KR20140101440A - 멀티컴포넌트 시트 재료에 대한 제조 프로세스의 온라인 제어를 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법은, 시트 재료와 상호작용하도록 음향 신호 또는 전자기 신호를 인가하는 단계 ― 상호작용은 인가된 신호를 변경함 ―, 변경된 신호를 검출하는 단계, 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 변경된 신호 또는 변경된 신호로부터 도출된 데이터를 비교하는 단계, 및 프로세스의 적어도 하나의 단계를 변경하는 단계 ― 변경된 신호에 관련된 데이터는 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터를 향해 변경됨 ― 를 포함한다.
Description
본 발명은, 멀티컴포넌트 시트 재료, 특히, 프리프레그(prepreg) 재료의 파라미터를 온라인으로 결정하기 위한 방법 및 그 멀티컴포넌트 시트 재료의 프로세스를 제어하는 방법에 관한 것이다. 추가적으로, 본 발명은 래미네이트로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤(roll)을 생성하는 방법에 관한 것이고, 시트 재료가 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 사전-함침된(pre-impregnated) 섬유 강화 구조, 품질-증명된 사전-함침된 섬유 강화 구조, 및 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하기 위한 프로세스 제어기에 관한 것이다.
복합 물질들은, 비-하중 전달 및 하중 전달 애플리케이션들에 각각 유용한, 가볍게 로딩된 구조 및 고도로 로딩된 구조 양자를 생성하기 위해 사용된다. 전자의 예들은 보트 선체들 및 자동차 몸체 패널들을 포함하지만, 후자의 예들은 압력 용기들, 프레임들, 부품들 및 항공우주 애플리케이션들, 예를 들어, 항공기 기체들을 포함한다. 복합 물질들의 폭넓은 적용가능성으로 인해, 복합 물질들은 자동차, 선박, 항공우주 산업들을 포함하는 광범위한 산업들에서의 용도를 발견해왔다. 그러나, 무거운 하중들을 견디기에 적절한 형태로 제조되는 복합 물질들의 능력으로 인해, 복합 물질들은 특히, 강도, 경도(lightness) 및 성형의 용이성이 요구될 수도 있는 하중 견딤 구조적 부재들의 설계에 특히 유용하다. 시트 재료의 구성 및 품질 제어의 신뢰도를 보장하는 것이 필수적이다.
통상적으로, 복합 재료들은 수지 재료, 예를 들어, 에폭시 수지와 함께 결합된 탄소, 아라미드, 유리 또는 석영과 같은 섬유성의 재료를 포함한다. 그러한 복합 재료들에서의 하중은 섬유성의 물질에 의해 1차적으로 전달되고, 따라서, 복합물의 하중 전달 속성들은 복합 물질에서 섬유들의 배향을 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 테이프들 또는 토우(tow)들과 같은 단일방향성 섬유들을 갖는 복합 물질들은, 섬유들의 축을 따라 가장 강력한 인장 강도를 일반적으로 나타낼 수도 있다. 직조 직물들 및 양-방향성 매트들은 재료의 수평면에서 통상적으로 가장 강력하다. 따라서, 복합 재료들을 설계할 경우, 섬유 배향, 및 겹침(ply)들로서 또한 알려진, 층들의 수가 복합물 물품들이 경험할 예측된 하중의 고려사항으로 통상적으로 명시된다.
통상적으로, 섬유 복합물 래미네이트들 또는 부분들은 프리프레그를 형성하기 위해 수지를 이용하여 섬유 강화를 1차 함침하는 단계, 및 그 후, 2개 또는 그 초과의 프리프레그의 층들을 통합하는 소위 "레이업(layup)" 프로세스 단계에 의해 제조된다. 주름(wrinkle)들, 빈틈(void)들, 박리(delamination)들 등을 포함하는 다양한 결함들의 형성은 레이업 프로세스에 내재한다. 예를 들어, 프리프레그 및/또는 래미네이트에서의 빈틈들은, 통합 프로세스 동안 섬유 번들, 토우, 또는 조방사(roving) 내로의 수지의 유효하지않은 침투로부터 초래하고, 또는 기체방출로부터 초래한다. 그러한 결함들은 형성되는 복합물 물품이 비교적 크거나, 윤곽(contour)을 포함하거나, 그 외에 복잡한 형상인 경우 더 많은 수가 형성될 수도 있다.
그러한 결함들은 레이업 프로세스 동안 표면 상에서 용이하게 식별가능, 검출가능, 또는 명백하지 않을 수도 있고, 또는, 그러한 결함들은 후속하는 경화(curing) 프로세스 동안 가시적이 되거나 악화될 수도 있다. 완성된 물품의 그러한 결함들의 존재는 재료 강도를 2배 정도 손상시킬 수도 있으며, 따라서, 물건이 수리될 것을 요구할 수도 있거나, 심지어 부분이 폐기될 것을 요구할 수도 있고, 따라서, 수리 비용 및/또는 폐기된 물품들을 대체하기 위해 요구되는 리드-타임(lead-time) 중 어느 하나로 인해 제조 비용이 증가하는데 기여한다.
광범위의 검사 방법들이 복합 재료들에 독립적으로 적용된다. 그러나, 이들 복합 재료들 중 몇몇을 사용하는 경우 결함들의 분석은 몇몇 애플리케이션들로 제한될 수도 있다. 예를 들어, 섬유들 또는 토우들이 무작위 배향을 갖는 복합 재료들에서, 또는 섬유들이 바람직하게 탄소를 포함하는 복합 재료들에서, 구조 또는 탄소 중 어느 하나는 측정된 신호를 확산(scatter)시킬 수도 있다. 또한, 많은 애플리케이션들에서, 복합 물질의 물리적 파라미터들의 측정 및 재료 속성들의 측정 양자를 포함하는 다수의 측정들을 획득하는 것이 바람직하거나 필수적일 수도 있다. 많은 검사 장치들은, 하나의 측정만을 또는 하나의 타입의 측정을 제공할 수 있거나, 몇몇 애플리케이션들에서 수용불가능한 표준 편차를 갖는 데이터를 제공한다. 몇몇 경우들에서, 더 정교한 측정들을 수행할 수 있는 장비들은 비쌀 수 있고, 따라서, 제조되는 물품의 수익 마진이 소요경비(expense)를 보증하지 않는 경우의 애플리케이션들은 비용-효율적(cost-effective)이지 않다.
워터 픽업(water pickup) 테스트로서 알려진 단일방향의 프리프레그 재료의 방수처리 또는 함침 정도를 결정하기 위한 절차가 알려진다. 이러한 목적을 위해, 표본의 조각을 통상적으로 약 5mm 폭을 돌출시키는 그러한 방식으로, 단일방향의 프리프레그 재료의 표본이 처음에 계량되고 2개의 플레이트들 사이에 클램핑(clamp)된다. 이러한 배열은, 상온(21℃)에서 5분 동안 워터 배스(water bath) 내에서 섬유들의 방향으로 서스펜딩(suspend)된다. 플레이트들을 제거한 후, 표본은 다시 계량된다. 무게의 차이는 함침의 정도에 대한 측정된 값으로서 사용된다. 워터 픽업된 양이 더 작아질수록, 방수처리 또는 함침 정도는 더 높아진다. 워터 픽업 테스트의 불리한 점은, 어떤 결론들도, 예를 들어, 프리프레그 재료 내의 수지 분포 또는 프리프레그 재료의 표면 마감에 관하여 인출(draw)하는 것을 허용하지 않는다는 것이다. 워터 픽업 테스트 절차는 단지 전체 벌크(bulk) 효과의 정보만을 제공하며, 각각의 영향 변수들과 특성 파라미터들 사이를 구별하는 것이 가능하지 않다.
