KR20150001617A - 동체 맨드릴 인서트와 이를 이용한 복합재 구조물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

맨드릴 주위에 복합재 구조물의 형성에 사용하기 위한 장치. 대체로 유연한 공압공구와 대체로 강성있는 인서트가 맨드릴의 캐비티에 단부 대 단부로 삽입된 다. 인서트의 제1단부는 공압공구에 인접하여 캐비티에 위치되고 또 이들 사이에 경계면을 형성한다. 인서트의 제1단부에 인접하여 리테이너가 인서트에 연결된다. 리테이너는 공압공구의 단부의 일부 위로 또 경계면을 가로 질러 인서트의 제1단부로부터 바깥으로 연장하는 단부를 갖는다. 인서트, 리테이너 및 공압공구의 최상부 표면은 서로 대체로 같은 높이이고, 복합재 구조물의 형성에서 맨드릴 주위에 복합재 재료가 감겨짐에 따라 그러한 최상부 표면 위로 매끈한 표면이 형성되는 것을 용이하게 한다.

Description

동체 맨드릴 인서트와 이를 이용한 복합재 구조물의 제조방법{FUSELAGE MANDREL INSERT AND METHOD}

본 발명은 동체 맨드릴 인서트와 이를 이용한 복합재 구조물의 제조방법에 관한 것이다.

구성부품의 제조에서, 더 상세하게는 복합재 재료가 맨드릴 주위에 배치되는 복합재 구성부품에서 공차(tolerance)의 유지가 요구될 수 있다. 특히, 연신된 (elongated) 복합재 구성부품의 형성에서, 연신된 복합재 구성부품의 길이 및/또는 단면을 따라 특정한 평탄도(flatness) 공차를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 후속적으로 비행기 동체섹션을 형성하기 위하여 말단끼리 서로 결합되는 연신된 동체섹션의 제조에서, 길이방향으로 연장하는 내부 구조부재 또는 스트링거 사이에 위치된 홈통부(trough)에 특정한 평탄도 공차를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 홈통부는, 몇몇 예에서, 맞닿는 동체섹션 사이의 경계면을 연결하는 역할을 하고 또 그러한 섹션을 서로 결합하는 역할을 하는 스플라이스(splice) 부재를 수용할 수 있다. 맨드릴 상에서 동체섹션을 형성하는 동안에 원하는 평탄도가 유지되지 않는다면, 인접한 동체섹션을 서로 결합하는 데에 재작업, 쉬밍작업 (shimming)등이 요구될 수 있다.

예컨대, 어떤 복합재 동체는 맨드릴의 길이따라 뻗은 홈통부를 갖는 맨드릴을 사용하여 제작될 수 있다. 홈통부의 길이는 팽창가능한 공압공구 또는 블래더 (bladder)로 채워질 수 있다. 블래더는 유연성이 있고, 단단한 공구표면은 아니다. 따라서 맨드릴 상에서 복합재 재료의 레이업 동안에 섬유 배치기계가 블래더의 표면에 적용하중을 압축적으로 인가함에 따라 블래더는 눌려질 수 있다. 이는 완성된 복합재 구조물에서 파상 형태(waviness)의 표면으로 될 수 있다. 특히, 이는 홈통부에서 평탄도 공차를 맞추지 못하는 내부 몰드라인(nold line)을 동체섹션의 단부에 포함할 수 있다. 그러한 경우, 평탄도 공차를 유지 또는 수용하기 위하여 동체섹션의 단부에 후속적인 사후 경화작업이 요구될 수 있다.

맨드릴 상에서 동체섹션과 다른 연신된 및/또는 복합재 구성부품의 형성에 대한 통상적인 그리고 전통적인 접근방식의 추가적인 제한 및 불리함은, 본 개시에서 제시된 교시 및 실시예와 그러한 시스템의 비교를 통하여 당업자에게 명확하게 될 것이다.

상기에서 논의된 문제뿐만 아니라 다른 잠재적인 문제를 다룬 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

맨드릴 상에서 동체섹션과 다른 연신된 및/또는 복합재 구성부품의 제조에서 평탄도 공차의 유지를 용이하게 하기 위한 방법 및 장치를 구비하는 것이 유리할 것이다.

따라서 실질적으로 적어도 하나의 도면과 관련하여 도시된 및/또는 기재된 바와 같은, 그리고 특허청구의 범위에 더 완전하게 제시된 바와 같은 그러한 평탄도 공차를 용이하게 하기 위한 방법 및 장치가 개시된다.

본 개시의 예는 일반적으로 맨드릴을 사용하여 복합재 구조물을 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한다. 하나의 예시적인 구현예에서, 연신된 복합재 구조물의 형성에서 사용된 맨드릴의 캐비티(cavity)의 유연한(flexible) 연신된 공압공구와 관련하여 사용하기 위해 장치가 개시되는 데, 공압공구는 복합재 재료가 배치된, 최상부 표면을 갖는 단부(end)를 형성하고, 맨드릴 또한 단부를 형성한다. 장치는 제1단부와 이 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖춘 인서트를 포함하고, 인서트는 일반적으로 강성이 있다. 제1단부는 캐비티에 그리고 공압공구에 인접하여 또 이들 사이에 경계면을 형성하기 위하여 배치되도록 구성된다. 인서트의 제1단부에 인접하여 인서트에 연결된 제1단부를 갖는 연신된 리테이너(retainer)가 구비되고, 그리고 리테이너는 공압공구의 단부의 일부 위로 또 경계면을 가로 질러 인서트의 제1단부로부터 바깥으로 길이방향으로 연장하고 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖는다.

