KR20210035884A - 곡선형 예비성형체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

곡선형으로 될 수 있으며 곡률 방향에서 연속 섬유를 가질 수 있는 3차원 제직 예비성형체를 형성하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 또한, 이에 의해 형성된 제직 예비성형체가 개시된다.

Description

곡선형 예비성형체 및 이의 제조 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2018년 8월 1일에 제출된 미국 가출원 일련 번호 62/713,206의 우선권의 이익을 청구하며, 상기 미국 가출원은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.

기술분야

본 개시는 제직 예비성형체에 관한 것이며, 특히 보강 복합재에 사용되는 제직 예비성형체에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 연속 섬유 보강재를 갖는 곡선형 제직 예비성형체에 관한 것이다.

구조 성분(structural component)을 제조하기 위한 보강 복합재의 사용은 현재 특히, 경량이며, 고강도이고, 고인성(toughness)이며, 고내열성이고, 성형 및 형상화될 수 있는 바람직한 특성들이 큰 이점으로 사용될 수 있는 응용분야에 널리 퍼져있다. 이러한 성분은, 예를 들어 항공, 항공우주, 위성, 고성능 레크레이션 제품 및 다른 응용분야에 사용된다.

전형적으로, 이러한 성분은 매트릭스 재료에 매립된 보강 재료(reinforcement material)로 이루어진다. 보강 성분은 유리, 탄소, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르 및/또는 목적하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질 (이 중 가장 주요한 것은 응력 파괴에 대항하는 강도임)을 나타내는 다른 재료로 제조될 수 있다.

궁극적으로 완성된 성분의 구성성분 요소가 되는 이러한 보강 재료의 사용을 통해, 보강 재료의 바람직한 특성, 예컨대 높은 강도가 완전한 복합재 성분에 부여된다. 전형적인 구성성분 보강 재료는 보강 예비성형체를 위한 목적하는 구조(configuration) 및 형상으로 제직, 편성 또는 다르게는 배향될 수 있다. 통상적으로, 구성성분 보강 재료가 선택된 성질의 최적의 이용을 보장하는 것이 특히 주목된다.

목적하는 보강 예비성형체가 구성된 후, 매트릭스 재료가 상기 예비성형체 내로 도입되어, 보강 예비성형체가 매트릭스 재료 내에 둘러싸이고, 매트릭스 재료가 보강 예비성형체의 구성성분 요소들 사이의 틈새 영역(interstitial area)을 채우도록 할 수 있다. 매트릭스 재료와 조합된 보강 예비성형체는 목적하는 완성 성분을 형성하거나 또는 완성 성분의 궁극적인 제조를 위한 작업 재고품(working stock)을 제조할 수 있다.

매트릭스 재료는 매우 다양한 재료, 예컨대 에폭시, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및/또는 또한 목적하는 물리적, 열적, 화학적 및/또는 다른 성질을 나타내는 다른 재료 중 임의의 것일 수 있다. 매트릭스로서 사용하기 위해 선택된 재료는 보강 예비성형체의 재료와 동일할 수 있거나 동일하지 않을 수 있으며, 필적할 만한 물리적, 화학적, 열적 및/또는 다른 성질을 가질 수 있거나 갖지 않을 수 있다. 그러나, 전형적으로, 복합재를 사용하는 것에서 먼저 요구되는 통상의 목적은 하나의 구성성분 재료 단독 사용을 통해 획득불가능한 완성품의 특성들의 조합을 달성하는 것이기 때문에, 이들은 동일한 재료의 것이 아닐 것이거나 또는 필적할 만한 물리적, 화학적, 열적 또는 다른 성질을 갖지 않을 것이다. 이와 같이 조합된, 보강 예비성형체 및 매트릭스 재료는, 이어서 열경화 또는 다른 공지되어 있는 방법에 의해 동일한 조작에서 경화 및 안정화될 수 있으며, 이어서 목적하는 성분을 제조하기 위한 다른 조작에 가해질 수 있다. 이와 같이 경화된 후, 매트릭스 재료의 후속 고형화된 덩어리(mass)가 보통 보강 재료 (예를 들어, 보강 예비성형체)에 매우 강하게 부착된다는 것을 주목하는 것이 중요하다.

제직 예비성형체를 제조하기 위한 통상의 방법은 2차원 ("2D") 구조체를 제직하고, 이를 3차원 ("3D") 형상으로 접는 것이다. 접힌 예비성형체의 이점은 보강되는 패널 및 보강 패널 사이의 연결부의 강도이다. 이들은 함께 제직되기 때문에, 상기 패널들은 보강 재료 및 최종 복합재에서 매트릭스 재료를 공유하여, 일체형 구성을 생성한다. 일체형으로 제직된 보강 플랜지 또는 레그(leg)와 모(parent) 재료 또는 베이스의 사이의 접합(juncture)은 더 이상, 선행기술의 보강에서와 같이 연결부의 강도를 위해 접착제의 강도에만 의존하는 약한 연결이 아니다. 대신에, 예비성형체의 섬유는 레그들 및 베이스를 함께 일체형으로 제직한다.

