KR20220039711A - 연속 섬유 강화 복합 부품의 제조 방법 및 제조 시스템 - Google Patents

연속 섬유 강화 복합 부품의 제조 방법 및 제조 시스템 Download PDF

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KR20220039711A
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크리스티앙 메츠너
볼프강 마크운체
마르크 크레스첸티
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에어버스 디펜스 앤드 스페이스 게엠베하
푼다시오 유레카트
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Abstract

저비용 도구 및 공정으로 완전한 하중 적응형 3D 섬유 강화체를 구비하는 복함 재료 부품을 제작하기 위하여 본 발명은 연속 섬유 강화체를 구비하는 복합 재료(12)로 만들어지는 부품(10)을 제작하는 방법을 제공하는데, 그 방법은, a) 관형 캐비티(18)가 있는 몸체부로서 제1 폴리머 소재(22)로 만들어지는 적어도 하나의 제1 부분 및 제2 폴리머 소재(26)로 만들어지는 적어도 하나의 제2 부분(24)을 포함하는 몸체부(16)를 제공하는 단계와; b) 관형 캐비티(18)에 수지 및 연속 섬유(28)를 도입하는 단계와; c) 제2 폴리머 소재(26)의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

연속 섬유 강화 복합 부품의 제조 방법 및 제조 시스템
본 발명은, 연속 섬유 강화체(continuous fiber reinforcement)를 구비하는 복합 재료로 만들어지는 부품을 제작하는 제작 방법에 대한 것이다. 또한, 본 발명은, 연속 섬유 강화체를 구비하는 복합 재료로 만들어지는 부품을 제작하는 제작 시스템에 대한 것이기도 하다.
3D 강화 복합 구조물은, 도심형 항공 운송수단(Urban Air Vehicle), 위성체, 고고도 플랫폼 시스템(HAPS; High Altitude Platform System), NGWS/FCAS(Next Generation Weapon System within a Future Combat Air System), 드론 또는 기타 운송 수단 등의 차량 및 비행체와 같은 모든 미래 구조물의 적용에 더욱 많이 관련되고 있다. 특히, 하중 적응형 3D 강화 복합 구조물은 하중이 인가되는 경량 구조물에 일반적으로 적용 가능하다.
3D 강화 복합 구조물은, 소규모 생산에 적용 가능한, 전체 강화 복합 부품의 복합 3D 프린팅(composite 3D printing)에 의해 획득될 수 있다. 대규모 일련 생산(series production)에 대해서는, 제작 도구에 더 많은 투자를 함으로써 열굽힘(thermobending) 및 오버몰딩(overmoulding)에 의한 제작이 적용될 수 있다.
유럽특허출원공개 EP 3 231 592 A1에는 복합 재료로 부품을 제작하는 방법이 개시되어 있는데, 부품은 몸체부와 그 내측에 제공되는 하나 이상의 연속 섬유 다발을 포함하며, 상기 방법은, a) 몸체부의 외측면에 제공되며 유입 오리피스를 포함하는 제1 단부와 제1 단부 반대쪽인 제2 단부 사이에서 연장하며 몸체부 내측에 제공되는 하나 이상의 관형 캐비티(tubular cavity)를 포함하는 몸체부를 획득하는 단계; b) 유입 오리피스를 통해 적어도 하나의 관형 캐비티의 안쪽으로 연속 섬유 다발과 액체 상태의 레진을 도입하는 단계; 및 c) 레진이 고형화될 때까지 경화시켜서 몸체부에 접착시키고 연속 섬유 다발을 고정하는 단계를 포함한다. 유럽특허출원공개 EP 3 231 592 A1에는 복합 재료로 만들어지는 부품을 제작하는 시스템 및 그러한 부품에도 관련된다.
본 발명의 목적은, 저렴한 도구 및 낮은 생산 비용으로, 더 많은 경량 하중 적응형 3D 강화 복합 재료 부품의 제작을 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 독립청구항에 기재된 바와 같은 복합 재료 부품을 생산하는 방법, 그 생산 시스템 및 그 방법 및 시스템을 통해 획득 가능한 복합 재료 부품을 제공한다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속 청구항의 주제(subject matter)를 형성한다.
본 발명의 한 형태에 의하면, 본 발명은, 연속 섬유 강화체를 구비하는 복합 재료로 만들어지는 부품을 제작하는 제작 방법을 제공하는데, 이 방법은, a) 관형 캐비티(tubular cavities)가 제공되며, 제1 폴리머 소재로 만들어지는 적어도 하나의 제1 부분과 제2 폴리머 소재로 만들어지는 적어도 하나의 제2 부분을 구비하는 몸체부를 제공하는 단계와; b) 관형 캐비티에 수지와 연속 섬유를 도입하는 단계와; c) 제2 폴리머 소재를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함한다.
단계 a)는, 용매에 가용성인 소재 중에서 제2 폴리머 소재를 선택하고, 이 용매에 대해서 불용성인 폴리머 소재 중에서 제1 폴리머 소재를 선택하는 a1) 단계를 포함한다.
