KR20230131473A - Composites and Structures - Google Patents

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KR20230131473A
KR20230131473A KR1020237024079A KR20237024079A KR20230131473A KR 20230131473 A KR20230131473 A KR 20230131473A KR 1020237024079 A KR1020237024079 A KR 1020237024079A KR 20237024079 A KR20237024079 A KR 20237024079A KR 20230131473 A KR20230131473 A KR 20230131473A
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KR
South Korea
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helicoid
fiber
plies
fibers
tow
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KR1020237024079A
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Korean (ko)
Inventor
로렌초 멘카텔리
채드 와실렌코프
데스 오우체스 파스칼 조우버트
Original Assignee
헬리코이드 인더스트리스 인코포레이티드
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Abstract

본 명세서에서는 나노재료, 가변적 피치 및 부분 나선, 얇은 일방향 섬유 플라이, 하이브리드 재료, 및/또는 플라이 내의 만곡 섬유를 조합함으로써 내충격성이 강화된 헬리코이드 레이업을 설계 및 제조하기 위한 세부 내용을 설명한다. 소정의 방법으로 생성된 이 헬리코이드 구조는 탄도, 타격력 또는 외래 물체 충격에 의해 시작되는 전파하는 충격파를 감쇄시키기 위해 원하는 파장으로 조정 및 피칭(pitch)될 수 있고, 파국적 파단을 포함하는 파단의 전파를 저지할 수 있다. 이러한 개선으로 헬리코이드 기술은 소비자 제품, 보호용 장갑(armor), 스포츠 장비, 충돌 보호 장치, 풍력 터빈 블레이드, 극저온 탱크, 압력 용기, 배터리 케이스, 자동차/항공우주 부품, 구조 재료, 및 기타 복합재 제품과 같은 용도에 사용할 수 있게 된다.Described herein are details for designing and manufacturing helicoidal layups with enhanced impact resistance by combining nanomaterials, variable pitch and partial helices, thin unidirectional fiber plies, hybrid materials, and/or curved fibers within the plies. do. This helicoidal structure, created by a given method, can be tuned and pitched to a desired wavelength to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, impact forces, or foreign object impacts, and can be used to attenuate fractures, including catastrophic fractures. Transmission can be prevented. These improvements enable helicoid technology to be used in consumer products, protective armor, sports equipment, crash protection devices, wind turbine blades, cryogenic tanks, pressure vessels, battery cases, automotive/aerospace components, structural materials, and other composite products. It can be used for the same purposes.

Description

복합 재료 및 구조Composites and Structures

관련 출원의 상호 참조Cross-reference to related applications

본 출원은 2020년 12월 17일에 출원된 미국 특허출원 번호 제 17/247,603 호 및 2021년 6월 28일에 출원된 미국 특허출원 번호 제 17/304,902 호의 이익을 주장한다. 전술한 특허출원은 모두 어떤 목적으로 든 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합된다. This application claims the benefit of U.S. Patent Application Serial No. 17/247,603, filed December 17, 2020, and U.S. Patent Application Serial No. 17/304,902, filed June 28, 2021. All of the foregoing patent applications are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes.

정부의 이해관계의 진술Statement of Government Interest

개시된 실시형태는 정부의 지원 또는 계약에 따라 이루어진 것이 아니다. 정부는 본 발명에 대해 어떤 권리도 갖지 않는다.The disclosed embodiments are not pursuant to any government grant or contract. The government has no rights to this invention.

본 개시는 내충격 구조에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 헬리코이드 아키텍처(helicoidal architecture)를 갖는 재료의 실시형태에 관한 것이다. This disclosure relates to impact-resistant structures. In particular, the present disclosure relates to embodiments of materials having a helicoidal architecture.

