KR20180120080A - 복합 부품에 길이 방향 곡률을 적용하는 인발 성형 시스템 - Google Patents

복합 부품에 길이 방향 곡률을 적용하는 인발 성형 시스템 Download PDF

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Abstract

복합 부품에 길이 방향 곡률을 적용하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 한 실시 예는 연속적으로 휜 인발 성형 갭 필러(a curved pultruded gap filler)를 위한 프리폼(a preform)를 가공하는 것:
섬유 보강 재료(fiber reinforced material) 내의 구성 물질에 대한 고정 점 온도(a sticking point temperature)까지 섬유 보강 재료 가열, 및 섬유 보강 재료가 고정 점 온도(a sticking ping temperature)로 가열되는 동안, 섬유 보강 소재가 이동하는 곡률을 보이는 다이(a die)를 통해 섬유 보강 재료를 공급하는 것, 갭 필러를 위해 프리폼 내로 섬유 보강 재료를 성형하는 다이를 포함하는 방법이다. 휜 인발 성형 프리폼을 가공하는 것은 프리폼이 다이를 통해서 통과하는 것과 같이, 프리폼 내 섬유의 가변 경로 길이, 및 프리폼을 다이 밖으로 당기는 것을 추가로 포함한다.

Description

복합 부품에 길이 방향 곡률을 적용하는 인발 성형 시스템{PULTRUSION SYSTEMS THAT APPLY LENGTHWISE CURVATURE TO COMPOSITE PARTS}
본 발명은 복합 재료(composite materials)의 분야, 및 특히, 복합 재료(composite materials)에서 연결부(joints)의 강도를 향상시키는 프리폼(preforms)에 관한 것이다.
구성 재료의 다층 적층(multi-layer laminates of constituent material) (예, 탄소 섬유 보강 고분자 (Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP))은 구성 재료가 일체형 복합 재료 부품(an integral composite part)로 경화되기 전에 어느 다양한 형태로 형성되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 다이(dies) 및/또는 다른 성형 도구들(forming tools)은 적층 시트(a sheet of laminate)의 형태를 변경하는데 이용될 수도 있다. 몇몇 적층의 유형은 경화성 수지(a curable resin)와 혼입(impregnate)되어 왔고, "프리프레그(prepreg)" 적층으로써 언급되었다. 다른 적층의 유형은 수지가 혼입되지 않은 "건식섬유(dry fiber)", 및 열 경화성 수지(a thermoset resin) 대신 열 가소성 수지(a thermoplastic resin)가 포함된 열 가소성 탄소 섬유(thermoplastic carbon fiber)를 포함한다.
유명한 복합 부품은 항공기의 스트링거(the stringer)를 포함한다. 그러나, 이런 복합 부품(composite parts)은 스트링거를 위한 3차원적 구조를 형성하기 위해 평평한 층의 휨으로 인해 밀착한 반경을 가진 날카로운 밴드/코너(sharp bends/corners)를 보일 수도 있다. 예를 들어, 항공기(an aircraft)에 사용되는 "모자형(hat)" 스트링거는 적층들 사이에 연결부(joints)를 가질 수도 있으며, 이러한 연결부는 밀착된 안쪽 코너 반경을 보일 수도 있다. 연결부 위의 엄격한 안쪽 코너 반경은 적층이 공동 경화(co-cured) 될 때, 연결부가 요구되는 본드 강도보다 더 작게 보이도록 야기할 수도 있다.
갭 필러(a gap filler) (구어체로 "누들(a noodle)"로 언급되어 있다)는 그러므로 평평한 적층이 다른 접힌 또는 평평한 적층과 접히고 일치될 때 남은 틈을 차지하는 것은 바람직하다. 갭 필러는 이 연결부를 위해 접힌 남은 틈을 채우기 위해 연결부에 가공되거나 삽입될 수도 있다. 갭 필러는 다양한 복잡한 모양을 보이는 스트링거에 바람직하게 남는다.
이것은 특히 평평하게 쌓고 나서 C', I', J', Z' 등의 모양의 단면(cross section)을 가진 구조를 형성하기 위해 다양한 모양으로 구부린 경우일 수도 있다. 예를 들어, 두 연속된 "C" 채널(channels)로부터 만들어진 "I"모양으로 형성된 구조 및 "C" 채널을 막는(capping off) 평평한 적층은 갭 필러가 요구되는 다중 위치(multiple locations)를 포함할 수도 있다.
따라서, 복합 부품을 설계하는 사람들은 비용 효과적인 방법으로 갭 필러를 생성할 수 있고, 원하는 강도를 가진 갭 필러를 가공할 수 있고, 또한 오차를 벗어나는 갭 필러의 발생률(incidence) 및 심각성 (severity)을 감소시킬 수 있는 강화된 시스템(enhanced system)을 계속하여 요구한다.
여기에 기술된 실시 예는 굽은 스트링거에 해당하는 길이를 따라 곡률의 반경을 보이는 굽은 갭 필러를 자동으로 인발 성형(pultruding)이 가능한 강화된 기술 및 시스템을 위해 제공한다. 특히, 여기에 기술된 실시 예는 통합 냉각 시스템(integrated cooling system)과 함께 재료 위에 요구되는 기하학적 구조(a desired geometry)를 영구적으로 강제하기 위해 굽은 인발 성형 다이(curved pultrusion dies)를 활용할 수도 있다. 이 자동화된 과정은 굽은 갭 필러가 생산될 수도 있는 정확도 및 속도를 증가시킨다.
한 실시 예는 굽은 인발 성형된 갭 필러를 위해 프리폼을 연속적으로 가공하는 것을 포함하는 방법이며:
섬유 보강 재료(the fiber reinforced material) 내의 구성 재료를 위해 섬유 보강 재료를 고정 점 온도(the sticking point temperature)로 가열, 및 섬유 보강 재료가 고정 점 온도로 가열되는 동안 섬유 보강 재료가 이동하는 것을 통해 곡률을 보이는 다이를 통해 섬유 보강 재료를 공급, 갭 필러를 위해 프리폼 내로 섬유 보강 재료를 형성하는 다이이다.
굽은 인발 성형된 프리폼을 가공하는 것은 프리폼이 다이를 통해 지나가는 것과 같이, 프리폼 내의 섬유의 가변 경로 길이 및 프리폼을 다이 밖으로 당기는 것을 추가로 포함한다.
다른 실시 예는 인발 성형 다이(a pultrusion die)를 포함하는 기구이다. 인발 성형 다이는 다이의 입구(entrance of the die)로부터 다이의 출구(exit of the die)까지 다이 내에서 내부적으로 연장하는 굽은 채널(a curved channel), 입구의 다운 스트림(downstream)에 위치한 다이 내부의 냉각 챔버(a cooling chamber) 및 입구와 출구 사이의 위치에서 챔버의 열 전달을 촉진시키는 냉각 챔버와 관련된 위치에 위치된 다중 통로(multiple passages)를 포함한다.
또 다른 실시 예는 누들(a noodle)을 위해 프리폼 안에 성형하기 위한 섬유 보강 재료를 제공하는 누들 공급기(a noodle supplier), 누들 공급기로부터 받은 섬유 보강 재료의 온도를 증가시키는 히터(a heater), 가열된 재료에 곡률을 주고, 프리폼을 형성하는 다이(a die) 및 프리폼을 인장시켜, 다이를 통해 프리폼을 당기는 누들 장력 장치(a noodle tensioning device)를 포함하는 기구이다.
아직 또 다른 실시 예는 적어도 구성 재료를 포함하는 섬유 보강 재료의 롤(roll)을 잡기 위한 스풀(spool) 하나, 및 섬유 보강 재료를 구성 재료의 고정 점 온도로 가열하는 스풀의 다운스트림 히터(a heater downstream of spool)를 포함하는 시스템이다. 시스템은 또한 인발 성형 다이, 섬유 보강 재료의 길이에 따라 가해지는 길이 방향 곡률을 가지는 채널을 보이고, 갭 필러를 위해 프리폼 안의 섬유 보강 재료를 형성하는 히터의 다운스트림, 프리폼을 냉각하는 냉각 챔버, 및 인발 성형 다이에 위치되고 인발 성형 다이의 횡 단면 형성에 닙(a nip)을 형성하는 롤러를 포함한다.