단계 c)는, 제2 소재를 용매에 용해시키는 c1) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 c)는 적어도 하나의 제2 부분을 제거하는 c2) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 c)는 몸체부로부터 제2 소재를 모두 제거하는 c3) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는 몸체부를 적층 제조하는 a2) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는 캐비티의 개구를 정의하는 제1 부분을 구비하는 몸체부를 설계하는 a3) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는 캐비티의 곡률부를 정의하는 제1 부분을 구비하는 몸체부를 설계하는 a4) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는 연속 섬유 강화체의 접합 영역을 정의하는 제1 부분을 구비하는 몸체부를 설계하는 a5) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는, 관형 캐비티의 중간부를 정의하는 적어도 하나의 제2 부분을 구비하는 몸체부를 설계하는 a6) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는, 관형 캐비티의 직선부를 정의하는 적어도 하나의 제2 부분을 구비하는 몸체부를 설계하는 a7) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는, 상대적으로 더 큰 양의 제2 소재와 상대적으로 더 적은 양의 제1 소재를 구비하는 몸체부를 설계하는 a8) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 몸체부의 중량 대비 적어도 60%, 특히 중량 대비 70% 내지 95%가 제2 소재로 만들어진다.
바람직하게는, 단계 a)는, 서로에 대해 이격되어 있으며 적어도 하나의 제2 부분에 의해 연결되어 있는 여러 개의 제1 부분을 구비하는 몸체부를 설계하는 a9) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는, 적어도 하나의 관형 캐비티가 적어도 하나의 제1 부분과 적어도 하나의 제2 부분을 순차적으로 지나가도록 몸체부를 설계하는 a10) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 a)는, 몸체부에 금속 부재를 추가하거나 및/또는 연결하는 단계를 포함하는데, 금속 부재는 관형 캐비티의 개구 단부와 정렬되는 개구를 구비한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 액체 상태의 수지와 연속 섬유 다발을 동시에 도입하는 b1) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 압력 차이를 인가하여 압력 유체 또는 수지에 의해 점성 항력을 연속 섬유에 인가함으로써 연속 섬유를 적어도 하나의 관형 캐비티 내에 도입하는 b2) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 연속 섬유 다발에 기계적인 미는 힘을 인가하여 적어도 하나의 관형 캐비티 내에 연속 섬유 다발을 도입하는 b3) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 수지 및 연속 섬유를 순차적으로, 특히 먼저 연속 섬유를, 다음으로 액체 상태인 수지를 도입하는 b4) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 강화 섬유, 특히 탄소 섬유 및/또는 탄소 섬유 다발을 도입하는 b5) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 기능성 섬유, 특히 유리 섬유 및/또는 세라믹 섬유를 도입하는 b6) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 적어도 하나의 열 게이지 및/또는 스트레인 게이지를 형성하는 유리 섬유를 도입하는 b7) 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단계 b)는, 적어도 하나의 액츄에이터를 형성하는 세라믹 섬유를 도입하는 b8) 단계를 포함한다. 특히, 압전 특성을 가지는 섬유 구조물을 형성하는 세라믹 다발을 도입함으로써, 하나 또는 여러 개의 압전 액츄에이터가 섬유 구조물에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 단계 b)는, 관형 캐비티에 수지 및 연속 섬유를 도입한 후에 수지를 경화시키는 b9) 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 본 발명은, 복합 재료 부품을 제공하는데, 이 부품은, 전술한 실시예에 의한 제작 방법에 의해 획득 가능하다.
바람직하게는, 복합 재료 부품은, 강화 섬유 트러스 구조물로 형성된다.
본 발명의 또다른 형태에 의하면, 본 발명은, 연속 섬유 강화체를 구비하는 복합 재료로 만들어지는 부품을 제작하는 제작 시스템을 제공하는데, 이 시스템은, 적어도 용매에 불용성인 제1 소재로 만들어지는 하나의 제1 부분과 용매에 가용성인 제2 소재로 만들어지는 제2 부분 및 제1 부분과 제2 부분을 통과하는 적어도 하나의 관형 캐비티를 구비하는 몸체부를 적층 제작하는 적층 제작 장치와; 적어도 하나의 관형 캐비티에 수지 및 연속 섬유를 도입하는 수지 및 섬유 도입 장치; 및 제2 소재를 용매에 용해시키는 용해 장치를 포함한다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 본 발명은, 전술한 실시예의 방법 및/또는 제작 시스템에 의해 획득된 부품, 및/또는 전술한 복합 재료 부품을 포함하는, 운송 수단 또는 차량, 특히 유인 또는 무인 비행체 또는 위성체를 제공한다.
