KR20200100229A - 두께 방향 섬유가 연속적으로 보강된 3d 프로파일 빔 프리폼 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부; 및 상기 일체형 평판 프리폼부에 접하고, 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부를 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼이 개시된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 준정형 프로파일 빔 프리폼은, 직교결속 방식에 의하여 제조되어 경사(warp)와 위사(weft)의 간격을 최소화함으로써 치밀한 구성을 가지는 효과가 있다.

Description

두께 방향 섬유가 연속적으로 보강된 3D 프로파일 빔 프리폼 및 이의 제조 방법 {3D profiled beam preforms in which the thickness direction fibers are continuously reinforced and a method for manufacturing the same}

본 발명은 두께 방향 섬유가 연속적으로 보강된 3D 프로파일 빔 프리폼 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두께 방향의 섬유를 프리폼 전체 두께 혹은 일부 두께를 관통하도록 하고 두께의 일부분만 관통된 부분은 분기되도록 하여 제조된 다양한 단면의 준정형(near-net-shape) 프리폼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

항공기나 자동차 부품에 사용되고 있는 적층 복합재는 면내 특성은 우수하나 두께 방향의 섬유 보강이 되지 않기 때문에 두께 방향 특성은 떨어지는 단점이 있다. 이런 문제를 해결하기 위하여 다양한 3차원 (3D, 3-Dimensional) 기술이 개발되고 있다. 이 중 3D weaving 기술에 중요하게 고려되고 있는데, 그 이유는 2D weaving 기술의 다양성과 유용성으로부터 3D 기술로 확장하기 용이하다는 점이다. 3D weaving 기술은 두께 방향으로 섬유 연속성을 줄 수 있기 때문에 복잡한 프로파일인 T section, Pi section 및 wing root-fitting 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 기존의 적층 복합재 경우에는 T section 의 경우 보통 패널 부재와 빔 부재를 접착하여 구조 일체화를 하는데 이 경우 두 부재 간에는 섬유 보강이 되지 않고 수지로만 연결되어 있어서 구조적으로 취약하다. 그러나 3D 프리폼 기술을 적용하면 섬유 단절이 없이 두 부재가 섬유로 연결되어 있기 때문에 구조 강도가 향상되며 near-net 형상이 가능하기 때문에 대량 직조 기술이 개발된다면 제조 시간도 단축될 수 있다.

3D weaving 직조에 의한 프리폼은 (i) 3D weaving 기계에 의한 제조 방법과 (ii) 2D weaving 기계에 의한 제조 방법이 있다. 3D weaving 기계는 현재 개발 중이거나 몇몇 업체나 연구기관에서 자체 제작한 실험실 규모의 장비이며 상업적으로 시장에 나와 있지 않다. 반면에 2D weaving 기계는 일반적으로 2D Loom 이라고 알려진 기계로서 상업적으로 나와 있으며 이 장비를 활용하면 원하는 구조의 3D 프리폼을 경제적으로 손쉽게 제조할 수 있다.

Weaving에 의해 직조된 직물은 그 길이 방향의 경사(warp)와 이와 직각을 이루는 폭 방향의 위사(fill 혹은 weft) 의 두 방향의 섬유로 이루어져 있다. Loom은 섬유에서 직물로 만들어지는 순서에 따라 개구(shedding), 위입(filling insertion), 바디침(beat-up) 및 권취(take-up)의 4가지 기능으로 나뉜다. 도 1은 Loom의 기본적인 기능과 각각의 구조를 도식적으로 보인 것이다.

Weaving의 기본적인 기계 동작을 설명하면 다음과 같다. 개구란 경사가 관통하는 종광틀(harness)를 상하 운동시켜 일련의 경사 사이의 간격을 만들어 줌으로써 위사가 삽입되도록 하는 과정이다. 경사는 실제로 종광틀(harness) 내부의 종광(heddle)을 관통하게 되는데, 이 종광은 일종의 와이어로서 그 중간에 루프가 형성된 것이다. 개구가 일어나면 위사를 가진 셔틀이 경사 사이를 지나면서 폭 방향으로 관통하게 된다. 이렇게 하여 엮어진 경사 및 위사는 권취 운동을 거치게 되는데 여기에서는 빗과 같은 형상의 리드를 앞뒤로 이동하여 섬유다발을 압착시키면서 직물을 형성한다. 바디침이 끝나면 직조된 직물은 롤러에 감기어(권취 운동) 다음 직조 작업이 계속되도록 하며, 이러한 4가지 작업을 계속 반복함으로써 원하는 길이만큼의 직물이 제조된다.

