KR20160122628A - 첨단 복합 부품의 제조 방법 및 시스템 - Google Patents

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vacuum
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로베르트 에. 보르크만
웬델 비치
돈 오. 에반스
크리스티나 맥라드
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디펜바허 게엠베하 마쉬넨- 운트 안라게바우
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Abstract

본 발명은 복합 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 재료 저장 하우징(2)을 포함하는 섬유 배치 시스템(1)과, 압착 롤러 구동 시스템(9) 및 절삭 장치(10)를 포함하는 재료 공급 스테이션(8)과, 층마다 제조할 각각의 섬유 다발(24)을 위해 각각의 이동식 가이드 트로프(13)를 포함하는 재료 전달 스테이션(12)을 이용한다. 본 발명에 따른 방법에서, 압착 롤러 구동 시스템은, 재료 웨브들 각각을 인출하여 자신들의 각각의 가이드 트로프 내로 안내하기 위해 활성화된다. 그리퍼(21)는 이동식 가이드 트로프들과 일직선으로 정렬되어 회전되면서 섬유 다발들과 접촉할 때까지 하강하여 활성화되며, 그리고 이동식 가이드 트로프들로부터 섬유 다발들을 제거하기 위해 후퇴된다. 그런 다음, 그리퍼는 진공 테이블 또는 안착 표면 위쪽에 배치되고 하강되고 비활성화되어 후퇴되며, 그럼으로써 섬유 다발들은 상부에서 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 층 상에서 자신들의 위치에 잔류하게 된다.

Description

첨단 복합 부품의 제조 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEMS FOR PRODUCING ADVANCED COMPOSITE COMPONENTS}
본 출원은 2003년 08월 19일자로 등록된 미국 특허 US 6,607,626; 2005년 09월 06일자로 등록된 미국 특허 US 6,939,423; 2007년 06월 26일자로 등록된 미국 특허 US 7,235,149; 2011년 08월 30일자로 등록된 미국 특허 US 8,007,894; 2011년 11월 01일자로 등록된 미국 특허 US 8,048,253; 2012년 05월 01일자로 등록된 미국 특허 US 8,168,029; 2012년 03월 30일자로 등록된 미국 특허 출원 US 13/435,006; 및 2012년 07월 25일자로 등록된 미국 특허 출원 US 13/557,621과 관련된다. 상기 모든 간행물들은 인용에 의해 본원에 완전히 포함된다.
본원의 실시예들은 일반적으로 첨단 복합 부품의 제조에 관한 것이며, 특히 단향성 프리프레그 복합 재료들을 사용하는 자동 섬유 배치 방법을 이용하여 첨단 복합 부품을 제조하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
종래의 섬유 배치 시스템들은 보통 경화 전에 약간의 후 성형(post-forming)으로만 처리되거나, 또는 후 성형으로 전혀 처리되지 않는 매우 대형이면서 흔히 극도로 윤곽 형성된 부품들을 생산하기 위해 최적화된다. 그로 인한 디자인 구성들은, 하기에서 설명되는 것처럼, 작고 실질적으로 편편한 블랭크의 생산 동안 사용된다면, 상당한 단점들을 나타낼 수 있다.
최소 코스 길이( MCL ): 종래의 섬유 배치 시스템들은, 섬유 다발들이 재료 보빈들(material bobbin)로부터 복잡한 섬유 이송 경로를 경유하여, 작업면을 따라 이동되는 롤러의 고정점에 공급되게 함으로써, 각각의 재료 코스를 다소 연속적으로 작업면 상에 안착시킨다. 이는, 필요한 길이로 각각의 섬유 다발을 절삭하기 위한 장치들이 가능한 한 압착 롤러(squeezing roller)에 가깝게 배출 장치 상에 위치되는 것을 요구한다. 절삭 장치와 롤러 상의 고정점 사이의 간격은 제조되어 안착될 수 있는 최단 섬유 다발 또는 코스의 길이를 결정한다. 그에 따라, 상대적으로 더 긴 최소 코스 길이 치수는, 트리밍 공정 동안 제거되어야 하는 폐기물량을 증가시킨다. 그러므로 종래의 섬유 배치 구성으로 달성될 수 있는 최소 코스 길이는 소형의 편편한 부품의 생산을 위해 적합하게 하기에는 너무 길 수 있다.
복합 장력 제어: 종래의 시스템들은 각각의 재료 코스를 다소 연속적으로 작업면 상에 안착시키기 때문에, 각각의 섬유 다발은 불가피하게 재료 보빈에서부터 배출 장치까지 상당한 구간을 나아가야 하며, 이 경우 섬유 다발은 구간을 따라서 필요한 반복되는 굽힘 및 비틀림을 통해 야기되는 하중을 받게 된다. 섬유 이송 시스템(fiber delivery system)을 통한 섬유 다발의 속도는 작업면 상에 안착되는 재료의 안착 속도에 상응해야 하기 때문에, 필요한 길이로 각각의 다발의 공급 및 절삭은 보통 "그때마다 상황에 따라(on the fly)" 수행된다. 이런 조건들은 각각의 개별 섬유 다발 내 장력을 제어하기 위해 정교하고 고가인 시스템의 사용을 요구한다. 상기 유형의 장력 제어 시스템과 결부되는 비용은, 매우 소형이면서 실질적으로 편편한 부품의 생산을 위한 수동 안착에 대한 대안으로서의 종래의 섬유 배치 시스템을 비실용적이게 한다.
윤곽에 따른 안착 능력(contoured laying ability): 종래의 섬유 배치 시스템들의 구성은 부분적으로, 상당히 복잡한 윤곽을 갖는 작업면 상에 재료 층을 안착시킬 수 있어야 하는 필요성에 의해 결정된다. 이런 능력에 대한 요구는 여러 관점에서 설계에 영향을 미치며, 이는 전체적으로 소형이면서 실질적으로 편편한 부품을 위한 수동 안착 방법(hand laying method)에 대한 허용 가능한 대안이 되기에는 너무 복잡하고 고가인 시스템 구성을 야기한다.
예컨대:
● 종래의 시스템들은, 보통 더 양호하게 작업면의 윤곽에 매칭되게 하기 위해, 각각의 개별 섬유 다발이 전속력의 안착 속도로 개별적으로 배출될 수 있게 하는 배출 장치의 구성을 요구하고,
● 종래의 시스템들은, 보통 윤곽에서 갑작스런 국소적 변화에 매칭될 수 있도록 하기 위해, 충분한 유연성을 갖는 압착 롤러의 복잡한 구성을 요구하고,
● 종래의 시스템들은, 보통 전속력의 안착 속도에서 부품 표면을 "그때마다 상황에 따라서" 점착성을 갖도록 하기 위해, 방법을 위한 고성능 열원을 요구하며,
● 종래의 시스템들은, 보통 충분한 주조 몰드 자유 공간을 포함하면서 정확한 정렬 방향 및 이동 트랙으로 작업면 상에 재료 층을 안착시킬 수 있도록 하기 위해, 6(몇몇 사례에서는 7)의 자유도를 갖는 상대적으로 대형 조작기를 요구한다.
또한, 효율적으로 제조되는 첨단 복합 블랭크, 특히 소형이고 실질적으로 편편한 첨단 복합 블랭크가 필요하다.
본 발명의 과제는, 단향성 프리프레그 복합 재료들을 사용하는 자동 섬유 배치 방법을 이용하여 첨단 복합 부품을 제조하기 위한 방법들, 시스템들 및 장치들을 제공하는 것이다.