또한, 워터 픽업 테스트는 재료 샘플의 품질 제어 측정(measure)으로서 오프라인에 통상적으로 이용된다. 필연적으로, 이는 품질면에서 국부적(local) 실패는 식별되지 않을 수도 있거나, 식별된다면, 많은 양의 재료가 실패로 간주되고 낭비로 이어질 수도 있음을 의미한다.
멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 개선된 방법, 및 알려진 방법들에 연관된 문제점들을 제한하거나 극복하는 검사 방법에 대한 필요성이 존재한다.
제 1 양상에서, 본 발명은 시트 재료와 상호작용하도록 음향(acoustic) 신호 또는 전자기 신호를 인가하는 단계 ― 상호작용은 인가된 신호를 변경함 ―, 변경된 신호를 검출하는 단계, 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 변경된 신호 또는 변경된 신호로부터 도출된 데이터를 비교하는 단계, 및 프로세스의 적어도 하나의 단계를 변경하는 단계 ― 변경된 신호에 관련된 데이터는 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터를 향해 변경됨 ― 를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법을 제공한다.
본 명세서에서 "파라미터"를 지칭함에 있어, 이 용어는 자신의 속성들을 포함하는 멀티컴포넌트 시트 재료의 임의의 양상을 포함하도록 의도된다.
바람직하게, 음향 신호는 초음파 신호를 포함할 수도 있다. 전자기 신호는 마이크로파 신호(범위가 0.05×10- 2 부터 1×10-2 m까지인 파장), 엑스-레이 신호(0.1 nm 내지 10nm 파장), 광 신호(10nm 내지 700nm), 적외선 신호(700nm 부터 10cm 까지 파장) 및/또는 상술된 신호들의 결합들을 포함할 수도 있다.
적절하게, 방법은, 적어도 하나의 단계 이전에 또는 동안에 또는 이후에, 프리프레그 및/또는 래미네이트 제조 프로세스의 적어도 하나의 단계를 수행하는 단계, 및 프리프레그 및/또는 래미네이트의 적어도 2개의 속성들을 측정하는 단계를 포함한다.
유리하게, 본 발명의 인-라인(in-line) 방법은, 프리프레그들 및 복합 물질들의 제조 동안 결함들이 검출되고 보정되도록 한다. 이것은 종래의 제조 프로세스들로부터 생성되는 재작업 또는 폐품(scrap)의 양을 감소시키거나 제거한다.
적절하게, 프로세스는 지속적인 프로세스이다.
바람직하게, 멀티컴포넌트 시트 재료는 래미네이트 및 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된다. 적절하게, 래미네이트 또는 사전-함침된 섬유 강화 구조는, 강화 재료와 수지를 접촉시키는 단계, 및 압착(compacting) 단계, 래미네이션(lamination) 단계, 통합 단계 및 경화 단계로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 추가적인 단계들을 포함하는 함침 단계를 포함하는 프로세스에서 생성되며, 여기서, 프로세스 중 적어도 하나의 단계는, 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 검출된 초음파 신호의 비교에 응답하여 프로세스 동안 변경된다.
적절하게, 프로세스의 적어도 하나의 단계는 프로세스 동안 지속적으로 변경되고, 그에 의해 인-라인 피드백 제어를 제공한다. 프로세스에서, 프로세서 파라미터들 중 임의의 하나 또는 그 초과는, 미리-결정된 파라미터의 실제 값을 원하는 미리-결정된 파라미터로 변경하기 위해 변경될 수도 있고, 롤러들의 압축, 수지 코터(coater)와 섬유성의 재료 사이의 갭(gap), 수지의 온도 및 수지의 유량(flow rate)으로부터 적절하게 선택된다. 지속적인 초음파 측정을 사용하는 제어 방법은, 제조되고 있는 생성물의 계속되는 품질 제어를 허용한다.
바람직한 실시예에서, 프로세스는 지속적인 프로세스이고, 강화 재료와 애플리케이터(applicator)로부터 분배된 수지를 접촉시키는 단계, 및 압축 롤러들 사이로 재료를 통과시키는 단계를 포함하며, 여기서 검출된 초음파 신호에 응답하여 변경되는, 프로세스의 적어도 하나의 단계는, 롤러들의 압축, 수지 애플리케이터와 강화 재료 사이의 거리, 수지의 온도, 수지의 유량 및 프로세스의 라인 속도로부터 선택된다.
바람직하게, 초음파 신호는 시트 재료의 2개 또는 그 초과의 파라미터들과 관련된 데이터를 제공하기 위해 이용된다. 바람직한 실시예에서, 시트의 두께를 통한 초음파 신호의 송신은 시트의 제 1 파라미터 및 선택적으로 시트의 제 2 파라미터를 결정하도록 측정된다. 바람직하게, 제 1 및 제 2 파라미터들은 시트의 수지 함침의 레벨 및 시트의 두께로부터 선택된다.
프로세스는, 초음파 측정으로부터 도출된 데이터, 및 파라미터의 미리-결정된 값에 관련된 데이터와 측정된 파라미터에 관련된 데이터의 비교에 기초하여 적절하게 제어된다. 바람직하게, 프로세스의 라인 속도는, 검출된 초음파 신호로부터 도출된 데이터와 시트의 함침의 레벨 및/또는 시트의 두께의 미리-결정된 레벨과 연관이 있는 미리-결정된 파라미터와 관련된 데이터의 비교에 응답하여 변경된다. 라인 속도를 변경함으로써, 단위 면적당 적용된 수지의 레벨은, 프리프레그에 수지의 원하는 미리-결정된 레벨을 제공하도록 제어되고 변경될 수도 있다.
초음파 신호는 시트 재료와 적절하게 상호작용하고, 시트를 통한 신호의 송신, 검출된 신호의 속도 및 시트를 통한 신호의 송신 시간으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 파라미터들이 검출된다. 방법은, 프리프레그 및/또는 래미네이트의 제조 동안, 프리프레그 및/또는 래미네이트의 적어도 2개의 파라미터들 및/또는 속성들을 측정하는 단계를 적절하게 포함한다. 바람직하게, 방법은, 시트의 2개 또는 그 초과의 원하는 미리-결정된 파라미터들과 검출된 초음파 신호를 연관시키는 단계를 포함한다.
측정된 속성 및/또는 파라미터는 프리프레그 및/또는 래미네이트에 관해 유용한 정보를 제공하는 임의의 것일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 측정된 속성 및/또는 파라미터는 프리프레그 및/또는 래미네이트의 속성들과 관련된 정보를 제공하지만, 다른 실시예들에서는, 측정된 속성 및/또는 파라미터는 프리프레그 및/또는 래미네이트 내의 결함들, 예를 들어, 빈틈들, 균열들, 이물질 함유들, 박리들, 다공성, 주름들 또는 섬유 오정렬(misalignment)에 관련된 정보를 제공한다. 바람직하게, 적어도 2개의 측정들이, 하나의 측정만을 이용하는 프리프레그 및/또는 래미네이트의 인라인 검사 방법들과 비교하여 더 많은 정보가 획득되도록 행해진다.
2개 또는 그 초과의 측정들이 취해진 경우, 측정들은 동일한 측정들이며 제조 프로세스의 상이한 스테이지들에서 행해질 수도 있지만, 다른 경우들에서, 측정들은 상이하고 제조 프로세스의 동일하거나 상이한 스테이지들에서 행해질 수도 있다. 하나의 측정이 실질적으로 프리프레그 및/또는 래미네이트의 표면에서 또는 표면에 관하여 행해진 측정일 수도 있지만, 다른 측정은 표면 아래(below), 예를 들어, 프리프레그 및/또는 래미네이트의 표면 밑(subsurface)에 관하여 행해질 수도 있다.
