KR20230043920A - 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스 및 제조 방법 - Google Patents

적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스 및 제조 방법 Download PDF

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안드레 메이어
안드레아스 엠제
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스로서, - 그 사이에 라이너(1)를 장착하기 위한 제1 유지 디바이스(3) 및 제2 유지 디바이스(5)를 지닌 지지체(7)로서, 제1 유지 디바이스(3) 및 제2 유지 디바이스(5)는, 라이너(1)가 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5)를 통과해 연장되는 중심 회전축(9)을 중심으로 회전할 수 있도록 형성되는 것인 지지체(7), 및 - 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 적어도 2개의 가동 아암(17)을 포함하고, 지지체(7)는 라이너(1)가 중심 회전축(9)에 평행하게 축방향으로 이동 가능하고, 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)이 중심 회전축(9)에 수직하게 이동 가능한 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 제조 디바이스를 사용하는 복합 구성요소의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스 및 제조 방법
본 발명은 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 방법에 관한 것이다.
적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소는, 예컨대 특히 가스, 예컨대 수소 저장을 위해 사용 가능한 압력 탱크이다.
상기한 압력 탱크는 통상 필라멘트 권취 프로세스에 의해 제조되며, 이 경우에 라이너가 지지체 내에 배치되고, 지지체 내에서 회전하고 섬유가 라이너 둘레에 권취된다. 섬유는 통상 라이너의 회전축과 평행하게 이동 가능한 공급 디바이스를 사용하는 것에 의해 적용된다. 섬유 적용 중에 라이너가 회전하는 동안, 섬유는 라이너 둘레에 권취된다. 라이너의 회전 속도와, 섬유의 공급 디바이스가 라이너를 따라 이동하는 속도에 따라, 섬유가 라이너에 도포되는 패턴이 형성된다.
필라멘트 권취 프로세스 유형에 따라, 섬유가 라이너 둘레에 권취되기 전에 기재 재료로 함침될 수도 있고, 라이너에 권취된 후에 함침될 수도 있다. 더욱이, 2개의 프로세스의 조합도 가능하다. 섬유가 라이너 둘레에 권취되기 전에 함침되는 경우, 섬유를 라이너 주위에 권취하기 직전에 섬유를 함침하거나, 대안으로서 권취 프로세스와는 별개로 섬유를 함침하는 것이 가능하다. 이 경우, 함침에 의해, 미리 함침된 섬유, 소위 토우 프레그(tow preg)가 얻어지고, 미리 함침된 섬유가 라이너 주위에 권취된다.
통상, 섬유는 라이너 주위에 권취되기 전에 함침된다. 함침을 위해, 섬유를 위한 공급 디바이스는 기재 재료를 포함하고, 섬유가 라이너에 적용되기 전에 안내되는 배스(bath)를 포함할 수 있다. 상기한 프로세스는, 예컨대 S.T. Peters 및 J. Lowrie McLarty 저, ASM Flandbook, Filament Winding, ASH 핸드북 제21호: Composites, 2001년, 제536면 내지 제549면에 설명되어 있다.
R. Schledjewski 저, JEC 매거진, 매우 효율적인 압력 베셀 제조, 2007년 7-8월, 제34호에는, 라이너 주변의 다수 위치에서 동시에 함침된 섬유 재료를 적용함으로써 보다 효율적인 필라멘트 권취 프로세스에 의해 압력 탱크를 제조할 수 있는 프로세스가 설명되어 있다. 이를 위해, 라이너 상에 섬유를 적용하는 8개의 공급 아이를 갖는 다중 피드 아이 링 권취 헤드(multi-feed-eye ring winding head)가 사용된다. 피드 아이 각각은 섬유에 기재 재료를 함침하기 위해 배스와 연결된다.
필라멘트 권취를 위한 다른 프로세스가, 예컨대 N.E.H. Shotton-Gale 저, Clean Filament Winding: Process Optimisation, 학위 논문, 버밍햄 대학 2012년 12월 출판, 제70면 내지 제73면, 또는 A. Miaris 저, Experimental and Simulative Analysis of the Impregnation Mechanics of Endless Fiber Rovings, IVW-Schriftenreihe Band 102, 2012년 출판, 제6면 내지 제13면에 설명되어 있다. Miaris는 제94면 및 제95면에서 복수 개의 공급 아암을 갖는, 압력 탱크 제조용 링 권취 헤드를 설명한다.
필라멘트 권취를 위한 다른 디바이스 및 필라멘트 권취 프로세스가, 예컨대 US-A 2007/0221316, WO-A 2016/183073 또는 KR-B 101906498에 개시되어 있다.
WO-A 2016/169531에는, 특히 튜브 주위에 함침된 섬유를 권취하는 것에 의해 특히 차량의 뒷문을 제조하는 프로세스가 설명되어 있다. 권취를 위해, 튜브 주위에서 회전하는 회전식 디스크 링이 사용된다.
일반적으로, 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소를 제조하는 것은 긴 사이클 시간을 필요로 한다는 단점과, 또한 복합 구성요소를 제조하기 위한 기지의 디바이스는 완전 자동화 제조를 허용하지 않는다는 단점이 있다. 전체 제조 프로세스의 사이클 시간은 사후 처리를 포함하여 라이너를 제조하고, 라이너를 필라멘트 권취 스테이션으로 전달하며, 섬유 보강 폴리머층을 적용하고, 상부에 섬유 보강 폴리머층을 지닌 라이너를 경화 스테이션으로 이송하며, 폴리머층의 폴리머를 경화시키고, 장착부를 설치하며, 사후 처리 단계를 실행하고, 압력 테스트를 수반할 수 있는 품질을 체크하는 시간을 포함한다. 아래 설명에서, 사이클 시간은 특히 섬유 구조를 부착하는 데 걸리는 시간을 일컫는다.
따라서, 본 발명의 목적은 사이클 시간이 짧고, 완전 자동화 제조를 가능하게 하는, 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스 및 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스로서,
- 그 사이에 라이너를 장착하기 위한 제1 유지 디바이스 및 제2 유지 디바이스를 지닌 지지체로서, 제1 유지 디바이스 및 제2 유지 디바이스는, 라이너가 제1 유지 디바이스와 제2 유지 디바이스를 통과해 연장되는 중심 회전축을 중심으로 회전할 수 있도록 형성되는 것인 지지체, 및
- 섬유 구조를 공급하기 위한 적어도 2개의 가동 아암
을 포함하고, 지지체는 라이너가 중심 회전축에 평행하게 축방향으로 이동 가능하고, 섬유 구조를 공급하기 위한 각각의 가동 아암이 각각 굴곡 및 트위스팅이 가능한 적어도 2개의 조인트를 포함하는 로봇 아암인 것인 제조 디바이스에 의해 달성된다.
라이너의 축방향 이동은 지지체에 라이너를 수용하는 것을 간단하게 할 수 있다. 또한, 중심 회전축에 수직하게 이동 가능하도록 형성된, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암은 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 이동에 의해 권취 프로세스의 자동 시작을 허용하고, 권취 프로세스의 자동 시작을 가능하게 하는 가동 아암에 의해 스레드(thread)의 시작부가 라이너로 이동될 수 있다.
본 발명과 관련하여, 중심 회전축에 평행한 라이너의 축방향 이동 가능성은 임의의 기타 방향으로의 이동을 배제하지 않는다. 특히, 라이너가 중심축에 대해, 예컨대 0° 내지 35°로 틸팅 가능한 것이 바람직하고, 0° 내지 25°로 틸팅 가능한 것이 보다 바람직하며, 0° 내지 15°로 틸팅 가능한 것이 특히 바람직하다. 이것은 라이너의 돔 섹션에 섬유 구조를 보다 정확하게 적용하는 것을 가능하게 한다.
복합 구성요소의 제조 디바이스는 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암을 단 2개만 포함할 수 있다. 그러나, 하나의 복합 구성요소를 제조하기 위한 사이클 시간을 줄이기 위해, 복합 구성요소의 제조 디바이스가 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암을 3개 이상 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 복합 구성요소의 제조 디바이스는 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암을 2개 내지 12개, 보다 바람직하게는 3개 내지 10개, 특히 바람직하게는 3개 내지 8개 포함한다. 권취 프로세스 동안, 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암으로부터의 섬유 구조는 라이너에 동시에 적용될 수 있고, 이에 따라 예컨대 동일한 개수의 섬유층을 적용하기 위해 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 개수를 2배로 함으로써 사이클 시간은 절반이 되고, 가동 아암의 개수를 3배로 함으로써 사이클 시간은 1/3로 줄어든다.
권취 프로세스에서는, 라이너 상에 섬유 구조를 적용하고, 라이너에 권취된 후에 섬유를 기재 재료로 함침시키거나, 먼저 섬유 구조를 함침하고 함침된 섬유 구조를 라이너 상에 직접 적용(습식 필라멘트 권취)하거나 함침된 섬유 구조를 시간차를 두고 적용(건식 필라멘트 권취)하는 것이 가능하다. 보강 섬유와, 기재 물질로서 사용되는 열가소성 섬유의 조합인 섬유 구조를 적용하는 것도 또한 가능하다. 또한, 라이너 상에 함침된 섬유를 적용하고, 함침된 섬유의 적용이 완료된 후에 추가의 기재 재료를 적용하는 것도 또한 가능하다.
바람직하게는, 섬유 구조는 라이너 상에 적용되기 직전에 함침된다. 섬유 구조를 함침하기 위해, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암에 함침된 섬유를 공급하는 것이 가능하다. 그러나, 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암은 섬유 구조 함침을 위한 디바이스를 포함한다. 섬유 구조 함침을 위한 상기한 디바이스는, 예컨대 섬유 구조가 통과하여 연장되고, 기재 재료를 포함하는 튜브를 포함할 수 있다. 기재 재료 함유 튜브를 통과하여 연장하는 동안, 섬유 구조는 기재 재료로 함침된다. 그러나, 이러한 유형의 섬유 함침을 위한 디바이스는, 고속 프로세스에서 튜브에 있는 기재 재료에 기포가 형성되어 섬유 구조에 혼힙될 수 있다는 단점을 갖는다. 기포가 있는 섬유 구조의 위치에서, 섬유 구조는 기재 재료로 충분히 함침되지 않으며, 이로 인해 복합 구성요소에 결함이 발생할 수 있다.
복합 구성요소에 블로우 홀(blowhole)이 형성되는 것을 방지하기 위해, 함침 중에 섬유 구조로부터 공기를 압축 제거할 수 있는, 섬유 구조 함침을 위한 디바이스를 사용하는 것이 바람직하다. 섬유 구조 함침을 위한 상기한 디바이스는, 예컨대 기재 재료를 수용하기 위한 배스, 섬유 구조를 배스로 밀어넣기 위한 편향 유닛 및 배수 유닛을 포함한다. 섬유 구조 함침을 위한 각각의 디바이스가, 예컨대 WO-A 2018/036790에 설명되어 있다.
