KR20150070936A - 구성요소를 접합하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20150070936A
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알. 프레빌 찰스
알. 폭스 제임스
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더 보잉 컴파니
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Abstract

구조적 어셈블리를 형성하는 방법은 함께 접합되어지는 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 제1 구성요소의 제1 결합면의 윤곽을 스캐닝하는 것과 제2 구성요소의 제2 결합면의 윤곽을 스캐닝하는 것을 부가적으로 포함할 수 있다. 방법은 제1 결합면 및 제2 결합면의 윤곽과 실질적으로 매치되는 대향하는 제1 및 제2 엘리먼트 표면을 갖춘 열가소성 엘리먼트를 생산하는 것을 더 포함할 수 있다.

Description

구성요소를 접합하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF JOINING COMPONENTS}
본 발명은 복합재 구성요소를 접합하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
복합재 재료(composite materials) 및 구성요소(components)는 광범위한 다양한 응용에서 계속 증가하는 양으로 이용된다. 예컨대, 상업용 항공기는 복합재 재료의 바람직한 기계적 특성에 기인하여 복합재 재료의 증가하는 양을 1차 구조물(primary structure) 및 2차 구조물(secondary structure)에 통합한다. 이러한 바람직한 기계적 특성은 항공기의 중량의 감소 및 페이로드 성능과 연료 효율의 증가를 허용할 수 있다. 더욱이, 복합재 재료의 이용은 항공기의 서비스 수명을 연장할 수 있다.
라미네이트 복합재 구성요소(laminated composite components)는 여러 기술을 이용해서 함께 접합될 수 있다. 예컨대, 복합재 재료는 특정한 드릴 비트(specialized drill bits)를 이용해서 구성요소에 파스너 구멍(fastener holes)을 드릴링하는 것을 요구할 수 있는 기계적 파스너(mechanical fasteners)를 이용해서 접합될 수 있다. 파스너 구멍을 드릴링하는 것에 따르면, 복합재 구성요소의 재-조립(re-assembly)에 뒤이어, 각 파스너 구멍의 디버링(de-burring) 및/또는 검사(inspection)를 허용하기 위해 복합재 구성요소의 분해(disassembly)가 요구될 수 있다. 기계적 파스너는 파스너 구멍에 설치될 수 있고, 파스너는 소정의 토크 값(torque value)으로 단단히 조여질 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 복합재 구성요소를 접합하기 위한 기계적 파스너의 이용은 시간 소모성이고 노동 집약적 공정을 초래하는 다중 단계를 요구할 수 있다.
복합재 구성요소는 또한 접착제(adhesive)를 이용해서 함께 구성요소를 본딩(bonding)하는 것에 의해 기계적 파스너 없이 함께 접합될 수 있다. 접착제는 본드 조인트(bond joint)를 형성하기 위해 복합재 구성요소의 결합면(mating surfaces) 사이에 적용될 수 있다. 본드 조인트는 본드 조인트의 엣지를 따른 응력 집중(stress concentrations)을 최소화하고 본드 조인트의 전단 강도(shear strength) 및 인장 강도(tensile strength)를 개선하기 위해 이상적으로 비교적 얇은 본드라인 두께(bondline thickness)를 갖는다. 때때로, 복합재 구성요소의 하나 또는 양쪽의 결합면은 본드 조인트에서 갭(gaps)을 초래하는 불일치된 윤곽(mismatched contours)을 갖을 수 있다.
복합재 구성요소의 결합면 사이에서 갭을 메우는 종래 기술의 방법은 접합 공정 동안 결합면 사이에 별도의 접착제 재료를 인가하는 것과 접착제가 갭으로 흐를 수 있도록 하는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 별도의 접착제 재료는 본드 조인트의 강도 특성(strength properties)에 원하지 않게 영향을 미칠 수 있는 본딩라인 두께를 증가시킬 수 있다. 갭을 메우기 위한 다른 접근에 있어서, 특정한 공구(specialized tooling)가 결합면 간의 갭을 밀어내도록 본드 조인트에 대해 높은 압축력(high compressive forces)을 인가하기 위해 개발될 수 있다. 그러나, 특정 공구는 전체 가공 비용을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 특정 공구에 의해 인가된 높은 압축력은 복합재 구성요소에서 원하지 않는 응력(stresses)을 유발할 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 복합재 구성요소의 결합면의 윤곽의 변화를 수용하는 한편 본드라인 두께를 최소화하는 복합재 구성요소를 접합하기 위한 시스템 및 방법에 대한 기술의 필요성이 존재한다.
본 출원은 미국에서 2012년 12월 4일 자로 출원된 발명의 명칭이 "저온 열가소성 필름 융합을 이용하는 복합재 구성요소의 접합(JOINING COMPOSITE COMPONENTS USING LOW TEMPERATURE THERMOPLASTIC FILM FUSION)"인 출원번호 제13/693,958호에 관한 것이다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 복합재 구성요소를 접합하기 위한 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
복합재 구성요소를 접합하는 것과 관련된 상기-주지된 필요성은 구조적 어셈블리를 형성하는 방법을 제공하는 본 발명에 의해 특히 해결된다. 실시예에 있어서, 방법은 함께 접합되어지는 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 제1 구성요소의 제1 결합면의 윤곽을 스캐닝하는 것과 제2 구성요소의 제2 결합면의 윤곽을 스캐닝하는 것을 부가적으로 포함할 수 있다. 방법은 각 제1 및 제2 결합면의 윤곽과 실질적으로 매치되는 대향하는 제1 및 제2 엘리먼트 표면을 갖춘 열가소성 엘리먼트를 생산하는 것을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 제1 결합면에 적용된 제1 열가소성 필름을 갖춘 제1 구성요소를 제공하는 것을 포함하는 구성요소를 접합하는 방법이다. 방법은 또한 제2 결합면에 적용된 제2 열가소성 필름을 갖춘 제2 구성요소를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 그 윤곽을 결정하기 위해 제1 열가소성 필름 및 제2 열가소성 필름을 스캐닝하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 제1 열가소성 및/또는 제2 열가소성 필름과 실질적으로 유사한 재료로부터 열가소성 시트를 생산하는 것을 부가적으로 포함할 수 있다. 열가소성 시트는 제1 결합면 및 제2 결합면의 윤곽과 각각 매치되는 제1 시트 표면 및 제2 시트 표면을 갖을 수 있다. 방법은 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 그 사이에 끼워진 열가소성 시트와 조립하는 것과, 열가소성 시트, 제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름에 열 및 컴팩트한 압력을 인가하는 것을 더 포함할 수 있다. 방법은 구조적 어셈블리를 형성하기 위해 제2 구성요소에 제1 구성요소를 접합하도록 열가소성 시트, 제1 열가소성 필름 및 제2 열가소성 필름을 함께 융합하는 것을 또한 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 제1 열가소성 필름을 갖춘 제1 구성요소를 제공하는 것을 포함하는 구성요소를 접합하는 방법이다. 제1 결합면은 제1 반경 표면을 포함할 수 있다. 방법은 제2 열가소성 필름을 갖춘 제2 구성요소를 제공하는 것을 또한 포함할 수 있다. 제1 결합면은 제1 반경 표면을 포함할 수 있다. 방법은 제1 반경 표면 및 제2 결합면의 각 윤곽과 실질적으로 매치되는 반경 필러 측면 표면 및 반경 필러 베이스 표면을 갖춘 열가소성 반경 필러를 생산하는 것을 더 포함할 수 있다. 방법은 제1 구성요소, 제2 구성요소 및 열가소성 반경 필러를 조립하는 것과 열가소성 반경 필러와, 제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름에 열 및 컴팩트한 압력을 인가하는 것을 부가적으로 포함할 수 있다. 열 및/또는 컴팩트한 압력의 인가는 구조적 어셈블리를 형성하기 위해 제2 구성요소에 제1 구성요소를 접합하도록 제1 열가소성 필름, 제2 열가소성 필름 및/또는 열가소성 반경 필러를 함께 융합하는 것을 초래할 수 있다.
논의된 특징, 기능 및 이점은 본 발명의 다양한 실시예에서 독립적으로 달성될 수 있거나 더욱 상세한 내용을 이어지는 설명 및 이하의 도면을 참조하여 알 수 있는 또 다른 실시예에 결합될 수 있다.
도 1은 제1 구성요소 및 제2 구성요소의 각 결합면의 윤곽(contour)에 실질적으로 매치되도록 윤곽지워질 수 있는 엘리먼트 표면(element surfaces)을 갖춘 열가소성 엘리먼트(thermoplastic element)에 의해 제2 구성요소에 접합된 제1 구성요소를 포함하는 구조적 어셈블리의 블록도의 실례이다.
도 2는 여기에 개시된 저-용융 열가소성 접합 공정(low-melt thermoplastic joining process)에서 스킨(skin)을 갖춘 보강 패널(stiffened panel)과 하나 이상의 열가소성 엘리먼트를 이용해서 스킨에 각각 접합될 수 있는 다수의 L-형상 보강재(L-shaped stiffeners)로서 구성된 구조적 어셈블리의 예의 투시도이다.
도 3은 열가소성 엘리먼트를 이용해서 스킨에 접합된 보강재(stiffener)의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4h는 제1 구성요소(예컨대 보강재)의 윤곽과 제2 구성요소(예컨대, 스킨)의 윤곽 사이에서 야기될 수 있는 여러 형태의 불일치의 비-제한 예이다.
도 5는 접합 구성요소의 방법에 포함될 수 있는 하나 이상의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 6은 제2 구성요소의 예를 형성하기 위한 그 공동-통합(co-consolidation) 이전에 복합재 플라이(composite plies)의 스택(stack)과 열가소성 필름의 확대 측면도이다.
도 7은 라미네이트 복합재 스킨(laminated composite skin)으로서 제2 구성요소를 형성하기 위해 통합 압력 및 열의 인가 동안 플라이(plies)의 조립된 스택과 열가소성 필름의 측면도이다.
도 8은 제2 구성요소의 열가소성 필름을 스캐닝하는 스캐너의 투시도이다.