본 발명은, 생성물의 품질이 원하는 기준의 품질을 충족시키는, 대량의 멀티컴포넌트 시트 재료가 생성될 수 있게 한다. 지속적인 프로세스는 생성물의 롤을 생성하는데 통상적으로 이용된다. 생성물의 롤이 관련 품질 기준을 충족시키는 것을 보장하는 것은, 낭비를 감소시키고, 특히, 생성물이 높은 하중들을 견디는 재료를 포함하는 애플리케이션들에서 사용될 경우 중요하다.
제 2 양상에서, 본 발명은, 래미네이트 및 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤을 생성하는 방법을 제공하며, 여기서 시트 재료는, 본 발명의 제 1 양상에 따른 방법을 사용하는 멀티 컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어함으로써, 롤 전체에 걸쳐 원하는 미리-결정된 파라미터 주변의 허용한계(tolerance) 대역 내에 놓여 있는 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는다.
적절하게, 허용한계 대역은 10%, 바람직하게는 5%를 초과하지 않고, 바람직하게, 특정한 파라미터, 즉, 최종-사용(end-use) 의도 및 전체 원하는 품질 사양에 의존하는 원하는 미리-결정된 파라미터의 위 또는 아래 어느 한쪽으로 1%를 초과하지 않는다. 허용한계 대역은, 허용한계 대역이 원하는 미리-결정된 파라미터의 위 및 아래로 동일하게 연장하도록, 원하는 파라미터 상에 중심이 놓일 수도 있지만, 원하는 미리-결정된 파라미터의 하나의 측면보다 더 작거나 더 큰 다른 측면을 갖는 것이 또한 본 발명의 범위 내이다.
적절하게, 원하는 미리-결정된 파라미터는 강화 재료의 함침 레벨 및 시트의 두께로부터 선택된다. 바람직하게, 함침 레벨은, 롤 전체에 걸쳐 원하는-미리 결정된 함침 레벨로부터 10% 미만으로 벗어난다. 적절하게, 시트의 두께에서는, 시트의 두께는 롤 전체에 걸쳐 원하는-미리 결정된 시트의 두께로부터 10% 미만으로 벗어난다.
추가적인 양상에서, 본 발명은 래미네이트 및 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤을 포함하는 사전-함침된 섬유 강화 구조를 제공하며, 여기서 멀티 컴포넌트 시트 재료의 적어도 하나의 파라미터는, 멀티컴포넌트 시트 재료의 생성 동안 수행된 초음파 측정들로부터 획득되는 데이터에 응답하여, 롤의 생성 동안 변경된다.
적절하게, 래미네이트 및 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤을 포함하는 사전-함침된 섬유 강화 구조는 본 발명의 제 2 양상에 따른 방법에 의해 획득된다.
유리하게, 사전-함침된 섬유 강화 구조는 오프-라인 품질 제어 분석을 겪을 필요가 없다. 그러나, 이것이 상보적 품질 제어 수단으로서 바람직하다면, 사전-함침된 섬유 강화 구조는 본 발명의 초음파 방법에 부가하여 알려진 품질 제어 프로세스를 겪을 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 초음파에 의해 측정될 미리-결정된 파라미터는 공간적 파라미터이다. 바람직하게, 초음파 신호는, 롤이 생성될 때 롤의 큰 부분 및 바람직하게는, 실질적으로 롤의 전체 면적을 스캐닝하기 위해, 지속적인 생성 라인에서 롤의 폭에 걸쳐 스위핑(sweep)한다. 바람직한 실시예에서, 초음파 신호는 롤의 폭에 걸쳐 스위핑하고, 시트 재료에서 수지의 양, 또는 시트에서, 원하는 미리결정된 수지 레벨에 관해 상대적인 수지의 양에 관련된 데이터를 제공하는 변경된 초음파 신호를 제공하기 위해, 롤의 폭과 상호작용한다. 허용한계 대역이 적용된 경우, 수지의 실제 레벨을 검출하거나, 초음파 신호의 스위프 및 수지의 레벨에서의 편차들에 기초한 변형된 신호의 검출을 모니터링하는 것은, 오퍼레이터(operator)로 하여금 허용한계 대역 내에 속한 수지의 레벨에 기초하여 시트 재료의 롤이 품질 제어 기준을 합격했거나 불합격했는지를 결정하도록 한다.
본 발명은, 시트 재료와 상호작용하도록 초음파 신호를 인가하는 단계 ― 상호작용은 초음파 신호를 변경함 ―, 변경된 초음파 신호를 검출하는 단계, 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 변경된 초음파 신호 또는 변경된 초음파 신호로부터 도출된 데이터를 비교하는 단계, 및 프로세스의 적어도 하나의 단계를 변경하는 단계 ― 변경된 초음파 신호에 관련된 데이터는 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터를 향해 변경됨 ― 를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법을 또한 제공하고, 여기서 멀티컴포넌트 시트 재료는 워터 픽업 테스트를 겪는다.
본 발명은 다른 품질 제어 방법들과 결합하여 이용될 수도 있다. 임의의 추가적인 방법들이, 측정되는 파라미터 또는 속성(들)에 기초하여 선택될 수도 있다. 부가적인 측정 방법들은, 길이, 폭, 깊이 또는 하나 초과의 차원에서 행해지는 측정들과 같은 차원 측정들을 위한, 음향 홀로그래피, 광학 계측법, 및 많은 다양한 카메라들, 예를 들어, 마이크로파 카메라들과 같은 이미징 기술들; 열 전도도의 측정을 위한, 온도계들 또는 열전대들; 자기 투과도의 측정을 위한, 홀-효과(hall-effect) 센서들과 같은 자력계들, 거대 자기-저항 센서들, 이방성 자기-저항 센서들, 원자 자력계들, 초전도 양자 간섭 디바이스들(SQUIDS) 또는 와전류(eddy current) 코일들; 유전율 측정을 위한 정전용량(capacitive) 플레이트들 또는 스트립선로들; 전기 전도도의 측정을 위한 옴계(ohmmeter)들 및 와전류 코일들; 밀도 또는 다공성(porosity)의 측정을 위한 농도계(densimeter)들 또는 엑스-레이; 및 핵 사중극자 공명 주파수(nuclear quadruple resonance frequency)의 측정을 위한, 자력계들 및 코일들을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 측정들 중 적어도 하나는 프리프레그 또는 래미네이트의 속성 또는 이들에서 결함의 존재에 관련된 정보를 적절하게 제공한다. 예를 들어, 적어도 하나의 측정은, 열 전도도, 자기 투과도, 유전율, 전기 전도도, 밀도, 핵 사중극자 공명 주파수 등에 관련된 정보를 바람직하게 제공할 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 초음파 측정들이 이용되고, 이들은 프리프레그 및/또는 래미네이트의 다공성, 섬유 부피 분율(fraction), 빈틈들 및 박리들에 관련된 정보를 제공한다.
본 발명은, CRP 견본, 특히, 항공우주에 대한 프리프레그 재료 견본의 적어도 하나의 특성 파라미터를 결하기 위한 US2010/0065760에서 설명된 방법과 결합하여 이용될 수도 있고, 다음의 방법 단계들, 즉, 견본을 제시하는 단계, 전자기 방사의 미리결정된 스펙트럼을 이용하여 견본을 조사(irradiate)하는 단계, 견본과 전자기 방사 사이의 상호작용을 데이터 레코드(data record)에 기록하는 단계, 기록된 데이터 레코드로부터 특성 파라미터를 결정하는 단계를 포함한다.