그러나, 빈번하게, 곡선과 같은 복합 형상은 보강을 요구한다. 하나 이상의 직립 레그(upstanding leg)들을 갖는 플랜지 베이스를 갖는 접힌 T형 또는 Π(Pi)형 및 다른 예비성형체 보강재는 곡선형 표면을 수용하기 위해 상기 레그들의 다팅(darting)을 요구한다. 접힌 예비성형체의 플랜지 재료는 곡선형 형상을 취하기 때문에, 곡선형 표면의 길이는 필연적으로 곡률 안쪽에서 레그들의 바깥쪽으로 변화한다. 곡선형으로 되는 경우 더 큰 반경을 갖는 표면인 곡률 바깥쪽의 호(arc) 길이는 증가하는 반면, 곡률 안쪽 상에서 호 길이는 감소한다. 전형적인 접힌 예비성형체의 레그들은 곡선형 표면을 수용하기 위해 요구에 따라 길이를 변화시킬 수 없다. 곡선형 표면을 수용하기 위해, 레그들은 다팅되어야 한다. 즉, 레그를 변화된 호 길이에 맞도록 하기 위해 레그들은 절단(cut)되거나 또는 불연속 섬유를 가져야 한다.

전형적으로, 곡률의 국부화된 반경을 따라 절단하지만, 길이 변화를 수용하기 위해 다른 비방사상(non-radial) 절단이 또한 사용될 수 있다. 곡선형 예비성형체 안쪽 상에서 감소된 길이를 허용하기 위해, 레그는 절단되고, 절단된 에지들이 겹쳐지도록 되거나 또는 과량의 재료가 제거된다. 유사하게, 곡률 바깥쪽 상에서 증가된 길이를 수용하기 위해, 레그는 절단되어, 레그의 절단된 에지들 사이에 삼각형 틈(gap)이 생기게 한다. 어떤 구조에서든, 다팅은 각각의 레그에서 보강 섬유의 연속성을 깨뜨린다. 다팅은 곡선 둘레에 주요한 하중 경로를 제공하는 섬유를 절단하는 것을 수반하기 때문에, 3D T- 또는 Π-예비성형체의 레그들을 다팅하는 것은 예비성형체의 하중 전달 능력을 저하시킬 수 있다.

곡선형 예비성형체의 형성 방법은 직기로부터 전진하는 예비성형체 직물의 섬유에 맞물림 클램프들(mating clamps)의 적어도 하나의 세트를 적용하는 단계를 포함하며, 상기 맞물림 클램프들의 적어도 하나의 쌍은 이들 사이에 예비성형체 직물의 적어도 일부분을 포획한다. 클램프들의 적어도 하나의 세트는 직기로부터 전진하는 섬유의 적어도 일부를 끌어당김(pulling)으로써 섬유의 길이를 증가시키도록 하는 기하학적 구조를 갖는다. 예비성형체 직물은 곡선으로 형상화된다. 그리고 섬유는 직물의 길이를 따라 연속적이다. 일부 구현예에서, 섬유의 길이는 곡선의 안쪽에서보다 곡선의 바깥쪽에서 더 크다. 다른 구현예에서, 섬유의 길이는 곡선의 안쪽에서보다 곡선의 바깥쪽에서 더 짧다.

일 구현예에서, 맞물림 클램프들의 각각의 세트는 한 쌍의 클램프들이다. 또 다른 구현예에서, 맞물림 클램프들의 각각의 세트는 적어도 3개의 클램프들이다. 맞물림 클램프들은 상부 클램프 부분 및 하부 클램프 부분을 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 하부 클램프 부분은 적어도 2개의 맞물림 부분들을 포함한다.

특정 구현예에서, 예비성형체 직물에 적용되는 맞물림 클램프들의 적어도 2개의 세트가 있다. 맞물림 클램프들의 각각의 세트에 힘을 가하여 이들 사이에 예비성형체 직물을 압축한다. 인접한 맞물림 클램프들은 서로에 맞물릴 수 있다. 맞물림 클램프들의 2개 이상의 세트가 예비성형체 직물의 분리된 위치에 배치되어, 상기 분리된 위치 각각에서 섬유의 길이를 증가시키지만 다른 위치에서는 증가시키지 않을 수 있다.

다른 구현예에서, 곡선형 제직 예비성형체가 본원에 기술되며, 예를 들어, 상기 곡선형 제직 예비성형체는 복수의 위사 섬유 및 복수의 경사 섬유를 포함하며, 상기 복수의 경사 섬유는 상기 복수의 위사 섬유와 교직되어 상기 예비성형체의 베이스를 형성하고, 상기 예비성형체의 베이스는 곡선형이며, 상기 예비성형체의 길이에 걸쳐서 경사 섬유는 연속적이며, 경사 섬유의 일부는 다른 경사 섬유보다 더 길다.

특정 구현예에서, 제직 예비성형체의 곡률은 볼록하며, 경사 섬유의 길이는 예비성형체의 곡선의 안쪽을 향해서보다 예비성형체의 곡선의 바깥쪽을 향해 더 크다. 추가 구현예에서, 예비성형체는, 베이스와 일체형으로 제직되며 베이스의 길이를 따라 곡선형인 적어도 하나의 레그를 포함하며, 적어도 하나의 레그를 형성하는 경사 섬유는 적어도 하나의 레그의 안쪽 곡선을 향해서보다 적어도 하나의 레그의 바깥쪽 곡선을 향해 더 크다.

다른 구현예에서, 제직 예비성형체의 곡률은 오목하며, 경사 섬유의 길이는 예비성형체의 곡선의 안쪽을 향해서보다 예비성형체의 곡선의 바깥쪽을 향해 더 짧다. 추가 구현예에서, 예비성형체는, 베이스와 일체형으로 제직되며 베이스의 길이를 따라 곡선형인 적어도 하나의 레그를 포함하며, 적어도 하나의 레그를 형성하는 경사 섬유는 적어도 하나의 레그의 안쪽 곡선을 향해서보다 적어도 하나의 레그의 바깥쪽 곡선을 향해 더 짧다.