도 9는 제1 구성요소의 예를 형성하기 위한 공동-통합 이전에 열가소성 프리프레그(thermoplastic prepreg)의 플라이의 스택(또는 열경화성 프리프레그(thermoset prepreg)의 플라이의 스택)과 열가소성 필름의 확대 측면도이다.
도 10은 라미네이트 복합재 L-형상 보강재로서 제1 구성요소를 형성하기 위해 통합 압력 및 열을 인가하는 동안 열가소성 프리프레그의 플라이의 조립된 스택 및 열가소성 필름의 측면도이다.
도 11은 제1 구성요소의 열가소성 필름을 스캐닝하는 스캐너의 투시도이다.
도 12는 각 제1 구성요소와 제2 구성요소 상의 제1 열가소성 필름과 제2 열가소성 필름의 윤곽이 실질적으로 매치되도록 윤곽지워질 수 있는 대향하는 시트 표면(opposing sheet surfaces)과 함께 형성된 열가소성 시트로서 구성된 열가소성 엘리먼트의 투시도이다.
도 13은 사이에 위치된 열가소성 시트(thermoplastic sheet)를 구비하는 제1 구성요소 및 제2 구성요소의 확대 측면도이다.
도 14는 첨삭 가공 공정(additive manufacturing process)에서 제2 구성요소의 열가소성 필름 상에 직접적으로 가공된 열가소성 시트의 투시도이다.
도 15는 사이에 위치된 열가소성 시트를 구비하는 제1 구성요소 및 제2 구성요소의 확대 측면도이다.
도 16은 열가소성 시트, 제1 열가소성 필름, 및 제2 열가소성 필름을 함께 융합시키고 제1 구성요소를 제2 구성요소에 접합하기 위해 열가소성 조인트(thermoplastic joint)를 형성하는 열 및 압력의 인가의 측면도이다.
도 17은 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 접합하는 열가소성 조인트를 나타내는 일체화된 구조적 어셈블리의 측면도이다.
도 18은 제1 구성요소의 제1 반경 표면(first radius surface)을 스캐닝하는 스캐너의 투시도이다.
도 19는 제1 반경 표면을 커버하는 열가소성 필름을 스캐닝하는 스캐너의 투시도이다.
도 20은 제1 반경 표면을 스캐닝하는 것에 의해 발생된 윤곽 데이터(contour data)를 기초로 반경 필러(radius filler)의 컴퓨터 모델의 투시도이다.
도 21은 열가소성 반경 필러로서 구성된 열가소성 엘리먼트의 투시도로서, 열가소성 반경 필러는 제2 구성요소의 제2 열가소성 필름 상에 첨삭적으로 가공된다.
도 22는 사이에 위치된 열가소성 반경 필러를 구비하는 제2 구성요소와 함께 조립되는 제1 구성요소의 확대 측면도이다.
도 23은 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 접합하는 열가소성 필름과 함께 융합된 열가소성 반경 필러를 나타내는 집적된 구조적 어셈블리의 측면도이다.
도 24는 단일 구조물(unitary structure)로서 일체적으로 형성된 열가소성 반경 필러 및 열가소성 시트(thermoplastic sheet)의 투시도이다.
도 25는 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에 위치된 일체화된 열가소성 반경 필러와 열가소성 시트의 확대 측면도의 측면도이다.
도 26은 열가소성 반경 필러를 갖춘 열가소성 조인트를 포함하고 스킨에 대해 연속되는 L-형상 보강재를 접합하는 집적된 구조적 어셈블리의 측면도이다.
도 27은 반경 필러를 갖춘 열가소성 조인트를 포함하고 스킨에 대해 Z-형상 보강재를 접합하는 집적된 구조적 어셈블리의 측면도이다.
도 28은 한 쌍의 반경 필러를 갖춘 열가소성 조인트를 포함하고 스킨에 대해 모자-형상 보강재(hat-shaped stiffener)를 접합하는 집적된 구조적 어셈블리의 측면도이다.
이하 도면을 참조하는 바, 도시된 것은 본 발명의 바람직한 실례와 다양한 실시예의 목적을 위한 것이고, 도 1에는 열가소성 엘리먼트(500)를 이용해서 제2 구성요소(400)에 접합된 제1 구성요소(300)를 포함하는 구조적 어셈블리(100)의 블록도를 도시한다. 실시예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500)는 열가소성 시트(506)(도 12)로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500)는 이하 설명되는 바와 같이 열가소성 반경 필러(512)(도 20)로서, 또는 단일 구조물(518)(도 24)로서 형성된 열가소성 시트(506)/열가소성 반경 필러(512)의 조합으로서 구성될 수 있다.
몇몇 예에 있어서, 열가소성 시트(506)(도 12)는 대향하는 시트 표면(508, 510)을 포함할 수 있다. 대향하는 시트 표면(508, 510) 중 적어도 하나는 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)의 윤곽에 실질적으로 매치되도록 윤곽지워질 수 있다. 예컨대, 열가소성 시트(506)는 제1 구성요소(300)에 제공될 수 있는 제1 열가소성 필름(306)(도 9 내지 도 11)의 윤곽과 실질적으로 매치되도록 윤곽지워질 수 있는 제1 시트 표면(508)(도 12)을 포함할 수 있다. 제1 열가소성 필름(306)은 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 접합하기 이전에 제1 구성요소(300)의 제1 결합면(302)(도 9)에 적용될 수 있는 비교적 얇은 필름일 수 있다. 예컨대, 제1 열가소성 필름(306)은 제1 구성요소(300)의 제1 결합면(302)에 직접적으로 적용될 수 있고, 라미네이트 복합재(laminated composite) 제1 구성요소(300)를 형성하기 위해 하나 이상의 복합재 플라이(composite plies; 202)와 공동-통합(co-consolidated) 또는 공동-경화(co-cured)될 수 있다.
본 출원에 있어서, 복합재 구성요소(예컨대, 제1 구성요소(300), 제2 구성요소(400) 등)는 섬유-강화 폴리머 매트릭스 재료(fiber-reinforced polymer matrix material)로 형성되는 구성요소로서 설명될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 복합재 구성요소는 매트릭스 재료 내에 매립된 실질적으로 연속성 섬유(continuous fibers)를 포함할 수 있다. 섬유는 단방향 섬유(unidirectional fibers), 양방향 섬유(bidirectional fibers), 또는 다른 섬유 배열과 같은 다양한 배열 중 어느 하나로 제공될 수 있다. 다른 예에 있어서, 섬유는 단 섬유(short fibers)와 같은 비-연속성 섬유(non-continuous fibers) 또는 랜덤 방향(random orientations)으로와 같이 어떠한 방향으로 배열된 촙 섬유(chopped fibers)일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)는 섬유-금속 라미네이트(fiber-metal laminate)를 형성하도록 복합재 층 및 비-복합재 층(예컨대, 금속 층, 세라믹 층)을 갖춘 하이브리드 복합재 라미네이트(도시되지 않았음)로서 제공될 수 있다. 예컨대, 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)는 교대 유리섬유 층(alternating fiberglass layers)과 금속 층(metallic layers)을 갖춘 섬유-금속 라미네이트로서 제공될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)는 금속 재료, 세라믹 재료와 같은 비-복합재 재료, 및/또는 다른 비-복합재 재료 또는 그 조합으로 형성될 수 있다. 열가소성 필름(306, 406)은 열가소성 시트(506)와 같은 열가소성 엘리먼트(500)를 이용해서 제1 및 제2 구성요소(300, 400)를 접합하기 이전에 비-복합재 제1 구성요소(300)의 결합면 및/또는 비-복합재 제2 구성요소(400)의 결합면에 적용될 수 있다.
제1 열가소성 필름(306)은 비교적 얇게 될 수 있어 제1 열가소성 필름(306)이 제1 구성요소(300)의 제1 결합면(302)에 적용될 때, 제1 결합면(302)의 윤곽은 제1 열가소성 필름(306)의 외측 표면(outer surface)으로 변형(transferred)되거나 외측 표면에 복제(duplicated)될 수 있다. 제2 열가소성 필름(406)(도 6 내지 도 8)은 또한 제2 구성요소(400)의 제2 결합면(402)에 적용된 비교적 얇은 필름일 수 있어 제2 결합면(402)의 윤곽은 제2 열가소성 필름(406)의 외측 표면에 대해 변형(transferred) 또는 복제(duplicated)될 수 있다. 열가소성 시트(506)는 제2 구성요소(400)에 제공될 수 있는 제2 열가소성 필름(406)의 윤곽과 매치되도록 윤곽지워질 수 있는 제2 시트 표면(second sheet surface)을 포함할 수 있다.
열가소성 엘리먼트(500)는 열가소성 엘리먼트(500), 제1 열가소성 필름(306), 및 제2 열가소성 필름(406)을 함께 용융(melt)해서 융합(fuse)시키기 위해 열을 인가하는 것에 의한 저-용융 열가소성 필름 접합 공정(low-melt thermoplastic film joining process)에서 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)의 접합을 용이하게 할 수 있다. 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)가 열가소성 재료와 같은 복합재 재료(204)로 형성되는 몇몇 예에 있어서, 열은 복합재 재료(204)의 용융 온도(melt temperature) 아래로 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)의 온도를 제한하는 방식으로 인가될 수 있다. 용융 온도 아래로 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)의 온도를 유지하는 것은 미리-통합된 복합재 구성요소의 원하지 않은 연화(softening) 및/또는 재-용융(re-melting)을 회피할 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 미리-통합된 복합재 구성요소의 형상 및 무결성(integrity)이 유지될 수 있다. 본 발명이 2가지 구성요소를 접합(예컨대, 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 접합하는 것)하기 위해 열가소성 엘리먼트(500)를 이용하는 것으로 설명됨에도 불구하고, 여기에 개시된 방법은 소정 수의 구성요소를 접합하기 위해 하나 이상의 열가소성 엘리먼트(500)를 이용하는 것을 포함할 수 있다.
