KR20150091309A

KR20150091309A - 저온 열가소성 필름 융해물을 사용한 복합재료 부품의 접합 방법

Info

Publication number: KR20150091309A
Application number: KR1020157012593A
Authority: KR
Inventors: 샤론 롱; 알렉산더 엠. 루빈; 스테판 알. 헤인즈
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-08-10
Also published as: JP6411359B2; WO2014088704A3; CA2888974A1; WO2014088704A2; KR102248479B1; EP2931497B1; BR112015012036B1; JP2015536265A; US20150298388A1; CA2888974C; BR112015012036A2; CN104822511A; EP2931497A2; BR112015012036A8

Abstract

복합 부재는 부재들 사이에서 열가소성 접합부를 형성하는 비결정형 열가소성 필름에 의해서 접합된다. 필름의 융해는 열경화성 복합 부재를 경화시키는데 충분한 비교적 낮은 온도에서 달성될 수 있으나, 부분 결정형부분 결정형부분 결정형융점 보다는 낮다.

Description

저온 열가소성 필름 융해물을 사용한 복합재료 부품의 접합 방법{Joining composite components using low temperature thermoplastic film fusion}

본 발명은 일반적으로 복합재료 구조체를 조립하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 열가소성 수지 필름 융해물을 사용한 복합재료 부품의 접합 방법에 관한 것이다.

항공우주 및 다른 응용예에 사용되는, 이에 한정하는 것은 아니지만, 기초재(substructures) 및 보강재와 같은 복합 적층 부재를 접합하기 위한 다양한 기술들이 공지되어 있다. 예를 들면, 열경화성 수지 적층체들은 동시 경화, 접착제 결합, 또는 기계적인 체결에 의해서 함께 접합될 수 있는 반면에, 열가소성 수지 적층체들은 용접, 용융 융해, 접착제 결합 및 기계적인 체결 등 여러 가지 형태로 함께 접합될 수 있다. 기계적인 체결은 그들의 첨가량은 물론 재료와 설치 비용 등의 이유로 일부 응용예에는 바람직하지 않을 수 있다.

특히 기계적인 체결 없는 열가소성 수지 적층체들의 접합은 도전해볼만 하다. 열가소제의 접착제 결합은 플라즈마 에칭 또는 노동 집약적인 사포질과 같은 시간을 들여서 개량된 공정을 사용해서 결합 표면의 넓은 표면 준비가 필요할 수 있다. 용접 기술은 특별한 장비, 부재 형상을 유지하기 위한 주문 제작한 조립 부품의 고정대 등이 요구되며, 결합라인에서 비교적 고온, 일반적으로 700℉에서 수행해야 하는데 이것은 예비 압밀화 부품의 재용해의 원인이 될 수 있다. 부품의 재용해는 형상 측면 및/또는 부품의 재료 특성 측면에서 불량한 변화를 가져올 수 있다.

두 개의 열가소성 적층 부재를 접합하기 위한 기존의 방법은, 이원 수지 결합으로 칭하며, 접합하고자 하는 부재의 결합 표면과 예비 압밀화되는 PEI(폴리에테르이미드) 필름의 용융층으로 이루어진다. 하지만, 이 방법의 적용은 475℉ 이상의 온도로 필름을 가열하여 PEI 필름의 용융이 요구되기 때문에 제한적이다. 예비 압밀화된 열가소성 적층 부재를 이러한 온도에서 가열하는 것은 불필요한 연질화, 변형 및/또는 부재의 용융 등이 발생한다.

따라서, 넓은 표면을 준비할 필요성을 줄이거나 제거하고, 비교적 낮은 온도에서 수행할 수 있으며 일반적인 열경화성 결합 접착제보다도 사이클 시간이 짧은 열가소성 및 열경화성을 포함하는 복합 부재를 접합하는 방법이 요구되고 있다. 또한, 열경화성 수지 적층체, 금속, 세라믹 및 기타 재료 등과 같이 이질적인 재료의 부재에 열가소성 복합 적층체의 접합이 가능한 상기 언급한 방법이 요구되고 있다.

개시한 구현예는 저온의 열가소성 필름 융해물을 사용하여 복합 부재를 일체형의 구조체로 접합하는 방법을 제공한다. 예비 압밀화된 열가소성 복합(TCP) 부재는 최소량의 표면 조제물과 함께, TCP의 용융 온도 이하인 비교적 낮은 공정 온도에서 접합될 수 있다. 결과적으로, 예비 압밀화된 TCP 부재의 불필요한 연질화 또는 재용융을 피할 수 있으며, 원래 부재의 형상과 품질을 유지하는 것이 가능하다. 접합 방법은 사이클 수, 재료 및 인건 비용을 줄임과 동시에 접착제로 결합할 필요성, 플라이의 박리, 넓은 표면 준비 및 정밀 검사, 특별한 처리 장비 및/또는 값이 바싼 결합 지그를 제거할 수 있다. 접합 방법은 500℉ 이하의 온도, 비교적 낮은 압력 하에서 열경화성 복합체를 처리하는데 사용되는 표준 기술을 사용하여 오븐 또는 오토클레이브에서 수행될 수 있다. 따라서, 개시된 방법은 열경화성 부재를 경화시키는데 필요한 처리 온도에서 열경화성 복합 부재에 TPC 부재를 접합하는 것이 가능하다. 항공 산업에서, 예를 들면, 제한없이, 예비 압밀화된 열가소성 기초재 및 보강재는 열가소성 부재를 재용융할 필요없이 열가소성 및/또는 열경화성 외판과 저온에서 접할될 수 있어 열가소성 부재의 원래 형상과 품질을 그대로 유지할 수 있다. 이 방법은 또한 하이브리드 적층체, 금속, 세라믹 및 다른 재료에 TPC 부재의 접합을 가능하게 한다. 열경화성 복합 구조체의 내충격성은 개시한 비결정형 열가소성 필름을 사용하여 열경화성 복합 부재를 접합하는 것에 의해 개선될 수 있으며, 충격, 쇼크 및/또는 진동에 의해서 발생된 에너지를 흡수할 수 있는 융해된 열가소성 접합부를 형성하게 된다.

개시한 구현예에 따르면, 두 개의 열가소성 부재를 접합하는 방법을 제공한다. 이 방법은 열가소성 프리프레그의 제1 스텍 위에 제1 비결정형 열가소성 필름을 배치하고, 상기 제1 비결정형 열가소성 필름과 상기 열가소성 프리프레그의 제1 스텍을 동시 압밀화하여 제1 열가소성 복합 부재를 생산하는 단계; 열가소성 프리프레그의 제2 스텍 위에 제2 비결정형 열가소성 필름을 배치하고, 상기 제2 비결정형 열가소성 필름과 상기 열가소성 프리프레그의 제2 스텍을 동시 압밀화하여 제2 열가소성 복합 부재를 생산하는 단계로 이루어진다. 추가로 상기 방법은 제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름을 서로에 대해 배치하는 것을 포함해서 제1 및 제2 열가소성 복합 부재를 조합하는 단계와, 제1 및 제2 열가소성 복합 부재에 압력을 인가하여 제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름을 서로에 대해 압축하는 단계; 및 제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름을 대략 475℉ 이하의 온도에서 융해시키는 단계로 이루어진다.

다른 개시된 구현예에 따르면, 열가소성 복합 부재를 열경화성 복합 부재와 접합하는 방법을 제공하며, 비결정형 열가소성 필름을 부분 결정형의 열가소성 프리프레그의 스텍과 동시 압밀화하여 제1 복합 부재를 형성하는 단계; 열경화성 프리프레그의 스텍으로 이루어진 제2 복합 부재를 형성하는 단계로 이루어진다. 상기 방법은 추가로 열경화성 프리프레그의 스텍에 대해 비결정형 열가소성 필름을 배치하는 것을 포함하는 제1 및 제2 부재를 조립하는 단계; 및 열경화성 프리프레그의 스텍을 경화하는 단계로 이루어진다.

다른 개시된 구현예에 따르면, 열가소성 복합 부재를 비열가소성 부재에 접착시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 비결정형 열가소성 필름을 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍과 동시 압밀화하는 단계; 비결정형 열가소성 필름을 비열가소성 부재에 대해 배치하는 것을 포함해서, 동시 압밀화된 비결정형 열가소성 필름과 열가소성 프리프레그의 스텍을 비열가소성 부재와 조립하여 조립품을 형성하는 단계로 이루어진다. 상기 방법은 추가로 비열가소성 부재에 대해 비결정형 열가소성 필름이 힘을 받도록 조립품에 압력을 인가하는 단계; 및 비결정형 열가소성 필름을 비열가소성 부재에 융해시키는 단계로 이루어진다.