편향 유닛에 의해 섬유 구조가 밀어넣어지는 배스를 사용하는 것은, 섬유 구조에 대한 편향 유닛의 압박에 의해, 공기가 섬유 구조 밖으로 압박되고, 섬유 구조가 기재 재료로 충분히 함침될 수 있다는 추가의 효과를 갖는다. 더욱이, 복합 구성요소의 제조 디바이스의 작동 중에 배스를 재충전하는 것이 가능하며, 이는 작동을 연속시키는 것을 가능하게 하며, 이로 인해 기재 재료를 재충전하기 위해 중단할 필요가 없다. 기재 재료는 이에 의해, 예컨대 펌프 및 튜브에 의해 중앙 공급부로부터 튜브를 통해 배스를 기재 재료를 펌핑하는 것에 의해 배스로 자동으로 충전될 수 있다.
섬유 구조로부터 과량의 재료를 제거하기 위해, 과량의 재료를 닦아내는 와이퍼를 제거하는 것도 또한 가능하다. 그러나, 섬유 구조로부터 과량의 재료를 제거하는 것뿐만 아니라 섬유의 체적 함량을 조정하는 것이 특히 바람직하다. 섬유의 체적 함량을 조정하기 위해, 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스는 바람직하게는 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스를 포함한다. 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스는, 예컨대 과량의 재료를 닦아내는 와이퍼일 수 있다. 과량의 재료를 닦아내는 와이퍼를 사용하여 섬유의 체적 함량을 조정하기 위해, 섬유 구조를 와이퍼에 대해 압박하는 압력이 조정된다.
대안으로서, 기재 재료의 체적에 따라 섬유 함량을 조정하기 위해, 예컨대 WO-A 2019/025439에 설명되고, 함침된 섬유가 통과하는 적어도 하나의 개구를 포함하는 디바이스로서, 이 디바이스의 최소 개구 섹션에서의 각각의 개구가, 너무 많은 기재 재료가 함침된 섬유 구조로부터 제거되어 바람직한 섬유의 체적 함량이 달성되도록 치수가 정해지는 디바이스를 사용하는 것이 가능하다.
닦아낸 기재 재료의 재사용을 가능하게 하기 위해, 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스는 배수 유닛을 포함한다. 배수 유닛에서, 섬유 구조로부터 닦아낸 과량의 기재 재료나 섬유의 체적 함량을 조정하기 위해 섬유 구조로부터 닦아낸 기재 재료가 수집되고 배스로 재순환된다. 이러한 목적으로, 과량의 기재 재료를 제거하는 와이퍼나 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스가 섬유 구조를 함침시키는 배스 바로 뒤에 배치되는 경우, 배수 유닛은 섬유 구조로부터 닦아낸 기재 재료가 적하되어 배스로 다시 흐르게 하는 경사면을 포함한다.
섬유를 함침시키기 위한 디바이스는, 과량의 수지의 효율적인 제거를 가능하게 하여, 섬유로부터 과량의 수지가 적하하는 일 없이 섬유를 라이너에 적용할 수 있다. 기재 재료의 의도치 않은 적하는, 이들 디바이스를 세척하기 위해 제조 중단을 필요로 하는, 유지 디바이스의 가동 아암의 오염을 초래한다. 더욱이, 섬유로부터의 기재 재료의 적하는 라이너 상의 불균일한 재료 분배 및 불량한 제조 품질을 야기할 수 있다.
기재 재료를 위한 배스와, 기재 재료를 포함하는 배스로 섬유 구조를 압박하는 편향 유닛을 포함하는 섬유 함침용 디바이스를 사용하는 것 외에, 기재 재료가 흡수된 다공성 재료와, 다공성 재료 내로 기재 재료를 미터링(metering)하는 미터링 유닛을 포함하는 섬유 구조 함침용 디바이스를 사용하는 것도 또한 가능하며, 이 경우, 섬유 구조를 다공성 재료의 단부 페이스에 대해 압박하는 유닛이 포함되거나, 다공성 재료가 슬리브에 수용되고, 섬유 구조가 슬리브의 다공성 재료를 통과해 안내될 수 있다. 상기한 섬유 구조 함침을 위한 디바이스가, 예컨대 WO-A 2019/115587에 설명되어 있다.
수지의 점성을 제어하기 위해, 섬유 함침을 위한 디바이스는 선택적으로 온도 제어부를 포함한다. 예컨대, 섬유 함침을 위한 디바이스는 가열 또는 냉각용 매체가 흐를 수 있는 저부측에 채널 또는 이중 자켓을 가질 수 있다. 상기한 가열 또는 냉각용 매체는, 예컨대 서모스텟(thermostat)의 온도 제어 액체일 수 있다. 섬유 함침을 위한 디바이스 내부에서 수지의 온도는 15 ℃ 내지 30 ℃ 범위로 유지되는 것이 바람직하다. 점성이 높은 수지, 통상 23 ℃에서 1500 mPas를 상회하는 점도를 갖는 수지가 사용되는 경우, 배스에서의 목표 온도는 30 ℃ 내지 60 ℃ 범위일 수 있다.
섬유 구조 함침을 위한 디바이스와 라이너 상의 함침된 섬유 구조 적용부 사이에서 섬유 구조 상의 기재 재료가 경화되는 것을 방지하기 위해, 섬유 구조 함침을 위한 디바이스와 라이너 사이의 거리를 가능한 한 짧게 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위해, 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암 상에 섬유 구조 함침을 위한 디바이스를 배치하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 섬유 구조 함침을 위한 적어도 하나의 디바이스는 중심 회전축에 수직하게 이동 가능한, 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암의 단부에 배치된다. 중심 회전축에 수직하게 이동 가능한, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 단부는 라이너에 가장 근접한, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 부분이다. 따라서, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 이 단부에 섬유 구조 함침을 위한 디바이스는 배치하는 것에 의해, 섬유 구조 함침을 위한 디바이스와 라이너 사이의 거리는 가능한 한 짧다.
특히 재료 기재를 위한 배스를 포함하고, 타이트하게 폐쇄되지 않은 섬유 구조 함침을 위한 디바이스가 사용되는 경우, 섬유 구조 함침을 위한 가동 아암은 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 단부의 위치와는 무관하게 수평 배향을 유지하도록 형성되는 것이 바람직하다. 수평 배향을 유지함으로써, 가동 아암이 고속으로 이동 - 이것은 섬유 구조 함침을 위한 디바이스 내부에서의 액체 기재 재료의 이동을 야기할 수 있음 - 하는 경우에도 기재 재료가 배스로부터 누설되는 것이 방지된다. 이 경우, 높은 기재 재료 충전 레벨이 유리하다. 섬유 구조 함침을 위한 디바이스가 기재 재료로 완전히 충전되는 것이 아니라, 기재 재료와 기재 재료 상부의 가스상을 포함하는 경우, 수평 배향을 유지하는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 배스가 틸팅될 때, 섬유 구조는 기재 재료로 압박되는 것이 아니라, 섬유 구조 함침을 위한 디바이스에서 적소에 위치하고, 이 위치에서 섬유 구조는 섬유 구조 함침을 위한 디바이스의 틸팅된 위치로 인해 더 이상 안내되지 않는다.
기재 재료는 1 성분 수지 또는 2 성분 수지 또는 3 성분 수지일 수 있다. 바람직하게는, 기재 재료는 2 성분 수지이다. 2 성분 수지가 사용되는 경우, 2 성분 수지의 2개 성분이 혼합되고, 섬유 함침을 위한 디바이스로 미터링된다. 3 성분 수지의 경우, 2개 성분이 혼합되고 미터링되는 반면, 제3 성분은 처음 2개 성분의 혼합물 내로 미터링된다. 혼합은, 예컨대 정적 또는 동적 교반기를 사용하여 저압 혼합에 의해 실행될 수 있다. 대안으로서, 혼합은 또한 고압 프로세스에 의해 달성될 수 있다. 2 성분 수지 또는 3 성분 수지를 혼합 미터링하는 표준 상용 장비가 사용될 수 있고, 당업계에 잘 알려져 있다. 혼합 및 미터링을 위한 상기한 장비는 통상 혼합 섹션 및, 혼합된 2 성분 수지를 미터링하는 혼합 헤드를 포함한다.
공급 라인의 폐색을 방지하고 조기 중합을 최소로 줄이기 위해, 혼합 헤드가 섬유 함침을 위한 디바이스에 밀접하게, 특히 1 미터보다 근접하게 위치 설정되는 것이 특히 바람직하다. 특히 바람직하게는, 혼합 헤드의 수지 유출구는 섬유 함침을 위한 디바이스에 직접 연결된다.
바람직하게는, 섬유가 라이너에 권취되는 한, 수지는 섬유 함침을 위한 디바이스로 계속 미터링된다. 계획되지 않은 섬유 구조 권취의 정지 중에 그리고 섬유 구조 적용이 완료된 후, 수지 투여가 중단된다. 본 발명의 디바이스는 고속 권취 프로세스를 허용하고, 자동화된 경우 복합 구성요소를 경화 스테이션에 고속으로 위치 설정하고 공급부로부터 새로운 라이너를 얻기 때문에, 혼합 헤드를 분리하고 제거하여 섬유 함침을 위한 디바이스를 수동으로 세척하는 것이 불필요하다. 다음 라이너에 섬유 구조를 적용하는 것은 섬유 함침을 위한 디바이스의 임의의 세척 없이 재개될 수 있거나, 선택적으로 다음 라이너에 섬유 구조를 적용하는 것을 시작하기 전에 세척액으로 해당 디바이스가 플러싱(flushing)된다.
라이너 상에 함침된 섬유를 권취하는 것을 용이하게 하기 위해, 특히 함침 디바이스가 중심 회전축에 수직하게 이동 가능한, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 단부에 배치되는 경우에는, 중심 회전축이 수평에 대해 65° 내지 90° 범위의 각도로 연장되도록 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암 및 지지부가 배치되도록 하는 방식으로 함침 디바이스를 배열하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 중심 회전축은 75° 내지 90° 범위, 특히 85 내지 90° 범위의 각도로 연장된다. 상기한 중심 회전축의 배향에 의해, 중심 회전축에 수직하게 이동 가능한, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 단부는, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 단부가 이동할 때에 수평방향으로 이동된다. 이것은 특히 섬유 구조 공급을 위한 2개 이상의 가동 아암을 사용하는 경우에 라이너의 제조를 용이하게 하며, 모든 가동 아암은, 섬유 구조가 권취되는 라이너 위에 위치 설정되는지 또는 아래에 위치 설정되는지 여부를 고려하지 않고 권취 위치 주위에 용이하게 배치될 수 있다
본 발명의 본문에서 “수평”이라는 용어는 지리적 수평선에 대한 접선에 의해 형성되는 라인을 의미한다. 특히 지지체가 중심 회전축과 평행하게 이동 가능할 뿐만 아니라 섬유 구조가 라이너 상에 권취되는 위치에 라이너가 있을 때에도, 회전 중심축은 상기한 정해진 배향을 갖는다. 따라서, 회전 중심축과 관련된 모든 위치는 섬유 구조의 권취 중에 중심 회전축의 위치에도 또한 기초한다.