미국 특허 제 6,641,893 호 및 미국 특허 제 9,452,587 호는 그 전체가 참조에 의해 본원에 통합되며, 개개의 층이 길이방향의 축 또는 x-y 축을 따라 인접 층에 대해 미리 정의된 각도로 회전되어 z 방향 헬리코이드 섬유 배향 스택(즉, 라미네이트(laminate))을 생성하는 섬유 강화 탄성 복합재 플라이 적층 방법이 기재되어 있다. 이 헬리코이드 클로킹(helicoidal clocking)은 특정의 나선 피치 또는 원편광(circular polarization)를 생성하도록 선택될 수 있다. 이러한 피치의 섬유의 집합체로부터 형성된 나선체는 탄도, 타격력 또는 외래 물체 충격에 의해 시작되는 전파하는 충격파를 감쇄시키기 위하여 특정 파장으로 조정될 수 있고; 파국적인 파단의 전파를 억제 및 저지하기 위한 매트릭스 첨가제를 가질 수 있고; 섬유와 매트릭스 수지 사이의 탄성률의 차이를 이용하여 둔탁한 충격 또는 예리한 충격으로부터 생성되는 파단을 저지할 수 있다. U.S. Patent No. 6,641,893 and U.S. Patent No. 9,452,587, which are incorporated herein by reference in their entirety, state that individual layers are rotated at a predefined angle relative to adjacent layers along a longitudinal axis or A method of ply laying up fiber-reinforced elastic composites to create a single fiber-oriented stack (i.e., laminate) is described. This helicoidal clocking can be selected to produce a specific helical pitch or circular polarization. Helices formed from aggregates of fibers of this pitch can be tuned to specific wavelengths to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, striking forces, or foreign object impacts; Can have matrix additives to inhibit and arrest the propagation of catastrophic fractures; The difference in elastic modulus between the fiber and the matrix resin can be used to prevent breakage from blunt or sharp impacts.

본 개시는, 예를 들면, 폴리머 기반의 복합 재료의 스택으로서 배치된 얇은 플라이 일방향(TPUD), 얇은 플라이 직물(TPW), 준 일방향 직물(QUDW) 및 하이브리드 섬유 강화 헬리코이드 재료로 내충격 구조를 설계 및 제조하기 위한 세부 내용을 설명한다. 또한 소비자 제품, 보호용 장갑(armor), 스포츠 장비, 충돌 보호 장치, 풍력 터빈 블레이드, 극저온 탱크, 자동차/항공우주 부품, 구조 재료, 및 기타 복합재 제품 등의 상정된 구조를 포함하는 장치가 기재되어 있다. The present disclosure provides impact-resistant structures with thin ply unidirectional (TPUD), thin ply woven (TPW), quasi unidirectional woven (QUDW) and hybrid fiber reinforced helicoid materials arranged as stacks of, for example, polymer-based composite materials. Details for design and manufacturing are explained. Also described are devices containing the proposed structures, such as consumer products, protective armor, sports equipment, crash protection devices, wind turbine blades, cryogenic tanks, automotive/aerospace components, structural materials, and other composite products. .

따라서 본 발명을 일반적인 용어로 설명하기 위해 첨부한 도면을 참조할 것이며, 이들 도면은 반드시 축적에 따라 작도된 것은 아니며, 일부는 적어도 달리 명시되지 않는 한 배경기술을 나타내는 것일 수 있다.Accordingly, to describe the present invention in general terms, reference will be made to the accompanying drawings, which are not necessarily drawn to scale, and some of which may represent background art, at least unless otherwise specified.