본 발명은 또한, 하부 클램프와 맞물림가능한 상부 클램프와 같은 클램프들에 관한 것이며, 여기서 상부 클램프는 하부 클램프와 맞물리기 위한 상보적인 형상을 가지며, 상기 상부 클램프 및 상기 하부 클램프 사이에 직물을 수용하도록 구성된다. 또 다른 구현예에서, 본 발명은 블레이드 부분을 갖는 상부 클램프 및 상부 부분과 분리가능하며 맞물림가능한 하부 클램프에 관한 것이며, 상기 하부 클램프는 하부 클램프 제1 부분 및 하부 클램프 제2 부분을 갖고, 상기 하부 클램프 제1 부분 및 제2 부분은 이들 사이에 틈을 가져, 상부 및 하부 클램프들이 함께 맞물리는 경우 상부 클램프의 블레이드 부분이 상기 틈 내로 들어가도록 한다.

또 다른 구현예에서, 본 발명은 2개 이상의 클램프들을 포함하는 형상화 클램프 시스템(shaping clamp system)에 관한 것이며, 각각의 상기 클램프는 상부 클램프 부분 및 하부 클램프 부분 및 일체형 연결 부분(integral connecting portion)을 갖고, 여기서 2개 이상의 클램프들은 상기 연결 부분에 의해 서로에 연결가능하며, 이들 사이에 직물을 수용하도록 구성된다. 특정 구현예에서, 본 발명은 2개 이상의 클램프들을 포함하는 형상화 클램프 시스템에 관한 것이며, 각각의 상기 클램프는 블레이드 부분을 갖는 상부 클램프 부분 및 하부 클램프 부분을 갖고, 각각의 상기 클램프는 일체형 연결 부분을 포함하며, 여기서 각각의 하부 클램프는 각각의 상부 클램프와 분리가능하며 맞물림가능하고, 하부 클램프는 하부 클램프 제1 부분 및 하부 클램프 제2 부분을 가지며, 상부 클램프 및 하부 클램프가 함께 맞물리는 경우 블레이드 부분을 수용하도록 상기 하부 클램프 제1 부분 및 상기 하부 클램프 제2 부분 사이에 틈을 갖고, 2개 이상의 클램프들은 상기 연결 부분에 의해 서로에 연결가능하며, 이들 사이에 직물을 수용하도록 구성된다.

본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해 포함되는 첨부 도면은 본 명세서에 통합되며, 본 명세서의 부분을 구성한다. 본원에 제시된 도면은 본 발명의 상이한 구현예들을 예시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서,
도 1a 내지 1c는, 제직되어 최종 형상으로 접힌 상태의 T-예비성형체의 예를 예시한다.
도 2a 내지 2b는 곡선형 T-예비성형체의 예를 예시한다.
도 3은 예비성형체의 뿌리부분(root)와 비교하여 예비성형체의 선단(tip)에서 섬유의 길이를 증가시키기 위한 클램프 기하학적 구조의 예를 예시한다.
도 4a 내지 4b는 직물 폭 에지들 사이에 길이가 늘어난 섬유를 갖는 직물을 예시한다.
도 5는 섬유의 길이를 증가시키기 위해 예비성형체 직물에 맞물림 클램프들의 쌍을 적용하는 것을 예시한다.
도 6은 예비성형체 직물의 섬유의 길이를 늘리기 위한 클램프의 또 다른 구현예를 예시한다.
도 7a 내지 7b는 도 6의 클램프의 적용을 예시한다.
도 8a 내지 8e는 형성될 수 있는 복합 기하학적 구조(complex geometry)를 갖는 예비성형체의 예들을 예시한다.
도 9는 형성될 수 있는 O 예비성형체의 예를 예시한다.
도 10은 본 발명에 따른 클램프 설계의 예를 예시한다.

본 개시에서 용어 "포함하는(comprising)" 및 "포함하다(comprise)"는 "포함하는(including)" 및 "포함하다(include)"를 의미할 수 있거나, 또는 미국 특허법에서 용어 "포함하는(comprising)" 또는 "포함하다(comprise)"에 통상적으로 주어진 의미를 가질 수 있다. 용어 "~로 본질적으로 이루어지는" 또는 "~로 본질적으로 이루어지다"는 청구범위에 사용되는 경우, 미국 특허법에서 이들에 부여된 의미를 갖는다. 본 발명의 다른 측면들은 하기 개시에 기술되어 있거나 또는 하기 개시로부터 (및 본 발명의 영역 내에서) 자명하다.

용어 "실(thread)", "섬유", "토우(tow)" 및 "사(yarn)"는 하기 설명에서 상호교환가능하게 사용된다. 본원에 사용된 "실", "섬유", "토우" 및 "사"는 모노필라멘트, 멀티필라멘트사(multifilament yarn), 가연사(twisted yarn), 멀티필라멘트 토우, 텍스쳐사(textured yarn), 조물 토우(braided tows), 코팅사(coated yarn), 2성분사, 뿐만 아니라 당업계의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 임의의 재료의 연신 파단 섬유(stretch broken fiber)로부터 제조된 사를 지칭할 수 있다. "사"는 탄소, 나일론, 레이온, 유리 섬유, 면(cotton), 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르, 금속, 폴리에틸렌, 유리, 및/또는 목적하는 물리적, 열적, 화학적 또는 다른 성질을 나타내는 다른 재료로 제조될 수 있다.

