KR20220127854A - 복합 재료의 자동화 기계적 성형 - Google Patents

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KR20220127854A
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리차드 홀리스
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사이텍 인더스트리스 인코포레이티드
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Abstract

본원에는 복합 재료를 성형하기 위한 완전 자동화 방법이 개시되어 있다.

Description

복합 재료의 자동화 기계적 성형
섬유-보강 중합체 복합 재료는 많은 산업(항공우주, 자동차, 해양, 공업, 건설 및 매우 다양한 소비자 제품을 포함함)에서 광범위하게 사용되고 있으며, 이들은 종종 경량이면서도 특히 가혹한 환경에서도 여전히 높은 강도 및 내식성을 나타내기 때문에 바람직하다. 섬유-보강 중합체 복합 재료는 전형적으로 사전-함침된 재료로 만들어지거나, 수지 주입 공정으로부터 만들어진다.
사전-함침된 재료 또는 "프리프레그(prepreg)"는 일반적으로 경화성 매트릭스 수지(예를 들어 에폭시)로 함침된 섬유(예를 들어 탄소 섬유)를 지칭한다. 프리프레그 내의 수지 함량은 전형적으로 40 부피% 내지 65 부피%로 비교적 높다. 여려 겹의 프리프레그를 레이업(laying up)을 위한 크기로 절단한 후, 후속적으로 조립하고, 몰딩 공구에서 성형할 수 있다. 프리프레그가 몰딩 공구의 형상에 맞게 쉽게 조정될 수 없는 경우, 프리프레그를 몰딩 표면의 형상으로 점진적으로 변형시키기 위해 프리프레그에 열을 가할 수 있다. 또한, 섬유-보강 중합체 복합 재료는 수지 주입 기술을 수반하는 액체 몰딩 공정에 의해 만들어질 수 있다. 전형적인 수지 주입 공정에서, 건조 결합제 섬유를 몰드 내에 예비 성형품으로서 배열한 후, 액체 매트릭스 수지를 이용하여 원 위치에서 직접 사출 또는 주입을 실시한다. 사출 또는 주입 이후, 수지가 주입된 예비 성형품을 경화하여 복합 완제품을 제공한다.
재료의 유형 둘 모두에 있어서, 복합 재료의 3차원 성형(또는 몰딩)을 위한 공정은 최종 몰딩 제품의 외관, 물성 및 성능에 중요하다. 시간 소모적이고 종종 유의한 부품간 변화(part-to-part variation)를 초래하는 핸드 레이업 공정(hand layup process)을 사용하여 예비 성형품을 세부 형상으로 성형하는 것이 여전히 일반적이다. 복합 재료를 성형하기 위한 기타 덜 수동적인 방법(예를 들어 핀, 로봇 및/또는 작동장치를 이용하여 부품 형성에 도움을 줄 수 있는 진공 성형 방법)이 존재하지만, 이 같은 방법은 이들의 자체의 단점 및 결점을 갖는다. 예를 들어 진공 방법은 형성 및 경화가 다양한 공정 단계에서 발생하기 때문에 "오프라인(offline)"으로 간주된다. 게다가, 이 같은 방법은 종종 시간 소모적이며, 복합 재료의 유동학적 거동 및 경화 특징을 고려하지 않는다. 또한, 이 같은 공정의 제품은 여전히 주름 및 기타 결함이 발생하기 쉽다.
본원에는 복합 재료를 성형하기 위한 새로운 완전 자동화 방법이 개시되어 있으며, 이때 이 방법은 기존의 기반시설 및 장비의 자동화 및 활용의 부족 측면에서 당해 기술분야에 알려져 있는 기타 방법의 결점을 해결할 뿐만 아니라, 매우 낮은 부품간 가변성 및 우수한 표면 물성을 갖는 부품을 전달하기 위해 복합 재료를 성형하기 위한 매우 신속하고 일정한 수단을 제공한다.
따라서, 하나의 양태에서 본 교시는 복합 재료를 성형하기 위한 완전 자동화 방법을 제공하며, 이때 이 방법은,
(a) 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 적어도 하나의 복합 재료층을 소정의 패턴으로 선택적으로 기계 가공하는 단계;
(b) 다이어프램(diaphragm) 또는 프레임을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터(end effector)가 구비된 제1 로봇 아암을 사용하여 주변부를 한정하는 하단 프레임을 컨베이어 상에 배치하되, 이때 컨베이어는 가열 장치 및 프레스 공구를 통과하는 단계;
(c) 제1 로봇 아암을 사용하여 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 하부 다이어프램을 하단 프레임에 대항하여 배치하여 하부 다이어프램의 하단 표면이 하단 프레임의 주변부의 상단과 접촉시키는 단계;
(d) 복합 재료층을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터가 구비된 제2 로봇 아암을 사용하여 적어도 하나의 복합 재료층을 하부 다이어프램 상에 위치시켜 적어도 하나의 복합 재료층의 하단 표면이 하부 다이어프램의 상단 표면의 일부와 접촉시키고 복합 재료층을 하단 프레임에 의해 한정된 주변부 내에 위치시키는 단계;
(e) 제2 로봇 아암을 사용하여 주변부를 한정하는 중앙 프레임을 하부 다이어프램의 상단 표면에 배치하여 중앙 프레임의 주변부의 하단이 하부 다이어프램의 상단 표면과 접촉시키고 하단 프레임 및 중앙 프레임이 적층 배열 내에 있도록 하는 단계;
(f) 제2 로봇 아암을 사용하여 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 상부 다이어프램을 중앙 프레임에 대항하여 위치시켜 상부 다이어프램의 하단 표면이 중앙 프레임의 주변부의 상단과 접촉시키는 단계;
(g) 제2 로봇 아암을 사용하여 주변부를 한정하는 상단 프레임을 상부 다이어프램에 대항하여 배치하여 상단 프레임의 주변부의 하단이 상부 다이어프램의 상단 표면과 접촉시키고 중앙 프레임 및 상단 프레임이 적층 배열 내에 있도록 하여 하부 다이어프램과 상부 다이어프램 사이에 적어도 하나의 복합 재료층을 수용하는 포켓을 형성하도록 하는 단계;
(h) 포켓으로부터 공기를 제거하여 층상 구조를 형성하여, 열, 힘 또는 이의 조합이 층상 구조에 인가될 때까지 적어도 하나의 복합 재료층을 포켓 내에 정치 상태로 유지하는 단계;
(i) 층상 구조를 가열 장치 내로 전달하여 층상 구조를 복합 재료의 점도를 낮추거나 다이어프램을 연화시키기에 충분한 온도까지 가열하는 단계;
(j) 층상 구조를 간극에 의해 분리된 수형 몰드(male mold) 및 상응하는 암형 몰드(female mold)를 포함하는 프레스 공구 내로 전달하되, 이때 수형 몰드 및 암형 몰드는 각각 독립적으로 비평면 몰딩 표면을 갖는 단계;
(k) 수형 몰드와 암형 몰드 사이의 간극을 좁힘으로써 수형 몰드와 암형 몰드 사이에서 층상 구조를 압축하는 단계;
(l) 층상 구조의 점도가 몰딩 형상을 유지하기에 충분한 수준에 도달할 때까지 수형 몰드 및 암형 몰드를 폐쇄 위치에서 유지하여 성형 구조를 형성하는 단계;
(m) 수형 몰드와 암형 몰드 사이의 간극을 개방하고 성형 구조를 프레스 공구 밖으로 전달하는 단계;
(n) 프레임을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터가 구비된 제3 로봇 아암을 사용하여 다이어프램으로부터 상단 프레임, 하단 프레임 또는 중앙 프레임 중 하나 이상을 제거하는 단계; 및
(o) 선택적으로 제3 로봇 아암을 사용하여 프레임을 제1 로봇 아암 주변으로 나르는 제2 컨베이어 상에 상단 프레임, 하단 프레임 또는 중앙 프레임 중 하나 이상을 배치하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 다수의 복합 재료층을 소정의 패턴으로 기계 가공하고; 제2 로봇 아암을 사용하여 다수의 층을 하부 다이어프램의 상단 표면 상에 적층 배열로 위치시킨다.