본원의 실시예들은, 단향성 프리프레그 복합 재료를 사용하는 자동 섬유 배치 시스템을 이용하여 첨단 복합 부품을 제조하기 위한 방법들, 시스템들 및 장치들을 제공한다. 본원에 기재되는 실시 재료들은, 안착(laying) 또는 "레이-업(lay-up)" 후에 재성형되고 경화될 수 있는 효율적이고 소형이며 실질적으로 편편한 최종 형태의 복합 라미네이트(composite laminate)에 대한 보조 수단을 제공할 수 있다. 보통 상기 유형의 부품들은 종래의 수동 안착 방법에 의해 제조된다. 그에 반해, 본원의 실시예들은, 부품 품질의 안정성을 개선하고 비용을 절감하면서 처리량을 증대하기 위해, 경제적인 방식으로 자동 방법을 제공한다. 본원의 실시예들은 열경화성 복합 재료뿐만 아니라 열가소성 복합 재료의 효율적인 제조를 위해서도 적용될 수 있다. 그러나 본원에서 상세하게 기재되는 실시예들은 구체적인 설명을 목적으로 단향성 열경화성 프리프레그 복합 재료로 집중된다.
일 실시예로서, 섬유 배치 시스템을 이용하여 복합 부품을 제조하기 위한 방법이 제시되며, 상기 섬유 배치 시스템은, 층마다 제조할 각각의 섬유 다발을 위해 재료 보빈, 회전 가능한 선회 롤러 및 편향 롤러를 구비하는 하나 이상의 재료 저장 하우징과; 압착 롤러 구동 시스템 및 절삭 장치를 구비하는 하나 이상의 재료 공급 스테이션과; 층마다 제조할 각각의 섬유 다발을 위해 각각의 개별적으로 이동 가능한 가이드 트로프(guide trough)를 구비하는 하나 이상의 재료 전달 스테이션으로서, 이동식 가이드 트로프들이 각각의 진공 시스템을 포함하는, 하나 이상의 재료 전달 스테이션과; 진공 테이블 또는 안착 표면, 및 엔드 이펙터(end-effector)를 장착한 픽 앤 플레이스 장치(pick and place device)를 구비하는 하나 이상의 안착 스테이션을; 포함하며, 상기 방법은, 각각의 선회 롤러들 및 편향 롤러들을 통해 재료 웨브들(material web) 각각을 인출하기 위해 압착 롤러 구동 시스템을 활성화하되, 압착 롤러 구동 시스템에 의해 각각의 재료 보빈으로부터 재료 웨브들 각각을 인출함으로써, 재료 웨브들 각각이 전방으로 절삭 장치를 넘어서 재료 공급 스테이션에 배치된 자신의 각각의 가이드 트로프 내로 안내되는 단계와; 각각의 재료 웨브가 소정 구간을 경유하여 자신의 각각의 가이드 트로프 내로 안내된 후에는, 재료 웨브를 고정하기 위해 각각의 가이드 트로프의 진공 시스템을 활성화하는 단계와; 각각의 재료 웨브를 자신의 각각의 이동식 가이드 트로프 내에 고정한 후에는, 재료 이송 보빈들로부터 공급되는 재료에서 각각의 재료 웨브를 절삭하여 개별 섬유 다발을 형성하기 위해 절삭 장치를 작동시키는 단계와; 각각의 섬유 다발이 자신의 각각의 이동식 가이드 트로프 내에 고정되어 있다면, 절삭 장치로부터 멀어지는 방향으로 수평으로 이동식 가이드 트로프들을 이동시킴으로써 모든 섬유 다발이 픽 앤 플레이스 장치에 대해 접근 가능하게 하는 단계와; 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 이동식 가이드 트로프들과 일직선으로 정렬하여 회전시키는 단계와; 섬유 다발들과 접촉할 때까지 엔드 이펙터를 하강시키는 단계와; 엔드 이펙터를 활성화하는 단계와; 이동식 가이드 트로프들 내에서 진공 시스템을 비활성화하는 단계와; 이동식 가이드 트로프들로부터 섬유 다발들을 분리하기 위해 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 후퇴시키는 단계와; 진공 테이블 또는 안착 표면 위쪽에서 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 포지셔닝하는 단계와; 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 층과 접촉하는 방식으로 섬유 다발들을 배치하기 위해 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 하강시키는 단계와; 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 비활성화하고 픽 앤 플레이스장치의 엔드 이펙터를 후퇴시킴으로써 섬유 다발들이 상부에서 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 층 상에서 자신들의 위치에 잔류하게 하는 단계를; 포함한다.
본 발명에 따라서, 엔드 이펙터는 진공 작동식 그리퍼(gripper)일 수 있으며, 엔드 이펙터의 활성화 및 비활성화를 위해 진공이 활성화 또는 비활성화된다.
바람직하게는, 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 층과 접촉하는 방식으로 섬유 다발들을 배치하기 위해 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 하강시킨 후에, 픽 앤 플레이스 장치는, 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 층에 대해 섬유 다발들을 가압하기 위해 하부 방향으로 향하는 힘을 가할 수 있다.
바람직하게는, 압착 롤러 구동 시스템에 의해 각각의 재료 보빈으로부터 재료 웨브들 각각을 인출할 때, 재료 웨브들은 각각 상호 간에 독립적으로 인출될 수 있고, 재료 웨브들 각각은 부품의 안착 프로그램에 의해 사전 설정된 섬유 다발 길이에 상응하는 구간을 경유하여 자신의 각각의 가이드 트로프 내로 안내될 수 있다.
안착 스테이션은 바람직하게는 또한 가열 장치를 포함할 수 있으며, 그리고 본원의 방법은 또한, 픽 앤 플레이스 장치가 이동식 가이드 트로프들 위쪽의 위치에 위치되어 있는 동안에, 진공 테이블 또는 안착 표면 위쪽에 가열 장치를 포지셔닝하고 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 재료 층의 표면을 가열하여 점착성을 갖도록 하기 위해 가열 장치를 스위치 온하는 단계와; 앞서 안착된 층의 표면이 가열되어 점착성을 갖게 된 후에, 픽 앤 플레이스 장치의 진공 작동식 그리퍼가 진공 테이블 또는 안착 표면 위쪽에 포지셔닝되기 전에, 가열 장치를 진공 테이블 또는 안착 표면 위쪽의 자신의 위치로부터 후퇴시키는 단계를; 포함할 수 있다.
바람직하게는, 절삭 장치로부터 멀어지는 방향으로 수평으로 이동식 가이드 트로프들을 이동시키는 동안, 각각의 이동식 가이드 트로프는 독립된 최종 위치로 독립적으로 안내될 수 있으며, 그럼으로써 각각의 섬유 다발의 단부들은, 제조할 부품 내에 포함되어 있어야 하는 것처럼, 서로에 대해 동일한 단-대-단 관계로 정렬된다.
바람직하게는, 하나 이상의 안착할 재료 층을 위해, 섬유 다발들은 측면 위치에서 인접한 섬유 다발들로부터 단일의 섬유 다발의 폭에 상응하는 간격만큼 이격되어 있을 수 있으며, 섬유 다발들 사이의 틈은 다음의 안착할 재료 코스 내에 섬유 다발들을 안착시키는 것을 통해 채워진다.