용어 "접힌"은 본원에서 "형성하는"을 의미하도록 광범위하게 사용되며, 펼침(unfolding), 굽힘(bending), 및 직물의 형상을 조작하기 위한 다른 이러한 용어를 포함한다.

본 발명, 이의 사용에 의해 달성되는 이의 이점 및 목적을 보다 잘 이해하기 위해, 첨부되는 설명 사항을 참조하며, 이에는 본 발명의 비제한적인 구현예들이 첨부 도면에 예시되고, 이 도면에서 상응하는 성분들은 동일한 참조 번호에 의해 확인된다.

종래의 직선형 직기 테이크업(straight loom take-up) 상에서 연속 섬유의 곡선형 예비성형체를 생성하기 위한 방법이 개시된다. 기계 제직된 직물은, 완성된 직물을 전진시키고 수집하기 위한 방법과 결합된 제직 메커니즘을 포함하는 직기를 사용하여 생성된다. "직선형 테이크업(straight take-up)"은, 직물이 개별적인 예비성형체(discrete preform)를 제직하도록 적합화된 짧은 길이로 경사 또는 기계 방향 (MD)에서 수집되는 것을 의미한다.

직선형 테이크업으로 제직된 전형적인 형상은 다양한 응용분야에서 구조적 보강 부재로서 사용되는 Π형 또는 T형 예비성형체를 포함한다. 경사 및 위사 방향 둘 모두에서 연속 섬유로 제조되는 이들 형상은 경사 또는 테이크업 방향에서 소정의 기하학적 구조 또는 곡선형 형상으로 형성되기에 어려울 수 있다.

예로서, 도 1a 내지 1c는 T-예비성형체 직물(100)로부터 T-예비성형체를 형성하는 단순화된 버전을 예시한다. 경사 및 위사 섬유는 직기(106)에서 교직되며, 이는 점선에 의해 예시된다. T-예비성형체 직물이 제직될 때, 직물은 완성된 직물을 수용하기 위한 테이크업 롤 (미도시됨)을 향해 방향 A에서 전진한다. 이미 형성되었지만 테이크업 롤 상에 아직 감아올려지지 않은 직물의 부분은 "펠(fell)"(108)로 지칭된다.

T-예비성형체 직물은 베이스 부분들(102a, 102b) 및 레그 부분(104)을 포함한다. 레그 부분(104)의 뿌리부분(110)은 베이스 부분들(102a, 102b)과 교직될 수 있다. 베이스 부분들(102a, 102b)은 이들의 교차부분(114)에서 교직되지 않으며, 레그 부분(104)의 나머지는 이들의 교차부분(110) 이외의 베이스 부분들과 교직되지 않는다. T-예비성형체 직물(100)은 테이크업 롤을 향해 그리고 이것 쪽으로 제직되며 전진한다. 목적하는 길이 L의 T-예비성형체 직물이 제직되면, 직기로부터 상기 직물이 제거될 수 있다. 베이스 부분들(102a, 102b) 및 레그 부분(104)은 접혀서 T-예비성형체(120)를 형성할 수 있다.

Π, H, O 및 I를 포함하나 이에 제한되지 않는 다른 예비성형체 형상은 당업계의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 바와 같이 제직되어 이들의 최종 형태로 접힐 수 있다. 예비성형체들 중 임의의 것은 매트릭스 재료로 함침되어 복합재를 형성할 수 있다.

도 2a는 곡선형 예비성형체의 예를 예시한다. 논의의 목적을 위해, 도 2a 및 다른 도면에 예시된 곡선은 "볼록한" 것으로서 지칭된다. 따라서, 상기 예는 볼록한 T형 예비성형체의 것이지만, Π, H, O 및 I를 포함하나 이에 제한되지 않는 다른 예비성형체도 고려된다. 도 1의 직물과 유사하게, T-예비성형체 직물은 베이스 부분들(202a, 202b) 및 레그 부분(204)을 포함한다. 베이스 부분들(202a, 202b) 및 레그 부분(204)은 접혀서 T-예비성형체(220)를 형성한다.

베이스 부분들(202a, 202b) 및 레그 부분(204)은 경사 섬유(222)로부터 제직된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 경사 방향에서의 경사 섬유(222)의 길이 L2는, 곡선형 T-예비성형체의 바깥쪽 또는 선단(224)을 향해서보다 곡선형 T-예비성형체의 안쪽 또는 뿌리부분(226)을 향해 더 짧다. 따라서, 도 1에서와 같이 제직된 예비성형체를 곡선형으로 하기 위해, 경사 방향에서의 섬유 길이는 곡선형 예비성형체의 뿌리부분에서보다 곡선형 예비성형체의 선단에서 더 커야 한다.

곡선형 예비성형체는 당업계에 공지되어 있지만, 이러한 선행기술의 예비성형체는 예비성형체가 연신되거나 또는 곡선형으로 할 수 있도록 곡률의 안쪽을 향해서와 비교하여 곡률의 바깥쪽을 향해 예비성형체의 추가적인 길이를 제공하기 위해 섬유를 절단시키거나 또는 불연속 짧은 섬유, 예컨대 연신 파단 섬유로 길이를 이루게 하는 것을 요구하였다. 추가적인 길이를 제공하는 것에서 섬유의 절단 및/또는 섬유의 불연속성으로 인하여 예비성형체의 강도가 손실되는 약화가 발생한다.