제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 접합하는 공정 동안 컴팩트한 압력(compactive pressure; 524)(도 16 참조)이 열가소성 엘리먼트(500) 및/또는 제1 및/또는 제2 열가소성 필름(306, 406)에 인가될 수 있다. 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)을 접합하는 공정 동안 컴팩트한 압력(524)이 열가소성 시트(506), 열가소성 필름(306, 406), 및/또는 구성요소(300, 400)에 대한 열의 인가 동안 인가될 수 있다. 컴팩트한 압력(524)은 열가소성 엘리먼트(500), 열가소성 필름(306, 406), 및/또는 구성요소(300, 400)를 냉각시키는 동안 또한 인가될 수 있다. 열가소성 엘리먼트(500)가 열가소성 시트(506)로서 구성되는 실시예에 있어서, 열가소성 시트(506)를 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)과 함께 융합하는 것은 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 접합하는 융합된 열가소성 조인트(112)(도 17)를 초래할 수 있다.
상기한 바와 같이, 구성요소(300, 400)를 접합하기 이전에, 열가소성 엘리먼트(500)는 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)의 윤곽과 매치되도록 윤곽지워진 엘리먼트 표면(502, 504)(도 12)으로 형성되거나 그에 제공될 수 있다. 예컨대, 열가소성 엘리먼트(500)가 열가소성 시트(506)(도 12)로서 윤곽지워지는 곳에서, 열가소성 시트(506)는 제1 구성요소(300)의 제1 결합면(302)과 제2 구성요소(400)의 제2 결합면(402)의 윤곽 사이에서 변형(variations) 및/또는 불일치(mismatches)를 수용하는 방식으로 윤곽지워질 수 있는 시트 표면을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 열가소성 시트(506)는 제1 및 제2 구성요소(300, 400) 간의 열가소성 조인트(112)의 여러 위치에서 본당라인 두께(114)(도 3)의 변형을 수용할 수 있고, 그에 의해 제1 및 제2 구성요소(300, 400) 간의 열가소성 조인트(112)의 간극(voids) 또는 갭(gaps)(도시되지 않았음)의 발생을 감소시키거나 회피할 수 있다. 이와 관련하여, 저-용융 열가소성 필름 접합 공정에서 하나 이상의 열가소성 엘리먼트(500)의 이용은 열가소성 조인트(112)의 강도(strength)의 개선을 초래할 수 있다. 예컨대, 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 접합하기 위해 하나 이상의 열가소성 시트(506)의 이용은 열가소성 조인트(112)의 전단 강도(shear strength) 및/또는 인장 강도(tensile strength)의 개선을 초래할 수 있다. 저-용융 열가소성 필름 접합 공정에서 하나 이상의 열가소성 엘리먼트(500)의 이용은 열가소성 조인트(112)에서 갭의 감소 또는 회피에 기인하여 열가소성 조인트(112)의 내구성(durability) 및 에너지-흡수 성능(energy-absorbing capability)을 또한 개선할 수 있다.
도 2에는 패널(102)로서 구성된 구조적 어셈블리(100)의 예가 도시된다. 패널(102)은 스킨(104)을 강화(strengthening) 또는 보강(stiffening)하기 위한 하부구조(substructure)를 갖을 수 있는 스킨(104)을 포함할 수 있다. 하부구조는 저-용융 열가소성 필름 접합 공정에서 하나 이상의 열가소성 시트(506)를 이용해서 스킨(104)(예컨대, 제2 구성요소(400))에 접합될 수 있는 다수의 보강재(stiffeners; 106)(예컨대, 다수의 제1 구성요소(300))를 포함할 수 있다. 보강재(106) 중 각 하나는 웨브(web; 110)와 웨브(110)로부터 바깥쪽으로 뻗는 플랜지(flange; 108)를 포함하는 L-형상 단면을 갖춘 것으로 도시된다. 그러나, 보강재(106)는 다양한 다른 단면 형상 중 어느 하나로 제공될 수 있고 L-형상 단면으로 제한되지는 않는다. 스킨(104) 및 보강재(106)는 각각 섬유-강화 열가소성 재료(fiber-reinforced thermoplastic material) 및/또는 섬유-강화 열경화성 재료(fiber-reinforced thermoset material)와 같은 복합재 재료(204)로 형성될 수 있다. 그러나, 상기한 바와 같이, 현재 개시된 접합 공정은, 제한 없이, 소정 형태의 재료로 형성된 구성요소를 접합하기 위해 구현될 수 있고, 복합재 재료로 형성된 구성요소를 접합하는데 제한되지는 않는다. 더욱이, 접합 공정은, 제한 없이, 소정의 크기, 형상, 및 구성을 갖춘 구성요소를 접합하기 위해 구현될 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 스킨(104) 및 보강재(106)를 접합하는 것으로 제한되지는 않는다.
도 3에는 스킨(104)의 부분에 접합된 보강재(106) 중 하나의 단면도가 도시된다. 보강재(106)(예컨대, 제1 구성요소(300))의 플랜지(108)는 제1 결합면(302)을 포함할 수 있다. 스킨(104)(예컨대, 제2 구성요소(400))은 여기에 개시된 접합 공정에서 열가소성 시트(506)를 이용해서 열가소성 조인트(112)에서 제1 결합면(302)에 접합될 수 있는 제2 결합면(402)을 포함할 수 있다. 열가소성 시트(506)는 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 간의 열가소성 조인트(112)의 여러 위치에서 본드라인 두께(114)의 실제적 변형을 수용할 수 있다. 더욱이, 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 간의 열가소성 시트(506)의 저-용융 열가소성 재료의 이용은 본드라인의 갭을 채울 수 있고, 비교적 낮은 전체 본드라인 두께(114)를 초래할 수 있다. 예컨대, 여기에 개시된 접합 공정에서 열가소성 시트(506)의 이용은 약 0.001 내지 0.010 인치 이상의 본드라인 두께(114)를 초래할 수 있다. 비교적 얇은 본드라인 두께(114)는 열가소성 조인트(112)의 코너에서 응력 집중(stress concentrations)을 감소시킬 수 있고 이는 열가소성 조인트(112)의 강도를 개선할 수 있다.
도 4a 내지 도 4h는 제1 구성요소(300)의 윤곽과 제2 구성요소(400)의 윤곽 사이에서 야기될 수 있는 여러 형태의 불일치의 몇몇 예를 나타내는 것으로, 여기에 개시된 열가소성 시트(506)와 열가소성 접합 공정에 의해 수용될 수 있다. 그러나, 이해될 수 있는 바와 같이, 접합 공정은 소정의 크기, 형상 및 구성의 불일치를 수용할 수 있고, 도시된 예로 제한되지는 않는다. 도 4a는 플랜지(108)의 다른 위치에 관하여 플랜지 엣지와 스킨(104) 사이에서 갭을 초래하는 근소하게 상승하는 플랜지(108)의 엣지를 예시한다. 도 4b는 해당 위치에서 스킨(104)에 따라 증가된 갭을 초래하는 위쪽으로 휘어진 플랜지(108)의 중앙을 예시한다. 도 4c는 오목부(depression)에서 갭 크기의 증가를 초래하는 플랜지(108)의 직접적으로 바로 아래의 패널(102)에 형성된 오목부를 예시한다. 도 4d는 범프(bump)의 반대 측 상의 플랜지 및 스킨(104) 사이에서 갭을 초래하는 플랜지(108)의 직접적으로 바로 아래의 패널(102)에 형성된 범프를 예시한다. 도 4e는 플랜지(108)와 스킨(104) 사이에서 본드라인 두께의 변형을 생성하는 물결(waves) 또는 주름(wrinkles)을 갖춘 스킨(104)의 결합면을 예시한다. 도 4f는 본드라인 두께(114)에서 변형을 생성하는 물결 또는 주름을 갖춘 스킨(104)의 결합면을 예시한다. 도 4g는 본드라인 두께의 변형을 초래하는 패널(102)의 만곡(curvature)에 대해 불일치된 플랜지(108)의 만곡을 예시한다. 도 4h는 플랜지(108)와 스킨(104) 간의 테이퍼 각도(taper angle)의 불일치를 예시한다.
도 5와 함께 도 6 내지 도 25를 부가적으로 참조하면, 도 5에는 구조적 어셈블리(100)를 형성하기 위해 구성요소를 접합하는 방법(600)에 포함될 수 있는 하나 이상의 동작을 갖춘 플로우차트가 도시된다. 방법(600)의 단계(602)는 구조적 어셈블리(100)(도 17)를 형성하기 위해 함께 접합되어지는 제1 구성요소(300)(도 13) 및 제2 구성요소(400)(도 13)를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 제1 구성요소(300)는 제1 결합면(302)(도 13)을 포함할 수 있고, 제2 구성요소(400)는 제1 결합면(302)에 접합되도록 구성된 제2 결합면(402)(도 13)을 포함할 수 있다. 제1 결합면(302)은 제1 윤곽(first contour; 306)을 갖을 수 있다. 제2 결합면(402)은 제2 윤곽(second contour; 404)을 갖을 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 제1 윤곽(306)은 제2 윤곽(404)과 불일치를 갖을 수 있다. 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)가 열가소성 재료 및/또는 열경화성 재료로 형성되는 실시예에 있어서, 방법은 미국에서 2012년 12월 4일자로 출원된 발명의 명칭이 "저온 열가소성 필름 융합을 이용하는 복합재 구성요소의 접합(JOINING COMPOSITE COMPONENTS USING LOW TEMPERATURE THERMOPLASTIC FILM FUSION)"인 출원번호 제13/693,958호에 개시된 공정과 유사한 공정에 따라 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 구조적 어셈블리(100)를 형성하기 위해, 방법(600)은 도 6에 도시된 바와 같이 열가소성 프리프레그(thermoplastic prepreg; 206)의 플라이(202)의 스택(200)으로부터 제2 구성요소(400)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제1 구성요소(300)는 또한 도 9에 도시된 바와 같이 열가소성 프리프레그(206)의 플라이(202)의 스택(200)으로부터 형성될 수 있다. 열가소성 프리프레그(206)의 플라이(202)의 하나 이상은 수지 매트릭스(resin matrix)에 강화섬유(reinforcing fibers)를 포함할 수 있다. 수지 매트릭스는 유기 재료(organic material) 또는 무기 재료(inorganic material)로 형성될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 수지 매트릭스는 폴리아릴에테르게톤 수지(polyaryletherketone resin), 폴리에테르에테르케톤 수지(polyetheretherketone resin), 폴리에테르케토네케톤 수지(polyetherketoneketone resin), 또는 폴리페닐술폰 수지(polyphenylsulfone resin)와 같은 열가소성 폴리머일 수 있다. 수지 매트릭스는 유리 전이 온도(glass transition temperature)와 유리 전이 온도 보다 더 높을 수 있는 용융 온도(melt temperature)를 갖을 수 있다. 유리 전이 온도는 수지 매트릭스가 연화(softens)되는 온도일 수 있다. 용융 온도는 수지 매트릭스의 분자가 무질서하게 되는 온도일 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 수지 매트릭스는 약 500℉ 이상의 용융 온도를 갖춘 열가소성 폴리머일 수 있다.
