KR20150081423A - 불균일 복합재 예비 성형체의 매칭된 툴 몰딩을 위한 순응층 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합재 재료로 만들어진 예비 성형체를 강화하기 위한 방법에 대한 것이다. 상기 예비 성형체와 금속 합금 시트가 더 낮은 순응성의 매칭된 대향면인 형성/성형 면들 사이에 배치되고, 상기 예비 성형체가 상기 금속 합금 시트와 상기 대향면들 중의 하나 사이에 샌드위치로 배치된다. 상기 매칭된 대향면들과 상기 금속 합금 시트를, 상기 예비 성형체가 그 강화 온도에 이를 때까지, 가열한다. 가열하는 동안에, 상기 매칭된 대향면들이 상기 예비 성형체와 금속 합금 시트에 압축력을 가할 수 있도록 상기 대향면에 힘을 작용한다. 상기 금속 합금 시트는 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 인장 항복점(tensile yield point)을 갖는다.

Description

불균일 복합재 예비 성형체의 매칭된 툴 몰딩을 위한 순응층{COMPLIANT LAYER FOR MATCHED TOOL MOLDING OF UNEVEN COMPOSITE PREFORMS}

본 발명은 일반적으로 복합재료로 만들어지는 부품의 제조에 대한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 공동(voids) 및/또는 공극(porosity)를 감소시키기 위하여 섬유 보강 플라스틱 재료(fiber-reinforced plastic material, 또한 여기서는 복합재 예비 성형체로도 지칭한다)로 만들어진 예비 성형체를 경화시키고 형성하기 위한 장치와 방법에 대한 것이다.

섬유 보강 유기 수지 매트릭스 복합재(fiber-reinforced organic matrix composite)는 높은 강성-무게비(strength-to-weight)나 높은 강도-무게비(stiffness-to-weight) 및 바람직한 피로 특성(fatigue characteristics)을 가지고 있어서 항공 우주 분야에서 금속에 대한 대체재로서 인기가 높아지고 있다. 유기 수지 복합재는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함한다.

수지 함침재는 연속되고, 직조한, 또는 절단한 보강 섬유를 미경화된 매트릭스 수지와 결합하고, 얇은 필름의 매트릭스를 갖는 섬유 시트를 통상 포함한다. 수지 함침재의 시트는 일반적으로 손으로 또는 섬유 적치 기계로 원하는 완성 부품의 형상으로 형상화된 성형면을 갖는 툴이나 다이 위에 직접 적치되거나, 상기 툴의 윤곽으로 상기 툴과 다이 위로 둘러쳐져 형성되는 평평한 시트로 적층된다. 그리고 나서, 상기 수지 함침재 적층에 있는 수지는 부품을 완성하기 위하여 고온고압기(즉, 압력 오븐)에서 진공 백 공정(vacuum bag process)으로 강화되어(즉, 공기, 가스나 증기를 제거하기 위하여 눌려져) 경화된다(즉, 통상 연쇄 연장반응을 통하여 최종 형상으로 화학적으로 전환된다).

고온 프레스 형성에 있어서, 상기 수지 함침재는 적층되고, (필요한 경우) 진공 백으로 처리되어, 완성된 부품의 내부, 외부 또는 둘 모두의 몰드 라인을 형성하는 표면을 형성하는 단계를 구비하는 매칭된 금속 툴들 사이에 놓이게 된다. 상기 툴과 복합재 예비 성형체는 프레스 내에 놓이고, 그 다음 상기 툴과 에비 성형체는 가압하에 가열되어 강화된 그물 형상 부품으로 생산된다.

유도 가열 강화 툴을 사용하여 복합재 예비 성형체를 강화하고 형성하는 기술은 공지되어 있다. 유도 가열은 전기 전도성 물체(통상 금속)가 전자기 유도에 의하여 가열되는 공정이다. 그러한 가열 동안에, 금속 내에서 맴돌이 전류(eddy currents)가 발생하게 되고, 금속의 전기 저항이 주울 발열(Joule heating)에 이르게 한다. 유도 가열기는 통상 전자석을 포함하는데, 이를 통하여 고주파 교류가 통과한다. 대부분 유기 매트릭스 복합재는 강화와 성형을 위하여 필요한 가열을 달성하기 위하여 복합재 예비 성형체 내에 또는 인접하게 서셉터(susceptor)를 필요로 한다. 상기 서셉터는 유도 가열되어 그 열을 주로 전도를 통하여 대향하는 서셉터 페이스 시트(opposing susceptor facesheets) 사이에 샌드위치된 상기 예비 성형체로 전달한다. 가압하의 가열 동안에, 복합재 예비 성형체의 많은 공동 및/또는 공극이 감소될 수 있다.