그러한 예시적인 구현예는 적용된 복합재 재료와 맨드릴 공구의 열적 성질과 적합한 재료, 인바(Invar)와 같은 니켈-철 합금일 수 있는 재료로 구성된 리테이너를 포함할 수 있다. 리테이너는 최상부 표면과 이 최상부 표면에 대체로 대향하는 제2표면을 형성할 수 있고, 리테이너의 제2단부는 말단부(extreme end)를 가지며 리테이너의 제2표면은 리테이너의 제2단부의 말단부를 향하여 위쪽으로 경사진다.

예시적인 구현예에서, 인서트는 복합재 재료 및/또는 맨드릴과 실질적으로 동일한 재료로 구성될 수 있고, 인서트의 제2단부는 맨드릴의 단부에 실질적으로 인접하여 위치될 수 있으며, 인서트의 제1단부는 맨드릴의 단부로부터 실질적으로 말단이다. 또한, 인서트는 최상부 표면과 하부 표면을 형성할 수 있고, 인서트의 최상부 표면은 리테이너를 수용하는 오목부를 형성할 수 있어서, 오목부에 인접한 인서트의 최상부 표면은 리테이너의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이다.

다른 예시적인 구현예에서, 공압공구를 채용한 맨드릴을 사용하여 연신된 복합재 구조물을 형성하는 방법이 개시되고, 방법은 연신된 공압공구 및 대체로 강성있는 연신된 인서트를 제공하는 단계를 포함하되, 공압공구는 대체로 유연하고, 인서트는 자신으로부터 연장하는 외팔지지된 리테이너를 갖는 제1단부를 갖춘다. 방법은 공압공구를 맨드릴 캐비티로 삽입하는 단계; 인서트의 제1단부가 공압공구의 단부에 인접하고 또 리테이너가 공압공구의 단부 위로 연장하도록 리테이너를 맨드릴 캐비티로 삽입하는 단계; 및 복합재 구조물을 형성하기 위하여 복합재 재료를 맨드릴, 공압공구 및 리테이너에 적용하는 단계; 를 더 포함한다.

방법은 복합재 재료를 공압공구에 또는 주위에 적용한 후, 이에 적용된 복합재 재료를 압축하기 위하여 공압공구를 팽창하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 방법은 공압공구 및 인서트에 복합재료를 적용한 후, 맨드릴 캐비티로부터 공압공구와 인서트를 길이방향으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 맨드릴의 단부에 인접하여 인서트의 제2단부를 위치시키는 단계를 포함하여 맨드릴 캐비티로 리테이너를 삽입하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 또, 방법은 복합재 재료를 공압공구에 적용한 후, 복합재 재료를 경화하는 단계를 포함할 수 있고, 이는 하나의 예에서 오토클레이브(도시 안 됨)의 사용을 통해서 할 수 있다.

또 다른 예시적인 구현예에서, 캐비티를 형성하는 연신된 맨드릴과 이 캐비티에 삽입되는 적어도 하나의 유연한 연신된 공압공구를 갖는, 연신된 복합재 구조물을 형성하기 위한 장치가 개시된다. 공압공구는 대체로 유연하고, 적어도 하나의 연신된 인서트가 캐비티에 삽입되며, 인서트는 대체로 강성이 있다. 인서트는 제1단부와 이 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖고 또 공압공구에 인접하여 캐비티에 위치하도록 그리고 이들 사이에 경계면을 형성하기 위하여 구성된다. 인서트의 제1단부에 인접하여 인서트에 연결된 제1단부를 갖는 연신된 리테이너가 구비되고, 리테이너는 공압공구의 단부의 일부 위로 그리고 경계면을 가로 질러 인서트의 제1단부로부터 바깥으로 길이방향으로 연장하는 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖는다.

그러한 장치는 경사진 상부 표면부위와 이 경사진 상부 표면부위에 대체로 인접한 최상부 부위를 형성하는 공압공구의 단부를 포함할 수 있고, 리테이너는 최상부 표면과 이 최상부 표면에 대체로 대향하는 제2표면을 형성한다. 리테이너의 제2단부는 말단부를 갖고, 리테이너의 제2표면은 리테이너의 제2단부의 말단부를 향하여 위쪽으로 경사지며, 리테이너의 제2표면은 공압공구의 경사진 최상부 표면부위에 인접하여 연장한다.

장치는 최상부 표면과 하부표면을 형성하는 인서트를 더 포함할 수 있고, 인서트의 최상부 표면은 리테이너를 수용하는 오목부를 형성하며 그리고 이 오목부에 에 인접한 인서트의 최상부 표면은 리테이너의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이고, 또 리테이너의 최상부 표면은 공압공구의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이다.

또한, 장치는 공압공구의 단부가, 경사진 상부 표면부위와 이 경사진 상부 표면부위에 대체로 인접한 최상부 부위를 형성하는 조합을 포함할 수 있고, 리테이너는 최상부 표면과 이 최상부 표면에 대체로 대향하는 제2표면을 형성한다. 리테이너의 제2단부는 말단부를 가질 수 있고, 리테이너의 제2표면은 리테이너의 제2단부의 말단부를 향하여 위쪽으로 경사지며, 리테이너의 제2표면은 공압공구의 경사진 최상부 표면부위에 인접하여 연장한다. 인서트는 최상부 표면과 하부표면을 형성할 수 있고, 인서트의 최상부 표면은 리테이너를 수용하는 오목부를 형성하며, 그리고 이 오목부에 인접한 인서트의 최상부 표면은 리테이너의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이고, 또 리테이너의 최상부 표면은 공압공구의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이다.

