KR20160034390A - 복합 성형 부품의 제조 방법 및 복합 성형 부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 본 발명에 따른 방법에 따라서 제조되는, 특히 풍력 발전 설비를 위한 복합 성형 부품(1)에 관한 것이며, 상기 복합 성형 부품은 열가소성 플라스틱과 섬유 복합 반제품을 포함한다. 그 밖에도, 본 발명에 따라서, 섬유 복합 반제품은 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템(20)을 포함하고, 열가소성 플라스틱은 성형용 코어 재료(2A)로서 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포되어 편조 구조물 유형의 섬유 시스템과 연결되며, 편조 구조물 유형의 섬유 시스템(20)은 성형용 코어 재료(2A)를 포함한 복합체 내에서 서로 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬된 섬유들(21, 22)을 포함하고, 이 섬유들은 교차점에서 10°와 90° 사이인, 특히 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 보유하고, 바람직하게는 섬유들(21, 22)은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되며, 편조 구조물 유형의 섬유 시스템(20)은 복합체 내에서 복합 성형 부품(1)의 외부 기능 층을 형성한다.

Description

복합 성형 부품의 제조 방법 및 복합 성형 부품{METHOD FOR PRODUCING A COMPOSITE MOLDED PART AND COMPOSITE MOLDED PART}
본 발명은 특히 풍력 발전 설비를 위한 청구항 제1항의 전제부에 따르는 복합 성형 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 복합 성형 부품은 열가소성 플라스틱과 섬유 복합 반제품(fiber composite semi-finished product)을 포함한다. 그 밖에, 본 발명은 복합 성형 부품, 샌드위치 구조 부품, 로터 블레이드 부재, 그리고 풍력 발전 설비에도 관한 것이다.
복합 성형 부품은 고정된 기하학적 치수를 갖는 몸체로서 제조되어 상호 간에 결합되는 2개 이상의 재료로 이루어진 성형 부품이다. 복합체에서 확인되는 재료들은 대개 특히 자신의 적용 분야와 관련하여 특정 목적을 위한 기능 특성들을 보유한다. 획득되는 재료의 특성들을 위해, 개별 컴포넌트들의 물질적인 특성들, 그리고 상황에 따라서는 그 기하학적인 특성들이 중요하다. 이는 상이한 컴포넌트들의 특성들을 상호 간에 결합하는 것을 가능하게 하며, 그럼으로써 복합 재료들은 폭넓게 적용될 수 있다. 최종 제품을 위해 필요한 특성들은 요건에 따라 컴포넌트들을 위한 상이한 출발물질들의 선택을 통해 설정될 수 있다.
복합 구조 부품은 대개 하중 작용 조건에서 복합 성형 부품의 최적화된 거동을 나타내는 특성들을 보유한다. 특성들은 예컨대 소정의 강도, 강성 또는 연성(ductility)과 관련하여 상호 간에 할당될 수 있다. 복합 성형 부품은 하중 작용 조건에서 복합체의 개별 컴포넌트에 비해 복합체의 최적화된 거동을 나타내야만 한다. 복합 성형 부품들의 개발은 원칙적으로 요구되는 특성들이 수년 동안의 하중 재하(load application)를 견디기 위해 유효수명과 조합되어 최적화되는 방식으로 진행되고 있다. 특히 풍력 발전 설비의 로터 블레이드들 및 그 다른 부품들의 경우, 높고 심하게 가변하는 하중 작용이 가해지며, 이런 하중 작용은 그 외에 풍력 발전 설비의 부품이면서 크기가 증가하는 상기 부품과 함께 마찬가지로 증가한다. 특히 로터 블레이드들은 정적 하중 재하뿐만 아니라 발생하는 동적 하중 재하도 견뎌야 한다.
따라서 풍력 발전 설비의 로터 블레이드들은 오늘날 주로 강화 섬유들이 대개 매트로서 기지(matrix) 내에 매립되어 있는 섬유 복합 재료들로, 대개는 유리 섬유 강화 플라스틱으로 제조된다. 로터 블레이드는 대개 하프쉘 샌드위치 구조(half-shell sandwich structure)로 제조된다. 증가하는 질량에서는 예컨대 탄소 섬유 강화 플라스틱이 이용된다. 여기서 요구되는 특성들은 한편으로 구조 강도가 상대적으로 높은 조건에서도 낮은 중량일 뿐만 아니라, 다양한 경도 정도, 그리고 하중 작용에 부합하는 인장 강도이다. 유리 섬유 강화 또는 탄소 섬유 강화 재료들은 어느 경우든 원칙적으로, 그리고 전술한 관점들 하에서 자신의 최적화된 강도와 관련하여 발사 목재(balsa wood)의 지금까지의 이용을 교체한다.
섬유 강화 컴포넌트들 또는 복합 구조 부품들은 적층 재료 내에 분포되는 방식으로 섬유들을 포함하고, 섬유들은 섬유 복합 재료의 더 높은 고품질의 특성을 달성하기 위해 적어도 하나의 특정 방향으로 배향되어 있다. 원칙적으로 어느 경우든, 대개 재료 내에서는 3가지 작용 위상으로 구별할 수 있으며, 즉 내인장성이 매우 우수한 섬유, 우선 어느 경우든 상대적으로 연질인 임베딩 기지(embedding matrix), 그리고 두 컴포넌트들을 연결하는 경계층으로 구별할 수 있다. 섬유들은 전형적으로 유리, 탄소, 세라믹, 특히 아라미드, 나일론 섬유, 콘크리트 섬유, 천연 섬유 또는 강섬유(steel fiber)로 구성될 수 있다. 임베딩 기지 자체, 대개는 폴리머는 재료 고유의 휨 강성을 가지고 섬유들을 제자리에 고정하고 섬유들 사이의 응력을 전달하며 외부의 기계적 및 화학적 영향들로부터 섬유들을 보호한다. 경계층은 두 컴포넌트들 간의 응력 전달에 이용된다. 섬유 강화 복합 구조 부품의 경우 문제는 하중을 받는 구조 부품의 영역들에서 각각의 섬유들의 균열이 형성될 수 있다는 점에 있으며, 이런 균열 형성은 증가된 동적 기계적 하중 재하의 결과로 특히 굽힘 모멘트로 인해 발생할 수 있다.
그러나 적층 또는 기지 재료 내에 각각 특정 개수의 섬유를 포함하는 섬유 강화 컴포넌트들 또는 복합 구조 부품들은 각각의 컴포넌트들의 기계적 성능을 대폭 향상시킨다. 전단 강성 및 휨 강성과 같은 재료 고유의 특성 변수들뿐만 아니라 소정의 방향으로 섬유들의 집중을 위해, 각각의 컴포넌트들의 기계적 지지 특성들은 개별적으로 목표한 바대로 특히 복합체의 각각 컴포넌트의 인장 강도와 관련하여 설정될 수 있다. 섬유 복합 재료들의 치수 설계를 위한 요인은 섬유들과 기지 간의 부피 비율이다. 섬유들의 비율이 더 높을수록, 복합 재료는 더 단단해지긴 하지만, 그러나 취성도 더 높아진다. 인장 강도 외에도, 복합체가 압력 하중을 받는 경우, 전단 및 휨 강성 역시도 중요한 역할을 할 수 있다. 그 외에도 특히 원칙적으로 하나의 코어와 하나 또는 2개의 덮개 층을 포함하는 이른바 샌드위치 유형의 복합 구조를 통해, (T자 빔의 원리에 따라서) 적당한 전단 강성이 있는 코어와 비교적 휨 강성이 있는 적어도 하나의 덮개 층에 의해 복합체의 높은 기계적 강성이 달성될 수 있고, 그럼에도 복합체는 경량 구조로 실현될 수 있다는 점은 알려져 있다.