바람직하게는, 안착할 제 1 재료 층을 위해, 진공 테이블의 표면 상에 캐리어 재료, 특히 캐리어 필름을 안착시키고 캐리어 재료를 고정하기 위해 진공 시스템을 활성화하는 단계; 제 1 재료 층의 수용을 준비하기 위해 캐리어 재료의 표면이 점착성을 갖게 하는 단계; 이동식 가이드 트로프들과 일직선으로 정렬하여 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 회전시키는 단계; 섬유 다발들과 접촉할 때까지 엔드 이펙터를 하강시키는 단계; 엔드 이펙터를 활성화하는 단계; 이동식 가이드 트로프들 내에서 진공 시스템을 비활성화하는 단계; 이동식 가이드 트로프들로부터 섬유 다발들을 분리하기 위해 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 후퇴시키는 단계; 진공 테이블 또는 안착 표면 위쪽에 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 포지셔닝하는 단계; 진공 테이블 또는 안착 표면 상의 캐리어 재료와 접촉하는 방식으로 섬유 다발들을 배치하기 위해 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 하강시키는 단계; 진공 테이블 또는 안착 표면 상의 캐리어 재료에 대해 섬유 다발들을 가압하기 위해 픽 앤 플레이스 장치를 통해 하부 방향으로 향하는 힘을 가하는 단계; 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 비활성화하고 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터를 후퇴시킴으로써 섬유 다발들이 진공 테이블 또는 안착 표면 상의 캐리어 재료 상에서 잔류하게 하는 단계; 및 제 1 층이 완성될 때까지 상기 단계들을 반복하는 단계가 실행될 수 있다.
한 추가 실시예로서, 섬유 배치 시스템이 제시되며, 상기 섬유 배치 시스템은, 층마다 제조할 각각의 섬유 다발을 위해 재료 보빈, 회전 가능한 선회 롤러 및 편향 롤러를 구비하는 하나 이상의 재료 저장 하우징과; 압착 롤러 구동 시스템 및 절삭 장치를 구비하는 하나 이상의 재료 공급 스테이션과; 층마다 제조할 각각의 섬유 다발을 위해 각각 개별적으로 이동 가능한 가이드 트로프를 구비하는 하나 이상의 재료 전달 스테이션으로서, 이동식 가이드 트로프들이 각각 하나의 진공 시스템을 포함하는, 하나 이상의 재료 전달 스테이션과; 진공 테이블 또는 안착 표면, 및 엔드 이펙터를 장착한 픽 앤 플레이스 장치를 구비하는 하나 이상의 안착 스테이션을 포함하며, 압착 롤러 구동 시스템은 각각의 선회 롤러들 및 편향 롤러들을 통해 재료 웨브들 각각을 인출하기 위해, 그리고 재료 웨브들 각각을 전방으로 절삭 장치를 넘어서 재료 공급 스테이션에 배치된 자신의 각각의 가이드 트로프 내로 안내하기 위해 활성화될 수 있고, 각각의 가이드 트로프들의 진공 시스템은 각각의 이동식 가이드 트로프 내에 재료 웨브를 고정하기 위해 활성화될 수 있고, 절삭 장치는 재료 이송 보빈들로부터 공급되는 재료에서 각각의 재료 웨브를 절삭하여 개별 섬유 다발들을 만들기 위해 작동될 수 있고, 이동식 가이드 트로프들은 모든 섬유 다발이 픽 앤 플레이스 장치에 대해 접근 가능하게 하기 위해 절삭 장치로부터 멀어지는 방향으로 수평으로 이동될 수 있고, 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터는 이동식 가이드 트로프들과 일직선으로 정렬되어 회전되고, 엔드 이펙터는 섬유 다발들과 접촉할 때까지 하강되며, 엔드 이펙터는 활성화될 수 있고, 이동식 가이드 트로프들 내의 진공 시스템이 비활성화되며 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터가 이동식 가이드 트로프들에서 섬유 다발들을 분리하기 위해 후퇴될 수 있고, 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터는 진공 테이블 또는 안착 표면 위쪽에 포지셔닝되어 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터는 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 층과 접촉하는 방식으로 섬유 다발들을 배치하기 위해 하강될 수 있고, 그리고 픽 앤 플레이스 장치의 엔드 이펙터가 비활성화되어 후퇴될 수 있으며, 그럼으로써 섬유 다발들은 상부에서 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 앞서 안착된 층 상에서 자신들의 위치에 잔류할 수 있게 된다.
섬유 배치 시스템은 바람직하게는 섬유 배치 셀일 수 있거나, 또는 섬유 배치 셀을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 이동식 가이드 트로프들은, 상호 간에 독립적으로, 독립된 최종 위치로 안내될 수 있으며, 그럼으로써 각각의 섬유 다발의 단부들은, 제조할 부품 내에 포함되어 있어야 하는 것처럼, 서로에 대해 동일한 단-대-단 관계로 정렬될 수 있게 된다.
또한, 바람직하게는, 이동식 가이드 트로프들 사이에는 시스템에서 사용되는 재료의 폭의 2배에 대략 상응하는 간격이 형성될 수 있다.
그 밖에도 바람직하게는, 절삭 장치가 재료 단부들을 소정의 각도로 또는 아치형으로 절삭하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 픽 앤 플레이스 장치는, 다양한 엔드 이펙터들, 특히 특정 코스 유형을 배치하기 위한, 그리고/또는 특정 부품 영역들, 특히 일정한 밀도를 갖지 않는 영역 상에 층을 배치하기 위한 특수화된 진공 작동식 그리퍼, 툴 표면(tool surface)으로부터 부품을 분리하기 위한 그리퍼, 진공 테이블 또는 안착 표면 상에 캐리어 재료를 안착시키기 위한 그리퍼, 인서트들 또는 또 다른 재료들을 배치하기 위한 그리퍼, 품질 보증을 위해 각각의 층을 검사하기 위한 검사 시스템, 및/또는 부품을 압착하여 포함된 공기를 제거하기 위해 부품 및 인가된 진공 위쪽으로 배치될 수 있는 컴팩팅 프레임(compacting frame)을 고정할 수 있게 하는 툴 교환기(tool changer)를 구비할 수 있다.
그 밖에도 바람직하게는, 재료 저장 하우징은, 사전 설정된 온도 및 습도로 재료 보빈들을 유지하기 위해 냉각 시스템을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 재료 전달 스테이션은 또한 이동식 가이드 트로프들 각각의 이동을 위해 각각의 서보 제어식 이송 구동장치(servo-controlled feed drive)를 포함할 수 있다.
또한, 재료 공급 스테이션은 동시에 재료 절삭 스테이션으로서도 사용될 수 있다.
실시예들의 또 다른 시스템들, 방법들, 특성들 및 장점들은 하기 도면들 및 상세한 설명의 검토에 따라 각각의 당업자에게 분명해질 것이다. 모든 상기 유형의 추가 시스템들, 방법들, 특성들 및 장점들은 본원의 명세서 및 요약서에 포함되어야 하고 실시예들의 적용 범위에 속해야 하며 특허청구범위를 통해 보호되어야 한다.
본원의 실시예들은 하기 도면들 및 하기 설명을 참고로 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면들 내 구조부재들은 반드시 축척에 맞지 않으며, 중점은 본 발명의 원리를 구체적으로 설명하는 것에 있다. 또한, 도면들 내 동일한 유형의 도면부호들은 다양한 관점에서 상응하는 부품들을 표시한다.
도 1은 일 실시예에 따른 예시적인 섬유 배치 셀의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 예시적인 재료 저장 하우징의 예시적인 구조부재들의 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 예시적인 재료 공급 스테이션 및 편향 롤러 어셈블리의 개략도이다.
도 4는 도 3의 예시적인 재료 공급 스테이션의 상세 개략도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 재료 전달 스테이션의 개략도이다.
도 6a는 도 5의 재료 전달 스테이션의 상세 개략도이다.
도 6b는 도 6a의 재료 전달 스테이션의 개략도이며, 상부 가이드 레일은 구체적인 설명을 목적으로 제거되어 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 예시적인 안착 스테이션의 개략도이다.
도 8 내지 도 15는 일 실시예에 따라 첨단 복합 부품을 제조하기 위한 시스템의 예시적인 작동 모드를 나타낸 개략도이다.
실시예들은 단향성 프리프레그 복합 재료를 사용하는 자동 섬유 배치 시스템을 이용하여 첨단 복합 부품을 제조하기 위한 방법들, 시스템들 및 장치들을 제공한다.