본 개시의 실시예는 일반적으로 맨드릴 주위에 구조물의 형성과 관련하여 사용하기 위한 구성 및 방법에 관한다. 일반적으로, 예시적인 구현예에서, 맨드릴 주위에 복합재 구성부품을 형성하기 위해 사용하기 위한 장치가 개시된다.

개시의 다른 예시적인 관점에서, 하나 이상의 공압공구 부재와 협동하여 작용하는 대체로 강성있는 연신된 인서트를 갖는 맨드릴 주위에 복합재 구성부품의 형성을 위한 방법 및 장치가 제공된다.

본 개시의 예시적인 구현예는 맨드릴 내에서 대응되게 형성된 공구 몰드 캐비티 내에, 공압공구 구성부품, 또는 블래더를 위치 및 보유지지하기 위한 방법과 구성을 제공할 수 있다. 또한, 그러한 방법과 구성은 인접한 공구표면에 대하여 몰드라인 높이의 정렬을 허용할 수 있고 또 그리하여 정렬의 필요성 및 아마도 그러한 정렬을 유지하기 위하여 경계 쉬밍작업의 사용을 감소할 수 있다.

더 상세하게는, 예시적인 구현예의 방법과 구성은 관련된 맨드릴 캐비티의 프로파일에 적합한 또는 적합할 수 있는 베이스 복합재 인서트 또는 플러그를 제공할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 베이스 맨드릴의 열적 기계적인 성질과 부합하는 인바(Invar)와 같은 재료로 구성될 수 있는 리테이너는 인서트 상에 제공된다. 예시적인 구현예에서 인서트는 맨드릴의 재료에 대체로 부합하는 또는 가까운 재료로 형성될 수 있고, 그리고 복합재 재료의 맨드릴의 경우에 인서트는 마찬가지로 맨드릴과 같은 유사한 복합재 재료로 만들어 질 수 있어서, 인서트와 맨드릴의 열팽창 발달이 서로 부합하거나 비슷하다.

예시적인 구현예에서, 상술한 바와 같이, 리테이너는 인서트의 단부를 지나 연장하도록 위치된다. 리테이너의 연장된 단부는 미리 정해진 방식으로 경사져서, 조립체에서 경사진 연장된 단부 아래로 미끄러질 때, 조립된 공압공구 구성부품 또는 공압공구가 인서트와 공압공구 사이의 틈새를 연결하고 또 공압공구를 맨드릴 캐비티 내의 위치에 고정하도록 된다. 또한, 인서트의 사용 결과로서, 구성은 하나의 구현예에서 항공기 동체섹션일 수 있는 복합재 적층체 조립체 또는 구조물의 제작 동안에 맨드릴 표면 주위에 섬유 배치를 위하여 대체로 강성있는 연신된 인서트의 정상부에 비틀리지 않는 초기 시작표면을 제공할 수 있다.

인서트는 연신된 복합재 구조물의 연신된 지지부재 또는 스트링거의 형성 동안에 맨드릴 캐비티 내로 도입될 수 있다. 하나의 구현예에서, 복합재 구조물을 형성한 후, 복합재 구조물에 형성된 홈통부로부터 공압공구가 길이방향으로 인출될 수 있다. 인서트는 맨드릴 상에서 복합재 재료의 제작 이전에 공압공구의 단부에 인접하여 배치될 수 있다. 이러한 방식으로의 인서트의 사용은 더욱 안정된 공구표면 및 비교적 매끈한 몰드라인 높이로 이어질 수 있다. 이는 오토클레이브 또는 다른 경화 환경에서 연신된 복합재 구조물의 경화 후, 홈통부 또는 다른 작용을 받은 영역의 경화 후작업을 감소하거나 제거할 수도 있고, 잠재적으로 생산속도의 향상 및 보조 쉬밍작업이 없이 동체섹션과 같은 인접한 복합재 구조물의 조립을 허용한다.

여기서 논의된 특징, 기능 및 이점은 다양한 실시예에서 독립적으로 달성되거나 개시의 다른 예시적인 관점에서 조합될 수 있고, 이에 대한 추가적인 상세내용은 이하의 기재 및 도면을 참조하여 알 수 있다.

개시의 예시적인 관점을 일반적인 용어로 기재하면서, 이제 첨부 도면에 참조가 이루어 질 것이고, 이들 도면은 반드시 축척으로 작도되지 않는다:
도 1은 맨드릴을 사용하여 형성되고 서로 결합된 2개의 예시적인 동체섹션의 측면도를 도시한다;
도 2는 도 1의 선 2-2를 따른 단면도이다;
도 3은 도 1의 선 3-3을 따른 단면도이다;
도 4는 동체섹션, 그러나 이에 한정되지 않는, 연신된 복합재 구성부품을 제조하기 위하여 그 주위로 복합재 재료가 감기는 예시적인 맨드릴을 도시한다;
도 5는 도 4에 도시된 공정 시스템을 위치시키기 위한 예시적인 장치를 단면도로 도시한다;
도 6은 본 개시의 예시적인 구현예, 즉 공압공구 또는 블래더와 공동으로 사용하기 위하여 리테이너를 갖는 맨드릴 인서트 또는 플러그를 도시한다;
도 7은 도 5에 도시된 예시적인 맨드릴의 인서트를 사시도로 도시한다;
도 8은 도 5에 도시된 예시적인 맨드릴의 인서트를 사시도로 도시한다;
도 9는 도 5에 도시된 예시적인 맨드릴의 인서트를 저면도로 도시한다;
도 10은 항공기 제작 및 서비스 방법론의 플로우다이어그램이다; 및
도 11은 항공기의 블럭 다이어그램이다.