복합 구성요소를 제조하기 위한 섬유 구조는, 섬유 섹션 공급을 위한 각각의 가동 아암에 섬유 구조를 제공하는 중심 공급부에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 이것은, 섬유 구조가 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암으로 안내되어야만 하는 권취 위치 주위에 대칭으로 배치되는, 섬유 구조 공급을 위한 복수 개의 가동 아암을 사용하는 것에 의해, 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암에 섬유 구조를 공급하기 위한 복잡한 구성이 필요하다는 단점을 갖는다. 따라서, 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암은 섬유 구조를 위한 공급부에 할당되는 것이 바람직하다. 섬유 구조를 위한 공급부는, 예컨대 섬유 구조가 풀리는 릴을 포함한다. 각각의 섬유 구조 공급을 위해 섬유 장력을 제어하는 디바이스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 디바이스는 섬유 업계에 잘 알려져 있다. 라이너 상에 함침된 연속적인 섬유를 권취하기 위해서는, 섬유 구조를 위한 각각의 공급부가 섬유 구조의 2개 단부, 즉 현재 라이너 상에 권취된 섬우 구조의 단부와 새로운 섬유 구조의 시작부를 결합시키는 유닛을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해, 새로운 섬유 구조는 통상 추가의 릴에 권취되고, 따라서 섬유 구조를 위한 공급부는 추가의 릴을 위한 지지체도 또한 포함한다.
섬유 구조의 2개 단부를 결합시키는 것은 당업자에게 알려진 각각의 프로세스에 따라 실시될 수 있다. 그러나, 매끄러운 결합을 달성하기 위해서는, 예컨대 독일 연방 환경 재단이 AZ: 31143 하에서 요청한, H. GroBe-Rechtien 저, “짧은 코일에서 높은 적하 탄소 섬유 반제품 생산을 위한 공정 개밸 타탕성 조사에 대한 최종 보고서(Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von hochdrpierfahigen Carbonfaser-Halbzeugen aus Kurzspulen, Abschlussbericht uber eine Machbarkeitsstudie)”, 2014년 11월 출판, 2.3.1장 제23면 내지 제28면에 설명된 바와 같은 스플라이싱(splicing)에 의해 2개 섬유 구조의 단부를 연결하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 프로세스는 로빙(roving)의 자동 변경을 가능하게 한다.
자동화 프로세스에 있어서, 복합 구성요소를 제조하기 위해 섬유 구조의 적용을 완료한 후, 섬유 구조를 복합 구성요소에 가깝게 절단하고, 섬유 구조의 단부를 복합 구성요소에 부착하는 것이 또한 필수적이다. 섬유는 바람직하게는, 수지 배스를 빠져나간 후에 소정 위치에서 절단된다. 이것은, 섬유 함침을 위한 디바이스에서 모든 단일 섬유를 세척하고 재위치 설정하기 위해 수지 배스를 분리하는 것이 불필요하기 때문에 다음 복합 구성요소의 권취를 신속하게 시작하는 것을 가능하게 한다.
절단 디바이스는 각각의 가동 아암의 단부에 위치 설정될 수도 있고, 대안으로서 라이너를 위한 유지 디바이스에 위치 설정될 수도 있다. 절단 디바이스가 라이너를 위한 유지 디바이스에 위치 설정되는 경우, 절단을 위해 가동 아암은, 함침된 섬유를 절단 디바이스 - 이 절단 디바이스에 의해 함침된 섬유가 절단됨 - 로 안내하는 동작을 실행할 것이다. 하나의 절단 디바이스가 각각의 가동 아암을 위해 마련되면, 각각의 가동 아암은 개별 절단 디바이스로 이동된다. 다른 한편, 2개 이상의 가동 아암을 위해 단 하나의 절단 디바이스를 마련하는 것도 또한 가능하다. 이 경우, 섬유 구조 공급을 위한 모든 가동 아암은 이들 가동 아암에 의해 공급되는 섬유 구조를 절단하도록 된 절단 디바이스로 순차적으로 이동된다.
절단 디바이스는, 섬유 구조를 절단하는 데 사용 가능한 임의의 적절한 디바이스일 수 있다. 예컨대 각각의 절단 디바이스는 유압 또는 공압 작동식 가위 또는 칼이다. 더욱이, 자동으로 작동 가능하고 섬유 구조를 절단할 수 있으며 당업자에게 알려져 있는 모든 절단 디바이스가 사용될 수 있다. 권취 프로세스를 완료한 후에 섬유 구조를 절단하기 위해, 섬유 구조를 위한 각각의 가동 아암이 섬유 구조 절단을 위한 절단 디바이스를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 섬유 구조 절단을 위한 디바이스는 특히 바람직하게는, 섬유 구조가 복합 구성요소에 가깝게 절단 가능하도록 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암의 단부에 근접하게 위치 설정된다.
더욱이, 권취 위치로부터 복합 구성요소를 제거하기에 충분한 공간을 얻기 위해서는, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암이 복합 구성요소로부터, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암을 터치하지 않고 복합 구성요소를 제거할 수 있는 거리를 둔 위치로 이동되는 것이 필수적이다. 더욱이, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암이 이 위치에 위치하면, 섬유 구조를 권취하기 위한 새로운 라이너를 해당 위치로 배치하는 것이 가능하다.
자동화 프로세스는 또한, 새로운 라이너를 섬유 구조를 권취하기 위한 위치로 배치한 후에 섬유 구조를 라이너에 부착할 수 있다. 이러한 목적으로, 예컨대 핀서(pincer)가 라이너를 위한 유지 디바이스에 위치 설정된다. 권취 프로세스의 시작 시, 함침된 섬유를 운반하는 가동 아암은 핀서 위치를 향해 이동할 것이다. 아암의 동작에 의해, 섬유는 핀서 내로 관통된 다음, 유지 디바이스 주위에 권취된다. 이러한 방식으로, 섬유는 라이너에 자동으로 부착될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 핀서는 라이너 저장부로부터 라이너를 픽업하기 전에 라이너 유지를 위한 지지체와 함게 가동 아암에 의해 픽업되는 1회용 슬리브에 부착된다.
대안으로서, 라이너에 섬유 구조를 부착하기 위해, 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암이 라이너 상에 섬유 구조를 배치하는 핀서를 포함할 수 있다. 이에 의해, 핀서는 섬유 구조를 잡아서 라이너 상에 배치할 수 있는 임의의 핀서일 수 있다. 핀서를 사용하는 다른 장점은, 권취 프로세스의 완료 후에, 섬유 구조가 라이너 상에서 원하는 위치에 배치되어, 해당 위치에 고정될 수 있다는 것이다.
완전 자동화 제조 프로세스에 있어서, 라이너가 라이너 공급부로부터 공급되어 권취 위치로 이동되고, 기재 재료로 함침되지 않은 섬유 구조가 라이너 상에 권취되는 경우에는 섬유를 함침시키기 위한 유닛 또는 라이너 상에 권취된 섬유 구조가 기재 재료로 함침된 경우에는 경화 유닛 내에 배치되는 것이 필수적이다. 라이너를 권취 위치로 이동시키기 위해 그리고 섬유 구조를 다음 작동 유닛에 권취한 후, 예컨대 섬유를 함침시키기 위해 또는 기재 재료를 경화시키기 위해, 지지체가 라이너 공급부로부터 라이너를 얻을 수 있는 가동 아암에 장착되어, 라이너를 섬유 구조를 적용하는 위치로 이동시키고, 섬유 구조를 적용한 후에 라이너를 다음 작동 유닛, 예컨대 경화 스테이션에 배치하는 것이 바람직하다.
섬유 구조 공급을 위한 가동 아암과 마찬가지로, 지지체가 장착되는 가동 아암도 또한 로봇 아암인 것이 특히 바람직하다. 원하는 이동을 가능하게 하기 위해, 지지체가 장착되는 가동 아암은 각각 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암과 같이 굴곡 및 트위스팅을 가능하게 하는 적어도 2개의 조인트를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 각각의 로봇 아암은 굴곡 및 트위스팅을 가능하게 하는 적어도 3개의 조인트를 포함한다. 더욱이, 조인트는 바람직하게는 로봇 아암의 상이한 위치에 배치된다. 적어도 2개의 조인트, 바람직하게는 적어도 3개의 조인트로 인해, 아암은 임의의 방향으로 이동될 수 있고, 가동 아암은 높은 정밀도로 제어 가능하다.
복합 구성요소의 매끄러운 표면을 달성하기 위해, 예컨대 경화 스테이션은 함침된 섬유 구조가 적용된 라이너가 경화를 위해 배치되는 몰드를 포함할 수 있다. 섬유 구조를 함침하는 데 사용되는 기재 재료에 따라, 경화 스테이션은 추가로 또는 대안으로서 섬유 구조가 적용된 라이너를 가열하는 가열 요소를 포함할 수 있다. 경화 스테이션이 몰드를 포함하는 경우, 예컨대 가열 요소는 몰드의 전기 가열부이다.
경화 스테이션에서는, 열가소성 기재를 포함하는 섬유 구조를 응고하는 것도 또한 가능하다.
적어도 하나의 섬유 수지 보강 복합층을 포함하는 복합 구성요소의 자동화 제조에 있어서,
(a) 전술한 바와 같은 디바이스의 제1 유지 디바이스 및 제2 유지 디바이스에 의해 라이너 공급부로부터 라이너를 얻는 단계;
(b) 섬유 구조를 적용하기 위한 위치로 라이너를 이동시키는 단계;
(c) 라이너 상에 섬유 구조를 부착하는 단계;
(d) 섬유 구조 공급을 위한 적어도 2개의 가동 아암에 의해 라이너 상에 섬유 구조를 적용하는 단계로서, 섬유 구조는 라이너 상에 적용되기 전에 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스에서 기재 재료로 함침되고, 라이너는 섬유 구조를 라이너 상에 미리 정해진 패턴으로 적용하기 위해 섬유 구조의 적용 중에 중심 회전축을 중심으로 회전되며 중심 회전축에 평행하게 축방향으로 이동되는 것인 단계;
(e) 섬유 구조 적용이 완료된 후, 각각의 섬유 구조를 절단하는 단계;
(f) 섬유 구조가 적용된 라이너를 경화 스테이션에 배치하는 단계;
(g) 선택적으로, 표면 코팅층을 형성하기 위해 섬유 구조가 적용된 라이너가 배치되는 경화 스테이션의 몰드 내에 수지를 주입하는 단계; 및
(h) 주입된 경우, 기재 재료와 수지를 경화하는 단계를 포함하는 프로세스가 실시된다.