몇몇 예에 있어서, 제1 구성요소(300)(도 9) 및/또는 제2 구성요소(400)(도 6)는 도 6 및 도 9에 도시된 것과 유사하게, 그리고 상기한 미국 특허출원 제13/693,958호에 개시된 바와 같이 비경화된 열경화성 프리프레그(uncured thermoset prepreg; 208)의 플라이(202)의 스택(200)을 레이업 하는 것(laying up)에 의해 형성될 수 있다. 비경화된 열경화성 프리프레그(208)는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지 매트릭스에 강화 섬유를 포함할 수 있다. 열경화성 수지 매트릭스는 열가소성 수지 매트릭스의 유리 전이 온도 보다 더 낮을 수 있는 경화 온도(curing temperature)를 갖을 수 있다. 예컨대, 열경화성 수지 매트릭스는, 약 350℉ 이하와 같은, 약 400℉ 이하의 경화 온도를 갖을 수 있다. 열가소성 프리프레그(206)의 플라이(202) 및/또는 열경화성 프리프레그(208)의 플라이(202)는 단방향 섬유, 양방향 섬유, 또는 다른 섬유 구성 또는 섬유 구성의 조합과 같은 강화 섬유를 포함할 수 있다. 섬유는, 제한 없이, 유리(glass), 카본(carbon), 세라믹 재료(ceramic material), 금속 재료(metallic material), 및/또는 소정 형태의 유기 재료, 무기 재료, 또는 그 조합을 포함하는 소정의 재료로 형성될 수 있다. 스택(200)의 플라이(202)(도 6 및 도 9)는 소정의 플라이 스태킹 순서(ply stacking sequence)에 따라 소정의 섬유 방향으로 배열될 수 있다.
방법(600)의 단계(604)는 제1 구성요소(300)의 제1 결합면(302)에 제1 열가소성 필름(306)을 적용하는 것(도 9 참조)과, 제2 구성요소(400)의 제2 결합면(402)에 제2 열가소성 필름(406)을 적용하는 것(도 6 참조)을 포함할 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열가소성 필름(306, 406)은 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)의 결합면과 공동-통합되어지도록 열가소성 필름을 허용하는 특성을 나타내는 열가소성 재료로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 열가소성 필름(306, 406)은 열가소성 프리프레그(206)의 열가소성 수지 매트릭스와 호환되는 혼합물(composition)을 갖을 수 있다. 실시예에 있어서, 열가소성 필름(306, 406)은 열가소성 프리프레그(206)의 수지 매트릭스와 실질적으로 유사한 가소성 재료로 형성될 수 있다.
제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)가 열가소성 프리프레그(206)의 플라이(202)의 스택(200)으로 형성되는 실시예에 대해, 방법은 열가소성 필름을 열가소성 프리프레그(206)의 플라이(202)와 공동-통합하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 열가소성 필름(306)(도 10) 및/또는 제2 열가소성 필름(406)(도 7)은 각 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)의 각 제1 및/또는 제2 결합면(302, 402)에 레이업되거나 적용될 수 있다. 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)는 통합된 구성요소(300, 400)의 의도된 마지막 형상에 접근할 수 있는 통합 공구(consolidation tooling; 526) 상에 지지될 수 있다. 공동-통합은 열가소성 필름(306, 406)의 용융 온도 및 열가소성 프리프레그(206)의 수지 매트릭스의 용융 온도와 동일하거나 그 이상으로 더 높은 온도에 대해 열가소성 프리프레그(206)와 열가소성 필름(306, 406)을 가열하는 것을 포함할 수 있다.
열은 오토클레이브(autoclave) 또는 오븐(oven)에 열가소성 프리프레그(206) 및 열가소성 필름(306, 406)의 레이-업(lay-up of)을 위치시키는 것에 의해 인가될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열은 가열된 공구(heated tooling), 적외선 가열(infrared heating), 방사 가열(radiation heating), 뜨거운-공기 가열(hot-air heating), 또는 다른 가열 방법을 이용하는 것에 의해 인가될 수 있다. 공동-통합은 또한 열을 인가하는 동안 열가소성 프리프레그(206)의 스택(200) 및 열가소성 필름(306, 406)에 통합 압력(consolidation pressure; 522)을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 통합 압력(522)은 통합 공구(526), 진공 배깅(vacuum bagging), 오토클레이브 가압(autoclave pressure), 및/또는 다른 기술을 이용해서 플라이(202)의 스택(200)과 열가소성 필름(306, 406)에 인가될 수 있다. 열 및 통합 압력(522)의 인가는 도 8 및 도 11에 도시된 바와 같이 일체화된 복합재 라미네이트 구성요소(integrated composite laminate component)로 함께 통합되어지는 열가소성 필름(306, 406) 및 열가소성 프리프레그(206)의 플라이(202)를 초래할 수 있다.
제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)가 열경화성 프리프레그(208)로 형성되는 실시예에 대해, 방법은 열가소성 필름을 열경화성 프리프레그(208)의 플라이(202)의 스택(200)과 공동-경화하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 열가소성 필름은 상기한 바와 같이 열가소성 수지로 이루어질 수 있다. 열가소성 필름(306, 406)은 상기한 방식으로 도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이 각 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)의 각 제1 및/또는 제2 결합면(302, 402)에 레이 업되거나 적용될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열가소성 필름(306, 406)은 스택(200)의 열경화성 프리프레그(208)의 가장 바깥측 플라이의 결합면에 적용된 에폭시(epoxy)의 층으로 이루어질 수 있다. 방법은 열경화성 수지의 경화 온도에 대해 비경화된 열경화성 프리프레그(208)의 플라이(202)의 스택(200)과 열가소성 필름의 어셈블리를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 어셈블리는 열경화성 수지의 경화 온도 보다 더 높을 수 있는 열가소성 필름의 유리 전이 온도와 동일하거나 더 높은 온도로 가열될 수 있다. 통합 압력(522)은 어셈블리를 경화시키기 위해 열경화성 수지의 경화 온도에 대해 가열하는 동안 열가소성 필름과 비경화된 열경화성 프리프레그(208)에 인가될 수 있다.
방법(600)의 단계(606)는 도 8 및 도 11에 도시된 바와 같이 제2 구성요소(400)(도 8)의 제2 결합면(402)을 스캐닝하는 것(도 8 참조)과 제1 및 제2 결합면(302, 402)의 윤곽을 맵핑(map)하기 위해 제1 구성요소(300)의 제1 결합면(302)을 스캐닝하는 것(도 11)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 방법(600)은 상기한 바와 같이 공동-통합된 열가소성 구성요소의 결합면 상의 열가소성 필름을 스캐닝하는 것 및/또는 공동-경화된 열경화성 구성요소의 결합면 상의 열가소성 필름을 스캐닝하는 것을 포함할 수 있다. 각 제1 및/또는 제2 결합면(302, 402)을 커버하는 제1 및/또는 제2 열가소성 필름(306, 406)의 스캐닝은 결합면(302, 402)의 윤곽을 맵핑, 측정 및/또는 기록하기 위한 수단을 제공할 수 있어, 열가소성 시트(506)와 같은 열가소성 엘리먼트(500)는 접합되어지는 제1 및 제2 구성요소(300, 400)의 결합면(302, 402)의 윤곽(306, 404)을 각각 매치시키는 대향하는 시트 표면(508, 510)을 갖추어 생산될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 방법은 결합면 및/또는 결합면을 커버하는 열가소성 필름을 디지털적으로 검사하는 것을 포함할 수 있다. 결합면의 디지털 검사 또는 디지털 스캐닝은 다양한 여러 기술 및 장치 중 어떠한 하나를 이용해서 수행될 수 있다.
예컨대, 도 8 및 도 11을 참조하면, 각 제1 및 제2 구성요소(300, 400)의 각 제1 및 제2 결합면(302, 402)을 커버하는 제1 열가소성 필름(306)(도 11) 및 제2 열가소성 필름(406)(도 8)을 스캐닝하는 스캐너(520)의 예가 도시된다. 스캐너(520)는 광학 센서, 디지털 스캐너, 레이저 스캐너, 또는 다른 스캐닝 시스템을 구비하여 구성될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 하나 이상의 광학 센서 또는 스캐너(도시되지 않았음)는 스캔되는 표면에 관하여 고정된 위치에 장착될 수 있다. 광학 센서 또는 스캐너는 윤곽을 맵핑, 측정 및/또는 기록하기 위해 열가소성 필름의 길이 및/또는 폭을 따라 광학적으로 스캔할 수 있다. 광학 센서 또는 스캐너는, 제한 없이, 하나 이상의 구성요소의 결합면 및/또는 결합면을 커버하는 열가소성 필름 중 하나 이상의 형태(topography) 및/또는 윤곽을 측정하기 위해 광학(optics)을 이용할 수 있는 소정의 비-접촉 스캐너 또는 광학 측정 시스템 또는 장치를 포함하는 다양한 다른 구성 중 어떠한 하나로 제공될 수 있다.