일부 실시형태에서, 단계 (h)는 상부 다이어프램과 하부 다이어프램 사이에 진공 압력을 인가하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 수형 몰드 및 암형 몰드는 주위 온도보다 높은 온도, 예를 들어 100℃보다 높은 온도에서 유지된다.
일부 실시형태에서, 단계 (k)는 수형 몰드와 암형 몰드 사이의 간극을 부분적으로 좁혀 몰드들 사이에 보다 작은 간극을 형성하는 단계를 포함하며, 이때 보다 작은 간극은 특정 시간 또는 점도에 도달한 이후에 후속적으로 폐쇄된다.
일부 실시형태에서, 단계 (l)은 복합 재료의 점도가 1.0 x 108 mPa 미만이 될 때까지 실시된다.
일부 실시형태에서, 수형 몰드 및 암형 몰드는 약 10초 내지 약 30분 동안 폐쇄 위치에서 유지된다.
일부 실시형태에서, 성형 구조는 복합 재료의 연화 온도보다 높은 온도로 있는 동안에 공구로부터 제거된다.
일부 실시형태에서, 단계 (n) 및 단계 (o)는,
제3 로봇 아암을 사용하여 다이어프램으로부터 상단 프레임을 제거하고, 상단 프레임을 제2 컨베이어 상에 배치시키는 단계;
제3 로봇 아암을 사용하여 하단 프레임으로부터 중앙 프레임 및 다이어프램을 제거하고, 내부에 성형 구조를 갖는 다이어프램을 용기 내로 넘겨주고, 중앙 프레임을 제2 컨베이어 상에 배치하는 단계; 및
제3 로봇 아암을 사용하여 하단 프레임을 제2 컨베이어 상에 배치하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 제1 로봇 아암, 제2 로봇 아암 및 제3 로봇 아암은 고정된 기간 동안 동시에 그리고 연속적으로 운용되어 이 방법이 고정된 기간 동안에 성형 구조의 연속적인 생산을 제공한다.
일부 실시형태에서, 상부 다이어프램 및 하부 다이어프램은 각각 독립적으로 하나 이상의 층을 포함하는 필름으로부터 선택되며, 이때 층 각각은 독립적으로 고무층, 실리콘층 및 플라스틱층 또는 탄성층으로부터 선택된다.
일부 실시형태에서, 가열 장치는 접촉식 가열기 또는 IR 가열기이다.
일부 실시형태에서, 복합 재료는 아라미드, 고탄성 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤조비스옥사졸(PBO), 탄소, 유리, 석영, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 현무암, 천연 섬유 및 이들의 조합으로부터 선택되는 재료로 이루어진 구조용 섬유를 포함한다.
일부 실시형태에서, 복합 재료는 열가소성 중합체, 열경화성 수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 결합제 또는 매트릭스 재료를 포함한다.
도 1은 본 교시에 따른 예시적인 방법을 시각적으로 보여주는 흐름도이다.
복합 재료의 가공 처리의 잠재적인 단점(가공 처리 시간, 부품간 변화 및 시각적 결함을 포함함)의 측면에서, 보다 신속하고, 개선되고 보다 신뢰 가능한 조립 및 공정의 개발에 대한 요구가 여전히 존재한다. 이는 시각적 수용(visual acceptance)이 요구되는 자동차 부품에 특히 적용될 뿐만 아니라, 분당 수십 내지 심지어 수백 부품이 요구되는 조립 공정에서 이용될 수 있다. 시각적 수용과 생산 속도 사이의 적절한 균형을 찾고 있을지라도, 기존의 장비(예를 들어, 금속 스탬프 또는 프레스)를 충분히 이용하는 것이 또한 바람직하다. 그러나, 통상의 금속 스탬핑 장비는 전형적으로 복합 재료에 대해 직접 사용하는 경우에 불완전하고 평탄하지 않은 표면을 초래한다. 본 개시내용은, 금속 스탬핑 공구를 사용하여 매우 낮은 부품간 가변성 및 우수한 표면 물성을 갖는 형성 부품을 신속하고 지속적으로 생산할 수 있는 자동화 기계적 열성형 공정을 이용하여 복합 재료를 성형하기 위한 방법을 제공한다.
복합 재료를 성형하기 위한 자동화 공정
본 교시는 복합 재료를 성형하기 위한 자동화 공정을 포함한다.
이제, 도 1을 참고하면, 이 방법은 하나 이상의 복합 재료층("플라이"로도 지칭됨)을 소정의 패턴으로 기계 가공한 상태(101)에서 선택적으로 시작할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터-구동 절단기를 이용하여 성형 구조의 주변부 둘레의 낭비를 최소화할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 다양한 형상을 네스팅(nesting)하거나 그렇지 않으면 이를 위치시켜 복합 재료의 하나의 큰 조각으로부터 다수의 층 또는 플라이를 형성하며, 따라서 재료의 사용을 최대화하기 위해 컴퓨터 알고리즘이 사용될 수 있다. 이어서, 절단된 플라이의 위치는, 예를 들어 컴퓨터에 의해 그 내부에 한정된 프레임 구조 내의 배치를 위한 로봇으로 이동될 수 있다.