본 개시의 실시예는 이제 개시의 몇몇 그러나 모든 실시예가 도시되지는 않은 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더욱 충분하게 기재될 것이다. 사실상, 개시의 다양한 예시적인 관점은 많은 다른 형태로 구현될 수 있고 여기에 제시된 실시예에 한정되는 것으로 추론되어서는 안된다. 오히려 이러한 실시예는 이러한 개시가 철저하고 완전하며 또 당업자에게 개시의 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 같은 참조번호는 시종일관 같은 부재를 나타낸다.

여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"은 "및/또는"에 의해 결합된 리스트에서 임의의 하나 이상의 항목을 의미한다. 예로서, "x 및/또는 y"는 3개 부재 세트 {(x), (y), (z)}의 임의의 부재를 의미한다. 다른 예로서, "x, y 및/또는 z"는 7개 세트{(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)}의 임의의 부재를 의미한다. 또한, 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "예시적인"은 비한정적인 실시예, 예 또는 설명을 의미한다. 또, 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "예컨대" 는 하나 이상의 비한정적인 실시예, 예 또는 설명을 도입한다.

이하에서 논의 되듯이, 본 개시의 실시예는 공압 공구부재와 협동하여 작용하는 대체로 강성있는 연신된 인서트를 갖는 맨드릴 주위에 복합재 구성부품을 형성하기 위해 제공된 방법 및 장치를 포함한다.

일반적으로, 여기에 기재된 주제는 연신된 복합재 구조물을 형성하기 위하여 사용된 맨드릴을 위한 인서트, 더욱 상세하게는 공압 공구부재와 공동으로 사용하기 위한 인서트의 사용에 관한 것이다. 예시적인 구현예에서 인서트 구성부품은 맨드릴을 구성하는 재료에 가깝거나 부합하기 위하여 복합재 또는 다른 재료와 같은 재료로 만들어져서, 맨드릴과 이 위에서 형성된 구성부품이 오토클레이브 또 다른 고온 환경에 위치될 때 인서트가 성장하면, 인접한 맨드릴 표면과 거의 같은 속도로 성장할 수 있다. 맨드릴 자체는, 복합재 재료로 만들어질 수 있다. 리테이너는 인서트에 직접 부착되고, 인서트와 인접한 공압 공구부재 및 맨드릴 표면 사이의 경계면을 연장하는 대체로 연속적인 표면을 제공한다. 이와 같이, 여기에 기재된 인서트와 리테이너의 사용은 동체섹션의 형성 동안에 편평도 공차를 유지하는 것을 용이하게 하고 또 그렇지 않으면 요구될 수 있는 재작업, 쉬밍작업 등을 감소할 수 있어서, 잠재적으로 지체, 생산중단, 비용 및/또 인력 요구조건을 감소한다.

본 개시의 하나의 예시적인 구현예에 관하여, 도 1을 참조하면, 항공기 동체섹션(150, 152)과 같은 연신된(elongated) 복합재 구조물이 경계면(154)에서 맞대기 관계로 서로 부착되어 도시된다. 연신된 복합재 구조물이 여기서는 항공기 동체섹션으로 도시되지만, 그러한 구조물은 상업, 산업, 정부 및/또는 국방 등의 분야에서 사용될 수 있는 그러한 것이 될 수 있고, 더욱 상세하게는 자동차, 해상, 해저, 우주, 열차, 지하철, 유희기구, 엘리베이터, 빌딩건축, 차량, 장비, 미사일, 건축물, 무인비행기(drone) 및/또는 재봉기 등의 적용예에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.

도 2와 3은 경계면(154)의 도 1의 동체섹션(150, 152)의 선 2-2, 3-3의 단면도를 도시한다. 특히, 도 2는 동체섹션(152)의 횡단면도이고 또 외부표면(158)과 내부표면(160)을 갖는 동체섹션(152)의 외벽 또는 외피(156)를 개략적으로 도시한다. 일반적으로 길이방향으로 연장하는 부재 또는 스트링거(162)가 도시되고 이들 사이에 삽입된 일반적으로 길이방향으로 연장하는 홈통부(164)가 도시된다. 예시적인 구현예에서, 인접한 동체섹션(150, 152)을 서로 연결하는데 사용된 스플라이스 스트랩(166)(도 3)이 홈통부(164) 내에 갖춰지고 그리고 스플라이스 스트랩 (166)의 정상부(top)에 갖춰진 것은 연신된 스플라이스(168)이며, 이는 경계면 (154)를 연결하고 또 동체섹션(150, 152) 사이의 하중을 부담하고 전송하는 구조부재로서 역할을 한다.

도 3은 동체섹션(150, 152)사이의 경계면(154)에 인접한 홈통부(164)의 종단면도이다. 스플라이스(168)는 경계면(154)에 걸치고 스플라이스 스트랩(166)에 버티는 것으로 도시되며, 또한 경계면(154)을 가로 질러 확대된다. 스플라이스(168)의 각 단부에 위치된 것은 각 동체섹션(150, 152)의 홈통부(164)에 갖춰진 필러 스트립(170)이다. 만일 내부표면(160)이 평탄도 공차 내에 들지 않으면, 동체섹션 (150, 152)을 서로 적절히 결합하기 위하여 필러 스트립(170), 스플라이스 스트랩 (166) 및 스플라이스(168)가 공차 내에 있도록 하기 위하여 쉼(shim: 도시안 됨) 및/또는 재작업이 필요할 수 있다. 비록 필러 스트립(170), 스플라이스 스트랩 (166) 및 스플라이스(168) 구성의 단지 하나의 조합이 도시되지만, 필요하다면 또는 달리 원한다면 경계면(154)에서 동체섹션(150, 152)의 둘레 주위에 복수의 그러한 조합이 배치될 수 있다.