추가적인 양상에서, 본 발명은, 멀티컴포넌트 시트 재료 생성 동안, 시트 재료와 상호작용하는 초음파 신호를 인가하여 멀티컴포넌트 시트 재료를 제조하는 단계, 시트 재료와의 상호작용 후의 초음파 신호를 검출하는 단계, 워터 픽-업 방법에 의해 시트 재료의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 분석하는 단계, 및 시트 재료의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 이용하여 검출된 초음파 신호 결과들을 조정하기 위하여, 워터 픽-업 방법의 결과들과 검출된 초음파 신호들을 연관시키는 단계를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법에서 사용하기 위한 초음파 장치를 조정하는 방법을 제공한다.
다른 양상에서, 프리프레그 및/또는 래미네이트의 제조를 위한 장치가 제공된다. 장치는, 제어기, 수지 주입 장치, 적어도 하나의 측정 장치, 및 프로세서를 포함한다. 프로세서는 측정 장치 및 제어기에 대해 동작가능하게 배치되어, 정보가 이들 사이에서 송신될 수도 있다. 적절하게, 본 발명의 방법은 프로세서 제어기를 사용하여 제어된다.
추가적인 양상에서, 본 발명은, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하기 위한 프로세스 제어기를 제공하며, 프로세스는, 강화 재료와 애플리케이터로부터 분배된 수지를 접촉시키는 단계, 재료를 압축 롤러(roller)들 사이로 통과시키는 단계, 시트 재료와 상호작용하는 초음파 신호를 인가하는 단계 ― 상호작용은 초음파 신호를 변경함 ―, 변경된 초음파 신호를 검출하는 단계, 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 변경된 초음파 신호 또는 변경된 초음파 신호로부터 도출된 데이터를 비교하는 단계, 및 프로세서의 적어도 하나의 단계를 변경하는 단계를 포함하며, 제어기는:
i) 압축 롤러들에 의해 가해진 힘의 레벨, 수지 애플리케이터와 강화 재료 사이의 거리, 수지의 온도, 수지의 유량 및 프로세스의 라인 속도로부터 선택된, 프로세스에서의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 제어하기 위한 프로세스 파라미터 제어기;
ii) 원하는 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 검출된 초음파 신호 또는 검출된 초음파 신호로부터 도출된 데이터를 비교하기 위한 콤퍼레이터(comparator);
iii) 콤퍼레이터로부터 데이터를 수신하고, 프로세스에서의 파라미터들 중 적어도 하나를 변경하기 위해 프로세스 파라미터에 신호를 제공하기 위한 파라미터 변경자 ― 파라미터 변경자에 의해, 미리-결정된 파라미터의 실제 값이 미리-결정된 파라미터의 원하는 값에 접근함 ― 를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 프로세스의 라인 속도는 측정된 초음파 신호에 응답하여 제어된다.
본 발명의 실시예들에서, 음향 신호는 초음파 범위 내의 주파수를 가질 수도 있다. 초음파 신호는, 100KHz에서 5MHz까지, 바람직하게 200KHz에서 1MHz까지, 가장 바람직하게 300KHz에서 550KHz까지의 주파수를 가질 수도 있다.
추가적인 양상에서, 본 발명은, 강화 재료와 수지를 접촉시키기 위한 함침 장치, 및 압착(compaction) 장치, 래미네이션 장치, 통합 장치 및 경화 장치로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 추가적인 장치, 시트에 초음파를 인가하고 초음파 신호를 검출하도록 구성된 초음파 장치, 본 발명에 따른 프로세스 제어기를 포함하는 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤을 생성하기 위한 생성 라인을 제공한다.
추가적인 양상에서, 본 발명은, 멀티컴포넌트 시트 재료 생성 동안, 시트 재료와 상호작용하는 초음파 신호를 인가하여 멀티컴포넌트 시트 재료를 제조하는 단계, 시트 재료와의 상호작용 후의 초음파 신호를 검출하는 단계, 워터 픽-업 방법에 의해 시트 재료의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 분석하는 단계, 및 시트 재료의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 이용하여 검출된 초음파 신호 결과들을 조정하기 위하여, 워터 픽-업 방법의 결과들과 검출된 초음파 신호들을 연관시키는 단계를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법에서 사용하기 위한 초음파 장치를 조정하는 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은 수지에 의한 래미네이트 또는 구조의 함침 레벨을 정량화하는 방법을 제공하며, 방법은:
래미네이트 또는 구조의 두께를 통한 초음파(UT) 신호의 송신 및/또는 반사를 측정하는 단계; 및
구조 또는 래미네이트의 함침 레벨을 결정하기 위해 조정 모델과 측정된 송신 및/또는 반사를 연관시키는 단계를 포함한다.
적절하게, 측정된 송신 및/또는 반사는, 워터 픽업 방법을 사용하여 획득된 측정들로부터 도출된 조정 모델과 연관된다.
바람직하게, 방법은, 두께를 통과하는 초음파 신호의 속도를 측정하는 단계, 구조 또는 래미네이터의 추가적인 파라미터 또는 속성을 결정하기 위해, 추가적인 조정 모델과 속도를 연관시키는 단계를 포함하며, 바람직하게, 추가적인 속성은 래미네이트 또는 구조의 두께이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 방법을 사용하여 만들어진 프리프레그 및/또는 래미네이트로부터 준비된 물품을 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 길이, 폭, 깊이, 또는 하나 초과의 차원에서 행해진 측정들과 같은 차원 정보가 적절하게 획득된다. 직접적으로 또는 원하는 차원 정보를 제공하도록 추가적으로 분석될 수도 있는 이미지를 통해 간접적으로 그러한 측정들을 제공할 수 있는 많은 이미징 기술들이 이용가능하다. 그러한 이미징 기술들의 예들은, 음향 홀로그래피, 와전류 어레이(array) 이미징, 광학 계측법, 및 예를 들어, 마이크로파 카메라들인 많은 다양한 카메라들을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 광학 계측법은, 초음파에 부가하여 사용될 수도 있고, 강화 재료, 프리프레그 및/또는 래미네이트에 존재하는 주름들 또는 표면파형(waviness)과 관련된 정보를 유리하게 제공할 수 있다. 광학 계측 측정들을 수행하기 위한 기술들 뿐만 아니라 그들의 결과들을 분석하는 것은, 당업자에게 잘 알려져 있고, Yoshizawa, Taoru의 handbook of optical metrology principals and applications, Taylor & Francis, Boca Raton, co. 2008에서 일반적으로 설명되며, 이로써 본 명세서에 그 전체가 참조에 의해 포함된다. 추가적으로, 그러한 측정들을 수행하는 장비는, General Electric Company, FARO and Minolta를 포함해서, 다양한 소스들로부터 상업적으로 이용가능하다.
바람직한 실시예에서, 초음파 측정들은, 프리프레그의 다공성에 관련된 정보를 제공하도록 요구되는 경우, 주입동안, 그리고/또는 압착 전에 또는 압착 동안 유리하게 취해진다. 적절하게, 초음파 탐침(들)이 이용되고, 이는 수지 주입 스테이지 및/또는 압축/압착 스테이지에 매우 근접하게 배치될 수도 있으며, 여기서 주어진 깊이에서 프리프레그/래미네이트의 다공성을 표시하는 데이터가 수집될 것이다.
그 후, 예를 들어, 다수 및 심각한 결함들 대응 경화 부분 상의 그린 상태(green state) 프리프레그 및/또는 래미네이트에서 임의의 결함들의 효과, 및/또는 경화 부분 강도 상의 임의의 그러한 결함들의 영향을 표시하는 데이터를 제공하기 위해, 데이터는 프로세서에 의해 프로세싱된다. 프로세싱된 데이터는 제어기에 제공되며, 그 후, 제어기는, 원하거나 요구된 경우, 프로세스에 의해 프리프레그 및/또는 래미네이트에서 생성된 결함들의 양 또는 크기를 감소시키도록 프로세스의 파라미터들을 조정할 수도 있다.
