층을 포함하고, 상기 제3 만곡부 층은 상기 제1 만곡부 층과 제2 만곡부 층 사이의 부분에 위치한다.
본 발명의 추가의 실시예에 따르면, 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은, 원하는 두께의 복합재 적층(composite laminate layup)을 형성하기 위하여 정해진 반경을 갖는 성형 툴(forming tool) 둘레에 한 번 이상 적층 복합재 겹의 층을 감는 단계; 공극(voids)을 제거하기 위하여 상기 복합재 적층을 부분적으로 부피를 축소하는(debulking) 부피축소 단계; 상기 복합재 적층으로부터 제거될 하나 이상의 정해진 부분에서 상기 복합재 적층의 모든 이음부를 정렬하는 단계; 상기 성형 툴의 하나 이상의 표면에 접하는 하나 이상의 절단선에서 상기 복합재 적층으로부터 하나 이상의 정해진 부분을 제거하는 단계; 상기 성형 툴로부터 상기 복합재 적층의 2 이상의 만곡부 층을 제거하는 단계; 복합재 구조의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 상기 2 이상의 만곡부 층을 서로 정렬하는 단계;를 포함하고, 각각의 만곡부 층은 복합재 만곡부 충전부를 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층된 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭되는 적층된 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 갖고 정해진 반경으로 형성된다.
따라서, 상기 2 이상의 만곡부 층을 정렬하는 단계는 실질적으로 피라미드형 구조를 갖는 상기 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 제2 만곡부 층에 인접하게 제1 만곡부 층을 정렬하는 단계를 포함한다.
10: 항공기 12: 동체
18: 날개 26: 복합재 조립체
28: 복합재 구조물 90: T-스티프너
100: 복합재 만곡부 충전부 116: 만곡부 충전부 영역
118: 적층 복합재 겹 120: 성형 툴
142: 만곡부 층

Claims (15)

  1. 2 이상의 만곡부 층을 포함하되, 각각의 만곡부 층은, 상기 2 이상의 만곡부 층을 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭되는 적층 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 갖고 정해진 반경으로 형성된 적층 복합재 겹의 층을 포함하고, 상기 각각의 만곡부 층은 상기 복합재 구조물의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 적어도 하나의 측면이 다른 측면에 인접하게 정렬되도록 마무리되는, 복합재 구조물을 위한 복합재 만곡부 충전부.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2 이상의 만곡부 층은 실질적으로 피라미드형 구조를 갖는 상기 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 제2 만곡부 층에 인접하게 정렬된 제1 만곡부 층을 포함하는, 복합재 만곡부 충전부.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2 이상의 만곡부 층은 실질적으로 피라미드형 구조를 갖는 상기 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 모두 서로 인접하게 정렬된 제1 만곡부 층, 제2 만곡부 층 및 제3 만곡부 층을 포함하고, 상기 제3 만곡부 층은 상기 제1 만곡부 층과 제2 만곡부 층 사이의 부분에 위치하는, 복합재 만곡부 충전부.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2 이상의 만곡부 층의 각각은 복합재 적층으로부터, 상기 복합재 적층으로 둘러싸인 성형 툴의 하나 이상의 표면에 접하는 절단선을 통하여, 제거되도록 되어 있는 복합재 만곡부 충전부.
  5. 제1항에 있어서, 잔류 열응력으로부터 상기 복합재 만곡부 충전부의 크랙을 최소화하기 위하여, 상기 적층 복합재 겹의 정해진 방사상 방향은, 상기 복합재 만곡부 충전부의 3 개의 응력 집중점에서 열팽창 계수(CTE)를, 상기 복합재 만곡부 충전부를 둘러싸는 상기 복합재 구조물의 인접한 적층 복합재 겹의 열팽창 계수에 실질적으로 매칭하도록 선택되는, 복합재 만곡부 충전부.
  6. 원하는 두께의 복합재 적층을 형성하기 위하여 정해진 반경을 갖는 성형 툴 둘레에 한 번 이상 적층 복합재 겹의 층을 감는 단계;
    공극을 제거하기 위하여 상기 복합재 적층을 부피를 축소하는 부피축소 단계;
    상기 복합재 적층으로부터 제거될 하나 이상의 정해진 부분에서 상기 복합재 적층의 모든 이음부를 정렬하는 단계;
    상기 성형 툴의 하나 이상의 표면에 접하는 하나 이상의 절단선에서 상기 복합재 적층으로부터 하나 이상의 정해진 부분을 제거하는 단계;
    상기 성형 툴로부터 상기 복합재 적층의 2 이상의 만곡부 층을 제거하는 단계;
    복합재 구조물의 만곡부 충전부 영역에 실질적으로 상응하는 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 상기 2 이상의 만곡부 층을 서로 정렬하는 단계로서, 각각의 만곡부 층은 복합재 만곡부 충전부를 둘러싸는 복합재 구조물의 인접한 적층된 복합재 겹의 방사상 방향에 실질적으로 매칭되는 적층된 복합재 겹의 정해진 방사상 방향을 갖고 정해진 반경으로 형성하는, 상기 만곡부 층을 정렬하는 단계;를 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복합재 만곡부 충전부의 경화 후에 각각의 만곡부 층의 안밖으로 하중 전달을 촉진하기 위하여 상기 복합재 만곡부 충전부의 경화 전에 상기 2 이상의 만곡부 층에 하나 이상의 접착제층을 도포하는 단계를 추가로 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 감는 단계는 정해진 두께의 복합재 적층을 형성하기 위하여 적층 복합재 겹의 층을 상기 성형 툴 주위로 여러번 연속적으로 감는 단계를 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 감는 단계는 정해진 두께의 복합재 적층을 형성하기 위하여 적층 복합재 겹의 층을 상기 성형 툴 주위로 함는 감아서 상기 적층 복합재 겹의 층을 맞댐 이음하거나 겸침 이음하는 단계를 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 부피축소단계의 후에, 정해진 두께의 복합재 적층을 얻기 위하여 상기 감는 단계와 부피축소단계의 각각을 추가로 한번 이상 반복하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  11. 제6항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 모든 이음부를 정렬하는 단계는 상기 복합재 적층 위에서 12시 위치, 3시 위치, 6시 위치 및 9시 위치 중의 하나 이상에서 상기 복합재 적층의 이음부를 정렬하는 단계를 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  12. 제6항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 정해진 부분을 제거하는 단계는 상기 성형 툴 주위에 실질적으로 정사각형 구조를 형성하기 위하여 네 개의 직각 절단선을 형성하는 단계를 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  13. 제6항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 2 이상의 만곡부 층을 정렬하는 단계는 실질적으로 피라미드형 구조로 된 형상을 갖는 복합재 만곡부 충전부를 형성하기 위하여 제1 만곡부 층, 제2 만곡부 층, 및 제3 만곡부 층을 정렬하는 것을 포함하고, 상기 제3 만곡부 층은 제1 만곡부 층과 제2 만곡부 층 사이의 위치에 위치하도록 정렬하는 단계를 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  14. 제6항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 2 이상의 만곡부 층을 정렬하는 단계는 상기 복합재 만곡부 충전부의 열경화 동안에 상기 복합재 만곡부 충전부의 3 개의 응력 집중점에서 잔류 열응력을 최소화하도록 상기 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 단계를 포함하는 복합재 만곡부 충전부를 형성하는 방법.
  15. 제10항의 방법에 따라 형성된 복합재 만곡부 충전부.
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