예를 들어, 비특허문헌 "ECCM15-15TH EUROPEAN CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS, Venice, Italy, 24-28 June 2012"의 경우 3차원 직조 방식으로서 angle interlock, orthogonal 및 layer to layer 방식에 대하여 개시하고 있다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0891474호는 본 발명은 미세단위구조(unit cell) 크기를 갖는 3Ｄ 직교직조물의 연속직조방법 및 연속직조장치에 관한 것으로, Ｘ축-Ｙ축 직교평면에 대해 수직인 Ｚ축 방향으로, 복수 개의 Ｚ축 로드가 상기 Ｘ축-Ｙ축 직교평면상에 등간격으로 배치되는 3Ｄ 직조장치에 있어서, 복수 개의 Ｚ축 로드 사이마다 하나씩 삽입되어, 상기 Ｘ축-Ｙ축 직교평면의 어느 한 축(軸)을 따라 왕복이 동하는 복수 개의 직선형 레피어; 및 상기 직선형 레피어에 대하여 수직인 방향으로, 상기 복수 개의 Ｚ축 로드 사이마다 하나씩 삽입되어, 상기 Ｘ축-Ｙ축 직교평면의 다른 한 축(軸)을 따라 왕복 이동하는 복수 개의 ㄷ형 레피어; 를 포함하여 이루어지고, 상기 직선형 레피어는, 길이방향의 양 단부에 각각 형성되는 걸이홈(21)과, 길이방향의 중앙 지점에 형성되는 섬유인출홈을 구비하고 있으며, 상기 ㄷ형 레피어는, 일단측(一端側)에 걸이홈이 형성된 측판부와, 상기 측판부의 타단측(他端側)의 상측으로부터 제1 설정길이(L1)만큼 수평방향으로 뻗되 상기 걸이홈에 대응되는 걸이홈이 자유단부(free end)에 형성된 상판부와, 상기 타단측의 하측으로부터 상기 제1 설정길이의 50% 길이에 해당하는 제2 설정길이(L2)만큼 수평방향으로 뻗되 섬유인출홈이 자유단부에 형성된 하판을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 3Ｄ 직교직조물의 연속직조장치에 대하여 개시하고 있다.

다만, 본 발명의 발명자들은 구조적으로 취약하지 않도록 치밀한 제작이 가능하면서도 원하는 위치에서 분기할 수 있도록 하는 직조 기술에 대한 연구를 수행한 결과 본 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허 제10-0891474호

JETAVAT, D. 외, "3D WEAVING OF NEAR NET PREFORMS3D WEAVING OF NEAR NET PREFORMS", ECCM15-15TH EUROPEAN CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS, Venice, Italy, 24-28 June 2012.

본 발명의 일 측면에서의 목적은 일체형 평판 프리폼부 및 분리형 평판 프리폼부를 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서

두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부; 및 상기 일체형 평판 프리폼부에 접하고, 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부;를 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서

직교결속 방식으로 준정형 프로파일 빔 프리폼을 제조하는 방법이되, 두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하도록 하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부를 형성하는 단계; 상기 일체형 평판 프리폼부에 접하여, 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에서 경사(warp), 종광(heddle), 종광틀(harness), 바디(reed), 및 셔틀(shuttle)을 포함하고, 상기 바디는 두께 방향의 섬유와 그 이외의 경사가 이격되도록 하기 위한 추가적인 살(reed wire)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 준정형 프로파일 빔 프리폼은, 직교결속 방식에 의하여 제조되어 경사(warp)와 위사(weft)의 간격을 최소화함으로써 치밀한 구성을 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조방법은 다른 직조방식과는 달리, 전체 두께를 지나는 경사에 의해 직조되지 못하는 부분 없이 모든 부분이 직조 가능한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 제직 장치인 Loom의 기본적인 구조에 대한 모식도이고,
도 2는 3차원 직조를 위한 방법들을 나타내는 단면 모식도로서, (a)는 직교결속 방식, (b)는 layer to layer 방식, (c)는 through-the-thickness 방식을 나타내는 모식도이고,
도 3은 3차원 직조를 위한 방법들을 나타내는 입체 모식도로서, (a)는 직교결속 방식, (b)는 layer to layer 방식, (c)는 through-the-thickness 방식을 나타내는 모식도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직교결속 방법을 나타내는 단면 모식도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직교결속 방법을 위한 리프팅 도표이고,
도 6은 π형 빔 형상을 나타내는 모식도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 평판 프리폼 및 분리형 평판 프리폼을 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조를 위한 프리폼의 길이 방향의 측면 단면의 모식도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 평판 프리폼 및 분리형 평판 프리폼을 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조를 위한 리프팅 도표이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 π형 빔 프리폼 제조를 위한 프리폼의 길이 방향의 측면 단면의 모식도이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 π형 빔 제조를 위해 제조된 프리폼 형상 및 제조된 π형 빔을 타내는 모식도이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 π형 빔 사진이고,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 X형 빔 사진이고,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 T형 빔 제조를 위해 제작된 프리폼 형상 및 제조된 T형 빔을 타내는 모식도이고,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 T형 빔 사진이고,
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 H형 빔 제조를 위해 제작된 프리폼 형상 및 제조된 H형 빔을 타내는 모식도이고,
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 H형 빔 사진이고,
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 평판 프리폼 및 분리형 평판 프리폼을 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조에 있어서, 바디(reed) 내부의 구조 및 경사(warp)의 배치를 나타내는 일 예의 모식도이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 발명의 일 측면에서의 목적은 일체형 평판 프리폼 및 분리형 평판 프리폼을 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼을 제공하는데 있다.