도 4는 일반적으로 맨드릴(200)을 도시하는데, 이 맨드릴(200)의 표면(202)주위에, 동체섹션(152)의 벽(156)과 같은 복합재 재료를 배치함으로로써 연신된 복합재 구조물이 형성될 수 있다. 맨드릴(200)은 제1단부(204)와 이 제1단부(204)에 대향하는 제2단부(206)를 포함한다. 예시적인 구현예에서, 맨드릴(200)은 임의의 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있지만, 복합재 재료로 만들어질 수도 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 맨드릴(200)의 최상부 표면(202)상에서 원주 주위에 복합재 재료를 배치하기 전에, 적어도 하나의 캐비티(210)는 팽창가능한 적어도 하나의 대체로 유연한 연신된 공압공구 또는 블래더(212)가 구비된다. 맨드릴(200)에 리브(211)가 또한 구비된다. 유연한 연신된 공압공구 또는 블래더(212)가 길이방향으로 연장하는 맨드릴 캐비티(210)에 구비되는데, 연신된 복합재 구조물이 형성된 후 그리고 예시적인 구현예에서 복합재 구조물의 경화 후에, 유연한 연신된 공압공구 또는 블래더(212)는 캐비티(210)로부터 길이방향으로 제거될 수 있도록 된다. 블래더(212)는 도 5에서 화살표(213)로 도시된 바와 같이, 오른쪽을 향한 방향으로 블래더(212)를 당김으로써 캐비티(210)로부터 당겨지거나 아니면 인출된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 예시적인 구현예에서, 블래더(212)는 대체로 수평한 최상부의 정상부 표면(218)에서 끝나는 대체로 경사진 정상부 표면부위(217)를 갖는 대체로 수직인 단부(216)를 포함한다. 맨드릴(200)의 표면(202)주위에 복합재 재료를 배치하는 동안에, 블래더(212)의 정상부 표면(218)은, 이 정상부 표면(218)이 맨드릴(200)의 표면(202a, 202b)과 대체로 같은 높이로 유지되고, 또 실질적으로 동일한 높이에 존재하도록 하는 방식으로 팽창된다(도 5).

도 6-9는 본 개시의 예시적인 구현예에 따른 대체로 강성있는 연신된 인서트(250)를 도시한다. 인서트(250)는 블래더(212)에 인접한 연신된 캐비티(21))에 부합하고 도 수용되도록 구성된 연신된 부재이다. 특히, 인서트(250)는 맨드릴 (200)상에서 형성된 연신된 복합재 구조물 또는 동체섹션의 적어도 하나의 단부의 말단부에 존재하도록, 맨드릴(200)의 단부에서 맨드릴 캐비티(210)에 인서트(250)가 배치된다. 따라서 인서트는 그 위의 정상부에 배치된 복합재 재료가, 결국 스플라이스 스트랩(166)과 스플라이스(168)이 삽입될 동체섹션의 위치, 즉 공차내 (in-tolerance) 평탄도가 바람직한 표면부위의 내부표면(160)(도 3)이 되도록 위치된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인서트(250)는 제1단부(252)와 이 제1단부(252)에 대향하는 제2단부를 포함한다. 인서트(250)는 길이방향으로 연장하는 제1측면(256)과 제1측면(256)에 대체로 대향하는 길이방향으로 연장하는 제2측면(258)(도 7)을 포함한다. 인서트(250)는 또한 길이방향으로 연장하는 평탄한 최상부 표면(257)(도 9)를 포함한다. 제1단부(252)는, 인서트(250)가 캐비티(210)에 삽입될 때, 폐쇄 또는 맞대기 관계로 블래더(212)의 대체로 수직인 단부(216)(도 6)에 인접한 대체로 수직인 표면부위(262)를 갖는다. 도 7에 도시된 바와 같이, 인서트(250)의 제2단부(264)는 노우즈 부위(254)로 아래쪽으로 경사져 있다. 제1단부(252)에서 인서트(250)의 최상부 표면은 리테이너(270)를 수용하는 오목부(266)(도 6)를 포함한 다.

리테이너(270)는 인서트(250)의 정상부 표면(257)과 같은 높이인 대체로 평탄한 정상부 또는 최상부 표면(272)과, 인서트(250)의 오목부(266)에 안착하는 비교적 평탄한 부위(276)을 갖는 하부표면(274)을 갖는다. 리테이너(270)는, 이 리테이너(270)의 말단부(280)에서 끝나는 표면(276)으로부터 연장하는 경사진 표면 (278)을 갖는다. 리테이너(270)는 스크류, 볼트, 핀 등일 수 있는 파스너(284)를 사용하여 인서트(250)에 제거가능하게 부착될 수 있다. 리테이너(270)를 제거할 수 있도록 한 것은, 필요하다면 그의 관리 및 교체를 가능하게 한다. 도 8과 9는 다른 각도로부터 인서트(250)와 리테이너(270)의 전체 길이의 도면을 제공한다.

인서트(250)와 블래더(212)가 단부 대 단부 관계로 캐비티(210)에 존재하고 또 이들 사이에 경계면을 형성하면, 리테이너(270)의 경사진 표면은 대체로 평행한 관계로 협동하는 블래더(212)의 경사진 정상부 표면부위(217) 위로 및 인접하여 연장한다. 리테이너(270)의 상부표면(272)은, 인서트(250)의 정상부 표면(257)으로부터 리테이너(270)의 정상부 표면(272)으로, 블래더(212)의 정상부 표면(218)으로 매끄러운 표면 변화를 제공하기 위하여 블래더(212)의 정상부 표면(218)과 대체로 같은 높이이다. 정상부 표면들의 이러한 매끈한 표면 변화는 정상부 표면 주위에 또 맨드릴 표면(202a, 202b)에 인접하여 복합재 재료의 매끈한 레이업을 가능하게 하고, 이에 따라 인접한 동체섹션(150, 152)을 결합하는 동안에 동체섹션(150, 152)의 내부표면(160)이 평탄도 공차를 만족하는 것을 용이하게 하고 그리고 결국은 재작업 및/또는 쉬밍작업을 최소화한다. 리테이너(270)의 다른 관점은 리테이너 (270)가 캐비티(211)의 폭을 완전히 걸쳐서 복합재 레이업 동안에 복합재 재료가 채워지고 그래서 융기부를 생성할 거의 아무런 틈새를 남기지 않는다.