몇몇 예에 있어서, 윤곽의 스캐닝 또는 측정은 삼각측량 스캐너(triangulation scanner)로서 및/또는 TOF 스캐너(time-of-flight scanner)로서 구성된 스캐너에 의해 수행될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 레이저 스캐너는 하나 이상의 결합면 또는 결합면을 커버하는 열가소성 필름의 윤곽을 대표하는 하나 이상의 포인트 크라우드(point clouds)를 형성하기 위해 다수의 포인트(예컨대, 100,000 이상의 포인트까지)의 3차원 위치 데이터를 수집할 수 있다. 포인트 크라우드 데이터는 컴퓨터 메모리에 기록 및 저장될 수 있다. 실시예에 있어서, 포인트 크라우드는 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 접합하는데 이용하기 위해 생산 또는 가공되는 열가소성 엘리먼트(500)의 3차원 디지털 모델 또는 컴퓨터 모델(530)(예컨대, 도 12, 도 20 및 도 24)을 형성하는데 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 방법은 결합면 및/또는 열가소성 필름의 이미지를 기록하고, 함께 접합되는 결합면의 각 하나의 윤곽의 3차원 모델을 발생시키도록 하나 이상의 카메라의 이용을 포함할 수 있다. 결합면 및/또는 결합면을 커버하는 열가소성의 윤곽은 또한 CMM(coordinate-measuring machine) 또는 다른 접촉-검사 장치 또는 기술과 같은 하나 이상의 접촉 계측 장치(contact metrology devices)를 이용해서 측정될 수 있다.
결합면(들) 및/또는 열가소성 필름(들)의 윤곽의 스캐닝은 수립될 수 있는 하나 이상의 정보(datums)(도시되지 않았음) 또는 참조 특징(reference features)(도시되지 않았음)에 관하여 수행될 수 있다. 예컨대, 도시되지 않았음에도 불구하고, 죄표 시스템, 예컨대 데카르트 좌표 시스템(Cartesian coordinate system)과 같은 참조 특징은 도 8에서 스킨(104)의 외부 표면(예컨대, 제2 구성요소(400)) 상에서 수립될 수 있다. 좌표 시스템(도시되지 않았움)은 제2 구성요소(400)의 제2 결합면(402)을 커버하는 제2 열가소성 필름(406)의 코너에 위치될 수 있다. 좌표 시스템은 방향지워질 수 있어 좌표 시스템의 x-y축은 스킨(104)의 외부 표면의 로컬 평면(local plane)과 일치하고, 또는 외부 표면이 비-평면이면, 좌표 시스템은 방향지워질 수 있어 x-y축은 제2 열가소성 필름(406)의 코너에서 스킨(104)의 외부 표면에 대해 양쪽이 접선(tangent)이다. 좌표 시스템의 z축은 제2 구성요소(400)의 외부 표면으로부터 바깥쪽으로 연장될 수 있다. 좌표 시스템의 위치 및 방향을 수립한 후, 디지털 스캐너, 레이저 스캐너, 카메라, 윤곽-측정 장치, CMM(coordinate-measuring machine), 또는 다른 장치는 좌표 시스템에 관하여 제2 열가소성 필름(406)의 윤곽을 측정 및 기록할 수 있다. 제2 열가소성 필름(406)의 윤곽의 3차원 컴퓨터 모델(530)은 컴퓨터 시스템(도시되지 않았음)의 메모리에 발생되어 저장될 수 있다.
도 11에 있어서, 보강재(106)(예컨대, 제1 구성요소(300))의 원하는 위치 및 방향은 제2 구성요소(도시되지 않았음)에 관하여 정의될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 구성요소(300, 400)의 CAD(computer aided design) 모델(도시되지 않았음)은 제1 구성요소(300)에 관하여 제2 구성요소(400)의 의도된 위치 및 방향을 수립하는 것을 가능하게 할 수 있다. CAD 모델은 그에 의해 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 사이에 형성되어지는 열가소성 조인트(112)에 따른 하나 이상의 위치에서 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 사이에서 의도된 본드라인 두께(114)를 정의할 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 결정(determination)은 열가소성 조인트(112)에 따른 소정의 위치에서 최소 및/또는 최대 본드라인 두께(114)(예컨대, 두께 허용오차)와 관련하여 이루어질 수 있다.
스캐너(520), 광학 센서, 또는 다른 윤곽-측정 장치는 제2 구성요소(400) 상에서 수립된 상기한 죄표 시스템에 관하여 제1 구성요소(300)의 제1 열가소성 필름(306)의 윤곽을 측정 및 기록할 수 있다. 제1 열가소성 필름(306)의 윤곽의 컴퓨터 모델(도시되지 않았음)은 스캐너(520)로부터의 윤곽 측정을 기초로 발생될 수 있다. 제1 열가소성 필름(306)의 윤곽의 3차원 컴퓨터 모델의 위치 및 방향은 제2 구성요소(400) 상의 수립된 좌표 시스템에 관하여 정의될 수 있고, 컴퓨터 시스템 메모리(도시되지 않았음)에 저장될 수 있다. 방법은 도 12에 예시된 열가소성 시트(506)와 같은 열가소성 엘리먼트(500)의 3차원 컴퓨터 모델(530)을 발생시키기 위해 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)의 윤곽의 컴퓨터 모델을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 열가소성 시트(506)의 컴퓨터 모델(530)은 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)의 결합면(302, 402) 및/또는 결합면(302, 402)을 커버하는 열가소성 필름(306, 406)의 윤곽과 실질적으로 매치될 수 있는 대향하는 제1 및 제2 시트 표면(508, 510)을 갖을 수 있다. 더욱이, 열가소성 시트(506)의 컴퓨터 모델(530)은 열가소성 조인트(112)에 따른 다른 위치에서 변경될 수 있는 열가소성 시트(506)의 두께를 정의할 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 열가소성 시트(506)는 제1 및 제2 구성요소(300, 400) 간의 본드라인의 두께 변화(thickness variations)을 수용할 수 있다. 정보는 열가소성 시트(506)의 최소 두께 및 최대 두께(예컨대, 두께 허용오차)와 관련하여 선택적으로 제공될 수 있고, 이는 열가소성 조인트(112)의 검사 및/또는 구조 분석을 위해 나중에 이용될 수 있다.
도 5의 방법(600)의 단계(608)는 제1 결합면 및 제2 결합면의 윤곽과 각각 매치되는 엘리먼트 표면(502, 504)을 갖춘 열가소성 엘리먼트(500)를 생산 또는 제작하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 열가소성 엘리먼트(500)는 제1 및 제2 결합면(302, 402)의 각 윤곽과 실질적으로 매치되거나, 제1 및 제2 결합면(302, 402)을 커버하는 열가소성 필름(306, 406)의 각 윤곽과 실질적으로 매치되는 대향하는 제1 및 제2 시트 표면(508, 510)을 갖춘 열가소성 시트(506)(도 12)로서 형성될 수 있다. 실시예에 있어서, 방법(600)은 약 0.002 인치 이하의 최소 두께로 열가소성 시트(506)를 생산하는 것을 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 열가소성 시트(506)의 두께를 최소화하는 것에 의해 본드라인 두께(114)를 최소화하는 것은 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 사이에서 열가소성 조인트(112)의 강도 특성을 개선할 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열가소성 시트(506)는 열가소성 시트(506)의 생산성(producibility) 및/또는 취급(handling)을 개선할 수 있는 약 0.005 인치 이상의 최소 두께로 생산될 수 있다. 다른 예에 있어서, 열가소성 시트(506)는 약 0.002 내지 약 0.010 인치의 두께 범위로 생산될 수 있다. 그러나, 열가소성 시트(506)는 0.010 인치 보다 더 큰 두께로 제공될 수 있다.
도 12의 열가소성 시트(506)가 일반적으로 평탄한 직사각형-형상 부재(rectangularly-shape member)로서 도시됨에도 불구하고, 열가소성 시트(506)는, 제한 없이, 만곡된(curved)(예컨대, 비-평탄(non-flat)) 형상, 굽은(bent) 형상(예컨대, 비-평탄(non-flat)), 및 다른 형상 및/또는 구성, 또는 그 조합을 포함하는 소정의 크기, 형상 및 구성으로 제공될 수 있다. 더욱이, 열가소성 시트(506)는 도 12에 도시된 직사각형 형상 이외의 주변 형상을 갖을 수 있다. 더욱이, 다중 열가소성 시트(506)가 주어진 열가소성 조인트에 대해 생산될 수 있다. 다중 열가소성 시트(506)는 열가소성 조인트에서 서로의 상부 상에 스택될 수 있고, 및/또는 다중 열가소성 시트(506)는 접합되어지는 2 이상의 구성요소 사이에서 열가소성 조인트의 영역을 커버하기 위해 서로에 대해 나란한 관계(side-by-side relation)로 배열될 수 있다.
구성요소를 접합하는 방법(600)은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 3차원 인쇄(three-dimensional printing), 스테레오리소그래피(stereolithography), 및 DDM(direct digital manufacturing)과 같은 첨삭 가공(additive manufacturing)을 포함하는 DM(direct manufacturing), 쾌속 성형법(rapid prototyping), 또는 다른 기술을 이용해서 열가소성 시트(506)(도 12)와 같은 열가소성 엘리먼트(500)를 제작하는 것을 포함할 수 있다. 더욱이, 열가소성 엘리먼트(500)는 레이저 커팅(laser cutting), 또는 컴퓨터 수치제어를 매개로 하는 머시닝(예컨대, CNC 머시닝(machining)), 또는 다른 절삭 가공 기술과 같은 절삭 가공(subtractive manufacturing)을 이용해서 제작될 수 있다. 열가소성 시트(506)와 같은 열가소성 엘리먼트(500)의 제작은 상기한 바와 같은 하나 이상의 스캐너, 카메라, CMM들, 또는 다른 윤곽-측정 장치를 이용해서 제1 및 제2 결합면(302, 402)의 윤곽의 디지털 검사 또는 스캐닝의 도움으로 발생될 수 있는 열가소성 시트(506)의 컴퓨터 모델(530)을 이용할 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500)는 사출 성형(injection molding), 압축 성형(compression molding) 및 다른 기술과 같은 성형 기술을 이용해서 제작될 수 있다.
몇몇 예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500)(도 12)는 제1 열가소성 필름(306)(도 13) 및/또는 제2 열가소성 필름(406)(도 13)과 실질적으로 동일한 재료 또는 유사한 재료로 형성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 열가소성 엘리먼트(500)는 바람직하기는 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)의 결합면을 커버하는 저-용해 열가소성 필름과 동일한 열가소성 수지로 제작될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500)는 그렇지 않으면 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)의 형상 및/또는 무결성을 타협할 수 있는 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)를 연화시키는 것을 회피하기 위해 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)의 용융 온도 이하일 수 있는 유리 전이 온도를 갖춘 열가소성 재료로 형성될 수 있다.