재생된 그래파이트 섬유(recycled graphite fibers)는, 경량 의자 뒷받침 요소와 같은 복합재 항공기 부품의 제조에 사용될 수 있다. 먼저, 재생 그래파이트 섬유와 순수 열가소성 수지를 사용하여 매트 제품이 제조되고; 그 다음 상기 매트 제품은 대향하는 서셉터 페이스 시트를 포함하는 매칭된 툴링(matched tooling)으로 강화되고 성형된다. 이러한 재생 그래파이트 섬유로 생산된 매트 제품은 더욱 헝클어지고 얽힌 섬유 구조를 보일 수 있다. 또한 이러한 제품은 바람직하지 않은 불균일성과 두께/밀도 변이를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 그래파이트 섬유가 헝클어져 있기 때문에, 열가소성 재료의 흐름을 촉진하지 못한다. 이러한 특성은, 매트 제품 전체에 걸쳐 두께와 밀도 분포가 균일하지 않다는 사실에 기인하여 최종 복합재 제품에 공동이나 공극의 형성을 초래하게 된다. 상기 공동이나 공극의 형성은, 상기 섬유가 헝클어져 있고 흐름이 제한되어 아주 효과적으로 공극을 치유(heal)할 수 없기 때문에 더욱 촉진된다. 심지어 수지 함침재는 그 두께와 밀도 분포에 있어서 어느 정도 변이가 있어서 수지 함침재 복합재의 매칭된 툴 성형 동안에 공동 및/또는 공극의 형성으로 이어질 수 있다.

따라서, 불균일 두께 및/또는 밀도 분포를 갖는 복합재 예비 성형체의 강화와 형성 동안에 발생되는 공동 및/또는 공극의 수를 감소시킬 수 있는 방법과 장치에 대한 필요가 대두되었다.

본 발명은, 재활용 그래파이트 섬유와 순수 열가소성 섬유를 포함하는 매트 제품과 같은, 불균일 두께 및/또는 밀도 분포를 갖는 복합재 예비 성형체의 강화와 형성 동안에 발생되는 공동 및/또는 공극의 수를 감소시킬 수 있는 방법에 대한 것이다. 이러한 방법은 매칭된 성형 툴(matched molding tools)을 포함하는 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 장치는, 강화 공정(consolidation process) 동안에 상기 예비 성형체의 전체 영역에 걸쳐 더욱 균일한 압력을 제공하기 위하여 상기 매칭된 성형 툴 중의 하나와 상기 복합재 예비 성형체 사이에 위치하는 순응층(compliant layer)을 추가로 포함한다. 상기 순응층은 예비 성형체의 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 오프셋 인장 항복점(offset tensile yield point, 스트레인의 0.2%)을 가져야 한다.

본 발명의 하나의 실시예에 따라, 마그네슘 기반 합금 시트가, 예컨대 재활용 그래파이트 섬유와 순수 열가소성 섬유를 포함하는 매트 제품과 같은, 복합재 예비 성형체의 영역에 걸쳐 불균일한 두께 또는 밀도에 대하여 보상하기 위하여 상기 순응층이나 끼움재(shim)로 작용하기 위하여 사용된다. 마그네슘 기반 합금은, 일부 마그네슘 합금이 열가소성 복합재의 성형과 강화를 돕기에 유용한 온도(즉, 315 ℃-400 ℃)에서 아주 연하게 되고 538 ℃ 이상에 이르기까지 녹지 않는 사실 때문에 고성능 열가소성 수지를 위한 순응층에 대한 우수한 후보가 된다. 복합재 예비 성형체의 강화 동안에 장치 내에서 온도와 압력이 증가할 때, 상기 마그네슘 합금 시트는 부드러워지고 비교적 낮은 압력의 영역으로 형성된다. 상기 마그네슘 합금 시트는 재료가 연성이 속성에 의해 재사용될 수 있다. 합금이 예비 성형체의 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 오프셋 인장 항복점(offset tensile yield point, 스트레인의 0.2%)을 가지면, 다른 합금이 마그네슘 기반 합금 대신에 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 감소된 공동 및/공극의 수를 갖는 복합재료로 만들어진 예비 성형체를 강화하기 위한 방법이 제공되어 있다. 상기 예비 성형체와 순응성 금속 합금 시트(compliant metal alloy sheet)는, 상기 금속 합금 시트와 매칭된 대향면들(matched confronting surfaces) 중의 하나 사이에 샌드위치되는 예비 성형체를 갖는 순응성 금속 합금 시트보다 더 낮은 순응성을 갖는 매칭된 대향면인 형성/성형 면들 사이에 위치된다. 상기 매칭된 대향면들은, 상기 예비 성형체가 상기 복합재 재료의 적어도 강화 온도에 이를 때까지 유도 가열(순응성 금속 합금시트를 전도로 가열)된다. 가열 동안에, 상기 매칭된 대향면들이 상기 예비 성형체와 금속 합금 시트에 충분한 압축력을 가하여 상기 복합재 재료가 강화 온도에서 강화되도록 힘이 작용된다. 상기 순응성 금속 합금 시트는 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 인장 항복점(tensile yield point, 스트레인)을 갖는다.