일부 실시형태에서, 복합 재료층(들)은 실질적으로 평면이다. 본원에서 사용된 바와 같이, "실질적 평면"이란 용어는 기타 2개의 다른 평면보다 측정 가능하게 큰(예를 들어, 적어도 2배, 3배, 4배 또는 5배 또는 그 이상 큰) 하나의 평면을 갖는 재료를 지칭한다. 일부 실시형태에서, 실질적 평면 재료는 가장 큰 평면을 따라 두께 변화를 갖는다. 예를 들어, 복합 재료는 패드업(pad-up; 즉 플라이 양의 국부적 증가) 또는 플라이드롭(ply drop; 즉 플라이 양의 국부적 감소), 재료 변화 및/또는 복합물이 예를 들어 직물로 전이된 영역과 같은 보강 재료를 포함할 수 있다. 기타 실시형태에서, 실질적 평면 재료는 복합 재료의 영역을 따라 최소 두께 변화를 나타낸다. 예를 들어, 실질적 평면이란 용어는 복합 재료가 영역의 90%에 대해 ±15% 이하의 전체 두께 변화를 갖는다는 것을 의미할 수 있다. 일부 실시형태에서, 두께 변화는 영역의 90%에 대해 ±10% 이하이다. 실질적 평면은 완전 평면 재료를 나타내기 위한 것이 아니라, 오목면 및/또는 볼록면에서의 약간의 변화를 갖는 재료를 또한 포함한다.
다이어프램 또는 프레임을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터가 구비된 제1 로봇 아암을 이용하여 컨베이어 상에 하단 프레임을 배치한다(102). 이러한 컨베이어는 가열 장치 및 프레스 공구를 통과하여 조립된 프레임이 다양한 성형 단계를 통해 컨베이어 상으로 이동할 것이다. 하단 프레임은, 예를 들어 주변부 둘레에 소정의 간격으로 클램프 또는 기타 고정 수단을 위치시킴으로써 다이어프램의 형상을 유지하는 주변부를 한정한다. 이 같은 프레임은 몰딩될 복합 재료의 크기 및 형상에 기초하여 제작될 수 있다. 선택적으로, 통상적인 금속 또는 복합 프레스 공구(예를 들어, 랑자우너(Langzauner) 또는 슈베르트(Schubert)와 같은 제조사의 제품)와 함께 사용하기 위해 사전 제작된 구조용 지지 프레임이 당해 기술분야에 알려져 있다.
이어, 제1 로봇 아암은 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 하부 다이어프램을 하단 프레임에 대항하여 위치시킨다(103). 하부 다이어프램은 이의 하단 표면이 하단 프레임의 주변부의 상단과 접촉하도록 위치한다. 하단 프레임 및 하부 다이어프램의 이동은 복합 재료층의 기계 가공 이전, 동시 또는 이후에 일어날 수 있다. 일부 실시형태에서, 이들 2개의 단계는, 가능한 최소의 기간 내에 이 방법이 진행하도록 동시에 또는 실질적으로 동시에 일어난다. 다이어프램은 디스펜서에 의해 제1 로봇 아암의 부근(즉, 범위 이내)에 유지된다. 다이어프램 디스펜서는, 예를 들어 다이어프램 재료의 롤로부터 상부 및 하부 다이어프램을 측정하고 이를 소정의 크기로 절단하는 자동화 디스펜서일 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 로봇 아암은, 예를 들어 다이어프램의 상단 표면 및 하단 표면이 상이한 경우에 디스펜서의 상이한 측면으로부터 하부 다이어프램 및 상부 다이어프램(하기에 기술된 바와 같음)을 인출한다.
이어서, 복합 재료층을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터가 구비된 제2 로봇 아암은 복합 재료층들 중 하나 이상을 하부 다이어프램 상에 위치시킨다(104). 복합 재료층은 하단 프레임에 의해 한정되는 주변부 내에 위치한다. 이는 또한 복합 재료층의 하단 표면이 하부 다이어프램의 상단 표면의 일부와 접촉하도록 위치한다. 일부 실시형태에서, 다수의 복합 재료층은 소정의 패턴으로 기계 가공되고; 이들 다수의 층은 기술된 바와 같이 하부 다이어프램 상에 적층 배열로 위치한다. 이 같은 적층 배열에서, 배치된 제1 복합 재료층은 하부 다이어프램과 접촉할 수 있고, 후속적으로 첨가된 층은 이전에 배치된 층, 하부 다이어프램 또는 이들 둘 모두와 접촉할 것으로 이해된다.
이어서, 제2 로봇 아암은 중앙 프레임을 하부 다이어프램의 상단 표면 상에 배치한다(105). 중앙 프레임은 하단 프레임과 동일한 주변부를 한정하도록 선택된다. 중앙 프레임은 중앙 프레임의 주변부의 하단이 하부 다이어프램의 상단 표면과 접촉하고, 하단 프레임 및 중앙 프레임이 적층 배열 내에 있도록 배치된다. 일부 실시형태에서, 중앙 프레임은 공기를 제거하기 위한 수단, 예를 들어 진공 주입구 또는 기타 밸브를 포함할 수 있다. 진공 주입구가 존재하는 경우 이는 진공 공급원(예를 들어, 진공 펌프)에 연결된다.
이어서, 제2 로봇 아암은 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 상부 다이어프램을 중앙 프레임에 대항하여 위치시킨다(106). 상부 다이어프램은 상부 다이어프램의 하단 표면이 중앙 프레임의 주변부의 상단과 접촉하도록 위치한다. 이어, 제2 로봇 아암은 상단 프레임을 상부 다이어프램에 대항하여 배치한다(107). 상단 프레임은 또한 하단 프레임과 동일한 주변부를 한정하도록 선택된다. 상단 프레임은 상단 프레임의 주변부의 하단이 상부 다이어프램의 상단 표면과 접촉하고, 중앙 프레임 및 상단 프레임이 적층 배열 내에 있도록 배치된다. 이러한 배열에 의해 하부 다이어프램과 상부 다이어프램 사이에 복합 재료층(들)을 수용하는 포켓이 형성된다. 일부 실시형태에서, 복합물을 수용하는 포켓은 밀봉 포켓, 예를 들이 기밀 포켓일 수 있으며, 이에 의해 상단, 중앙 및 하단 프레임은 복합 재료층(들)의 주변부 전체를 중심으로 배치되고, 공기 또는 오염물질이 포켓으로 들어가는 것을 방해한다.