풍력 발전 설비의 로터 블레이드는 일반적으로 섬유 강화 구조 부품들로 구성되며, 섬유 강화 구조 부품들은 대개 주로 수지 유형의 적층 기지 재료 내에 유리 및/또는 탄소 섬유들을 포함한다. 상기 또는 또 다른 섬유들은 로터 블레이드의 종축으로, 또는 그 종축을 따라서 배향될 수 있으며, 섬유들의 정확한 정렬은 대개 어렵게 제어된다. 그러나 원칙상 로터 블레이드는 작동 동안 현장의 원심력 또는 중력 힘과 관련하여 최적화될 수 있다. 섬유들의 배향은 실제로 제조 공정에 따라서 영향을 받을 수 있다. 이 경우, 어떤 유형의 섬유 반제품들이 이용되는지가 중요할 수 있다. 상기 섬유 반제품들은 편물, 편물포, 매트, 조방사(roving), 그리고 충전제, 파편(piece), 침류(needle), 또는 안료를 포함할 수 있다. 섬유 복합 구조 부품의 제조를 위한 방법은 다양하다. 현재, 수동 적층 방법(manual laminating method), 프리프레그 기술, 진공 주입 방법(vacuum infusion method), 섬유 권취 방법을 포함하는 방법들, 사출 성형 부품, 스프레이 레이업(spray lay-up), 이송 성형 부품(transfer molding part), 인발 성형 부품 및 시트 성형 화합물(CMC, Sheet Molding Compounds)이 알려져 있다. 예컨대 사출 성형 부품은 전형적으로 유리 섬유가 이용되는 경제적인 사출 성형 방법으로 제조된다.
DE 103 36 461에는 섬유 복합 구조로 로터 블레이드를 제조하기 위한 방법이 기재되어 있으며, 이에 따르면 로터 블레이드의 외부 윤곽을 형성하는 쉘들이 제조되고, 경화용 복합 재료와 함께 그에 상응하게 침윤되어 사전 설정된 길이를 갖는 섬유 스트랜드들로 이루어진 지지 구조물이 제조되며, 그리고 지지 구조물들은 쉘들 내로 이송된다.
US 4,242,160은 일체형의 섬유 강화 로터 블레이드가 결합된 내부 및 외부 섬유 강화 쉘들로 구성되는 방법을 개시하고 있다. 내부 쉘은 분리되어 형성된 관형 반부들(half)을 결합하는 것을 통해 제조된다. 외부 쉘은 내부 쉘의 외면 상에 바람직하게는 섬유 강화 에폭시드 수지 재료의 다수의 권취층을 권취하는 것을 통해 구성된다.
섬유들의 포지셔닝 및 배향을 위한 높은 정밀도는, 특히 추가 방법 단계들에 걸쳐 침윤되고 경화되는 적어도 거의 원통형인 형틀(mold) 상에 무한 섬유 스트랜드들(조방사)을 안착시키기 위한 기술로서의 섬유 권취 방법에 의해 보장된다. 섬유를 권취하기 위해, 구조 부품의 몸체가 섬유 복합 재료의 차후의 형틀이 된다. 섬유 권취 동안, 대개는 추가로 소실 코어와 재사용 가능 코어로 구별하며, 여기서 소실 코어는 구조의 기능성 구조 부품일 수 있다.
US 2012/0261864에서는, 제조할 섬유 강화 구조의 네거티브 이미지와 유사하게 섬유 재료가 형틀 표면 상에 배치되는 방법을 개시하고 있다. 이 경우, 섬유 재료의 다발들은, 낮은 압력을 인가하는 것을 통해 섬유 강화 구조가 제공되는 방식으로, 표면 상에 배치되고 정렬된다.
고성능 복합 구조물의 경우, 수지를 포함한 섬유 프리폼이 주입되며, 그리고 무한 섬유 강화 복합 구조 부품을 위해 요건에 적합하고 경제적인 섬유 프리폼이 제조된다. 이런 프리폼은 요건에 적합한 섬유 배향, 요건에 적합한 국소적 섬유 축적 및 외부 윤곽의 의미에서 "안성맞춤(tailored)"이다. 이렇게 제조된 프리폼은 종래의 제조 공정들로 가공되어 이른바 오토클레이브-프리프레그 구조의 구조 부품들을 형성할 수 있다.
독일 특허 및 상표청은 우선권 출원에서 하기 종래 기술을 조사하였다. - DE 43 00 208 A1, DE 103 36 461 A1, DE 10 2012 201 262 A1, EP 0 402 309 A1, EP 0 697 275 A2, EP 0 697 280 A1, EP 1 992 472 A1 및 WO 94/19176 A1.
본 발명의 과제는, 앞에서 언급한 관점에서 출발하여, 종래 기술과 관련하여 개량되는 복합 성형 부품의 개량된 제조 방법, 복합 성형 부품, 그리고 샌드위치 구조 부품, 로터 블레이드 부재 및 풍력 발전 설비를 명시하는 것에 있으며, 특히 앞에서 기재한 문제들 중 적어도 하나의 문제를 다루는 것에 있다. 본 발명의 과제는, 적어도 종래 기술에서 알려진 해결책에 대체되는 해결책을 제안하는 것에 있다. 특히 제조 방법과 관련하여, 본 발명의 과제는, 복합 성형 부품을 제조할 수 있는 간단하면서도 제어 가능한 가능성을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 과제는, 특히 정적 및 동적 하중 재하의 관점에서 복합 성형 부품의 적어도 하나의 최적화된 특성이 나타나도록 하는 것에 있다. 본 발명의 과제는, 특히 배향되고 그에 상응하게 방향성인 섬유들을 포함하는 복합 성형 부품 및 그 제조 방법으로 개량된 방식으로 작용하는 힘을 상쇄시키도록 하는 것에 있다. 그 외에도, 본 발명의 과제는, 제조 방법 및 복합 성형 부품 또는 샌드위치 구조 부품, 로터 블레이드 부재 및 풍력 발전 설비가 공정 기술 및/또는 재료 고유의 측면에서 개량된 작동 원리를 가능하게 하는 최적화된 층 시스템을 이용할 수 있도록 하는 것에 있다. 본 발명의 과제는, 특히 복합 구조 부품 및 제조 방법이 바람직하게는 휨 강성 및 전단 강성을 증가시키면서 하중 작용에 대항하여 적합한 장기간 강성 및/또는 강도를 가능하게 하는 것에 있다.
제조 방법과 관련한 본 발명을 통한 상기 과제는 청구항 제1항의 방법으로 해결된다.
본 발명은, 열가소성 플라스틱과 섬유 복합 반제품을 포함하는, 특히 풍력 발전 설비를 위한 복합 성형 부품을 제조하기 위한 방법을 기초로 하며, 상기 방법은 본 발명에 따라서 하기 단계들을 포함한다.
- 열가소성 플라스틱, 및 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템을 포함한 섬유 복합 반제품을 제공하는 단계,
- 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 성형용 코어 재료로서의 열가소성 플라스틱을 분포시키면서 편조 구조물 유형의 섬유 시스템과 연결하는 단계, 이때
- 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 성형용 코어 재료를 포함한 복합체 내에서 서로 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬된 섬유들을 포함하고,
- 상기 섬유들은 교차점에서 10°와 90° 사이인, 특히 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 보유하고, 바람직하게는 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되며, 그리고
- 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 복합체 내에서 복합 성형 부품의 외부 기능 층을 형성한다.
바람직하게는 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬된다.