본 발명의 다른 실시예는 강화 온도에서 복합재 재료로 만들어진 예비 성형체를 강화하기 위한 장치로서, 매칭된 대향면들을 갖는 제1, 제2 툴 조립체;와, 강화 온도에서 분당 약 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 인장 항복점(tensile yield point, 스트레인)을 갖고 상기 매칭된 대향면들 사이에 배치된 금속 합금 시트; 상기 제1, 제2 툴 조립체의 적어도 매칭된 대향면들을 가열하기 위한 수단; 및 상기 매칭된 대향면들이 상기 예비 성형체와 금속 합금 시트에 충분한 압축력을 가할 수 있도록 상기 제1, 제2 툴 조립체 중의 하나 또는 둘 다에 힘을 작용하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 추가의 다른 실시예는 재생 그래파이트 섬유와 유기 수지 섬유로 만들어진 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법으로서, 제1, 제2 툴 조립체의 매칭된 대향면들 사이에 상기 예비 성형체와 금속 합금 시트를 배치하되, 상기 매칭된 대향면들이 상기 금속 합금 시트보다 더 낮은 순응성을 갖게, 배치하는 단계;가열 사이클 동안에 상기 제1, 제2 툴 조립체의 매칭된 대향면들과 상기 금속 합금 시트를 가열하는 단계; 및 상기 매칭된 대향면들이 상기 복합재 예비 성형체와 금속 합금 시트에 충분한 압축력을 가하여 하나의 매칭된 표면이 상기 복합재 예비 성형체의 하나의 측면에 열적인 결합을 이루게 하고, 상기 복합재 예비 성형체의 다른 측면이 상기 금속 합금 시트에, 그리고 상기 금속 합금 시트가 다른 매칭된 대향면에 열적인 결합을 이루도록 상기 제1, 제2 툴 조립체의 하나 또는 모두에 힘을 적용하는 단계를 포함한다. 상기 힘은 상기 가열 사이클의 적어도 일부 동안에 적용된다. 상기 금속 합금 시트는 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 인장 항복점(tensile yield point, 스트레인)을 갖는다.

본 발명의 다른 실시예는 이하에서 설명되고 청구범위에 기재될 것이다.

불균일 두께 및/또는 밀도 분포를 갖는 복합재 예비 성형체의 강화와 형성 동안에 발생되는 공동 및/또는 공극의 수를 감소시킬 수 있는 방법과 장치를 제공한다.

도 1은 종래 공지된 장치의 부분적인 단면을 나타내는 도면으로, 상기 장치는 복합재 예비 성형체를 강화하고 형성하도록 된 매칭된 표면을 갖는 상부 및 하부 툴 조립체를 포함한다. 상기 툴 조립체는 물러난 위치에 있고, 상기 예비 성형체는 압축되지 않은 상태를 나타낸다.
도 2는 도 1에 나타낸 장치의 단면도를 나타내는 것으로, 상기 툴 조립체는 확장된 위치에 있고, 상기 예비 성형체는 상기 툴 조립체 사이에서 압축된 상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하부 툴링 다이(lower tooling die)의 부분을 나타내는 측면도이다.
도 4는 도 3에 부분적으로 보인 하부 툴링 다이의 일부의 단면을 나타내는 도면으로, 이 단면은 도 3에서 선 4-4를 따른 것이다.
도 5는 물러난 위치에 있는 마주보는 한 쌍의 서셉터(susceptors) 사이에 미강화된 매트 제품이 놓인 것을 나타내고, 상기 매트 제품은 재생된 그래파이트 섬유와 순수 열가소성 섬유를 포함한다.
도 6은 확장된 위치에 있는 한 쌍의 서셉터 사이에서 강화된 매트 제품을 나타낸다.
도 7은 순응층과, 확장된 위치에 있는 한 쌍의 서셉터 사이에서 강화된 매트 제품을 나타내는 도면이다.
도 8은 2.5-3.5%의 알루미늄; 0.7-1.3%의 아연; 0.20-1.0%의 망간; 균형 마그네슘(balance magnesium)의 확학적 조성을 갖는 마그네슘 기반 합금의 인장 속성에 대한 온도의 영향을 나타내는 도면이다. 0.2% 영구변형 응력곡선(proof stress curve)은 0.2% 영구변형 응력에서 300℃를 초과하는 온도의 예상효과를 나타내기 위하여 "늘어남(ELONGATION)"이라는 라벨이 써진 수직축의 오른쪽으로 너머로 추정되었다.
도9는 상부 및 하부 툴 조립체와, 복합재 예비 성형체를 강화하는 데 사용되기 위하여 상기 상부 및 하부 툴 조립체 사이에 배치된 순응성 금속 합금 시트를 포함하는 시스템의 구성요소를 나타내는 블록 다이아그램이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 다양한 실시예를 설명한다. 다른 도면에서 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

불균일한 두께 및/또는 밀도 분포를 갖는 복합재 예비 성형체를 강화(consolidate)하고 성형/형성하기 위한 방법과 장치에 대하여 이하에서 자세히 설명할 것이다. 본 발명에 따른 방법에 따르면, 상기 복합재 예비 성형체와 하나의 가열된 강화 툴(consolidation tool) 사이에 순응층(compliant layer)이 놓인다. 상기 순응층은 강화 공정 동안에 불균일한 예비 성형체의 전체 영역에 걸쳐 성형 압력을 더욱 고르게 분포시키도록 되어 있다.