인서트(250)는 제조 맨드릴로 개량 및/또는 설치될 수 있다. 일단 설치되면, 대체로 강성있는 인서트(250)는 비교적 단단한 공구표면으로 작용하고 또 열성장 (thermal growth)이 된 후 인접한 공구표면에 대하여 계획된 높이가 될 수 있다.

비록 많은 재료가 사용될 수 있지만, 인서트(250)는 복합재료일 수 있고, 또 맨드릴(200)과 동일 또는 유사한 열 성장율을 갖도록 구성된다. 리테이너(270)는 다수의 다른 재료로 만들어질 수 있고, 하나의 예에서 인바(Invar)일 수 있다. 하나의 예에서 Z방향(도면에 대하여 관찰자를 향하여 페이지로 들어가거나 나오는 방향)으로 열성장이 최소가 되도록 인서트(250)의 복합재 레이업 방위가 만들어진다.

맨드릴(200)상에서 복합재의 레이업 동안에, 복합재 재료는 블래더(212)의 정상부 표면(218)을 덮는다. 맨드릴과 그 위에서 동체섹션이 만들어지고 오토클레이브(도시 안 됨)에 배치되거나 아니면 경화되면, 블래더(212)는 팽창할 수 있고 또 특별한 홈통부 내에 복합재 재료를 압착하기 위하여 맨드릴(200)상에 감겨진 동체섹션의 재료를 압착할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 맨드릴 주위에 감겨지면, 감겨진 구조물의 외부 영역은 동체섹션의 외피가 될 수 있다. 감겨진 것의 내부 부위에 대하여, 스트링거와 같은 구조적인 구성부품이 바람직할 수 있다. 스트링거는, 특별한 적용예를 위하여 필요한 특수한 스트링/홈통부 구성의 수정을 허용하는 단단한 접촉표면 및 블래더를 매개하여 형성될 수 있다.

작동을 살펴보면, 적어도 하나의 블래더(212)가 맨드릴(200)의 캐비티(211)에 삽입되고, 인서트(250)도 동일한 캐비티에 삽입되어, 인서트의 단부가 블래더의 단부에 인접하고, 리테이너(270)는 경사진 상부표면(217)위로 연장하도록 된다. 동체섹션과 같은 성형할 복합재 구조물에 대하여 요구되는 미리 정해진 두께 및 구성으로 맨드릴의 표면 주위에 복합재 재료가 감겨진다. 일단 복합재가 충분히 제작되면, 맨드릴을 길이방향으로 빼낸다. 맨드릴 캐비티(210)의 블래더 및 인서트는 마침내 맨드릴(200)로부터 길이방향으로 제거된다.

예시적인 구현예에서, 블래더(212)는 맨드릴(200)의 단부(204, 206)전체로 연장하지 않는데, 복합재 재료의 레이업 동안에 블래더에 대한 복합재의 감김하중 (winding load)은 블래더 공구를 잠재적으로 변형되거나 및/또는 처지게 하기 때문이다. 그 결과, 블래더의 정상부에 성형될 복합재 재료가 평탄도 공차 내에서 매끈한 표면으로 되는 대신에, 그러한 표면은 대신에 평탄도 공차를 벗어난 파형 표면을 가질 수있다. 따라서 인접한 동체섹션이 서로 결합될 때, 서로 부착되도록 하기 위하여 동체섹션은 쉬밍작업 및/또는 재작업을 필요로 할 수 있다. 따라서 스플라이스를 수용하게될 동체섹션의 단부 부위에서, 단단하고 매끈한 공차표면이 요구된다. 따라서 인서트(250)는 바람직하기에는 동체섹션의 단부가 성형되는 맨드릴의 대응하는 부위에서 사용된다.

비록 단지 하나의 인서트(250)가 블래더(212)와 맨드릴(200)과 결합되는 것으로 도면에 도시되지만, 필요하다면 복수의 인서트(250)가 맨드릴(200)에 및/또는 하나 이상의 공압공구(212)와 결합되어 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.

본 개시의 실시예가 도 10에 개략적으로 도시된 일반적으로 참조번호 1000으로 표시된 항공기 제조 및 서비스 방법과 도 11에 개략적으로 도시된 참조번호 102로 도시된 항공기의 관점에서 기재될 수 있는데, 서비스 방법(100)과 항공기(102)의 구성은 그러한 도면에서 블럭 및/또는 모듈로 도시된다. 사전 생산공정 동안에, 예시적인 방법(100)은, 항공기(102)의 사양서 및 설계(104)와 재료 획득(106)을 포함할 수 있다. 생산공정 동안에, 항공기(102)의 구성부품 및 서브 조립체 제작 (108) 및 시스템 통합(110)이 이루어진다. 그 후, 항공기(102)는 서비스 운항(114)에 제공되도록 인증 및 인도(112)를 거칠 수 있다. 고객에 의한 서비스 운항 동안에, 항공기(102)는 정기적인 유지 및 보수(116)(수정, 개조, 개량 등을 포함할 수 있다)계획이 예정될 수 있다.