복합 성형 부품과 관련하여 본 발명을 통한 상기 과제는 청구항 제6항의 복합 성형 부품으로 해결된다. 본 발명은 특히 풍력 발전 설비를 위한, 특히 전술한 방법에 따라서 제조되는 복합 성형 부품을 기초로 하며, 상기 복합 성형 부품은 열가소성 플라스틱과 섬유 복합 반제품을 포함한다. 본 발명에 따라서,
- 섬유 복합 반제품은 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템을 포함하고,
- 열가소성 플라스틱은 성형용 코어 재료로서 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포되어 편조 구조물 유형의 섬유 시스템과 결합되며, 이때
- 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 성형용 코어 재료를 포함한 복합체 내에 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬되는 섬유들을 포함하고,
- 상기 섬유들은 교차점에서 10°와 90° 사이인, 특히 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 보유하고, 바람직하게는 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되며, 그리고
- 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 복합체 내에서 복합 성형 부품의 외부 기능 층을 형성한다.
편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 원칙적으로 광범위하게는 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬되는 섬유들과 관련하여 소정의 가변성을 갖는 각종의 스트랜드 시스템으로서 해석된다. 바람직하게 이는 복수의 스트랜드가 섬유 재료를 함유하여 유연하고 이런 점에 한해 그 자체로서 가요성인 재료로 서로 뒤섞여 얽혀 짜져 있는 편조물 또는 편조 구조물이거나, 또는 섬유 재료를 함유하여 유연하고 이런 점에 한해 그 자체로서 가요성인 재료가 그 자체로 얽혀 짜져 있는 편포이며, 그리고 방직물과 같은 스티치를 형성하는 얀 시스템 역시도 가능하다. 그 밖에도, (좀 더 덜 바람직하긴 하지만, 가능한 사항으로) 스트랜드들이 완전히, 또는 부분적으로 상호 간에 상대적으로 직각으로, 또는 거의 90°로 안내되고, 바람직하게는 교차점에서 바람직하게는 10°와 90° 사이이고, 바람직하게는 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 가지며, 바람직하게는 섬유들이 +/-10°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되거나, 또는 또 다른 특정한 섬유 각도의 경우에는 +/-5°의 분산 범위로 상호 간에 상대적으로 정렬되는, 편물 유형의 구조물들 역시도 가능하다.
따라서 특히 상기 유형의 스트랜드 시스템이 특히 바람직하며, 이런 스트랜드 시스템의 섬유 각도는 그 외에도 가변 설정되며, 특히 구성할 성형용 코어 재료의 각각의 크기 및 형태에 따라서 자발적으로 가변 설정된다. 따라서 특히 바람직한 경우는 가변 섬유 각도를 갖는 가요성이면서 가변 성형 가능한 편조 구조물 유형의 섬유 시스템이다. 소정의 섬유 시스템들은, 예컨대 특히 편조물, 편포물, 방직물로 이루어진 군에서 선택되는 편조 구조물 유형의 섬유 시스템처럼 상기 특성을 특히 적합하게 보조한다.
추가 부분들 또는 장치와 관련한 과제의 해결을 위해, 본 발명은 청구항 제13항의 샌드위치 구조 부품, 및 청구항 제14항의 로터 블레이드 부재, 및 청구항 제15항의 풍력 발전 설비에도 관한 것이다.
샌드위치 구조 부품은 코어 구조 부품의 형성을 위해 적어도 하나, 특히 복수의 복합 성형 부품을 내포한다. 코어 구조 부품은 적어도 일측에서, 바람직하게는 양측에서 적어도 하나의 덮개 층에 의해 덮인다. 한 개선예에서, 샌드위치 구조 부품의 코어 구조 부품은 코어 구조 부품의 코어 재료를 통해 이격 간격으로 이격 유지되는 힘 흡수용 덮개 층들로 덮인다. 본 개선예는, 전체적으로 하중 작용이 상대적으로 더 높은 경우, 대개 공칭 값들의 선형 증가를 피로에 대한 비임계 방식으로 상쇄시키는 샌드위치 구조 부품 내에 적은 중량의 조건에서 한정된 최대값을 갖는 앞에서 언급한 특성 조합들을 통합하는 것을 가능하게 한다. 특히 샌드위치 구조 부품은, 성형용 코어 재료를 포함한 복합체 내에서 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬된 섬유들을 포함하고 이 섬유들은 교차점에서 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 보유하고 특히 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되는 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 결과로서, 개량된 전단 및 휨 강도를 나타낸다.
한 바람직한 개선예에서, 로터 블레이드 부재는 코어 재료로서 적어도 하나, 특히 복수의 복합 성형 부품을 내포한다. 이런 개선예는 로터 블레이드 내에, 특히 제조 공정에서는 로터 블레이드의 하프쉘(half shell) 내에 최적화된 복합 성형 부품을 통합한다. 그 결과, 개량된 피로 강도, 특히 개량된 압력 강도 또는 개량된 전단 및 휨 강성이 달성될 수 있다. 이런 방식으로 로터 블레이드는 작동 동안 현장의 원심력 또는 중력 힘과 관련하여 최적화된다. 이 경우, 상기 복합 구조 부품의 이용을 통해, 열가소성 플라스틱으로서 성형용 코어를 기반으로 균열 최소화 또는 최소화된 균열 전파가 달성된다.
풍력 발전 설비는 타워와, 나셀과, 하나의 로터 허브 및 다수의 로터 블레이드를 구비한 로터를 포함하며, 로터 블레이드는 본 발명의 개념에 따른 적어도 하나의 로터 블레이드 부재를 포함하고, 및/또는 타워, 나셀 및/또는 로터 허브는 본 발명의 개념에 따른 샌드위치 구조 부품을 포함한다.
로터 블레이드들의 점점더 대형화되는 치수 설계를 통해, 로터 블레이드의 구조 동적 거동을 위해서도 점점더 커지는 하중이 기대되기 때문에, 이런 하중은 본 발명의 개념에 따른 복합 구조 부품의 재료 고유의 특성 변수들을 통해 상쇄될 수 있다.
원칙적으로 본 발명의 개념은, 제조 방법과 무관하게, 일반적으로 복합 성형 부품에서 적용된다. 그러나 특히 본 발명의 개념에 따른 제조 방법으로 제조되는 복합 성형 부품이 바람직한 것으로서 증명되었다. 그러나 원칙적으로 청구되는 제조 방법과 다른 제조 방법 역시도 이용될 수 있다.
본 발명은, 종래 기술에서 기재되는 것과 같은 섬유 복합 재료가 하중 작용을 상쇄시킬 수 있다는 고려사항을 기초로 한다. 복합 구조 부품에 대한 더 높은 요건 또는 예컨대 로터 블레이드들과 같은 특정한 복합 구조 부품들의 더욱 큰 기하학적 치수 설계는 복합 구조 부품에 대한 새로운 접근법을 요구하며, 제조 방법에서 자원 및 효율성 역시도 고려되어야 한다. 특히 성형용 코어 재료를 포함하는 복합체 내의 본 발명에 따른 편조 구조물 유형의 섬유 시스템으로 복합 성형 부품에서 상대적으로 더 높은 휨 강성 및 전단 강성이 달성되는데, 그 이유는 상기 복합 성형 부품은 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬되는 섬유들을 포함하고, 이 섬유들은 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 가지며, 바람직하게는 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되기 때문이다.
본 발명으로 확인된 점에 따르면, 본 발명에 따른 복합 성형 부품의 경우, 섬유-기지-복합 성형 부품의 유형에 따라서, 강도 및 강성은 섬유 방향에 대한 횡방향보다 섬유 방향으로 훨씬 더 높았다. 그러나 장력 또는 압력과 같은 하중의 작용이 항상 표면 법선에 대해 수직으로 발생하지 않기 때문에, 오히려 그 작용은 섬유 복합 구조 부품 내에서 단지 한 방향으로만 배향된 섬유들에 의해 제한될 수도 있다. 본 발명은, 표면에서 구조 부품에 대한 힘 또는 하중 작용을 최소화하는 교차하는 섬유들의 기능적 배향을 제공한다. 이를 위해, 본 발명에 따라서, 교차하는 섬유들은 상호 간에 상대적으로 정렬되고 교차점에서는 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 보유하며, 바람직하게는 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬된다.