도 1은 헬리코이드 기하학적 구조의 일례의 예시도이다.
도 2a 및 도 2b는 매트릭스 수지 분자 구조의 일례를 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 헬리코이드 패턴으로 배치된 섬유 층의 스택을 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 불연속 및 연속 재료 형태를 예시한다.
도 5a 내지 도 5h는 일방향 재료 형태 및 기타 재료 형태를 예시한다.
도 6은 인터레이싱에 의해 발생하는 섬유 권축(crimping)을 예시한다.
도 7a는 본 발명의 실시형태에 따른 3D 만곡 형상 위에 직선 섬유를 배치한 헬리코이드 프리폼(helicoidal preform)을 예시한다.
도 7b는 본 발명의 실시형태에 따른 2D 형상 위에 만곡된 섬유를 배치한 헬리코이드 프리폼을 예시한다.
도 8은 MX 직물 기계의 예시도이다.
도 9는 섬유 금속 라미네이트의 예시도이다.
도 10a 및 도 10b는 복합 샌드위치 구조물의 예시도이다.
도 11은 헬리코이드 라미네이트 스택의 예시를 도시한다.
도 12는 라미나 내부 영역 및 라미나간 영역(interlaminar zone)을 도시한다.
도 13은 본 발명의 실시형태에 따른 개개의 섬유의 라미나간 접촉 길이의 예시를 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 전형적인 복합재의 충격 손상을 도시한다.
도 15의 (a) 내지 (c)는 나노재료가 섬유 사이의 간극 및 균열을 메우고 있는 전형적인 복합재를 도시한다.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 계단형 클로킹 나선체 어셈블리를 도시한다.
도 17은 섬유 배치 스티어링(steering)의 예시를 도시한다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 실시형태에 따른 내충격성 및 내하중 강도의 둘 모두를 포함하는 구조의 개략도이다.
도 19는 스프레드 토우(spread tow) 직물 및 라이트 토우(light-tow) 직물을 도시한다.
도 20의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시형태에 따른 직물 복합재 내의 초기 균열 형성을 도시한다.
도 21의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시형태에 따른 QUDW 직물을 도시한다.
도 22의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시형태에 따른 플라이들 사이의 협각(included angle)이 상이한 QUDW 직물을 도시한다.
도 23의 (a)는 본 발명의 실시형태에 따른 헬리코이드 레이업(layup)의 플라이 배향을 도시한다.
도 23의 (b)는 종래의 얇은 플라이 2축 레이업의 플라이 배향을 도시한다.
도 24는 본 발명의 실시형태에 따른 다양한 플라이 및 배치에 대한 힘 대 변위를 도시한다.
1 is an illustration of an example of a helicoidal geometry.
2A and 2B illustrate an example of a matrix resin molecular structure.
Figure 3 illustrates a stack of fiber layers arranged in a helicoidal pattern according to an embodiment of the invention.
4A and 4B illustrate discontinuous and continuous material morphologies.
5A-5H illustrate unidirectional material configurations and other material configurations.
Figure 6 illustrates fiber crimping caused by interlacing.
7A illustrates a helicoidal preform with straight fibers placed over a 3D curved shape according to an embodiment of the present invention.
7B illustrates a helicoidal preform with curved fibers disposed over a 2D shape according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is an exemplary diagram of an MX textile machine.
9 is an exemplary diagram of a fiber metal laminate.
10A and 10B are exemplary diagrams of composite sandwich structures.
Figure 11 shows an example of a helicoid laminate stack.
Figure 12 shows the lamina inner region and the interlaminar zone.
Figure 13 shows an example of contact length between laminae of individual fibers according to an embodiment of the present invention.
Figures 14A-14C show impact damage of a typical composite.
Figures 15 (a) to (c) show a typical composite material in which nanomaterials fill the gaps and cracks between fibers.
Figure 16 shows a stepped cloaking helicoid assembly according to an embodiment of the present invention.
Figure 17 shows an example of fiber placement steering.
18A-18C are schematic diagrams of a structure including both impact resistance and load-bearing strength according to an embodiment of the present invention.
Figure 19 shows spread tow fabric and light-tow fabric.
Figures 20(a)-(c) illustrate initial crack formation in a fabric composite according to an embodiment of the present invention.
Figures 21(a)-(c) show QUDW fabrics according to embodiments of the present invention.
Figures 22 (a) and (b) show QUDW fabrics with different included angles between plies according to an embodiment of the present invention.
Figure 23(a) shows the ply orientation of a helicoid layup according to an embodiment of the present invention.
Figure 23(b) shows the ply orientation of a conventional thin ply biaxial layup.
Figure 24 shows force versus displacement for various plies and arrangements according to embodiments of the present invention.