그린 상태 프리프레그 및/또는 래미네이트에서 결함들의 수 또는 결함들의 영향의 존재에 영향을 줄 수도 있는 프로세스의 조정들은, 토우 장력(tension), 온도, 레이업 속도, 롤러 압력, 및 수지 함량을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 그리고, 프로세싱된 데이터는 이들 중 임의의 것을 나타낼 수도 있으며, 따라서 제어기는 수동 또는 자동으로 이들 중 임의의 것을 조정할 수도 있다. 자동 제어는, 폐쇄-루프 회로에 대해 기회를 제공하는 바와 같은, 몇몇 실시예들에서 유리할 수도 있다.
초음파 측정들을 수행하기 위한 기술들 뿐만 아니라 그들의 결과들을 분석하는 것은 당업자에게 알려져 있고, Data, S. K. and Shah, A. H.의 Elastic waves in composite media and structures with applications to ultrasonic non-destructive evaluation, CRC Press, Boca Raton, co. 2009에서 일반적으로 설명되며, 이로써 본 명세서에 그 전체가 참조에 의해 포함된다. 추가적으로, 그러한 측정들을 수행하기 위한 장비들은 General Electric, Olympus, and NDT Systems를 포함해서, 다양한 소스들로부터 상업적으로 이용가능하다.
본 발명을 실시하기 위해 이용되는 장치는, 측정 정보가 바람직하게 획득되는 제조 프로세스의 포인트에서, 프리프레그 및/또는 래미네이트에 관해 동작가능하게 배치된 적절한 센서들 또는 센서들의 어레이들, 또는 프로세싱 장비를 적절하게 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 유리하게, 센서 또는 센서들의 어레이(들)는, 수지가 강화 재료 내로 바람직하게 주입되고, 그리고/또는 프리프레그의 압착/압축, 래미네이트를 제공하기 위한 하나 또는 그 초과의 프리프레그의 레이업, 또는 래미네이트의 통합이 발생하는 곳에 근접하여, 말단에, 또는 매우 근접하게 배치될 수도 있다. 명시된 다른 방식은, 측정들 중 적어도 하나가, 강화 재료로의 수지의 주입, 압착 단계, 래미네이션/레이업 단계, 통합 단계 및/또는 경화 단계 전에, 도중에 또는 후에 취해진다.
바람직한 실시예에서, 초음파 송신기 및 수신기는 시트 재료의 위 또는 아래에 로케이팅(locate)된다. 바람직하게, 송신기 및 수신기는 시트 재료와 접촉하지 않는다. 초음파 신호는, 시트 재료의 상단 표면으로부터 또는 하단 표면으로부터 또는 중간층들로부터 반사될 수도 있다. 또한, 신호는 시트 또는 프리프레그의 두께를 통해 송신되거나 흡수될 수도 있다. (송신된 신호와 프리프레그 또는 시트를 통한 송신에 후속하여 수신된 신호의 에너지 사이의 차이에 의해 측정되는 바와 같은) 신호의 흡수는, 수지층의 두께, 또는 시트 또는 프리프레그의 두께 또는 밀도와 같은 시트 또는 프리프레그의 하나도 또는 그 초과의 파라미터들의 측정을 제공한다.
시트를 통한 신호의 속도는, 프리프레그 또는 시트에서의 밀도, 또는 다공성, 또는 밀도 또는 다공성의 편차들의 표시를 제공할 수도 있다. 속도는, 송신된 신호와 프리프레그 또는 시트를 통한 송신에 후속하여 수신된 신호의 속도 사이의 차이에 의해 측정될 수도 있다.
원래의 송신된 신호와 수신된 신호 사이의 위상(phase) 차이는, 다공성 또는 표면 결함들과 같은 프리프레그 또는 시트의 특정한 속성들을 또한 표시할 수도 있다.
송신기 및 센서 엘리멘트들, 또는 이들의 어레이들은, 그들의 방출하는 그리고 수신하는 표면들이 정렬되도록 바람직하게 장착되고 서로에 대해 대향한다. 송신기 및 수신기는, 리지드(rigid) 'C' 형상의 멤버 또는 유사한 개방 구조의 단부들에 바람직하게 장착되어, 양자 엘리먼트는 시트 재료의 주변에 배치되거나 이로부터 리트랙팅(retract)되게 된다. 리지드 멤버는, 송신기 및 센서가 프리프레그 주변에 배치되고 엘리먼트들의 배열을 방해하지 않고 유지보수 또는 조정을 위해 제거될 수 있도록, 슬라이딩 트랙 또는 갠트리(gantry) 상에 바람직하게 장착된다. 바람직하게, 장착 구조는 진동 감쇠를 위한 프로비전(provision)들을 포함한다.
센서 엘리먼트들의 동작을 위해 필요한 센싱 회로는 전자기(EM) 간섭을 겪기 쉬울 수 있다. 따라서, 센서 회로의 도선들을 단락으로 유지하는 것이 필요하다. 센싱 회로 및 센서들로부터의 입력을 수신하기 위한 전자기기는 센서에 매우 근접하게 및 EM 방사로부터 절연되게 로케이팅되어야 하는 것이 바람직하다. 이것은, 바람직하게, 센서들의 7m 이내, 더 바람직하게, 센서 엘리먼트들과 동일한 슬라이딩 트랙 또는 갠트리에 장착될 것이다. 바람직하게, 센싱 회로와 연관되지 않은 전자 시스템들(예를 들어, 파워 서플라이)은 센싱 회로에 작용하는 EM 간섭을 방지하기 위해 절연된다. 바람직하게, 송신기 및 수신기 엘리먼트들과 연관된 모든 전자기기는 EM 절연된 구획에 하우징(house)되고, 센싱 회로는 별개의 구획에 하우징된다.
탄소 섬유들 취급의 바람직하지 않은 부산물은 전기적 컴포넌트들을 방해할 수 있는 전도성 에어본(airborne) 입자들의 생성이다. 따라서, 본 발명의 모든 전기적 컴포넌트들은 손상을 방지하기 위해 에어본 전도성 입자들의 진입을 방지하기 위하여 포지티브 압력 환경들에 하우징된다.
측정들 중 하나를 획득하기 위해 광학 계측법이 이용되는 그러한 실시예들에서, 래미네이트 표면 토포그래피에 관련된 정보를 제공하도록 요구되는 경우, 광학 계측법은 레이업 동안 유리하게 이용될 수도 있다.
적절하게, 적어도 하나의 측정으로부터 획득된 데이터는 제조 프로세스를 모니터링 및 변경하도록 유리하게 사용된다. 즉, 측정들로부터 획득된 데이터는 데이터를 처리할 수 있는 프로세서에 제공될 수도 있다. 예를 들어, 데이터는, 프리프레그 및/또는 래미네이트의 측정된 속성의 이력 개관을 제공하도록 처리될 수도 있고, 또는 데이터는 프리프레그 및/또는 래미네이트 내의 속성들 및/또는 결함들이 추가적인 프로세싱 및/또는 저장 동안 어떻게 나타날 수도 있는지를 예측하기 위해 처리될 수도 있다.