본 발명은, 재료 과학 분야에 관한 것이며 특히 3D 강화 복합 구조물의 제작에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의해 획득되는 구조물의 바람직한 사용례는, 도심형 비행체, 위성체, HAPS, NGWS/FCAS, 드론 등과 같은 운송 수단, 차량 및 비행체에 구조적으로 적용하는 것이다. 보다 일반적으로는, 본 발명에 의해 획득되는 부품은 하중이 인가되는 경량 구조물의 기초로서 사용된다.
본 발명에 의한 실시예는 특히, 본 명세서에 참조로 병합되는 유럽특허출원공개 EP 3 231 592 A1에 개시되고 기재되어 있는 연속 섬유 주입 공정을 사용한다. 본 발명의 실시예는, 경량 부품에서 빠진 벽돌처럼 보이고 최근까지도 제작할 수 없었던 완전한 3D 섬유 강화체를 제공한다.
본 발명의 실시예는, 3D-프린팅 가능 용해성 제작 도구에 의해서 완전한 3D 섬유 강화 폴리머 복합 재료를 생산하는 방법에 관한 것이다.
연속 섬유 주입(continuous fiber injection)은, 3D 하중 적응 강화 복합재료 부품(3D load adapted reinforced composite parts)을, 장비에 낮은 투자를 하고 낮은 생산 비용으로 제작할 수 있게 하는 장점을 가지고 있다. 섬유가 폴리머 몸체부의 관형 캐비티에 고압으로 주입되기 때문에, 몸체부는 그러한 압력을 견딜 수 있는 폴리머 구조물을 필요로 한다. 본 발명에 의하면, 연속 섬유 주입 공정에 의해 획득되는 부품의 중량을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 다음의 장점 중 적어도 하나, 여러개 또는 모든 것을 가진다.
ㆍ크리프(creep), 온도/환경, 피로 등에 대한 가장 높은 저항을 가지는 고성능 폴리머에 비해 거의 최대 50배 높은 비강도(specific strength)/특정 계수(specific modulus)를 가지는 탄소 섬유 UD 강화체(carbon fiber unidirectional reinforcement)를 제공할 수 있다.
ㆍ구조물의 하중은, 완전히 3차원적으로 배향된다. - 완전한 3차원 섬유 배향 기술이 요구된다.
ㆍ내하중 강화체(load-carrying reinforcements) 이외에도, 기능성 섬유가 통합될 수 있다.(열 게이지/스트레인 게이지로서의 유리 섬유, 액츄에이터로서의 세라믹 섬유 등)
ㆍ본 발명의 바람직한 실시예는, 낮은 폴리머 비율/질량(ratio/mass)을 가지는 복합 구조물을 제공하지만, 가장 낮은 비용의 적절한 도구 및 공정으로 이상적인 완전 3차원 배향 강화 섬유를 제공한다.
ㆍ제작 방법은, 낮거나 중간 속도의 연속 생산에 이상적이다.
제작 시스템의 바람직한 실시예는 특히 완전 3차원 복합 구조물을 생산하는 기술적인 수단을 포함한다.
바람직한 실시예에 따르면, 섬유 강화체의 기하학적 설계, 폴리머 부품 소재 및 가용성 보조/지지 소재가 제공된다.
기하학적 설계는, 예를 들어 슬라이서 소프트웨어를 거쳐서 프로세스 패쓰(G-Code)로 전달된다.
제1 소재는 특히 폴리머 부품 소재(예를 들어, PEEK)이다. 제2 소재는 특히 가용성 지지 소재(예를 들어, 3dGence ESM-10)이다.
바람직하게는, 액상 수지 및 강화체/기능성 섬유가 제공된다.
바람직하게는, ALM 머신(Adaptive Layer Manufacturing machine)이 최소한 하나의 부품 폴리머 소재와 하나의 가용성 소재를 가공할 수 있도록 사용된다. 그러한 ALM의 예로서, FLM(Filament Layer Manufacturing) 프린터 (상용화되어 있음), 변형된 HSS 머신(HSS = High Speed Sintering; 예를 들어, Binder Jetting with IR activation with an adapted ink) 또는 다중-소재 리코터를 구비하는 적응 SLS 머신(SLS = Selective Laser Sintering, 특히 두 종류의 소재 가공에 적합한, 일례로 Aerosint사로부터 구할 수 있는 Aerosint re-coater)이 있다.
본 발명에 의한 제작 시스템의 실시예는, 섬유 주입 머신(CFIP)을 포함하며, 열경화성 수지를 사용하는 경우 오븐을 더 포함한다. CFIP 머신의 예는 본 명세서에 합체되는 유럽특허출원공개 EP 3 231 592 A1에 도시되고 기재되어 있다.
본 발명에 의한 제작 시스템의 실시예는, 지지 소재를 용해시키는 용매를 더 제공한다.
본 발명에 의한 제작 방법의 바람직한 실시예는, 다음의 단계를 포함한다.
1) 섬유 강화체, 폴리머 부품 소재(제1 소재의 예) 및 둘러싸는 보조/지지 소재(제2 소재의 예)의 기하학적 설계.