다른 모범적인 실시 예(예, 방법 및 앞서 기술한 실시 예와 관련된 컴퓨터-판독 가능한 매체(computer-readable media)는 아래에 기술될 수도 있다. 논의된 특징, 기능 및 이점은 독립적으로 될 다양한 실시 예에서 달성 수 있고 또는 다음의 기술 및 도면을 참조하여 보여질 수 있는 추가 사부 사항으로 아직 다른 실시 예와 결합 될 수도 있다.
현재 본 발명의 몇몇 실시 예들은 단지 예로써, 그리고 첨부된 도면을 참조하여 기술된다. 동일한 참조 번호는 모든 도면 위에서 동일한 구성요소 또는 동일한 유형의 구성요소를 나타낸다.
도 1은 모범적인 실시 예에서 모자형 스트링거(a hat stringer)를 예시한다.
도 2A 내지 2B는 모범적인 실시 예에서 모자형 스트링거의 추가 도면을 예시한다.
도 3 내지 4는 모범적인 실시 예에서 굽은 갭 필러를 예시한다.
도 5A 내지 5B는 모범적인 실시 예에서 굽은 갭 필러를 위한 프리폼을 가공하는 인발 성형 시스템을 예시하는 도표이다.
도 6 내지 8은 모범적인 실시 예에서 인발 성형 시스템을 위한 롤러의 다양한 조립을 예시한다.
도 9 내지 11은 모범적인 실시 예에서 인발 가공 시스템을 위한 롤러의 추가 조립을 예시한다.
도 12는 모범적인 실시 예에서 인발 성형 시스템을 작동하기 위한 방법을 예시하는 순서도이다.
도 13는 모범적인 실시 예에서 인발 성형 시스템의 블록 선도(a block diagram)이다.
도 14는 모범적인 실시 예에서 항공기 생산 및 서비스 방법론(service methodology)의 흐름도이다.
도 15는 모범적인 실시 예에서 항공기의 블록 선도이다.
개요
도면 및 다음의 기술은 본 발명의 구체적인 모범적인 실시 예를 예시한다.
따라서, 당업자(those skilled in the art)는 그러므로 여기에 명시적으로 기술되거나 예시되지 않음에도 불구하고 본 발명의 원칙을 구체화하고 본 발명의 범위 안에 포함하는 다양한 준비를 고안할 수 있을 것으로 인정될 것이다.
더해, 여기에 기술된 어느 예들은 본 발명의 원리를 이해하는 것에 지원하도록 의도되어 있고, 특별히 열거된 예들 및 조건에 제한 없이 이해(construed)된다. 결과적으로, 본 발명은 구체적인 실시 예 또는 아래 기술된 예시에 제한되지 않고, 청구항 및 이들의 등가물(equivalents)에 의해서도 제한되지 않는다.
도 1은 모범적인 실시 예에서 굽은 복합 부품(100)의 사시도이다. 이 실시 예에서, 복합 부품(100)은 다중 적층 베이스(110)를 가진 항공기용 "모자형" 스트링거(a "hat" stringer) 및 다중 적층 "모자형"(a multi-layer laminate "hat")(120)를 포함한다. 이 실시 예에서, 각각의 적층은 결합체(a binding agent)(예, 점착 부여제(a tackifier))에 의해 안정화 될 수도 있는 "건조 섬유(dry fiber)" 성형(예, 함침된 수지(impregnated resin)가 부족한)의 탄소 섬유(carbon fiber)와 같은 구성 재료의 다중 층을 포함한다. 원하는 모양으로 쌓이고 구성한 후(예, 사전 형식(pre-form)의 통합을 통해), 베이스(110) 및 모자형(120)은 일체형 복합 부품(예, 원하는 강도를 나타내는 경화된 탄소 섬유 스트링거)을 성형하기 위해 공동 경화(co-cured)(예, 진공 상태에서 가열 작용을 통해)된다.
복합 부품(100)의 기하학 구조를 더 깊이 파고들어감(delving)에 따라, 도2A 내지 2B는 도 1의 화살표 2에 해당하는 복합 부품의 단부도(end views)를 제공한다. 도 2A는 분해된 단부도이고, 도 2B는 표준 단부도이다. 도 2B에 도시된 것과 같이, 모자형(120) 및 베이스(110)는 연결부(220)에 연합(unite)된다. 갭 필러를 위한 프리폼(250) 없이, 조인트(220)는 팽팽한 곡률의 반경의 보일 것이다. 따라서, 프리폼(250)은 빈 공간 없이 연결부(220)를 형성하는 것이 요구된다. 따라서, 부품(100)은 부피(210) 내에 위치된 프리폼(250)을 포함한다.
프리폼(250)은 또한 "누들" 또는 "스페이서"용 프리폼으로 언급된다. 프리폼(250)은 연결부(220)에 빈 공간을 채운다. 이로 인해 연결부(220)의 강도를 증가시키고, 베이스(110)와 모자형(120) 사이의 분리(dis-bond)의 방지를 야기한다. 적층 랩(a laminate wrap)(230)은 또한 복합 부품(100) 내의 프리폼(250)을 더 고정하기 위해 도시되어 있다. 복합 부품(100)을 위한 도시된 다양한 구성 요소는 이들을 단일, 일체형 복합 부품(integral composite part)(100)으로 통합하기 위해 함께 공동 경화(co-cured)될 수도 있다.
도 3은 갭 필러용 프리폼(250)의 정면도를 확대한 것이다. 특히, 도 3은 도 2B의 화살표3에 해당한다. 도 3에 도시된 것과 같이, 프리폼(250)은 폭 W 및 두께T를 보인다. 이러한 특성은 프리폼(250)의 길이에 따라, 그리고 폭은 프리폼(250) 내에서조차 다양할 수도 있다. 이 실시 예에서, 프리폼(250)은 바인더(340)와 통합된 섬유(330)(예, 탄소 섬유)를 포함한다. 바인더(340)는 열 가소성 베일(veil), 열 경화성 수지, 또는 심지어 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 한편, 탄소 섬유는 연속적(continuous)이고 직선적(straight)일 수도 있고, 또는 심지어 짜이거나(woven), 꼬이거나(braided), 또는 무작위적인 방향으로 잘린(chopped) 섬유를 포함한다. 일부 실시 예에서, 프리폼(250)은 하나 또는 그 이상의 재료의 층/주름으로부터 만들어질 수도 있다. 개별적인 층/주름(layers/plies)은 단일 주름 실시 예가 도시되어 있기 때문에, 참조 목적으로, 도 4에 예시되지 않는다.
도 4는 도 3의 프리폼(250)의 평면도이다. 도 4는 프리폼(250)이 길이(L)를 따라 굽은 것을 예시한다. 도 4는 프리폼(250) 내의 섬유(330)가 이들이 프리폼(250)이 굽은 것 같이 프리폼(250)의 길이를 따라 연장하는 것을 지향하는 것을 추가로 예시한다. 프리폼(250)이 도 4에서 그 폭의 대략 10배로 도시되어 있는 한, 이것은 프리폼(250)이 특히 길고(예, 수십 미터씩) 특히 좁고(예, 폭은 다양하지만 평균 몇 센티미터), 및 연속 제조 과정으로부터 결과를 낳는 것으로 이해되어야 한다. 실시 예에서, 긴 연속 섬유는 프리폼(250)을 형성하기 위해 활용되고 프리폼(250)은 길이를 증가시키기 위해 함께 접합(spliced) 될 수도 있다.
위에 손쉽게 기술된 프리폼(250)의 속성과 함께, 도 5 내지 도 11은 자동으로 굽은 프리폼을 제작하는 시스템을 예시한다. 도 5A는 모범적인 실시 예에서 굽은 갭 필러를 위한 프리폼을 제작하기 위한 인발 성형 시스템(500)을 예시하는 도표이다. 인발 성형 시스템(500)은 테이프(520) 위로 요구되는 곡률을 영구적으로 강제(enforce)하기 위해 재료의 테이프(520)를 인발 성형 할 수 있다. 테이프(520)는 인발 성형 동안 고정 점 온도 위로 가열되고, 프리폼 내에 모양을 영구히 바꾸기 위해 곡률이 강제된 후 냉각된다. 이는 전이 온도(transition temperature)가 테이프(520)의 구성 요소 재료(예, 접착제)의 결합 속성을 활성화 시킨다. 프리폼은 그러고 나서, 적층 내의 주름(wrinkling) 또는 뭉침(bunching)없이 적층 내에 위치될 수도 있다. 따라서, 적층으로부터 결과적으로 경화된 복합 부품의 강도는 향상될 것이다.