이러한 프로세스는 복합 구성요소의 완전 자동화 제조를 가능하게 한다. 가동 아암에 장착되는 제1 유지 디바이스 및 제2 유지 디바이스를 포함하는 지지체를 지닌 본 발명의 디바이스를 사용하는 것에 의해, 라이너가 라이너 공급부로부터 제공되어, 섬유 구조가 라이너에 적용되는 위치로 이동될 수 있다. 더욱이, 그 후 섬유 구조가 적용된 라이너는 다음 작동 유닛, 예컨대 경화 스테이션에 배치될 수 있다. 라이너를 공급하기 위해, 지지체는, 제1 유지 디바이스가 라이너의 일단부에 배치되고, 제2 유지 디바이스가 라이너의 반대측 단부에 배치되는 위치로 이동된다. 그 후, 유지 디바이스들은, 라이너가 제1 유지 디바이스와 제2 유지 디바이스 사이에서 클램핑되는 위치로 이동된다. 이에 의해, 라이너는, 유지 디바이스가 각각 라이너와 접촉하는 위치가 라이너의 중심축 - 이 중심축은 섬유 구조가 라이너 상에 적용되는 위치로 라이너가 이동된 후에 중심 회전축과 일치함 - 상에 놓이도록 배향된다. 유지 디바이스와 라이너의 부착은 바람직하게는 수동 장착 단계 또는 수동 공구의 사용 없이 달성된다.
복합 구성요소를 제조하기 위해 본 발명의 디바이스를 사용하는 권취 프로세스의 다른 장점은, 결함 형성의 증가 없이 복합 구성요소가 1 .5 m/s를 상회하는 권취 속도 - 이 권취 속도는 라이너에 적용되는 함침된 섬유의 속도와 연관이 있음 - 로 제조될 수 있다는 것이다.
특히 함침된 섬유로서 로빙을 사용하여 섬유 보강 탱크를 제조하는 데 있어서, 섬유 보강 탱크를 제조하는 속도는 또한 동시에 적용 가능한 로빙의 양에 좌우된다. 복합 구성요소를 제조하는 본 발명의 디바이스는 각각의 가동 아암에 의해 1개 내지 12개의 로빙, 바람직하게는 2개 내지 12개의 로빙의 적용을 가능하게 한다. 하나의 가동 아암으로 12개를 상회하는 로빙을 적용함으로써 라이너의 돔 섹션이 두꺼워질 수 있다.
제조 품질 및 제조 속도의 최적화를 달성화기 위해, 가동 아암당 최대 12개의 로빙을 적용하고, 하나의 라이너 상에 함침된 섬유를 적용하기 위해 3개 내지 8개의 가동 아암을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
단지 중심 회전축에 평행하게 이동 가능한 지지체를 사용하는 경우, 지지체는 바람직하게는 라이너가 제1 유지 디바이스와 제2 유지 디바이스 사이에 배치될 수 있는 위치로 이동된다. 라이너를 정확한 위치에 배치한 후, 이 실시예에서는 또한 라이너가 제1 유지 디바이스와 제2 유지 디바이스 사이에 클램핑되는 위치로 유지 디바이스들이 이동되며, 그 후 라이너와 함께 지지체가 회전 중심축에 평행하게, 섬유 구조가 라이너 둘레에 권취되는 위치로 이동된다.
섬유 구조를 적용하는 위치에 배치된 후, 각각의 섬유 구조가 라이너 상에 부착되고, 그 후 라이너는 회전축 - 이 회전축에 의해 섬유 구조가 라이너 둘레에 권취됨 - 을 중심으로 회전하기 시작한다. 라이너에 섬유 구조를 권취하는 동안, 지지체는 중심 회전축에 평행하게 이동되며, 이에 의해 라이너도 또한 중심 회전축에 평행하게 이동된다. 라이너의 이러한 동작에 의해, 섬유 구조를 라이너 상에 원하는 패턴으로 쌓는 것이 가능하다. 이에 의해, 섬유 구조의 패턴은 라이너의 회전 속도와, 중심 회전축에 평행한 이동 속도 및 방향에 좌우된다.
예컨대, 섬유 구조는 라이너 주위에 섬유 구조를 권취하는 것에 의해 제조된 연속적인 섬유 보강층이, 예컨대 섬유 구조가 중심 회전축에 수직하게 권취된 적어도 하나의 제1 층과, 섬유 구조가 중심 회전축에 대해 10° 내지 80°의 각도로 라이너 둘레에 권취되는 적어도 하나의 제2 층을 포함하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 제2 층의 섬유 구조는 중심 회전축에 대해 30° 내지 60° 범위의 각도로 라이너 주위에 권취된다. 그러나, 제1 층 및 제2 층의 섬유 구조를 중심 회전축에 대해 동일한 각도나 상이한 각도로 권취하는 것도 또한 가능하며, 이 경우 각 층에서 중심축에 대한 각도는 10° 내지 80°범위이고, 각 층에서 섬유 구조들 사이의 각도는 5° 내지 90°이다.
“후프 와인딩”, “헬리컬 와인딩” 및 “폴라 와인딩”과 같은 섬유 구조의 공통 패턴이, 예컨대 T. Sofi, S. Neunkirchen 및 R. Schledjewski 저, 첨단 제조: 폴리머 & 복합재 과학 2018년 제4권 제3호 제57면 내지 제72면에서 확인된다. 또한, 섬유를 이전층을 완료한 후의 위치에서 다음 층의 시작점으로 가져오는 소위 “커넥터 와인딩”을 포함하는 것이 필수적일 수 있다. 기지의 모든 섬유 구조 패턴이 조합되어 섬유 구조를 형성할 수 있다.
섬유 구조가 중심 회전축에 대해 상이한 각도로, 예컨대 각각의 제1 층에서는 중심 회전축에 수직하게 그리고 각각의 제2 층에서는 10° 내지 80°의 각도로 라이너 주위에 권취되도록 제1 층 및 제2 층을 권취하는 것에 의해, 섬유 구조가 라이너 주위에 권취되는 각도에 기초하여, 기본적으로 인장 강도, 압축 강도 및 굽힙 강도에서의 등방성 속성이 달성될 수 있다.
섬유 구조가 라이너에 권취되는 각도가 상이한 적어도 2개의 층을 적용하는 것 이외에, 각 층에서 동일한 배향의 섬유 구조를 지닌 적어도 2개의 섬유 보강층을 적용하거나 라이너에 단 하나의 층만을 적용하는 것도 또한 가능하다.
기본적으로 등방성 속성을 달성하기 위해서는 또한, 제2 층에서 위에 놓인 섬유 구조가 20° 내지 160°, 바람직하게는 40° 내지 140°, 특히 60° 내지 120°의 각도를 형성하는 방식으로 제2 층에서 연속적인 섬유가 라이너 주위에 권취되는 것이 바람직하다. 섬유 구조를 20° 내지 160°의 각도를 형성하는 방식으로 라이너 주위에 권취하기 위해, 지지체는 라이너와 함께, 라이너가 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암의 공급 지점이 라이너의 일단부에 있는 제1 위치에서 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암의 공급 지점이 라이너의 반대측 단부에 있는 제2 위치로 이동되도록 중심 회전축에 평행하게 이동되고, 라이너는 섬유 구조가 제1 각도로 라이너 주위에 권취되는 것을 달성하기 위해 중심 회전축을 중심으로 회전하며, 라이너는 섬유 구조가 제2 각도로 권취되도록 제2 위치 - 제2 각도는 제1 위치에서 제2 위치로 이동되는 라이너의 각도에 대해 반대 방향으로 정렬됨 - 에서 제1 위치로 다시 이동된다. 이에 의해 라이너의 중심 회전축에 대한 섬유 구조의 각도는 라이너의 회전 속도와, 라이너를 제1 위치에서 제2 위치로 또는 제2 위치에서 제1 위치로 이동시키는 지지체의 속도에 좌우된다. 라이너가 더 느리게 회전하고, 라이너가 더 빠르게 중심 회전축에 평행하게 이동할수록, 중심 회전축에 대한 섬유 구조의 각도는 더 커진다.
제1 위치에서 제2 위치로 그리고 제2 위치에서 다시 제1 위치로의 이동을 반복함으로써, 통상 섬유 구조의 직조 패턴이 형성된다.
섬유 보강 폴리머층을 달성하기 위해, 섬유 구조는 라이너 주위에 권취되기 전에 기재 재료로 함침되는 것이 특히 바람직하다. 섬유 구조를 함침시키기 위해, 바람직하게는 전술한 바와 같은 섬유 구조 함침을 위한 디바이스가 사용된다.
라이너 주위에 권취되는 섬유 구조는 바람직하게는 섬유 구조 공급을 위한 각각의 가동 아암에 할당된 재고로부터 얻어지며, 예컨대 상기 재고는 섬유 구조가 권취된 롤러이다. 라이너 주위에 권취되는 섬유 구조는 “무단 구조”이며, 즉 섬유 구조는 원칙적으로 무제한 길이를 갖고, 제한된 길이는 단지 임의의 긴 섬유 구조는 재고에 포함될 수 없다는 불가피성에 기인한다. 바람직하게는, 섬유 구조는, 하나의 구조의 단부가 도달될 때에 후속하는 새로운 구조가, 예컨대 무단 섬유를 사용하는 경우에는 매듭매기에 의해 또는 바람직하게는 로빙을 섬유 구조로서 사용하는 경우에는 전술한 바와 같은 스플라이싱에 의해 이전 구조에 간단히 연결될 수 있다. 프로세스에서 사용 가능한 섬유 구조는, 예컨대 부직물, 피륙, 편직물, 개별 섬유 또는 로빙이다. 섬유 구조가 로빙을 포함하는 것이 바람직하다.
섬유 구조는 바람직하게는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 합성 섬유, 예컨대 폴리머 섬유 또는 울, 면, 삼, 아마와 같은 천연 섬유를 포함한다. 섬유 구조는 단 하나의 섬유 유형 또는 상이한 섬유 유형을 포함할 수 있다. 섬유의 선택은, 특히 구성요소를 위한 기계적 요건에 의해 결정된다. 그러나, 상이한 섬유를 사용하는 것이 아니라, 단 하나의 재료로 이루어진 섬유를 사용하는 것이 통상적이다. 특히 바람직하게는, 섬유 구조는, 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아라미드 섬유를 포함한다.