상호 간에 상대적으로 가변적으로 정렬되는 섬유들을 기반으로, 상기 방향성 복합 성형 부품을 제조하는 방법은 기술적으로 간단하면서도 경제적으로 실행될 수 있다.
기능적 정렬은, 성형용 코어 재료를 분포하는 방법을 유지하면서 기능 층으로서 외부 층을 형성할 수 있게 하는 하중 방향성 복합 성형 부품을 제조하는 것을 가능하게 한다. 상기 층은 기능 층으로서 탁월한데, 그 이유는 상기 층이 섬유들의 기능적 정렬을 통해 하중 작용에 대항하기 때문이다. 교차하는 섬유들의 방향성 섬유 층 배치는 기계적 특성을 구조적으로 증가시키며, 그리고 복합 성형 부품에 대한 요건에 부합할 수 있다.
전체적으로 본 발명은, 설정 가능한 강성이, 적합한 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템의 선택 및 열가소성 플라스틱을 포함한 그 복합체를 통해 가능하다는 고려사항을 기초로 한다. 이 경우, 성형용 코어 재료로서의 기지의 연성 특성(열가소성 플라스틱)은 특히 강도, 특히 파괴 강도를 증가시키는 외부 기능 층의 특성(연결되고 기능적으로 상호 간에 상대적으로 정렬된 편조 구조물 유형의 섬유 시스템)과 조합된다.
본 발명의 바람직한 개선예는 종속 청구항들에서 확인할 수 있으며, 그리고 개별적으로는 과제 설정의 범위에서, 그리고 추가 장점들과 관련하여 앞에서 설명한 개념을 실현할 수 있는 바람직한 가능성을 명시하고 있다.
특히 바람직한 개선예는, 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템의 이용을 통해, (특히 제조 방법에서, 특히 기지 또는 대응하는 성형용 코어 재료를 삽입할 때) 코어 재료의 형태에 상응하는 유형 및 방식으로 충분히 결과적으로 코어 재료 상에 표준적으로 기능 층을 적용할 수 있는 방향 배향성 편조, 망사(mesh), 방직물 또는 대응하는 섬유 구조가 제공될 수 있다는 고려사항을 기초로 한다. 특히 편조, 망사, 방직물 또는 대응하는 섬유 구조를 포함하는 성형 가능한 편조 구조물 유형의 섬유 시스템에 의해, 그에 부합하게 편조, 망사, 방직물 또는 대응하는 섬유 구조는 자신의 형태의 변경과 더불어 얀(yarn)들의 교차점에서 각각 10°와 90° 사이일 수 있는, 특히 30°와 60° 사이일 수 있는, 특히 40°와 50° 사이일 수 있는 가변하는 섬유 각도를 설정하며, 특히 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬된다. 이는 특히 2차원 또는 3차원의 편조 구조물 유형의 섬유 시스템이 튜브 유형인 경우 확장 가능한 가변 횡단면을 달성하며, 그럼으로써 전체 구조는 만일의 유연하거나 가요성인 섬유 재료와 무관하게 성형용 코어 재료를 삽입할 때 확장, 팽창 및 수축될 수 있게 된다. 바람직한 경우는, 특히 편조 또는 편물 튜브의 경우 적어도 2:1에서 6:1까지의 범위에서, 특히 4:1의 범위에서 팽창 가능한 개방 횡단면이다.
방향성 섬유 층 배치 및 섬유들 자체에 대해 그 자체로 설정 가능하게 유지되는 선택을 통해, 외부 층의 강성 또는 내압성은 영향을 받을 수 있다. 본 개선예는 특히 경제적이고 제어될 수 있는 방법과 그 밖에도 기능성 복합 성형 부품의 개량된 실현을 가능하게 한다. 두 컴포넌트인 코어 재료와 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 상호 간 상호 작용, 특히 그 자체로 상호 간에 부합하게 설정되는 형태들과, 그들의 상호 간에 상대적인 관계를 통해, 복합 구조 부품은 정적 및 동적 하중 작용 조건에서 높은 유효 수명을 달성하기 위해 특히 최적화된 특성 조합을 얻게 된다.
추가 장점은, 코어 재료 및 편조 구조물 유형의 섬유 시스템에서 두 재료의 조합을 통해, 특정한 재료 특성 변수들이 설정될 수 있다는 점에 있다. 요컨대 두 재료는 독립적으로 상호 간에 상대적으로 최적화될 수 있다. 따라서 기지는, 정착, 침식 방지 및 부식 방지와 같은 추가 기능을 수용할 필요 없이, 내부 코어만을 나타낸다.
섬유 복합 재료들의 지금까지 통상적인 적용과 달리, 여기서 섬유는 성형용 코어를 덮는 외부 기능 층이다. 이 경우, 상기 기능 층은 코어를 보호하고 그에 따라 좀더 낮은 저항성 등급에 이르기까지 열가소성 플라스틱의 가능한 제품 범위를 확대한다. 기지 컴포넌트는 성형용 코어로서만 지지면을 나타내기 때문에, 코어의 각각 설정된 지름을 통해 특정한 재료 특성들의 비율은 변경될 수 있다.
편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 특히 국소적으로 섬유들, 국소 밀도 및 다양한 섬유들의 조합의 선택을 통해 대개 구조 부품으로 인해 국소적으로 서로 상이한 각각의 하중 작용을 상쇄시킬 수 있다. 상응하는 밀도, 그리고 복합체 내에 형성된 분리 층을 통해 보호층이 형성될 수 있고 이와 동시에 코어의 내부 쪽으로 향하는 힘 전달이 이루어질 수 있다.
특히 바람직하게 본원의 방법은 45° 각도의 상호 간에 상대적인 기능적 정렬을 통해 표현되는데, 그 이유는 힘의 평행사변형으로의 정렬이 작용하는 하중에 대항하기에 적합하기 때문이다. 이 경우, 수평 및 수직으로 작용하는 힘 성분들의 법선 성분들이 평행사변형으로 분포된다는 고려사항이 메커니즘의 기초가 된다. 그에 따라, 섬유들의 정렬이 작용하는 힘 또는 하중에 대항하기에 적합하다. 본 발명의 개념에 따라서 교차점에서 바람직한 45° 섬유 각도를 통한, 또는 또 다른 적합한 섬유 각도를 통한 정렬은 표면에서 증가되면서 작용하는 하중을 흡수할 수 있거나, 또는 상기 하중이 그에 상응하게 상쇄될 수 있다. 이와 동시에, 45° 각도로 이루어진 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 정렬, 또는 바람직한 45° 각도 자체는 특히 높은 비틀림 또는 전단 강도를 달성하기 위해 그렇게 이상적인 것으로서 간주된다.
한 바람직한 개선예에서, 복합 성형 부품은 앞에서 기재한 방법에 따라서 제조되며, 열가소성 플라스틱은 성형용 코어 재료로서 섬유 복합 반제품의 가요성 편물 구조물 유형의 섬유 시스템 내에 분포되어 연결되고, 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 (성형용 코어를 포함한 복합체 내에서) 30°와 60° 사이의 섬유 각도로 기능적으로 상호 간에 상대적으로 정렬되는 섬유들을 포함하며, 정렬된 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 복합체 내에서 복합 성형 부품의 외부 기능 층을 나타낸다. 특히 바람직한 개선예의 복합 성형 부품은 45° 각도의 기능적 정렬을 나타낸다. 그에 따라, 본 개선예는, 섬유 복합 구조 부품들과 유사한 복합 성형 부품을 제공하지만, 그러나 이런 경우 상기 복합 성형 부품은 결과적으로 정렬된 강도를 실현하는 외부 층으로 향하는 기능적 배향을 갖는다. 30°와 60° 사이의 각도, 또는 바람직하게는 45°의 각도로 정렬된 섬유들은, 작용하는 하중, 이 경우 장력 또는 압력이 힘의 평행사변형의 대항하는 힘을 통해 마이크로 메커니즘 방식으로 흡수되게 한다. 또한, 우선 가요성인 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 성형용 코어 재료의 큰 변동을 가능하게 한다. 이런 경우, 제조 공정은 섬유 복합 구조 부품의 기술적 실현과 더 이상 결합되는 것이 아니라, 코어의 형태가 그에 상응하게 적용에 매칭될 수 있다. 본 개선예를 통해, 형태와 관련하여 자유롭게 선택될 수 있는 기능성 성형 부품이 개발되었다. 섬유 복합 반제품의 보호용 섬유는, 열가소성 플라스틱 및 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템의 재료 특성 변수들로 구성되는 기능 특성들을 갖는 성형용 열가소성 플라스틱을 포함한 조밀한 복합체를 포함한다. 그 밖에도, 상기 복합 성형 부품은 편조 구조물 유형의 섬유 시스템을 통해 추가적인 기능, 즉 특정한 하중의 방향성 상쇄 기능을 갖는다.