인발 성형 시스템(500)은 스풀(510)(L1에 위치된)로부터 테이프(520)의 롤(예, 탄소 섬유 보강 재료를 포함하는)을 풀기 위해, 테이프(520)를 재료(예, 열 가소성 바인더 또는 열 경화성 바인더)를 위해 고정 점 온도 위로 가열하기 위해, 및 테이프(520) 위로 곡률을 강제(enforce)하는 채널을 가진 다이(550)(L3에 위치된)를 통하여 테이프(520)를 공급하기 위해 작동한다.
인발 성형 시스템(500)은 테이프(520)가 다이(550)(L4에 위치된)를 통해 이동함에 따라 추가로 테이프(520)를 냉각하고, 다이(550)(L5에 위치된) 밖으로 테이프(520)를 당긴다. 이는 인발 성형 시스템(500)을 빠져 나오는 굽은 인발 성형된 프리폼(250)을 야기한다.
실시 예에서, 인발 성형 시스템(500)은 굽은 갭 필러를 위해 프리폼(520)로 성형하기 위한 감긴 테이프(520)를 보관하는 스풀(510)을 포함한다. 스풀(510)은 또한 "누들(a noodle)"로 형성하기 위한 재료를 공급하기 때문에 "누들 공급기(a noodle supplier)"로 언급될 수도 있다. 테이프(520)는 복합 부품으로 경화되기 전에 소성 변형이 가능한 어느 적절한 재료를 포함한다. 이 실시 예에서, 테이프(520)의 길이는 테이프 내로 길이 방향으로 연장하는 탄소 섬유(예, 512, 514), 추가로 열 가소성 바인더(예, 도 3의 바인더(340)), 열 가소성 베일 (a thermoplastic veil) 등을 포함한다.
테이프(520)는 열 가소성 베일(the thermoplastic veil) (또는 열 경화성 수지)이 고정 점 온도 및/또는 유리 전이 온도(glass transition temperature)(예, 열 경화성 수지를 위한 섭씨 80 내지 160도, 또는 열 가소성 베일을 위한 섭씨 140도 내지 240도)에 도달하거나 초과하는 것을 야기하는 테이프(520)에 열(
Figure pat00001
)을 적용시키는 히터(530) 이 전 과정에서 스풀(510)로부터 풀어진다. 가열은 테이프(520)가 파손 또는 파괴 없이 다이(550)로부터 재형성 될 수 있음을 보장한다. 히터(530)는 어느 적절한 가열 구성 요소, 예를 들어, 적외선 복사열 구성 요소(an infrared radiant heating element)를 활용하는 복사 히터(radiant heaters)를 포함할 수도 있다. 추가 실시 예에서, 다중 주름(예, 다중 스풀(510)로부터 테이프의 다중 릴(multiple reels))은 단일 프리폼(250)으로의 인발 성형을 위한 주름의 배치를 준비하기 위해 풀어지고, 함께 고정되고, 가열된다.
테이프(520)가 히터(530)를 지나간 후, 테이프(520)는 다이(550) 안으로 테이프(520)의 진입을 용이하게 하는 곡선(554)을 포함하는 다이(550)의 입구(552) 안으로 공급된다. 다이(550)는 테이프(520)가 그려지는 것을 통하여 굽은 채널(556)을 포함한다. 채널(556)은 테이프(520)가 다이(550)를 빠져나갈 때 테이프(520)에 적용되는 곡률을 보인다. 이 실시 예에서, 다이(550)는 내부 반경(562)으로 정의하는 조각(560) 및 외부 반경(572)으로 정의하는 조각(570)으로부터 형성된다. 조각 (560)은 채널(556)의 하반부를 형성하고, 조각(570)은 채널(556)의 상반부를 형성한다. 다이(550)의 입구(552)는 몇 실시 예에서 원형 입구 형상이 보일 수도 있다. 몇몇 실시 예에서, 채널(556)은 이것의 길이를 따라 변형할 수도 있고, 큰 네트 단면에서 더 작은 네트 단면으로 스위핑(sweeping), 또는 채널(556)은 요구되는 반경을 따라 네트 단면을 스위핑(sweeping) 함에 의해 형성될 수도 있다.
테이프(520)가 다이(550)를 통해 공급됨에 따라, 테이프(520)는 다이(550)(예. 수백 파운드의 압력으로)에 의해 정의된 단면 형상(도 5B에 도시된 (557))에서 강제된다. 테이프(520)는 채널 (556)에 의해 요구되는 형상으로 추가로 활발하게 굽는다. 곡률이 테이프(520) 위로 강제될 것이기 때문에, 테이프 (520) 내의 섬유(512 및 514)는 서로에 관하여 다이(550) 내에 미끄러질 것이다. 이것은, 외부 반경(572)에 있는 섬유(512)가 내부 반경(562)에 있는 섬유(514)보다 더 많은 섬유 길이를 활용할 것이다. 이 미끄러짐은 테이프(520)의 섬유 사이에서 발생한다. 테이프(520)의 다수의 플라이(multiple plies)가 하나의 프리폼(250)을 형성하기 위해 함께 인발 성형 되는 실시 예에서, 테이프(520)의 개별 층은 인발 성형 될 때 서로에 관하여 미끄러질 수도 있고, 외부 플라이의 섬유가 내부 반경보다 더 큰 길이의 반경을 형성하도록 야기하고, 내부 레인(the inner lanes)과 비교했을 때 주행 트랙(running track)의 외부 레인(the outer lanes)과 유사할 수도 있다.
미끄러짐(the slippage)은 평균 반경의 곡률이 크고(예, 50 내지 100 인치) 내부 및 외부 반경 사이의 차이가 작을 때(예, 1/4 인치) 조차 존재할 수도 있다. 따라서, 다이(550)의 채널(556)을 통한 테이프(520)의 공급에 의해 인발 성형 시스템(500)은 테이프(520) 내의 섬유 사이에 다양한 경로 길이를 강제한다. 섬유가 다이를 통한 인발 성형에 의해 활발히 형성되고 있는 동안 서로에 관해 섬유 사이에 미끄러짐이 강제됨으로 인해, 인발 성형 시스템(500)은 결과인 프리폼(250)에 주름의 형성을 방지한다. 다이(550)는 예를 들어, 금속 또는 탄성 플라스틱(a resilient plastic)으로부터 만들어진다.
다이(550)의 각 조각은 또한 가압 유체(566)(예, 가스 압축 공기(gaseous compressed air), 액체 물(liquid water), 또는 냉매(a refrigerant))가 움직일 수도 있는 냉각 챔버(564)를 포함한다. 가압 유체(566)는 요구되는 온도 아래(예, 주위 온도 또는 아래)로 냉각되고, 가압 유체(566)는 테이프(520)가 다이(550) 내에서 이동할 때 테이프(520)위로 통로(568)를 통해 분출된다. 몇 실시 예에서, 액체 및 화학 냉매는 증발기(an evaporator) 또는 기존의 냉동 회로(refrigeration circuit)를 통한 전도에 의해 테이프(520)를 냉각하기 위해 사용된다. 몇 실시 예에서, 다이(550)는 냉각 동안 이러한 액체가 테이프(520)에 직접 접촉하지 않도록 치수가 정해질 수도 있다.
이런 식으로, 테이프(520) (및/또는 다이(550))는 다이(550)를 통해 움직이는 동안 가압 유체(566)와 강제 대류 열 전달(forced convective heat transfer)을 통해 즉시 고정 점 온도 아래로 냉각된다. 이는 다이(550)를 빠져나갈 때 테이프(520)가 응고되도록 한다. 이 실시 예에서, 가압 유체(566)은 포트(542)를 통해 공급원(540)으로부터 챔버(564)에 공급된다. 더해, 챔버(564)는 입구(552)의 다운스트림(downstream of entrane)이다. 도 5B는 다이(550)의 단면을 예시하고 포트(542), 챔버(564) 채널(556) 및 단면 형상(557)을 추가로 예시한다. 도 5B는 도 5A의 화살표(5B)에 해당한다.