방법(600)의 단계(608)는 선택적으로 열가소성 엘리먼트(500)를 첨삭적으로 가공하는 것(additively manufacturing)을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 14에 있어서, 열가소성 시트(506)는 각 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)의 제1 열가소성 필름(306) 상에 직접적으로, 및/또는 제2 열가소성 필름(406) 상에 직접적으로 첨삭적으로 가공될 수 있다. 첨삭 가공 기술은 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소 상에 직접적으로, 또는 각 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400)의 열가소성 필름(306, 406) 상에 직접적으로 열가소성 엘리먼트(500)를 커스텀-피팅(custom-fitting)할 수 있도록 한다. 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400) 상으로의 직접적 첨삭 가공은 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)를 조립하는 공정 동안 제1 및 제2 구성요소(300, 400)를 정렬하는데 요구되는 공구(tooling)의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 여기에 개시된 어떠한 실시예에 있어서, 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400) 상의 열가소성 필름은 에폭시 접착제(epoxy adhesive)의 층이고, 방법은 에폭시 접착제의 층 상에 직접적으로 열가소성 엘리먼트(500)를 첨삭적으로 가공하는 것을 포함할 수 있다. 첨삭 가공을 위한 상기한 기술 중 어느 하나는 제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소 상에, 또는 제1 및/또는 제2 열가소성 필름(306, 406) 상에 직접적으로 열가소성 엘리먼트(500)를 첨삭적으로 가공하기 위해 구현될 수 있다.
도 5의 방법(600)의 단계(610)는 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)를 열가소성 엘리먼트(500)와 조립하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 방법(600)은 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400)를 그 사이에 끼워진(sandwiched) 열가소성 엘리먼트(500)와 조립하는 것을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 열가소성 필름(306)과 제2 열가소성 필름(406)은 도 13에 도시된 바와 같이 열가소성 시트(506)의 각 제1 시트 표면(508) 및 제2 시트 표면(510)과 대면 접촉(face-to-face contact)으로 위치될 수 있다. 도 13은 열가소성 시트(506)의 시트 표면(508, 510)과 대면 접촉으로 구성요소를 조립하기 이전에 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 사이에 위치된 분리적으로-형성된 열가소성 시트(506)의 예를 나타낸다. 도 15는 제2 구성요소(400)의 제2 열가소성 필름(406) 상에 직접적으로 가공된 첨삭적으로 가공된 열가소성 시트(506)의 예를 나타낸다. 실시예에 있어서, 방법은 구성요소(300, 400) 중 하나 상에 열가소성 시트(506)의 부분을 첨삭적으로 가공하는 것과, 나머지 구성요소(300, 400) 상에 열가소성 시트(506)의 나머지 부분을 첨삭적으로 가공하는 것, 그리고 이어 함께 구성요소(300, 400)를 조립하는 것을 포함할 수 있어 열가소성 시트(506)의 두 부분이 서로 대면(도시되지 않았음) 접촉으로 위치된다. 방법은 선택적으로 조립된 상태에서 서로에 대해 고정된 관계로 구성요소(300, 400)를 유지하도록 조립 공구(528)(도 16)를 제작하는 것을 포함할 수 있다.
도 5의 방법(600)의 단계(612)는 열가소성 엘리먼트(500), 제1 열가소성 필름(306) 및/또는 제2 열가소성 필름(406)의 유리 전이 온도까지 열가소성 엘리먼트(500), 제1 열가소성 필름(306) 및/또는 제2 열가소성 필름(406)을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)은 열가소성 엘리먼트(500) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)이 동일한 유리 전이 온도를 갖는 경우 동일한 재료로 형성될 수 있다. 열가소성 엘리먼트(500)가 제1 열가소성 필름(306) 및/또는 제2 열가소성 필름(406)과는 다른 재료로 형성되면, 이때 구성요소(300, 400)를 함께 융합(fusing)하기 위해 요구될 수 있는 온도는 열가소성 엘리먼트(500) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)의 가장 높은 유리 전이 온도일 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500), 제1 열가소성 필름(306), 및/또는 제2 열가소성 필름(406)은 약 500℉ 온도까지 가열될 수 있다.
제1 구성요소(300) 및/또는 제2 구성요소(400)가 열가소성 재료로 형성되는 실시예에 대해, 열가소성 엘리먼트(500) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)이 가열되는 온도는 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)의 가장 낮은 용융 온도 이하로 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 열가소성 엘리먼트(500), 제1 열가소성 필름(306) 및/또는 제2 열가소성 필름(406)은 오토클레이브 또는 오븐에서 제1 및 제2 구성요소(300, 400)와 열가소성 엘리먼트(500)의 어셈블리를 위치시키는 것에 의해 가열될 수 있다. 다른 예에 있어서, 제1 열가소성 필름(306) 및/또는 제2 열가소성 필름(406)은 서로에 관하여 고정된 위치에 구성요소(300, 400)를 유지하는 조립 공구(assembly tooling; 528)(도 16)에 의해 가열될 수 있다. 열은 또한 적외선 가열, 방사 가열, 뜨거운-공기 가열, 또는 다른 가열 방법을 이용해서 인가될 수 있다.
도 5의 방법(600)의 단계(614)는 그 가열 동안 열가소성 엘리먼트(500), 제1 열가소성 필름(306) 및 제2 열가소성 필름(406)에 컴팩트한 압력(524)을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 도 16은 제1 및 제2 구성요소(300, 400)의 반대 측 상에 위치된 공구를 이용해서 열가소성 시트(506)에 대해 컴팩트한 압력(524)의 국소화된 인가의 예를 예시한다. 컴팩트한 압력(524)은, 예컨대 열가소성 시트(506) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)의 영역에 대해 컴팩트한 압력(524)을 인가하기 위해, 프레스(press)(도시되지 않았음)와 같은 기계적 수단에 위해 인가될 수 있다. 그러나 컴팩트한 압력(524)은 진공 배깅(vacuum bagging) 또는 다른 수단에 의해 인가될 수 있다. 컴팩트한 압력(524)은 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 사이에 끼워진 열가소성 시트(506)을 압축하는 방식으로 인가될 수 있다. 실시예에 있어서, 컴팩트한 압력(524)은 열가소성 시트(506)를 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)과 융합하는 것을 야기시키거나 용이하게 하는 레벨로 인가될 수 있다. 열가소성 시트(506)와 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)에 인가된 컴팩트한 압력(524)은 열가소성 프리프레그(206)를 열가소성 필름과 공동-통합하기 위한 통합 압력(522) 이하로 될 수 있다. 예컨대, 컴팩트한 압력(524)은 100 psi 이하로 될 수 있다.
도 5의 방법(600)의 단계(616)는 열과 컴팩트한 압력(524)의 인가에 응답하여 열가소성 엘리먼트(500), 제1 열가소성 필름(306) 및 제2 열가소성 필름(406)를 함께 융합하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 열은 열가소성 엘리먼트(500) 및/또는 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)을 처음에 연화시키기 위해 인가될 수 있다. 컴팩트한 압력(524)은 열의 인가 전 및/또는 동안, 또는 열가소성 엘리먼트(500)와 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)이 그들의 유리 전이 온도에 도달할 때, 인가될 수 있다. 선택적으로, 컴팩트한 압력(524)은 열이 제거되고 열가소성 엘리먼트(500) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)이 유리 전이 온도 이하로 능동적으로 및/또는 수동적으로 냉각된 후 연속적으로 인가될 수 있다. 열가소성 엘리먼트(500) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)을 함께 융합하는 것은 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 접합하는 열가소성 조인트(112)의 형성을 초래할 수 있다. 열가소성 엘리먼트(500) 및 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)을 함께 융합하고 냉각시킨 후, 어셈블리 공구(528)가 도 17에 도시된 통합된 구조적 어셈블리(100)에서 최종적으로 제거될 수 있다.
도 18을 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 구성요소 중 하나 이상이 원호형 표면(radiused surface)을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 18에 있어서, 제1 구성요소(300)의 제1 결합면(302)은 플랜지(108)와 웨브(110) 간의 전환부(transition)에서 제1 원호 표면(first radius surface; 304)을 포함할 수 있다. 제1 구성요소(300)가 일반적으로 평평한 제2 구성요소(400)와 조립될 때, 웨지-형상 갭(wedge-shaped gap)(도시되지 않았음)이 제1 원호 표면(304)의 위치에서 야기될 수 있다. 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 본딩하는 열가소성 조인트(112)의 강도를 개선하기 위해 열가소성 반경 필러(thermoplastic radius filler; 512)(도 21)로 웨지-형상 갭을 채우는 것이 바람직할 수 있다. 제1 원호 표면(304)이 일반적으로 일정한 반경의 볼록한 형상을 갖는 것으로 도시됨에도 불구하고, 제1 원호 표면(304)은 일정하지 않은 반경으로 형성될 수도 있다. 더욱이, 제1 구성요소(300)는 일반적으로 평평한 제2 표면으로 웨지-형상 갭을 초래할 수 있고, 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 본딩하는 열가소성 조인트(112)의 강도를 개선하기 위해 갭을 채우도록 열가소성 반경 필러(512)를 요구하는 각도를 이루는 표면(angled surface) 또는 면처리 표면(faceted surface)을 포함할 수 있다.
현재 개시된 방법은 제1 구성요소(300)와 제2 구성요소(400) 사이에서 웨지-형상 갭을 채우기 위해 열가소성 반경 필러(512)로서 열가소성 엘리먼트(500)를 형성하기 위한 수단을 제공한다. 예컨대, 열가소성 반경 필러(512)는 제1 구성요소(300)의 제1 원호 표면(304)의 윤곽과 일반적으로 평평한 제2 구성요소(400)의 제2 결합면(402)을 매치시키기 위해 형성될 수 있다. 열가소성 반경 필러(512)의 예가 한 쌍의 반경 필러 측면 표면(a pair of radius filler side surfaces; 514)과 반경 필러 베이스 표면(radius filler base surface; 516)을 갖춘 것이 도시된 도 21 및 도 22에서 보여질 수 있다. 각각 오목한 형상을 갖을 수 있는 반경 필러 측면 표면(514) 중 적어도 하나는 제1 구성요소(300)의 제1 원호 표면(304)의 볼록한 형상과 실질적으로 매치될 수 있다. 반경 필러 베이스 표면(516)은 실질적으로 평탄하고 및/또는 제2 결합면(402)의 제2 윤곽(404)과 매치되도록 윤곽지워질 수 있다.