추가 구현예에 따르면, 두 개의 열경화성 복합 부재의 접합 방법을 제공하며, 열경화성 프리프레그의 제1 스텍을 형성하는 단계; 열경화성 프리프레그의 제2 스텍을 형성하는 단계로 이루어진다. 상기 방법은 추가로 열경화성 프리프레그의 제1 스텍과 제2 스텍 사이에 열가소성 필름을 배치하는 단계; 및 열경화성 프리프레그의 제1 및 제2 스텍을 열가소성 필름과 함께, 열적으로 압밀화하는 단계를 포함한다.

다른 구현예에 따르면, 복합 구조체는 제1 및 제2 동시 경화된 열경화성 복합 적층체; 및 동시 경화된 열경화성 복합 적층체 사이에 있는 열가소성의 층으로 이루어진다.

추가로 개시된 구현예에 따르면, 복합 구조체는 열가소성 복합 적층체; 열경화성 복합 적층체; 및 열가소성 복합 적층체와 열경화성 복합 적층체를 접합하는 비결정형 열가소성 필름층으로 이루어져 있다.

또 다른 구현예에 따르면, 제1 열가소성 복합 부재를 제2 열가소성 복합 부재에 접합하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 제1 비결정형 열가소성 필름과 제1 섬유 보강 부분 결정형 열가소성 폴리머 매트릭스 복합 구조체를 대략 650℉를 초과하는 제1 온도와 대략 100 psi와 동등하거나 그 이상의 제1 압력하에서 동시 압밀화하여, 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 포함하는 제1 열가소성 복합 부재를 형성하는 단계로 이루어진다. 상기 방법은 또한 제2 비결정형 열가소성 필름과 제2 섬유 보강 부분 결정형 열가소성 폴리머 매트릭스 복합 구조체를 대략 650℉를 초과하는 제2 온도와 대략 100 psi와 동등하거나 그 이상의 제2 압력하에서 동시 압밀화하여, 제2 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 포함하는 제2 열가소성 복합 부재를 형성하는 단계로 이루어진다. 상기 방법은 제1 열가소성 복합 부재의 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면과 제2 열가소성 복합 부재의 제2 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 교합하는 단계; 및 제1 열가소성 복합 부재와 제2 열가소성 복합 부재의 손상없이 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면과 제2 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면이 결합하기에 충분한 시간 동안 제1 열가소성 복합 부재와 제2 열가소성 복합 부재를 대략 450℉와 500℉ 사이의 온도와 대략 14.7 psi과 150 psi 사이의 압력하에서 가열하는 단계로 이루어진다.

또 다른 구현예에 따르면, 열가소성 복합 부재를 미경화 열경화성 복합 부재에 접합하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 비결정형 열가소성 필름과 섬유 보강 부분 결정형 열가소성 폴리머 매트릭스 복합 구조체를 대략 500℉를 초과하는 온도와 대략 100 psi와 동등하거나 그 이상의 압력 하에서 동시 압밀화하여 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 가지는 열가소성 복합 부재를 형성하는 단계로 이루어진다. 상기 방법은 또한 열가소성 복합 부재의 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면과 미경화된 열경화성 복합 부재를 교합하는 단계로 이루어진다. 상기 방법은 또한 미경화된 열경화성 복합 부재를 경화시키고, 열가소성 복합 부재에 손상을 줌이 없이 거기에 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면이 결합되기에 충분한 시간 동안 제1 열가소성 복합 부재와 미경화된 열경화성 복합 부재를 대략 350℉의 온도에서 가열하고, 100 psi와 동등하거나 그 이하의 압력으로 서로 바이어스하는 단계로 이루어진다.

특징, 기능 및 이점들은 본 개시 내용의 다양한 구현예에서 독립적으로 달성될 수 있거나 다른 구현예에 병합될 수 있으며, 추가로 상세한 내용은 다음의 상세한 설명과 도면을 참고하여 살펴볼 수 있다.

도 1은 비결정형 열가소성 필름이 함께 접합되어 있는 열가소성 복합재료 부품을 가지는 일체형 복합재료 구조체의 다이아그램을 예시한 도면이다.
도 2는 도 1에 표시한 일체형 복합재료 구조체의 일부를 형성하는 열가소성 복합체 부품과 비결정형 열가소성 필름 중 하나 사이의 단면 경계면을 보여주는 현미경 사진의 도면이다.
도 3은 일체형 복합재료 구조체의 열가소성 복합재료 부품 사이에 융해된 단면 경계면을 보여주는 현미경 사진의 도면이다.
도 4-7은 도 1에 나타낸 일체형의 복합재료 구조체의 제조 방법을 나타낸 단면도, 다이아그램을 예시한 것이다.
도 8은 도 1에 나타낸 일체형의 복합재료 구조체를 제조 방법의 플로우 다이아그램이다.
도 9는 예비 압밀화된 열가소성 복합재료 스킨 위에 배치된 예비 압밀화된 열가소성 복합재료 모자형 스트링거의 단면도를 예시한 것이다.
도 10은 도 9와 유사한 도면으로서, 열가소성 필름과 함께 압축하기 위하여 설치되어 있는 스킨과 공구 위에 배치되어 있는 모자형 스트링거를 나타낸 도면이다.
도 11은 두 개의 예비 압밀화된 열가소성 복합재료 스킨으로 조립되어진 예비 압밀화된 열가소성 복합재료 I-빔의 단면을 예시한 것이다.
도 12는 도 11과 유사한 도면으로서, I-빔과 스킨이 조립되어 있고, 공구가 설치되어 있는 것을 예시한 것이다.
도 13은 열가소성 및 열경화성 복합재료 부품을 가지는 복합재료 구조체의 다이아그램을 예시한 도면이다.
도 14는 도 13에 나타낸 복합재료 구조체를 제조하는 방법의 플로우 다이아그램을 예시한 것이다.
도 15는 예비 압밀화된 열가소성 복합재료 스킨 위에 배치되어 있는 미경화된 열경화성 복합재료의 모자형 스트링거의 단면도를 예시한 것이다.
도 16은 도 15와 유사한 도면으로서, 스킨과 설치된 공구 위에 배치되어 있는 모자형 스트링거를 예시한 도면이다.
도 17은 열경화성 복합재료 스킨에 접합된 열가소성 복합재료 모자형 스트링거 외에 경화시 스킨의 형상을 유지하기 위한 공구의 단면도를 예시한 것이다.
도 18은 두 개의 미경화된 열경화성 복합재료 스킨에 접합된 예비 압밀화된 열가소성 복합재료 I-빔의 단면도를 예시한 것이다.
도 19는 비결정형 열가소성 필름에 의해서 함께 접합된 열가소성 복합재료 부품과 비열가소성 부품을 가지는 복합재료 구조체의 다이아그램을 예시한 도면이다.
도 20은 도 19에 나타낸 복합재료 구조체를 제조하는 방법의 플로우 다이아그램을 예시한 것이다.
도 21은 비결정형 열가소성 필름에 의해서 함께 접합된 두개의 열경화성 복합재료 부품을 가지는 복합재료 구조체의 다이아그램을 예시한 도면이다.
도 22는 도 21에 나타낸 복합재료 구조체를 제조하는 방법의 플로우 다이아그램을 예시한 것이다.
도 23은 항공기 제작 및 서비스 방법론의 플로우 다이아그램을 예시한 것이다.
도 24는 항공기의 블럭 다이아그램을 예시한 것이다.

예시적인 구현예의 특징으로 생각되는 새로운 특징 들을 첨부하는 청구범위에 설정한다. 하지만, 예시한 구현예들은 바람직한 사용 모드는 물론 그의 추가 목적 및 이점들이 첨부하는 도면과 관련하여 읽을 때 본 개시 내용의 예시적인 바람직한 구현예인 다음의 상세한 설명을 참고하면 가장 잘 이해될 것이다.

개시한 구현예들은 비교적 낮은 처리 온도에서 미세한 표면 가공을 수행할 수 있는 필름 융해 공정을 사용하여 열가소성 복합재료(TPC) 부품을 다른 부품에 접합하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 도 1-3과 관련해서, 한 구현예에 따르면, 일체형 TPC 구조체(30)는 제1 및 제2 TPC 부품(32,34)으로 이루어지며, 이들 각각은 융해된 열가소성 접합부(31)에 의해서 함께 접합된다. 열가소성 접합부(31)는 비결정형 열가소성 필름(36)으로 형성되며, TPC 부품(32,34) 중 어느 하나의 융점 보다 낮은 처리 온도에서 제1 및 제2 TPC 부품(32,34)을 효과적으로 융해시킨다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 TPC 부품(32,34) 각각은 섬유 보강재(48) 층이 열가소성 수지 매트릭스(39)(도 2 참조) 중에 유지되어 있는 통합된 열가소성 복합층으로 이루어져 있다. 섬유 보강재(48)는 단일 방향 또는 양방향 섬유, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, 미리 정해진 플라이 스케쥴(도시하지 않음)에 따라 원하는 섬유 배향으로 정렬된 유리 또는 탄소 섬유로 이루어질 수 있다. 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, TPC 부품(32,34) 각각은 비결정형 열가소성 필름(36) 층과 통합되는 적당한 열가소성 프리프레그 스텍으로부터 형성될 수 있다.