추가 실시 예에서, 다이(550)의 각 조각은 제거할 수 있게 그 자리에(예, 나사(screws), 클램프(clamps) 등을 통해) 장착되어 있다. 이런 식으로, 다이(550)의 조각은 제거될 수도 있고 다른 반경의 곡률을 가진 조각과 교체될 수도 있다. 그런 다음, 과정은 테이프(520)의 다른 섹션에 새로운 곡률을 적용하기 위해 재개(예, 테이프(520)의 동일한 스풀(510)을 위해)될 수도 있다.
테이프(520)은 영역(10)에서 롤러를 통하여 다이(550)의 출구(558) 밖으로 당겨진다. 이 실시 예에서, 롤러는 롤러(590) 및 롤러(580)를 포함한다. 롤러(590)은 592 방향으로 회전하고, 롤러(580)는 582 방향으로 회전한다. 롤러(590) 및 롤러(580)는 공동으로 "누들 인장 장치(a noodle tensioning device)" 로 언급될 수도 있다. 롤러(590) 및 롤러(580) 사이의 닙(584)은 테이프(520)에 파지 및 당김 작용을 제공한다. 롤러는 테이프(520)(프리폼(250)에 현재 형성되고 있는)를 다이(550) 밖으로 당기기 위해 인장력 (예, 100 파운드의 힘)을 작용시킨다. 이 힘은 또한 테이프(520)에 장력을 적용시켜, 테이프(520)가 계속 학습되도록 보장한다. 추가 실시 예에서, 롤러(580), 롤러(590), 및/또는 스풀(510)은 장력 제어를 촉진하기 위해 클러치(a clutch) 및/또는 브레이크(break)를 포함할 수도 있다.
그런 다음, 프리폼(250)의 길이는 복합 부품으로 경화 될 적층에 후에 적용하기 위해 저장될 수도 있다. 과정 전체에 걸쳐, 컨트롤러(596)는 목표 값을 초과하는 것 또는 목표 범위는 벗어나는 것으로부터 테이프(520)에 장력을 방지하는 것에 의해 테이프(520)의 풀림, 공급 및 당김을 조정할 수도 있다.
컨트롤러(596)은 위에 기술된 인발 성형 시스템(500)의 구성 요소의 다양한 작동을 관리할 수도 있다. 예를 들어, 컨트롤러(596)은 롤러(580) 및 롤러(590)에 의해 적용되는 인장력의 양, 채널(556)에 냉각 챔버(564)를 연결하는 통로(568)를 통해 적용되는 가압 유체의 양, 또는 정상 상태(a steady-state)과정이 테이프를 따라 다른 위치에서 테이프 위로 풀림, 가열, 공급, 냉각 및 당김이 동시에 형성되는 과정에 도달하는 것을 보장하기 위해 히터(530)에 의해 적용되는 열의 양을 조정할 수도 있다. 컨트롤러(596)는 예를 들어, 사용자 지정 회로(a custom circuitry)로, 프로그램 된 명령을 실행하는 하드웨어 프로세서로, 또는 몇 일부 조합으로 수행될 수도 있다. 센서(598)는 또한 도 5A에 도시되어 있고, 테이프(520)의 인발 성형의 속도를 정의/감시 하기 위해 컨트롤러(596)에 의해 활용될 수도 있다.
컨트롤러(596)는 따라서, 센서(598)로부터의 입력을 기초로 한 롤러(580) 및 롤러(590)의 인장력을 조정하는 것에 의해 능동 피드백 제어에 관여할 수도 있다. 센서(598)는 카메라, 레이저, 롤링 컨베이어 센서(a rolling conveyor sensor)등을 포함할 수도 있다. 스풀(510)에 있는 센서(512)는 테이프(520)를 요구되는 수준의 장력으로 유지하기 위해 적용되어야 할 비틀림의 양을 감지한다. 센서(513)는 또한 요구되는 공급률을 유지하기 위해 롤러(580) 및 롤러(590)의 피드백 제어를 제공하기 위해 컨트롤러(596)에 의해 활용될 수도 있다. 롤러(510)는 형성 과정 동안 섬유 사이에 친밀한 접촉을 보장 하기 위해 테이프(520)에 장력을 제공한다. 롤러(590 및 580)는 시스템을 통해 재료의 공급률을 유지하기 위해 제어된다.
추가 실시 예에서, 롤러(580) 및/또는 롤러(590)는 당겨지는 테이프(520)의 저항을 측정하는 센서를 포함한다. 이 측정은 테이프(520)에서 발생하는 장력의 수준을 나타낸다. 따라서, 컨트롤러(596)는 세 롤러에 의해 테이프(520)에 적용되는 힘의 양을 조정하기 위해 롤러(580) 및/또는 롤러(590)으로부터의 입력을 활용할 수도 있다. 이는 테이프(520)에 장력의 요구되는 최소 및 최대 수준 사이에 유지되는 장력을 보장하기 위해 형성될 수도 있다.
도 6 내지 도10은 모범적인 실시 예에서 닙(584)를 형성하는 인발 성형 시스템(500)을 위한 롤러의 다양한 배열을 예시한다.도 6 내지 도 9는 도5A의 화살표 6에 의해 나타나지는 단면도로부터 이러한 롤러를 예시한다.도 10은 도 5의 지역(10)의 측면도로부터 롤러를 예시한다. 도 6은 삼각 단면(620)을 가지는 프리폼(250)을 당기는 롤러(602) 및 롤러(604)의 한 쌍을 예시한다. 이 실시 예에서, 롤러(604)는 프리폼(250)을 다루기 위한 닙의 두 측면(682, 684)에 해당하는 홈(610)을 포함한다. 그 동안, 롤러(602)는 프리폼(250)을 다루기 위한 닙의 세 번째 측면에 해당한다.
롤러(602) 및 롤러(604)는 이들이 프리폼(250)과의 접촉을 보장하기 위해 서로에 대해 또는 서로에 관하여 요구되는 수준의 힘(예, 50파운드의 힘)으로 고정되어 있을 수도 있고, 또는 요구되는 수준의 마찰력을 보장하기 위해 장착될 수도 있다. (및 따라서 인장력(pulling force))이 롤러(602) 및 롤러(604)가 회전함에 따라 프리폼(250)에 적용된다.) 도 7은 홈(a groove)을 가지는 롤러(704)가 또 다른 롤러(702)와 함께 작동하는 도 6의 실시 예와 유사한 실시 예를 예시한다. 하지만, 도 7에서 롤러(702)는 닙의 모서리를 굽은 단면을 가지는 프리폼(250)과 일치시키는 굽은 표면(712)를 포함한다. (예, 다이(550)가 테이프(520)의 하나 또는 그 이상의 측면에 굽은 형상을 강제하고, 굽은 모서리를 갖는 닙을 필요로 하는 상황.)
도 8은 3개의 분리된 각 롤러(800, 810 및 820)가 프리폼(250)의 다른 측면에 접촉되어 고정되어 있는 추가 실시 예를 예시한다. 추가 실시 예에서, 롤러의 임의의 적절한 수(예, 3개)는 활용(예, 임의의 적절한 수의 프리폼(250)의 측면과 접촉하는 닙을 형성하기 위해)될 수도 있다. 몇몇 실시 예에서, 닙(584)은 프리폼(250)의 단면적보다 약간 작으며, 이는 프리폼(250)을 앞으로 당길 때 파지/마찰을 용이하게 한다.
도9 내지 도10은 롤러(902) 및 롤러(900)가 다른 사이즈를 보이는(도 10은 도5A의 10 영역에 해당한다.) 추가 실시 예를 예시한다. 이러한 실시 예에서, 롤러에 의해 적용된 회전 속도 및/또는 토크는 테이프(520)가 지연 없이 그리고 끊김 없이 롤러들 사이로 이동하는 것을 보장하기 위해 조정될 수도 있다. 닙에서 롤러 회전 속도 및 릴 토크 저항(reel torque resistance)은 당김 속도를 제어하기 위해 과정 전체에 걸쳐 프리폼(250) 끊김 없이 분석될 수도 있다. 이 실시 예에서, 롤러(900)는 다이(550)의 내부 반지름(562)에 해당하는 안쪽 반지름(1000) 및 다이(550)의 외부 반지름(572)에 해당하는 외부 반지름(1010)을 가진 홈(910)을 가진 큰 드럼이다.