도 18에 있어서, 열가소성 반경 필러(512)로서 열가소성 엘리먼트(500)를 생산하는 방법은 스캐너(520)를 이용해서 제1 구성요소(300)의 제1 원호 표면(304)을 스캐닝하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 제1 결합면(302)은 제1 열가소성 필름(308)을 포함할 수 있고, 제1 원호 표면(304)은 열가소성 필름(308)이 없을 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 결합면(302)은 제1 열가소성 필름(308)이 없을 수 있고 제1 원호 표면(304)은 열가소성 필름(308)을 포함할 수 있다. 제1 결합면(302) 또는 제1 원호 표면(304) 상에 열가소성 필름(308)의 존재 또는 부재와 관계없이, 스캐너는 제1 원호 표면(304)을 나타내는 윤곽 데이터를 발생시킬 수 있다. 방법은 윤곽 데이터를 발생시키기 위해 제2 결합면(402)의 윤곽을 스캐닝하는 것을 부가적으로 포함할 수 있다. 제2 결합면(402)의 윤곽이 일반적으로 평평한 것으로 도시됨에도 불구하고, 제2 윤곽(404)은, 제한 없이, 소정의 형상을 갖을 수 있고, 평평한 형상으로 제한되지는 않는다. 스캐너(520)는 제2 윤곽(404)을 스캔할 수 있고, 제2 윤곽(404)을 나타내는 윤곽 데이터를 발생시킬 수 있다. 제1 원호 표면(304)의 윤곽 데이터와 제2 결합면(402)의 윤곽 데이터는 도 20에 도시된 예와 유사한 열가소성 반경 필러(512)의 컴퓨터 모델(530)을 발생시키는데 이용될 수 있다.
도 19를 참조하면, 제1 구성요소(300)의 몇몇 실시예에 있어서, 제1 열가소성 필름(308)은 일반적으로 평평한 제1 결합면(302)에 적용될 수 있고 제1 원호 표면(304)의 일부분을 지나, 또는 제1 원호 표면(304)의 실질적으로 전체를 지나 연속적인 방식으로 연장될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 방법은 열가소성 필름(306)을 스캔하고 제1 원호 표면(304)과 제1 결합면(302)의 윤곽 데이터를 발생시키기 위해 상기한 바와 같이 소정 방식으로 스캐너(520)를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 스캐너(520)는 상기한 바와 같은 방식으로 제2 구성요소(400)의 제2 윤곽(404)을 스캔하고 윤곽 데이터를 발생시키기 위해 다시 이용될 수 있다. 제1 결합면(302) 및 제1 원호 표면(304)의 윤곽 데이터는 열가소성 시트(506)를 도 24에 도시된 열가소성 반경 필러(512)에 대한 구성과 유사한 열가소성 반경 필러(512)와 전체적으로 결합하는 열가소성 엘리먼트(500)의 컴퓨터 모델(530)을 발생시키기 위해 제2 결합면(402)의 윤곽 데이터와 결합될 수 있다. 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 도 24의 단일의 열가소성 엘리먼트(500)는 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)와 조립되고 전체 반경 필러(integral radius filler)를 갖춘 열가소성 조인트(112)을 형성하기 위해 융합될 수 있다.
도 20을 참조하면, 스캐너 데이터에 의해 발생된 컴퓨터 모델(530)은 열가소성 시트(506)를 생산하기 위한 상기한 방법 중 어느 하나에서 첨삭 또는 절삭 가공을 이용해서 열가소성 반경 필러(512)를 제작하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 모델(530)은 머시닝 기술과 같은 절삭 가공을 이용해서 열가소성 반경 필러(512)를 제작하는데 이용될 수 있다. 하나의 예에 있어서, 열가소성 반경 필러(512)는 벌크 재료(bulk material)로부터 가공될 수 있다. 대안적으로, 열가소성 반경 필러(512)는 실질적으로 컴퓨터 모델(530)의 윤곽을 복사하는 윤곽을 갖춘 몰드(mold)를 이용해서 성형 또는 주조(cast)될 수 있다.
도 21을 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 열가소성 반경 필러(512)는 제2 구성요소(400) 상에 직접적으로 첨삭적으로 가공될 수 있다. 예컨대, 열가소성 반경 필러(512)는 제2 구성요소(400)의 제2 열가소성 필름(406) 상에 첨삭적으로 가공될 수 있다. 대안적으로, 열가소성 반경 필러(512)는 제2 열가소성 필름(406)이 없는 제2 구성요소(400)의 일부분 상에 첨삭적으로 가공될 수 있다. 소정의 적절한 첨삭 가공 기술(예컨대, 3차원 프린팅, 스테레오리소그래피 등)은 제2 구성요소(400) 상에 열가소성 반경 필러(512)를 직접적으로 제작하기 위해 구현될 수 있다. 도시되지 않았음에도 불구하고, 열가소성 반경 필러(512)는 선택적으로 제1 구성요소(300)의 제1 반경 필러 상에 직접적으로 첨삭적으로 제작될 수 있다. 상기한 바와 같이, 제1 및/또는 제2 구성요소(300, 400) 상에 직접적으로 열가소성 반경 필러(512)를 첨삭적으로 가공하는 것은 조립 공정 동안 제1 및 제2 구성요소(300, 400)를 정렬시키기 위해 공구를 분리하기 위한 필요성을 유리하게 감소 또는 제거할 수 있다.
도 22를 참조하면, 제2 구성요소(400)에 제1 구성요소(300)를 조립하는 공정의 실례가 도시된다. 구조적 어셈블리(100)는 첨삭적으로-가공된 열가소성 반경 필러(512)를 포함한다. 그러나, 상기한 바와 같이, 열가소성 반경 필러(512)는 분리 구성요소(separate component)로서 절삭적으로-가공 또는 생산될 수 있고, 이어 도 13에 예시되고 상기한 공정과 유사하게 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)와 조립된다.
도 23을 참조하면, 제2 구성요소(400)에 접합된 제1 구성요소(300)를 포함하는 구조적 어셈블리(100)의 실시예가 도시된다. 도 16 및 도 17에 예시되고 상기한 공정과 유사한 조립 공정에서, 컴팩트한 압력(524) 및/또는 열이 도 23의 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)에 인가될 수 있다. 컴팩트한 압력(524)은 프레스(도시되지 않았음), 진공 배깅, 또는 열가소성 시트(506)에 압력을 인가하기 위한 다양한 다른 수단 중 어느 하나와 같은 기계적 수단에 의해 인가될 수 있다. 반경 블록(도시되지 않았음) 또는 진공 백(vacuum bag)(도시되지 않았음)은 선택적으로 컴팩트한 압력(524)의 인가 동안 열가소성 반경 필러(512)의 노출된 반경 필러 측면 표면(514)에 대해 횡적으로(laterally) 적용될 수 있다. 열은 컴팩트한 압력(524)의 인가 전에, 동안에, 또는 후에 인가될 수 있다. 열은 제1 및 제2 구성요소(300, 400)의 열가소성 필름이 함께 융합되는 것을 초래하고 선택적으로 제1 및 제2 열가소성 필름(306, 406)의 부분을 열가소성 필름(308, 406)과 접촉에 있는 열가소성 반경 필러(512)의 부분과 융합하기 위한 방식 및 온도로 인가될 수 있다.
도 24를 참조하면, 단일 구조물(518)로서 일체적으로 형성된 열가소성 반경 필러(512) 및 열가소성 시트(506)로 구성된 열가소성 엘리먼트(500)의 실시예가 도시된다. 상기한 바와 같이, 일체적 열가소성 시트(506)/열가소성 반경 필러(512)는 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)의 스캐닝 동안 발생된 윤곽 데이터를 이용해서 형성될 수 있다. 도 25는 일체적 열가소성 시트(506)/열가소성 반경 필러(512)와 제1 구성요소(300) 및 제2 구성요소(400)의 어셈블리를 예시한다. 조립 공정은 도 13에 에시된 열가소성 시트(506)와 관련하여 상기한 것과 유사할 수 있다. 대안적으로, 일체적 열가소성 시트(506)/열가소성 반경 필러(512)는 상기한 열가소성 반경 필러(512)의 첨삭 가공과 유사하게 제2 구성요소(400)의 제2 열가소성 필름(406) 상에 직접적으로 첨삭적으로-가공(additively-manufactured)될 수 있다. 열 및 컴팩트한 압력(524)은 제1 및 제2 구성요소(300, 400)를 일체적 열가소성 시트(506)/열가소성 반경 필러(512)와 융합하기 위해 인가될 수 있다.
도 26은 스킨(예컨대, 제2 구성요소(400))에 대해 연속되는 L-형상 보강재(back-to-back L-shaped stiffeners)를 접합하기 위한 열가소성 접합 공정의 구현을 예시한다. 도시된 바와 같이, 열가소성 반경 필러(512)의 대향하는 반경 필러 측면 표면(514)은 연속되는 L-형상 보강재의 대향하는 제1 원호 표면(304)과 접촉에 있게 된다. 도 27은 스킨(예컨대, 제2 구성요소(400))에 대해 Z-형상 보강재(Z-shaped stiffener)(예컨대, 제1 구성요소(300))를 접합하는 열가소성 반경 필러(512)와 함께 열가소성 조인트(112)를 포함하는 통합된 구조적 어셈블리(100)의 실시예를 예시한다. 도 28은 한쌍의 열가소성 반경 필러(512)를 갖춘 열가소성 조인트(112)를 포함하고 스킨에 대해 모자-형상 보강재(hat-shaped stiffener)를 접합하는 통합된 구조적 어셈블리(100)를 예시한다. 이해되는 바와 같이, 상기한 열가소성 결합 공정은 도면에 도시된 제1 및 제2 구성요소(300, 400)의 예를 접합하는 것에 제한되지는 않는다. 이와 관련하여, 열가소성 접합 공정은, 제한 없이, 소정의 크기, 형상 및 구성의 2 이상의 구성요소를 접합하기 위해 구현될 수 있다.