열가소성 폴리머는 비결정형 또는 부분 결정형일 수 있다. 비결정형 열가소성 폴리머는 분자 구조에서 배치 순서가 실질적으로 결핍되어 있는 반면에 부분 결정형 열가소성 폴리머는 결정형과 비결정형 영역을 모두 포함할 수 있다. 열가소성 폴리머의 결정도는 구조, 온도, 분자량, 입체 화학 및 처리 조건에 영향을 받는다. 부분 결정형 열가소성 폴리머는 용융 온도 Tm을 가지며, 이 온도에서 분자의 질서 영역이 깨지고 무질서하게 된다. 반대로 비결정형 열가소성 폴리머에서 분자의 비결정형 영역은 유리 전이 온도 Tg 라고 말하는 용융 온도 Tm 이하의 비교적 넓은 온도 범위에 걸쳐 연약하다. 열가소성 폴리머는 용융되지 않는 완전한 비결정형이므로 용융 온도 Tm을 가지지 않는다. 하지만, 모든 열가소성 폴리머는 유리 전이 온도 Tg를 나타낸다. 개시한 구현예에 따르면, 수지 매트릭스(39)(도 2)는 부분 결정형 열가소성 폴리머, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, 폴리아릴에테르케톤(PAEK)계, 즉 이에 한정하는 것은 아니지만, 단지 몇 가지만 대표해서 폴리에테르에테르케톤("PEEK")과 폴리에테르케톤케톤("PEEK") 및 폴리페닐술폰("PPS")일 수 있다. 수지 매트릭스(39)는 방금 위에서 언급한 부분 결정형 열가소성 폴리머를 포함하며, 대략 500℉ 이상, 대표적으로는 650℉ 이상의 용융 온도 Tm를 가질 수 있다.

비결정형 열가소성 필름(36)은 적용하기에 적합하게 대략 140℃ 이상, 대략 500℉ 이하의 유리 전이 온도 Tg, 기계적, 열적 및 물리적 특성을 가질 수 있는 비결정형 폴리머이다. 비결정형 열가소성 필름(36)으로서 사용하기 위해서 선택된 특정 폴리머는 부분 결정형 열가소성 폴리머 수지 매트릭스(39)와 상용성이 있어야 하고, 열가소성 부분을 처리하는데 일반적으로 사용되는 온도, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만 대략 650℉ 내지 대략 800℉ 사이에서 안정해야 한다. 한 구현예로서, 이하에서 기재하는 바와 같이, 제2 접합 공정을 통해 TPC 부품(32,34)을 제조하기 위하여, 통합하는데 필요한 온도에서 또는 그 온도 이상에서, 예를 들면, TPC 부품의 용융 온도 Tm, 일반적으로 대략 650℉ 내지 800℉ 사이의 범위에서, TPC 부품(32,34) 각각의 접합면과 함께 통합될 수 있는 특성을 보이는 비결정형 열가소성 필름(36)을 선택할 수 있다. 비결정형 열가소성 필름(36)은 대략 500℉ 이하의 온도에서 두 개의 비결정형 열가소성 필름을 함께 융해시켜서 TPC 부품(32,34)을 접합하는 특성을 보이므로, 접합 공정 중에 TPC 부품(32,34) 중 어느 하나를 재용융시킬 필요는 없다. 접합 공정 중에 TPC 부품(32,34)을 재용융시킬 필요성을 제거함으로써 TPC 부품(32,34)의 형상과 품질을 유지할 수 있다.

다른 구현예로서, 후술하겠지만, TPC 기재를 미경화된 열경화성 프리프레그(도시하지 않음) 또는 원하는 형상의 열경화성 프리프레그 위에 있는 에폭시 필름 접착제(도시하지 않음)의 층에 접합하는 것을 가능하게 하는 특성을 보이는 비결정형 열가소성 필름(36)이 사용될 수 있다. 열가소성 필름(36)은 열경화성 프리프레그의 경화 온도 또는 에폭시 필름 접착제의 경화 온도, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, 대략 350℉에서 TPC 기재를 미경화된 열경화성 프리프레그 또는 에폭시 필름 접착제의 층에 접합시킨다. 비결정형 열가소성 필름(36)은 거칠고, 단단하고, 비교적 고온의 가공 재료, 예를 들면, 이에 한정되는 것은 아니지만, 양호한 열안정성과 크리프(creep) 성능을 가지는 적당한 등급의 PES(폴리에테르술폰)으로 이루어질 수 있다. 비결정형 열가소성 필름(36)은 또한 180℃까지의 온도에서 장시간 동안 하중에 견디는 능력과 210℃까지 기계적인 특성을 보유하는 능력을 갖고 있다.

도 1-3에서 공통적으로, 각각의 TPC 부품(32,34)은 부분 결정형 열가소성 매트릭스(39)에 보유된 보강재(48)에 의해서 형성된 TPC 프리프레그의 압밀화된 스텍으로 이루어져 있다. 각각의 TPC 부품(32,34)은 접합면(37)(도 2)을 형성하는 비결정형 열가소성 필름(36)으로 덮혀 있고 예비 압밀화된 전면(33)을 포함한다. 비결정형 열가소성 필름(36)은 하나 이상의 비결정형 열가소성 재료층으로 이루어지며 서로 압밀화되어 특별한 응용예에 적당한 원하는 두께 "t" 를 형성할 수 있다. 한 응용예로서, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 두께 "t"는 대략 5mm와 7mm 사이일 수 있다.

그렇기 때문에 각각의 TPC 부품 전면(33)에는 전면(33)에 있는 어떤 크랙, 개구부 또는 공극(35)을 채울 수 있는 비결정형 열가소성 수지가 농축되어 있다. TPC 부품(32,34)의 전면(33)에 예비 압밀화된 비결정형 열가소성 필름(36)은 앞에서 설명한 타입일 수 있다. TPC 부품(32,34)의 접합면(37)(도 2)이 면대면으로 조립 및 압축될 때, 그리고, 비결정형 열가소성 필름(36)이 도 3에서 보는 바와 같이 함께 융해될 때, TPC 부품(32,34)을 접합하는 융해된 열가소성 접합부(31)가 형성된다.

이하에서 설명하는 바와 같이, 비결정형 열가소성 필름(36)은 예비 압밀화 공정 중에 부분 결정형 수지(39)의 용융 온도 Tm에서 상응하는 TPC 부품(32,34)과 각각 압밀화된다. 그러나, 예비 압밀화된 TPC 부품(32,34)은 비결정형 열가소성 필름(36)의 유리 전이 온도 Tg 이상의 온도, 그러나, 실질적으로는 부분 결정형 열가소성 수지(39)의 용융 온도 Tm의 이하의 온도로 TPC 구조체(30)를 가열하는 것에 의해 함께 연속해서 접합된다. 추가로 제작 및/또는 조립 공차를 고려하기 위해서 비결정형 열가소성 필름(36)의 층(도시하지 않음)이 TPC 부품(32,34)이 조립되어질 때, 접합면(37) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 필름(36)의 추가적인 층은 TCP 부품과 예비 압밀화되는 필름 층과 함께 융해될 것이다.

도 4-7과 관련해서는 최소한의 표면 준비가 요구되고 기존의 오븐, 진공 백(vacuum bagging) 및/또는 오토클레이브 공정을 사용하여 수행될 수 있는 일체형의 TPC 구조체(30)(도 1)의 제조를 그래픽 형태로 예시한 것이다. 도 4에 예시한 바와 같이, 부분 결정형 TPC 프레그의 스텍(32a)이 조립되어 있으며, 그 다음에 비결정형 열가소성 필름(36a)이 스텍(32a)의 전면(33)에 배치된다. TPC 프리프레그의 조립된 스텍(32a)과 필름(36a)은 최소한 TPC 프리프레그의 용융 온도로 가열되고, 동시에 오토클레이브 공정 또는 오븐 내에서의 진공 백 공정과 같은 기존의 기술을 이용하여 압밀화 압력으로 처리된다. TPC 프리프레그를 그의 용융 온도로의 가열은 또한 비결정형 열가소성 필름(36a)를 연질화하고, 도 5에 예시한 바와 같이, 인가된 압력은 TPC 프리프레그의 조립 스텍(32a)과 필름(36)이 함께 압밀화되는 결과를 가져온다. 제2 TPC 부품(34)은 바로 상기에서 설명한 제1 TPC 부품(32)과 동일한 방식으로 조립되고 예비 압밀화되어진다.