이어서, 포켓으로부터 공기를 제거하여 층상 구조를 형성하여, 열, 힘 또는 이의 조합이 층상 구조에 인가될 때까지 적어도 하나의 복합 재료층을 포켓 내에 정치 상태로 유지한다(108). 일부 실시형태에서, 진공 압력은 포켓으로부터 공기를 제거하기 위해 요구될 수 있다. 진공 압력의 사용은 대부분의 잔류 공기를 추출하도록 작용할 수 있으며, 이는 몰딩 성능을 저해하여 복합 재료층(또는 이의 성분)의 변형 또는 주름을 최소화할 수 있다. 또한, 진공 압력의 사용은 섬유의 정렬을 유지하는데 도움을 줄 수 있고/있거나, 공정 또는 성형 동안에 재료를 지지할 수 있고/있거나, 승온에서 층(들)의 목적하는 두께를 유지할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "진공 압력"이란 용어는 1기압 미만(또는 1,013 mbar 미만)의 진공 압력을 지칭한다. 일부 실시형태에서, 다이어프램들 사이의 진공 압력은 약 1기압 미만, 약 800 mbar 미만, 약 700 mbar 미만 또는 약 600 mbar 미만으로 설정된다. 일부 실시형태에서, 다이어프램들 사이의 진공 압력은 약 670 mbar로 설정된다. 이때, 진공에 의해서든 기타 수단에 의해서든, 복합 재료층은 다이어프램들 사이에서 견고하게 유지되어 이는 열 또는 힘이 인가될 때까지 정치 상태이다. 이 같은 정치 구조는, 예를 들어 층상 구조 내에 유지되는 복합 재료층(들)이 이의 X축 및 Y축을 따라 충분한 장력으로 이의 위치에서 정치 상태로 유지될 뿐만 아니라, 또한 인덱싱(indexing)되기 때문에 유리할 수 있다. 즉, 제2 로봇 아암은 다이어프램들 사이의 X축 및 Y축을 따라 특정 위치에 복합 재료층을 배치한다. 이어서, 이러한 인덱싱된 층상 구조는, 프레스 공구가 복합 재료층(들)의 소정의 영역과 지속적으로 맞물려 있도록 (이하에 더욱 상세하게 기술되어 있는 바와 같이) 프레스 공구 내에서 특정 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 많은 부수의 몰딩 제품이 각각의 복합 재료 블랭크(composite material blank)를 개별적으로 인덱싱할 필요 없이 형성될 수 있다.
이어서, 층상 구조를 (즉, 컨베이어를 통해) 가열 장치 내로 전달한다(109). 이 구조는 복합 재료의 점도를 낮추거나 다이어프램을 연화시키기에 충분한 온도까지 가열된 가열 장치 내에 남아 있다. 이러한 가열 장치는 금속 또는 복합 재료 제품의 형성 또는 몰딩에 사용될 수 있는 임의의 가열기, 예를 들어 접촉식 가열기 또는 적외선(IR) 가열기일 수 있다. 일부 경우, 이러한 예열은 다이어프램을 연화시켜서, 예를 들어 이들이 최종 몰딩 제품의 형성 동안에 보다 유연하게 된다. 일부 경우, 이러한 예열에 의해 층상 구조 내에 유지되는 복합 재료층이 목적하는 점도 또는 온도에 도달하게 된다. 예열은 약 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 175℃, 200℃보다 높은 온도 또는 심지어 그 이상의 온도까지 가열된 가열 장치 내에서 일어날 수 있다. 이러한 온도는, 예를 들어 다이어프램 및/또는 복합 재료 내의 성분의 정체성(identity)에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 프레스 공구의 가열을 최소화 또는 제거하는 것이 필요하고/하거나, 층상 구조가 프레스 공구 내에 잔류하는 기간을 최소화하는 것이 필요한 경우에 이 같은 예열이 유리하다.
이어서, 층상 구조를 프레스 공구 내로 전달한다(110). 본 교시의 문맥에서, 프레스 공구는 간극에 의해 분리된 수형 몰드 및 상응하는 암형 몰드를 포함한다. 각각의 몰드는 비평면 몰딩 표면을 갖는다. 일부 실시형태에서, 이형제를 수형 몰드, 암형 몰드 또는 이들 둘 모두에 첨가할 수 있다. 이 같은 이형제는, 예를 들어 여전히 주위 온도보다 높은 온도로 유지하면서 몰드로부터 성형 부품을 제거하는데 도움이 될 수 있다. 몰딩 표면은 고정되어 있으며, 즉 재구성될 수 없다. 몰딩 표면들은 또한 전형적으로 부합된다. 즉, 수형 몰드는 대략적으로 암형 몰드의 맞은편에 상응하고; 일부 실시형태에서는 완전히 부합될 수 있다. 그러나, 일부 실시형태에서 수형 몰드 및 암형 몰드는 폐쇄되는 경우에 이들 사이의 두께가 변경되도록 이루어진다. 특정 실시형태에서, 층상 구조는 간극 내에 수형 몰드와 암형 몰드 사이의 특정한 소정의 거리로 위치한다. 일부 실시형태에서, 프레스 공구의 임의의 일부에는 어떠한 진공 압력도 인가되지 않는다. 기타 실시형태에서, 예를 들어 층상 구조와 공구 사이에 갇힌 공기를 제거하기 위해 공구 표면에 국부적 진공을 인가한다. 그러나, 이 같은 실시형태에서 진공은 전형적으로 최종 몰딩 제품의 형상을 형성하기 위한 힘으로서 사용되지 않는다. 층상 구조를 프레스 공구 내에 수동으로 또는 자동화 수단에 의해, 예를 들어 자동화 셔틀을 이용하여 배치할 수 있다.
이어서, 몰드 사이의 간극을 좁힘으로써 층상 구조를 수형 몰드와 암형 몰드 사이에서 압축한다(111). 일부 실시형태에서, 이는 수형 몰드와 암형 몰드 사이의 간극을 부분적으로 좁혀 몰드들 사이에 보다 작은 간극을 형성함으로써 달성된다. 이러한 보다 작은 간극은 후속적으로 특정 시간 또는 점도에 도달한 이후에 폐쇄된다. "간극을 좁히기"는 Z축을 따르는 소정의 최종 공동 두께가 몰드들 사이에서 수득되도록 몰드를 압축한다는 것을 지칭하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 몰드가 서로에 대해 정지하는 곳을 제어함으로써 최종 공동 두께를 조절할 수 있고, 두께의 선택은 몰드를 조작하는 사람에 의해 이루어질 수 있으며, 최종 몰딩 제품의 특성에 따라 달라질 것이다. 일부 실시형태에서, 최종 공동 두께는 실질적으로 균일하다. 즉, 이 공정에 의해 두께가 5% 미만으로 변경되는 양면의 몰딩 최종 제품이 생산된다. 일부 실시형태에서, 이 공정에 의해 두께가 약 4% 미만, 예를 들어 약 3% 미만, 약 2% 미만 또는 심지어 약 1% 미만으로 변경되는 최종 몰딩 제품이 생산된다. 기타 실시형태에서, 수형 공구 및 암형 공구는 의도적으로 X축 및 Y축을 따라 변경되는 공동 두께를 제공하도록 구성될 수 있다.