이 롤러의 조합을 활용하는 것에 의해, 프리폼(250)은 프리폼(250)을 다이(550)의 출구의 "직선 형태(straight out)" (즉, 직각인 방향으로)로 당기는 것으로부터 발생할 수 있는 응력 또는 변형을 받지 않는다. 이것은, 롤러의 조합이 다이(550)를 빠져 나간 후 프리폼(250)에 적용되고 있는 추가 곡률(또는 요구되지 않는 곡률)을 방지하는 것을 돕는다. 다이(550)의 출구는 다이(550)의 입구보다 더 작은 단면적을 가질 수도 있다. 이는 테이프(520)가 다이(550)를 통해 당겨질 때 테이프(520)의 단면적 감소에 해당할 수도 있다.
도 11은 모범적인 실시 예에서 나선형 홈(1110)을 가진 롤러(1100)를 활용하는 추가적인 실시 예를 예시한다. 롤러(1100)은 프리폼(250)을 당기기 위해 롤러(1102)와 상호 작용 한다. 나선형 홈(1110)은 능선(ridges)(1120)을 포함한다. 이 실시 예에서, 나선형 홈(1110)은 롤러(1100)가 보관을 위해 롤러를 따라 프리폼(250)을 여러 번 감싸기 위해 회전 축(an Axis of Rotation)(AOR))을 따라 회전하기 때문에 롤러(1100)의 둘레를 따라 연속한다. 따라서, 홈(1110)은 나선형 스프링(a helical spring) 처럼 롤러에 대해 감겨있다. 롤러(1100)가 화살표(1130)에 의해 표시된 것과 같이 회전하는 동안 AOR을 따라 변환하고, 프리폼(250)(테이프(520)로부터 형성된)가 나선형 홈(1110) 안으로 감싸도록 야기한다. 이러한 방식으로, 프리폼(250)은 롤러(1100)의 둘레에 대해 여러 번 감싸질 수도 있다(예, 코일처럼). 이는 롤러(1100)에 보관될 수도 있는 프리폼(250)의 양을 증가시킨다.
인발 성형 시스템(500)의 작동의 예시된 세부 사항은 도 12에 관하여 논의될 것이다. 이 실시 예에서, 운영자는 테이프(520)의 스풀(510)을 로드하고 다이(550)를 통하여 롤러(580) 및 롤러(590)에 테이프(520)의 각진(예, 절단) 팀(an angled tip)을 공급했다고 가정한다. 따라서, 리더 섹션(the leader section)은 인발 성형 시스템(500)을 통해 당겨질 수도 있으며 그로 인해 제거될 수도 있다. 따라서, 리더 섹션은 프리폼 생성의 과정을 준비 하는 데 사용되고, 복합 부품으로 쌓이기 때문에 프리폼(250)의 일부가 되지 않을 것이다. 인발 성형 시스템(500)은 롤러(580) 및 롤러(590)의 작동에 의해 다이(550)를 통해 추가적인 테이프(520)를 인출(drawing)할 수 있다.
도 12는 모범적인 실시 예에서 인발 성형 시스템 작동을 위한 방법(1200)을 예시한 흐름도이다. 방법(1200)의 단계들은 도 1의 인발 성형 시스템(500)을 참조하여 기술되어 있지만, 당업자(those skilled in the art)들은 방법(1200)이 다른 시스템에서 시행될 수도 있다는 것을 인정할 것이다. 여기에 기술된 흐름도의 단계들은 모두 포함된 것은 아니며 도시되지 않은 다른 단계들을 포함할 수도 있다. 여기에 기술된 단계들은 또한 대체 명령에서도 수행될 수도 있다.
컨트롤러(596)은 피동 롤러(580) 및 롤러(590)의 작동을 지시하여 회전 개시하고, 이는 프리폼(250)에 마찰력을 작용시켜 프리폼(250) (및 따라서 테이프(520))를 전진하도록 야기하고,업 스트림 (upstream) 으로부터 다운 스트림(dowmstream)까지 당겨진다. 이 진행 동안, 컨트롤러(596)는 닙(584)을 통하여 요구되는 수준으로 장력이 유지되도록 보장하기 위해 롤러(580) 및 롤러(590)에 의해 작용되는 힘의 양을 조절하기 위해 센서(예, 센서(598))로부터의 입력을 적극적으로 사용할 수도 있다. 따라서, 닙(584)은 충분한 체결력(clamping force)을 제공하기 위해 프리폼(250)의 단면보다 작은 치수가 될 수도 있다. 프리폼(250)의 기하학적 구조는 이미 가열, 성형 및 냉각 과정에 의해 설정된다. 따라서, 프리폼(250)이 닙(584)에서 압축될 때, 프리폼(250)이 닙(584)을 빠져나오면 프리폼(250)의 모양은 완전히 회복된다.
스풀(510)으로부터 감은 후, 테이프(520)는 히터(530)를 가로질러 당겨지고, 이에 따라 열 가소성 바인더(340)를 위해 테이프(520)를 고정 점 온도 위로 열(도 5A의
Figure pat00002
)을 가한다 (1204단계). 가열 과정은 테이프(520)가 L1에서 연속적으로 풀리면서 L2에서 테이프(520)의 한 단면 내에서 발생한다.
롤러(580) 및 롤러(590)은 테이프(520)가 고정 점 온도로 (즉, 또는 위로) 가열되는 동안 (1206단계)작동을 연속하여, 테이프(520)가 다이(550)를 통해 공급된다. 다이(550)는 다이(550)에 들어가기 전에 테이프(520)와 상당히 다른 단면적을 보일 수도 있다. 예를 들어, 다이(550)는 스풀(510)에 저장된 듯이 테이프(520)의 폭의 10 분의 1을 보일 수도 있다. 이것은 테이프가 다이에 들어가고 프리폼을 형성하는 것과 같이 많은 압축 압력이 테이프에 적용되는 것(예, 1평방 인치당 100파운드 또는 그 이상)을 의미한다. 다이(550)는 프리폼(250)이 이동하는 곡률(예, 반경(562) 및 반경(572))을 보인다.
이 곡률은 프리폼(250) 위에 강제되고, 테이프(520)가 가단성(malleable)이 남는 동안 섬유(512 및 514) 및/또는 플라이(plies)가 서로에 대해 미끄러지도록 야기한다. 이와 같이, 프리폼(250)이 다이(550)이를 통과함에 따라 프리폼(250) 내의 섬유의 경로 길이가 다양해진다. 프리폼(250)이 다이(550)를 통해 연속적으로 움직임에 따라, 프리폼(250)은 가압 유체(566)를 통로(568)(또는 위에 논의된 다른 수단)에 적용시킴에 의해 고정 점 아래의 온도로 냉각된다. (1210단계) 이것은 프리폼(250) 내의 열 가소성 바인더(340)를 굳혀, 프리폼(250)이 경화된다.
롤러(580) 및 롤러(590)은 프리폼(250)이 고정 점 온도(1212단계) 아래로 냉각된 후에 프리폼(250)을 다이(550) 밖으로 당기는 작동을 연속한다. 그러면 다이(550)로부터 당겨진 프리폼(250)은 복합 부품으로 경화 될 적층에 후에 적용하기 위해 드럼(a drum) 위에 저장 될 수도 있다.
방법(1200)이 인발 성형 과정을 통해 형성되는 프리폼의 길이에 따라 굽는 프리폼(250)을 허용하기 때문에 방법(1200)은 프리폼을 형성하는 이전 기술에 비해 상당한 이점을 제공한다. 이 기술은 프리폼(250)이 경화를 기다리는 적층에 적용될 때, 주름 형성을 방지한다. 더해, 이 기술은 프리폼의 신속하고 경제적인 자동 제작을 허용한다.