몇몇 실시예들에서, 데이터는, 경화되지않은 또는 "그린-상태" 프리프레그 및/또는 래미네이트에서의 결함들이 경화된 부분에서 어떻게 존재할 수도 있는지를 예측하기 위해 처리될 수도 있다. 동일한 또는 다른 실시예들에서, 데이터는, 측정 단계에서 검출된 임의의 결함들을 경화된 부분 강도에 연관시키기 위해 처리될 수도 있다. 즉, 데이터는 하나 초과의 표시를 제공하기 위해 하나 초과의 방식으로 처리될 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 예를 들어, 데이터는, 그린-상태 부분에서의 결함들이 경화된 부분들에서 어떻게 존재할 것인지와 이들 결함들이 경화된 부분의 강도에서 가질 영향이 무엇인지 양자를 제공하도록 처리될 수도 있다.
프로세스 모델링 소프트웨어 및 기술들은 당업계에 알려져 있으며, 또한, 이들은, 예를 들어, 그린 상태 표시들로부터 경화된 부분에 남아있거나 악화되었을 수도 있는 결함들, 및 임의의 그러한 결함들이 경화된 부분 강도 상에 가질 수도 있는 영향을 예측하기 위한 방법들의 실시 동안 획득된 데이터에 적용될 수도 있다. 예를 들어, 그러한 분석을 수행하기 위한 적절한 방법들이, 예를 들어, 1995년도 Journal of Composite Materials, vol. 29, pp. 1040-1062에 있는 Sridhar Ranganathan, Suresh G. Advani, 및 Mark A. Lamontia의 "A Non-Isothermal Process Model for Consolidation and Void Reduction during In-Situ Tow Placement of Thermoplastic Composites,"; 2004년도 Journal of Applied Mechanics, Transactions ASME, vol. 71 , no. 3, pp. 402-408에 있는 Yerramalli, C. S., Waas, A. M.의 "A nondimensional number to classify composite compressive failure," 및 2003년도 International Journal of Solids and Structures, vol. 40, no. 5, pp. 1139-1164에 있는 Yerramalli, C. S., Waas, A. M., "A failure criterion for fibre reinforced polymer composites under combined compression-torsion loading"에서 설명되며, 이로써 본 명세서에 임의의 목적 및 모든 목적을 위하여 참조에 의해 포함된다.
그러한 분석들은, 몇몇 실시예들에서 결함 형성을 최소화하거나 심지어 제거하기 위해, 프로세스를 변경하도록 사용된다. 그러한 실시예들은, 따라서, 프로세스에 의해 만들어진 불량한 물품들의 재작업 또는 폐기에 있어서 감소의 이점을 제공한다. 그러한 프로세스 변경들은, 수동으로, 또는 프로세서부터 정보를 수신하기 위해 프로세서에 관해서 및 프리프레그 및/또는 레이업 장치에 정보를 제공하기 위해 그들에 관해 동작가능하게 배치된 자동화된 제어기를 통해 행해질 수도 있다.
본 발명의 방법들은 프리프레그 및/또는 래미네이트의 제조를 위한 임의의 장치 내로 유리하게 및 용이하게 포함될 수 있으며, 따라서 그러한 장치들이 여기에 또한 제공된다. 일반적으로 말해서, 장치는, 제어기, 수지 주입 장치, 적어도 하나의 측정 장치, 및 프로세서를 포함한다. 프로세서는, 측정 장치 및 제어기 사이에 정보가 송신될 수도 있도록, 측정 장치 및 제어기에 관해 동작가능하게 배치된다.
적어도 하나의 측정 장치는, 프리프레그 및/또는 래미네이트에 관련된 데이터가, 수집될 수 있고, 바람직하게는 수집되는 임의의 로케이션에 포지셔닝될 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 동일한 타입의 측정 장치는 하나 초과의 로케이션에서 사용될 수도 있지만, 동일하거나 다른 실시예들에서, 적어도 2개의 측정 장치가 이용될 수도 있다. 측정 장치는 바람직하게 획득된 데이터에 의존할 것이고, 동일한 데이터에 기초하여 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광학 계측법 유닛은 초음파 측정 디바이스와 결합하여 이용된다.
예를 들어, 적어도 하나의 측정이 차원 데이터를 제공하고, 측정이 하나 또는 그 초과의 광학 계측법 디바이스를 이용하여 취해진 이러한 실시예들에서, 디바이스(들)는, 예를 들어, 레이업 헤드에 매우 근접하게 포지셔닝될 수도 있고, 여기서 디바이스(들)은 래미네이트 표면 토포그래피의 2-D 이미지들을 생성하고, 계속해서, 2-D 이미지들은 래미네이트의 표면에서 임의의 주름들을 검출하고 특성화하기 위해 분석될 수 있다.
본 발명의 방법들 및 장치는 임의의 프리프레그 및/또는 래미네이트의 제조와 관련하여, 그들의 조성물에 상관없이 사용될 수도 있다. 프리프레그들은 하나 또는 그 초과의 경화가능 수지들, 및 하나 또는 그 초과의 강화 재료들을 통상적으로 포함하지만, 래미네이트들은 겹겹이 계층화된 다수의 프리프레그들을 포함한다.
일반적으로 말해서, 프리프레그들 및 래미네이트들 적절한 경화가능 수지들은 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리아미드, 폴리 염화 비닐, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르들, 폴리 염화 비닐, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에테르케톤, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 및 이들의 공중합체와 같은 열가소성 중합체 조성물들을 포함한다.
프리프레그들 및 래미네이트들은 열경화성 수지, 즉, 에폭시들, 폴리에스테르들, 비닐에스테르들, 페놀 수지들, 폴리우레탄들, 폴리아미드들, 또는 이들 중 2개 또는 그 초과의 결합들을 포함하는 적절한 예들을 또한 이용할 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다. 본 발명에서 사용하기에 특히 매우 양호하게 적절한 접착제 조성물들은, 폴리에스테르들, (산, 염기 및 부가 경화된 에폭시들를 포함하는) 비닐-에스테르 에폭시들, 폴리우레탄들, 실리콘 수지들, 아크릴 중합체들, 폴리실록산들, 폴리오르가노실록산들, 및 페놀들 뿐만 아니라 이들 중 임의의 블렌드들 또는 하이브리드들과 같은 가교된 열경화성 시스템들을 포함한다.
구조적 접착제들이 프리프레그들 및 래미네이트들에서 종종 사용되고, 본 발명의 방법들 및/또는 장치에 의해 준비된 프리프레그들 및 래미네이트들에 사용될 수도 있다. 본 발명의 복합 시스템들에서 사용하기에 바람직한 구조적 접착제들은, 폴리에스테르들, 메타크릴산메틸 등을 포함한다.
임의의 적절한 강화 재료가 설명된 장치, 시스템들 및 방법들을 사용하여 주입될 수도 있다. 예를 들어, 비교적 지속적인 섬유들 또는 토우들이, 섬유들의 단일방향 어레이, 섬유들의 교차-겹침된(cross-plied) 어레이, 또는 토우들의 단일방향 어레이를 형성하도록 배열되거나, 2개-차원의 어레이를 형성하도록 직조(weave) 또는 교차-겹침되거나, 3개-차원의 직물을 형성하도록 직조 또는 꼬여진(braided) 토우 다발을 형성하도록 배열될 수도 있다. 3개-차원의 직물들을 위해, 단일방향 토우들의 세트들은, 예를 들어, 서로 가로질러 섞이어 직조될(interwoven) 수도 있다.
아라미드 섬유들, 붕소 필라멘트들, 세라믹 섬유들, 메탈 섬유들, 석면 섬유들, 베릴륨 섬유들, 실리카 섬유들, 탄화 규소 섬유들 등을 포함하는 테이프들 또는 직물들과 같은 그러한 강화 재료들에 포함될 유용한 섬유들은, 유리 섬유들, 탄소 및 흑연 섬유들, 현무암 섬유들, 중합체 섬유들을, 제한함이 없이 포함한다. 섬유들은 프리프레그의 원하는 애플리케이션에 의존하여 비-전도성이거나 전도성일 수도 있다.