도 1 내지 도 15를 참조하여, 실시예들에서 섬유 배치 셀(1)은 재료 저장 하우징(2)과, 재료 공급 스테이션(8)과, 재료 전달 스테이션(12)과, 안착 스테이션(16)을 포함할 수 있다.
재료 저장 하우징(2)은 자신에 장착되는 캐리어 필름 수용 컨테이너(3)를 포함할 수 있다. 재료 저장 하우징(2)은, 층마다 제조할 각각의 섬유 다발을 위해 개별 재료 보빈(4)과, 회전 가능한 선회 롤러(5)와, 캐리어 필름 가이드 튜브(6)와, 편향 롤러(7)를 포함할 수 있다. 각각의 재료 보빈 어셈블리는 스핀들의 지지부로서 재료 보빈(4)의 고정을 위한 클램핑 장치와, 배출되는 재료 상의 인장력의 제어를 위한 장치를 포함할 수 있다. 재료 저장 하우징(2)은 최적의 온도 및 습도로 재료 보빈들(4)을 유지하기 위해 냉각 시스템을 구비할 수 있다.
재료 공급 스테이션(8)은 압착 롤러 구동 시스템(9)과, 절삭 장치(10)와, 재료 가이드 트로프들(11)을 포함하여 형성된다.
도 6a에서 가장 잘 확인되는 것처럼, 재료 전달 스테이션(12)은, 층마다 제조할 각각의 섬유 다발을 위해 개별 이동식 가이드 트로프(13)와, 상부 가이드 레일(14)과, 서보 제어식 이송 구동장치(15)를 포함하여 형성된다. [도면들 중 몇몇 도면, 예컨대 도 6b의 경우, 상부 가이드 레일(14)은 구체적인 설명을 목적으로 생략된다.] 이동식 가이드 트로프들(13) 간의 측면 간격은 시스템에서 사용되는 재료의 폭의 2배에 대략 상응한다. 이 간격은 사전 설정된 안착할 재료 코스에서 각각의 제 2 섬유 다발의 위치에 상응할 수 있다. 이동식 가이드 트로프들(13)은 재료를 고정하기 위해 진공 연결부들을 포함하여 형성될 수 있다.
안착 스테이션(16)은 서보 제어식 픽 앤 플레이스 장치(17)와, 진공 테이블 또는 안착 표면(18)과, 가열 장치(19)와, 이송 구동장치(20)를 포함할 수 있다. 픽 앤 플레이스 장치(17)는 진공 작동식 그리퍼(21)를 포함하여 형성될 수 있으며, 이 그리퍼는 최종 이동 축에서 자신의 툴 장착 플랜지 상에 고정될 수 있다. 진공 작동식 그리퍼(21)는 윤곽 형성된 표면 상에 재료를 배치할 수 있도록 하기 위해 충분한 유연성을 갖도록 형성될 수 있다.
비록 도면들이 코스마다 4개의 섬유 다발을 제조하도록 형성되는 실시예들을 도시하고 있긴 하지만, 층마다 제조할 섬유 다발의 개수는 변할 수 있으며, 그에 따라 생산할 특정 부품들을 위한 적용 매개변수들에 가장 잘 부합하도록 형성될 수 있다.
실시예들에서, 소형의 첨단 복합 부품을 제조하기 위한 예시적인 시스템은 하기와 같이 작동한다.
압착 롤러 구동 시스템(9)이 활성화될 수 있고 각각의 선회 롤러들(5) 및 편향 롤러들(7)을 통해 각각의 재료 웨브(22)를 전방으로 인출한다. 각각의 재료 웨브(22)는, 부품의 안착 프로그램에 의해 사전 설정된 것처럼, 각각의 개별 섬유 다발의 길이가 변하도록 하기 위해 독립적으로 인출될 수 있다.
각각의 재료 보빈(4)으로부터 압착 롤러 구동 시스템(9)에 의해 전방으로 인출되는 각각의 재료 웨브(22)에 의해, 각각의 재료 보빈(4) 상의 캐리어 필름(23)은 동시에 연속해서 박리되어 캐리어 필름 가이드 튜브(6)를 통해 캐리어 필름 수용 컨테이너(3) 내로 인출될 수 있다. 비록 진공 작동식 캐리어 필름 분리 시스템이 도면들에 도시되어 있기는 하지만, 캐리어 필름의 분리는 필름이 수동형 또는 피동형 권취 보빈, 또는 적합하고 대안적인 임의의 보조 수단 상에 권취되는 것으로도 달성될 수 있다.
각각의 재료 보빈(4)으로부터 압착 롤러 구동 시스템(9)에 의해 전방으로 인출되는 각각의 재료 웨브(22)에 의해, 각각의 웨브는 동시에 전방으로 절삭 장치(10)를 넘어서 [재료 공급 스테이션(8) 내에 위치되는] 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내될 수 있다. 각각의 웨브는, 부품의 안착 프로그램에 의해 사전 설정된 것처럼, 소정 섬유 다발 길이에 상응할 수 있는 상응하는 구간을 경유하여 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내될 수 있다. 각각의 재료 웨브(22)는 전방으로 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내되기 때문에, 재료 웨브는 예컨대 도 8 ~ 9에 도시된 것처럼[상부 가이드 레일(14)은 명확성을 위해 도시되어 있지 않음] 수직 방향으로 봉쇄를 제공하는 상부 가이드 레일(14) 하부로 통과한다.
각각의 재료 웨브는 소정 구간을 경유하여 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내된 후에, 진공 시스템이 활성화될 수 있으며, 그럼으로써 각각의 재료 웨브(22)는 자신의 각각의 이동식 가이드 트로프(13)의 내부에 고정된다.
각각의 재료 웨브(22)가 자신의 각각의 이동식 가이드 트로프(13) 내에 확실하게 고정된다면, 재료 이송 보빈들로부터 공급되는 재료에서 각각의 재료 웨브(22)를 절삭하고 그에 따라 개별 섬유 다발들(24)을 형성하는 절삭 장치(10)가 작동될 수 있다.
각각의 섬유 다발(24)이 자신의 각각의 이동식 가이드 트로프(13) 내에 확실히 고정된다면, 이송 구동장치들(15)이 작동되어, 각각의 이동식 가이드 트로프(13)를, 예컨대 도 10에 도시된 것처럼, 절삭 장치(10)로부터 멀어지는 방향으로 수평으로 이동시킬 수 있다. 각각의 이송 구동장치(15)는, 하기 사항을 위해, 각각의 이동식 가이드 트로프(13)를 독립적으로 독립된 최종 위치로 안내할 수 있다:
● 모든 섬유 다발(24)이 픽 앤 플레이스 장치(17)에 대해 접근 가능하도록 하기 위해,
● 각각의 섬유 다발(24)의 단부들이, 제조할 부품 내에 포함되어 있어야 하는 것처럼, 서로에 대해 동일한 단-대-단 관계로 정렬되도록 하기 위해.
모든 섬유 다발(24)이 서로 정확하게 관련되어 배치된다면, 픽 앤 플레이스 장치(17)는 이동식 가이드 트로프들(13) 위쪽의 위치로 이동할 수 있고, 진공 작동식 그리퍼(21)가 활성화될 수 있다.