예
다음의 예에서, 추가적인 과정, 시스템, 및 방법은 굽은 다이를 활용하는 인발 성형 시스템의 맥락에서 기술되어 있다. 도 13은 모범적인 실시 예에서 인발 성형 시스템(1300)의 블록 선도이다. 인발 성형 시스템(1300)은 원하는 곡률을 맞추기 위해 테이프(1320)를 가열, 성형 및 냉각한다. 이 실시 예에서, 인발 성형 시스템(1300)은 테이프(1320)가 감겨있는 스풀(spool)(1310)을 포함한다. 테이프(1320)는 테이프의 강도를 보강하는 탄소 섬유(1322)뿐만 아니라, 열 가소성 또는 열 경화성 바인더(1324)도 포함한다. 이 예에서, 히터(1330)는 테이프(1320)가 유연해질 때까지 테이프(1320)의 온도를 증가시키는 복사열을 적용한다.
테이브(1320)은 부품(1342)를 포함한 다이(1340) 안으로 진행한다. 각 부품(1342)는 곡률의 안쪽 또는 바깥 반지름을 정의한다. 이 실시 예에서, 각 부품(1342)는 챔버(1344) 및 다수의 통로(1346)를 추가로 포함한다. 공급기(1352)로부터의 가압된 공기는 테이프(1320)을 냉각하기 위해 포트(1350)을 통해 챔버(1344)로 들어가, 테이프가(1320) 원하는 곡률을 보이는 동안 고형화(solidify)를 야기한다. 롤러(1320)는 복합 부품을 눕히는데 사용하기 위해 프리폼(1370)로 경화될 때까지 냉각된 테이프(1320)를 다이(1340) 밖으로 당긴다.
특히 도면을 더 참조하면, 본 발명의 실시 예는 도 14에 도시된 항공기 제조 및 서비스 방법(1400) 및 도 15에 기술된 항공기(1402)의 맥락에서 기술될 수도 있다. 사전 생산(pre-production) 동안, 모범적인 방법(1400)은 항공기(1402)의 디자인(1404) 및 사양 및 재료 조달(1406)을 포함할 수도 있다. 생산(production) 동안, 구성 요소 및 하위 부품 제조(1408) 및 항공기(1402)의 시스템 통합(1410)이 발생한다. 그 후, 항공기 (1402)는 서비스(1414)에 위치되기 위해 인증 및 배달(1412)을 거칠 수도 있다.
고객이 서비스 받는 동안, 항공기(1402)는 정기 유지 보수 및 서비스(1416)를 위해 예정되어 있다. (이것은 또한 수정, 재구성, 보수 등을 포함할 수도 있다.) 여기 실시 예의 기구 및 방법은 어느 하나 또는 그 이상의 적합한 생산 단계 및 서비스 방법(1400)(예, 사양 및 설계(1404), 재료 조달(1406), 구성 요소 및 하위 부품 제조(1408), 시스템 통합(1410), 인증 및 배달(1412), 서비스(1414), 유지 보수 및 서비스(1416)) 및/또는 어느 적합한 항공기(1402)의 구성 요소 (예, 기체(1418), 시스템(1420), 내부(1422), 추진력(1424), 전기적(1426), 유압(1428), 환경적(1430))동안 사용될 수도 있다.
방법(1400)의 각각의 과정은 시스템 통합자(a system integrator), 제 3자(a third party) 및/또는 운영자(an operator)(예, 고객)에 의해 형성되거나 수행될 수도 있다. 이 기술의 목적을 위해, 시스템 통합자는 제한 없이 다수의 항공기 제조자 및 주요 하청 업자들을 포함할 수도 있고, 제 3자는 제한 없이 다수의 공급자, 하청업자 및 공급자를 포함할 수도 있으며 운영자는 항공사(an airline), 임대 회사(leasing company), 군수 업체(military entity) 서비스 조직체(service organization) 등이 될 수도 있다.
도 15에 도시된 것과 같이, 모범적인 방법 의해 생산된 항공기(1402)는 복수의 시스템(1420) 및 내부(1422)와 함께 기체(an airframe)(1418) 포함할 수도 있다. 고급 시스템(high-level systems)(1420)은 하나 또는 그 이상의 추진 시스템(a propulsion system)(1424), 전기적 시스템(an electrical system)(1426), 유압 시스템(a hydraulic system)(1428) 및 환경 시스템(an environmental system)(1430)을 포함한다. 다른 어느 시스템도 포함될 수도 있다. 항공 우주(an aerospace) 예가 도시되어있음에도 불구하고, 발명의 원리는 자동차 산업 같은 다른 산업에도 적용 될 수도 있다.
이미 위에 언급한 듯이, 여기에 구체화된 기구 및 방법은 어느 하나 또는 더 많은 생산 및 서비스 방법(1400)의 단계에서 보여질 수도(employed) 있다. 예를 들어, 생산 단계(1408)에 해당하는 구성 요소 또는 하위 부품은 항공기(1402)가 사용되는 동안 생산된 구성 요소 또는 하위 부품과 유사한 방법으로 제작되거나 제도될 수도 있다. 또한, 하나 또는 그 이상의 기구 실시 예, 방법 실시 예, 또는 이들의 조합은 예를 들어, 항공기(1402)의 조립을 상당히 신속히 처리하거나 비용 감소에 의해 생산 단계(1408) 및 (1410)동안 활용될 수도 있다.
유사하게, 하나 또는 그 이상의 기구 실시 예, 방법 실시 예, 또는 이들의 결합은 항공기(1402)가 운행 중인 동안에, 예를 들어, 제한 없이, 유지 보수 및 서비스(1416)를 위해 활용될 수도 있다. 예를 들어, 여기에 기술된 기술 및 시스템은 1406, 1408, 1414, 및/또는 1416단계에 사용될 수도 있고 및/또는 기체(1418) 및/또는 내부(1422)에 사용될 수도 있다. 이러한 기술 및 시스템은 예를 들어, 추진력(propulsion)(1424), 전기(electrical)(1426), 유압(hydraulic)(1428) 및/또는 환경(environmental)(1430)을 포함하는 시스템 (1420)을 위해서조차 활용될 수도 있다.
하나의 실시 예에서, 프리폼(preform)(250)는 기체(1418)에서 스트링거(a stringer)의 일부를 포함하고, 구성 요소 및 하위 조립 품(1408) 제조 시 제조된다. 그러면 스트링거는 시스템 통합(1410)에서 항공기로 조립될 수도 있고, 그러면 마모로 인해 스트링거가 사용할 수 없게될 때까지 서비스(1414)로 활용된다. 그러면, 유지 보수 및 서비스(1416)에서, 스트링거는 폐기되거나, 새로 제조된 스트링거로 교체되거나, 수리될 수도 있다. 새로운 프리폼(250)은 새로운 스트링거의 제작을 용이하게 하기 위해 구성 요소 전체 및 부분 조립 제조(1408)에 활용될 수도 있다.
도면 또는 여기에 기술된 도시된 어느 다양한 제어 구성 요소(예, 전기 또는 전자 구성 요소)는 하드웨어, 소프트웨어를 수행하는 프로세서, 펌웨어를 수행하는 프로세서, 또는 이들의 어떤 조합으로써 수행될 수도 있다. 예를 들어, 구성 요소는 전용 하드웨어로써 수행될 수도 있다. 전용 하드웨어 구성 요소는 "프로세서", "컨트롤러" 또는 어떤 유사한 전문 용어로 언급될 수도 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 기능들은 하나의 전용 프로세서에 의해, 하나의 공유된 프로세서에 의해, 또는 일부는 공유될 수도 있는 수많은 개별 프로세서에 의해 제공될 수도 있다.
게다가, "프로세서(processor)" 또는 "컨트롤러(controller)"라는 용어의 명시적 사용은 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어를 가리키는 것으로 독점적으로 해석되어서는 안 되고, 제한 없이, 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어(digital signal processor(DSP)hardware), 네트워크 프로세서(a network processor), 주문형 집적 회로(ASIC)(application specific integrated circuit(ASIC)) 또는 다른 회로, 필드 프로그램 가능 게이트 배열(FPGA)(field programmable gate array(FPGA)), 소프트웨어를 저장하기 위한 읽기 전용 기억 장치(ROM)(read only memory(ROM), 랜덤 액세스 기억 장치(RAM)(random access memory(RAM)), 비휘발성 저장 장치(non-volatile storage), 논리(logic), 또는 다른 물리적 하드웨어 구성 요소 또는 모듈(module)을 함축적으로 포함할 수도 있다.