대조적으로, 본 개시는, 추가적인 길이의 섬유를 가져 완성된 구조체가 곡선형으로 될 수 있으며 곡률 방향에서 연속 섬유 보강재를 갖는 예비성형체 및 상기 예비성형체의 제직 방법을 제공한다. 연속 섬유는 불연속 섬유보다 더 큰 예비성형체 강도를 제공한다. "연속 섬유"는 직물의 전체 길이를 따라 중단이 없는 섬유이다. 본 개시의 구현예에서, 직물의 섬유는 예비성형체의 곡률 방향에서 연속적이며, 직물의 폭에 걸쳐서 변화하는 길이를 가질 수 있다. 예비성형체 직물 폭에 걸쳐서 변화하는 길이는, 곡선형 부분을 형성하기 위해 섬유를 절단하거나 또는 불연속적 섬유를 갖지 않으면서 직물의 길이에 곡선형 부분을 형성할 수 있게 한다.

본 개시의 목적을 위해, 예비성형체의 곡률 방향은 직물의 경사 또는 기계 방향 (MD)을 따르는 것으로 가정될 것이다. 그러나, 오직 위사 또는 교차 기계 방향 (cross-machine direction; CD)에서 또는 경사 방향과 조합된 방향에서 직물의 곡률을 달성하기 위해 상기 개시된 기술이 사용될 수 있음이 고려된다.

이 곡률을 생성하기 위해, 본 개시의 구현예에 따르면, 직립 레그(204)에서의 섬유의 길이는, 직물이 직기에서 나올 때 하나 이상의 클램프들을 직물에 적용함으로써 예비성형체 레그의 안쪽 뿌리부분(226)보다 예비성형체 직립 레그의 바깥쪽 선단(224)을 향해 더 길어지게 된다. 클램프들은 천(cloth)의 펠에서 적용될 수 있다. 클램프들의 형상은, 예비성형체가 목적하는 형상으로 형성될 때 예비성형체의 곡률을 가능하게 하도록 섬유의 길이 증가를 수용하기 위해 예비성형체 내로 추가적인 섬유 길이를 끌어들이도록 설계된다.

본 발명의 구현예에서, 각각의 클램프는 직기에서 나오는 경사 섬유의 길이를 점진적으로 증가시킨다. 도 10에 도시된 클램프에서, 예를 들어, 예비성형체 곡률 안쪽의 더 짧은 반경 (Ri) 대비 예비성형체 곡률 바깥쪽의 더 긴 반경 (Ro)을 수용하기 위해, 클램프는, 각각의 클램프 세그먼트가 직기에서 나오는 경사 섬유에 적용될 때, 예비성형체 곡률의 안쪽 상의 경사 섬유의 생성된 길이 (Wi)가 예비성형체 곡률의 바깥쪽 상의 경사 섬유의 생성된 길이 (Wo)보다 더 짧도록 설계된다. 결과적으로 섬유 길이 Wo 및 Wi의 차이가 나타난다.

예비성형체 직물은 도 8c, 8d 및 8e의 예에 예시된 바와 같이 오목하게 제조될 수 있다는 것이 고려된다. 베이스 부분들(802a, 802b)을 갖는 도 8d와 같은 오목한 예비성형체 직물의 구현예에서, 직립 레그들(804)을 형성하는 경사 섬유의 길이는 볼록한 예비성형체 직물의 것과 반대일 것이다. 즉, 직립 레그들(804)에서의 섬유의 길이는 예비성형체 레그의 안쪽 뿌리부분(826)을 향해서보다 예비성형체 직립 레그의 바깥쪽 선단(824)을 향해 더 짧다. 당업계의 통상의 기술자는, 요구되는 곡률을 형성할 수 있도록 하기 위한, 예비성형체 길이에 걸쳐서 섬유의 필요한 길이를 최종 예비성형체 형상의 기하학적 구조가 결정한다는 일반적인 이해를 인식할 것이다. 직물의 길이에 걸쳐서 연속적이도록 섬유의 길이를 변경시키는 것은, 본 개시에 따라 예비성형체 직물을 형성하는 것을 선행기술의 곡선형 예비성형체의 길이에 걸쳐서 불연속 섬유와 구별되게 한다.

도 3은 클램프 요소(300)의 일 예를 예시한다. 클램프(300)는 직기를 빠져나오는 예비성형체 직물에 적용된다. 클램프는, 클램프 뿌리부분 단부(326)가 직립 레그의 뿌리부분 단부에 적용되고 클램프 선단 단부(324)가 직립 레그의 선단 단부에 적용되도록 예비성형체 직물 상에 배향된다. 도 1 및 2에서와 같이 볼록한 곡률의 경우, T-예비성형체 직립 레그의 뿌리부분 단부는 곡선형 예비성형체에서 섬유의 가장 짧은 길이를 갖기 때문에, 클램프 뿌리부분 단부는 섬유의 길이를 증가시키지 않는 직선형이다. 클램프 선단 단부는 볼록한 곡률의 예비성형체 직물 섬유의 길이를 늘리기 위한 기하학적 구조 또는 형상을 갖는다. 즉, 클램프의 기하학적 구조는, 추가적인 섬유 테이크업 길이가 직기로부터 끌어당겨져 클램프 뿌리부분 단부를 향해서보다 클램프 선단 단부를 향해 가로질러 횡단하도록 한다. 직립 레그(들)를 갖는 볼록한 예비성형체의 선단 단부가 곡선형 예비성형체에서 가장 긴 섬유를 갖기 때문에 상기 기하학적 구조는 클램프 선단 단부에서 더 돌출되어 있다(pronounced) (이는 더 큰 섬유 테이크업 길이가 직기로부터 끌어당겨지게 함). 섬유의 길이가 곡선형 예비성형체의 뿌리부분을 향해 더 짧아지기 때문에 클램프의 기하학적 구조는 클램프 뿌리부분 단부를 향해 감소된다. 이러한 방식으로, 섬유는 곡선형 예비성형체 직물 직립 레그의 선단에서 가장 길고, 뿌리부분에서 가장 짧다. 물론, 클램프의 기하학적 구조는 오목한 곡률을 갖는 예비성형체의 직립 레그에 대해서는 반전된다.