실시예들에서, 안착할 제 1 재료 층에 대해 하기 작업 시퀀스들이 시작될 수 있다:
● 캐리어 필름이 진공 테이블 또는 안착 표면(18)의 표면 상에 안착될 수 있고 진공 시스템은 캐리어 필름을 고정하기 위해 활성화될 수 있고;
● 캐리어 필름의 표면이 제 1 재료 층의 수용을 위해 준비하기 위해 점착성을 갖게 될 수 있고;
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는 이동식 가이드 트로프들(13)과 일직선으로 정렬하여 진공 작동식 그리퍼(21)를 회전시키고 섬유 다발들(24)과 접촉하도록 그리퍼를 하강시키며(예컨대 도 1 참조) 그리퍼의 진공을 활성화시킬 수 있고;
● 이동식 가이드 트로프들(13) 내의 진공 시스템은 비활성화될 수 있고, 픽 앤 플레이스 장치(17)는 이동식 가이드 트로프들(13)로부터 섬유 다발들(24)을 분리하기 위해 진공 작동식 그리퍼(21)를 후퇴시킬 수 있고;
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽에서 정확한 위치 및 정렬로 진공 작동식 그리퍼(21)를 포지셔닝할 수 있고(예컨대 도 13 참조);
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는, 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상의 캐리어 필름과 접촉하는 방식으로 섬유 다발들(24)을 배치하기 위해, 진공 작동식 그리퍼(21)를 하강시킬 수 있고(예컨대 도 14 참조);
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는, 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상의 캐리어 필름에 대해 섬유 다발들(24)을 가압하기 위해, 약간 아래 방향으로 향하는 힘을 가할 수 있으며, 그리고 진공 작동식 그리퍼(21)는 비활성화될 수 있고;
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는 진공 작동식 그리퍼(21)를 후퇴시킬 수 있으며, 그럼으로써 섬유 다발들(24)은 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 잔류하게 되며; 그리고
● 또한, 픽 앤 플레이스 장치(17)는 제 1 부품 층이 완성될 때까지 앞서 기재한 방식으로 재료 코스들을 안착시킬 수 있다.
실시예들에서, 후속하는 안착할 재료 웨브들에 대해 하기 작업 시퀀스들이 시작될 수 있다.
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는 이동식 가이드 트로프들(13)과 일직선으로 정렬하여 진공 작동식 그리퍼(21)를 회전시키고 섬유 다발들(24)과 접촉하도록 그리퍼를 하강시키며(예컨대 도 11 참조) 그리퍼의 진공을 활성화시킬 수 있고;
● 픽 앤 플레이스 장치(17)가 이동식 가이드 트로프들(13) 위쪽의 위치에 배치되는 동안, 이송 구동장치(20)가 활성화되고, 가열 장치(19)는 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽의 위치로 이동될 수 있고(예컨대 도 12 참조);
● 가열 장치(19)는, 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 재료 층의 표면을 가열하여 점착성을 갖도록 하기 위해, 스위치 온될 수 있고(비록 열풍 가열 시스템이 개념 도면에 도시되어 있긴 하지만, 가열 과정은 IR 소스 또는 임의의 대안적 보조 수단에 의해 실행될 수 있다);
● 이동식 가이드 트로프들(13) 내의 진공 시스템은 비활성화될 수 있고, 픽 앤 플레이스 장치(17)는, 이동식 가이드 트로프들(13)로부터 섬유 다발들(24)을 분리하기 위해, 진공 작동식 그리퍼(21)를 후퇴시킬 수 있고;
● 앞서 안착된 층의 표면이 가열되어 점착성을 갖게 되었다면, 이송 구동장치(20)는 다시 활성화될 수 있고, 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽의 가열 장치의 이전 위치로부터 가열 장치(19)를 후퇴시킬 수 있고(예컨대 도 13 참조);
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽에서 정확한 위치 및 정렬 방향으로 진공 작동식 그리퍼(21)를 포지셔닝할 수 있고;
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는, 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 사전에 안착된 층과 접촉하는 방식으로 섬유 다발들(24)을 배치하기 위해, 진공 작동식 그리퍼(21)를 하강시킬 수 있고,
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는, 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 사전에 안착된 층에 대해 섬유 다발들(24)을 가압하기 위해, 약간 아래 방향으로 향하는 힘을 가할 수 있고;
● 진공 작동식 그리퍼(21)의 진공이 비활성화될 수 있고, 픽 앤 플레이스 장치(17)는 그리퍼를 후퇴시킬 수 있으며, 그럼으로써 섬유 다발들(24)은 상부에서 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 사전에 안착된 층 상에서 자신의 위치에 잔류하게 되며(예컨대 도 15 참조); 그리고
● 픽 앤 플레이스 장치(17)는 또한 부품의 모든 층이 완성될 때까지 앞서 기재한 방식으로 후속하는 재료 코스들을 안착할 수 있다.
앞서 기재한 실시예들에서, 상기 방법들에 의해 안착되는 각각의 재료 코스는 각각의 제 2 섬유 다발 위치를 포함할 수 있으며, 다시 말하면 임의의 흐름 중에 있는 각각의 섬유 다발은 측면 위치에서 단일의 섬유 다발의 폭에 상응하는 간격만큼 인접한 섬유 다발로부터 오프셋 될 수 있다(예컨대 도 14 참조). 이런 경우, 다음의 제조되는 층은 사전에 안착된 층에서 섬유 다발들 사이의 틈들을 채우기 위해 필요한 섬유 다발을 포함할 수 있다(예컨대 도 15 참조).
동일한 폭과 동일한 개수의 재료 코스를 사용하는 종래의 섬유 배치 시스템들에 비해, 앞서 기재한 실시예들에 의해 제조되는 각각의 코스는 종래의 시스템에 의해 제조되는 코스의 폭의 2배인 폭을 가질 수 있다; 그러나 안착 표면 상에 배치되는 재료의 실제 순면적(net area)은 유사하거나 동일할 수 있다.
대안적 실시예
또한, 앞서 기재한 실시예들의 많은 변형예도 고려된다.
첫째로, 앞서 기재한 실시예들이 소형 부품의 제조를 위해 형성될 수 있는 반면, 본 실시예들은 특정 크기로 제한되지 않는다. 다른 실시예들은 상대적으로 더 큰 부품을 제조하도록 형성될 수 있다.
두 번째로, 실시예들은 각각의 임의의 픽 앤 플레이스 장치를 사용할 수 있다. 산업용 픽 앤 플레이스 로봇은 임의의 개수의 픽 앤 플레이스 버전을 포함할 수 있다. 실시예들은, 가이드 트로프들(13)로부터 섬유 다발들을 분리하고, 제조할 부품 상에 그 섬유 다발들을 배치하기 위해, 각각의 보조 수단들을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예들은, 각각 임의의 스트립 폭에 적용될 수 있으면서, 협폭의 스트립 폭으로만 제한되지 않는다. 실시예들은, 상대적으로 더 넓은 스트립을 포함한 부품들을 제조하기 위해 본원에서 개시된 것과 유사한 구성들을 사용할 수 있다.
또한, 절삭 장치는, 적은 에지 폐기량을 갖는 부품들이 형성되도록 하기 위해 재료 단부들을 소정의 각도로, 또는 아치형으로 절삭하도록 형성될 수 있다.
또한, 시스템은, 속도 및 생산성을 증대하기 위해, 하나 이상의 재료 저장 하우징(2)과, 재료 공급 스테이션(8)과, 재료 전달 스테이션(12)과, 안착 스테이션(16) 또는 이 안착 스테이션 내에 포함된 부재들을 포함할 수 있다. 따라서 픽 앤 플레이스 시스템(17)이 다음 재료가 공급되는 동안 시스템에서 재료를 인출할 수 있도록 하기 위해, 기계는 예컨대 2개의 재료 저장 하우징(2) 및 재료 공급 스테이션(8)을 포함하여 형성될 수 있다. 그러나 각각의 재료 저장 하우징(2)은, 단일의 부품 내에 2개의 스트립 폭이 사용될 수 있도록 하기 위해 상이한 스트립 폭들을 처리하도록 구성될 수도 있다.