특정 실시형태에서, 수형 몰드 및 암형 몰드는 주위 온도보다 높은 온도로 유지된다. 예를 들어, 이들은 약 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 175℃, 200℃보다 높은 온도 또는 심지어 그 이상의 온도로 유지될 수 있다. 이러한 온도는 복합 재료 내의 성분의 정체성(및 점도)에 따라 조절될 수 있다. 몰드는, 예를 들어 복합 재료에 사용되는 결합제 또는 매트릭스 재료의 연화점보다 높은 온도로 유지될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복합 재료는 열경화성 재료를 포함하고, 몰드는 약 100℃와 200℃ 사이의 온도로 유지된다. 기타 실시형태에서, 복합 재료는 열가소성 재료를 포함하고, 몰드는 약 200℃보다 높은 온도로 유지된다. 복합 재료 내의 결합제 또는 매트릭스 재료는 주위 온도(20℃ 내지 25℃)에서 고체상이지만, 가열 시에 연화될 것이다. 이러한 연화에 의해 프레스 공구 내에서의 복합 재료의 몰딩이 가능하게 된다.
수형 몰드 및 암형 몰드는 성형 구조를 형성하기 위해 소정의 시간 동안 폐쇄 위치에서 유지된다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 몰드는 목적하는 점도 또는 온도에 도달할 때까지 폐쇄 위치에서 가열 및 유지된다. 일부 실시형태에서, 몰드는 복합 재료의 점도가 약 1.0 x 108 mPa 미만이 될 때까지 폐쇄 위치에서 유지된다. 일부 실시형태에서, 몰드는 결합제 또는 매트릭스 재료가 가교 결합하기 시작할 때까지 폐쇄 위치에서 가열 및 유지된다. 기타 실시형태에서, 몰드는 가열되지 않지만, 재료가 몰딩 형상을 유지하기에 충분한 기간 동안 폐쇄 위치에서 유지된다. 몰드는, 예를 들어 약 5초와 약 60분 사이, 예를 들어 약 10초와 약 30분 사이 또는 약 15초와 약 15분 사이 동안 폐쇄 위치에서 유지될 수 있다. 몰드가 폐쇄 위치에서 유지되는 시간의 길이는 복합 재료의 정체성 및 몰드의 온도를 비롯한 다수의 인자에 따라 달라질 것이다.
특정 실시형태에서, 수형 몰드는 층상 구조를 통해 구동되는 반면, 암형 몰드는 정체된 상태로 남아 있다. 기타 실시형태에서, 암형 몰드는 정체된 상태로 남아 있지 않지만, (여전히 수형 몰드가 주로 형성 표면으로서 작용하도록) 수형 몰드보다 느린 속도로 움직인다. 또 다른 실시형태에서, 몰드 둘 모두는 몰드들 사이의 간극을 좁히도록 대략적으로 동일한 속도로 움직인다. 몰드는 복합 재료를 변형/몰딩하기에 충분한 속도로 그리고 최종 압력까지 구동된다. 예를 들어, 몰드는 약 0.4 ㎜/초와 약 500 ㎜/초 사이, 예를 들어 약 0.7 ㎜/초와 약 400 ㎜/초 사이, 예를 들어 약 10 ㎜/초와 약 350 ㎜/초 사이 또는 약 50 ㎜/초와 300 ㎜/초 사이의 속도로 구동될 수 있다. 게다가, 몰드는 약 100 psi와 약 1,000 psi 사이, 예를 들어 약 250 psi와 약 750 psi 사이의 최종 압력까지 구동될 수 있다. 일부 실시형태에서, 몰드는 주름 형성 및 구조용 섬유의 비틀림을 피하면서 최종 몰딩 제품의 두께를 제어하도록 선택된 속도로 그리고 최종 압력까지 구동된다. 게다가, 몰드는 최종 몰딩 부품의 신속한 형성을 가능케 하도록 선택된 속도로 그리고 최종 압력까지 구동될 수 있다.
수형 몰드와 암형 몰드 사이의 간극을 개방하고, 성형 구조를 몰드로부터 전달한다(112). 성형 구조가 프레스 공구 상에 남아 있는 동안 성형 구조를 결합제 또는 매트릭스 재료의 연화 온도 미만까지 냉각시킬 수 있다. 그러나, 일부 실시형태에서 성형 구조는 결합제 또는 매트릭스 재료의 연화 온도 미만까지 냉각시키기 전에 프레스 공구로부터 제거된다. 결합제 또는 매트릭스 재료가 이의 연화 온도 미만까지 냉각되는 경우, 결합제 또는 매트릭스 재료는 고체상으로 되돌아가고, 복합 재료는 이의 새로 형성된 기하 구조를 유지한다. 복합 재료가 예비 성형품인 경우, 이 같은 예비 성형품은 후속적인 수지 주입을 위한 이의 목적하는 형상을 유지할 것이다.
일단 성형 구조가 몰드로부터 전달되면, 프레임을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터가 구비된 제3 로봇 아암은 다이어프램으로부터 프레임 중 하나 이상을 제거(예를 들어, 분리)한다(113). 일부 실시형태에서, 제3 로봇 아암은 프레임을 제1 로봇 아암 주변으로 나르는 제2 컨베이어 상에 제거된 프레임을 배치한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 제3 로봇 아암은 다이어프램으로부터 상단 프레임을 제거하고, 상단 프레임을 제2 컨베이어 상에 배치하고; 하단 프레임으로부터 중앙 프레임 및 다이어프램을 제거하고, 내부에 성형 구조를 갖는 다이어프램을 용기 내로 넘겨주고, 중앙 프레임을 제2 컨베이어 상에 배치하고; 하단 프레임을 제2 컨베이어 상에 배치한다.
이러한 방식으로, 본 발명은 폐쇄 루프를 형성하여, 연속 운용을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 제1 로봇 아암, 제2 로봇 아암 및 제3 로봇 아암은 고정된 기간 동안 동시에 그리고 연속적으로 운용되어 이 방법이 고정된 기간 동안에 성형 구조의 연속적인 생산을 제공한다. 따라서, 본원에 기술된 방법은 우수한 표면 특징을 갖는 복잡한 3차원 복합 구조를 완전 자동화 방식으로 생산하기 위한 효과적이고 효율적인 수단을 제공한다. 3차원의 성형된 복합 구조는 수동 조작에 대한 요구 없이 신속하고 반복적으로 생산될 수 있으며, 대규모로 생산될 수 있다. 예를 들어, 3차원 복합 구조는 매우 짧은 주기, 예를 들어 1분 내지 10분, 바람직하게는 5분 미만 또는 심지어 3분 미만의 주기로 실질적 평면 복합 재료 블랭크로부터 형성될 수 있다. 이 같은 신속하고 반복 가능한 공정은 후드, 트렁크, 도어 패널, 펜더(fender) 및 휠웰(wheel well)과 같은 자동차 부품 및 패널의 제작에 적합하다.