2) 기존 슬라이서 소프트웨어 예를 들어, Simplify3d, Cura, Slic3r 등의 소프트웨어로 프로세스 패쓰(process path)의 생성.
3) 개방된 캐비티, 특히 관형 캐비티로, 통합된 섬유 경로를 통해 하나의 단계로 제1 및 제2 소재의 프린팅.
4) 필요한 경우, 제거 공정(substractive process; 용매, 샌드블래스팅 밀링(sandblasting milling), 드릴링 등)으로 표면 클리닝.
5) 예를 들어 유럽특허출원공개 EP 3 231 592 A1에 기재되고 도시된 바와 같은 CFIP 공정 및 장치에 따라 액상 수지와 건섬유(dry fibers)의 주입.
6) 필요한 경우, 섬유 강화체의 열경화성 수지의 경화.
7) 제거 공정 및/또는 용매(산, 물 등)로 제2 소재의 용해.
8) 필요한 경우, 섬유 단부 절단 및/또는 샌드-블래스팅(sand-blasting), 밀링, 그라인딩, 용매 또는 다른 수단으로 표면 클리닝 등의 마무리 공정.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 국지적 폴리머와 하중 배향 "네이키드(naked)" 섬유 강화체를 구비하는 완전한 3차원 강화 부품이 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해서는 첨부 도면을 참조하여 더 자세하게 설명한다.
도 1은 연속 섬유 강화체를 구비하는 복합 재료로 만들어지는 부품을 제작하는 방법의 흐름도.
도 2는 도 1의 제작 방법의 제1 단계에 의해 획득되는 몸체부의 사시도.
도 3은 도 2의 몸체부의 사시도.
도 4는 도 2의 몸체부의 측면도.
도 5는 도 1의 방법에 선택적으로 사용되는 금속 부재의 평면도.
도 6은 도 5의 금속 부재의 사시도.
도 7은 도 5의 금속 부재가 부착된 도 2의 몸체부의 사시도.
도 8은 도 7의 몸체부의 몸체부 및 금속 부재의 배열의 추가적인 사시도.
도 9는 연속 섬유가 몸체부로 주입된 추가적인 단계 후의 도 7에 유사한 도면.
도 10은 금속 부재 및 연속 섬유가 몸체부에 주입된 상태에서의, 몸체부를 포함하는 도 9의 장치의 다른 사시도.
도 11은 선택적인 금속 부재를 구비하는 도 1의 방법에 의해 제작된 부품의 사시도.
도 12는 도 11의 부품의 다른 사시도.
도 13은 도 11의 부품의 측면도.
도 1은 연속 섬유 강화체(14)를 구비하는 복합 재료(12)로 만들어지는 부품(10)을 제작하는 제작 방법의 흐름도이다. 그러한 방법에 의해 획득되거나 획득 가능한 부품(10)의 예가 도 11 내지 도 13에 도시되어 있다.
상기 방법은, 제1 단계(S1)를 포함하는데, 제1 단계는, 관형 캐비티(18; tublar cavity)가 제공되며 제1 폴리머 소재(22)로 만들어지는 적어도 하나의 제1 부분(20) 및 제2 폴리머 소재(26)로 만들어지는 적어도 하나의 제2 부분(24)을 구비하는 몸체부(16)를 제공한다(도 2 내지 도 4 참조).
도 1의 제작 방법은 제2 단계(S2)도 포함하는데, 제2 단계는, 수지(resin)와 연속 섬유(28)를 몸체부(16)의 관형 캐비티(18) 안쪽으로 도입한다(도 9 및 도 10 참조).
또한, 도 1의 제작 방법은 제3 단계(S3)도 포함하는데, 제3 단계는, 적어도 하나의 제2 부분(24)을 제거한다.
바람직한 실시예에서는, 제1 단계(S1)는, 안쪽에 관형 캐비티(18)를 수용하는 하나 또는 여러 개의 도구 부품을 제작하는 공정을 포함한다. 바람직하게는, 제1 폴리머 소재(22)는 특정 용매에 용해되지 않는 불용성 폴리머인 반면에, 제2 폴리머 소재(26)는 특정 용매에 용해되는 가용성 폴리머이다. 가장 바람직하게는, 몸체부(16)는, 불용성 폴리머(22)와 가용성 폴리머(26)를 사용하는 적층 제조에 의해서 만들어진다.
몸체부(16)를 제작함에 있어서, 단계(S1)는 제1 서브 단계(S1a)를 포함하는데, 이 단계에서는, 제작될 부품에 존재해야 하는 제1 폴리머 소재(22)의 섬유 강화체(14)의 기하학적 설계와, 부품(10)의 제작을 위해 보조적으로 둘러싸거나 지지하는 재로로만 사용되고 단계(S3)에서 제거되는 제2 폴리머 소재(26)의 기하학적 설계가 진행된다.
예를 들어, CAD 소프트웨어를 이용해서 그러한 설계가 진행될 수 있다.