상기에서 설명한 예비 압밀화되어진 TPC 부품(32,34) 각각에서, TPC 부품(32,34)는 도 6에 나타낸 바와 같이 비결정형 열가소성 필름(36a,36b)에 의해서 형성된 접합면(37)을 부품(32,34) 위에 서로 면대면으로 접촉하도록 배치하는 것에 의해서 조립되어진다. 서로 조립되어진 두 개의 TPC 부품(32,34)에 대해, 이들은 그 다음에 가열되고 도 7에 나타낸 바와 같이 압밀화 압력으로 처리된다. 두 개의 TPC 부품(32,34)은 최소한 필름(36a,36b)의 유리 전이 온도 Tg로 가열되지만, 실질적으로 부분 결정형 TPC의 용융 온도 Tm 이하이다. 예를 들어, 두 개의 TPC 부품(32,34)은 대략 418℉과 대략 500℉의 사이의 온도로 가열된다. 여기서, 필름(36a)의 유리 전이 온도 Tg는 약 418℉이다. 도 4-7과 관련해서 설명한 접합 공정은, 두 개의 TPC 부품(32,34)이 예비 압밀화되고 두 개의 비결정형 열가소성 필름(36a,36b)이 압축 및 압밀화하는데 단지 충분한 압력이 필요하므로 필요한 압밀화 압력을 적용하는데 필요한 연장만을 사용하여 수행할 수 있다.

도 8은 제1 및 제2 TPC 부품(32,34)를 함께 접합하는 방법의 전체 단계를 예시한 것이다. 단계(38)에서 시작하며, 앞에서 설명한 바와 같이 생산되는 제1 TPC 부품(32)은 비결정형 열가소성 필름(36a)이 부분 결정형 TPC 프리프레그의 제1 스텍(32a)과 동시 압밀화하는 것으로 이루어진다. 단계(40)에서, 제2 TPC 부품(34)이 생산되며, 제2 비결정형 열가소성 필름(36b)이 부분 결정형 TPC 프리프레그의 제2 스텍(32b)과 동시 압밀화되는 것으로 이루어진다. 단계(42)에서, 필름(36a,36b)을 함께 접합면(37)에 면대면 접촉으로 배치하는 것에 의해서 제1 및 제2 TPC 부품(32,34)이 조립된다. 도 8에 도시하지는 않았지만, 비결정형 열가소성 필름(36)의 추가 층을 조립 공차를 고려해서 단계(38,40)에서 접합면(37) 중 어느 하나 또는 둘 모두와 동시 압밀화할 수 있다. 그 다음에, 단계(44)에서, 비결정형 열가소성 필름이 제1 및 제2 TPC 부품(32,34)에 압력을 인가하는 것에 의해서 함께 압축된다. 최종적으로 단계(46)에서, 비결정형 열가소성 필름(36a,36b)은 대략 500℉의 온도 이하인 유리 전이 온도 Tg 이상의 온도로 필름(36a,36b)을 가열하는 것에 의해서 함께 융해된다.

다음은 도 9와 10과 관련해서, 앞에서 설명한 타입의 비결정형 열가소성 필름을 사용하는 두 개의 부분 결정형 TPC 부품의 개시한 접합 방법의 한가지 전형적인 응용예를 예시한 것이다. 이 실시예에서, 두 개의 부분 결정형 TPC 부품은 각각 모자형의 TCP 스트링거(50)와 TCP 스킨(56)으로 이루어져 있다. 예시한 실시예에서, 스트링거(50)와 스킨(56)은 실질적으로 직선이지만, 다른 실시예에서는 응용예에 따라서 하나 또는 그 이상의 곡선 또는 윤곽선을 가질 수 있다. 스트링거(50)는 한 쌍의 측면으로 확장된 플랜지(52,54)를 포함하고 있으며, 여기에는 비결정형 열가소성 필름(36a)이 도 4-8와 관련해서 앞에서 기재한 제조 공정에서 예비 압밀화되어 있다. 이와 유사하게, 한 쌍의 공간을 두고 떨어져 있는 비결정형 열가소성 필름(36b)이 스킨(56)과 예비 압밀화되어 플랜지(52,54)와 일직선을 이루고 있다. 스트링거(50)와 스킨(56)은 그들 각각의 필름(36a,36b)과 예비 압밀화되고, 그 다음에 비결정형 열가소성 필름(36a,36b)이 정렬되고 서로 면대면으로 접촉하도록 스트링거(50)는 스킨(56) 위에 배치되어진다.

특히, 도 10과 관련하여, 제2 접합 공정을 수행하기 위해서 준비과정에서 단순한 상부 및 하부 공구(58,60)가 각각 플랜지(52,54)와 스킨(56)의 저면부 위에 배치되어 있다. 여기서 스트링거(50)는 필름(36a,36b)과 함께 융해되어 스킨(56)에 접합되어 있다. 상부 및 하부 공구(58,60)은 비결정형 열가소성 필름(36a,36b)이 위치하는 영역에서 단지 플랜지(52,54)와 스킨(56)과 접촉하기 위해서만 필요하다는 점에 주목해야 한다.

필름(36a,36b)은 대략 500℉ 이하의 온도, 하지만 완전히 압밀화된, 부분 결정형 TPC 스트링거(50)와 스킨(56)의 용융 온도 Tm의 이하인 최소한 유리 전이 온도에서 가열된다. 비록 적외선 가열, 가열 공구 또는 다른 기술을 사용하여 필름(36a,36b)의 영역에 국부적인 열을 적용할 수 있을지라도, 이러한 가열은 조립된 스트링거(50)와 스킨(56)을 오토클레이브 또는 오븐에 배치하는 것에 의해 달성될 수 있다. 필름(36a,36b)을 함께 압축하여 그들을 유리 전이 온도 Tg 이상으로 가열시켜서 융해시키기 위해 상부 및 하부 공구(58,60)는 어떤 적당한 수단에 의해서 인가되는 압밀화 압력(62)에 의해서 함께 힘을 받는다. 필요한 압밀화 압력(62)은 프레스(도시하지 않음) 또는 진공 백 및/또는 오토클레이브 압력과 같은 기계적인 수단을 이용하여 공구(58,60)에 인가될 수 있다. 두 개의 필름(36a, 36b)을 함께 압밀화하는데 비교적 낮은 압력 수준, 예를 들면, 대략 100 psi와 동등하거나 낮은 압력이 요구될 수 있다.

도 11과 12는 두 개의 부분 결정형 TPC 스킨(56a,56b)과 함께 완전히 압밀화된 부분 결정형 TPC I-빔을 접합하는 방법의 다른 응용예를 예시하고 있다. 각각의 I-빔은 중앙 웨브(66)로 연결되어 있는 한 쌍의 공간을 두고 떨어져 있는 플랜지 또는 캡(68)을 포함하고 있다. 도 11에 잘 나타나 있는 바와 같이, I-빔(64)과 스킨(56a,56b)은 미리 제조된 것이고, 다음에 개시한 방법에 따라 비교적 낮은 처리 온도와 압력에서 2번째 접합 조작으로 함께 접합한다. 각각의 I-빔(64)은 레이업하고 TPC 프리프레그를 형성하는 것에 의해 미리 제조하고, 다음에 비결정형 열가소성 필름(36a)을 각각의 캡(68) 위에 배치한다. 필름(36a)은 다음에 앞에서 설명한 바와 같이 빔(64)과 동시 압밀화되고, TPC I-빔 레이업이 일반적으로 약 650℉ 또는 그 이상의 용융 온도로 가열되고, 비결정형 열가소성 필름(36a)을 따라서 TPC 레이업이 압밀화되도록 압밀화 압력이 적당한 공구(도시하지 않음)를 통해서 인가된다. 부분 결정형 TPC 스킨(56a,56b)은 유사한 방식으로 제조된다. 스킨(56a,56b)은 TPC 프리프레그의 스텍을 이용하여 레이업되고, 비결정형 열가소성 필름(36b)은 빔(64)이 스킨(56a,56b)에 접합되어지는 장소에서 스킨(56a,56b)에 인가된다. 스킨(56a,56b)과 필름(36b)은 그 다음에 어떤 적당한 수단을 사용하여 압밀화 압력으로 처리되어진 TPC 프리프레그의 용융 온도로 TPC 프리프레그 레이업과 필름(36b)을 가열하는 것에 의해 동시 압밀화된다. 주목해야 할 점은 I-빔(64)이 한 쌍의 스킨(56a, 56b)에 접합되어지는 것으로 나타내었지만, 다른 실시예에서, I-빔(64)은 단일의 스킨(56)에만 접합될 수 있다. 더욱이 캡, 플랜지 또는 다른 단면 형상을 가지는 다른 복합재료의 표면이 개시된 방법을 이용하여 하나 이상의 복합재료 스킨과 비결정형 열가소성 필름(36)에 접합될 수 있다.