방법(100)의 공정들의 각각은, 시스템 통합자, 제3자 및/또는 운영자(예컨대, 고객)에 의하여 수행 또는 실행될 수 있다. 본 기재를 위하여, 시스템 통합자는 이에 한정됨이 없이 임의 숫자의 항공기 제조자 및 주요 시스템 하청업자들을 포함할 수 있고; 제3자는 이에 한정됨이 없이 임의 숫자의 판매자, 하청업자 및 공급자들을 포함할 수 있으며; 운영자는 항공사, 대여회사, 군대, 서비스 기구 등일 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 예시적인 방법(100)에 의하여 생산된 항공기(102)는, 복수의 시스템(120)들을 갖는 에어 프레임(118)과 내장(122)을 포함할 수 있다. 고도한 시스템(120)들의 예는, 하나 이상의 추진시스템(124), 전장시스템(126), 유압시스템(128) 및 환경시스템(130)을 포함한다. 임의 갯수의 다른 시스템들이 포함될 수 있다. 항공산업의 예가 도시되었지만, 개시된 실시예의 원리들은 자동차 산업과 같은 다른 산업들에도 적용될 수 있다.

여기에 구현된 장치와 방법은, 생산 및 서비스 방법(100)의 임의의 하나 이상의 단계 동안에 채용될 수 있다. 예컨대, 제조 단계(108)에 대응하는 부재, 구조물 및 구성요소들은, 항공기(102)가 서비스 운항 중인 동안에 생산된 부재, 구조물 및 구성요소들과 유사한 방식으로 제작 또는 제조될 수 있다. 또한, 하나 이상의 장치 실시예, 방법 실시예, 또는 이들의 조합이 제조 단계(108, 110)동안에, 예컨대 실질적으로 항공기(102)의 원가를 감소하거나 또는 그 조립을 촉진함으로써 이용될 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 장치 실시예, 방법 실시예, 또는 이들의 조합이, 항공기(102)가 서비스 운항중인 동안에, 예컨대 그리고 이에 한정됨이 없이, 유지 및 보수(116)를 위하여 이용될 수 있다.

본 개시는 항공기(102)의 제조와 서비스 방법(100) 및/또는 자동차부문, 항공부문, 중공업 부문, 해상 및 해저선박 부문 등과 같은 다른 제조 부문의 관점에서 적용가능하다.

인서트와 공압공구를 사용하기 위한 시스템 및 방법의 예시적인 구현예가 위에서 상세히 기재되었다. 시스템 및 방법은 여기에 기재된 특별한 구현예에 국한되지 않으나, 오히려 시스템의 구성부품 및/또는 방법의 단계는 여기에 기재된 구성부품 및/또는 방법으로부터 독립되게 그리고 별개로 사용될 수 있다. 개시된 치수범위는 이들 사이의 모든 하위 범위를 포함한다. 또한, 인서트, 리테이너 및 공압공구는 여기에 기재된 바와 같은 기능을 할 수 있는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 각 구성부품 및 각 방법의 단계는 다른 구성부품 및/또는 방법의 단계와 조합하여 사용될 수 있다. 비록 다양한 구현예의 특별한 특징이 몇몇 도면에 도시될 수 있고 다른 도면에는 도시되지 않지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 도면의 임의의 특징은 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 조합하여 참조 및/또는 청구될 수 있다.

앞선 기재 및 관련된 도면에서 나타낸 가르침의 이점을 갖고서, 본 개시가 속하는 기술분야의 당업자에게는 여기에 제시된 개시의 많은 수정 및 다른 예시적인 관점이 떠오를 것이다. 따라서 개시는, 개시된 특별한 실시예에 한정되는 것이 아니고 또 개시의 수정 및 다른 예시적인 관점이 첨부된 특허청구범위 내에 포함되도록 된 것임이 이해되어야 한다. 또한 비록 앞선 기재 및 관련된 도면이 부재 및/또는 기능의 특정한 예시적인 조합의 관점에서 실시예를 설명하지만, 부재 및/또는 기능의 다른 조합이 첨부된 특허청구범위로부터 벗어남이 없이 대체 실시예로서 제공될 수 있음을 알아야 한다. 예컨대, 첨부된 특허청구범위에 제시될 수 있는 바와 같이, 위에서 명시적으로 기재된 것과는 다른 부재 및/또는 기능의 조합이 또한 고려될 수 있다. 여기에 특별한 용어가 채용되었지만, 이들은 포괄적이고 설명적인 의미로만 사용된 것이고 한정의 목적으로 사용된 것은 아니다. 그리고 개시는 다음 항목에 다른 실시예를 포함한다;

항목 16. 연신된 복합재 구조물을 형성하는 장치로서,

적어도 하나의 캐비티를 형성하는 연신된 맨드릴;과

캐비티에 삽입된 적어도 하나의 대체로 유연한 연신된 공압공구;

캐비티에 삽입된 적어도 하나의 대체로 강성있는 연신된 인서트로서, 인서트는 제1단부와 이 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖고 공압공구에 인접하여 캐비티에 위치되고 이들 사이에 경계면을 형성하도록 구성되고; 및

인서트의 제1단부에 인접하여 인서트에 연결된 제1단부를 갖는 연신된 리테이너로서, 리테이너는 경계면을 가로 질러 인서트의 제1단부로부터 그리고 공압공구의 단부의 일부 위로 바깥으로 길이방향으로 연장하는 리테이너의 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖는다.