섬유 구조에 함침 가능한 기재 재료는 임의의 원하는 열가소성 폴리머일 수도 있고, 열경화성 또는 열가소성 폴리머 제조를 위한 반응 물질을 함유할 수도 있으며, 이 경우에 반응 물질은 액체나 용해된 상태로 존재해야만 하거나, 열가소성 섬유로서 존재한다. 기재 재료가 열가소성 폴리머이면, 이것은, 예컨대 용융물로서 존재한다. 그러나, 대안으로서, 기재 재료가, 원하는 폴리머를 형성하도록 반응하고, 모노머 용액, 올리고머 용액, 모노머 용융물 또는 올리고머 용융물 형태의 폴리머 제조를 위한 반응 물질을 함유하는 것도 가능하다. 섬유 구조가 열경화성 폴리머로 함침되도록 의도된 경우, 기재 재료는 통상 원하는 열경화성 폴리머의 제조를 위한 반응 물질을 함유한다. 추가로, 기재 재료는 종래의 촉매를 함유할 수 있다. 폴리머 제조를 위한 반응 물질은 일반적으로 폴리머를 형성하는 모노머 또는 올리고머이다. 열가소성 폴리머가 제조되도록 의도되는 경우, 반응 물질은 또한 열경화성 수지를 형성하도록 더욱 반응하는 폴리머로서 존재할 수도 있다.
복합 구성요소의 특성을 조정하기 위해, 기재 재료는 더 많은 첨가제를 함유할 수 있다. 예컨대, 가소제, 충격 강도 개질제, UV 안정제, 난연제, 점도 개질제, 접착 촉진제, 분산제, 계면활성제 및 폴리머의 개질에 통상적으로 사용되는, 당업자에게 알려진 임의의 다른 바람직한 첨가제가 있다.
특히 바람직하게는, 기재 재료는 불포화 에스테르 수지(UP), 비닐 에스테르(VE), 에폭시 수지(EP), 폴리우레탄(PUR), 페놀계 수지 또는 카프로락탐 수지 또는 이들의 조합이나 반응물로부터 선택된다. “폴리우레탄”이라는 용어는, 폴리이소시아누레이트, 폴리우레아, 폴리아미드, 알로파네이트, 뷰렛, 우레트디온, 카르보디이미드 또는 폴리옥사졸리돈과 같은 우레탄에 의해 얻을 수 있는 잘 알려진 구조 유닛을 포함한다.
프로세스에서 사용되는 라이너는 제조 대상 복합 구성요소에 좌우된다. 복합 구성요소가 압력 탱크인 경우, 라이너는 통상 폴리머로 형성되고, 제조 대상 압력 탱크의 내벽 형태를 갖는 강성 라이너이다. 이 경우에 복합 구성요소의 제조를 종료한 후, 라이너는 압력 탱크의 내벽을 형성한다. 라이너는, 예컨대 블로우 몰딩 또는 회전 몰딩에 의해 제조될 수 있다. 라이너가 폴리머로 형성되는 경우, 폴리머는 기재 재료로서 사용한 것과 동일할 수 있다. 라이너가 특정 속성을 갖는 경우, 섬유 보강층을 위해 사용된 폴리머와 상이하고 원하는 특성을 갖는 폴리머를 사용하는 것도 또한 가능하다. 라이머를 제조하기 위한 폴리머와 기재 재료로서의 폴리머가 상이한 경우, 안정한 복합 구성요소를 얻기 위해 단단히 연결될 수 있는 폴리머들을 사용하는 것이 바람직하다. 기재 재료로서 사용되는 폴리머가 라이너의 재료에 접착되지 않는 경우, 라이너의 재료에 대한 기재 재료의 접착을 지원하는 프라이머를 라이너에 도포하거나 라이너에 섬유 구조를 권취하는 것을 시작하기 전에 라이너에 접착제를 도포하는 것도 또한 가능하다.
폴리머 재료로 형성되는 것 이외에도, 라이너는 또한 세라믹, 유리 또는 금속, 예컨대 강, 알루미늄 또는 니켈계 합금으로 형성될 수 있으며, 강제 라이너가 매우 통상적이다. 그러나, 복합 구성요소, 특히 경량의 압력 탱크를 얻기 위해, 폴리머 재료, 특히 열가소성 폴리머로 형성된 라이너를 사용하는 것이 바람직하다. 라이너를 위한 바람직한 폴리머 재료로는 폴리에틸렌, 폴리아미드 및 폴리우레탄이 있다. 라이너 재료는 용기 내에 저장되는 가스에 관한 투과성 - 이 투과성은 최대한 낮아야만 함 - 에 기초하여 선택된다.
전술한 바와 같은 강성 라이너에 대한 대안으로서, 라이너는 또한 팽창 블래더일 수 있다. 블래더는 개별 팽창 가능한 챔버들의 서브셋을 포함할 수 있다. 완전 팽창 상태에서, 블래더는 복합 구성요소의 내면의 형상을 갖고, 팽창 블래더가 제1 유지 디바이스와 제2 유지 디바이스 사이에 고정되도록 하는 마운팅에 부착된다. 완전 팽창된 팽창 블래더는 공급부로부터 얻어지며, 섬유 구조를 적용하기 위한 위치로 이동된다. 섬유 구조가 부착되어 적용되며, 각각의 섬유 구조가 절단된 후, 섬유 구조가 적용된 팽창 블래더가 경화 스테이션으로 이동된다. 기재 재료를 경화한 후, 블래더는 수축되고, 유지 디바이스들 중 적어도 하나에 부착된 마운팅을 제거하는 것에 의해 섬유 구조로부터 제거된다. 블래더는 검사되고, 세척되며, 재사용된다. 복잡한 대형 복합 부품의 제조를 위해 팽창 블래더를 사용하는 일례를, 예컨대 US-A 9,669,589에서 확인할 수 있다.
결함이 없는 복합 구성요소를 얻기 위해, 섬유 구조를 적용하는 것을 시작하기 전에 라이너를 세척하는 것이 더욱 바람직하다. 라이너를 세척하기 위해, 예컨대 압축 공기를 사용하여 먼지를 날려 보내는 것이 가능하다. 더욱이, 특히 라이너의 표면에 접착된 그리스나 지방 또는 다른 불순물을 제거하기 위해, 계면활성제를 포함하는 용매 및/또는 물을 사용하여 라이너를 세정할 수 있다. 용매 또는 계면활성제를 사용하여 라이너를 세정한 후, 섬유 구조 권취를 시작하기 전에 라이너를 탈이온수로 헹구고 건조시키는 것이 바람직하다. 라이너 세척은, 제1 및 제2 유지 부재를 지닌 지지체를 사용하여 라이너가 통과하는 세척 유닛에서 이루어지거나, 라이너가 섬유 구조 권취를 위한 위치에 배치되기 전에 라이너가 취출되는 지지체에 배치되기 전에 이루어질 수 있다. 라이너가 라이너를 위한 공급부에 배치되기 전에 세척되는 경우, 섬유 구조를 적용하는 것을 시작하기 전에 먼지를 날려 보내는 것이 특히 바람직하다. 제조를 위한 라이너를 준비하기 위해, 라이너를 화염 처리 또는 코로나 처리로 처리하는 것이 더욱 바람직하다.
정해진 표면을 얻기 위해 그리고 복합 구성요소의 표면으로부터의 섬유 부스러기를 방지하기 위해, 섬유 구조를 절단하기 전에 복합 구성요소를 미리 정해진 위치로 이동시키는 것이 바람직하다. 섬유 구조를 절단하기 위해, 라이너로부터 돌출하는 섬유 구조의 단부가 최대한 짧도록 섬유 구조 공급을 위한 아암을 최대한 라이너에 근접하게 이동시키는 것이 더욱 바람직하다. 가동 아암이 핀서를 포함하는 경우, 핀서로 섬유 구조의 단부를 라이너 상에 놓는 것이 바람직하다. 이것은 구성요소의 표면으로부터 섬유가 돌출하는 일 없이 복합 구성요소의 자동화 제조를 가능하게 한다.
섬유 구조를 절단한 후, 섬유 구조에 함침되는 기재 재료가 경화된다. 섬유 구조가 라이너에 권취되기 전에 함침되지 않는 경우, 섬유 구조는 권취가 종료된 후에 함침된다. 또한, 섬유 구조가 라이너에 권취되기 전에 함침된 경우에도 복합 구성요소에 기재 재료의 추가의 층을 적용하는 것이 가능하다. 두번째 경우, 기재 재료를 경화하기 전에, 섬유 구조가 함침되거나 기재 재료의 추가의 층이 적용된다.
매끄러운 표면을 얻기 위해, 경화 후에 섬유 보강층에 추가의 폴리머층을 적용하는 것도 또한 가능하다. 대안으로서, 함침된 섬유 구조가 적용된 라이너가 매치되는 몰드를 지닌 경화 스테이션을 사용하는 것도 또한 가능하다. 몰드는 제조 대상 복합 구성요소의 외부 형태를 갖는다. 매끄러운 표현을 위해 또는 특정 속성, 예컨대 특별한 표면 외관, 매끄러움, 강성 및/또는 내충격성을 갖는 추가의 층을 적용하기 위해, 복합 구성요소 상에 추가의 층을 형성하는 폴리머 재료를 몰드 내에 주입하는 것이 가능하다.
복합 구성요소 제조를 위한 디바이스의 처리량을 증가시키기 위해, 경화 스테이션은 섬유 구조를 갖는 라이너를 수용하는 다수의 유닛을 포함하는 것이 바람직하며, 이 유닛은, 섬유 구조가 적용된 라이너가 유닛에 배치된 후에, 유닛이 다른 위치로 이동되고, 섬유 구조가 적용된 라이너를 수용하는 새로운 유닛이 섬유 구조가 적용된 라이너를 수용하는 위치로 이동되도록 이동 가능하다. 라이너 상에 섬유 구조를 권취하자마자, 라이너는 유닛에 배치되고, 지지체는 다음 복합 구성요소를 제조하기 위해 새로운 라이너를 가져올 수 있다.
기재 재료의 경화가 종료된 후 또는 기재가 더 이상 흐르지 않을 때까지 경화가 계속된 후, 복합 구성요소는 경화 스테이션으로부터 제거된다.
매끄러운 표면을 얻기 위해 그리고 기재 재료가 섬유 구조가 적용된 라이너에서 흘러내려 돌출부를 형성하는 것을 방지하기 위해, 기재 재료를 경화하는 동안에 섬유 구조가 적용된 라이너를 수평 회전축을 중심으로 회전시키는 것이 바람직하다. 이것은, 섬유 구조가 적용된 라이너가 경화를 위한 몰드 내에 배치되지 않는 경우에 특히 바람직하다.