도 12와 관련하여, 도 9와 10에 나타낸 응용예와 유사하며, 압밀화 압력(76)을 조립된 I-빔(64)과 스킨(56a,56b)에 인가하기 위하여 비교적 단순한 상부 및 하부 공구(70,72)를 이용하여 I-빔(64)이 스킨(56a,56b)에 접합되어 있다. 압밀화 압력(76)은 프레스(도시하지 않음), 진공 백 및/또는 오토클레이브 프레싱과 같은 기계적인 수단을 이용하여 공구(70,72)에 인가될 수 있다. 필요한 열은 국부적인 열의 적용을 이용하거나, 또는 오븐이나 오토클레이브 내에서 달성할 수 있다. I-빔(64)과 스킨(56a,56b)은 예비 압밀화되어 있으므로 부분 결정형 열가소성 필름(36a,36b)의 압밀화를 가져오기 위해 단지 충분히 인가된 압력이 요구된다. 예를 들면, 대략 100psi과 동등하거나 그 이하이다. 이와 유사하게, I-빔(64)과 스킨(56a,56b)은 예비 압밀화되어 있으므로 압밀화된 부분 결정형 TPC를 그의 용융 온도로 재가열할 필요가 없지만, 오히려 대략 475℉ 이하의 유리 전이 온도로 필름(36a,36b)을 가열할 필요는 있다. 추가로, I-빔(64)과 스킨(56a,56b)이 모두 예비 압밀화되어 있으므로, I-빔(64) 또는 스킨(56a,56b) 중 어느 하나를 형성 또는 압밀화하는데 고가 및/또는 복잡한 공구가 필요하지 않다. 선택적으로, 웨브(66)의 불필요한 변형을 회피하고 I-빔(64)을 통해서 인가된 하중을 보다 더 효과적으로 필름(36a,36b) 사이의 경계면으로 전달하기 위해서 웨브(66)의 각 측면에 측면 공구(74)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

도 13과 관련하여, 비결정형 열가소성 필름을 채택하는 개시된 접합 방법은 열경화성 복합재료 부품(82)의 경화 온도에서 부분 결정형 TPC 부품(80)을 열경화성 복합재료 부품(82)에 접합시켜서 복합재료 구조체(78)를 제조하는데 사용될 수 있다. 일반적으로 열경화성 복합재료 부품(82)이 경화하는 온도는 부분 결정형 TPC 부품(80)의 유리 전이 온도 Tg 이하, 일반적으로는 대략 400℉ 이하이다. 비결정형 열가소성 필름(84)은 부분 결정형 TPC 부품(80)의 경화 온도에서 유리와 같이 남는다. 부분 결정형 TPC 부품(80)의 매트릭스를 형성하는 수지는 경화시 최소 점도에 도달하며, 비결정형 열가소성 필름(84)에 대해 우수한 친화력을 갖는다. 이러한 친화력 때문에, 열경화성 수지는 비결정형 열가소성 필름(84)의 표면을 적신다. 경화시, 비결정형 열가소성 필름(84)과 부분 결정형 TPC 부품(80)의 열경화성 수지 사이에서 강한 결합이 얻어져, 부분 결정형 TPC 부품(80)과 열경화성 부품(82) 사이에서 융해된 열가소성 접합부(31)가 생성된다. 어떤 구현예에서, 비결정형 열가소성 필름으로 열경화성 수지의 일부 분산이 발생할 수 있으며, 이것은 결합을 증강시킬 수 있다.

도 14는 TPC 부품(80)을 열경화성 부품(82)과 접합하는 방법의 전체 단계를 예시한 것이다. 단계(86)에서 시작하고, 제1 복합재료 부품(80)은 비결정형 열가소성 필름(36)과 TPC 프리프레그의 스텍을 동시 압밀화하여 형성된다. 단계(88)에서, 열경화성 제2 복합재료 부품(82)은 예를 들어 열경화성 복합재료 프리프레그의 스텍을 레이업하는 것에 의해 형성된다. 열경화성 복합재료 프리프레그는, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, 탄소 섬유와 같은 단방향 또는 양방향을 보강하는 에폭시와 같은 열경화성 수지로 이루어지며, 다른 열경화성 수지와 섬유 재료도 가능하다. 일반적으로 열경화성 수지는 대략 400℉ 이하, 예를 들면 대략 350℉ 이하의 경화 온도를 가질 수 있다.

단계(90)에서 제1 및 제2 복합재료 부품(80,82)은 열경화성 복합재료 프리프레그에 대해 TPC 부품(80)의 비결정형 열가소성 필름(30)을 배치하는 것에 의해 조립된다. 도 14에 나타내지 않았지만, 비결정형 열가소성 필름(36)의 추가 층이 선택적으로 열경화성 복합재료 프리프레그의 스텍 위에 배치될 수 있다. 이러한 필름(36)의 추가 층은 나중에 TPC 프리프레그의 스텍과 먼저 동시 압밀화된 필름(36)과 함께 융해한다. 필름(36)의 추가 층은 제조 및/또는 조립 허용 오차 및/또는 압밀화 중에 발생하는 문제의 부적합성을 보상하는데 사용될 수 있다. 그로 인해 융해된 열가소성 접합부(31)가 연속하고, 미리 선택된 두께를 전체적으로 가질 수 있다. 단계(92)에서, 열경화성 복합재료 프리프레그의 스텍은 TPC 부품(82)과 함께 열경화성 프리프레그를 열경화성 수지의 경화 온도로 가열하는 것에 의해 경화된다. 이러한 경화 온도에서, 유리 같이 투명한 비결정형 열가소성 필름에 대한 열경화성 수지의 친화력은 TPC 부품(80)과 경화된 열경화성 복합재료 부품(82) 사이에 형성되어 있는 융해된 열가소성 접합부(31)를 형성하는 원인이 된다. 따라서, 단계(2)에서 열경화성 복합재료 프리프레그의 경화시, 열경화성 수지의 경화 온도가 TPC 부품(80)의 용융 온도 Tm 보다 낮으므로 예비 압밀화된 TPC 부품(80)은 재용해되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

도 15와 16은, 도 13 및 14와 관련해서 앞에서 설명한 열경화성 복합재료 부품의 경화 중에 형성된 융해된 열가소성 접합부(31)를 사용하여 예비 압밀화된 TPC 부품을 열경화성 복합재료 부품에 접합하는 방법 중 하나의 응용예를 예시한 것이다. 이 실시예에서, 열경화성 복합재료, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, 탄소섬유 에폭시로 형성된 모자형 스트링거(94)는 예비 압밀화된 TPC 프리프레그의 스텍(48)으로 이루어진 예비 압밀화된 TPC 스킨(98)에 접합된다. 모자형 스트링거(94)는 측면 방향으로 확장된 플랜지(96)를 포함하고 있다. 비결정형 열가소성 필름(36)은 스킨(98) 위에서 플랜지(96)의 위치에 해당하는 장소에서 스킨(98)의 표면 위에서 동시 압밀화된다. 비결정형 열가소성 필름(36)은 앞에서 설명한 타입일 수 있고, 스트링거(4)를 제조하는데 사용되는 열경화성의 경화 온도와 일치되도록 선택된다. 열경화성 복합재료 모자형 스트링거(94)는 섬유 보강 열경화성 수지의 멀티 플라이 스텍으로 이루어질 수 있으며, 레이업이 되어 있고 모자형 스트링거(94)의 원하는 형상으로 형성되어 있다. 미경화된 모자형 스트링거(94)는 다음에 예비 압밀화된 TPC 스킨(98) 위에 화살표 방향(100)으로 플랜지(96)와 함께 필름(36)과 면대면 접촉으로 배치된다.