제1 서브 단계(S1a)에서, 바람직하게는, 몸체부(16)는, 각각의 관형 캐비티(18)가 제1 개구 단부(30)에서 제2 개구 단부(32)로 몸체부(16)를 통과하도록 설계된다.
바람직한 실시예에서는, 제1 부분(20)은, 연속 섬유(28; 제2 단계(S2)에서 섬유 다발(36)의 형태로 주입됨)가 곡률 및/또는 부품(10)의 접합 영역(40)을 형성하도록 설계된다. 접합 영역(40)에서, 여러 섬유 다발(36)이 서로에 대해 가깝게 배치된다. 도시된 실시예에서, 부품(10)은 복합 트러스 구조(42; composite truss structure)인데, 이 구조는 연속 섬유 다발(36)에 의해 형성된 트러스 스트럿(truss struts) 및 접합 영역에 의해 형성되는 트러스 노드를 구비한다.
적어도 하나의 제2 부분(24)이 몸체부(16)의 다른 모든 영역에 존재한다. 특히, 적어도 하나의 제2 부분(24)은, 중간부 및/또는 직선 구역에서 관형 캐비티(18)의 벽을 형성한다.
가장 바람직하게는, 관형 캐비티(18)는, 제1 부분(20) 및 제2 부분(24)을 순차적으로 통과한다. 바람직한 실시예에서, 관형 캐비티(18)의 제1 및 제2 개구 단부(30, 32) 중 적어도 어느 하나가 제1 부분(20)에 의해 형성된다.
다시 도 1을 참조하면, 제작 방법의 제1 단계(S1)는 제2 서브 단계(S1b)를 더 포함하는데, 이 서브 단계에서, 적층 제작 머신(ALM 머신-도시되지 않음)을 사용하여 몸체부(16)를 제작한다.
특히, 제2 서브 단계(S1b)는, Simplify3d, Cura, Slic3r 등의 기존 슬라이서 소프트웨어로 프로세스 패쓰(process path)를 생성하는 단계를 포함한다. 특히, 제1 서브 단계(S1a)에 의해 획득한 설계는, 적층 제작 머신에 의해 판독되고 처리될 수 있는 기계-판독 가능 형태로 변환된다.
제1 및 제2 폴리머 소재(22, 26)를 가공할 수 있다면, (3D 프린터로도 지칭될 수 있는) ALM 머신은 어느 것이라도 사용될 수 있다. 제1 및 제2 폴리머 소재(22, 26)는 필요에 따라서 선택될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제1 폴리머 소재(22)가 용매에 불용성이고 제2 소재(26)는 용매에 가용성이 되도록, 소재(22, 26)가 선택된다. 예를 들어, 제2 폴리머 소재(26)는, 프린팅하는 동안에 3D 구조물을 지지하고 그 후에는 제거될 수 있는 가용성 보조 재료로서 시장에서 구할 수 있는 소재이다. 예를 들어, 3dGence ESM-10이 될 수 있다. 제1 폴리머 소재는, 프린트될 수 있지만 제2 폴리머 소재(26)를 제거하는 데에 사용되는 용매에는 불용성인 폴리머 소재이다. 예를 들어, PEEK가 될 수 있다. 다른 예로서, PE, PP, ABS, PETG 등이 있다.
ALM 머신의 예로서 FLM 프린터(시장에서 구할 수 있음), HS 머신 또는 SLS 머신이 있다.
제2 서브 단계(S1b)의 결과물의 일례가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다. 제1 개구 단부(30)와 제2 개구 단부(32)와 그 사이에 제공되는 복잡 경로를 구비하는 관형 캐비티(18)가 제공되는 몸체부(16)가 도시되어 있으며, 제1 폴리머 소재(22)로 만들어진 제1 부분(20)은 제2 개구 단부(32), 접합 지점 또는 접합 영역(40), 및/또는 관형 캐비티(18)의 곡률부를 형성하도록 제공된다. 도시된 실시예에서, 추가적인 제1 부분(20)은 제1 개구 단부(30)를 형성할 수도 있다. 도 2 내지 도 4에 도시된 실시예에서, 제1 개구 단부(30)는, 서로에 대해 이격되도록 배열되어 있는 여러 개의 제1 부분(20)을 둘러싸고 연결하는 제2 부분(24) 내에 제공된다.
몸체부 설계의 하나의 목적은, 강화섬유 대비 폴리머의 비율이 매우 낮은 부품을 제공하는 것이다. 그러므로 제3 단계에서 제거되고 단지 보조적 재료로만 사용되는 제2 소재(26)가, 바람직하게는 몸체부(16)의 지배적인 소재이다. 예를 들어, 몸체부 중량의 60%, 특별히는 70 내지 95%가 제2 소재(26)로 만들어지고, 단지 나머지 부분이 제1 소재로 만들어진다. 그러므로 부품(10)은, 몸체부(16)에서 폴리머 소재를 단지 5 내지 40%를 포함할 것이다.