다이어프램 재료 및 다이어프램 구조
본원에서 사용된 바와 같이, "다이어프램"이란 용어는 2개의 독특한 물리적 영역을 나누거나 분리하는 임의의 장벽을 지칭한다. 다이어프램은 유연성이며, 재료의 탄성 시트 또는 비탄성적으로 변형 가능한 시트일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "유연성"이란 용어는 유의한 복원력 없이 변형 가능한 재료를 지칭한다. 유연성 재료는 전형적으로 약 1,000 N/m과 약 2,500,000 N/m 사이의 유연성 계수(파스칼 단위로 측정되는 영률(Young's modulus)과 미터 단위로 측정되는 전체 두께의 곱)를 갖는다. 전형적으로, 다이어프램의 두께는 약 10 미크론과 약 200 미크론 사이, 예를 들어 약 20 미크론과 약 150 미크론 사이의 범위이다. 특히 유리한 다이어프램은 약 30 미크론과 약 100 미크론 사이의 두께를 갖는다. 일부 실시형태에서, 다이어프램을 제조하는데 사용되는 재료는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 고무, 실리콘, 플라스틱, 열가소성 물질 또는 유사한 재료일 수 있다. 그러나, 특정 실시형태에서 다이어프램을 제조하는데 사용되는 재료는 하나 이상의 층을 포함하는 필름을 포함하며, 이때 층 각각은 독립적으로 플라스틱층 또는 탄성층으로부터 선택된다. 다이어프램은 단일 재료로 구성될 수 있거나, 예를 들어 층에 배열된 다수의 재료를 포함할 수 있다. 다이어프램 구조의 상부 다이어프램 및 하부 다이어프램은, 예를 들어 각각 독립적으로 하나 이상의 층을 포함하는 필름으로부터 선택될 수 있으며, 이때 각각의 개별적인 층은 다이어프램 내의 기타 층과 동일하거나 상이하다. 다이어프램 재료는 통상적인 캐스팅 또는 압출 과정을 이용하여 필름으로 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 필름은 1회용이다. 기타 실시형태에서, 필름은 재사용 가능하다.
또한, 다이어프램 재료는 목적하는 기능에 따라 다수의 물성을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 다이어프램은 자가 방출형이다. 즉, 다이어프램은 최종 몰딩 부품으로부터 용이하게 방출될 수 있고/있거나, 몰딩 조립체는 공구로부터 용이하게 방출될 수 있다. 기타 실시형태에서, 다이어프램은 몰딩 복합 재료에 일시적으로(또는 가볍게) 부착하도록 설계되어 있다. 이 같은 일시적인 부착은, 예를 들어 후속적인 가공 처리, 수송 및/또는 저장 동안에 최종 몰딩 부품을 보호하는데 유리할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 다이어프램은 몰딩 복합 재료에 영구적으로 부착하도록 설계되어 있다. 이 같은 일시적인 부착은 최종 몰딩 부품에 영구적인 보호 코팅 및/또는 페인트 코팅을 제공하는데 유리할 수 있다. 다이어프램 재료는 이의 특정 물성에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 다이어프램을 제조하는데 사용되는 재료는 100%가 넘는 파단 연신율을 갖는다. 일부 실시형태에서, 다이어프램을 제조하는데 사용되는 재료는 복합 재료의 몰딩 온도(예를 들어, 이의 10℃ 이내)와 유사한 용융 온도를 갖는다.
일부 실시형태에서, 다이어프램은 공기에 침투성이다. 기타 실시형태에서, 다이어프램은 공기에 불침투성이어서, 이들은 함께 밀봉 포켓을 형성할 수 있다. 밀봉 포켓은 오염물질(예를 들어, 공기, 미립자, 오일 등)이 소정 기간 동안 밀봉 포켓으로 들어가는 것을 방해한다. 일부 실시형태에서, 불침투성 다이어프램은 기밀 포켓을 형성한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "기밀"이란 용어는 공구 공정 기간 동안 진공을 유지하는 재료의 능력을 지칭한다. 이러한 기밀 포켓은, 예를 들어 상부 다이어프램 및 하부 다이어프램을 복합 재료와 밀접하게 접촉시키는데 진공이 사용되는 경우에 유리하다.
일부 실시형태에서, 다이어프램 중 하나 또는 둘 모두는 직포 또는 부직포 베일로 교체될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "베일"이란 용어는 연속 또는 분쇄 중합체 섬유의 얇은 매트를 지칭한다. 섬유는 방사 가닥으로 이루어진 얀 또는 모노필라멘트일 수 있다. 전형적으로, 베일은 수지 용해성이며, 일반적으로 직포(예를 들어, 배열이 제어됨) 또는 부직포(예를 들어, 부분적으로 또는 완전하게 랜덤함)일 수 있다. 본 발명의 방법과 관련하여 사용되는 베일(들)의 중량은 달라질 수 있지만, 전형적으로 약 5 g/㎡와 약 100 g/㎡ 사이이며, 베일 중량의 선택은 성형될 복합 재료의 속성에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 결합제 또는 매트릭스 재료가 점성이 높을수록 보다 무거운 베일(또는 하나 초과의 베일)이 요구될 수 있는 반면, 결합제가 점성이 낮을수록 보다 가벼운 베일이 이용될 수 있다. 유사하게, 복합 재료의 표면이 수지가 풍부하면 베일은 수지가 베일에 과잉 침투하지 않도록 선택될 수 있다. 베일에 사용되는 재료는 특별히 제한되지 않으며, 복합 재료와 관련하여 사용하는 것이 알려져 있는 임의의 베일일 수 있다. 그러나, 일부 실시형태에서 직포 또는 부직포 베일은 폴리에스테르 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 유리 섬유 또는 이들의 조합을 포함한다. 기타 실시형태에서, 직포 또는 부직포 베일은 본원에서 참고로 포함된, 로파로(LoFaro) 등에게 허여된 US 2006/0252334에서 확인된 것과 같은 수지 용해성 중합체의 섬유를 포함한다.