이를 위하여 발명자들은 두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부; 및 상기 일체형 평판 프리폼부에 접하고, 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부;를 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼을 개발하였다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서의 목적은 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여 발명자들은 직교결속 방식으로 준정형 프로파일 빔 프리폼을 제조하는 방법이되, 두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하도록 하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부를 형성하는 단계; 상기 일체형 평판 프리폼부에 접하여, 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조방법을 개발하였다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에서의 목적은 상기 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조방법을 구현하기 위한 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치를 구현하는데 있다.

이를 위하여 발명자들은 경사(warp), 종광(heddle), 종광틀(harness), 바디(reed), 및 셔틀(shuttle)을 포함하고, 상기 바디는 두께 방향의 섬유와 그 이외의 경사가 이격되도록 하기 위한 추가적인 살(reed wire)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치를 개발하였다.

이하, 경사(warp)가 적층되는 방향을 프리폼의 두께 방향, 경사(warp)가 삽입되는 방향을 프리폼의 길이 방향, 위사(weft)가 삽입되는 방향을 프리폼의 폭 방향이라고 정의한다.

이하 직교결속(orthogonal) 방식이란, 세 축의 섬유가 서로 직각을 이루면서, 경사는 두께 방향으로 적층되고, 두께 방향의 섬유는 경사와 동일한 방향으로 삽입되어 두께 방향으로 각 경사와 수직되게 위 아래로 이동하며, 위사가 경사와 두께 방향의 섬유 사이로 삽입되는 3차원 직물의 제직 방법을 뜻한다. 도 2 및 도 3을 통해 명확히 이해할 수 있다.

이하 본 발명의 일 측면에 의한 준정형 프로파일 빔 프리폼의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 준정형 프로파일 빔 프리폼은 두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부; 및 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부를 포함한다.

상기 각각의 프리폼에서의 두께 방향의 섬유는 두께 방향으로 관통하여 각 층을 이어주는 역할을 하는 섬유를 의미한다. 도 2 내지 도 4의 노란색 선으로 이해할 수 있다. 이하 프리폼 두께 방향의 섬유, 두께를 지나는 섬유, 두께를 관통하는 섬유, 두께 방향의 경사, 두께를 관통하는 경사 및 이와 유사한 어구 등은 이와 같은 의미로 해석될 수 있다. 이에 따라 이하 두께 방향의 섬유는 경사의 한 종류로서, 경사에 포함되는 것으로 이해할 수 있다. 즉, 도 4의 경사 1 내지 6 에서 경사 1과 경사 6은 두께 방향의 섬유를 의미하는 것이고, 도 9의 경사 1 내지 10 에서 경사 7, 8, 9, 10 은 두께 방향의 섬유를 의미하는 것이다.

이하, 상기 "일체형 평판 프리폼부"는 "일체부분"과 같은 의미를 갖고, 상기 "분리형 평판 프리폼부"는 "분기부분"과 같은 의미를 갖는 것으로 정의한다.

상기 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼은 경사, 위사 및 전체 두께를 관통하는 두께 방향의 섬유로 구성될 수 있다. 두께 방향으로 적층된 경사 사이로 위사가 수직을 이루며 삽입되는 형태를 가지고 있으며, 경사와 위사에 모두 수직한 두께 방향의 섬유가 각 층을 이어준다. 도 3 내지 도 4를 통해 이해할 수 있다.

또한, 상기 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼은 그 일 구체예로서, 2개의 분리되는 직교결속층을 가진 분리형 평판 프리폼일 수 있다.

또한, 상기 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼은 경사, 위사 및 일부 두께를 관통하는 두께 방향의 섬유를 포함한 것을 하나의 층으로 한 복수의 층으로 구성될 수 있다. 각각의 층은 일체형 평판 프리폼과 만나는 지점에서 분기될 수 있다. 도 7, 도 9, 도 10, 도 13 및 도 15를 통해 이해할 수 있다.

또한, 상기 각각의 프리폼에서 두께 방향의 섬유와 그 외의 경사는 프리폼의 폭 방향으로 어긋나게 위치할 수 있다. 프리폼 두께 방향의 섬유의 경우 여러 층을 상하로 이동하므로 다른 섬유와의 마찰이 더 많이 생긴다. 프리폼 두께 방향의 섬유와 이외의 경사를 분리하여 이런 마찰을 최소화한다는 점에서 바람직하다. 상기 내용은 도 3 및 도 17을 참고하여 이해할 수 있다.

또한, 상기 각각의 프리폼에서 두께 방향의 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 케블라 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 섬유 묶음(bundle)일 수 있다.

두께 방향의 섬유가 탄소 섬유 묶음일 경우 1 k 내지는 6 k 로 사용함이 바람직하다. 1 k는 1000가닥을 의미한다.