추가로, 부품이 안착되는 동안 압착되어야 하는 상황에, 제 1 부품이 압착되는 동안 픽 앤 플레이스 장치(17)가 재료를 제 2 부품 상으로 안착시킬 수 있도록 하기 위해, 복수의 툴 표면이 포함될 수 있다.
또한, 픽 앤 플레이스 장치(17)는, 진공 작동식 그리퍼(21)가 픽 앤 플레이스 장치(17)로부터 분리될 수 있고 다른 엔드 이펙터들이 고정될 수 있도록 하기 위해 툴 교환기를 포함하여 형성될 수 있다. 조립 시스템은 예컨대 진공 클램핑 장치일 수 있다. 다른 엔드 이펙터들은 특정 코스 유형들을 배치해야 하거나, 특정 부품 영역들 상에, 예컨대 일정한 밀도를 갖지 않는 영역 상에 코스를 배치해야 하는 특수화된 진공 작동식 그리퍼일 수 있다.
● 툴 표면으로부터 부품을 분리하는 그리퍼;
● 부품이 안착되는 툴 표면 상에 캐리어 재료를 배치하는 그리퍼;
● 부품 설계의 요구에 따라서 인서트들 또는 다른 재료들을 배치하는 그리퍼(상기 유형의 인서트에 대한 예는 부품의 양쪽 외부면 상에 배치되는 유리 섬유 절연층일 수도 있다.);
● 품질 보증을 위해 각각의 층을 검사하는 검사 시스템;
● 부품을 압착하여 포함된 공기를 제거하기 위해 부품 및 인가된 진공 위쪽으로 배치될 수 있는 컴팩팅 프레임.
또한, 진공 테이블 상에 재료를 직접 안착시키는 것 대신, 캐리어 재료가 진공 또는 다른 보조 수단에 의해 툴 표면(예: 폴리머 필름) 상에 고정될 수 있다. 부품의 제 1 층은 적합한 방법에 의해, 예컨대 열, 점착제 또는 압력에 의해 캐리어 재료 상에 접착될 수 있다.
또한, 실시예들은 편편하지 않은 부품을 제조할 수 있다. 앞서 기재한 실시예들은 편편한 툴 표면을 사용하는 반면, 만곡된 부품들은 편편하지 않은 부품에 스트립을 매칭시킬 수도 있는 그리퍼(21)를 사용해서도 안착될 수 있다. 단순한 만곡부는, 섬유 다발이 툴 표면 상에 가압되는 동안, 부품 형태에 매칭될 수 있는 호환 가능한 그리퍼 표면을 포함할 수 있다. 형태들이 상대적으로 더 복잡한 경우, 편편한 섬유 다발을 최종적인 부품 형태로 굽히거나, 또는 섬유 다발을 최종적인 부품 형태로 성형하도록 작동되는 상대적으로 더 정교한 그리퍼들이 사용될 수 있다.
또한, 앞서 기재한 실시예들은 열가소성 프리프레그 복합 재료들의 안착에도 적용될 수 있다. 열가소성 구성에서, 재료 저장 하우징(2)은 냉각되지 않아도 되고 캐리어 필름 수용 컨테이너(3)가 생략될 수 있다. 층들이 안착되는 동안 상호 간에 점착될 수도 있는 온도로 재료를 신속하게 가열하기 위한 대안적 가열 방법들, 예컨대 레이저, 가열 가스, IR, 또는 초음파를 통한 가열이 사용될 수 있다. 다음의 재료 코스에 대한 접착을 지원하기 위해 이미 안착된 재료의 표면을 가열하는 것 대신, 픽 앤 플레이스 장치(17) 또는 진공 작동식 그리퍼(21)는, 아래 위치하는 층들 상에 안착된 코스를 용접하기 위해 초음파 용접 장치들을 추가로 포함할 수 있다. 적합한 용접 방법들의 실시예들은 인용에 의해 본원에 완전히 포함되는 미국 특허 US 8,043,253에 개시되어 있다.
또한, 소형의 첨단 복합 부품을 제조하기 위한 본원의 실시예들은, 특정 부품 기하구조를 위해 혼성 방법(hybrid method)이 바람직할 수도 있는 경우에 다른 안착 방법들과 결합될 수 있다. 예컨대 상대적으로 더 큰 길이-폭-측면 비율을 갖는 부품들의 경우 (자신들의 코스들이 부품의 긴 에지에 대해 평행하게 이어지는 층들이 자신들의 코스들이 긴 에지에 대해 소정의 각도로 이어지는 층들보다 훨씬 더 긴 경우에) 긴 코스들은 다른 보조 수단으로 배치될 수 있다. 대안적 보조 수단에 속하는 경우는 특히 긴 코스들을 위한 사전 절삭된 스트립 재료 층들의 수동 안착("수동 레이업; hand-lay-up")이며, 이 경우 상응하는 진공 작동식 그리퍼(21)로 긴 스트립들을 배치하기 위해 픽 앤 플레이스 장치(17)가 사용되거나, 또는 스트립이 긴 코스를 위한 이동 가능한 헤드로 배치된다.
본원의 실시예들은 다수의 놀랍고도 유용한 결과에 기여할 수 있다.
첫째로, 섬유 다발들을 준비 없이 공급하여 절삭하는 것보다 오히려 사전 절삭된 섬유 다발들을 배치하도록 형성되는 실시예들의 경우, 절삭 장치를 배치하는 제한된 공간 조건이 완화될 수 있으며, 그럼으로써 이는 시스템이 매우 짧은 최소 코스 길이(MCL)를 사용할 수 있게 한다. 생성된 폐기물량은 감소될 수 있고, 그에 따라 이는 소형 부품들을 위한 수동 안착 방법에 대한 허용 가능한 대안을 제공한다.
두 번째로, 섬유 다발들을 준비 없이 공급하여 절삭하는 것보다 오히려 사전 절삭된 섬유 다발들을 배치하도록 형성되는 실시예들의 경우, 고가이면서 정교한 장력 제어 시스템이 필요하지 않기 때문에, 본원의 실시예들에 따른 시스템의 비용이 줄어든다.
또한, 위치 고정된 재료 저장 하우징 및 위치 고정된 공급/절삭 스테이션을 포함하여 형성되는 실시예들의 경우, 복잡하면서도 고가인 섬유 이송 시스템이 필요없고, 이런 유형의 섬유 이송 시스템과 결부되는 굽힘 및 비틀림에 의한 재료 부하의 대부분이 생기지 않는다.
추가로, 위치 고정된 재료 저장 하우징 및 위치 고정된 공급/절삭 스테이션을 포함하여 형성되는 실시예들의 경우, 재료 가이드의 대부분이 냉각되는 하우징에 의해 에워싸일 수 있으며, 그럼으로써 재료의 점착성과 그에 따른 전체 시스템 내에서 부품들 상으로 전달되는 수지(resin)의 양이 감소한다. 이는 정화 작업의 빈도를 낮추면서 동시에 시스템의 신뢰성을 개선할 수 있는 가능성을 제공한다.
또한, 편편한 안착 표면 상에 사전 절삭된 섬유 다발들을 배치하도록 형성되는 실시예들의 경우, 시스템에 적합한 조작기의 크기, 복잡성 및 그에 따른 비용은 분명하게 감소할 수 있다.
마지막으로, 편편한 안착 표면 상에 사전 절삭된 섬유 다발들을 배치하도록 형성되는 실시예들의 경우, 앞서 안착된 층들을 준비 없이 가열하고/점착성을 갖게 할 필요가 없다. 상대적으로 더 낮은 용량과 그에 따라 덜 비싼 가열 시스템이 복잡한 제어 메커니즘의 필요 없이 사용될 수 있다.