몸체부(16)는, 도 11 내지 도 13에 도시된 부품(10)을 제작하는 도구로써 사용된다. 제2 부분(24)은, 연속 섬유(28)가 주입되는 관형 캐비티(18)용 폼(form)의 역할을 한다.
도시된 실시예에서, 예를 들어 금속 소재의 제3 소재를 추가할 수 있다. 금속 부재(44)의 예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 금속 부재(44)의 한쪽은 몸체부(16)의 일단부에 상보적인 형태이고, 특히, 제2 부분(24)의 일단부에 상보적인 형태이다. 금속 부재(44)는, 제1 개구 단부(30)와 정렬될 수 있는 개구를 구비한다. 금속 부재(44)는, 관형 캐비티(18)의 제1 개구 단부(30)를 구비하는 몸체부(16)의 단부에 부착될 수 있다.
일례에 따르면, 금속 부재(44)는, 개구(46)를 정의하는 돌출부(48)를 구비하는데, 이 돌출부는, 관형 캐비티(18)의 제1 개구 단부(30)를 정의하는 제2 부분(24)의 오목부(50)에 결합한다.
그러므로 도 1을 다시 참조하면, 제1 단계(S1)는 선택적으로 추가적인 다음과 같은 서브 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.
S1c: 금속 부재(44)를 제작하는 단계
S1d: 몸체부(16)와 금속 부재(44)를 사전 조립하는 단계
제3 서브 단계(S1c)에서, 금속 부재(44)는, 예를 들어, 머시닝(machining) 또는 다른 제작 기술에 의해 만들어질 수 있다.
제4 서브 단계(S1d)의 하나의 바람직한 실시예에서, 사전 조립은, 관형 캐비티(18)의 제1 개구 단부(30)와 개구(46)를 정렬한 상태에서 수행된다. 조립은, 여러 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 금속 부재(44)와 몸체부(16)는, 돌출부(48) 및 오목부(50)를 확실하게 계지시켜서(positive engagemment) 서로에 대해 부착할 수 있다. 제작 도구(52)의 다른 부품, 예를 들어, 몸체부(16) 및 금속 부재(44)는, 예를 들어 접합(gluing) 또는 본딩에 의해서 서로 연결될 수도 있다.
바람직하게는, 제작 도구(52)는, 몸체부(16)의 구조 및 도 7 및 8에 도시된 바와 같은 금속 부재(44) 등의 추가적 부재에 의해서 형성된다.
제1 단계(S1)의 제4 서브 단계(S1d) 이후에, 제2 단계(S2)가 수행된다. 제2 단계(S2)에서, 연속 섬유 주입 공정(CFIP)이, 예를 들어 유럽특허출원공개 EP 3 231 592 A1에 기재된 바와 같이 수행된다. 바람직하게는, 섬유 다발(36)이 액체 수지와 함께 관형 캐비티(18)로 주입된다. 이러한 공정은 일반적으로 유럽특허출원공개 EP 3 231 592 A1에 공지되어 있으며, 본 명세서에서는 자세하게 설명하지 않는다. 특히, 탄소 섬유가 열경화성 수지와 주입된다. 다음으로 관형 캐비티(18)의 경로에 의해 섬유 다발(36)이 형성되는데 즉 섬유 다발(36)이 관형 캐비티(18)의 복잡 경로의 형태를 취한다. 그리고 나서, 섬유 다발(36)과 함께 주입된 수지가, 섬유 다발(36)의 형태가 수지에 의해서 고정되도록 경화된다.
그러므로 제작 도구(52)가, 섬유 강화 구조물을 형성하도록 사용된다.
형태는, 필요에 따라 복합 트러스 구조물(42)에 하중이 배향되도록 선택될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 탄소 섬유 다발을 이용한 내하중 강화재를 일체화할 수 있을 뿐만 아니라, 기능성 섬유도 일체화할 수 있다. 그러므로 관형 캐비티(18) 중 적어도 어느 하나에, 열 게이지 및/또는 스트레인 게이지를 형성하는데 사용될 수 있는 유리 섬유 등의 기능성 섬유 또는 액츄에이터를 형성하는 데에 사용될 수 있는 세라믹 섬유가 주입된다.
제2 단계(S2)는 수지를 경화시키는 단계도 포함할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 수지 뿐만 아니라 주입된 섬유 다발(36)을 구비하는 제작 도구(52)가 열경화성 수지를 경화시기 위해 오븐(도시되지 않음)에 들어갈 수 있다. 제2 단계(S2) 이후에 도 9 및 10에 도시된 구조물이 획득된다.
도 9 및 10에는 주입된 섬유 다발(36)을 포함하는 제작 도구(52)가 도시되어 있다. 이 제작 도구(52)는, 용해에 의해 제2 폴리머 소재(26)를 제거하기 위하여 용매가 있는 용액기(bath; 도시되지 않음)에 넣어진다. 그러한 용액기는 제2 소재(26)를 용해시키기 위한 용해 장치의 일례이다.