복합재 예비 성형체의 매칭된 툴 강화(matched tool consolidation)를 위한 공지된 장치가 도 1과 도 2에 부분적으로 도시되어 있다. 도 1은 강화 전 단계에 있는 장치를 나타내고, 도 2는 강화가 진행 중에 있는 동안의 장치를 나타낸다. 상기 장치는 하부 다이 프레임(2, lower die frame), 상기 하부 다이 프레임(2)에 의하여 지지되고 제1 곡면화 다이 표면(6)을 갖는 제1 툴 조립체인 하부 툴링 다이(4), 상부 다이 프레임(8, upper die frame), 및 상기 상부 다이 프레임(8)에 의하여 지지되고 제2 곡면화 다이 표면(12)을 갖는 제2 툴 조립체인 하부 툴링 다이(10)를 포함하고, 상기 제2 곡면화 다이 표면(12)은 상기 제1 곡면화 다이 표면(6)에 상응하게 되어 있다. 매칭된 대향면들인 상기 제1, 제2 곡면화 다이 표면(6, 12)은 도 1과 도 2에 도시된 것보다 복잡한 형상으로 되어 있을 수 있다. 그러나, 여기에서 공개된 신규한 수단은 다이 표면들이 평평한 면일 때에도 적용될 수 있다. 상기 상, 하부 다이 프레임(2, 8)은 서로를 향하여 또는 먼쪽으로 이동시킬 수 있는 유압 작동기(도 1과 도 2에는 도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 그리고, 하나 이상의 유도 코일(induction coils, 도 1과 도 2에는 도시되지 않음)이 각각의 상, 하부 툴링 다이(4, 10)를 통하여 연장되어 상기 예비 성형체에 있는 수지의 온도를 적어도 그 강화 온도까지 올리기 위한 유도 가열기를 형성할 수 있다. 열 제어 시스템(도면에는 도시 안됨)이 상기 유도 코일에 연결될 수 있다.

여전히 도 1과 도 2를 참조하면, 상기 장치는 전기적으로 그리고 열적으로 전도 재료로 만들어진 하부 서셉터(18, lower suceptor)와 상부 서셉터(20, upper suceptor)를 추가로 포함한다. 상기 서셉터와 유도 코일은 상기 서셉터가 전자기 유도(electromagnetic induction)에 의하여 가열될 수 있다. 상기 하부 서셉터(18)는 일반적으로 상기 제1 곡면화 다이 표면(6)에 일치하고, 상기 상부 서셉터(20)는 일반적으로 상기 제2 곡면화 다이 표면(12)에 일치한다. 어떠한 경우에, 복합재 예비 성형체가 강화되는 온도는 소정의 온도를 넘지 않는 것이 바람직하다. 이 점에서, 상기 서셉터(18, 20)는 바람직하게는 이른바 "스마트 서셉터"이다. 스마트 서셉터는 한계 온도(즉, 퀴리 온도)에 도달할 때까지 열을 효율적으로 생성하는 물질이나 물질들로 구성된다. 상기 스마트 서셉터의 부분이 상기 퀴리 온도에 도달할 때, 상기 스마트 서셉터의 부분의 자기 투과성은 상기 퀴리 온도에서 통합된다 (즉, 상기 서셉터가 상자성체로 된다). 이러한 자기 투과성의 감소는 2 가지 효과가 있는데, 이것은 상기 퀴리 온도에서 서셉터의 부분에 의한 열의 생성을 억제하고, 이것은 저온 부분으로 자속(magnetic flux)을 이동시켜 퀴리 온도 아래에 있는 상기 서셉터의 부분이 퀴리 온도까지 더욱 빠르게 가열되도록 한다. 따라서, 성형 동안에 가열된 예비 성형체의 열 균일성이, 상기 서셉터를 위한 재료를 신중하게 선택함으로써 유도로 공급된 입력 전력에 관계없이, 달성된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 각각의 서셉터는 자기적으로 투과가능한 재료로 된 층 또는 시트이다. 상기 서셉터를 구성하기에 바람직한 자기적으로 투과가능한 재료는, 상기 퀴리 온도보다 높은 온도로 가열될 때 자기 투과성에서 약 10배의 감소를 갖는 강자성체(ferromagnetic) 재료를 포함한다. 임계 온도에서 자기 투과성에서 그러한 커다란 감소는 상기 서셉터의 온도 제어를 촉진하고, 그 결과로 제조되는 부품의 온도 제어를 촉진한다. 강자성체 재료는 철, 코발트, 니켈, 가돌리늄(gadolinium), 디스프로슘(dysprosium) 및 그 합금을 포함한다.

도 1과 도 2에 보인 강화/성형 장치는 상기 상, 하부 툴링 다이(4, 10)에 분포된 각각의 냉각 도관(16) 세트를 포함하는 냉각 시스템(14)를 추가로 포함한다. 각각의 냉각 도관(16) 세트는 각각의 매니폴드를 통하여 냉각 매체원에 연결되는데, 상기 냉각 매체는 액체, 가스 또는 에어로졸이나 미스트같은 가스/액체 혼합물이 될 수 있다.

복합재 강화 및 성형 공정의 전형적인 실행에 있어서, 상기 복합재 예비 성형체(22)는 도 1에 보인 바와 같이, 초기에 적층된 툴링 장치의 상, 하부 툴링 다이 사이에 위치되어 있다. 그 다음, 유도 코일이 상기 서셉터(18, 20)를 가열할 때, 상기 툴링 다이(4, 10)는 도 2에 보인 바와 같이 서로를 향하여 이동된다. 따라서, 상기 툴링 다이가 서로에 대하여 가까와질 때 상기 서셉터는 상기 복합재 예비 성형체(22)를 급속하게 가열한다. 이러한 공정 동안에, 상기 복합재 예비 성형체는 상기 서셉터(18, 20)의 마주보는 만곡화(또는 평면) 표면에 의하여 성형될 것이다.