일부 실시형태에서, 다이어프램 및/또는 베일 중 하나 이상은 일시적으로 또는 영구적으로 성형 구조 상에 유지된다. 예를 들어, 일시적인 층은 예를 들어 이형 코팅을 위해 요구될 수 있는 반면, 영구적인 코팅은 예를 들어 코로나 처리 또는 몰딩 부품에 대한 다이어프램 재료의 결합을 위해 요구될 수 있다. 다이어프램의 기능은 사용된 다이어프램 재료에 따라 달라질 것이다.
복합 재료
본원에서 사용된 바와 같이,
"복합 재료"란 용어는 구조용 섬유와 결합제 또는 매트릭스 재료의 조립체를 지칭한다. 구조용 섬유는 유기 섬유, 무기 섬유 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이는, 예를 들어 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유(예를 들어, 케블러(Kevlar)), 고탄성 폴리에틸렌(PE) 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리-p-페닐렌-벤조비스옥사졸(PBO) 섬유, 석영 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유, 탄화규소 섬유, 기타 세라믹 섬유, 현무암, 천연 섬유 및 이들의 혼합물과 같은 시판 중인 구조용 섬유를 포함한다. 고강도 복합 구조가 요구되는 최종 용도로 인해 전형적으로 높은 인장 강도(예를 들어, 3,500 MPa 이상 또는 500 ksi 이상)를 갖는 섬유가 이용된다는 것을 주지한다. 이 같은 구조용 섬유는 하나의 층 또는 다층의 섬유성 재료를 임의의 통상적인 구성으로 포함할 수 있으며, 이는, 예를 들어 일방향성 테이프(유니-테이프(uni-tape)) 웹, 부직포 매트 또는 베일, 직물, 편직물, 비권취 직물, 섬유 토우(fiber tow) 및 이들의 조합을 포함한다. 구조용 섬유가 복합 재료 전체 또는 일부를 가로질러 하나의 플라이 또는 다층 플라이로서 포함될 수 있거나, 국부적인 두께의 증가/감소와 함께 패드업 또는 플라이드롭의 형태로 포함될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
섬유성 재료는 결합제 또는 매트릭스 재료에 의해 고정되고 안정화되어, 섬유성 재료의 정렬이 유지되며, 안정화된 재료는 섬유성 재료를 해지게 하지 않거나, 풀리게 하지 않거나, 찢어지게 하지 않거나, 찌그러지게 하지 않거나, 주름지게 하지 않거나, 또는 그렇지 않은 경우 섬유성 재료의 온전성을 감소시키지 않으면서 저장, 수송 및 취급(예를 들어 성형 또는 그렇지 않으면 변형)될 수 있다. 소량(예를 들어, 전형적으로 약 10 중량% 미만)의 결합제에 의해 유지되는 섬유성 재료는 전형적으로 섬유성 예비 성형품으로서 지칭된다. 이 같은 예비 성형품은 RTM과 같은 수지 주입 응용에 적합할 수 있다. 섬유성 재료는 또한 보다 많은 양의 매트릭스 재료(매트릭스가 함침된 섬유를 지칭하는 경우에 일반적으로 "프리프레그"로 지칭됨)에 의해 유지될 수 있으며, 따라서 수지의 추가적인 첨가 없이 최종 제품의 형성에 적합할 수 있다. 특정 실시형태에서, 결합제 또는 매트릭스 재료는 복합 재료 내에 적어도 약 30%, 적어도 약 45%, 적어도 약 40% 또는 적어도 약 45%의 양으로 존재한다.
결합제 또는 매트릭스 재료는 일반적으로 열가소성 중합체, 열경화성 수지 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 예비 성형품을 형성하기 위해 사용되는 경우, 이 같은 열가소성 중합체 및 열경화성 수지는 분말, 스프레이, 액체, 페이스트, 필름, 섬유 및 부직포 베일과 같은 다양한 형태로 도입될 수 있다. 이들 다양한 형태를 이용하기 위한 수단은 일반적으로 당해 기술분야에 알려져 있다.
열가소성 재료로는, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리방향족(polyaromatics), 폴리에스테르아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 폴리아릴레이트, 폴리아릴에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리아크릴레이트, 폴리(에스테르) 카보네이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트/부틸 아크릴레이트), 폴리설폰, 폴리아릴설폰, 이들의 공중합체 및 이들의 조합을 들 수 있다. 일부 실시형태에서, 열가소성 재료는 또한 에폭시드 또는 경화제에 반응성을 나타내는 아민기 또는 하이드록실기와 같은 하나 이상의 반응성 말단기를 포함할 수 있다.
열경화성 재료로는, 예를 들어 에폭시 수지, 비스말레이미드 수지, 포름알데히드-응축물 수지(포름알데히드-페놀 수지를 포함함), 시아네이트 수지, 이소시아네이트 수지, 페놀 수지 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 에폭시 수지는 방향족 디아민, 방향족 모노1차 아민(monoprimary amine), 아미노페놀, 다가 페놀, 다가 알코올 및 폴리카복실산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물의 모노- 또는 폴리-글리시딜 유도체일 수 있다. 에폭시 수지는 또한 다기능성일 수 있다(예를 들어, 이기능성, 삼기능성 및 사기능성 에폭시).
일부 실시형태에서, 복합 재료에는 열가소성 중합체(들)와 열경화성 수지(들)의 조합이 사용된다. 예를 들어, 특정 조합은 흐름 제어 및 유연성에 관한 상승 효과로 운용될 수 있다. 이 같은 조합에서, 열가소성 중합체는 블렌드에 흐름 제어 및 유연성을 제공할 수 있으며, 이는 전형적으로 점도가 낮은 취성의 열경화성 수지보다 우세하다.