실시예들의 상기 개시 사항은 구체화를 위해 설명되었다. 상기 개시 사항은 국한되어서는 안 되고, 개시된 정확한 형태들에 대한 다른 실시예들을 제한해서도 안 된다. 본원에 기재된 실시예들의 많은 변형들은 상기 개시사항을 고려할 때 당업자에게 분명해진다. 실시예들의 적용 범위는 특허청구범위 및 이 특허청구범위의 대응사항에 의해서만 결정되어야 한다.
또한, 본원의 실시예들 중 대표 실시예들의 기재내용에서, 본원의 실시예들의 방법은 단계들의 특정 순서로서 설명되어 있을 수 있다. 그러나 상기 방법은 (방법이 본원에서 결정된 단계들의 특정 순서를 기반으로 하지 않는 점에 한해) 단계들의 특정 순서로만 국한되어서는 안 된다. 그러므로 당업자라면 다른 단계 순서도 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 결정된 단계들의 특별한 순서는 특허청구범위의 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 추가로 본원의 실시예들의 방법을 대상으로 하는 특허청구범위는 기록으로 존재하는 순서에서 그 단계들의 실시로 제한되어서는 안 되며, 그리고 당업자라면, 순서들은 변할 수 있고 여전히 본원의 실시예들의 사상 및 범위에 속할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
1 섬유 배치 셀
2 재료 저장 하우징
3 캐리어 필름 수용 컨테이너
4 재료 보빈
5 선회 롤러
6 캐리어 필름 가이드 튜브
7 편향 롤러
8 재료 공급 스테이션
9 압착 롤러 구동 시스템
10 절삭 장치
11 재료 가이드 트로프
12 재료 전달 스테이션
13 가이드 트로프
14 가이드 레일
15 이송 구동장치
16 안착 스테이션
17 픽 앤 플레이스 장치
18 안착 표면
19 가열 장치
20 이송 구동장치
21 그리퍼
22 재료 웨브
23 캐리어 필름
24 섬유 다발

Claims (18)

  1. 섬유 배치 시스템을 이용한 복합 부품의 제조 방법으로서, 상기 섬유 배치 시스템은,
    층마다 제조할 각각의 섬유 다발(24)을 위해 하나 이상의 재료 보빈(4), 회전 가능한 선회 롤러(5) 및 편향 롤러(7)를 구비하는 하나 이상의 재료 저장 하우징(2)과;
    압착 롤러 구동 시스템(9) 및 절삭 장치(10)를 구비하는 하나 이상의 재료 공급 스테이션(8)과;
    층마다 제조할 각각의 섬유 다발(24)을 위해 각각 하나의 이동식 가이드 트로프(13)를 구비하는 하나 이상의 재료 전달 스테이션(12)으로서, 상기 이동식 가이드 트로프들(13)은 각각 하나의 진공 시스템을 포함하는, 하나 이상의 재료 전달 스테이션(12)과;
    진공 테이블 또는 안착 표면(18), 및 엔드 이펙터를 장착한 픽 앤 플레이스 장치(17)를 구비하는 하나 이상의 안착 스테이션(16)을;
    포함하는, 제조 방법에 있어서,
    각각의 선회 롤러들(5) 및 편향 롤러들(7)을 통해 재료 웨브들(22) 각각을 인출하기 위해 상기 압착 롤러 구동 시스템(9)을 활성화하되, 상기 압착 롤러 구동 시스템(9)에 의해 각각의 재료 보빈(4)으로부터 상기 재료 웨브들(22) 각각을 인출함으로써, 상기 재료 웨브들(22) 각각이 전방으로 상기 절삭 장치(10)를 넘어서 상기 재료 공급 스테이션(8)에 배치된 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내되는 단계와;
    각각의 재료 웨브(22)가 소정 구간을 경유하여 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내된 후에는, 상기 재료 웨브를 고정하기 위해 상기 각각의 가이드 트로프(13)의 진공 시스템을 활성화하는 단계와;
    각각의 재료 웨브(22)를 자신의 각각의 이동식 가이드 트로프(13) 내에 고정한 후에는, 재료 이송 보빈들로부터 공급되는 재료에서 각각의 재료 웨브(22)를 절삭하여 개별 섬유 다발(24)을 형성하기 위해 상기 절삭 장치(10)를 작동시키는 단계와,
    각각의 섬유 다발(24)이 자신의 각각의 이동식 가이드 트로프(13) 내에 고정되어 있다면 상기 절삭 장치(10)로부터 멀어지는 방향으로 수평으로 상기 이동식 가이드 트로프들(13)을 이동시킴으로써 모든 섬유 다발(24)이 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)에 대해 접근 가능하게 하는 단계와;
    상기 이동식 가이드 트로프들(13)과 일직선으로 정렬하여 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 회전시키는 단계와;
    상기 섬유 다발들(24)과 접촉할 때까지 상기 엔드 이펙터를 하강시키는 단계와;
    상기 엔드 이펙터를 활성화하는 단계와;
    상기 이동식 가이드 트로프들(13) 내에서 진공 시스템을 비활성화하는 단계와;
    상기 이동식 가이드 트로프들(13)로부터 상기 섬유 다발들(24)을 분리하기 위해 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 후퇴시키는 단계와;
    상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽에서 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 포지셔닝하는 단계와;
    상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 층과 접촉하는 방식으로 상기 섬유 다발들(24)을 배치하기 위해 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 하강시키는 단계와;
    상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 비활성화하고 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 후퇴시킴으로써 상기 섬유 다발들(24)이 상부에서 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 층 상에서 자신들의 위치에 잔류하게 하는 단계를;
    포함하는, 복합 부품의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 진공 작동식 그리퍼(21)이며, 상기 엔드 이펙터의 활성화 및 비활성화를 위해 진공이 활성화 또는 비활성화되는, 복합 부품의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 층과 접촉하는 방식으로 상기 섬유 다발들(24)을 배치하기 위해 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 하강시킨 후에, 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)는, 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 층에 대해 상기 섬유 다발들(24)을 가압하기 위해 하부 방향으로 향하는 힘을 가하는, 복합 부품의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압착 롤러 구동 시스템(9)에 의해 각각의 재료 보빈(4)으로부터 상기 재료 웨브들(22) 각각을 인출함으로써, 상기 재료 웨브들(22)은 각각 상호 간에 독립적으로 인출되고, 상기 재료 웨브들(22) 각각은 부품의 안착 프로그램에 의해 사전 설정된 섬유 다발 길이에 상응하는 구간을 경유하여 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내되는, 복합 부품의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안착 스테이션(16)은 또한 가열 장치(19)를 포함하며, 그리고 상기 방법은 또한
    상기 픽 앤 플레이스 장치(17)가 상기 이동식 가이드 트로프들(13) 위쪽의 위치에 배치되어 있는 동안에, 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽에 상기 가열 장치(19)를 포지셔닝하고 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 재료 층의 표면을 가열하여 점착성을 갖도록 하기 위해 상기 가열 장치(19)를 스위치 온하는 단계와;
    앞서 안착된 층의 표면이 가열되어 점착성을 갖게 된 후에, 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 진공 작동식 그리퍼(21)가 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽에 포지셔닝되기 전에, 상기 가열 장치(19)를 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽의 자신의 위치로부터 후퇴시키는 단계를; 포함하는, 복합 부품의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭 장치(10)로부터 멀어지는 방향으로 수평으로 상기 이동식 가이드 트로프들(13)을 이동시키는 동안, 각각의 이동식 가이드 트로프(13)는, 독립적으로, 독립된 최종 위치로 안내되며, 그럼으로써 각각의 섬유 다발(24)의 단부들은, 제조할 부품 내에 포함되어 있어야 하는 것처럼, 서로에 대해 동일한 단-대-단 관계로 정렬되는, 복합 부품의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 안착할 재료 층을 위해, 상기 섬유 다발들(24)은 측면 위치에서 인접한 섬유 다발들(24)로부터 단일의 섬유 다발의 폭에 상응하는 간격만큼 이격되며, 상기 섬유 다발들(24) 사이의 틈은 다음의 안착할 재료 코스 내에 상기 섬유 다발들(24)을 안착시키는 것을 통해 채워지는, 복합 부품의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 안착할 제 1 재료 층을 위해,
    상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18)의 표면 상에 캐리어 재료, 특히 캐리어 필름을 안착시키고 상기 캐리어 재료를 고정하기 위해 상기 진공 시스템을 활성화하는 단계;
    상기 제 1 재료 층의 수용을 준비하기 위해 상기 캐리어 재료의 표면이 점착성을 갖게 하는 단계;
    상기 이동식 가이드 트로프들(13)과 일직선으로 정렬하여 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 회전시키는 단계;
    상기 섬유 다발들(24)과 접촉할 때까지 상기 엔드 이펙터를 하강시키는 단계;
    상기 엔드 이펙터를 활성화하는 단계;
    상기 이동식 가이드 트로프들(13) 내에서 상기 진공 시스템을 비활성화하는 단계;
    상기 이동식 가이드 트로프들(13)로부터 상기 섬유 다발들(24)을 분리하기 위해 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 후퇴시키는 단계;
    상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽에 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 포지셔닝하는 단계;
    상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상의 캐리어 재료와 접촉하는 방식으로 상기 섬유 다발들(24)을 배치하기 위해 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 하강시키는 단계;
    상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상의 상기 캐리어 재료에 대해 상기 섬유 다발들(24)을 가압하기 위해 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)를 통해 하부 방향으로 향하는 힘을 가하는 단계;
    상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 비활성화하고 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 엔드 이펙터를 후퇴시킴으로써 상기 섬유 다발들(24)이 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상의 상기 캐리어 재료 상에서 잔류하게 하는 단계; 및
    상기 제 1 층이 완성될 때까지 상기 단계들을 반복하는 단계가 실시되는,
    복합 부품의 제조 방법.