클램프들은 전형적으로 예비성형체 직물 상에 세트로 조립된다. 클램프들의 각각의 세트는 맞물림 기하학적 구조를 갖는 2개 이상의 클램프들을 포함한다. 세트의 클램프들 사이에 예비성형체 직물을 샌드위칭하는 클램핑 동작은 직기를 통해 추가적인 섬유 테이크업 길이를 끌어당긴다. 클램프 세트 기하학적 구조는, 볼록한 곡률을 갖는 예비성형체의 경우 테이크업 길이가 직립 레그(들)의 뿌리부분 (예비성형체의 안쪽 곡선)로부터 선단 (예비성형체의 바깥쪽 곡선)으로 증가하도록 테이퍼링된다 (오목한 곡률을 갖는 예비성형체의 경우, 반전된 클램프 기하학적 구조). 섬유 길이의 증가는, 예비성형체 직물을 곡선형 예비성형체 전체에 걸쳐 섬유의 연속 길이를 갖는 도 2의 곡선형 예비성형체로 형성하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예비성형체의 곡률은 섬유의 연속 길이로 달성되며, 섬유의 절단 또는 짧아진 섬유, 예컨대 연신 파단 섬유에 의해 약화되지 않는다.

도 3에 도시된 클램프의 기하학적 구조는 오직 예시적인 목적을 위한 것이다. 설계 고려사항은 클램프들에 대해 선택되는 특정한 기하학적 구조를 결정할 것이다. 또한, 클램프들의 기하학적 구조는 예비성형체의 길이에 걸쳐 예비성형체 직물의 대안적인 윤곽 또는 곡률을 제공하도록 예비성형체의 길이에 걸쳐 달라질 수 있다.

도 4a는, 클램프 기하학적 구조가 직물의 폭을 따라 어느 곳에서든 섬유 길이의 늘어남을 제공하도록 배열된 직물을 예시한다. 즉, 섬유는 직물의 폭 에지들 사이에서 길이가 늘어나 직물의 폭에 걸쳐서 곡률을 유발할 수 있다. 일 구현예에서, 클램프 세트들은 직물의 중앙을 향해 섬유의 길이의 늘어남을 유발하도록 배열된다. 일 구현예에서, 예비성형체 직물은 경사 방향의 중간에서 절단되어, 곡률의 길이를 따라 연속 섬유를 갖는 2개의 곡선형 예비성형체를 생성할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 이 구현예에서, 예비성형체 직물의 평면에서 곡률이 배열된다. 클램프 기하학적 구조는 또한 다층 직물에서 섬유 길이의 늘어남을 유발하도록 이루어질 수 있다는 것이 고려된다. 층들 중 일부는 예비성형체 직물의 평면 또는 베이스로부터, 예비성형체 직물의 평면의 곡률을 따르며 도 2에 도시되어 있는 하나 이상의 직립 레그들로 접힐 수 있다.

도 5는, 클램프들의 세트가 직물이 직기(506)를 빠져나갈 때 예비성형체 직물(504) 상에 조립된 한 쌍의 맞물림 클램프들(502a, 502b)인 구현예를 예시한다. 이들 클램프들은 제직 공정 전체에 걸쳐 제자리에 파지되어, 맞물림 클램프들에 가해진 힘 F에 의해 상기 클램프들 사이에 예비성형체 직물을 압축할 수 있으며, 예비성형체의 길이를 따라 연속 섬유의 길이를 변화시킬 수 있다. 클램프 쌍들을 함께 파지하는 힘은, 나사 및 너트, 스프링 등을 포함하나 이에 제한되지 않는, 당업계의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 임의의 방식으로 달성될 수 있다. 일 구현예에서, 인접한 클램프 쌍들, 예컨대 (508, 510)은 서로에 조립될 수 있다.

도 6은, 클램프들의 세트(600)가 예비성형체 직물에 적용되는 경우 섬유의 길이를 늘리도록 교차되도록 배열된 구현예를 예시한다. 클램프들의 세트(600)는 블레이드 부분(608)을 갖는 상부 클램프(602)를 포함한다. 하부 클램프(610)는, 블레이드 부분(608)을 수용하도록 이들 사이에 틈(612)을 갖는 부분들(604, 606)을 갖는다. 하부 클램프(610)는 하나의 조각 또는 부착된 개별 조각들(attached separate pieces)일 수 있다. 개별 조각들의 경우, 클램프 세트(600)는 상부 클램프(602) 및 하부 클램프들(604, 606)을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 클램프 세트(600)에 대해 개별 조각들의 이점은, 상기 조각들 각각이 기계적으로 동일하여 부품의 제조 및 저장 비용을 감소시킬 수 있다는 점이다. 또한, 하부 클램프들(604, 606) 사이의 틈(612)은 상이한 예비성형체 직물 두께를 수용하도록 달라질 수 있다.