두께 방향의 섬유가 케블라 섬유 묶음인 경우 1000 데니어 내지 1500 데니어로 사용함이 바람직하다. 데니어(denier)는 섬유의 길이가 9000 m 일 때의 섬유 전체 무게를 그램 수로 표시한 것이다.

두께 방향의 섬유가 유리 섬유 묶음인 경우 상기 탄소 섬유 묶음이나 케블라 섬유 묶음의 경우와 비슷한 두께의 섬유 묶음을 사용함이 바람직하다.

두께 방향의 섬유는 프리폼의 표면에 굴곡을 많이 형성하므로, 강성이 높은 섬유를 사용시 이 굴곡으로 인해 위사 간격이 벌어질 수 있다. 따라서 상기와 같은 범위의 섬유 묶음을 두께 방향의 섬유로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 준정형 프로파일 빔 프리폼은 일체형 평판 프리폼부와 분리형 평판 프리폼부의 반복 및 조합 등을 통하여 원하는 형상을 얻을 수 있으며, 각 프리폼부의 길이를 조절함으로써, 원하는 형상을 얻을 수 있다.

또한, 상기 준정형 프로파일 빔 프리폼은 분리형 평판 프리폼부를 전개하였을 때, π형, H형, I형, X형, T형 및 Y형으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼일 수 있다.

예를 들어, π형, H형, I형 및 X형 빔의 경우, 분리형 평판 프리폼부-일체형 평판 프리폼부-분리형 평판 프리폼부의 순으로 결합된 준정형 프로파일 빔 프리폼을 전개하여 얻을 수 있으며, 분리형 평판 프리폼부와 일체형 평판 프리폼부 각각의 길이 및 분리형 평판 프리폼부의 분리되는 각 층의 회전 각도에 따라 각기 다른 형태의 빔을 얻을 수 있다. 다만 이와 같은 분리형 평판 프리폼부 및 일체형 평판 프리폼부의 결합의 경우, 분리형 평판 프리폼부와 일체형 평판 프리폼부의 연결 부분에서 두께 방향의 섬유는 연결이 연속적으로 유지되어야 하므로, 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향 섬유의 관통은 상기 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향 일 단면으로부터 시작되어, 동일 면으로 끝나도록 구성되어야 할 것이다. 하기 실시예 2의 π형 빔 제조 공정에 의해 더욱 자세히 이해할 수 있다.

X형의 경우, π형, H형, I형에 비하여 일체형 평판 프리폼부의 길이를 짧게 조절하여 얻을 수 있으며, 분리형 평판 프리폼부 및 일체형 평판 프리폼부의 길이를 각각 조절하여 H형과 I형을 구별해 제작할 수 있으며, 분기부분의 회전 각도에 따라 π형; H형과 I형; X형으로 구분될 수 있다.

T형 및 Y형 빔의 경우, 분리형 평판 프리폼부와 일체형 평판 프리폼부가 결합된 준정형 프로파일 빔 프리폼을 전개하여 얻을 수 있으며, 분리형 평판 프리폼부와 일체형 평판 프리폼부의 길이 및 분리형 평판 프리폼부의 분리되는 각 층의 회전 각도에 따라 각기 다른 형태의 빔을 얻을 수 있다. T형 및 Y형은 분리되는 각 층의 회전 각도를 달리하여 각기 제작할 수 있다.

이외에도, 다양한 분리형 평판 프리폼부와 일체형 평판 프리폼부의 조합 및 반복, 각 프리폼부의 길이 조절, 분리되는 각 층의 회전 각도 조절 및 분리형 평판 프리폼부에서의 분리되는 층의 수 조절 등에 의하여 다양한 형태가 될 수 있는 준정형 프로파일 빔을 얻을 수 있다.

상기 준정형 프로파일 빔 프리폼은 직교결속 방식에 의해 3차원으로 제조된 것으로서, 두께를 관통하는 섬유가 수직으로 침입하기 때문에 경사 및 위사의 간격을 최소화하여 치밀한 제작이 가능하다는 장점이 있으며, 이러한 직교결속 방식에 의해 분기를 제작한 경우 직조되지 못하는 부분이 생기는 다른 직조 방식에 비해, 직조되지 못하는 부분이 없다는 장점 또한 있다.

이하 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 도면 및 실시예를 통해 더욱 자세히 이해할 수 있다.

우선 직교결속 방식을 이용한 다층 평판 제조 공정을 상세히 설명한다.

기존의 2차원 직물의 경우는 경사와 위사가 서로 교차하면서 2개 층을 형성하는 구조이다. 가장 간단한 형상인 평직 구조는 직조기의 종광틀을 2개로 구성하여 교대로 상하 운동하면서 개구를 형성한다. 그러나 3차원 배열의 프리폼은 여러 층의 경사와 위사가 배열되기 때문에 여러 개의 종광틀을 사용해야 하고 이 종광틀을 조합하여 상하 운동하여 개구를 형성해야 한다.