  9. 섬유 배치 시스템으로서,
    층마다 제조할 각각의 섬유 다발(24)을 위해 재료 보빈(4), 회전 가능한 선회 롤러(5) 및 편향 롤러(7)를 구비하는 하나 이상의 재료 저장 하우징(2)과;
    압착 롤러 구동 시스템(9) 및 절삭 장치(10)를 구비하는 하나 이상의 재료 공급 스테이션(8)과;
    층마다 제조할 각각의 섬유 다발을 위해 각각 하나의 이동식 가이드 트로프(13)를 구비하는 하나 이상의 재료 전달 스테이션(12)으로서, 상기 이동식 가이드 트로프들(13)이 각각 하나의 진공 시스템을 포함하는, 하나 이상의 재료 전달 스테이션(12)과;
    진공 테이블 또는 안착 표면(18), 및 엔드 이펙터를 장착한 픽 앤 플레이스 장치(17)를 구비하는 하나 이상의 안착 스테이션(16)을 포함하고,
    상기 압착 롤러 구동 시스템(9)은 상기 각각의 선회 롤러들(5) 및 편향 롤러들(7)을 통해 재료 웨브들(22) 각각을 인출하여 상기 재료 웨브들 각각을 전방으로 상기 절삭 장치(10)를 넘어서 상기 재료 공급 스테이션(8)에 배치된 자신의 각각의 가이드 트로프(13) 내로 안내하기 위해 활성화될 수 있고,
    상기 각각의 가이드 트로프들(13)의 진공 시스템은 각각의 이동식 가이드 트로프(13) 내에 상기 재료 웨브(22)를 고정하기 위해 활성화될 수 있고,
    상기 절삭 장치(10)는 재료 이송 보빈들로부터 공급되는 재료에서 상기 각각의 재료 웨브(22)를 절삭하여 개별 섬유 다발들(24)을 형성하기 위해 작동될 수 있고,
    상기 이동식 가이드 트로프들(13)은 모든 섬유 다발(24)이 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)에 대해 접근 가능하도록 하기 위해 상기 절삭 장치(10)로부터 멀어지는 방향으로 수평으로 이동될 수 있고,
    상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 상기 엔드 이펙터는 상기 이동식 가이드 트로프들(13)과 일직선으로 정렬되어 회전되고, 상기 엔드 이펙터는 상기 섬유 다발들(24)과 접촉할 때까지 하강되며, 상기 엔드 이펙터는 활성화될 수 있고,
    상기 이동식 가이드 트로프들(13) 내의 진공 시스템이 비활성화되고 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 상기 엔드 이펙터가 상기 이동식 가이드 트로프들(13)에서 상기 섬유 다발들(24)을 분리하기 위해 후퇴될 수 있고,
    상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 상기 엔드 이펙터는 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 위쪽에 포지셔닝되어 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 상기 엔드 이펙터는 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 층과 접촉하는 방식으로 상기 섬유 다발들(24)을 배치하기 위해 하강될 수 있으며, 그리고
    상기 픽 앤 플레이스 장치(17)의 상기 엔드 이펙터가 비활성화되어 후퇴될 수 있으며, 그럼으로써 상기 섬유 다발들(24)은 상부에서 상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 앞서 안착된 층 상에서 자신들의 위치에 잔류될 수 있는, 섬유 배치 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 섬유 배치 시스템은 섬유 배치 셀(1)인, 섬유 배치 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는 진공 작동식 그리퍼(21)인, 섬유 배치 시스템.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동식 가이드 트로프들(13)은, 상호 간에 독립적으로, 독립된 최종 위치로 안내될 수 있으며, 그럼으로써 각각의 섬유 다발(24)의 단부들은, 제조할 부품 내에 포함되어 있어야 하는 것처럼, 서로에 대해 동일한 단-대-단 관계로 정렬될 수 있는, 섬유 배치 시스템.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동식 가이드 트로프들(13) 사이에 시스템에서 사용되는 재료의 폭의 2배에 대략 상응하는 간격이 형성되는, 섬유 배치 시스템.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭 장치(10)는 재료 단부들을 소정의 각도로 또는 아치형으로 절삭하도록 구성되는, 섬유 배치 시스템.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽 앤 플레이스 장치(17)는 다양한 엔드 이펙터들, 특히 특정 층 유형을 배치하기 위한 및/또는 특정 부품 영역들, 특히 일정한 밀도를 갖지 않는 영역 상에 재료 코스를 배치하기 위한 특수화된 진공 작동식 그리퍼,
    툴 표면으로부터 부품을 분리하기 위한 그리퍼,
    상기 진공 테이블 또는 안착 표면(18) 상에 캐리어 재료를 안착시키기 위한 그리퍼,
    인서트들 또는 다른 재료들을 배치하기 위한 그리퍼,
    품질 보증을 위해 각각의 층을 검사하기 위한 검사 시스템, 및/또는
    부품을 압착하여 포함된 공기를 제거하기 위해 부품 및 인가된 진공 위쪽으로 배치될 수 있는 컴팩팅 프레임을 고정할 수 있게 하는 툴 교환기를 구비하는, 섬유 배치 시스템.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료 저장 하우징(2)은 또한 사전 설정된 온도 및 습도로 상기 재료 보빈들(4)을 유지하기 위해 냉각 시스템을 구비하는, 섬유 배치 시스템.
  17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료 전달 스테이션(12)은 또한 상기 이동식 가이드 트로프(13) 각각의 이동을 위해 각각의 서보 제어식 이송 구동장치(15)를 포함하는, 섬유 배치 시스템.
  18. 제 9 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 배치 시스템은 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 구성되는, 섬유 배치 시스템.
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