바람직한 개선예에서, 열가소성 플라스틱은 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포되어 재료 결합 방식으로 연결된다. 이는, 컴포넌트들(열가소성 플라스틱 및 섬유 복합 반제품)이 화학적으로 접착 또는 점착 방식으로 연결될 수 있다는 가능성을 제공한다. 그 결과 달성된 효과는, 작용하는 힘을 더 용이하게 분배할 수 있는 최적화된 층 시스템인데, 그 이유는 재료 결합식 복합체를 통해 더욱 용이한 표면 힘 전달을 위한 더욱 작은 경계면이 형성되기 때문이다. 컴포넌트들은 원자력 또는 분자력을 통해 상호 간에 결속된다. 따라서 컴포넌트들은 결합 수단의 파괴를 통해서만 분리되는 탈착 불가능한 연결부들이다. 재료 결합식 연결부는 하중 작용 동안 추가 힘에 노출되지 않는 복합체를 실현한다. 외부 기능 층(정렬된 편조 구조물 유형의 섬유 시스템)은 복합체를 통해 자신의 기능을 효과적으로 발휘할 수 있다. 본 개선예는 편조 구조물 유형의 섬유 시스템 내에서 독점적인 재료 결합을 야기하는 추가 컴포넌트를 의미하거나, 또는 개별 섬유들은 그 자체로 재료 결합식 연결부들을 제공할 수 있다. 따라서 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템의 침윤된 섬유들은 상기 재료 결합을 촉진할 수 있다. 그 대안으로, 진공 주입 제조 방법 역시도 고려해볼 수 있다. 이런 재료 결합식 연결부는 부식성 및 연마성 매체의 경우 공격과 관련하여 바람직한 것으로서 증명되었다.
바람직한 개선예에 따르면, 열가소성 플라스틱은 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에서 분포되어 폼-피팅 방식으로 연결된다. 본 개선예는 열가소성 플라스틱과 섬유 반제품 사이의 폼-피팅을 가능하게 한다. 이 경우, 성형용 코어는 이미 표면 공동들(surface cavity)을 포함할 수 있다. 이 경우, 공동들은, 복합체를 자신의 폼-피팅에서 다시 분리하도록 하기 위해, 작용하는 힘을 통해 외부 층의 반력이 초과되지 않는 유형으로 형성되어야 한다. 이와 동시에, 본 개선예의 경우 열가소성 플라스틱은, 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템이 함몰될 수 있으면서 침투되는 유형으로 분포되는 점도 고려해볼 수 있다. 그 결과, 이런 경우에 폼-피팅을 나타내는 기계적 정착(mechanical anchoring)이 가능해진다. 재료 결합식 복합체와 폼-피팅 방식 복합체로 이루어진 조합은 두 긍정적인 양태를 통합하는 것이며, 그리고 본 개선예를 통해 고려해볼 수 있다.
특히 바람직한 개선예에서, 열가소성 플라스틱은 섬유 복합 펄프의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내로 압출된다. 바람직하게 본 개선예의 방법은, 열가소성 플라스틱이 특히 압출기로부터 스트랜드로서 공급되는 단계와, 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템이 튜브 형태인 편조 구조물 유형의 섬유 시스템으로서 공급되는 단계를 포함한다. 바람직하게는 그 밖에도, 성형용 코어 재료가 연질 스트랜드로서 특히 압출기로부터 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 튜브 내로 삽입되어, 특히 압출 삽입되어, 연질 스트랜드가 경화되면서 복합 성형 부품의 외부 기능 층으로서 편조 구조물 유형의 섬유 시스템을 포함한 복합체를 형성함으로써, 열가소성 플라스틱은 성형용 코어 재료로서 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포된다.
본 개선예는, 열가소성 플라스틱이 성형용 코어 재료로서 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내로 몰아 넣어져 그 내에서 분포되는 가능성을 제공한다. 또한, 고체 상태에서부터 점액성 상태에 이르는 열가소성 플라스틱 덩어리의 스트랜드가 압력 하에 연속해서 성형 개구부로부터 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내로 압출되는 점도 고려해볼 수 있다. 이 경우, 성형 개구부의 경우 상응하는 몸체는 이론상 임의의 길이로 형성되며, 그에 따라 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템을 그에 상응하게 정렬시킬 수 있다. 이 경우, 개구부의 횡단면은 그에 상응하게 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 지름에 매칭될 수 있으며, 그리고 복합체 내에서 섬유들의 기능적 정렬이 수행될 때까지 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템을 신장 또는 압축하는 것을 통한 정렬을 가능하게 한다.
압출 기술은 알려진 방법이지만, 그러나 그 방법은, 그 밖에도, 특히 압출기로부터 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 튜브 내로 연질 스트랜드를 삽입하기 위해, 특히 다시 말하면 직접 압출기로부터 압출 삽입하기 위해 시너지 효과로 이용될 수 있다.
이는, 그 외에도, 층 시스템 내에서 기능적 복합 성형 부품의 제조를 위한 제어 가능하면서도 경제적인 변형예를 허용하는 용이한 실현을 허용한다. 그 외에도, 상응하는 복합 성형 부품을 위한 압출 방법의 이용은 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내로 압출 삽입을 동시에 실현할 수 있는 복잡한 형틀들의 실현을 가능하게 한다. 섬유들의 정렬은 성형 구조 자체를 통해 수행될 수 있다. 마지막으로 본 개선예는 재료 결합 및 폼-피팅의 여부와 무관하게 복합체를 촉진하는 상대적으로 더 높은 온도 조건에서의 방법 역시도 가능하게 한다.
바람직한 개선예는, 표면 형성부 내의 추가적인 섬유들을 통해, 각도와 무관하게 복합 성형 부품의 강도, 특히 그 외에도 휨 강성 및 전단 강성을 증가시킨다. 본 개선예는, 기능적 정렬이 작용하는 하중의 힘의 평행사변형을 상쇄시키지만, 그러나 추가의 힘 또는 상이하게 작용하는 힘의 경우 또 다른 방향으로 연장되는 추가 얀들이 추가 힘을 흡수할 수 있으면서 복합 성형 부품의 강성 또는 강도를 상승시키는 점을 고려한 것이다. 그에 따라 복합 성형 부품의 외부 층의 기능은 인가된 힘과 관련하여 최적화되고 작용하는 힘과 관련하여서는 더욱 큰 공차를 갖는다. 이와 동시에, 상기 개선예는 추가 얀들의 다발 묶기를 통해 복합 성형 부품의 가장자리들 또는 모서리들에서 상대적으로 더 높은 강성 역시도 가능하게 했다. 그 외에, 섬유들의 정렬은 추가 섬유들을 통해 조정될 수 있으며, 그리고 편조 구조물 유형의 섬유 시스템을 통해 형성되는 기능 층을 압축한다.