특별히 도 16과 관련하여, 스트링거(94)의 외측 몰드 라인에 정합되는 캐비티를 가지는 공구(102)가 스트링거(94) 위에 배치되고, 경화 공정시 모자형 스트링거(94)에 인가된 압밀화 힘(106)에 반응하도록 제거 가능한 맨드릴(104)이 스트링거(94) 안에 배치된다. 맨드릴(104)과 함께 공구(102)는 경화시 모자형 스트링거(94)의 형상을 유지하는데 도움을 준다. 모자형 스트링거(94)과 스킨(98)의 조립은 기존의 오토클레이브 또는 오토클레이브를 사용하지 않는(out-of autoclave) 공정 기술을 이용하여 열과 압력의 조화로 처리된다. 경화 시, 열경화성 스트링거(94)는 열경화성 수지의 경화 온도, 대략 350℉에서 경화되게 가열된다. 경화 시, 경화 온도는 비결정형 열가소성 필름을 유리같이 투명하게 되고, 점성이 있는 열경화성 수지로 융해되게 하기에 충분하며, 그로 인해 스트링거(94)와 스킨(98) 사이에 융해된 열가소성 접합부(31)를 형성하게 된다. 경화 공정 중에, TPC 스킨(98)은 열경화성 스트링거(94)의 경화에 필요한 비교적 낮은 온도에서는 재용융하지 않으므로 그의 형상이 유지되고, 탈적층되지 않거나 바람직한 특성을 벗어나지 않게 된다.

도 17은 두 개의 복합재료 부품 사이에 융해된 열가소성 접합부(31)를 형성하여 비결정형 열가소성 필름(36)을 사용하는 개시된 접합 방법의 다른 응용예를 예시한 것이다. 이 실시예에서, 예비 압밀화된 TPC 적층체 모자형 스트링거(108)는 필름(36)에 의해서 열경화성 복합재료 적층체 스킨(112)에 접합된다. 경화 시, 열경화성 복합재료 스킨(112)에 대해 플랜지(110) 위에 있는 예비 압밀화된 필름(36)에 힘을 가하기 위해서 스트링거(108)의 플랜지(110)로 압력을 인가하기 위해서 단순한 상부 공구(114)가 사용된다. 경화 시 열경화성 복합재료 스킨(112)의 형상을 유지하기 위해서 하부 공구(116)가 사용될 수 있다. 또한, 압밀화 및 경화시 스트링거(108)의 모자형 부위(108a) 아래에 있는 스킨(112)에 압밀화 압력을 전달하기 위해서, 열경화성 복합재료 스킨(112) 위에서 지탱하면서 스트링거(108)의 안쪽에 내부의 맨드릴형 공구(104)가 배치될 수 있다. 경화 시, 열경화성 복합재료 스킨(112)이 그의 경화 온도, 일반적으로 대략 350℉로 가열되는데, 이 온도는 필름(36)을 유리같이 투명하게 하고, 스킨(112)의 점착성이 있는 열경화성 수지로 융해되게 하여 강하고, 튼튼한 융해된 열가소성 접합부(31)가 형성될 수 있다.

도 18은 앞에서 설명한 비결정형 열가소성 필름(36)을 사용하여 TCP I-빔(120)이 열경화성 복합재료 스킨(112a,112b)에 접합되어 있음을 설명한 방법의 다른 응용예를 예시한 것이다. 이 응용예는 앞에서 설명한 도 11 및 12와 유사하다. 그러나, 이 실시예에서는, 스킨(112a,112b)의 열경화성 수지가 점성을 가지게 되고 유리같이 투명한 비결정형 열가소성 필름(36)으로 융해되는 경화 공정 중에 스킨(112a,112b)의 형상을 유지하는데 공구들이 추가로 사용될 수 있다. 추가 공구는 상부 및 하부 공구(126,128), 스킨(112a,112b)의 표면을 하나로 묶어서 체결하고 포함하게 되는 중앙 공구(130)와 외부 공구(132)로 이루어져 있다. 측면 공구(134)는 웨브(122)의 불필요한 변형을 피하고, 경화 시 비결정형 열가소성 필름에 인가된 압밀화 힘을 분배하는데 도움을 주기 위해서 웨브(122)의 반대편 측면에 위치할 수도 있다.

TCP 부품을 열경화성 복합재료 부품에 접합하는 것을 포함하는 앞에서 설명한 응용예와 동시에 TPC 부품을 다른 재료, 예를 들면 이에 한정하는 것은 아니지만, 금속과 세라믹으로 형성된 부품에 접합하는데 개시한 방법을 적용하는 것도 가능할 수 있다. 따라서, 도 19와 관련해서, 앞에서 설명한 비결정형 열가소성 필름(36)은 복합재료 구조체(136)를 제조하는데 적용할 수 있으며, 이 구조체는 TCP 부품(138)과 이에 한정하는 것은 아니지만, 금속 또는 세라믹과 같은 비열가소성 재료로 형성된 부품(140) 사이에 융해된 열가소성 접합부(31)의 형성을 포함한다.

단계(142)를 시작으로, 비결정형 열가소성 필름(36)은 부분 결정형 TPC 프리프레그의 스텍과 동시 압밀화된다. 단계(144)에서, 비열가소성 부품(140)에 대해서 동시 압밀화된 비결정형 열가소성 필름(36)을 배치하는 것에 의해 동시 압밀화된 TPC 프리프레그와 필름(36)이 비열가소성 부품(140)과 조립된다. 단계(146)에서, 필름(36)을 비열가소성 부품(140)에 대해 가압하기 위해서 동시 압밀화된 TPC 스텍/필름과 비열가소성 부품(140)에 압력이 인가된다. 단계(148)에서, 비결정형 열가소성 필름(36)이 대략 500℉ 이하의 온도, 그러나 유동을 일으키는 최소한 유리 전이 온도로 가열된다. 이러한 유동 필름(36)은 예비 압밀화된 TCP 부품(138)과 비열가소성 부품(140) 사이에 융해된 열가소성 접합부(31)를 형성한다.

도 21은 개시한 방법의 또 다른 응용예를 예시한 것으로, 비결정형 열가소성 필름(36)은 결합선 두께 일관성 및/또는 인성을 개선할 수 있는 열경화성 복합재료 구조체(150)를 제조하는데 적용할 수 있다. 비결정형 열가소성 필름(36)은 두 개의 열경화성 복합재료 부품(152) 사이에 융해된 열가소성 접합부(31)를 생성하는데 사용된다. 열경화성 복합재료 구조체(150)는 도 22에 나타낸 방법에 의해서 생성된다. 단계(156)에서, 열경화성 프리프레그의 제1 및 제2 스텍이 각각 형성된다. 단계(160)에서, 비결정형 열가소성 필름(36)이 미경화된 열경화성 프리프레그의 제1 및 제2 스텍의 접합면 사이에 배치된다. 단계(162)에서, 열경화성 프리프레그의 제1 및 제2 스텍이 비결정형 열가소성 필름과 함께 압밀화되고 열적으로 동시 경화된다. 경화 공정 중에, 프리프레그와 필름이 열경화성 수지의 경화 온도, 일반적으로 비결정형 열가소성 필름(36)이 유리같이 투명하게 되고 점성이 있는 여경화성 수지로 융해되는 지점인 대략 350℉로 가열된다. 열경화성 수지진공 백 또는 오토클레이브 공정에 의해서 인가된 압밀화 압력이 열경화성 수지가 열가소성 필름에 도움을 주기 위하여 프리프레그의 두 개의 스텍에 힘을 가하게 된다. 비결정형 열가소성 필름(36)이 조절된 두께로 사전에 제작될 수 있기 때문에, 융해된 열가소성 접합부(31)는 일관되게 조절될 수 있는 결합 라인 두께를 가질 수 있다. 열가소성 접합부(31)는 결합 접착제에 의존하는 접합부와 비교해서 개선된 인성을 나타낼 수 있다. 또한, 비결정형 열가소성 필름(36)은 열경화성 복합재료 부품(152,154)의 경도 이하일 수 있는 원하는 경도를 가지도록 선택될 수 있으며, 융해된 열가소성 접합부(31)가 복합재료 구조체에 의해 겪게 되는 쇼크, 진동 또는 충격으로 인한 에너지를 양호하게 흡수하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 열가소성 복합재료 구조체(150)는 개선된 내충격성을 보일 수 있다.

개시 내용의 구현예들은 다양한 잠재적인 응용예에서 용도를 찾을 수 있다. 특히, 운송 산업계, 예를 들면, 항공 우주, 해운, 자동차 및 복합재료 부품을 함께 접합하는 다른 응용예가 포함된다. 항공기 산업분야에서, 개시한 접합 방법은 저비용, 고성능 일체형 구조체, 예를 들면 다양한 단면 형상의 보강재, 도어를 위해 사용되는 토그 박스(Torque boxes), 비행 제어 구조체, 날개, 및 동체 구조체를 생산하는데 사용될 수 있다. 따라서, 도 23 및 도 24과 관련하여, 개시 내용의 구현예들은 도 23에 나타낸 바와 같은 항공기 제작 및 서비스 방법(164) 및 도 24에 나타낸 바와 같은 항공기(166)의 상황에 사용될 수 있다. 사전 생산 중에, 실험적인 방법(166)이 항공기(166)의 사양 및 설계(168) 및 자재 조달을 포함할 수 있다. 생산 중 시, 구성 부품 및 하위 부품 제작(172) 및 항공기의 시스템 통합(174)이 이루어진다. 그 다음에 항공기(166)는 인증 및 납품(176)을 거친 후에 운행 중(178) 상태로 배치된다. 소비자에 의한 운행 중에, 항공기(166)는 정기적인 유지 관리 및 서비스(180)가 되도록 계획되며, 여기에는 개조, 재구성, 개장 등이 포함될 수 있다.