본 발명의 부가적인 변형 및 개선은 당업자에게 명백할 수 있다. 따라서, 여기서 설명되고 예시된 부품들의 특정 조합은 단지 본 발명의 소정의 실시예만을 나타내도록 의도되고 본 발명의 취지 및 범위 내에서 대안적 실시예 또는 장치의 제한으로서 기능하도록 의도되지는 않는다. 더욱이, 본 발명은 이하의 조항에 따른 실시예를 구비하여 구성된다:
조항 1
제1 윤곽을 갖는 제1 결합면을 갖춘 제1 구성요소를 제공하는 단계와;
제1 결합면에 접합되도록, 제2 윤곽을 갖는, 제2 결합면을 갖춘 제2 구성요소를 제공하는 단계; 및
각각 실질적으로 제1 윤곽 및 제2 윤곽과 매치되는 제1 엘리먼트 표면 및 제2 엘리먼트 표면을 갖춘 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계;를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 2
조항 1의 방법으로서,
제1 결합면의 제1 윤곽이 제2 결합면의 제2 윤곽과 불일치를 갖는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 3
조항 1의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
실질적으로 제1 윤곽 및 제2 윤곽과 매치되는 제1 시트 표면 및 제2 시트 표면을 갖춘 열가소성 시트를 생산하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 4
조항 1의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
제1 결합면 및 제2 결합면에 각각 적용된 제1 열가소성 필름 및 제2 열가소성 필름의 각 윤곽과 실질적으로 매치되는 대향하는 제1 및 제2 엘리먼트 표면을 구비하는 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 5
조항 1의 방법으로서,
제1 결합면이 제1 반경 표면을 포함하고, 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
제1 반경 표면 및 제2 결합면의 각 윤곽과 실질적으로 매치되는 반경 필러 측면 표면과 반경 필러 베이스 표면을 갖춘 열가소성 반경 필러를 생산하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 6
조항 5의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
열가소성 시트를 열가소성 반경 필러와 일체적으로 형성하는 단계를 갖추어 이루어지고;
열가소성 시트가 제1 윤곽 및 제2 윤곽과 실질적으로 매치되는 제1 시트 표면 및 제2 시트 표면을 갖게 되는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 7
조항 1의 방법으로서,
제1 윤곽 및 제2 윤곽을 결정하기 위해 제1 결합면 및/또는 제2 결합면을 스캐닝하는 단계를 더 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 8
조항 7의 방법으로서,
스캐닝하는 단계가:
디지털 스캐너, 카메라, CMM(coordinate-measuring machine), 또는 그 소정의 조합을 이용해서 스캐닝하는 것를 포함하는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 9
조항 1의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
첨삭 가공(additive manufacturing), 절삭 가공(subtractive manufacturing), 또는 그 조합을 이용해서 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 10
조항 1의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
제1 구성요소의 제1 열가소성 필름 또는 제2 구성요소의 제2 열가소성 필름 상에 직접 열가소성 엘리먼트를 첨삼적으로 가공하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 11
조항 1의 방법으로서,
제1 구성요소 및 제2 구성요소를 그 사이에 끼워진 열가소성 엘리먼트와 조립하는 단계와;
제2 구성요소에 제1 구성요소를 접합하는 열가소성 조인트를 형성하기 위해 열가소성 엘리먼트, 제1 열가소성 필름 및 제2 열가소성 필름을 함께 융합하는 단계;를 더 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 12
조항 11의 방법으로서,
융합하는 단계가:
적어도 그 유리 전이 온도까지 열가소성 엘리먼트, 제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름 중 적어도 하나를 가열하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 13
조항 11의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트가 열가소성 시트를 포함하고, 융합하는 단계가:
제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에 끼워진 열가소성 시트를 압축하는 단계를 포함하는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 14
조항 11의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소의 용융 온도 보다 더 낮은 유리 전이 온도를 갖춘 재료로부터 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계를 포함하는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 15
조항 11의 방법으로서,
열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름의 재료와 실질적으로 유사한 재료로부터 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계를 포함하는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 16
조항 1의 방법으로서,
제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소가 열경화성 재료 또는 열가소성 재료로 형성되는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 17
조항 1의 방법으로서,
제1 구성요소 및 제2 구성요소를 제공하는 단계가:
열가소성 필름을 열가소성 프리프레그의 플라이의 스택과 공동-통합하는 것에 의해 제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소를 형성하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 18
조항 1의 방법으로서,
제1 구성요소 및 제2 구성요소를 제공하는 단계가:
열가소성 필름을 열경화성 프리프레그의 플라이의 스택과 공동-경화하는 것에 의해 제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소를 형성하는 단계를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 19
제1 결합면에 적용된 제1 열가소성 필름을 갖춘 제1 구성요소를 제공하는 단계와;
제2 결합면에 적용된 제2 열가소성 필름을 갖춘 제2 구성요소를 제공하는 단계;
그 윤곽을 결정하기 위해 제1 및 제2 열가소성 필름을 스캐닝하는 단계;
제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름과 실질적으로 유사한 재료로부터, 제1 결합면 및 제2 결합면의 윤곽과 실질적으로 매치되는 제1 시트 표면 및 제2 시트 표면을 갖춘, 열가소성 시트를 생산하는 단계;
제1 구성요소 및 제2 구성요소를 그 사이에 끼워진 열가소성 시트와 조립하는 단계;
열가소성 시트, 제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름에 열 및 컴팩트한 압력을 인가하는 단계; 및
구조적 어셈블리를 형성하기 위해 제2 구성요소에 제1 구성요소를 접합하도록 열가소성 시트, 제1 열가소성 필름 및 제2 열가소성 필름을 함께 융합하는 단계;를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.
조항 20
제1 반경 표면을 포함하는 제1 결합면에 적용된 제1 열가소성 필름을 갖춘 제1 구성요소를 제공하는 단계와;
제2 결합면에 적용된 제2 열가소성 필름을 갖춘 제2 구성요소를 제공하는 단계;
제1 반경 표면 및 제2 반경 표면의 각 윤곽과 실질적으로 매치되는 반경 필러 측면 표면 및 반경 필러 베이스 표면을 갖춘 열가소성 반경 필러를 생산하는 단계;
제1 구성요소, 제2 구성요소 및 열가소성 반경 필러를 조립하는 단계;
열가소성 반경 필러, 제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름에 열 및 컴팩트한 압력을 인가하는 단계; 및
구조적 어셈블리를 형성하기 위해 제2 구성요소에 제1 구성요소를 접합하도록 제1 열가소성 필름, 제2 열가소성 필름 및/또는 열가소성 반경 필러를 함께 융합하는 단계;를 갖추어 이루어지는 구성요소를 접합하는 방법.

Claims (15)

  1. 제1 윤곽을 갖는 제1 결합면을 갖춘 제1 구성요소를 제공하는 단계와;
    제1 결합면에 접합되도록, 제2 윤곽을 갖는, 제2 결합면을 갖춘 제2 구성요소를 제공하는 단계; 및
    각각 실질적으로 제1 윤곽 및 제2 윤곽과 매치되는 제1 엘리먼트 표면 및 제2 엘리먼트 표면을 갖춘 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
    제1 윤곽 및 제2 윤곽과 실질적으로 매치되는 제1 시트 표면 및 제2 시트 표면을 갖춘 열가소성 시트를 생산하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
    제1 결합면 및 제2 결합면에 각각 적용된 제1 열가소성 필름 및 제2 열가소성 필름의 각 윤곽과 실질적으로 매치되는 대향하는 제1 및 제2 엘리먼트 표면을 구비하는 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 결합면이 제1 반경 표면을 포함하고, 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
    제1 반경 표면 및 제2 결합면의 각 윤곽과 실질적으로 매치되는 반경 필러 측면 표면과 반경 필러 베이스 표면을 갖춘 열가소성 반경 필러를 생산하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
    열가소성 시트를 열가소성 반경 필러와 일체적으로 형성하는 단계를 갖추어 이루어지고;
    열가소성 시트가 제1 윤곽 및 제2 윤곽과 실질적으로 매치되는 제1 시트 표면 및 제2 시트 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 윤곽 및 제2 윤곽을 결정하기 위해 제1 결합면 및/또는 제2 결합면을 스캐닝하는 단계를 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
    제1 구성요소의 제1 열가소성 필름 또는 제2 구성요소의 제2 열가소성 필름 상에 직접 열가소성 엘리먼트를 첨삭적으로 가공하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 구성요소 및 제2 구성요소를 그 사이에 끼워진 열가소성 엘리먼트와 조립하는 단계와;
    제2 구성요소에 제1 구성요소를 접합하는 열가소성 조인트를 형성하기 위해 열가소성 엘리먼트, 제1 열가소성 필름 및 제2 열가소성 필름을 함께 융합하는 단계;를 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    융합하는 단계가:
    적어도 그 유리 전이 온도까지 열가소성 엘리먼트, 제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름 중 적어도 하나를 가열하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    열가소성 엘리먼트가 열가소성 시트를 포함하고, 융합하는 단계가:
    제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에 끼워진 열가소성 시트를 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
    제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소의 용융 온도 보다 더 낮은 유리 전이 온도를 갖춘 재료로부터 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계가:
    제1 열가소성 필름 및/또는 제2 열가소성 필름의 재료와 실질적으로 유사한 재료로부터 열가소성 엘리먼트를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소가 열경화성 재료 또는 열가소성 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    제1 구성요소 및 제2 구성요소를 제공하는 단계가:
    열가소성 필름을 열가소성 프리프레그의 플라이의 스택과 공동-통합하는 것에 의해 제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소를 형성하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    제1 구성요소 및 제2 구성요소를 제공하는 단계가:
    열가소성 필름을 열경화성 프리프레그의 플라이의 스택과 공동-경화하는 것에 의해 제1 구성요소 및/또는 제2 구성요소를 형성하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성요소를 접합하는 방법.
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