압력 탱크를 제조하기 위해서 뿐만 아니라, 본 발명의 디바이스 및 방법은 적어도 하나의 섬유 권취 보강층을 갖는 임의의 복합 구성요소, 예컨대 폴, 포스트, 물 가열기 또는 상이한 가스를 위한 저장 탱크를 제조하는 데 사용될 수 있다. 압축 탱크의 경우, 라이너는 최종 복합 구성요소에 남아 있을 수도 있고, 대안으로서 복합 구성요소가 라이너 제거를 가능하게 하는 형상을 갖는 경우에는, 새로운 구성요소를 제조하는 데 재사용 가능한 맨드릴도 또한 사용될 수 있다. 재사용 가능한 매드릴이 사용되는 경우, 맨드릴은 바람직하게는 기재 재료 경화 후에 복합 구성요소로부터 제거된다. 이전 복합 구성요소의 경화 중에 새로운 복합 구성요소를 제조하는 것이 가능하기 때문에, 제거 후 맨드릴은 공급부에 배치되고, 맨드릴은 제1 및 제2 유지 디바이스를 지닌 지지체로 가져올 수 있다. 재사용 가능한 맨드릴이 라이너로서 사용되는 경우, 새로운 복합 구성요소를 위해 섬유 구조 권취를 시작하기 전에 맨드릴을 세척하는 것이 더욱 바람직하다.
압력 탱크를 제조하는 예를 이용하여 본 발명의 예시적인 실시예를 도면에 도시하고, 아래의 설명에서 보다 상세히 설명하겠다.
도 1은 섬유 보강층을 포함하는 압력 탱크의 제조 방법을 보여주고,
도 2는 라이너 상에 함침된 섬유를 부착하기 위한 핀서를 지닌 슬리브와 절단 디바이스를 보여주며,
도 3 내지 도 6은 섬유 보강층을 포함하는 압력 탱크의 제조 방법의 방법 단계를 보여주고,
도 7은 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스의 평면도를 보여주며,
도 8은 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스의 단면도를 보여주고,
도 9 및 도 10은 폐쇄 및 개방 위치에서 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스를 보여주며,
도 11은 기재 재료를 혼합하고 미터링하는 디바이스를 사용하여 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스의 측면도를 보여준다.
도 1은 섬유 보강층을 포함하는 압력 탱크의 제조 방법을 보여준다.
압력 탱크를 제조하기 위해, 라이너(1)가 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(4) 사이에 고정된다. 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5)는 지지체(7)의 일부이다. 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5)를 지닌 지지체(7)는, 라이너(1)가 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5)를 통과하여 연장되는 중심축(9)을 중심으로 회전할 수 있도록 하는 방식으로 구성된다. 라이너(1)를 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5) 사이에 고정하기 위해, 예컨대 유지 디바이스(3, 5)를 중심축(9)을 따라 이동시키고 라이너(1)를 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5) 사이에 고정하는 것이 가능하다. 이 경우에, 유지 디바이스(3, 5)는, 라이너(1)가 유지 디바이스(3, 5)에 의해 지지체(7)에 고정될 때에 라이너를 압박하는, 예컨대 핀이나 평판을 포함한다.
지지체(7)는, 라이너가 중심축(9)에 평행하게 이동되도록 하는 방식으로 이동 가능한 가동 아암(11)을 포함한다. 라이너(1)가 중심축(9)에 평행하게 이동되는 동안, 섬유 구조(13)는 라이너(1)에 부착된다. 섬유 구조(13)를 라이너(1)에 부착하는 동안, 라이너는 중심축(9)을 중심으로 회전한다. 이와 동시에, 라이너는 중심축(9)에 평행하게 앞뒤로 이동된다. 이러한 동작에 의해, 섬유 구조(13)가 라이너(1) 주위에 권취된다. 섬유 구조는 바람직하게는, 직조 패턴(15)이 라이너 상에 형성되도록 연속적인 섬유를 포함한다. 섬유 보강 폴리머층을 달성하기 위해, 섬유 구조(13)는 기재 재료는 , 예컨대 경화 시에 폴리머를 형성하는 모노머나 올리고머 또는 용융 열가소성 폴리머 또는 열가소성 폴리머로 형성된 섬유로 함침된다.
사이클 시간을 줄이기 위해, 섬유 구조(13)는 2개 이상의 위치에 적용된다. 이에 따라, 섬유 구조(13)를 적용하는 위치는 바람직하게는 중심축(9)에 수직한 동일한 평면에 있다. 특히 바람직하게는, 섬유 구조(13)는 3개 내지 8개 위치에서 적용되며, 이 경우에 각각의 위치에는 최대 12개의 섬유 구조가 적용될 수 있다.
라이너 상에 적용이 종료된 후에 섬유를 절단하기 위해, 절단 디바이스(12)가 지지체 상에, 바람직하게는 여기에 도시한 바와 같이 제1 유지 디바이스(3)에 또는 제2 유지 디바이스(5) 상에 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 권취 프로세스 시작 시에 라이너(1)에 섬유를 부착하기 위해 핀서(14)를 지닌 슬리브가 마련된다. 핀서(14)를 지닌 슬리브는 바람직하게는 일회용 슬리브로, 라이너(1)를 픽업하기 전에 가동 아암(11)을 사용하여 유지 디바이스(3, 5) 중 어느 하나에 의해 픽업된다. 특히 바람직하게는, 핀서(14)를 지닌 슬리브는, 절단 디바이스(12)가 부착되는 것과 동일한 유지 디바이스(3, 5)로부터 픽업된다.
절단 디바이스(12)와 핀서(14)를 지닌 슬리브는 도 2에 보다 상세히 도시되어 있다.
함침된 섬유 구조를 새로운 라이너에 부착하기 위해, 핀서(18)가 부착된 슬리브(16)가 사용된다. 슬리브(16)는 바람직하게는 라이너를 픽업하기 전에 가동 아암(11)의 제1 유지 디바이스(3) 또는 제2 유지 디바이스(5)에 의해 픽업되는 일회용 슬리브이다. 일회용 슬리브가 사용되는 경우, 섬유 구조(13)는 권취 프로세스 중에 적어도 부분적으로 슬리브(16) 주위에 권취되고, 완성된 권취 복합 구성요소로부터 돌출하는 슬리브(16)의 부분이 절단된다.
절단 디바이스(12)는, 라이너 상에 함침된 섬유 구조를 권취하는 것이 완료된 후에 함침된 섬유 구조 공급을 위한 디바이스가 절단 디바이스(12)로 이동 가능한 방식으로 제1 유지 디바이스(3) 또는 슬리브(16) 상에 장착된다. 절단 디바이스는, 예컨대 나이프 또는 블레이드일 수 있다. 이 경우, 나이프 또는 블레이드 상에서 함침된 섬유 구조를 이동시키는 것에 의해, 함침된 섬유 구조가 절단된다. 라이너에 근접한 절단 디바이스의 위치로 인해, 절단 후에 라이너로부터 긴 섬유가 매달려 있는 것이 방지된다.
라이너(1) 상에 섬유 구조(13)를 부착하기 위해, 섬유 구조는 가동 아암에 의해 핀서(18) 위치를 향해 이동된다. 가동 아암의 이동에 의해, 하나의 섬유 구조(13)가 하나의 핀서 내에 제공되고, 그 후 라이너가 회전하기 시작하여 권취 프로세스가 시작된다.
일회용 슬리브를 사용하는 것 외에, 다회용 슬리브를 사용하는 것도 또한 가능하다. 그러나, 다회용 슬리브를 사용하는 경우에도, 권취 프로세스를 종료한 후에 슬리브(16)와 함께 라이너를 제거하기 위해, 권취 프로세스를 시작하기 전에 슬리브(16)를 픽업하고 다음 라이너(1)와 함께 새로운 슬리브(16)를 사용하는 것이 바람직하다. 권취 프로세스 후, 섬유 구조(13)가 권취된 라이너로부터 다회용 슬리브가 제거되어, 선택적으로 세척된 다음, 재사용된다.
권취 프로세스를 종료한 후 또는 권취 프로세스 동안에 핀서(18)로부터 섬유 구조를 완전히 제거하는 것이 가능한 경우에는, 핀서를 제1 유지 디바이스(3)나 제2 유지 디바이스(5)에 직접 장착하는 것도 또한 가능하다. 이 경우, 슬리브(16)를 사용할 필요가 없다.
적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소인 압력 탱크를 제조하는 단계가 도 3 내지 도 6에 도시되어 있다.
도 3에 도시한 제1 단계에서, 라이너(1)는 제1 유지 디바이스(3) 및 제2 유지 디바이스(5)를 지닌 지지체(7)에 의해 라이너 공급부로부터 인계된다. 지지체(7)는, 바람직하게는 여기에서 로봇 아암으로 제시된 가동 아암(11) 상에 장착된다.
도 3 내지 도 6에 도시한 복합 구성요소의 제조 디바이스는 섬유 구조를 공급하기 위한 지지체 및 3개의 가동 아암(17)을 지닌 로봇 아암을 포함한다. 섬유 구조를 공급하기 위해, 가동 아암(17)은 섬유 구조(13)를 위한 공급 지점(19)에서 연결된다. 섬유 구조(13)는 섬유 보강 폴리머층을 제조하기 위해 사용 가능한 임의의 섬유 구조일 수 있다. 섬유 구조는, 예컨대 단일 섬유 또는 로빙을 포함할 수 있다. 로빙이 사용되는 경우, 라이너(1) 주위에 로빙을 권취하거나, 라이너 상에 분리된 섬유를 권취하기 전에 로빙의 섬유들을 분리하는 것이 가능하다.
섬유 구조를 공급하기 위한 가동 아암(17)은 로봇 아암이며, 이는 라이너에 대한 섬유 구조를 위한 공급 지점(19)의 정확한 위치 설정을 가능하게 한다. 섬유 구조를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)은 섬유 구조(13)를 위한 공급부(21)와 연결된다. 섬유 구조(3)는 공급부(21)로부터 인계되고, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암(17)을 따라 섬유 구조(13)를 함침시키기 위한 디바이스(23)를 통과하여 뻗는다.
라이너(1)를 잡기 위해, 제1 유지 디바이스(3) 및 제2 유지 디바이스(5) 각각이 라이너(1)의 일측부에 배치되고, 라이너(1)가 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5) 사이에 고정된다. 라이너를 고정하기 위해, 수동 작업이나 공구의 사용은 불필요하다.
라이너(1)가 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5) 사이에 고정된 후, 라이너(1)는 가동 아암(11) - 이 가동 아암 상에서 지지체(9)가, 섬유 구조(13)가 라이너(1) 상에 적용되는 위치에 장착됨 - 에 의해 이동된다. 이것은 도 4에 도시되어 있다.
섬유를 적용하기 위해, 라이너(1)가 섬유 구조(13)를 권취하기 위한 위치로 이동된 후, 섬유 구조를 위한 공급 지점(19)은 라이너 상에 함침된 섬유 구조(13)의 단부를 고정하기 위해 라이너(1)에 근접하게 이동된다. 섬유 구조(13)가 라이너(1) 상에 고정된 후, 라이너(1)는 회전하기 시작하고, 섬유 구조(13)는 라이너(1) 상에 권취되며, 이 경우에 라이너(1)는 도 1에 도시한 바와 같이 중심축에 평행하게 이동된다.