이하에서 본 발명의 전체 실시형태가 아닌 일부의 실시 형태를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 완전하게 설명한다. 실제로, 이들 발명은 많은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 실시형태에 한정되는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 이들 실시형태는 본 개시가 적용되는 법적 요건을 만족시키도록 제공된다. 동일한 번호는 전체를 통해 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, the present invention will be described more completely with reference to the accompanying drawings, which illustrate some, but not all, embodiments of the present invention. Indeed, these inventions may be embodied in many different forms, and should not be construed as limited to the embodiments described herein, but rather, these embodiments are provided so that the disclosure will satisfy applicable legal requirements. Like numbers refer to like elements throughout.

본 개시는 선행 기술의 실시형태를 초과하여 나선 피치 및 구조를 변경함으로써 헬리코이드 재료 설계 및 제조 방법을 개선하고, 내충격성에 관련된 역학을 확대 및 개선한다. 헬리코이드 기하학적 구조는 도 1에 도시되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 경우, "헬리코이드"라는 용어는 적어도 하나의 플라이의 섬유가 인접한 플라이의 섬유의 배향 방향에 대하여 배향 방향을 규정하고, 0° 초과 내지 약 30° 미만의 협각을 제공하는 섬유의 플라이의 적층 배치를 지칭한다. 적층 배치는 이 범위 외의 협각을 규정하는 인접한 플라이를 포함할 수 있고, 적층 배치는 360° 완전 회전 미만을 포함할 수 있고, 또는 1회전을 초과하는 회전을 포함할 수 있다. 하나 이상의 플라이의 섬유 배향 방향은 직선이거나 곡선일 수 있다. The present disclosure improves helicoid material design and manufacturing methods by changing the helical pitch and structure over prior art embodiments, and expands and improves the mechanics related to impact resistance. The helicoid geometry is shown in Figure 1. As used herein, the term "helicoid" refers to a ply that defines a direction of orientation of the fibers of at least one ply with respect to the direction of orientation of the fibers of an adjacent ply and provides an included angle of greater than 0° and less than about 30°. Refers to the stacked arrangement of plies of fiber. The stack arrangement may include adjacent plies defining included angles outside this range, and the stack arrangement may include less than a full 360° rotation, or may include more than one rotation. The direction of fiber orientation of one or more plies may be straight or curved.

본 명세서에서 설명된 새로운 향상의 범위는 헬리코이드 재료를 포함하며, 이 헬리코이드 재료는 (a) 나노재료, (b) 가변적 피치 및 부분 나선, (c) TPUD 레이업, (d) 하이브리드 재료, (e) 플라이 내의 만곡 섬유, (f) 2D 또는 3D 프리폼을 위한 자동화된 섬유 또는 테이프 또는 패치의 배치, (g) 권축되지 않은 직물, (h) 3D 직물, (i) 3D 인쇄된 재료, 및 (j) 필라멘트 권선 재료, (l) TPW 레이업, (m) QUDW 레이업을 포함한다. 이들 헬리코이드 재료는 수작업으로 레이업되거나, 자동화된 기계로 직접 설치되거나, 위빙(weaving)/브레이딩(braiding)/스티칭(stitching) 설비(예를 들면, 비권축 직물 기계)를 사용하여 스택으로 사전 조립될 수 있다. 적층(예를 들면, 3D 인쇄) 제조 기술을 사용하여 재료의 유형을 변화 및 혼합시킬 수 있다. 예를 들면, 헬리코이드 스택을 제조할 때, 적층 제조 기술을 사용하여 인쇄된 폴리머 섬유와 금속 섬유를 함께 사용할 수 있다. 이러한 개선에 의해 복합 헬리코이드 재료의 조정 능력이 향상될 수 있고, 더 광범위한 제품 유형에 대한 그 적용 가능성을 확대할 수 있다. The range of new enhancements described herein include helicoid materials, which can be (a) nanomaterials, (b) variable pitch and partial helix, (c) TPUD layup, and (d) hybrid. Materials, (e) curved fibers within plies, (f) automated placement of fibers or tapes or patches for 2D or 3D preforms, (g) uncrimped fabrics, (h) 3D fabrics, (i) 3D printed materials. , and (j) filament winding material, (l) TPW layup, (m) QUDW layup. These helicoid materials can be laid up by hand, installed directly on automated machines, or stacked using weaving/braiding/stitching equipment (e.g., non-crimped fabric machines). Can be pre-assembled. Additive (e.g., 3D printing) manufacturing techniques can be used to vary and mix types of materials. For example, when manufacturing a helicoid stack, a combination of polymer fibers and metal fibers printed using additive manufacturing techniques can be used. These improvements can improve the tunability of composite helicoid materials and expand their applicability to a wider range of product types.