튜브의 형태인 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 바람직하게는 2차원 편조 구조를 갖는다. 본 개선예는 외부 기능 층의 가장자리 또는 간극 효과를 갖지 않는 폼-피팅 방식 복합체를 가능하게 한다. 외부 기능 층에서의 취약 지점들은 튜브의 형태를 통해 최소화될 수 있으며, 그리고 이와 동시에 제조 방법에서 외부 기능 층을 포함한 복합 구조 부품의 균일한 분포 및 그 균일한 정렬의 간단한 공정 단계를 가능하게 한다.
바람직한 개선예는 편조 구조물 유형의 섬유 시스템이 3차원 편조 구조를 갖는 튜브의 형태를 보유하고 복합체의 내부에는 30°와 60° 사이, 바람직하게는 45°의 섬유 각도로 기능적으로 상호 간에 상대적으로 정렬되는 추가 섬유들을 포함한다는 점이다. 본 개선예는, 이미 섬유 복합 재료에서 실현되는 추가 양태, 즉 안쪽에 위치하는 구조들이 추가 강도를 야기한다는 점을 도입한 것이다. 3차원 편조 구조의 수용을 통해, 기능력(functional force)은 성형용 코어 재료의 기지의 내부로부터도 생성될 수 있다. 섬유들의 정렬은 원칙상 완전히 다른 형태에서도 가능하다. 그러나 바람직한 경우는 45°+/-5° 각도 범위의 섬유 각도로 하중을 흡수한다는 점이다. 특히 비틀림력 또는 전단력이 높은 경우 상기 각도가 적합하다. 본 개선예는, 추가적인 중량을 야기하지 않으면서 작용하는 힘의 관점에서 자신의 재료 고유의 특성과 관련하여 열가소성 플라스틱을 최적화하는 것을 추가로 가능하게 한다. 이 경우, 특히 재료 결합식 연결 가능성을 고려해볼 수 있다.
특히 바람직한 개선예에서, 열가소성 플라스틱은 아크릴니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리아미드, 폴리락테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리비닐클로라이드의 군 중에서 적어도 하나의 성분을 함유한다. 분포의 제조 공정의 선택을 통해, 각각의 열가소성 수지 또는 성분 또는 그 혼합물은 예컨대 배치 공정(batch process)에서 각각의 복합 성형 부품을 위해 요구되는 특성들을 설정하기 위해 자신의 재료 고유의 특성을 포함하여 이용될 수 있다. 그 밖에도, 다양한 열가소성 플라스틱들의 혼합물은 상이한 열가소성 플라스틱들의 균질하고, 및/또는 국소적으로 상이한 분포에서 바람직할 수 있다. 예컨대 제1 개수의 복합 성형 부품과 제2 개수의 복합 성형 부품이 단일의 샌드위치 구조 부품 또는 로터 블레이드 부재를 형성하기 위해 이용될 수 있거나, 또는 제1 개수의 복합 성형 부품 및 제2 개수의 복합 성형 부품은 로터 블레이드, 타워, 나셀 및/또는 로터 허브 내에 코어 구조 부품으로서 형성되는 제1 및 제2 샌드위치 구조 부품 또는 로터 블레이드 부재를 형성하기 위해 이용될 수 있다. 요컨대 제1 및 제2 개수의 복합 성형 부품은 상이한 코어 재료들 및/또는 편조 구조물 유형의 섬유 시스템들을 포함할 수 있다.
한 개선예에서, 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템은 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유, 금속사(metal thread), 단섬유 또는 다섬유 얀, 특히 나일론, PET, 폴리프로필렌 또는 대응하는 플라스틱으로 이루어진 열가소성 얀 또는 일반적으로 플라스틱 얀으로 구성되는 군 중 적어도 하나의 성분을 함유할 수 있다. 단일의 강성 섬유의 선택, 또는 하나 또는 복수의 잡다한 강성 섬유로 이루어진 조합물의 선택은, 복합 성형 부품의 특성들에 특별한 영향을 주고, 및/또는 코어 재료로 재료 결합을 촉진하기 위해 이용될 수 있다. 바람직한 경우는, 200℃ 또는 이를 상회하는 재료들, 특히 플라스틱들의 비교적 높은 용융점과 내자외선성이다.
안쪽에 위치하는 추가의 기능적 방향성 섬유들을 통한 열가소성 플라스틱의 강화는 바람직한 것으로서 증명되었다. 그에 따른, 그리고 대응하는 조치들은 복합 성형 부품의 경화에 추가로 이용될 수 있다. (예컨대 유리 섬유 및/또는 탄소 섬유와 같은) 섬유들의 상응하는 작용 메커니즘들 또는 그 계산된 힘 모멘트가 이용될 수 있으며, 그리고 열가소성 플라스틱이 그에 상응하게 그 내부에 분포되어 있는 3차원의 편조 구조물 유형의 섬유 시스템 역시도 이용될 수 있다. 상기 섬유들은 특정한 배향을 나타내면서 제조 공정에 상응하게 통합될 수 있다.
3차원의 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은, 자신의 2차원 표면이 추가 섬유들의 꼬거나, 짜거나, 뜨거나, 또는 그 밖에 그물망을 형성하는, 또는 대응하는 편조 구조물 유형의 결합을 통해, 특히 편조 구조물 유형으로 결합된 섬유들의 규칙적인 분포를 통해, 특히 편조 또는 편물 튜브의 개방 횡단면을 넘어서 3차원으로 교차 결합되는 편조 구조물 유형의 섬유 시스템을 의미한다. 이런 점에 있어서, 3차원의 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은, 정확히 튜브 형태로, 특히 (원형이거나 각이 지거나 각이 지게 라운딩된 튜브 횡단면 형태를 갖는) 편조 또는 편물 튜브의 형태로, 또는 만곡되거나, 완전히 또는 부분적으로 개방 만곡되어 형성될 수 있으면서 추가로 느슨하게 삽입된 섬유들과 조합되어 이용될 수 있는 2차원의 편물 구조물 유형의 섬유 시스템과 구별된다.
이제 본 발명의 실시예들은 하기에서 예컨대 마찬가지로 도시되어 있는 종래 기술과 비교하여 도면들에 따라서 기재된다. 상기 도면들은 실시예들을 반드시 표준적으로 나타내는 것이 아니라, 오히려 설명에 유용한 도면으로서 개략적이고, 및/또는 약간 왜곡된 형태로 도시되어 있다. 도면에서 직접적으로 확인할 수 있는 교시들의 보충 설명과 관련하여서는 해당하는 종래 기술이 참조된다. 이 경우, 고려할 사항은, 한 실시예의 형태 및 상세내용과 관련하여 본 발명의 일반적인 사상에서 벗어나지 않으면서 다양한 수정 또는 변경이 실행될 수 있다는 점이다. 명세서, 도면 및 특허청구범위에서 개시되는 본 발명의 특징들은 개별적으로뿐만 아니라 임의로 조합되어서도 본 발명의 개선예를 위한 핵심을 형성할 수 있다. 그 외에도, 명세서, 도면 및/또는 특허청구범위에서 개시되는 적어도 2개의 특징으로 이루어지는 모든 조합 특징도 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 일반적인 사상은 하기에서 도시되고 기재되는 실시예의 정확한 형태 또는 그 상세내용으로만 국한되지 않으며, 그리고 특허청구범위에서 청구되는 대상에 비해 제한될 수도 있는 대상으로만 국한되지도 않는다. 명시한 치수 범위의 경우, 여기서 언급한 한계 이내에 위치하는 값들 역시도 한계 값들로서 개시되는 것이면서 임의로 적용 및 청구될 수도 있어야 한다. 본 발명의 추가 장점들, 특징들 및 상세내용들은 바람직한 실시예들의 하기의 기재내용에서, 그리고 도면에 따라서 제시된다.
도 1a는 열가소성 플라스틱이 여기서는 바람직한 가요성 편조 구조물을 포함한 직육면체로서 도시되어 있는 복합 성형 부품의 한 실시예를 도시한 개략도이다.