미리 정해진 시간 간격이 지나고 나서, 상기 냉각 시스템(14)이 상기 툴링 다이(4, 10)로 냉각 매체를 적용하기 위하여 작동될 것이고, 그리하여 상기 서셉터(18, 20)와 그 사이의 상기 예비 성형체(22)를 냉각하게 된다. 상기 복합재 예비 성형체(22)는, 상기 복합재 예비 성형체의 완전한 냉각에 이를 때까지, 미리 정해진 시간 동안 상기 서셉터 사이에 샌드위치되어 있다. 이것은 성형되고 경화된 복합재 예비 성형체(22)가 상기 서셉터(18, 20)의 만곡화 표면에 의하여 형성된 구조적인 형상으로 남을 수 있게 한다. 그 다음, 상기 툴링 다이는 개방되고, 상기 복합재 성형체가 꺼내진다. 성형되고 냉각된 상기 복합재 예비 성형체는, 적절한 특성-강화 비율로 냉각될 때 크기의 정확도에 손실없이 적층된 툴링 장치로부터 꺼내질 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 하부 툴링 다이(4)의 부분적인 측면도이다. 상부 툴링 다이는 이와 유사한 구조이다. 각각의 툴링 다이는 복수의 공동부(32)를 포함하고, 상기 공동부는 서로 평행하게 배치될 수 있다. 도 3은 단지 2 개의 공동부(32)를 보여주고 있는데, 각각의 공동부(32)의 상부는, 공동부(32)의 상부를 통과하여 지나가는 유도 코일(34)의 각각의 부분을 갖는다.

도 4에 보인 단면도는 도 3에서 선 4-4를 따라 자른 단면이고, 이 단면이 공동부(32)를 통과하여 지나가나 그 안에 있는 유도 코일(34) 부분을 통과하지는 않는다. 하나 이상의 코일이 사용될 수 있다. 제조되는 부품이 더 커지면, 각각의 코일에 필요한 전압을 제한하기 위하여 병렬로 연결된 복수의 코일로 나누는 것이 필요할 수도 있다. 상기 스마트 서셉터가 없는 경우에, 각각의 평행한 코일에 대한 전류의 제어(결국 온도의 제어)가 문제될 수도 있다. 단순하게 나타내기 위하여, 도 3과 도 4는 하부 툴링 다이의 부분을 나타내는데, 이에 대한 부착된 서셉터의 상응하는 부분은 기울어진 것이 아니라 수평으로 되어 있다.

여전히 도 3과 도 4를 참조하면, 상기 하부 툴링 다이는 교대로 반복되는 금속(예, 스테인레스강)판(28)과 유전체 스페이서(30, dielectric spacers)의 층을 포함할 수 있고, 상기 유전체 스페이서는 하나 이상의 유도 코일(34)이 배치되는 다수의 평행한 종방향 공동부(32)를 형성하도록 적당한 크기로 가공될 수 있다. 각각의 금속 플레이트(28)는 약 0.1588 내지 약 1.27 cm의 범위의 두께를 가질 수 있다. 공기 간극(36, 도 4)이 상기 서셉터의 냉각을 촉진하기 위하여 상기 금속 플레이트(28)의 상부 부분들 사이에 구비될 수 있다. 적층된 상기 금속 플레이트(28)는 클램프(도시 안됨), 패스너(도시 안됨) 및/또는 당업자에게 공지된 다른 적절한 수단을 사용하여 서로 부착될 수 있다. 적층된 상기 금속 플레이트(28)는 전기적 또는 열적인 속성에 기초하여 선택될 수 있고, 유도 코일에 의하여 생성된 전자기장에 대하여 투명하게 될 수 있다.

도 4에 잘 보인 바와 같이, 상기 스마트 서셉터(18)는 상기 하부 툴링 다이의 금속 플레이트(28)에 직접 부착된다. (도 1에 보인 상기 스마트 서셉터(20)는 마찬가지로 상기 상부 툴링 다이의 금속 플레이트에 직접 부착된다.) 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 상기 금속 플레이트(28)는 (비자성의) 오스테나이트 스테인레스강으로 만들어지고, 각각의 금속 플레이트는 0.47 cm의 두께이고, 이는 유도 가열기가 1 내지 3 kHz의 주파수에서 0.318 cm의 두께를 갖는 스마트 서셉터로 작동될 때 적당하다. 이러한 층 플레이트는 더 낮은 유도 가열기 주파수에 대해서는 0.47 cm의 두께보다 더 두꺼울 수 있고, 더 높은 주파수를 사용할 때에는 더 얇게 할 필요가 있다. 이러한 층은 그 사이에 간극(36)을 구비하여 냉각유체(기체 또는 액체)가 상기 가열된 서셉터(18)의 표면에 대하여 직접적인 작용이 가능하도록 할 수 있고 해야한다. 상기 간극은 상기 스마트 서셉터 표면 쉘(shell)의 두께와 강성 및 사용된 강화 압력에 의하여 유도된다. 추가로, 상기 서셉터는 서로에 대하여 전기적인 연결을 요구하지는 않는다. 상기 금속 플레이트(28)들 사이에는 상기 서셉터 근처와 냉각액이 상기 서셉터로 흐르게 하기 위해 필요한 구역을 제외하고 유전체 스페이서(30)가 놓여진다. 동일한 고려상황이 상기 상부 툴링 다이와 거기에 부착된 서셉터에 적용된다.