Claims (15)

  1. 복합 재료를 성형하기 위한 완전 자동화 방법으로서,
    (a) 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 적어도 하나의 복합 재료층을 소정의 패턴으로 선택적으로 기계 가공하는 단계;
    (b) 다이어프램(diaphragm) 또는 프레임을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터(end effector)가 구비된 제1 로봇 아암을 사용하여 주변부를 한정하는 하단 프레임을 컨베이어 상에 배치하되, 이때 상기 컨베이어는 가열 장치 및 프레스 공구를 통과하는 단계;
    (c) 상기 제1 로봇 아암을 사용하여 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 하부 다이어프램을 상기 하단 프레임에 대항하여 배치하여 상기 하부 다이어프램의 하단 표면이 상기 하단 프레임의 주변부의 상단과 접촉시키는 단계;
    (d) 상기 복합 재료층을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터가 구비된 제2 로봇 아암을 사용하여 적어도 하나의 복합 재료층을 상기 하부 다이어프램 상에 위치시켜 상기 적어도 하나의 복합 재료층의 하단 표면이 상기 하부 다이어프램의 상단 표면의 일부와 접촉시키고 상기 복합 재료층을 상기 하단 프레임에 의해 한정된 상기 주변부 내에 위치시키는 단계;
    (e) 상기 제2 로봇 아암을 사용하여 상기 주변부를 한정하는 중앙 프레임을 상기 하부 다이어프램의 상단 표면에 배치하여 상기 중앙 프레임의 주변부의 하단이 상기 하부 다이어프램의 상단 표면과 접촉시키고 상기 하단 프레임 및 상기 중앙 프레임이 적층 배열 내에 있도록 하는 단계;
    (f) 상기 제2 로봇 아암을 사용하여 상단 표면 및 하단 표면을 갖는 상부 다이어프램을 상기 중앙 프레임에 대항하여 위치시켜 상기 상부 다이어프램의 하단 표면이 상기 중앙 프레임의 주변부의 상단과 접촉시키는 단계;
    (g) 상기 제2 로봇 아암을 사용하여 상기 주변부를 한정하는 상단 프레임을 상기 상부 다이어프램에 대항하여 배치하여 상기 상단 프레임의 주변부의 하단이 상기 상부 다이어프램의 상단 표면과 접촉시키고 상기 중앙 프레임 및 상기 상단 프레임이 적층 배열 내에 있도록 하여 상기 하부 다이어프램과 상기 상부 다이어프램 사이에 상기 적어도 하나의 복합 재료층을 수용하는 포켓을 형성하도록 하는 단계;
    (h) 상기 포켓으로부터 공기를 제거하여 층상 구조를 형성하여, 열, 힘 또는 이의 조합이 층상 구조에 인가될 때까지 상기 적어도 하나의 복합 재료층을 상기 포켓 내에 정치 상태로 유지하는 단계;
    (i) 상기 층상 구조를 상기 가열 장치 내로 전달하여 상기 층상 구조를 상기 복합 재료의 점도를 낮추거나 상기 다이어프램을 연화시키기에 충분한 온도까지 가열하는 단계;
    (j) 상기 층상 구조를 간극에 의해 분리된 수형 몰드(male mold) 및 상응하는 암형 몰드(female mold)를 포함하는 상기 프레스 공구 내로 전달하되, 이때 상기 수형 몰드 및 상기 암형 몰드는 각각 독립적으로 비평면 몰딩 표면을 갖는 단계;
    (k) 상기 수형 몰드와 상기 암형 몰드 사이의 간극을 좁힘으로써 상기 수형 몰드와 상기 암형 몰드 사이에서 상기 층상 구조를 압축하는 단계;
    (l) 상기 층상 구조의 점도가 몰딩 형상을 유지하기에 충분한 수준에 도달할 때까지 상기 수형 몰드 및 상기 암형 몰드를 폐쇄 위치에서 유지하여 성형 구조를 형성하는 단계;
    (m) 상기 수형 몰드와 상기 암형 몰드 사이의 간극을 개방하고 상기 성형 구조를 상기 프레스 공구 밖으로 전달하는 단계;
    (n) 프레임을 붙잡도록 구성된 엔드 이펙터가 구비된 제3 로봇 아암을 사용하여 상기 다이어프램으로부터 상기 상단 프레임, 상기 하단 프레임 또는 상기 중앙 프레임 중 하나 이상을 제거하는 단계; 및
    (o) 선택적으로 상기 제3 로봇 아암을 사용하여 프레임을 상기 제1 로봇 아암 주변으로 나르는 제2 컨베이어 상에 상기 상단 프레임, 상기 하단 프레임 또는 상기 중앙 프레임 중 하나 이상을 배치하는 단계를 포함하는 것인, 복합 재료를 성형하기 위한 완전 자동화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    실질적 평면 복합 재료의 다층 플라이는 소정의 패턴으로 기계 가공되고;
    상기 다층 플라이는 상기 제2 로봇 아암을 사용하여 상기 하부 다이어프램의 상단 표면 상의 적층 배열 내에 위치하는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 (h)는 상기 상부 다이어프램과 상기 하부 다이어프램 사이에 진공 압력을 인가하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수형 몰드 및 상기 암형 몰드는 주위 온도보다 높은 온도에서 유지되는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 수형 몰드 및 상기 암형 몰드는 100℃보다 높은 온도에서 유지되는 것인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (k)는 상기 수형 몰드와 상기 암형 몰드 사이의 간극을 부분적으로 좁혀 상기 몰드들 사이에 보다 작은 간극을 형성하는 단계를 포함하며, 이때 보다 작은 간극은 특정 시간 또는 점도에 도달한 이후에 후속적으로 폐쇄되는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (l)은 상기 복합 재료의 점도가 1.0 x 108 mPa 미만이 될 때까지 실시되는 것인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수형 몰드 및 암형 몰드는 약 10초 내지 약 30분 동안 폐쇄 위치에서 유지되는 것인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성형 구조는 상기 복합 재료의 연화 온도보다 높은 온도로 있는 동안에 상기 공구로부터 제거하는 것인 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (m), 단계 (n) 및 단계 (o)는,
    상기 제3 로봇 아암을 사용하여 상기 다이어프램으로부터 상기 상단 프레임을 제거하고, 상기 상단 프레임을 상기 제2 컨베이어 상에 배치시키는 단계;
    상기 제3 로봇 아암을 사용하여 상기 하단 프레임으로부터 상기 중앙 프레임 및 상기 다이어프램을 제거하고, 상기 내부에 성형 구조를 갖는 다이어프램을 용기 내로 넘겨주고, 상기 중앙 프레임을 상기 제2 컨베이어 상에 배치하는 단계; 및
    상기 제3 로봇 아암을 사용하여 상기 하단 프레임을 상기 제2 컨베이어 상에 배치하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 로봇 아암, 상기 제2 로봇 아암 및 상기 제3 로봇 아암은 고정된 기간 동안 동시에 그리고 연속적으로 운용되어 상기 방법이 고정된 기간 동안에 성형 구조의 연속적인 생산을 제공하는 것인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 다이어프램 및 상기 하부 다이어프램은 각각 독립적으로 하나 이상의 층을 포함하는 필름으로부터 선택되며, 이때 상기 층 각각은 독립적으로 고무층, 실리콘층 및 플라스틱층 또는 탄성층으로부터 선택되는 것인 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 장치는 접촉식 가열기 또는 IR 가열기인 것인 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합 재료는 아라미드, 고탄성 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤조비스옥사졸(PBO), 탄소, 유리, 석영, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 현무암, 천연 섬유 및 이들의 조합으로부터 선택되는 재료로 이루어진 구조용 섬유를 포함하는 것인 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합 재료는 열가소성 중합체, 열경화성 수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 결합제 또는 매트릭스 재료를 포함하는 것인 방법.
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