그러므로 특정 용매를 이용하여 제2 폴리머 소재(26)를 용해시키는 것은 제3 단계(S3)의 하나의 바람직한 실시예이다. 제3 단계(S3)에서는, 다양한 제거 기술(subtractive technologies)에 의해 제2 소재를 제거할 수 있다. 특히, 제2 폴리머 소재(26)는, 반도체 부품 제작에서 공지되어 있는 희생 소재(sacrificial material)와 유사하게 다루어질 수 있다.
제2 소재(26)가 제거된 후에, 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같은 부품(10)이 얻어진다. 이러한 특별한 실시예에서, 부품(10)은, 접합 영역(40) 및/또는 곡률 영역을 형성하는 제1 폴리머 소재(22)를 구비하는 복합 트러스 구조물(42)로 형성되며, 섬유 다발(36)은 수지에 의해 고정되어 트러스 스트럿으로서 기능한다.
도 11 내지 도 13에 보이는 바와 같이, 금속 부재(44)는 복합 트러스 구조물(42)을 다른 부품에 고정시키는 고정 수단으로 사용될 수 있다.
특히, 도 1의 제작 방법에 의해 획득되는 부품(10)은, 유인 또는 무인 비행체 또는 위성체 등의 공중 운송 수단 또는 우주 운송 수단 또는 다른 운송 수단의 경량 구조물로서 사용될 수 있다.
도구 및 공정을 위해 저비용으로 완전 하중 적응형 3D 섬유 강화체를 구비하는 복합재료 부품(10)을 위해, 본 발명은 연속 섬유 강화체를 구비하는 복합 재료(12)로 만들어지는 부품(10)을 제작하는 방법을 제공하는데, 이 방법은, a) 관형 캐비티(18)가 제공되며, 제1 폴리머 소재(22)로 만들어지는 적어도 하나의 제1 부분(20)과, 제2 폴리머 소재(26)로 만들어지는 적어도 하나의 제2 부분(24)을 구비하는 몸체부(16)를 제공하는 단계와; b) 관형 캐비티(18)에 수지 및 연속 섬유(28)를 도입하는 단계와; c) 제2 폴리머 소재(26)의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 포함한다.
10: 부품
12: 복합 재료
14: 연속 섬유 강화체
16: 몸체부
18: 관형 캐비티
20: 제1 부분
22: 제1 폴리머 소재
24: 제2 부분
26: 제2 폴리머 소재
28: 연속 섬유
30: 제1 개구 단부
32: 제2 개구 단부
36: 섬유 다발
40: 접합 영역
42: 복합 트러스 구조물
44: 금속 부재
46: 개구
48: 돌출부
50: 오목부
52: 제작 도구 (예를 들어, 몸체부(16) 및 금속 부재(44))
S1: 각각 제1 소재 및 제2 소재로 만들어지는 제1 부분 및 제2 부분을 몸체부에 제공하는 단계
S1a: 섬유 강화체 및 제1 및 제2 부분을 기하학적으로 설계하는 단계
S1b: 적층 레이어 제작 방법으로 몸체부를 제작하는 단계
S1c: 금속 부재를 제작하는 단계
S1d: 몸체부의 여러 부품을 사전 조립하거나 또는 몸체부와 추가 부재를 사전 조립하는 단계
S2: 몸체부의 관형 캐비티에 수지 및 연속 섬유를 도입하는 단계
S3: 적어도 하나의 제2 부분을 제거하는 단계

Claims (8)

  1. 연속 섬유 강화체(14)를 구비하는 복합 재료(12)로 만들어지는 부품(10)을 제작하는 제작 방법에 있어서,
    a) 관형 캐비티(18)가 제공되며, 제1 폴리머 소재(22)로 만들어지는 적어도 하나의 제1 부분과, 제2 폴리머 소재(26)로 만들어지는 적어도 하나의 제2 부분(24)을 구비하는, 몸체부(16)를 제공하는 단계와;
    b) 관형 캐비티(18)에 수지와 연속 섬유(28)를 도입하는 단계와;
    c) 제2 폴리머 소재(26)를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하며,
    단계 a)는,
    용매에 가용성인 소재 중에서 제2 폴리머 소재(26)를 선택하고, 용매에 불용성인 폴리머 소재로부터 제1 폴리머 소재(22)를 선택하는 a1) 단계를 포함하며,
    단계 c)는 용매에 제2 소재를 용해시키는 c1) 단계를 포함하는,
    제작 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단계 a)는,
    a2) 몸체부(16)를 적층 제작하는 단계와;
    a3) 관형 캐비티(18)의 개구 단부(32)를 정의하는 제1 부분(20)을 구비하는 몸체부(16)를 설계하는 단계와;
    a4) 관형 캐비티(18)의 곡률부를 정의하는 제1 부분(20)을 구비하는 몸체부(16)를 설계하는 단계와;
    a5) 연속 섬유 강화체(14)의 접합 영역(40)을 정의하는 제1 부분(20)을 구비하는 몸체부(16)를 설계하는 단계와;
    a6) 관형 캐비티(18)의 중간부를 정의하는 적어도 하나의 제2 부분(24)을 구비하는 몸체부(16)를 설계하는 단계와;