바람직하게는 각각의 유도 코일(34)은 경량으로 인발되는 구리 튜브로부터 제조된다. 구리 튜브의 경량 인발 조건은 수치제어되는 벤딩 기계에 의하여 정밀 벤딩을 가능하게 한다. 구리 튜브의 수치제어되는 벤딩은 서셉터의 변화하는 윤곽에 대하여 튜브의 정밀한 배치를 가능하게 하여, 각각의 서셉터가 서셉터의 길이와 폭을 넘어 유도 가열기에 균일하게 유도적으로 연결되는 정도를 향상시키게 된다. 그러나, 이하에서 설명되는 순응층은 상기 서셉터가 볼록하거나 오목한게 아니라 평면인 경우에도 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 선택적으로 상기 유도 코일(34)은 또한 물과 같은 냉각액을 위한 도관으로 작용함으로써 열 에너지를 제거한다. 굽혀지고 설치되고 나서 상기 유도 코일은 유연성 튜브 섹션에 의하여 연결된 직선 튜브 섹션을 구비한다. 상기 유연성 튜브 섹션은 상기 직선 튜브 섹션을 연결하고, 또한 상기 툴링 다이들을 분리될 수 있게 한다. 상기 유도 코일(34)의 튜브의 정밀한 배치는 자속에 의하여 발생된 열량과 냉각액의 흐름에 의하여 제거된 열량에서 균일성을 촉진한다.

미국특허 US6,528,771호에 공개된 바와 같이, 상기 유도 코일(34)은, 전원 공급부, 제어 요소, 센서 및 바람직하게는 물을 포함하는 냉각액 공급부를 구비하는 온도 제어 시스템에 연결될 수 있다. 상기 전원 공급부는 교류를 상기 유도 코일(34)에 공급하여 유도 코일이 전자기 자장을 생성할 수 있도록 한다. 상기 냉각액 공급부는 코일을 통한 순환을 위하여 그리고 상기 다이로부터 열 에너지를 제거하기 위하여 물을 상기 유도 코일(34)로 공급한다. 상기 센서는 상기 전원 공급부에 의하여 공급된 전력을 측정할 수 있다. 전력 공급을 측정하는 것과 다른 선택으로서, 또는 추가로, 상기 센서는 유도 코일(34)에 걸쳐 전압 강하를 측정할 수 있는 전압 측정기를 구비할 수 있다. 상기 제어 요소는 센서 출력을 받아들이고 측정값을 피드백 루프(feedback loop)에 사용하여 전원 공급부에 의하여 공급되는 전력을 조정하게 한다. 상기 제어 요소는 하드웨어, 소프트웨어, ROM 등에 저장된 펌웨어(firmware) 또는 그 조합을 구비하여 전원 공급부에 으해 출력된 전압을 조정하게 위하여 피드백을 사용할 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 시스템은, 상기 복합재 예비 성형체와 하나의 서셉터 사이에 순응층을 추가함으로써 예비 성형체의 크기에 걸쳐 불균일한 두께 및/또는 밀도를 갖는 복합재 예비 성형체의 처리를 촉진하는 향상할 수 있다. 예를 들어, 재생 그래파이트 섬유와 순수 열가소성 섬유를 포함하는 매트 제품으로부터 항공기 부품을 제조하는 것이 알려져 있다. 도 5는 물러난 위치에 있는 마주보는 한 쌍의 서셉터(18, 20) 사이에 있는 그러한 매트 제품(40, 미강화 상태)의 배치를 보여준다. 상기 매트 제품(40)은 매트화되고 헝클어진 섬유 구조와 바람직하지 않은 불균일성 및 두께/밀도 변이를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 그래파이트 섬유는 얽혀 있기 때문에 열가소성 재료의 흐름을 촉진하지 못한다. 도 6에 보인 바와 같이, 강화 공정의 끝에 있는 매트 제품(40)을 나타내는데, 이러한 특성은 최종 복합재 제품에 공동(42) 및/또는 공극의 형성을 초래할 수 있고, 이것은 두께와 밀도 분포가 매트 제품에 걸쳐 균일하지 않다는 사실에 기인한다. 상기 공동 및/또는 공극의 형성은, 상기 섬유가 얽혀 있고 흐름이 제한되어 공극을 아주 효과적으로 "치료"할 수 없다는 사실에 의하여 더욱 촉진된다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 강화 장치는 상기 강화 공정(consolidation process) 동안에 상기 예비 성형체의 전체 영역에 걸쳐 더욱 고른 압력을 제공하기 위하여 복합재 예비 성형체와 매칭된 성형 툴 중의 하나 사이에 위치된 순응층(compliant layer)을 추가로 포함한다. 상기 순응층은 예비 성형체의 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 오프셋 인장 항복점(offset tensile yield point, 스트레인의 0.2%)을 가져야 한다.

도 7에 보인 하나의 실시예에 따르면, 약 0.318 cm 두께의 마그네슘 기반 합금 시트(44)가, 재활용 그래파이트 섬유와 순수 열가소성 섬유를 포함하는 매트 제품(40)과 같은 복합재 예비 성형체의 영역에 걸쳐 불균일한 두께 또는 밀도에 대하여 보상하기 위하여 상기 순응층이나 끼움재(shim)로 작용하기 위하여 사용된다. 상기 매트 제품(40)과 상기 마그네슘 기반 합금 시트(44)는 확장된 위치에 있는 즉 성형 장치가 닫혀 있는 위치에 있는 한 쌍의 서셉터(18, 20) 사이에 샌드위치되어 있는 것으로 도시되어 있다. 마그네슘 기반 합금은 열가소성 복합재의 성형과 강화를 돕기에 유용한 온도(즉, 315 ℃ - 400 ℃)에서 아주 연하게 되고 538 ℃ 이상에 이르기까지 녹지 않는 성질 때문에 선택된다. 복합재 예비 성형체의 강화 동안에 장치 내에서 온도와 압력이 증가할 때, 상기 마그네슘 합금 시트(44)는 부드러워지고 비교적 낮은 압력의 영역으로 형성된다. 상기 마그네슘 합금 시트(44)는 재료가 연성이 속성에 의해 재사용될 수 있다.