도 1b는 열가소성 플라스틱이 양말(sock) 유형의 편조 구조물에 의해 에워싸인 원통형 구조물로서 도시되어 있는 복합 성형 부품의 추가 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 복합 성형 부품의 편조 구조물의 형태인 상부 기능 층 상에 작용하는 하중을 도시한 개략도이다.
도 3의 (A)는 성형용 코어가 열가소성 플라스틱으로서 도시되어 있고 그 위에 위치하는 외부 기능 층은 가요성 편조 구조물로서 도시되어 있는 한 바람직한 실시예에서 복합 성형 부품을 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 3의 (B)는 성형용 코어가 열가소성 플라스틱으로서 도시되어 있고 그 위에 위치하는 외부 기능 층은 가요성 편조 구조물로서 3차원 편조 구조를 갖는 튜브의 형태를 보유하는 한 바람직한 실시예에서 복합 성형 부품을 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 3의 (C)는 기능적 방향성 섬유들이 통합된 한 바람직한 실시예에서 복합 성형 부품을 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 4는 한 바람직한 실시예에 따르는 복합 성형 부품을 포함하는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드를 간소화하여 도시한 횡단면도이다.
도 5는 풍력 발전 설비이다.
도 6은 제조 방법의 바람직한 실시예의 흐름도이다.
도 1 내지 도 4에서, 동일하거나 유사한 부재들 또는 동일하거나 유사한 기능을 갖는 부재들에 대해 간소화를 위해 동일한 도면부호들을 사용하였다.
도 1에는, 성형용 코어 재료(2A)로서 직육면체의 형태로 도시되어 있는 복합 성형 부품(1)이 도시되어 있다. 이 경우, 편조 구조물(20), 이 경우에서는 유리 섬유로 이루어져 직육면체 외피부에 대해 폐쇄된 편조 매트는 상기 직육면체를 에워싸면서 45°의 상호 간에 상대적인 기능적 섬유 각도(α)로 정렬된 섬유들을 나타낸다. 이 경우, 개별 섬유들(21) 및 섬유들(22)은 α=45°의 섬유 각도를 나타내면서 표면 상에서 도 2와 관련하여 더 상세하게 설명되는 기능력의 평행사변형을 형성한다. 이 경우, 본 도면에서는 섬유들의 균일한 분포가 제공된다. 그러나, (예컨대 하중 분포에 따라서) 섬유들(21, 22)이 서로 상이하게 확장되는 점도 고려해볼 수 있다. 따라서 국소적으로 더 조밀한 편조 구조들에서의 기능적 정렬은, 상대적으로 더 높은 하중이 작용하는 영역들에서 발생할 수도 있다. 열가소성 플라스틱의 형태는 이미 상기 사항을 촉진하면서 성형용 코어 재료로서 이용될 수 있다. 편조 구조들 및 그 밀도의 선택을 통해 중심들 또는 일반적으로는 상대적으로 더 높은 힘 작용의 영역들 역시도 강화된다.
도 1b에는, 또 다른 실시예의 복합 성형 부품(1')이 유사하게 도시되어 있다. 이 경우에, 성형용 열가소성 플라스틱(2B)은 가요성 편조 구조물(20')에 의해 에워싸이는 원통형의 형태로 도시되어 있다. 이 경우는 PET로 이루어진 편조 튜브이다. 여기서 정렬된 섬유들은 청구항 제1항에서 언급되는 45° 각도에 부합하며, 그에 따라 결과적으로 외부 기능 층을 나타내기 위해 기능적으로 상호 간에 상대적으로 정렬된다.
도 2에는, 외부에서 작용하는 힘(FTotal)(여기서는 인장력)이 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 힘은 그 결과로 발생하여 힘의 평행사변형(K)에서 분배되는 법선력들(FA 및 FS)을 갖는다. 여기서 외부 기능 층으로서 정렬된 섬유들(21 및 22)은 법선력들을 상쇄시키고, 평면에서는 힘을 상쇄시키는 기능 층을 형성한다. 편조 구조물의 섬유들은 복합 시스템의 증가된 강도로 상기 작용하는 힘(FTotal)을 상쇄시키며, 이와 동시에 섬유(21)는 횡방향 하중 재하로 약화되지도 않는데, 그 이유는 상기 횡방향 하중 재하가 상기 섬유(22)를 통해 흡수되기 때문이다. 이 경우, 추가 전단력 또는 전달력은 외부 기능 층을 통해 수용될 수 있고 그에 상응하는 재료 고유의 특성들을 갖는 복합 성형 부품 내에서 최소화될 수 있다.
도 3의 (A)에는, 외부 층(20A) 내에 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 2차원 구조가 도시되어 있는 복합 성형 부품이 횡단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 상기 복합 성형 부품은 열가소성 플라스틱(30)으로 이루어진 재료 코어의 둘레에 얀들(21 및 22)로 이루어져 정렬된 편조 구조물(20)을 포함한다.
도 3의 (B)에는, 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 3차원 정렬이 도시되어 있으며, 상기 섬유 시스템은 외부 기능 층(20A) 외에도 성형용 코어 재료(30)의 내부에 정렬되어 있는 얀들(23)을 포함하며 그에 따라 외부 하중 작용에 대항하는 3차원 작용 구조(20B)를 형성한다.
도 3의 (C)에는, 열가소성 플라스틱(30)의 코어의 내부에 종방향 섬유들(24)이 도시되어 있으며, 이 종방향 섬유들은 45° 각도로 섬유들(21, 22)을 포함한 외부 기능 층(20A)에 추가로 외부 하중 작용으로부터 보호하기 위한 섬유 조합부(20C)를 나타내면서 추가의 전단 및 비틀림 응력을 흡수할 수 있다.
도 4에는, 풍력 발전 설비(100)를 위한 로터 블레이드(108)가 간소화되어 횡단면도로 도시되어 있다. 상기 로터 블레이드(108)는 상부 하프쉘(108.o)과 하부 하프쉘(108.u)을 포함하고, 상기 쉘들 내에는 로터 블레이드 상에서 작용하는 하중을 흡수하고 제거할 수 있는 지지 구조물들(10.o 및 10.u)이 제공된다. 이런 지지 구조물들은, 바로 상기한 상응하는 하중을 흡수하기 위해, 로터 블레이드 부재들을 통해 예컨대 샌드위치 구조로, 또는 전술한 복합 구조 부품들을 통해 형성될 수 있다. 도 4의 상세도 X에는, 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템(20)에 의해 에워싸인 코어 재료(2)로 이루어져 (여기서는 예시로서) 가장 조밀한 패키지로 조립되어 지지 구조물(10)을 형성하는 복수의 복합 성형 부품(1)을 포함하는 상기 지지 구조물(10)이 도시되어 있다.
도 5에는 타워(102)와 나셀(104)를 포함하는 풍력 발전 설비(100)가 도시되어 있다. 나셀(104) 상에는 [예컨대 도 4의 로터 블레이드(108)의 유형과 관련하여 유사한] 3개의 로터 블레이드(108)와 하나의 스피너(110)를 포함하는 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 중에 바람에 의해 회전 운동하게 되며, 그 결과 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 6에는, 흐름도의 범위에서 복합 구조 부품(1)을 위한 제조 방법의 바람직한 실시예, 또는 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드(108) 내에 삽입하기 위한 지지 구조물(10)로 복수의 복합 성형 부품을 조립하는 방법이 도시되어 있다. 제1 단계 S1에서 열가소성 플라스틱이 제공되며, 제2 단계 S2에서는 섬유 복합 반제품이 편조 구조물의 형태로 앞에서 설명한 유형으로 제공된다.