또한, 제어 구성 요소는 구성 요소의 기능을 수행하기 위해 프로세서 또는 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령(instructions)으로 수행 될 수도 있다. 몇몇 명령의 예로 소프트웨어(software), 프로그램 코드(program code), 및 펌웨어(firmware) 가 있다. 명령은 구성 요소의 기능을 수행하기 위해 프로세서를 작동하는 프로세서에 의해 실행될 때 작동 가능하다. 명령들은 프로세서에 의해 읽을 수 있는 저장 장치(storage devices)에 저장될 수도 있다. 몇몇 저장 장치의 예로, 디지털 또는 반도체 기억 장치(solid-state memories), 자기 디스크(a magnetic disk) 및 자기 테이프(a magnetic tape), 하드 드라이브(hard drives), 또는 광학적으로 읽을 수 있는 디지털 데이터 저장 매체(optically readable digital storage media)와 같은 자기 저장 매체(magnetic storage media) 가 있다.
본 발명은 청구항과 혼동되지 않는 다음의 조항에서 또한 언급된다.
조항 A1: 섬유 보강 재료(520)를 섬유 보강 재료(1204) 내의 구성 재료를 위해 고정 점 온도로 가열 시키는 것;
섬유 보강 재료가 고정 점 온도로 가열되는 동안 섬유 보강 재료가 이동하는 것을 통해 곡률을 보이는 다이(550)를 통해 섬유 보강 재료를 공급하는 것. 프리폼 내에 섬유 보강 재료를 형성하는 다이(250)(1206);
프리폼이 다이(1208)을 통해 지나가는 프리폼 내의 섬유(512)의 가변 경로 길이; 및
프리폼을 다이(1212) 밖으로 당기는 것으로 프리폼을 연속적으로 가공하는 것을 포함하는 방법.
조항 A2: 조항 A1에 있어서,
다이가 섬유 보강 재료를 보강하는 섬유 보강 재료 내로 섬유 사이에 미끄러짐을 가하여 섬유 보강 재료를 공급하는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A3: 조항 A1에 있어서,
섬유 보강 재료가 테이프인 것 또한 제공되는 방법.
조항 A4: 조항 3 에 있어서,
적어도 스풀(spool)(510)하나로부터 테이프가 풀리는 것(unwinding)을 추가로 포함하는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A5: 조항 A1에 있어서,
섬유 보강 재료가 다이를 통해 움직이는 동안 고정 점 온도 아래로 프리폼을 냉각시키는 것을 추가로 포함하는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A6: 조항 A1 에 있어서,
프리폼이 고정 점 온도 아래로 냉각된 후 형성되는 프리폼을 다이 밖으로 당기는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A7: 조항 A1 에 있어서,
프리폼을 고정시키고 다이 밖으로 당기는 피동롤러(driven rollers)(580, 590)의 작동에 의해 프리폼을 연속적으로 인장시켜, 섬유 보강 재료의 길이에 따라 장력이 적용되도록 야기하는 것을 포함하는 프리폼을 당기는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A8: 조항 A1 에 있어서,
풀림, 가열, 공급, 냉각 및 당김이 다른 장소에서 동시에 형성되는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A9: 조항 A1 에 있어서,
섭씨 150도 내지 200도 사이로 테이프를 가열하는 복사 가열 구성 요소(a radiant heating element)(530)에 의해 형성되는 테이프를 가열하는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A10: 조항 A1에 있어서,
다이의 챔버(a chamber)(564)를 통하여 가스를 통과시키고, 다이와 접촉하는 통로(568) 안으로 강제 대류 열 전달(forced convective heat transfer)을 일으키는 것을 포함하는 프리폼을 냉각하는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A11: 조항 A1 에 있어서,
다이를 통하여 유체(a fliud)를 통과시킴에 의해 다이를 냉각하는 것을 포함하는 프리폼을 냉각시키는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A12: 조항 A1 에 있어서,
프리폼을 모니터링(monitoring)하는 센서로부터의 입력을 기준으로 하여, 목표 범위를 벗어나는 장력을 방지함에 의해 풀기(unwinding), 공급(feeding), 및 당기기(pulling)를 조절하는 컨트롤러(596)를 활용하는 것을 추가로 포함하는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A13: 조항 A1 에 있어서,
섬유 보강 재료를 가열하는 것이 프리폼이 당겨지는 동안 형성되는 것 또한 제공되는 방법.
조항 A14: 조항 A1 에 있어서,
섬유 보강 재료의 다중 주름(multiple plies)으로부터 프리폼이 형성되는 것, 각 주름은 다른 스풀(510)에 의해 조달되는 것을 추가로 포함하는 것 또한 제공되는 방법.
본 발명의 추가적인 양상에 따라,
조항 B1: 다이의 입구(552)로부터 다이의 출구까지 내부적으로 연장하는 굽은 채널(a curved channel)(556);
입구의 다운 스트림에 위치된 다이 내부 챔버(564); 및
입구 및 출구 사이의 위치에서 챔버의 열 전달을 촉진하는 냉각 챔버와 관련된 곳에 위치한 다중 통로(multiple passages)(568)를 포함하는 인발 성형 다이를 포함하는 기구.
조항 B2: 조항 B1 에 있어서,
굽은 채널의 위쪽 절반을 정의하는 제 1 부품(570); 및
굽은 채널의 아래쪽 절반을 정의하는 제 2 부품(560)에서,
제 1 부품 및 제 2 부품은 제 1 부품 및 제 2 부품과 다른 곡률 반지름을 가진 부품을 교체하기 위해 섬유 보강 재료로부터 제거 가능한 것을 추가로 포함하는 인발 성형 다이 또한 제공되는 기구.
조항 B3: 누들을 위한 프리폼으로 만들기 위한 섬유 보강 재료(520)를 제공하는 누들 공급기(510);
누들 공급기로부터 받은 섬유 보강 재료의 온도를 증가시키는 히터(530);
가열된 재료에 곡률을 부여하고, 프리폼을 성형하는 다이(550); 및
누들에 장력을 주어, 다이를 통해 프리폼을 당기는 누들 장력 조정 장치(580, 590)를 포함하는 기구.
조항 B4: 조항 B3 에 있어서,
누들에 장력을 주는 닙(a nip)(584)을 형성하는 두 개의 롤러(580, 590)을 포함하는 누들 장력 조정 장치(the noodle tensioning device) 또한 제공되는 기구.
조항 B5: 조항 B3 에 있어서,
섬유 보강 재료의 스풀(510)을 포함하는 누들 공급기 또한 제공되는 기구.
조항 B6: 조항 B3 에 있어서,
바인더와 통합된 탄소 섬유를 포함하는 섬유 보강 재료 또한 제공되는 기구.
조항 B7: 조항 B3 에 있어서,
건식 탄소 섬유(dry carbon fiber)를 포함하는 섬유 보강 재료 또한 제공되는 기구.
조항 B8: 조항 B3 에 있어서,
유리섬유(fiberglass)를 포함하는 섬유 보강 재료 또한 제공되는 기구.
조항 B9: 조항 B3 에 있어서,
섬유 보강 재료가 인발되는 것을 통해 굽은 채널(556)을 포함하고, 다이의 입구(552)는 곡률을 따라 스위프(sweep) 하는 다이 또한 제공되는 기구.
조항 B10: 조항 B9 에 있어서,
입구가 원형인 것 또한 제공되는 기구.
조항 B11: 조항 B9 에 있어서,
입구보다 더 작은 출구를 가진 채널 또한 제공되는 기구.
조항 B12: 조항 B9 에 있어서,
금속 및 플라스틱으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 다이 또한 제공되는 기구
가 제공된다.
본 발명의 추가적인 양상에 따라,
조항 C1: 적어도 구성 재료를 포함하는 섬유 보강 재료의 롤(a roll)을 고정시키기 위한 하나의 스풀(a spool)(510);
구성 재료의 고정 점 온도로 섬유 보강 재료를 가열하는 스풀의 다운스트림 히터(530);
프리폼(250) 내의 섬유 보강 재료를 형성하고, 섬유 보강 재료의 길이에 따라 길이 방향 곡률을 가진 채널(556)을 보이는 히터의 다운 스트림 인발 성형 다이(550);
프리폼을 냉각시키는 냉각 챔버(a cooling camber)(564); 및
인발 성형 다이의 다운 스트림에 위치되고, 인발 성형 다이의 횡단면에서 닙(a nip)을 형성하는 롤러(580,590)를 포함하는 시스템.