더욱 구체적으로 살펴보면, 적당한 마그네슘 합금 시트 재료는 영국 맨체스터에 있는 마그네슘 엘렉트로 유케이(Magnesium Elektron UK)사로부터 상업적으로 입수가능한 엘렉트론 AZ31B 시트이다. AZ31B는 변성된 마그네슘 기반 합금이고 비자성이며 높은 열, 전기적 전도성을 갖고, 565 ℃ - 632 ℃ 범위의 녹는 온도 범위를 갖는다. AZ31B의 초소성 형성(superplastic forming)은 상기 예비 성형체 강화 공정 동안에 일어날 수 있다. 상기 AZ31B 마그네슘 기반 합금의 화학적 조성은 2.5-3.5%의 알루미늄; 0.7-1.3%의 아연; 0.20-1.0%의 망간; 균형 마그네슘(balance magnesium)이다. 도 8은 이런 특정한 조성을 갖는 마그네슘 기반 합금의 인장 속성에 대한 온도의 영향을 나타내는 도면이다. 0.2% 영구변형 응력곡선(proof stress curve)은 0.2% 영구변형 응력에서 300℃를 초과하는 온도의 예상효과를 나타내기 위하여 "늘어남(ELONGATION)"이라는 라벨이 써진 수직축의 오른쪽으로 너머로 추정되었다.

합금이 예비 성형체의 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 오프셋 인장 항복점(offset tensile yield point, 스트레인의 0.2%)을 가지면, 다른 합금이 마그네슘 기반 합금 대신에 사용될 수 있다. 다른 선택으로서, 다른 금속 합금이 위에 기술한 인장 항복 속성을 갖는다면 마그네슘과 다른 예컨대 알루미늄과 같은 기반 요소를 갖는 금속합금이 사용될 수 있다.

순응층(44)을 위에 설명한 타입에 결합시킨 시스템이 도 9에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 상기 순응층(44)은, 클램프, 패스너 또는 다른 공지의 수단(도 9에는 도시 안됨)에 의하여 상기 상부 툴링 다이(10)에 부착되어 있고, 상부 서셉터(20)는 상기 순응층(44)과 상기 상부 툴링 다이(10) 사이에 배치되어 있다. 다른 선택으로서, 상기 순응층(44)이 상기 하부 툴링 다이(4)에 부착되어 있고, 하부 서셉터(18)가 상기 순응층(44)과 상기 하부 툴링 다이(4) 사이에 배치될 수 있다. 복합재 예비 성형체의 강화 공정 동안에, 상기 상,하부 툴링 다이는 유압 작동기(46)에 의하여 서로를 향해 이동되고, 이러한 툴 폐쇄 이동은 도 9에서 화살표로 표시되어 있다. 앞에서 설명한 방식 대로 전원 공급부(48)에 의하여 전력이 유도 코일(도시 안됨)로 공급된다. 강화와 냉각 공정 후에, 상기 유압 작동기(46)는 상기 툴링 다이를 벌어지게 이동시켜서 성형 몰드로부터 강화된 제품의 제거를 가능하게 한다. 상기 순응층은 재사용될 수 있다.

위에서 설명한 형태의 순응층은 여기에서 설명한 매트 제품이 아닌 다른 복합재 예비 성형체의 강화 및 형성/성형에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 순응층은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 재료로 만들어진 매트릭스에 함침된 보강 섬유를 포함하는 복합재 예비 성형체의 강화에 사용될 수 있다.

본 발명에 대하여 다양한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 숙련된 자에게는 여러가지 변경이 가능하고 여기서 설명된 본 발명의 교시의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구성요소에 대한 균등물이 대체될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 서셉터가 없은 가열된 경화 툴과 함께 순응층이 사용될 수 있을 것이다. 상기 툴링 다이가 가열된 매칭 표면을 갖는 경우에, 상기 순응층은 그런 가열된 매칭 표면 중의 하나와 상기 복합재 예비 성형체 사이에 배치될 수 있다. 추가로, 여기서 설명된 본 발명의 교시의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시를 특정한 상황으로 적용하여 많은 변경이 이루어질 수도 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 청구범위는 여기에 설명된 특정한 실시예에 한정하려는 의도가 아님을 밝혀둔다.

아래에 설명하는 방법 청구항은, 거기에 설명된 단계가 알파벳 순서나 서술되는 순서로 실행되어야 하는 것으로 해석되어서는 안되고, 2 개 이상의 단계가 동시에 실행되는 것을 배제하는 것으로 해석되어서는 안됨을 밝혀둔다.

본 발명의 다른 실시예는 아래와 같다.