도 4는 가장 간단한 형태의 다층 구조를 가지는 직교결속(orthogonal)을 보여주고 있다. 이 구조는 기본적으로 세 축의 섬유가 서로 직각을 이루는데, 요구되는 특성에 따라 각 섬유의 종류, 굵기 및 포함량을 적절히 조절할 수 있다는 점에서 3차원 직물의 재료설계 유연성을 분명하게 보여주고 있는 구조이다. 이 그림에서 경사(warp)는 1 내지 6으로 표시되어 있고 위사(weft)는 a, b, c 등의 열로 각각 표시하고 두께 방향으로 1 내지 5로 나타내고 있다. 상기 언급한 것과 같이, 경사가 적층된 방향을 두께 방향, 경사의 방향을 길이 방향, 위사의 방향을 폭 방향으로 정의한다.

도 4는 직조되는 프리폼의 길이 방향의 측면 단면을 보인 것으로서 고정된 위사 사이로 경사가 지나가는 것처럼 보이나 실제로 직조할 때는 배열된 경사 사이로 위사를 삽입한다. 즉, 종광틀을 관통하여 지나는 경사 1 내지 6의 섬유를 하나 혹은 여러 개를 함께 순차적으로 위로 당겨 올리면서 위사를 삽입하는 방법을 취한다. 예를 들어, 위사 a1을 삽입하기 위해서는 경사 1을 위로 올려 주고 나머지 2 내지 6은 그대로 있으며, 위사 a2를 삽입하기 위해서는 경사 1, 2를 위로 올려준다. 마찬가지로, 예를 들어, b3을 삽입하기 위해서는 경사 2, 3, 6을 위로 올려준다. 이 공정은 기본구조가 반복되는 b 열까지 진행되며 그 후에는 이 패턴을 계속적으로 반복시키면 된다. 이렇게 일련의 경사를 가진 종광틀을 위로 올려주는 것을 리프팅(lifting)이라고 하는데 직교 구조의 프리폼을 얻기 위한 리프팅 도표를 그림으로 나타내면 도 5와 같다. 이 표에서 검은 사각형은 위로 올려지는 종광틀을 표시한 것이고, W는 경사를 가진 종광틀 번호를 나타내고, F는 위사를 나타낸다. 이렇게 작성된 리프팅 도표를 직기의 제어판에 입력시킴으로써 직기의 종광틀은 이 순서대로 올려지게 된다.

이하 상기 직교결속 방식을 이용한 다층 평판 제조 공정에 대한 설명을 기초로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조방법에 대하여 실시예를 통해 상세히 설명한다. 이들의 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실험예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

<실시예 1> 일체형 평판 프리폼 및 분리형 평판 프리폼을 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조

분기평판의 제조 공정은 π형 빔에 대하여 기술한다. 그 이유는 π형 빔은 T형 빔이나 H형 빔의 형태를 모두 갖추고 있기 때문이다. 도 6은 π형 빔 형상을 보인 것으로 기존의 T 조인트에 비하여 좌우에서 다른 부재와 연결되는 구조이기 때문에 조인트 부재로서 기계적 특성이 우수할 것으로 예상할 수 있다. 빔의 윗부분을 플렌지(flange)라고 하고 아래로 두 부분으로 갈라진 부분을 레그(leg)라고 하고 두 레그 사이의 간격은 갭(gap)이라고 부르기로 한다. 레그 부분은 T형 빔이나 H형 빔의 경우 웹(web)이라고 할 수 있다.

도 7은 직조되는 프리폼의 길이 방향의 측면 단면을 보인 것이다. 여기서, 두께 방향의 섬유를 뜻하는 경사 9번, 10번과 경사 7번, 8번은 전체 두께로 관통하지 않고 1/2 두께로 관통되며 일체부분에서는 경사 7번, 10번이 전체두께로 관통되고 경사 8번, 9번은 프리폼의 중앙부분으로 지나간다. 즉, 분기부분의 두께 방향 경사는 전체를 관통하여 연결되지 않기 때문에 두 부분이 분리된다. 직조를 할 때는 종광틀을 관통하여 지나는 경사 1부터 10까지의 섬유를 하나 혹은 여러 개를 함께 순차적으로 위로 당겨 올리면서 위사를 삽입하는 방법을 취한다. 예를 들어, 도 7을 보면 위사 a1을 삽입하기 위해서는 경사 10을 위로 올려 주어야 하고 나머지 1 내지 9는 그대로 있으며, 섬유 a2를 삽입하기 위해서는 경사 6, 10을 위로 올려준다. 마찬가지로, 예를 들어, b5를 삽입하기 위해서는 경사 4, 5, 6, 7, 9, 10 을 위로 올려준다. 여기서, 섬유 열 a 와 b는 그 뒤에 계속 분기부분 A 까지 반복된다. 그 뒤에는 일체부분이 오게 되는 데 일체부분은 앞의‘다층 평판 제조 공정'과 같이 수행된다. 즉, c1을 삽입하기 위해 7번 섬유를 올려 주고, c5를 삽입하기 위해 4, 5, 6, 7, 8, 9를 올려주면 된다. 여기서 b5를 삽입하는 위치와 c5를 삽입하는 위치가 프리폼의 같은 위치에 있으나 그것이 분기부분 혹은 일체부분에 위치하느냐에 따라 올려주는 경사의 선택은 서로 다른 번호의 조합임을 알 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 이런 작업은 분기부분A/ 일체부분/ 분기부분B 가 반복되며 이 세 부분이 기본적인 싸이클이 된다. 기본 싸이클을 반복하면 원하는 빔을 계속해서 얻을 수 있다. 종광틀을 올려주는 리프팅 도표는 a,b,c,d 의 패턴이 다르므로 도 8과 같다.