조항 C2: 조항 C1 에 있어서,
열 가소성 바인더를 포함하는 구성 재료; 및
섭씨150도 내지 200도 사이로 테이프를 가열하는 복사 히터를 포함하는 히터 또한 제공되는 시스템.
조항 C3: 조항 C1 에 있어서,
다이로 들어가는 입구(552)는 굽어있는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C4: 조항 C1 에 있어서,
다이로 들어가는 입구는 원형인 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C5: 조항 C1 에 있어서,
다이는 곡률 반경을 조정하기 위해 상호 교환 될 수도 있는 제거 가능한 부품(560, 570)을 포함하는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C6: 조항 C1 에 있어서,
다이의 출구(55)는 다이의 입구보다 더 작은 순 단면적(a net cross-sectional area)을 가지는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C7: 조항 C1 에 있어서,
롤러 중 하나는 롤러의 둘레를 따라 연장하는 나선형 홈(a helical groove)(1110)을 포함하고, 나선형 홈은 프리폼이 다이를 빠져나간 후 프리폼의 횡단면(a cross section)을 맞추는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C8: 조항 C7 에 있어서,
롤러가 회전하는 동안 롤러는 회전 축을 따라 축 방향으로 변환하고, 프리폼이 나선형 홈 안으로 감싸는 것을 야기하는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C9: 조항 C1 에 있어서,
롤러가 다이의 곡률과 일치하는 바깥 반경을 가진 롤러를 포함하고, 롤러가 회전에 의해 다이를 빠져나가는 프리폼에 장력을 적용시키는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C10: 조항 C1 에 있어서,
적어도 롤러 중 하나가 다이를 빠져나간 후 프리폼의 적어도 한 쪽 측면의 모양과 대응하는 홈을 포함하는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C11: 조항 C1 에 있어서,
프리폼이 다이를 빠져나갈 때 프리폼의 각 측면용 롤러가 다이의 측면에 바로 접촉하고 다이의 측면의 모양과 일치하는 롤러를 포함하는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C12: 조항 C1 에 있어서,
냉각 챔버가 다이 내에 있는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C13: 조항 C1에 있어서,
다이가 금속 및 플라스틱으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로부터 만들어지는 것 또한 제공되는 시스템.
조항 C14: 조항 C1 에 있어서,
프리폼이 복합 부품용 갭 섬유(a gap filler)의 프리폼을 포함하는 것 또한 제공되는 시스템이 제공된다.
구체적인 실시 예들이 여기에 기술되었음에도 불구하고, 본 발명의 범위는 이런 구체적인 실시 예들을 제한하지 않는다. 본 발명의 범위는 다음의 청구항 및 어느 등가물(equivalents thereof)에 의해 정의된다.
100: 복합 부품
110: 베이스
220: 연결부
250: 프리폼
500: 인발 성형 시스템
510: 스풀
520: 테이프
550: 다이
564: 챔버
580, 590: 롤러
596: 컨트롤러
598: 센서
584: 닙표면

Claims (15)

  1. 섬유 보강 재료(1204) 내의 구성 재료(a constituent material)를 위해 섬유 보강 재료(the fiber reinforced material)(520)를 고정 점 온도(a sticking point temperature)로 가열;
    섬유 보강 재료가 고정 점 온도로 가열되는 동안 섬유 보강 재료의 이동을 통해 곡률(a curvauture)을 보이는 다이(550)을 통해 섬유 보강 재료를 공급하여, 프리폼(25) 안의 섬유 보강 재료를 성형하는 다이(1206);
    프리폼이 다이(1208)를 통해 지나갈 때 프리폼 내의 섬유(512)의 가변경로길이(varying path lengths); 및
    프리폼을 다이(1212) 밖으로 당기는 프리폼을 가공하는 것을 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    다이가 섬유 보강 재료를 보강하는 섬유 보강 재료 내의 섬유들 사이에서 미끄러짐(sloppage)을 강제(enforce)하는 것을 통해 섬유 보강 재료를 공급하는 프리폼을 가공하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    섬유 보강 재료가 계속 다이를 통해 이동하는 동안 고정 점 온도 아래로 프리폼을 냉각하는 것을 추가로 포함하는 프리폼을 가공하는 것을 포함하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    프리폼을 고정시키고 프리폼을 다이 밖으로 밀어내는 피동 롤러(driven rollers)의 동작에 의해 연속적으로 프리폼을 팽팽하게 하여 섬유 보강 재료의 길이에 따라 장력(tension)이 적용되도록 야기하는 것을 포함하는 프리폼을 당기는 프리폼을 가공하는 것을 포함하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    풀기(unwinding), 가열(heating), 공급(feeding), 냉각(cooling) 및 당김(pulling)이 다른 위치에서 동시에 수행되는 프리폼을 가공하는 것을 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    프리폼을 모니터링(monitoring) 하는 센서(598)의 입력을 기준으로 하여 목표 범위를 벗어나는 장력을 방지함으로 인해 풀기, 공급, 및 당김을 조절하는 컨트롤러(a controller)(596) 활용을 추가로 포함하는 프리폼을 가공하는 것을 포함하는 방법.
  7. 누들(a noodle) 용 프리폼(250) 내로 성형을 위해 섬유 보강 재료(520)을 제공하는 누들 공급기(a noodle supplier)(510);
    누들 공급기로부터 받은 섬유 보강 재료의 온도를 증가시키는 히터(a heater)(530);
    곡률을 프리폼을 형성하는 가열된 재료에 전달하는 다이(550); 및
    누들을 팽팽하게 함으로 다이를 통해 프리폼을 당기는 누들 장력 조절 장치(a noodle tensioning device)(580, 590)를 포함하는 기구(the apparatus).
  8. 제 7항에 있어서,
    누들 장력 조절 장치가 누들을 팽팽하게 하는 닙(a nip)(584)을 형성하는 두 롤러(two rollers)(580,590)를 포함하는 기구.
  9. 제 7항에 있어서,
    누들 공급기가 섬유 보강 재료의 스풀(a spool)(510)을 포함하는 기구.
  10. 제 7항에 있어서,
    다이가 섬유 보강 재료가 인발 성형(pultruded)되고, 다이의 입구(552)가 곡률을 따라 쓸리는 것을 통해 굽은 채널(a curved channel)(556)을 포함하는 기구.
  11. 제 10항에 있어서,
    채널이 입구(the inlet)보다 더 작은 출구(a exit)를 가지는 기구.
  12. 적어도 구성 재료를 포함하는 섬유 보강 재료의 롤을 고정하기 위한 하나의 스풀(510);
    구성 재료의 고정 점 온도까지 섬유 보강 재료를 가열하는 스풀의 다운스트림(a downstream of the spool) 히터(530);
    섬유 보강 재료의 길이에 따라 가해지는 길이 방향 곡률을 가진 채널(556)을 보이고, 프리폼(250)으로 섬유 보강 재료를 형성하는 히터의 다운스트림, 인발 성형 다이(a pultrusion die)(550);
    프리폼을 냉각하는 냉각 챔버(a cooling chamber)(564); 및
    인발 성형 다이의 다운스트림에 위치되고 인발 성형 다이의 횡단면에서 닙(584)을 형성하는 롤러(580, 590)를 포함하는 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    구성 재료가 열 가소성 바인더(a thermoplastic binder)를 포함; 및
    히터(the heater)가 섭씨 150도와 200도 사이로 테이프를 가열하는 복사 히터(a radiant heater)를 포함하는 시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    다이가 곡률의 반경을 조절하기 위해 상호 교환될 수도 있는 제거 가능한 조각(the removable pieces)(560,570)을 포함하는 시스템.
  15. 제 12항에 있어서,
    롤러들 중 하나가 롤러의 원주를 따라 연장하는 나선형 홈(a helical groove)(1110)을 포함하고, 나선형 홈이 프리폼이 다이를 빠져나간 후 프리폼의 횡단면(a cross section)을 맞추는 시스템.
KR1020180037957A 2017-04-26 2018-04-02 복합 부품에 길이 방향 곡률을 적용하는 인발 성형 시스템 KR102428736B1 (ko)

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