항목 17. 항목 16의 장치는,

공압공구의 단부가 경사진 상부 표면부위와 이 경사진 상부 표면부위에 대체로 인접하는 최상부 부위를 형성하고;

리테이너는 최상부 표면과 이 최상부 표면에 대체로 대향하는 제2표면을 형성하며;

리테이너의 제2단부는 말단부이고;

리테이너의 제2표면은 리테이너의 제2단부의 말단부를 향하여 위쪽으로 경사지며;

리테이너의 제2표면은 공압공구의 경사진 최상부 표면부위에 인접하여 연장한다.

항목 18. 항목 16의 장치는,

인서트가 최상부 표면과 하부 표면을 형성하고; 및

인서트의 최상부 표면은 리테이너를 수용하는 오목부를 형성한다.

항목 19. 항목 16의 장치는,

오목부에 인접한 인서트의 최상부 표면이 리테이너의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이고; 및

리테이너의 최상부 표면이 적어도 하나의 공압공구의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이다.

항목 20. 항목 16의 장치는,

공압공구의 단부가 경사진 상부 표면부위와 이 경사진 상부 표면부위에 대체로 인접한 최상부 부위를 형성하고;

리테이너는 최상부 표면과 이 최상부 표면에 대체로 대향하는 제2표면을 형성하며;

리테이너의 제2단부는 말단부를 갖고;

리테이너의 제2표면은 리테이너의 제2단부의 말단 단부를 향하여 위쪽으로 경사지며;

리테이너의 제2표면은 공압공구의 경사진 최상부 표면부위에 인접하여 연장하고;

인서트는 최상부 표면을 형성하며;

인서트의 최상부 표면은 리테이너를 수용하는 오목부를 형성하고;

오목부에 인접한 인서트의 최상부 표면은 리테이너의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이며; 및

리테이너의 최상부 표면은 공압공구의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이이다.

Claims (15)

1. 연신된 복합재 구조물의 형성에서 사용된 맨드릴의 캐비티에 연신된 공압공구를 갖고 사용하기 위한 것으로, 상기 공압공구 및 맨드릴 각각이 단부와 그 위에 복합재 재료가 적용되는 최상부 표면을 형성하는 장치로서,
   대체로 강성이 있으면서, 제1단부와 이 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖는 인서트;와
   상기 인서트의 제1단부에 인접하여 인서트에 연결된 제1단부를 갖는 연신된 리테이너; 를 포함하고,
   상기 인서트의 제1단부는 공압공구의 단부에 인접하여 캐비티에 위치하도록 그리고 인서트의 제1단부와 공압공구의 단부 사이에 경계면을 형성하도록 구성되며;
   상기 연신된 리테이너는 공압공구의 단부의 일부 위로 그리고 경계면을 가로 질러 인서트의 제1단부로부터 바깥으로 길이방향으로 연장하는 리테이너의 제1단부에 대체로 대향하는 제2단부를 갖는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 리테이너는 최상부 표면과 이 최상부 표면에 대체로 대향하는 제2표면을 형성하고;
   리테이너의 제2단부는 말단부를 가지며;
   리테이너의 제2표면은 리테이너의 제2단부의 말단부를 향하여 위쪽으로 경사진 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 리테이너는 인바(Invar)로 구성된 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 인서트는 맨드릴과 실질적으로 동일한 재료로 구성된 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 인서트는 복합재 재료로 구성된 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 인서트의 제2단부는 맨드릴의 단부에 실질적으로 인접한 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 인서트의 제1단부는 맨드릴의 단부로부터 실질적으로 말단인 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 인서트는 최상부 표면과 하부 표면을 형성하고; 및
   상기 인서트의 최상부 표면은 리테이너를 수용하는 오목부를 형성하는 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 오목부에 인접한 인서트의 최상부 표면은 리테이너의 최상부 표면과 실질적으로 같은 높이인 장치.
10. 공압공구를 채용한 맨드릴을 사용하여 연신된 복합재 구조물을 형성하는 방법으로서,
    적어도 하나의 유연한 연신된 공압공구를 제공하는 단계; 와
    자신으로부터 연장하는 외팔지지된 리테이너를 갖는 제1단부를 갖추고서 대체로 강성있는 적어도 하나의 연신된 인서트를 제공하는 단계;
    연신된 공압공구를 맨드릴 캐비티로 삽입하는 단계;
    인서트의 제1단부가 연신된 공압공구의 단부에 인접하고 또 리테이너가 연신된 공압공구의 단부 위로 연장하도록 리테이너를 맨드릴 캐비티로 삽입하는 단계; 및
    연신된 복합재 구조물을 형성하기 위하여 복합재 재료를 맨드릴, 공압공구 및 리테이너에 적용하는 단계; 를 포함하는 방법.
11. 제10항에 있어서,
    복합재 재료를 공압공구에 적용한 후, 공압공구의 일부와 이에 적용된 복합재 재료를 맨드릴 캐비티로부터 멀어지게 가압하기 위하여 연신된 공압공구를 팽창하는 단계를 더 포함하는 방법.
12. 제10항에 있어서,
    공압공구 및 인서트에 복합재료를 적용한 후, 맨드릴 캐비티로부터 공압공구와 인서트를 길이방향으로 제거하는 단계를 포함하는 방법.
13. 제10항에 있어서,
    맨드릴의 단부에 인접하여 인서트의 제2단부를 위치시키는 단계를 포함하고서 맨드릴 캐비티 내로 리테이너를 삽입하는 단계를 더 포함하는 방법.
14. 제10항에 있어서,
    복합재 재료를 공압공구 및 인서트에 적용한 후, 복합재 재료를 경화하기 위하여 오토클레이브에 맨드릴을 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
15. 제10항에 있어서,
    복합재 재료를 공압공구 및 인서트에 적용한 후, 복합재 재료를 경화하는 단계를 더 포함하는 방법.

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