복합재 구조의 충격 거동은 탄성 변형, 매트릭스 수지 균열, 섬유 파단 및 최종적으로 플라이 내부 및/또는 플라이 사이의 박리를 수반하는 복잡한 동적 현상이다. 부품 파괴는 자유 단부, 지지 하중이 집중된 영역 또는 외부 물체의 충격에 의해 유발되는 최대 응력 지점에서 발생할 수 있다. 충격 손상은 타격의 반대측에서 더 심한 경우가 많고, 눈에 띄지 않을 수 있으므로 광범위한 비파괴검사(예를 들면, 핸드헬드 초음파검사)가 필요하게 된다. 따라서, 내충격성 및 내손상성은 설계 제한 기준으로 되는 경우가 많다. 충격 손상은 면내 하중 지지 능력을 저하시키거나 제한할 수 있고, 수리를 위해 제품을 사용으로부터 제외시키거나 손상이 광범위한 경우에는 폐기 및 교체하는 것이 필요하다. 복합재 부품의 내충격성을 높이고 및/또는 충격 손상의 정도를 억제하기 위해 다수의 재료 및 설계 방법이 고려되어 왔다. 일반적으로, 이러한 설계는 변형 에너지를 흡수 또는 소산하는 라미네이트의 능력을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 안타깝게도 이러한 접근방식은 대부분 섬유 구조를 변경하거나 및/또는 인장강도 및 압축강도 등의 다른 특성에 악영향을 주는 이물질을 포함한다. 아래에서 보다 일반적인 여러 가지 접근 방식을 설명한다:Impact behavior of composite structures is a complex dynamic phenomenon involving elastic deformation, matrix resin cracking, fiber fracture and finally delamination within and/or between plies. Part failure can occur at free ends, areas of concentrated bearing loads, or at points of maximum stress caused by the impact of external objects. Impact damage is often more severe on the side opposite to the blow and may not be noticeable, necessitating extensive non-destructive testing (e.g., handheld ultrasound). Therefore, impact resistance and damage resistance are often design limitations. Impact damage can reduce or limit in-plane load bearing capacity and require the product to be removed from service for repairs or, if damage is extensive, to be discarded and replaced. A number of materials and design methods have been considered to increase the impact resistance of composite parts and/or limit the severity of impact damage. In general, these designs aim to improve the laminate's ability to absorb or dissipate strain energy. Unfortunately, most of these approaches include foreign substances that alter the fiber structure and/or adversely affect other properties such as tensile and compressive strengths. Several of the more common approaches are described below:

수지 재료: 복합재 내의 매트릭스 수지의 분자 구조는 다수의 다양한 유형의 가교(즉, 네트워크 구조)를 가진 백본(backbone) 구조(폴리머 사슬)로 구성된다. 도 2a 및 도 2b를 참조할 것. 종래의 열경화성수지(상변화 경화 반응을 통해 최종 형태에 이르는 복합재)는 전형적으로 강성의 고도로 가교된 유리질 폴리머 구조를 갖는다. 이러한 분자 배치는 복합재를 충격을 받으면 매트릭스 균열 및/또는 박리가 생기기 쉽게 만들 수 있다. 이러한 단점을 방지하기 위한 종래의 접근 방식은 다음의 것을 포함한다: a) 열가소성 수지(경화하는 대신 용융하는 수지이고, 전형적으로 분자량이 더 높고, 가교의 정도가 더 낮고, 및/또는 결정질보다 비정질이 더 많은 수지)의 사용, (b) 네트워크 변경(예를 들면, 모노머 기능성의 저하, 백본 분자량의 증가, 또는 유연성 서브그룹의 도입)을 통한 열경화성 수지의 강인화, (c) 별개의 고무 또는 열가소성 입자의 도입에 의한 일래스토머의 강인화, 및 (d) 열경화성 플라이들 사이의 층간 강인화(얇은 열가소성 베일(veil)의 도입, 전형적으로 0.001 인치). 수지 강인화는 잘 알려져 있고, 산업계에서 이용되고 있다. 수지 강인화는 내충격성을 향상시킬 수 있으나, 유리 전이 온도, 고온-저온 성능 또는 건성-습성 성능, 및 내화학성 등의 다른 물리적 특성에 악영향을 줄 수 있다. 본 발명의 실시형태는 또한 재가공불가능한 열경화성 또는 열가소성 수지에 더하여 또는 그 대신에 재가공가능한 열경화성 수지인 비트리머(vitrimer)를 사용할 수도 있다.Resin Material: The molecular structure of the matrix resin in the composite consists of a backbone structure (polymer chains) with many different types of crosslinks (i.e. network structure). See Figures 2A and 2B. Conventional thermosets (composites that reach their final form through a phase change curing reaction) typically have a rigid, highly cross-linked, glassy polymer structure. This molecular arrangement can make the composite susceptible to matrix cracking and/or delamination upon impact. Conventional approaches to avoid these drawbacks include: a) thermoplastics (resins that melt rather than harden, typically have higher molecular weight, a lower degree of cross-linking, and/or are amorphous rather than crystalline); (b) toughening of thermosets through network modifications (e.g., lowering monomer functionality, increasing backbone molecular weight, or introducing flexible subgroups), (c) separate rubbers, or Toughening of the elastomer by introduction of thermoplastic particles, and (d) interlaminar strengthening between thermoset plies (introduction of a thin thermoplastic veil, typically 0.001 inch). Resin toughening is well known and used in industry. Resin toughening can improve impact resistance, but may adversely affect other physical properties such as glass transition temperature, hot-cold or dry-wet performance, and chemical resistance. Embodiments of the present invention may also use vitrimer, a reprocessable thermoset resin, in addition to or instead of a non-reprocessable thermoset or thermoplastic resin.

복합 재료에서, 도 3에 예시된 섬유 구조에서와 같이, 헬리코이드 라미네이트 내에 마이크로스피어(microspheres) 및 마이크로포어(micropore)를 도입하는 것이 사용된다. 그러나, 본 개시에 따르면, 나노보이드(nanovoid)(예를 들면, 레이저 또는 기타 메커니즘에 의해 형성됨)가 파괴 모드 중에 균열 전파를 저지하기 위해 더 채용될 수 있다는 것이 더욱 고려된다. 또한, 이것보다 더 큰 보이드 뿐만 아니라 다양한 형상의 보이드를 제공하는 것도 가능하다. 예를 들면, 보이드 또는 약점 영역은 바람직한 위치에서 및/또는 바람직한 방향을 따라 파국적 파괴를 일으키도록 방향 성분을 구비할 수 있다. 보이드는 예를 들면, 0.1 나노미터 내지 500 마이크론의 임의의 원하는 평균 치수(평균 횡방향 치수), 또는 이들 치수 사이의 0.1 나노미터의 임의의 증분, 또는 10 나노미터 내지 50 마이크론 범위를 갖는 임의의 하위범위, 예를 들면, 10 나노미터, 25 나노미터, 50 나노미터, 80 나노미터, 100 나노미터, 150 나노미터, 250 나노미터, 500 나노미터 등을 가질 수 있다. In composite materials, the introduction of microspheres and micropores within a helicoid laminate is used, as in the fiber structure illustrated in Figure 3. However, according to the present disclosure, it is further contemplated that nanovoids (eg, formed by a laser or other mechanism) may be employed to impede crack propagation during fracture mode. Additionally, it is possible to provide voids larger than this as well as voids of various shapes. For example, voids or areas of weakness may have a directional component to cause catastrophic failure at a desired location and/or along a desired direction. Voids may have, for example, any desired average dimension (average transverse dimension) ranging from 0.1 nanometers to 500 microns, or any increment of 0.1 nanometers between these dimensions, or any increment ranging from 10 nanometers to 50 microns. Subranges may be present, such as 10 nanometers, 25 nanometers, 50 nanometers, 80 nanometers, 100 nanometers, 150 nanometers, 250 nanometers, 500 nanometers, etc.