도 17은 바디를 보인 것이데, 바디는 스텝이 끝날 때마다 위사를 밀착시켜 프리폼의 두께 방향으로 위사가 적층되도록 한다. 바디는 도 1에서 보는 바와 같이 길이 방향으로 살(reed wire)이 균일하게 나와 있는데 살의 간격에 따라 사용할 전체 섬유 개수가 결정되기 때문에 최종적으로 프리폼의 밀도를 결정한다. 즉, 살 간격을 좁게 할수록 더 많은 양의 섬유를 포함시킬 수 있다. 그러나, 실 간격이 좁아서 너무 밀집되어 섬유가 지나가면 섬유간의 마찰로 인해 손상이 생기기 쉽고 개구가 불안정할 수 있기 때문에 복합재 성능과 제직성 모두를 고려하여 결정해야 한다. 특히, 3차원 제직에서 두께 방향의 섬유의 경우는(도 9의 경사 7, 8, 9, 10 번) 여러 층을 상하로 이동하므로 다른 섬유와의 마찰이 더 많이 생긴다. 이런 마찰을 최소화 하는 방법으로 프리폼 두께를 지나는 섬유와 그 이와의 섬유를 분리할 필요가 있다. 도 17은 도 9의 섬유 배열의 경우 바디의 살 간격과 그 내부를 지나는 경사를 나타낸 것이다. 즉, 경사 1 내지 6 은 개수가 많으므로 칸이 넓은 공간으로 지나고 경사 7 내지 10은 칸이 좁은 공간을 지나는 것을 보여주고 있다. 보통, 전체 두께를 지나는 섬유는 프리폼의 표면에 굴곡을 많이 형성하므로 카본섬유처럼 강성이 높은 섬유를 사용할 때는 이 굴곡으로 인하여 위사 간격이 벌어지게 되므로 느슨한 구조가 될 수 있다. 따라서, 전체 두께를 지나는 경사는 가는 섬유를 사용하는 것이 유리하다. 이런 경우에도 살의 간격을 달리하여 바디를 설계할 수 있다.

지금까지 분기형 평판과 일체형 평판에 대한 기본적인 리프팅 도표를 구하였으므로 프로파일 빔을 형성하기 위해서는 이 기본 패턴을 빔의 원하는 크기가 되도록 적절히 반복하면 된다.

<실시예 2> π형 빔의 제조

도 9는 도 7에서 갭 거리를 줄인 빔에 대한 섬유배열도를 보여주고 있다. π형 빔 제작을 위해 빔의 크기를 정하여 플렌지 폭은 100 mm, 레그 길이는 50 mm 로 하였다. 사전에 수행한 제직 작업으로부터 경사 방향으로의 권취 길이는 약 4 mm 로 됨을 확인하였다. 이 길이는 도 9의 a,b,c,d 각 열에 해당하는 경사방향으로의 길이가 되므로 a,b,c,d 에 해당하는 리프팅 도표의 반복 회수를 정하여 전체 길이를 결정할 수 있다. 따라서, 갭의 폭도 4 mm 가 된다. 또한, 패턴 반복을 할 때는 a,b,c,d 의 연결이 가능하도록 해야 한다. 즉, a b a b .... c d c .... a b a b 혹은 a b a b .... c d c d c .... a b a b 반복은 가능하나 a b a b .... c d c d .... a b a b 반복은 불가능하다. a,b,c,d 사이의 패턴이 바뀔 때는 경사의 연결이 연속적으로 유지될 수 있도록 해야 한다. 즉, 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향 섬유의 관통은 상기 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향의 일 단면으로부터 시작되어, 동일 면으로 끝나도록 구성된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 도 9의 분기부분에서 위층을 지나는 두께 방향의 섬유(경사 9, 10)는 일체부분을 지난 후 다시 분기부분으로 삽입될 때 위층으로 삽입되어야 하며, 아래층을 지나는 두께 방향의 섬유(경사 7, 8)는 일체부분을 지난 후 다시 분기부분으로 삽입될 때 아래층으로 삽입되어야 한다. 이를 위해서 분기부분에서 일체부분으로 삽입될 때 두께 방향의 상측 단면을 지나며 삽입되는 경사 10은 일체부분에서 다시 분기부분으로 삽입될 때 상측 단면을 지나도록 삽입되어야 하며, 분기부분에서 일체부분으로 삽입될 때 두께 방향의 하측 단면을 지나며 삽입되는 경사 7은 일체부분에서 다시 분기부분으로 삽입될 때 하측 단면을 지나도록 삽입되어야 한다.