A16. 매칭된 대향면들이 순응성 금속 합금 시트보다 더 낮은 순응성을 갖도록 되어 있는, 복합재 예비 성형체와 순응성 금속 합금 시트를 제1, 제2 툴 조립체의 매칭된 대향면들 사이에 배치하는 단계;

가열 사이클 동안에 상기 제1, 제2 툴 조립체의 매칭된 대향면과 상기 금속 합금 시트를 가열하는 단계; 및

상기 매칭된 대향면들이 상기 복합재 예비 성형체와 금속 합금 시트에 충분한 압축력을 가하여 상기 복합재 예비 성형체의 하나의 측면이 상기 금속 합금 시트의 하나의 측면에 열적인 결합을 이루게 하고, 상기 복합재 예비 성형체의 다른 측면이 하나의 매칭된 대향면에 열적인 결합을 이루게 하고, 다른 매칭된 대향면은 상기 금속 합금 시트의 다른 측면에 열적인 결합을 이루도록 상기 제1, 제2 툴 조립체의 하나 또는 모두에 힘을 적용하는 단계를 포함하고, 상기 힘은 상기 가열 사이클의 적어도 일부 동안에 적용되고, 상기 금속 합금 시트는 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 인장 항복점(tensile yield point, 스트레인)을 갖는, 재생 그래파이트 섬유와 유기 수지 섬유로 만들어진 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.

A17. 상기 A16에 기재된 방법에 있어서, 상기 금속 합금 시트는 마그네슘 기반 합금으로 만들어지는 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.

A18. 상기 A17에 기재된 방법에 있어서, 상기 마그네슘 기반 합금의 화학적 조성은 마그네슘, 알루미늄, 아연 및 망간을 포함하는 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.

A19. 상기 A16에 기재된 방법에 있어서, 상기 금속 합금 시트는 알루미늄 기반 합금으로 만들어지는 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.

A20. 상기 A16에 기재된 방법에 있어서, 상기 금속 합금 시트는 강화 온도에서 아주 연성인 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.

2: 하부 다이 프레임 4: 하부 툴링 다이
6: 제1 곡면화 다이 표면 8: 상부 다이 프레임
10: 상부 툴링 다이 12: 제2 곡면화 다이 표면
14: 냉각 시스템 16: 냉각 도관
18: 하부 서셉터 20: 상부 서셉터
22: 예비 성형체

Claims (11)

1. 금속 합금 시트(44)보다 더 낮은 순응성을 갖는 매칭된 대향면들을 갖는 제1, 제2 툴 조립체의 상기 매칭된 대향면들 사이에 복합재 예비 성형체(22)와 금속 합금 시트(44)를 배치하되, 상기 복합재 예비 성형체(22)가 상기 금속 합금 시트(44)와 상기 매칭된 대향면들 사이에 샌드위치되도록 배치하는 단계;
   가열 사이클 동안에 상기 제1, 제2 툴 조립체의 매칭된 대향면들과 상기 금속 합금 시트(44)를, 상기 복합재 예비 성형체(22)가 복합재 재료의 적어도 강화 온도에 이를 때까지, 가열하는 단계; 및
   상기 매칭된 대향면들이 상기 복합재 예비 성형체(22)와 금속 합금 시트(44)에 충분한 압축력을 가하여 상기 복합재 재료가 상기 강화 온도에서 강화되도록 상기 제1, 제2 툴 조립체의 하나 또는 모두에 힘을 적용하는 단계를 포함하고, 상기 금속 합금 시트는 강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 인장 항복점을 갖는, 재생 그래파이트 섬유와 유기 수지 섬유로 만들어진 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 합금 시트는 마그네슘 기반 합금으로 만들어지는, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 마그네슘 기반 합금의 화학적 조성은 마그네슘, 알루미늄, 아연 및 망간을 포함하는, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 금속 합금 시트는 알루미늄 기반 합금으로 만들어지는, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 합금 시트는 강화 온도에서 아주 연성인, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재 재료는 매트 제품을 포함하는, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 매트 제품은 재생 그래파이트 섬유를 포함하는, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 매트 제품은 열가소성 섬유를 추가로 포함하는, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
9. 제6항에 있어서, 상기 복합재 재료는 그래파이트 섬유와 플라스틱 재료를 포함하는, 복합재 예비 성형체를 강화하기 위한 방법.
   
10. 강화 온도에서 복합재 재료로 만들어진 예비 성형체를 강화하기 위한 장치로서,
    매칭된 대향면들을 갖는 제1, 제2 툴 조립체;와,
    강화 온도에서 분당 약 1% 내지 10% 스트레인의 스트레인 비율로 1.70-20.4 기압(25-300 psi)의 범위에서 인장 항복점(tensile yield point)을 갖고 상기 매칭된 대향면들 사이에 배치된 금속 합금 시트(44); 및
    상기 제1, 제2 툴 조립체의 적어도 매칭된 대향면들을 가열하기 위한 수단;
    상기 매칭된 대향면들이 상기 예비 성형체(22)와 금속 합금 시트(44)에 압축력을 가할 수 있도록 상기 제1, 제2 툴 조립체 중의 하나 또는 둘 다에 힘을 작용하기 위한 수단;을 포함하는, 강화 온도에서 복합재 재료로 만들어진 예비 성형체를 강화하기 위한 장치.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 제1, 제2 툴 조립체 각각은 서셉터를 포함하되, 상기 서셉터(18, 20)는 상기 매칭된 대향면들을 형성하는, 강화 온도에서 복합재 재료로 만들어진 예비 성형체를 강화하기 위한 장치.

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