본 발명의 방법들은 프리프레그 및/또는 래미네이트를 포함하는 임의의 물품들의 제조에 적용될 수도 있고, 그러한 물품들의 제조와 연관된 비용으로 인해 큰 물품들에 적용될 경우 특히 유리하며, 따라서, 재작업하거나 폐기하는 비용도 마찬가지이다. 또한, 본 발명의 방법은, 강화 재료가 탄소 필라멘트들 또는 섬유들을 포함하는 프리프레그들, 래미네이트들 및/또는 이들을 포함하는 물품들에 적용될 경우 특히 이득을 제공한다. 탄소는, 많은 다른 강화 재료들, 예를 들어, 유리 복합물들 보다 현저히 더 높은 강성도(stiffness) 및 더 낮은 질량을 갖는다. 따라서, 강화 재료로서의 탄소의 사용은, 더 크지만 원하는 애플리케이션에 대해 수용가능한 강도를 가지면서 더 가벼울 수도 있는 프리프레그들, 래미네이트들 및 물품들의 제조를 가능하게 할 수 있다. 주름들, 박리들, 다공성 및 빈틈들과 같은 결함들은, 국부적인 조숙한 실패를 야기하거나 컴포넌트의 설계에서 설명되지 않은 방식으로 적용된 하중들로부터의 스트레스들을 방향변경(redirect)할 수도 스트레스 컨선트레이터(concentrator)들을 재료 구조 내로 도입시킴으로써, 복합물의 최종 강도를 크게 감소시킬 수 있다.
큰 스케일의 물품들이, 프리프레그들 및/또는 래미네이트들, 및/또는 탄소 함유 강화 재료를 포함하는 프리프레그들 및/또는 래미네이트들로부터 통상적으로 제조되는 산업들의 예들은, 큰 세그먼트들, 예를 들어, 파이프라인 또는 다른 공장 장치가 본 명세서에 설명된 원리들의 애플리케이션으로부터 이득을 발견할 수도 있는 에너지 산업을 포함한다. 특정한 애플리케이션들의 예들은, 터빈 블레이드들 또는 풍력발전용 터빈의 서브컴포넌트들, 예를 들어, 풍력발전용 터빈의 스파(spar)들, 스파 캡들, 에어포일(airfoil) 스킨들 또는 원통형 루트 섹션 또는 타워 섹션들과 같은 풍력발전용 터빈 컴포넌트들을 더 포함한다. 설명된 방법들 및 장치를 사용하여 준비된 프리프레그들로부터 준비된 래미네이트들은 윙 스킨들, 기체 스킨들, 스파들, 또는 리브(rib)들과 같은 평평한 래미네이트들과 같은 항공 애플리케이션들에서 사용될 수도 있다.
다음에서, 본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 인라인 검사 방법에서의 단계들을 표현하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 예시적인 인라인 검사 방법에서의 단계들을 표현하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 방법의 구현을 제시하는 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 예시적인 인라인 검사 방법에서의 단계들을 표현하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 방법의 구현을 제시하는 다이어그램이다.
도 1은 방법의 일 실시예를 도시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 방법(100)은, 단계(102)에서 프리프레그 및/또는 래미네이트를 제조하는 단계, 및 단계(104)에서 제조동안 초음파 방법을 사용하여 프리프레그 및/또는 래미네이트의 파라미터 또는 속성을 측정하는 단계를 포함한다. 측정들은, 수지 주입, 압축/압착, 래미네이션/레이업, 통합 및 경화를 포함하는 프리프레그 또는 래미네이트의 제조 프로세스의 임의의 포인트에서 일반적으로 취해질 수도 있다.
도 2에서, 방법(400)은, 단계(404)에서 프리프레그/래미네이트 제조 프로세스의 단계를 수행하는 단계, 단계(406)에서 프리프레그/래미네이트의 적어도 2개의 속성들을 측정하는 단계, 및 단계(408)에서, 획득된 데이터를 분석하는 단계를 포함한다. 데이터의 분석은, 그 후, 필요하거나 원한다면, 단계(402)에서 도시된 바와 같이 제조 프로세스를 조정하기 위해 이용될 수도 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 발명의 방법의 구현을 제시하는 다이어그램(614)이다. 프리프레그 및/또는 래미네이트 재료(612)는 경화가능 수지 필름(604)과 함께 롤러들(606)을 통해 강화 재료(602)를 공급함으로써 형성된다. 4개의 초음파 송신기들(610)이 롤러들 다음에 포지셔닝되고, 프리프레그 시트와 대면하는 프리프레그의 하나의 측면에 이격된 간격들에서 프리프레그의 폭에 평행하게 배열된다. 4개의 초음파 수신기들(608)이, 수신기들에 대해 반대의 포지션들에서, 수신기들에 대해 프리프레그의 반대의 측면 상에 포지셔닝된다. 초음파 신호는 초음파 송신기들(610) 각각에 의해 생성되며, 프리프레그를 통해 송신되고 수신기들(608)에 의해 수신된다. 초음파 수신기들(608)의 출력은 아날로그 투 디지털(analogue to digital) 변환기(620)를 이용하여 디지털 신호로 변환되고, 데이터 포작 시스템(622)에 의해 수신된다. 그 후, 신호 프로세싱 유닛(624)은 원래의 송신된 신호에 대응하는 참조 신호와 수신된 신호를 비교한다. 송신된 신호의 변경은, 실시간으로 디스플레이될 수 있는, 강화 재료의 수지 함침을 제공하기 위해 프리프레그의 함침 레벨에 연관된다. 데이터는, 강화 재료 내로의 수지의 균일한 함침을 보장하기 위해, 미리결정된 값들과 비교되고 폐쇄 루프 제어를 이용하여 제조 프로세스의 파라미터(예를 들어, 롤러의 힘)를 조정하기 위하여 사용된다. 또한, 수지 두께 데이터는, 수지 두께 데이터가 프리프레그의 대응하는 뱃치(batch)와 연관하도록 기록된다. 또한, 이러한 시스템은, 예를 들어, 필름 롤 또는 섬유 크릴(creel)의 변경에 후속하여 발생하는 에러들 및 수지의 변동을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 그러한 방법에 의해 제어되는 바와 같은 수지 함침 프로세스 및 수지 함친된 재료들을 제어하는 방법이 제공된다. 또한, 방법은, 수지 함침 재료들, 및 특히 섬유성의 강화 재료 및 수지 재료를 포함하는 복합 재료들에서 수지 함침 레벨을 결정하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 방식에서, 수지 함침 재료들의 품질이 측정될 수 있다.