방법(164)의 각 공정은 시스템 통합기, 제3자, 및/또는 운영자(예, 고객)에 의해서 수행될 수 있다. 이러한 설명을 대해, 시스템 통합기는 제한 없이 다수의 항공기 제작사와 주시스템 하청업자를 포함하며; 제3자는 제한 없이 다수의 판매자, 하청업자, 및 공급업자를 포함하고; 운영자는 항공사, 리스 회사, 군수업체, 서비스 기관 등이 포함된다.

도 24에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(164)에 의해서 생산되는 항공기(166)는 복수의 시스템(184)과 실내(186)를 갖는 기체(182)를 포함할 수 있다. 고수준의 시스템(184)의 예로는 하나 이상의 추진 시스템(188), 전기 시스템(190), 유압 시스템(192), 환경 시스템(194)을 포함한다. 다수의 다른 시스템이 포함될 수도 있다. 항공 우주의 실시예를 나타내었지만, 개시의 원리는 해양 및 자동차 산업과 같은 다른 산업에도 적용될 수 있다.

어떤 하나 이상의 단계의 생산 및 서비스 방법(164) 중에 여기서 구현된 시스템과 방법이 이용될 수 있다. 예를 들면, 생산 공정(172)에 해당하는 구성 부품 또는 하위 부품은 항공기(166)가 운행 중인 동안에 생산된 구성 부품 및 하위 부품과 유사한 방식으로 제작 또는 제조될 수 있다. 또한, 하나 이상의 장치 구현예, 방법 구현예 또는 이들의 조합이 예를 들면, 실질적으로 항공기의 신속한 조립 또는 항공기 비용의 절감을 위해 생산 공정(172,174) 중에 이용될 수 있다. 이와 유사하게, 하나 이상의 장치 구현예, 방법 구현예 또는 이들의 조합이 유지 관리 및 서비스(180)를 위해 항공기의 운행 중에 제한 없이 이용될 수 있다.

다른 예시적인 구현예의 설명이 예시 및 설명의 목적으로 제시되어 있지만 개시된 형태에서 포괄적이거나 그 구현예로 한정하고자 하는 의도는 아니다. 많은 변형 및 변화가 이 기술분야의 통상의 기술자들에게는 명백할 것이다. 또한, 다른 예시적인 구현예들은 다른 예시적인 구현예들과 비교해서 다른 이점을 제공할 수 있다. 선택된 구현예 또는 구현예들은 구현예의 원리, 실제적인 적용을 잘 설명하고, 이 기술분야의 통상의 기술자가 아니라도 다양하게 변형된 여러가지 구현예에 대한 개시 내용이 고려된 특정 이용에 대해 적절한 것으로서 이해할 수 있도록 하기 위해서 선택 및 설명한 것이다.

30: TPC 구조체,
31: 융해된 열가소성 접합부,
32: 제1 TPC 부품,
32a: 스텍,
33: 전면,
34: 제2 TPC 부품,
36: 비결정형 열가소성 필름,
36a,36b: 비결정형 열가소성 필름,
37: 접합면,
39: 부분 결정형 열가소성 수지/수지 매트릭스,
48: 섬유 보강재,
48: 스텍,
50: 스트링거,
52,54: 플랜지,
56, 56a, 56b: 스킨,
58,114,126: 상부 공구,
60,116,128: 하부 공구,
62,76: 압밀화 압력,
64: I-빔,
66: 중앙 웨브,
68: 플랜지 또는 캡,
70, 72: 공구
78: 복합재료 구조체,
80: TPC 부품,
82: 열경화성 복합재료 부품,
84: 비결정형 열가소성 필름,
94,108: 모자형 스트링거,
98: TPC 스킨,
102: 공구,
104: 맨드릴형 공구,
108: 스트링거,
108a: 모자형 부위,
110: 플랜지,
112,112a,112b: 스킨,
122: 웨브,
130: 중앙 공구,
132: 외부 공구,
134: 측면 공구,
136: 복합재료 구조체,
138: TCP 부품,
140: 부품,
150: 구조체,
152: 열경화성 복합재료 부품,
164: 생산 및 서비스 방법,
166: 항공기,
168: 사양 및 설계,
172: 구성 부품 및 하위 부품 제작,
174: 시스템 통합,
176: 인증 및 납품,
178: 운행 중,
180: 유지 관리 및 서비스,
182: 기체,
184: 시스템,
186: 실내,
188: 추진 시스템,
190: 전기 시스템,
192: 유압 시스템,
194: 환경 시스템.