도 7a 내지 7b는 함께 집합된 클램프들의 세트(600)를 예시한다. 도 7a에서, 상부 클램프(602)는 예비성형체 직물 (명확성을 위해 미도시됨)의 상부 상에 배열되며, 하부 클램프(610)는 예비성형체 직물의 아래에 배열된다. 상부 및 하부 클램프들은 거리(702)에 의해 분리되어, 상부 클램프의 블레이드(608)가 하부 클램프에서의 틈(612)으로 들어가지 않도록 한다.

볼록한 예비성형체의 경우 블레이드 부분은, 적용되는 경우 직물 섬유의 길이의 늘어남을 유발하도록 하는 기하학적 구조를 갖는다. 구현예에서, 블레이드 부분은 블레이드 부분의 단부(706)를 향해서보다 중앙(704)을 향해 더 돌출되어 있거나 또는 더 크다. 즉, 블레이드 부분은, 예비성형체 직물의 섬유가 블레이드의 단부 주위보다 블레이드의 더 돌출된 중앙을 향해 거리를 횡단하도록 더 길어지도록 형상화된다. 상기 논의된 바와 같이, 블레이드 부분의 기하학적 구조는 오목한 예비성형체에 대해서는 반대가 되어, 예비성형체 직물이 블레이드의 단부 주위보다 블레이드의 덜 돌출된 중앙을 향해 거리를 횡단하도록 더 짧아질 것이다.

힘(F)을 가하여 상부 및 하부 클램프들이 함께 하도록 한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 거리(702)는 좁아져, 블레이드 부분(608)이 하부 클램프에서의 틈(612)으로 들어간다. 거리(702)는, 블레이드 부분 및 상부 및 하부 클램프들의 교차부분을 돌아서 예비성형체 직물이 통과하는 것을 가능하게 하도록 필요에 따라 조정된다. 블레이드 부분(608)은, 예비성형체 직물의 섬유가 블레이드의 단부 주위보다 블레이드의 더 돌출된 중앙(704)을 향해 거리를 횡단하도록 더 길어지도록 한다.

도 2는 하나의 곡률을 갖는 직물을 낳는 예를 예시하지만, 더 복합적인 기하학적 구조를 달성하도록 다양한 클램프 세트를 설계하는 것이 가능하다. 예를 들어, 예비성형체의 길이를 따라 클램프 곡률의 진폭(amplitude)을 변화시킴으로써 타원형 형상의 예비성형체가 생성될 수 있다. 도 9에서, 본 발명에 따라 제조된 O 예비성형체(900)의 예가 도시되어 있다. 클램프 쌍들이 예비성형체 직물의 일부 부분들에 적용될 수 있으며, 다른 부분들에는 적용되지 않을 수 있는 것이 고려된다. 즉, 예비성형체 직물의 일부 영역에서 추가적인 섬유 길이가 직기로부터 끌어당겨질 수 있으며, 예비성형체 직물의 다른 영역에서는 그러지 않을 수 있다. 이러한 방식으로, 곡선형 부분들 및 직선형 부분들을 갖는 예비성형체의 복합 기하학적 구조가 형성될 수 있다. 이러한 복합 형상의 예비성형체의 일부 예는 도 8에 예시되어 있다.

요구되는 직물 길이가 제직되고, 예비성형체 직물이 직기로부터 제거되면, 임의의 남아있는 클램프들은 제거될 수 있으며, 예비성형체 직물은 최종 구조(configuration)로 형상화될 수 있다. 상기 구현예 중 임의의 구현예에서, 최종 구조는 매트릭스 재료로 함침될 수 있다. 매트릭스 재료는 에폭시, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐-에스테르, 세라믹, 탄소 및 당업계의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 다른 재료를 포함한다.

다른 구현예들은 하기 청구범위 내에 있다.

Claims (19)