Claims (25)
- 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법으로서,
상기 시트 재료와 상호작용하도록 음향(acoustic) 또는 전자기 신호를 인가하는 단계 ― 상호작용은 인가된 신호를 변경함 ― ;
변경된 신호를 검출하는 단계;
상기 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 상기 변경된 신호 또는 상기 변경된 신호로부터 도출된 데이터를 비교하는 단계; 및
상기 프로세스의 적어도 하나의 단계를 변경하는 단계 ― 상기 변경된 신호에 관련된 데이터는 상기 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터를 향해 변경됨 ― 를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 인가된 신호는 초음파 신호 형태의 음향 신호를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 프로세스는 지속적인 프로세스인, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멀티컴포넌트 시트 재료는, 래미네이트 및 미리-함침된(pre-impregnated) 섬유 강화 구조로부터 선택되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 래미네이트 및 상기 미리-함침된 섬유 강화 구조는, 함침 단계를 포함하는 프로세스에서 생성되며,
상기 함침 단계는,
강화 재료와 수지를 접촉시키는 단계; 및
압착(compacting) 단계, 래미네이션 단계, 통합 단계 및 경화(curing) 단계로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 추가적인 단계들을 포함하고,
상기 프로세스의 적어도 하나의 단계는, 상기 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 상기 검출된 신호의 비교에 응답하여 프로세스 동안 변경되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세스의 상기 적어도 하나의 단계는 프로세스 동안 지속적으로 변경되고, 그에 의해 인-라인(in-line) 피드백 제어를 제공하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세스는,
지속적인 프로세스이고,
강화 재료와 애플리케이터(applicator)로부터 분배된 수지를 접촉시키는 단계; 및
압축 롤러들 사이로 재료를 통과시키는 단계 ― 상기 검출된 신호에 응답하여 변경된, 상기 프로세스의 적어도 하나의 단계는 상기 롤러들의 압축, 수지 애플리케이터와 강화 재료 사이의 거리, 수지의 온도, 수지의 유량(flow rate), 및 프로세스의 라인 속도로부터 선택됨 ― 를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호는 상기 시트의 두께를 통해 송신되고, 상기 시트의 제 1 파라미터를 결정하기 위해 측정되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 시트의 상기 두께를 통한 상기 신호의 송신은, 상기 시트의 제 1 및 제 2 파라미터를 결정하기 위해 측정되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 파라미터 및 제 2 파라미터는, 상기 시트의 함침의 레벨 및 상기 시트의 상기 두께로부터 선택되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세스의 상기 라인 속도는, 미리-결정된 시트의 함침의 레벨 및/또는 상기 시트의 두께와 연관성이 있는 상기 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 상기 검출된 신호로부터 도출된 데이터의 비교에 응답하여 변경되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호는 상기 시트 재료와 상호작용하며,
상기 시트를 통한 신호의 송신, 상기 검출된 신호의 속도 및 상기 시트를 통한 신호의 송신 시간으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 파라미터들이 검출되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시트의 2개 또는 그 초과의 원하는 미리-결정된 파라미터들과 상기 검출된 신호를 연관시키는 단계를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법. - 래미네이트 및 미리-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료를 생성하는 방법으로서,
상기 시트 재료는, 청구항 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 상기 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어함으로써, 상기 멀티컴포넌트 시트 재료 전체에 걸쳐 원하는 미리-결정된 파라미터로부터 10% 미만으로 벗어난 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는, 래미네이트 및 미리-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료를 생성하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 원하는 미리-결정된 파라미터는, 강화 재료의 함침 레벨 및 상기 시트의 두께로부터 선택되는, 래미네이트 및 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료를 생성하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 함침 레벨은, 상기 시트 재료 전체에 걸쳐 상기 원하는 미리-결정된 함침 레벨로부터 10% 미만으로 벗어나는, 래미네이트 및 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료를 생성하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 시트의 두께는, 상기 시트 재료 전체에 걸쳐 상기 원하는 미리-결정된 시트의 두께로부터 10% 미만으로 벗어나는, 래미네이트 및 미리-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료를 생성하는 방법. - 품질-증명된(quality-verified) 사전-함침된 섬유 강화 구조로서,
오프-라인 품질 제어 분석을 겪지 않은 청구항 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제어된 프로세스에 의하여 획득된, 래미네이트 및 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤(roll)을 포함하는, 품질-증명된(quality-verified) 사전-함침된 섬유 강화 구조. - 제 18 항에 있어서,
상기 구조는 워터 픽-업(water pick-up) 테스트를 겪지 않은, 품질-증명된(quality-verified) 사전-함침된 섬유 강화 구조. - 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법에서 사용하기 위한 측정 신호 장치를 조정하는 방법으로서,
상기 멀티컴포넌트 시트 재료 생성 동안, 상기 시트 재료와 상호작용하는 초음파 신호를 인가하여 상기 멀티컴포넌트 시트 재료를 제조하는 단계;
상기 시트 재료와의 상호작용 후의 측정 신호를 검출하는 단계;
워터 픽-업 방법에 의해 상기 시트 재료의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 분석하는 단계; 및
상기 시트 재료의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 이용하여, 검출된 측정 신호 결과들을 조정하기 위하여, 상기 워터 픽-업 방법의 결과들과 검출된 측정 신호들을 연관시키는 단계를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하는 방법에서 사용하기 위한 측정 신호 장치를 조정하는 방법. - 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하기 위한 프로세스 제어기로서,
상기 프로세스는,
강화 재료와 애플리케이터로부터 분배된 수지를 접촉시키는 단계;
상기 재료를 압축 롤러(roller)들 사이로 통과시키는 단계;
상기 시트 재료와 상호작용하는 초음파 신호를 인가하는 단계 ― 상호작용은 초음파 신호를 변경함 ―;
변경된 초음파 신호를 검출하는 단계;
미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 상기 변경된 초음파 신호 또는 상기 변경된 초음파 신호로부터 도출된 데이터를 비교하는 단계; 및
상기 프로세서의 적어도 하나의 단계를 변경하는 단계를 포함하고,
상기 제어기는,
i) 상기 압축 롤러들에 의해 가해진 힘의 레벨, 수지 애플리케이터와 강화 재료 사이의 거리, 수지의 온도, 수지의 유량, 및 상기 프로세스의 라인 속도로부터 선택된, 상기 프로세스에서의 하나 또는 그 초과의 파라미터들을 제어하기 위한 프로세스 파라미터 제어기;
ii) 상기 원하는 미리-결정된 파라미터에 관련된 데이터와 검출된 초음파 신호 또는 상기 검출된 초음파 신호로부터 도출된 데이터를 비교하기 위한 콤퍼레이터(comparator);
iii) 상기 콤퍼레이터로부터 데이터를 수신하고, 상기 프로세스에서의 파라미터들 중 적어도 하나를 변경하기 위해 상기 프로세스 파라미터에 신호를 제공하기 위한 파라미터 변경자 ― 상기 파라미터 변경자에 의해, 미리-결정된 파라미터의 실제 값이 미리-결정된 파라미터의 원하는 값에 접근함 ― 를 포함하는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하기 위한 프로세스 제어기. - 제 21 항에 있어서,
상기 프로세스의 상기 라인 속도는 측정된 초음파 신호에 응답하여 제어되는, 원하는 미리-결정된 파라미터를 갖는 멀티컴포넌트 시트 재료의 제조를 위한 프로세스를 제어하기 위한 프로세스 제어기. - 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤을 생성하기 위한 생성 라인으로서,
강화 재료와 수지를 접촉시키기 위한 함침 장치;
압착 장치, 래미네이션 장치, 통합 장치 및 경화 장치로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 추가적인 장치;
상기 시트에 초음파를 인가하고 초음파 신호를 검출하도록 구성된 초음파 장치;
청구항 제 21 항 또는 제 22 항에 따른 프로세스 제어기를 포함하는, 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤을 생성하기 위한 생성 라인 - 사전-함침된 섬유 강화 구조로서,
래미네이트 및 상기 사전-함침된 섬유 강화 구조로부터 선택된 멀티컴포넌트 시트 재료의 롤을 포함하며,
상기 멀티 컴포넌트 시트 재료의 적어도 하나의 파라미터는, 상기 멀티컴포넌트 시트 재료의 생성 동안 수행된 초음파 측정들로부터 획득되는 데이터에 응답하여, 롤의 생성 동안 변경되는, 사전-함침된 섬유 강화 구조. - 제 24 항에 있어서,
상기 멀티컴포넌트 시트 재료의 적어도 하나의 파라미터는 청구항 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에서 주장된 바와 같은 프로세스에서 변경되는, 사전-함침된 섬유 강화 구조.
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