이와 같이 갭 폭은 임의로 정하지 못하고 c 혹은 d 열의 홀수 개 조합으로 가능하므로 원하는 갭 폭을 갖기 위해서는 권취길이를 조정하거나 위사 굵기가 다른 것을 사용해야 한다.

제조한 π형 빔 크기를 도 10에 나타내었다. 그림 10은 직기에서 제작되는 프리폼 형상 및 분기부분을 전개하면 얻어지는 π형 빔 형상을 보인 것이다. 여기서, 빗금 친 네모는 일체부분을 표시하고 분기부분은 굵은 선으로 표시하였다. 점선은 프리폼을 절단할 위치를 나타내며, 도 10에서 분기부분의 길이를 100 mm, 일체부분의 길이를 5 mm라고 한다면, (100 + 5) 길이를 계속 반복하면 된다. 표 1은 π형 빔 크기와 a,b,c 패턴의 반복회수 및 1회 반복 사이클에 해당하는 패턴의 전체 step 수를 정리한 것이다. 여기서 지수로 표시한 것은 반복 회수이고 “/”표시는 분기부분과 일체부분의 경계를 나타내며 “//”는 싸이클 반복을 나타낸다. 도 11은 제조된 π형 빔을 보인 것이다.

	플렌지 폭	레그 길이	레그 갭	리프팅	step 수
프리폼 (mm)	100	50	5	(ab)14a / c //	240

<실시예 3> X형 빔의 제조

X형 빔은 도 10의 π형 빔에서 플렌지와 레그가 이루는 직각 부분을 회전시키면 된다. 도 12와 같은 형태가 된다.

<실시예 4> T형 빔 및 Y형 빔 제조방법

도 13은 제조한 T형 빔 크기를 보인 것이다. 그림 13은 직기에서 제작되는 프리폼 형상 및 분기부분을 전개하면 얻어지는 T형 빔 형상을 보인 것이다. 여기서, 점선은 프리폼이 반복되는 위치를 나타낸다. 표 2는 T형 빔 크기와 a,b,c,d 패턴의 반복회수 및 1회 반복 사이클에 해당하는 패턴의 전체 step 수를 정리한 것이다. 여기서 지수로 표시한 것은 반복 회수이고 “/”표시는 분기부분과 일체부분의 경계를 나타내며 “//”는 싸이클 반복을 나타낸다. 도 14는 제조된 T형 빔을 보인 것이다.

또한, 전개 시 분기부분의 회전 각도를 달리하면 Y형 빔을 제조할 수 있다.

	플렌지 폭	레그 길이	리프팅	step 수
프리폼 (mm)	50	50	(ab)6a / (cd)6c //	208

<실시예 5> H형 빔 및 I형 빔 제조방법

도 15는 제조한 H형 빔 크기를 보인 것이다. 도 15는 직기에서 제작되는 프리폼 형상 및 분기부분을 전개하면 얻어지는 H형 빔 형상을 보인 것이다. 여기서, 점선은 프리폼이 반복되는 위치를 나타낸다. 표 3은 H형 빔 크기와 a,b,c,d 패턴의 반복회수 및 1회 반복 사이클에 해당하는 패턴의 전체 step 수를 정리한 것이다. 여기서 지수로 표시한 것은 반복 회수이고 “/”표시는 분기부분과 일체부분의 경계를 나타내며 “//”는 싸이클 반복을 나타낸다. 도 16는 제조된 H형 빔을 보인 것이다.

일체형 평판 프리폼부와 분리형 평판 프리폼부의 길이를 조절하여 H형 빔 혹은 I형 빔을 얻을 수 있다.

	플렌지 폭	레그 길이	리프팅	step 수
프리폼 (mm)	60	110	(ab)6a / (cd)18c // (ab)7	208

이하 상기 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조방법을 구현하기 위한 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치의 구성 및 역할에 대해 상세히 설명한다.

상기 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치는 일반적인 제직(weaving)장치의 구성을 포함한다. 즉, 경사(warp), 종광(heddle), 종광틀(harness), 바디(reed), 셔틀(shuttle) 등을 포함할 수 있다.

상기 프로파일 빔 프리폼 제조장치에 의해 직조된 직물은 그 길이 방향의 경사(warp)와 이와 직각을 이루는 폭 방향의 위사(fill 혹은 weft)의 두 방향의 섬유로 이루어져 있다. 상기 프로파일 빔 프리폼 제조장치는 섬유에서 직물로 만들어지는 순서에 따라 개구(shedding), 위입(filling insertion), 바디침(beat-up) 및 권취(take-up)의 4가지 기능으로 나뉜다.