제3 단계 S3에서, 열가소성 플라스틱은 성형용 코어 재료로서 가요성 편조 구조물 내로 삽입되어 그 내에서 분포되며, 그럼으로써 열가소성 플라스틱은 편조 구조물과 연결된다. 이런 경우에, 단계 S3.1에서 과립상 혼합물로 이루어진 열가소성 플라스틱은 압출기로 공급되며, 그리고 단계 S3.2에서는 압출기의 유출구에서 연질 스트랜드로서 편조 튜브 내에 직접 삽입된다. 편조 튜브는 교차점에서 45°의 섬유 각도를 갖는 교차하는 섬유들을 포함하며, 그리고 상기 편조 튜브는 냉각되면 여전히 연질인 성형용 코어 재료의 둘레에 맞물린다. 그 결과, 연질의 성형용 재료는 편조 튜브의 둘레에서, 또는 그 표면에서, 또는 섬유들 자체의 표면에서 경화되며, 그럼으로써 편조 튜브와 열가소성 재료 사이에 복합체가 형성되며, 이런 복합체는 자신의 외면 상에 경우에 따라 완전히, 또는 어느 경우든 부분적으로 편조 튜브를 포함하지만, 그러나 이는 반드시 적용되지는 않으며, 요컨대 연질의 성형용 재료는 편조 튜브의 윤곽의 내부에 잔존할 수 있거나, 또는 편조물을 통해 완전히, 또는 부분적으로 바깥쪽을 향해 튀어나갈 수 있으며, 다시 말하면 후자의 경우에는 밀려나가고 경우에 따라서는 심지어 바깥쪽에서 다시 편조 튜브의 둘레에 놓이면서 이 편조 튜브를 에워쌀 수도 있다.
전체적으로 무한 스트랜드로서 제조될 수 있는 복합 스트랜드는 단계 S4에서 각각의 요건에 따라서 복수의 복합 성형 부품으로 분할되며 그리고 예컨대 도 4의 상세도 X에 도시된 유형으로 단계 S5에서 조립되어 지지 구조물을 형성할 수 있다. 지지 구조물은 단계 S6에서 로터 블레이드(108)의 하프쉘 내에, 또는 풍력 발전 설비(100)의 또 다른 부분 내에 삽입될 수 있다. 이런 경우에, 하프쉘들은 조립되어 로터 블레이드 블랭크를 형성하며 그리고 로터 블레이드가 단계 S7에서 도 5의 풍력 발전 설비(100)에 부착될 수 있을 때까지 추가 제조 단계들로 처리된다.

Claims (15)

  1. 열가소성 플라스틱과 섬유 복합 반제품을 포함하는, 특히 풍력 발전 설비를 위한 복합 성형 부품을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    - 열가소성 플라스틱, 및 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템을 포함한 섬유 복합 반제품을 제공하는 단계와,
    - 상기 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 성형용 코어 재료로서의 상기 열가소성 플라스틱을 분포시키면서 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템과 연결하는 단계
    를 포함하며,
    - 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 상기 성형용 코어 재료를 포함한 복합체 내에서 서로 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬된 섬유들을 포함하고,
    - 상기 섬유들은 교차점에서 10°와 90° 사이인, 특히 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 보유하고, 바람직하게는 상기 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되며, 그리고
    - 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 복합체 내에서 상기 복합 성형 부품의 외부 기능 층을 형성하는 것인 복합 성형 부품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    - 상기 열가소성 플라스틱은 특히 압출기로부터 스트랜드로서 공급되고,
    - 상기 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템은 튜브 형태인 편조 구조물 유형의 섬유 시스템으로서 공급되며,
    - 상기 성형용 코어 재료가 연질 스트랜드로서 특히 압출기로부터 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템의 튜브 내로 삽입되어, 특히 압출 삽입되어,
    - 연질 스트랜드가 경화되면서 상기 복합 성형 부품의 외부 기능 층으로서 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템을 포함한 복합체를 형성함으로써, 상기 열가소성 플라스틱은 성형용 코어 재료로서 상기 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열가소성 플라스틱은 상기 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포되어 상기 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템과 재료 결합 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 플라스틱은 상기 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포되어 상기 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템과 폼-피팅 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 섬유들은, 특히 상기 섬유 각도와 무관하게, 편조 구조물 유형의 섬유 시스템 및/또는 열가소성 플라스틱 내로 삽입되어, 추가 섬유를 포함하지 않은 복합 성형 부품에 비해 상기 복합 성형 부품의 강도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품의 제조 방법.
  6. 특히 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라서 제조되는, 특히 풍력 발전 설비를 위한 복합 성형 부품으로서, 열가소성 플라스틱과 섬유 복합 반제품을 포함하는 상기 복합 성형 부품에 있어서,
    - 상기 섬유 복합 반제품은 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템을 포함하고,
    - 상기 열가소성 플라스틱은 성형용 코어 재료로서 상기 섬유 복합 반제품의 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포되어 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템과 연결되고,
    - 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 상기 성형용 코어 재료를 포함한 복합체 내에서 교차하면서 상호 간에 상대적으로 정렬되는 섬유들을 포함하고,
    - 상기 섬유들은 교차점에서 10°와 90° 사이인, 특히 30°와 60° 사이인 섬유 각도를 가지며, 바람직하게는 상기 섬유들은 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되며,
    - 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 복합체 내에서 상기 복합 성형 부품의 외부 기능 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품.
  7. 제6항에 있어서, 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은, 편조물, 편포물, 방직물, 편물로 구성되는 군 중에서 선택되는 섬유 시스템인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 열가소성 플라스틱은 스트랜드로서 존재하고 상기 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템은 튜브 형태의 편조 구조물 유형의 섬유 시스템으로서 존재하며, 특히 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 2차원의 방향성 편조 구조를 갖는 튜브의 형태를 보유하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편조 구조물 유형의 섬유 시스템은 3차원 편조 구조를 갖는 튜브의 형태를 보유하고, 추가 섬유들은 복합체의 내부에서 기능적으로 상호 간에 상대적으로 정렬되며, 15°와 90° 사이, 특히 30°와 60° 사이의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되며, 바람직하게는 +/-5°의 분산 범위를 갖는 45° 안팎의 섬유 각도로 상호 간에 상대적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 플라스틱은 안쪽에 위치하는 추가의 기능적 방향성 섬유들을 통해 강화되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템 내에 분포된 상기 열가소성 플라스틱은 아크릴니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리아미드, 폴리락테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리비닐클로라이드의 군 중 적어도 하나의 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편조 구조물 유형의 가요성 섬유 시스템은 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유, 금속사, 단섬유 및 열가소성 얀을 포함하는 편조 성분들의 그룹 중에서 선택되는 하나의 편조 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 복합 성형 부품.
  13. 코어 구조 부품의 형성을 위한 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따르는 복수의 복합 성형 부품을 이용하는, 특히 풍력 발전 설비를 위한 샌드위치 구조 부품에 있어서, 상기 코어 구조 부품은 적어도 일측에서 적어도 하나의 덮개 층에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 샌드위치 구조 부품.
  14. 코어 구조 부품의 형성을 위한 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따르는 복수의 복합 성형 부품을 이용하는, 특히 풍력 발전 설비를 위한, 즉 로터 블레이드를 위한 로터 블레이드 부재에 있어서, 상기 코어 구조 부품은 적어도 하나의 로터 블레이드 덮개 층에 의해 에워싸이며, 특히 상기 로터 블레이드 부재는 제13항에 따르는 샌드위치 구조 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비용 로터 블레이드 부재.
  15. 타워와, 나셀와, 하나의 로터 허브와 다수의 로터 블레이드를 구비한 로터를 포함하는 풍력 발전 설비에 있어서, 상기 로터 블레이드는 제14항에 따르는 적어도 하나의 로터 블레이드 부재를 포함하고, 및/또는 상기 타워, 상기 나셀 및/또는 상기 로터 허브는 제13항에 따르는 샌드위치 구조 부품을 포함하는 것인 풍력 발전 설비.
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