라이너 상에 섬유 구조(13)를 권취하는 것을 종료한 후, 섬유 권취 보강 폴리머층이 완성되고, 권취된 섬유 구조가 적용된 라이너가 경화 스테이션으로 이동된다. 이것은 도 5에 도시되어 있다. 섬유 구조가 권취된 라이너(25)를 경화 스테이션으로 이동시키기 위해, 섬유 구조 공급을 위한 가동 아암(17)이 섬유 구조가 권취된 라이너(25)로부터 멀어지게 이동한다. 그 후, 섬유 구조가 권취된 라이너(25)를 경화 스테이션(27)으로 보내기 위해 가동 아암(11)이 지지체와 함께 회전한다.
복합 구성요소의 연속 제조를 위해 그리고 경화가 라이너(1) 주위에 섬유 구조(13)를 권취하는 것보다 오래 지속되는 경우, 경화 스테이션(27)은 각각 하나의 복합 구성요소를 경화시킬 수 있는 복수 개의 몰드(29)를 포함하는 것이 바람직하다. 자동화 제조를 위해, 섬유 구조가 권취된 하나의 라이너(25)를 몰드(29)에 배치한 후, 다음 몰드(29)가, 섬유 구조(25)가 권취된 다음 라이너가 몰드 내에 배치될 수 있는 위치로 이동되는 것이 필요하다. 이러한 목적으로, 경화 스테이션은 특히 도 6에 도시한 바와 같이 수평 또는 수직 회전 테이블 형태이다. 복합 구성요소에 인열 형성을 방지하기 위해, 특히 압력 탱크와 같은 축방향 대칭 구성요소의 경우, 복합 구성요소는 경화 중에 대칭축을 중심으로 회전하는 것이 바람직하다.
선택적으로 권취 구조(25)를 지닌 라이너(1)를 몰드(29) 내에 배치한 후, 권취 구조(25)의 표면 상에 얇은 코팅을 형성하기 위해 수지가 몰드(29) 내에 주입될 수 있다. 얇은 코팅은 바람직하게는 0.1 mm 내지 5 mm 범위의 두께를 갖는다. 수지는 불포화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 에폭시 또는 폴리우레탄일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 수지는 폴리우레탄이다. 폴리우레탄 수지를 주입한 후, 수지는 몰드(29)에서 경화된다.
섬유 보강 폴리머층 그리고 선택적으로 수지를 경화한 후, 복합 구성요소는 몰드로부터 분리된다. 분리는 폴리머가 완전히 경화되기 전에도 또한 일어날 수 있다. 이 경우, 폴리머는 폴리머 전구체가 더 이상 액체가 아니고 달라붙지 않은 상태로 경화되어야만 한다.
슬리브(16)는 복합 구성요소, 예컨대 압력 용기를 제조하는 데 사용되고 나면, 경화를 위해 제거된다. 이 단계에서, 밸브와 같은 다른 마운팅이 설치된다.
도 7은 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스의 평면도를 보여준다.
섬유 구조를 함침시키기 위해, 섬유 구조(13)는 섬유 구조에 함침되는 기재 재료를 포함하는 배스(31)를 통해 안내된다. 다수의 섬유가 섬유를 함침시키기 위한 디바이스에 공급되는 경우, 섬유는 바람직하게는 분리되어 편향 유닛(33)을 따라 안내된다. 편향 유닛(33)은, 섬유 구조(13)가 하나의 편향 유닛(33)에 의해 이웃하는 편향 유닛(33)에 대해 압박되는 방식으로 배스에 배치된다. 이로 인해, 섬유 구조가 배스(31)를 통해 지그재그로 안내된다. 상기한 섬유 구조(13)의 지그재그식 안내는, 섬유 구조가 평탄한 섬유 테이프 또는 탄소 섬유 로빙 형태인 경우에 특히 바람직하다. 편향 유닛(33)은 이와 동시에 섬유의 체적 함량을 조정하는 와이퍼로서 작용한다.
도 8은 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스의 단면도를 보여준다.
섬유를 함침시키기 위한 디바이스(23)는 바람직하게는 하부 부분(35)과 덮개(37)를 포함한다. 섬유 구조(13)에 함침되는 기재 재료를 갖는 배스(31)는 하부 부분(35)에 위치한다. 섬유 구조(13)가 가능한 한 완전히 함침되게 하고, 여전히 섬유 구조에 포함된 가스, 특히 공기를 빼내기 위해, 와이퍼가 배스(31)에 추가로 마련된다. 여기에 도시한 바와 같이 와이퍼는 바람직하게는 섬유 구조(13) 위아래에 배치되고, 이 경우에 섬유 구조(13)를 안내하는 와이핑 에지는, 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.1)가 아래에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.2)에 대해 섬유 구조(13)를 압박하고, 대응하는 방식으로 아래에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.2)가 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.1)에 대해 섬유 구조(13)를 압박하도록 정렬된다. 가스를 빼내기 위해 섬유 구조(13)에 작용하는 압력 및 이에 따른 와이퍼(39.1, 39.2)의 유효성은 와이퍼(39.1, 39.2)들이 서로 맞물리는 높이에 의해 설정될 수 있다.
섬유 구조(13)는 편향 롤러(41)에 의해 위에부터 배스(31) 내로 안내된다. 편향 롤러(41) 이후에 섬유 구조(13)가 배스(31) 내로 안내되도록 하기 위해, 와이퍼(39.1)가 먼저 섬유 구조(13)의 이동 방향(43)에 마련되는데, 상기 와이퍼(39.1)는 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용한다. 섬유 구조(13)는 편향 롤러(41)를 통과한 후에 위에서부터 섬유 구조에 작용하는 와이퍼(39.1)에 의해 배스(31) 내로 압박된다. 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 제1 와이퍼(39.1)는 아래에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 적어도 하나의 와이퍼(39.2) 및 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 다른 와이퍼(39.1)에 인접한다. 또 다른 와이퍼도 또한 마련될 수 있으며, 이 경우 섬유 구조(13)의 이동 방향(43)으로 마지막 와이퍼는 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.1)이다. 마지막 와이퍼(39.1) 이후의 섬유 구조(13)는 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)를 통과하도록 안내되고, 상기 디바이스는 일단부에 의해 기재 재료에 침지되고, 섬유 구조(13)가 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스를 빠져나가는 타단부에 의해 기재 재료 외측에 놓인다.함침된 섬유 구조는 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100) 이후에, 추가의 편향 롤러(45)에 의해 안내된다.
여기에 도시한 편향 롤러(41, 45) 대신에, 바람직하게는 적어도 섬유 구조(13)와의 접촉이 일어나는 영역에서 단지 라운드형 에지를 갖고, 특히 라운드형 바인 바를 사용하는 것도 또한 가능하다.
함침된 섬유의 섬유 체적 함량을 설정하기 위해, 여기에 도시한 실시예에서의 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)는 노즐(123)과 도관(125)을 갖는다. 노즐은 원하는 섬유의 체적 함량이 달성되도록 치수가 정해진 최소 단면 페이스를 갖는다. 노즐(123)은 도관(125)에 인접하고, 이 경우 도관(125)은, 너무 커서 도관(125)을 통해 안내되는 함침된 섬유 구조가 도관(125)의 벽에 접촉하지 않는 단면 페이스를 갖는다. 함침 시에 공기 기포나 가스 기포가 섬유 구조에 포함되는 것을 방지하기 위해, 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)가 노즐(123)에 의해 배스(31)의 기재 재료에 침지된다. 함침된 섬유 구조는 노즐(123)을 통과한 후에 노즐(123)에 인접한 도관(125)을 통해 배스(31)의 기재 재료 밖으로 안내될 수 있고, 이때 상기 섬유 구조는 또 다시 기재 재료와 접촉하지 않으며, 이에 따라 노즐(123)을 통과한 후 섬유의 체적 함량은 더 이상 변하지 않는다. 이를 위해, 도관(125)은 액밀식으로 노즐(123)에 연결되므로, 기재 재료가 배스(31)를 빠져나와 도관(125) 내로 진입할 수 없다. 섬유 구조가 빠져나가는 도관(125)의 단부는 작동 시에 기재 재료 외부에 위치한다.
섬유가 섬유 구조를 간단한 방식으로 함침시키기 위한 디바이스(23) 내에 배치될 수 있도록 하기 위해, 위에서부터 섬유 구조에 작용하는 와이퍼(39.1)와 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)는 바람직하게는 배스(31)로부터 회수 가능하도록 피팅된다. 함침 대상 섬유 구조(13)는 기재 재료 외측에서 배스(31) 위에 위치한다. 섬유 구조(13)는 우선 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100) 내에 배치된다. 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.1)도 마찬가지로 여전히 배스(31) 외측에 위치한다. 일단 섬유 구조(13)가 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)에 배치되고 나면, 상기 섬유 구조(13)는 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.1)에 의해 하향 압박된다. 이를 위해, 와이퍼(39.1)는 바람직하게는, 배스(31)를 포함하는 하부 부분(35)에 배치된 덮개(37)에 피팅된다. 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)가 일측부에 의해, 바람직하게는 노즐(123)을 갖는 측부에 의해 배스(31)에 포함된 기재 재료 내에 침지되고, 함침된 섬유 구조가 다시 빠져나갈 수 있는, 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스의 타단부가 기재 재료 외측에 있도록 위치 설정되게 하기 위해, 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)는 바람직하게는, 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)를, 배스(31)를 포함하는 컨테이너에 피팅할 수 있는 적절한 마운팅 상에서 이동 가능하게 피팅된다.
이러한 목적을 위해, 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)는 여기에서 제1 아암(127)에 의해 덮개(37)에 피팅되고, 제2 아암(129)에 의해 하부 부분(35)에 피팅된다.
제1 아암(127)과 제2 아암(129)은 각각 섬유 구조(13)에 수직하게 연장되는 축을 중심으로 회전 가능하도록 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)의 도관(125)에 체결된다. 이로 인해, 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)는, 덮개(37)를 폐쇄할 때에 원하는 위치로 이동된다. 섬유 구조는, 덮개(37)에 체결되고 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.1)에 의해 배스(31)의 기재 재료 내로 압박되고, 이 경우 덮개가 폐쇄된 경우에 섬유 구조는 위에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.1)에 의해 아래에서부터 섬유 구조에 작용하는 와이퍼(39.2)에 대해 압박된다. 여기에서 아래에서부터 섬유 구조(13)에 작용하는 와이퍼(39.2)는 하부 부분(35)에 체결된다.
섬유 구조는 섬유 묶음 또는 복수 개의 개별 로빙으로부터의 묶음으로서 공급될 수 있고, 섬유가 완전히 함침될 수 있도록 하기 위해 배스(31)에서 개별 섬유, 보다 적은 개수의 섬유로 이루어진 유닛 또는 개별 로빙으로 분리될 수 있으며, 이 경우 침지 처리된 후의 섬유 또는 로빙은 이 섬유와 로빙이 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스를 통해 안내되기 전에 다시 모아진다. 여기에서 분리는 개별 섬유, 보다 적은 개수의 섬유로 이루어진 유닛 또는 로빙을 안내하는 편향 유닛(33)을 사용하는 것에 수행될 수 있다.