1. 곡선형 예비성형체(curved preform)의 형성 방법으로서, 상기 형성 방법은
   맞물림 클램프들(mating clamps)의 적어도 하나의 세트를 직기로부터 전진하는 예비성형체 직물의 섬유에 적용하는 단계로서, 상기 맞물림 클램프들의 적어도 하나의 쌍은 이들 사이에 상기 예비성형체 직물의 적어도 일부분을 포획하고, 상기 맞물림 클램프들의 적어도 하나의 세트는, 상기 직기로부터 전진하는 상기 섬유의 적어도 일부를 끌어당김(pulling)으로써 상기 섬유의 길이 증가를 유발하도록 하는 기하학적 구조를 갖는, 단계; 및
   상기 예비성형체를 곡선으로 형상화하는 단계를 포함하며,
   상기 섬유는 상기 예비성형체 직물의 길이를 따라 연속적인, 형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 예비성형체 직물에 적용되는 상기 맞물림 클램프들의 적어도 2개의 세트가 있으며, 상기 맞물림 클램프들은 이들 사이에 직물을 수용하도록 구성된, 형성 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 맞물림 클램프들의 각각의 세트에 힘을 가하여 이들 사이에 상기 예비성형체 직물을 압축하는 단계를 포함하는 형성 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유의 길이 증가가 경사 방향에서 일어나는, 형성 방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 단계를 포함하는 형성 방법:
   상기 맞물림 클램프들의 상기 적어도 2개의 세트를 서로에 인접하게 배치하는 단계; 및
   상기 맞물림 클램프들의 상기 적어도 2개의 세트를 서로에 연결하는 단계.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 맞물림 클램프들의 2개 이상의 세트를 상기 직물의 분리된 위치(separate locations)에 배열하여, 상기 분리된 위치 각각에서 경사 방향 섬유의 길이를 증가시키지만 다른 위치에서는 증가시키지 않는 단계를 포함하는 형성 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 맞물림 클램프들의 각각의 세트가 상부 클램프 부분 및 하부 클램프 부분을 포함하는, 형성 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 하부 클램프 부분이 2개의 맞물림 부분인, 형성 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유의 길이가 상기 곡선의 안쪽에서보다 상기 곡선의 바깥쪽에서 더 큰, 형성 방법.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유의 길이가 상기 곡선의 안쪽에서보다 상기 곡선의 바깥쪽에서 더 짧은, 형성 방법.
11. 곡선형 제직 예비성형체(curved woven preform)로서, 상기 곡선형 제직 예비성형체는
    복수의 위사 섬유;
    상기 복수의 위사 섬유와 교직되어 상기 곡선형 제직 예비성형체의 베이스를 형성하는 복수의 경사 섬유를 포함하며;
    상기 곡선형 제직 예비성형체의 상기 베이스는 곡선형이며, 상기 곡선형 제직 예비성형체의 길이에 걸쳐서 상기 경사 섬유는 연속적이며, 상기 경사 섬유의 일부는 다른 경사 섬유보다 더 긴, 곡선형 제직 예비성형체.
12. 제11항에 있어서, 상기 곡선형 제직 예비성형체의 곡률이 볼록하며, 상기 경사 섬유의 길이는 상기 곡선형 제직 예비성형체의 상기 곡선의 안쪽을 향해서보다 상기 곡선형 제직 예비성형체의 상기 곡선의 바깥쪽을 향해 더 큰, 곡선형 제직 예비성형체.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 베이스와 일체형으로 제직되며 상기 베이스의 길이를 따라 곡선형인 적어도 하나의 레그(leg)를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 레그를 형성하는 경사 섬유는 상기 적어도 하나의 레그의 안쪽 곡선을 향해서보다 상기 적어도 하나의 레그의 바깥쪽 곡선을 향해 더 큰, 곡선형 제직 예비성형체.
14. 제11항에 있어서, 상기 곡선형 제직 예비성형체의 곡률이 오목하며, 상기 경사 섬유의 길이는 상기 곡선형 제직 예비성형체의 상기 곡선의 안쪽을 향해서보다 상기 곡선형 제직 예비성형체의 상기 곡선의 바깥쪽을 향해 더 짧은, 곡선형 제직 예비성형체.
15. 제11항 또는 제14항에 있어서,
    상기 베이스와 일체형으로 제직되며 상기 베이스의 길이를 따라 곡선형인 적어도 하나의 레그를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 레그를 형성하는 경사 섬유는 상기 적어도 하나의 레그의 안쪽 곡선을 향해서보다 상기 적어도 하나의 레그의 바깥쪽 곡선을 향해 더 짧은, 곡선형 제직 예비성형체.
16. 클램프로서, 상기 클램프는
    상부 클램프; 및
    상기 상부 클램프와 맞물림가능한 하부 클램프를 포함하며,
    상기 상부 클램프는 상기 하부 클램프와 맞물리기 위한 상보적인 형상을 가지며, 상기 상부 클램프 및 상기 하부 클램프 사이에 직물을 수용하도록 구성되는, 클램프.
17. 형상화 클램프 시스템(shaping clamp system)으로서, 상기 형상화 클램프 시스템은
    2개 이상의 클램프들을 포함하며, 각각의 상기 클램프는 상부 클램프 부분 및 하부 클램프 부분 및 일체형 연결 부분(integral connecting portion)을 갖고,
    상기 2개 이상의 클램프들은 상기 일체형 연결 부분에 의해 서로에 연결가능하며, 이들 사이에 직물을 수용하도록 구성되는, 형상화 클램프 시스템.
18. 클램프로서, 상기 클램프는
    블레이드 부분을 갖는 상부 클램프; 및
    상기 상부 클램프와 분리가능하며 맞물림가능한 하부 클램프로서, 하부 클램프 제1 부분 및 하부 클램프 제2 부분을 갖는 하부 클램프를 포함하며,
    상기 하부 클램프 제1 부분 및 제2 부분은 이들 사이에 틈(gap)을 가져, 상기 상부 클램프 및 하부 클램프가 함께 맞물리는 경우 상기 상부 클램프의 상기 블레이드 부분이 상기 틈으로 들어가도록 하는, 클램프.
19. 형상화 클램프 시스템으로서, 상기 형상화 클램프 시스템은
    2개 이상의 클램프들을 포함하며, 각각의 상기 클램프는 블레이드 부분을 갖는 상부 클램프 부분 및 하부 클램프 부분을 갖고, 각각의 상기 클램프는 일체형 연결 부분을 포함하고,
    각각의 상기 하부 클램프는 각각의 상기 상부 클램프와 분리가능하며 맞물림가능하고, 상기 하부 클램프는 하부 클램프 제1 부분 및 하부 클램프 제2 부분을 가지며, 상기 상부 클램프 및 상기 하부 클램프가 함께 맞물리는 경우 상기 하부 클램프 제1 부분 및 상기 하부 클램프 제2 부분 사이에 상기 블레이드 부분을 수용하는 틈을 갖고,
    상기 2개 이상의 클램프들은 상기 일체형 연결 부분에 의해 서로에 연결가능하고, 상기 클램프들 사이에 직물을 수용하도록 구성되는, 형상화 클램프 시스템.

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