    a7) 관형 캐비티(18)의 직선부를 정의하는 적어도 하나의 제2 부분(24)을 구비하는 몸체부(16)를 설계하는 단계와;
    a8) 상대적으로 더 많은 양의 제2 소재와 상대적으로 더 적은 양의 제1 소재를 구비하는 몸체부(16)를 설계하는 단계와;
    a9) 서로에 대해서 이격되어 있으며 적어도 하나의 제2 부분(24)에 의해 연결되는 여러 개의 제1 부분(20)을 구비하는 몸체부(16)를 설계하는 단계와;
    a10) 적어도 하나의 관형 캐비티(18)가 순차적으로 적어도 하나의 제1 부분(20)과 적어도 하나의 제2 부분(24)을 통과하도록 몸체부(16)를 설계하는 단계; 및
    a11) 금속 부재(44)를 몸체부(16)에 추가하거나 및/또는 연결하는 단계로서, 금속 부재(44)는, 관형 캐비티(18)의 개구 단부(30, 32)와 정렬되는 개구(46)를 구비하도록 되어 있는, 단계
    중에서,
    적어도 어느 하나의 단계 또는 여러 개의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    제작 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    단계 b)는,
    b1) 액상의 수지 및 연속 섬유 다발(36)을 동시에 도입하는 단계와;
    b2) 압력차를 인가함으로써, 압력이 가해진 유체 또는 수지에 의해 점성 항력(viscous drag force)을 연속 섬유에 인가함으로써 상기 적어도 하나의 관형 캐비티(18) 내에 연속 섬유 다발(36)을 도입하는 단계와;
    b3) 연속 섬유(28)의 다발에 기계적으로 미는 힘을 인가하여 상기 적어도 하나의 관형 캐비티(18) 내에 연속 섬유 다발(36)을 도입하는 단계와;
    b4) 수지 및 연속 섬유(28)를 순서대로, 특히, 먼저 제1 연속 섬유(28)를, 그 다음에 액상인 수지를 도입하는 단계와;
    b5) 강화 섬유, 특히, 탄소 섬유 및/또는 탄소 섬유 다발(36)을 도입하는 단계와;
    b6) 기능성 섬유, 특히, 유리 섬유 및/또는 세라믹 섬유를 도입하는 단계와;
    b7) 적어도 하나의 열 게이지 및/또는 스트레인 게이지를 형성하는 유리 섬유를 도입하는 단계와;
    b8) 적어도 하나의 액츄에이터를 형성하는 세라믹 섬유를 도입하는 단계; 및
    b9) 수지 및 연속 섬유(28)를 관형 캐비티(18)에 도입한 후에 수지를 경화하는 단계
    중에서,
    적어도 어느 하나의 단계 또는 여러 개의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    제작 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    단계 c)는,
    c2) 적어도 하나의 제2 부분(24)을 제거하는 단계와;
    c3) 몸체부(16)로부터 제2 소재(26) 전체를 제거하는 단계; 및
    c4) 제1 부분(20)이 서로에 대해 이격되도록, 적어도 두 개의 제1 부분을 연결하는 몸체부의 연결부를 제거하는 단계
    중에서,
    적어도 어느 하나의 단계 또는 여러 개의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    제작 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 청구항의 방법에 의해 제작된 복합 재료 부품.
  6. 강화 섬유 트러스 구조물로 형성된 청구항 5의 복합 재료 부품.
  7. 연속 섬유 강화체(14)를 구비하는 복합 재료 (12)로 만들어지는 부품(10)을 제작하는 제작 시스템에 있어서,
    제1 소재로 만들어지는 제1 부분(20)과, 제2 소재로 만들어지는 제2 부분(24)과, 제1 부분과 제2 부분(20, 24)을 통과하는 적어도 하나의 관형 캐비티(18)를 구비하며, 제2 소재는 용매에 가용성이며 제1 소재는 용매에 불용성인 몸체부를 적층 제작하는 적층 제작 장치와;
    적어도 하나의 관형 캐비티(18)에 수지 및 연속 섬유(28)를 도입하는 수지 및 섬유 도입 장치와;
    용매에 제2 소재를 용해시키기 위한 용해 장치를 포함하는,
    제작 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 청구항의 방법에 의해 제작되거나 및/또는 청구항 7의 제작 시스템에 의해 제작된 부품 및/또는 청구항 5 또는 청구항 6의 복합 재료 부품을 포함하는,
    운송 장치 또는 차량, 특히, 유인 또는 무인 항공체 또는 위성체.
KR1020227002002A 2019-07-25 2020-07-23 연속 섬유 강화 복합 부품의 제조 방법 및 제조 시스템 KR20220039711A (ko)

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