Claims

열가소성 프리프레그의 제1 스텍 위에 제1 비결정형 열가소성 필름을 배치하고, 상기 제1 비결정형 열가소성 필름과 상기 열가소성 프리프레그의 제1 스텍을 동시 압밀화하여 제1 열가소성 복합 부재를 생산하는 단계;
열가소성 프리프레그의 제2 스텍 위에 제2 비결정형 열가소성 필름을 배치하고, 상기 제2 비결정형 열가소성 필름과 상기 열가소성 프리프레그의 제2 스텍을 동시 압밀화하여 제2 열가소성 복합 부재를 생산하는 단계;
상기 제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름을 서로에 대해 배치하는 것을 포함해서 제1 및 제2 열가소성 복합 부재를 조합하는 단계;
제1 및 제2 열가소성 복합 부재에 압력을 인가하여 제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름을 서로에 대해 압축하는 단계; 및
제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름을 대략 475℉ 이하의 온도에서 융해시키는 단계로 이루어지는 열가소성 부재의 접합 방법.
제1항에 있어서,
제1 열가소성 복합 부재를 생산하는 단계는,
열가소성 프리프레그의 제1 스텍의 접합 표면에 대해 제1 비결정형 열가소성 필름을 배치하는 단계와
제1 비결정형 열가소성 필름과 열가소성 프리프레그의 제1 스텍의 동시 압밀화는 열가소성 프리프레그의 제1 스텍을 그의 제1 스텍에서 프리프레그의 용융 온도로 가열하고, 제1 비결정형 열가소성 필름과 함께 열가소성 프리프레그의 제1 스텍을 압축하는 것을 포함하는 열가소성 부재의 접합 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
제2 비결정형 열가소성 필름과 열가소성 프리프레그의 제2 스텍의 동시 압밀화는,
제2 비결정형 열가소성 필름을 그의 유리 전이 온도로 가열하는 단계;
제2 열가소성 프리프레그를 그의 용융 온도로 가열하는 단계; 및
열가소성 프리프레그의 제2 스텍을 제2 비결정형 열가소성 필름으로 압축하는 단계를 포함하는 열가소성 부재의 접합 방법.
제2항에 있어서,
열가소성 프리프레그의 제1 스텍을 그의 용융 온도로의 가열은 열가소성 프리프레그의 제1 스텍을 대략 650℉ 보다 높은 온도로 가열하는 것을 포함하는 열가소성 부재의 접합 방법.
상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
제1 및 제2 열가소성 프리프레그 각각은 부분 결정형이고,
제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름 각각은 PES인 열가소성 부재의 접합 방법.
상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
제1 및 제2 열가소성 프리프레그 각각은 PEEK, PEKK 및 PPS 중 하나인 열가소성 부재의 접합 방법.
상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
제1 및 제2 비결정형 열가소성 필름은 대략 5mm와 7mm 사이의 두께를 갖는 열가소성 부재의 접합 방법.
상기 항 중 어느 하나의 항의 방법에 의해서 접합된 열가소성 부재를 가지는 일체형 열가소성 구조체.
비결정형 열가소성 필름을 부분 결정형의 열가소성 프리프레그의 스텍과 동시 압밀화하여 제1 복합 부재를 형성하는 단계;
열경화성 프리프레그의 스텍을 포함하는 제2 복합 부재를 형성하는 단계;
열경화성 프리프레그의 스텍에 대해 비결정형 열가소성 필름을 배치하는 것을 포함하는 제1 및 제2 부재를 조립하는 단계; 및
열경화성 프리프레그의 스텍을 경화하는 단계로 이루어진 열경화성 복합 부재로 된 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항에 있어서,
비결정형 열가소성 필름을 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍과 동시 압밀화하는 단계는,
비결정형 열가소성 필름을 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍의 접합 표면에 대해 배치하는 단계;
부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍을 그의 용융 온도로 가열하는 단계;
비결정형 열가소성 필름을 그의 유리 전이 온도로 가열하는 단계; 및
비결정형 열가소성 필름과 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍을 압축하는 단계를 포함하고,
열경화성 프리프레그의 스텍의 경화는 열가소성 프리프레그가 경화되기에 충분한 온도로 열경화성 프리프레그의 스텍을 가열하는 것을 포함하는 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
열경화성 프리프레그의 스텍은 대략 400℉ 이하의 온도에서 열경화에 의해서 수행되는 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 또는 제11항에 있어서,
열경화성 프리프레그의 경화 온도에서 비결정형 열가소성 필름을 열경화성 프리프레그의 스텍과 함께 융해하는 단계를 포함하는 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
비결정형 열가소성 필름은 PES인 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
비결정형 열가소성 필름과 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍을 함께 압축하는 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서,
비결정형 열가소성 필름을 열경화성 프리프레그의 스텍 위에 배치하는 단계; 및
여기서, 제1 및 제2 부재의 조립은 열경화성 프리프레그의 스텍 위에 비결정형 열가소성 필름에 대해서 제1 복합 부재 위에 비결정형 열가소성 필름을 배치하는 단계를 포함하는 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
비결정형 열가소성 필름은 PES이고, 열경화성 프리프레그는 폴리아릴에테르케톤인 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍을 그의 용융 온도로의 가열은 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍을 최소한 대략 650℉의 온도로 가열하는 것을 포함하는 열가소성 복합 부재의 접합 방법.
제9항 내지 제17항 중 어느 하나의 접합 방법에 의해서 생산되는 복합 구조체.
비결정형 열가소성 필름을 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍과 동시 압밀화하는 단계;
비결정형 열가소성 필름을 비열가소성 부재에 대해 배치하는 것을 포함해서, 동시 압밀화된 비결정형 열가소성 필름과 열가소성 프리프레그의 스텍을 비열가소성 부재와 조립하여 조립품을 형성하는 단계;
비열가소성 부재에 대해 비결정형 열가소성 필름이 힘을 가하도록 조립품에 압력을 인가하는 단계; 및
비결정형 열가소성 필름을 비열가소성 부재에 융해시키는 단계로 이루어진 열가소성 복합 부재를 비열가소성 부재에 접착하는 방법.
제19항에 있어서,
융해는 비결정형 열가소성 필름을 대략 475℉ 이하의 온도로 가열하여 수행하는 열가소성 복합 부재를 비열가소성 부재에 접착하는 방법.
제19항 또는 제20항에 있어서,
동시 압밀화는 비결정형 열가소성 필름과 부분 결정형 열가소성 프리프레그를 최소한 부분 결정형 프리프레그의 용융 온도로 가열하는 단계; 및
비결정형 열가소성 필름과 부분 결정형 열가소성 프리프레그의 스텍을 압착하는 단계로 수행되는 열가소성 복합 부재를 비열가소성 부재에 접착하는 방법.
제19항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서,
비결정형 열가소성 필름은 PES인 열가소성 복합 부재를 비열가소성 부재에 접착하는 방법.
제19항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서,
비열가소성 부재는 열경화성 부재, 금속 및 세라믹 중에서 어느 하나인 열가소성 복합 부재를 비열가소성 부재에 접착하는 방법.
열경화성 프리프레그의 제1 스텍을 형성하는 단계;
열경화성 프리프레그의 제2 스텍을 형성하는 단계;
열경화성 프리프레그의 제1 스텍과 제2 스텍 사이에 열가소성 필름을 배치하는 단계; 및
열경화성 프리프레그의 제1 및 제2 스텍을 열가소성 필름과 함께, 열적으로 압밀화하는 단계로 이루어진 두 개의 열경화성 복합 부재의 접합 방법.
제24항에 있어서,
열가소성 필름은 비결정형이고, 열경화성 프리프레그의 제1 및 제2 스텍의 경화 온도에서 유리같이 되는 두 개의 열경화성 복합 부재의 접합 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
열가소성 필름은 PES인 두 개의 열경화성 복합 부재의 접합 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
열적 동시 경화는 열경화성 프리프레그의 제1 및 제2 스텍과 열가소성 필름을 대략 500℉ 이하의 온도로 가열하는 것에 의해 수행되는 두 개의 열경화성 복합 부재의 접합 방법.
제24항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 따른 방법에 의해 접합된 두 개의 열경화성 복합 부재를 가지는 복합 구조체.
제1 및 제2 동시 경화 열경화성 복합 적층체; 및
동시 경화된 열경화성 복합 적층체 사이에 있는 열가소성층으로 이루어진 개선된 내충격성을 가지는 복합 구조체.
열가소성 복합 적층체;
열경화성 복합 적층체; 및
열가소성 복합 적층체와 열경화성 복합 적층체를 접합하는 비결정형 열가소성 필름층으로 이루어진 복합 구조체.
제1 비결정형 열가소성 필름과 제1 섬유 보강 부분 결정형 열가소성 폴리머 매트릭스 복합 구조체를 대략 650℉를 초과하는 제1 온도와 대략 100 psi와 동등하거나 그 이상의 제1 압력하에서 동시 압밀화하여, 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 포함하는 제1 열가소성 복합 부재를 형성하는 단계;
제2 비결정형 열가소성 필름과 제2 섬유 보강 부분 결정형 열가소성 폴리머 매트릭스 복합 구조체를 대략 650℉를 초과하는 제2 온도와 대략 100 psi와 동등하거나 그 이상의 제2 압력하에서 동시 압밀화하여, 제2 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 포함하는 제2 열가소성 복합 부재를 형성하는 단계;
제1 열가소성 복합 부재의 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면과 제2 열가소성 복합 부재의 제2 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 교합하는 단계; 및
제1 열가소성 복합 부재와 제2 열가소성 복합 부재의 손상없이 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면과 제2 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면이 결합하기에 충분한 시간 동안 제1 열가소성 복합 부재와 제2 열가소성 복합 부재를 대략 450℉와 500℉ 사이의 온도와 대략 14.7 psi과 150 psi 사이의 압력하에서 가열하는 단계로 이루어진 제1 열가소성 복합 부재를 제2 열가소성 복합 부재에 접합하는 방법.
제31항에 있어서,
가열 단계는, 대략 450℉와 500℉ 사이의 온도와 대략 14.7 psi와 150 psi 사이의 압력 하에서, 제1 열가소성 복합 부재와 제2 열가소성 복합 부재는 오토클레이브 오븐 내에서 수행되는 제1 열가소성 복합 부재를 제2 열가소성 복합 부재에 접합하는 방법.
제31항 또는 제32항에 있어서,
가열 단계는 대략 450℉와 500℉ 사이의 온도에서, 압축 단계는 대략 14.7 psi와 150 psi 사이의 압력 하에서, 제1 열가소성 복합 부재와 제2 열가소성 복합 부재는 오븐 및 진공 백을 사용하여 수행되는 제1 열가소성 복합 부재를 제2 열가소성 복합 부재에 접합하는 방법.
제31항 또는 제33항에 있어서,
가열 단계는 대략 460℉와 500℉ 사이의 온도에서, 상호 바이어스는 대략 14.7 psi와 150 psi 사이의 압력 하에서, 제1 열가소성 복합 부재와 제2 열가소성 복합 부재는 오븐 및 기계적인 압력을 사용하여 수행되는 제1 열가소성 복합 부재를 제2 열가소성 복합 부재에 접합하는 방법.
비결정형 열가소성 필름과 섬유 보강 부분 결정형 열가소성 폴리머 매트릭스 복합 구조체를 대략 500℉를 초과하는 온도와 대략 100 psi와 동등하거나 그 이상의 압력 하에서 동시 압밀화하여 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면을 가지는 열가소성 복합 부재를 형성하는 단계;
열가소성 복합 부재의 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면과 미경화된 열경화성 복합 부재를 교합하는 단계;
미경화된 열경화성 복합 부재를 경화시키고, 열가소성 복합 부재에 손상을 줌이 없이 거기에 제1 비결정형 열가소성 폴리머 농축 표면이 결합되기에 충분한 시간 동안 제1 열가소성 복합 부재와 미경화된 열경화성 복합 부재를 대략 350℉의 온도에서 가열하고, 100 psi와 동등하거나 그 이하의 압력으로 서로 바이어스하는 단계로 이루어지는 열가소성 복합 부재를 미경화 열경화성 복합 부재에 접합하는 방법.
제35항에 있어서, 미경화된 열경화성 복합 부재는 열경화성 에폭시 매트릭스를 포함하고, 비결정형 열가소성 필름은 그와 함께 상용성이 있는 열가소성 복합 부재를 미경화 열경화성 복합 부재에 접합하는 방법.