도 9 및 도 10은 폐쇄 및 개방 위치에서 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스를 보여준다.
섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)는 상부 부분(101)과 하부 부분(103)을 포함한다. 각 경우, 하나의 클리어런스(105)가 상부 부분(101)과 하부 부분(103)에 위치한다. 상부 부분(101)과 하부 부분(103)이 조립될 때, 클리어런스(105)는 하나의 개구(107)를 형성한다. 작동 시, 기재 재료가 함침되는 섬유는 개구(107)를 통과하도록 안내되어, 과량의 기재 재료가 개구의 둘레(109)에서 닦여진다.
상부 부분(101)과 하부 부분(103)을 갖는 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)의 구성으로 인해, 섬유의 체적 함량을 설정하는 유닛(100)이 도 10에 도시한 바와 같이 개방되는 것이 가능하다. 이로 인해, 간단한 방식으로 섬유를 섬유의 체적 함량을 설정하는 유닛(100)에 배치할 수 있다.
여기에서 함침 중에 최소 개구 단면은 아래의 조건을 충족한다.
Figure pct00001
[수학식]
상기 수학식에서,
N = 작동 시에 개구를 통과하도록 안내되는 섬유의 개수;
Tex = g/1000 m 단위의 섬유 번수 Tex;
Figure pct00002
= 섬유의 체적 함량;
ρ = 섬유 밀도.
다음 수학식은 섬유의 체적 함량
Figure pct00003
에 적용된다.
Figure pct00004
[수학식]
섬유 체적은 VFiber이고, 기재 체적은 VMatrix이다.
로빙 또는 평면형 섬유 구조가 함침될 시, 각각 개구를 통과하도록 안내되는 로빙 또는 평면형 섬유 구조의 개수 또는 Tex 번수가 섬유의 개수 및 Tex 번수 대신에 삽입되는 것도 가능하다.
연속적인 프로세스를 가능하게 하기 위해, 기재 재료를 연속적으로 제공하는 것이 필요하다. 이러한 목적을 위해, 섬유 함침을 위한 디바이스(23)에 기재 재료를 위한 미터링 유닛을 마련하는 것이 바람직하다. 특히 2 이상의 성분의 수지가 사용되는 경우, 해당 성분들은 섬유 구조(13)를 함침시키기 전에 혼합되어야만 한다. 이러한 목적을 위해, 기재 재료를 혼합 및 미터링하는 디바이스(201)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 11에는 기재 재료를 혼합하고 미터링하는 디바이스를 사용하여 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스의 측면도가 도시되어 있다.
대체로 2개 성분이 접촉된 후에 반응을 시작하여 폴리머를 형성하는 2 성분 수지에서와 같이, 혼합물은 단지 짧은 체류 시간만을 갖는 것이 필요하다. 따라서, 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)의 배스는 단지 소량의 2 성분 수지만을 기재 재료로서 포함한다. 따라서, 연속적인 프로세스에 있어서, 새로운 기재 재료를 배스에 연속적으로 추가하는 것이 필요하다.
2 성분 수지의 성분을 공급하기 위해, 기재 재료의 혼합 및 미터링을 위한 디바이스(21)는 제1 성분을 위한 제1 순환부(203) 및 제2 성분을 위한 제2 순환부(205)를 포함한다. 작동 중에, 제1 성분은 제1 순환부(203)를 통해 순환되고, 제2 성분은 제2 순환부(205)를 통해 순환된다.
제1 순환부(203) 및 제2 순환부(205)를 통해 순환되는 제1 및 제2 성분의 일부는 혼합 헤드(207)에 공급된다. 혼합 헤드(207)에서, 제1 성분과 제2 성분이 혼합된 다음, 공급 라인(209)을 통해 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)의 배스로 미터링된다. 최대한 짧은 혼합된 제1 성분과 제2 성분의 체류 시간을 위해, 혼합 헤드(207)는 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)에 최대한 근접하게 위치 설정된다. 이러한 목적으로, 공급 라인(209)도 또한 최대한 짧다. 대안으로서, 공급 라인(209)을 생략하고 혼합 헤드(207)를, 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)에 직접 장착하는 것이 가능하다.
혼합 헤드(207)는 2 성분 수지의 제1 성분과 제2 성분을 혼합하기 위해 임의의 적절한 혼합기를 포함할 수 있다. 상기한 혼합기는 동적 혼합기 또는 정적 혼합기일 수 있다. 특히 바람직하게는, 혼합 헤드(207)는 정적 혼합기를 포함한다.
1 : 라이너
3 : 제1 유지 디바이스
5 : 제2 유지 디바이스
7 : 지지체
9 : 중심축
11 : 가동 아암
12 : 절단 디바이스
13 : 섬유 구조
14 : 핀서를 지닌 슬리브
15 : 직조 패턴
16 : 슬리브
17 : 가동 아암
18 : 핀서
19 : 연속 적인 섬유를 위한 공급 지점
21 : 섬유 공급부
23 : 섬유를 함침시키기 위한 디바이스
25 : 섬유 구조가 권취된 라이너
27 : 경화 스테이션
29 : 몰드
31 : 배스
33 : 편향 유닛
35 : 하부 부분
37 : 덮개
39.1 : 위에서부터 섬유 구조에 작용하는 와이퍼
39.2 : 아래에서부터 섬유 구조에 작용하는 와이퍼
41 : 편향 롤러
43 : 이동 방향
45 : 편향 롤러
100 : 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스
101 : 상부 부분
103 : 하부 부분
105 : 클리어런스
107 : 개구
109 : 개구의 둘레
123 : 노즐
125 : 도관
127 : 제1 아암
129 : 제2 아암
201 : 기재 재료의 혼합 및 미터링을 위한 디바이스
203 : 제1 순환부
205 : 제2 순환부
207 : 혼합 헤드
209 : 공급 라인

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 디바이스로서,
    - 그 사이에 라이너(1)를 장착하기 위한 제1 유지 디바이스(3) 및 제2 유지 디바이스(5)를 지닌 지지체(7)로서, 제1 유지 디바이스(3) 및 제2 유지 디바이스(5)는, 라이너(1)가 제1 유지 디바이스(3)와 제2 유지 디바이스(5)를 통과해 연장되는 중심 회전축(9)을 중심으로 회전할 수 있도록 형성되는 것인 지지체(7), 및
    - 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 적어도 2개의 가동 아암(17)
    을 포함하고, 지지체(7)는, 라이너(1)가 중심 회전축(9)에 평행하게 축방향으로 이동 가능하도록 설정되며, 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)은 각각 굴곡 및 트위스팅이 가능한 적어도 2개의 조인트를 포함하는 로봇 아암인 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)은 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)를 포함하고, 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)는 바람직하게는 기재 재료를 수용하기 위한 배스(31), 섬유 구조(13)를 배스(31) 내로 압박하기 위한 편향 유닛, 및 배수 유닛을 포함하는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)는 섬유의 체적 함량을 조정하기 위한 디바이스(100)를 포함하는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 섬유 구조(13)를 함침시키기 위한 적어도 하나의 디바이스(23)는, 중심 회전축(9)에 수직하게 이동 가능한, 섬유 구조를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)의 단부에 배치되는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 구조를 공급하기 위한 가동 아암(17)은, 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)가 섬유 구조를 공급하기 위한 가동 아암(17)의 단부 위치와 무관하게 수평 배향을 유지하도록 설정되는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 구조를 공급하기 위한 가동 아암(17) 및 지지체(7)는 중심 회전축(9)이 수평에 대해 65° 내지 90° 범위의 각도로 연장되도록 배치되는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)은 섬유 구조를 위한 공급부(21)에 할당되는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)은 섬유 구조(13)를 절단하기 위한 절단 디바이스를 포함하고/포함하거나, 섬유 구조(13)를 공급하기 위한 각각의 가동 아암(17)은 섬유 구조(13)를 라이너(1) 상에 배치하기 위한 핀서(pincer)를 포함하는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 절단 디바이스(12)와, 함침된 섬유를 라이너(1) 상에 부착하기 위한 핀서(18)를 지닌 슬리브(16)는 제1 유지 디바이스(3) 또는 제2 유지 디바이스(5)에 배치되는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체(7)는 라이너 공급부로부터 라이너(1)를 인계하고, 섬유 구조(13)를 적용하기 위한 위치로 라이너(1)를 이동시키며, 섬유 구조가 적용된 후에 라이너(25)를 다음 작동 유닛에 배치할 수 있는 가동 아암(11)에 장착되는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 기재 재료를 혼합 및 미터링하기 위한 디바이스(201)를 더 포함하고, 이 기재 재료를 혼합 및 미터링하기 위한 디바이스(201)는 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스(23)에 밀접하게 위치 설정되는 혼합 헤드를 포함하는 것인 복합 구성요소의 제조 디바이스.
  12. 적어도 하나의 섬유 권취 보강 폴리머층을 포함하는 복합 구성요소의 제조 방법으로서,
    (a) 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 디바이스의 제1 유지 디바이스(3) 및 제2 유지 디바이스(5)에 의해 라이너 공급부로부터 라이너(1)를 얻는 단계;
    (b) 섬유 구조(13)를 적용하기 위한 위치로 라이너(1)를 이동시키는 단계;
    (c) 라이너 상에 섬유 구조를 부착하는 단계;
    (d) 섬유 구조를 공급하기 위한 가동 아암에 의해 라이너 상에 섬유 구조를 적용하는 단계로서, 섬유 구조는 라이너 상에 적용되기 전에 섬유 구조를 함침시키기 위한 디바이스에서 기재 재료로 함침되고, 라이너는 섬유 구조를 라이너 상에 미리 정해진 패턴으로 적용하기 위해 섬유 구조의 적용 중에 중심 회전축을 중심으로 회전되며 중심 회전축에 평행하게 축방향으로 이동되는 것인 단계;
    (e) 섬유 구조 적용이 완료된 후, 각각의 섬유 구조를 절단하는 단계;
    (f) 섬유 구조가 적용된 라이너를 경화 스테이션에 배치하는 단계;
    (g) 선택적으로, 표면 코팅층을 형성하기 위해 섬유 구조가 적용된 라이너가 배치되는 경화 스테이션의 몰드 내에 수지를 주입하는 단계; 및
    (h) 주입된 경우, 기재 재료와 수지를 경화하는 단계
    를 포함하는 복합 구성요소의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 라이너(1)는 강성 라이너 또는 팽창 블래더인 것인 복합 구성요소의 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 라이너(1)는 섬유 구조(13)를 절단하기 전에 미리 정해진 위치로 이동되는 것인 복합 구성요소의 제조 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 구조가 적용된 라이너(25)는 기재 재료를 경화하는 동안에 수평 회전축을 중심으로 회전하는 것인 복합 구성요소의 제조 방법.
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