개구란 경사가 관통하는 종광틀(harness)을 상하 운동시켜 일련의 경사 사이의 간격을 만들어 줌으로써 위사가 삽입되도록 하는 과정이다. 경사는 실제로 종광틀(harness) 내부의 종광(heddle)을 관통하게 되는데, 이 종광은 일종의 와이어로서 그 중간에 루프가 형성된 것이다. 개구가 일어나면 위사를 가진 셔틀이 경사 사이를 지나면서 프리폼의 폭 방향으로 관통하게 된다. 이렇게 하여 엮어진 경사 및 위사는 권취 운동을 거치게 되는데 여기에서는 빗과 같은 형상의 리드를 앞뒤로 이동하여 섬유다발을 압착시키면서 직물을 형성한다. 바디침이 끝나면 직조된 직물은 롤러에 감기어(권취 운동) 다음 직조 작업이 계속되도록 하며, 이러한 4가지 작업을 계속 반복함으로써 원하는 길이만큼의 직물이 제조된다.

또한, 상기 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치에서 바디(reed)는 두께 방향의 섬유와 그 이외의 경사가 이격되도록 하기 위한 추가적인 바디살(reed wire)을 더 포함할 수 있다. 바디는 스텝이 끝날 때마다 위사를 밀착시켜 프리폼의 두께 방향으로 위사가 적층되도록 하는 역할을 하는데. 바디는 도 1에서 보는 바와 같이 길이 방향으로 살(reed wire)이 균일하게 나와 있다. 살의 간격에 따라 사용할 전체 섬유 개수가 결정되기 때문에 최종적으로 프리폼의 밀도를 결정한다. 즉, 살 간격을 좁게 할수록 더 많은 양의 섬유를 포함시킬 수 있다. 그러나, 실 간격이 좁아서 너무 밀집되어 섬유가 지나가면 섬유간의 마찰로 인해 손상이 생기기 쉽고 개구가 불안정할 수 있기 때문에 복합재 성능과 제직성 모두를 고려하여 결정해야 한다. 특히, 3차원 제직에서 프리폼 두께를 관통하는 경사의 경우는(도 9의 경사 7, 8, 9, 10 번) 여러 층을 상하로 이동하므로 다른 섬유와의 마찰이 더 많이 생긴다. 이런 마찰을 최소화 하는 방법으로 프리폼 두께를 지나는 섬유와 그 이와의 섬유를 분리할 필요가 있다. 이를 위하여 상기 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치에서 바디는 바디살을 추가로 더 포함하여 두께 방향의 섬유와 그 이외의 경사가 이격되도록 할 수 있다. 도 17은 도 9의 섬유 배열의 경우 바디의 살 간격과 그 내부를 지나는 경사를 나타낸 것이다. 즉, 경사 1 내지 6 은 개수가 많으므로 칸이 넓은 공간으로 지나고 경사 7 내지 10은 칸이 좁은 공간을 지나는 것을 보여주고 있다.

이상, 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예 등으로 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

1 경사빔
2 경사 가이드
3 종광
4 종광틀
5 바디
6 셔틀
7 권취 롤러

Claims (12)

1. 두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부; 및
   상기 일체형 평판 프리폼부에 접하고, 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부;
   를 포함하는 준정형 프로파일 빔 프리폼.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향 섬유의 관통은 상기 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향 일 단면으로부터 시작되어, 동일 면으로 끝나도록 구성되는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 일체형 평판 프리폼부와 분리형 평판 프리폼부의 길이의 비를 조절하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 준정형 프로파일 빔 프리폼은 분리형 평판 프리폼부를 전개하였을 때, X형의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 준정형 프로파일 빔 프리폼은 분리형 평판 프리폼부를 전개하였을 때, π형, I형 및 H형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 준정형 프로파일 빔 프리폼은 분리형 평판 프리폼부를 전개하였을 때, T형 및 Y형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼.
   
7. 직교결속 방식으로 준정형 프로파일 빔 프리폼을 제조하는 방법이되,
   두께 방향의 섬유가 프리폼 전체 두께를 관통하도록 하여 하나의 직교결속층을 갖는 일체형 평판 프리폼부를 형성하는 단계;
   상기 일체형 평판 프리폼부에 접하여, 두께 방향의 섬유가 프리폼 일부 두께를 관통하여 복수의 직교결속층을 갖는 분리형 평판 프리폼부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 일체형 평판 프리폼부를 형성하는 단계에서 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향의 섬유의 관통은 상기 일체형 평판 프리폼부의 두께 방향 일 단면으로부터 시작되어, 동일 면으로 끝나도록 구성되는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 분리형 평판 프리폼부는 상기 일체형 평판 프리폼부의 일면 또는 양면에 접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조방법.
   
10. 제7항에 있어서, 상기 분리형 평판 프리폼부의 길이와 일체형 평판 프리폼부의 길이의 비를 조절하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조방법.
    
11. 제7항에 있어서, 상기 두께 방향의 섬유의 관통 시에, 상기 두께 방향의 섬유가 경사와 이격되도록 삽입되어 관통되는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼의 제조방법.
    
12. 경사(warp), 종광(heddle), 종광틀(harness), 바디(reed), 및 셔틀(shuttle)을 포함하고, 상기 바디는 두께 방향의 섬유와 그 이외의 경사가 이격되도록 하기 위한 추가적인 살(reed wire)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준정형 프로파일 빔 프리폼 제조장치.
    

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