나노재료: 나노입자[예를 들면, 탄소 나노튜브(CNT) 및 그래핀] 또는 100 nm 미만의 평균 직경을 갖는 섬유의 형태 등의 세장형 나노섬유를 섬유강화재와 조합될 수도 있는 매트릭스 수지 내에 도입하면 종래의 동일한 두께의 복합재 라미네이트에 비해 기계적 특성 및 내충격성을 향상시킬 수 있다 이러한 개선은 위스커링(즉, 나노스케일 위스커(nanoscale whisker)가 섬유와 상호작용하여 횡방향 및 라미나 내의 전단 특성을 개선함)에 기인할 수 있다. Nanomaterials: Incorporation of elongated nanofibers, such as nanoparticles (e.g., carbon nanotubes (CNTs) and graphene) or in the form of fibers with an average diameter of less than 100 nm, into a matrix resin that may be combined with fiber reinforcement. These improvements can improve mechanical properties and impact resistance compared to conventional composite laminates of the same thickness. These improvements are due to whiskering (i.e., nanoscale whiskers interacting with the fibers to alter transverse and shear properties within the lamina). improved).

섬유 재료: 섬유는 복합재에 강도 및 강직도를 제공한다. 섬유는 용도 및 제조 프로세스에 따라 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 섬유는 또한 조정(용도에 맞는 우선적 배향으로 배치)될 수도 있다. 업계에서 가장 일반적인 것은, 플라이가 0, +45, -45, 및 90°의 배향을 사용하여 45° 마다 클로킹되는 것이다. 비용, 제조 및 성능 상의 이유로 복합재 내의 섬유 강화재의 유형 및 양은 달라질 수 있다. 특정 섬유 유형(즉, 탄소 및 흑연)은 비강도(인장 및 압축 등의 특성을 밀도로 나눈 것)가 높지만 본질적으로 취성을 가지며, 유리섬유 등의 다른 것은 충격 강도가 더 우수하지만 비강도는 더 높은 밀도로 인해 더 낮다. 아라미드(방향족 폴리아미드) 섬유는 인성이 탁월하고, 방탄성 및 내충격성이 뛰어나지만, 온도 변화에 따라 성능이 저하되고, 자외선의 영향을 받기 쉬우며 수분을 흡수하는 경향이 있다. 강도와 충격 특성의 최상의 조합을 제공하는 섬유 유형을 사용하는 선택지를 가지기 위해, 탄소, 유리섬유, 아라미드, 현무암, 초고 분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 초고 분자량 폴리프로필렌(UHMWPP)(예를 들면, Innegra®), 자가 강화 폴리머 섬유(예를 들면, Pure®, Tegris®, Curv®), 천연 섬유(예를 들면, 아마 또는 대마), 금속 섬유, 석영 섬유, 세라믹 섬유 및 이들 임의의 유형의 재활용 섬유 등 다양한 공지의 섬유 유형을 사용하여 헬리코이드 구조를 만들 수 있다.Fiber materials: Fibers provide strength and rigidity to composites. Fibers can be continuous or discontinuous depending on the application and manufacturing process. Fibers can also be steered (placed in a preferred orientation for use). Most common in the industry is for the plies to be clocked every 45° using orientations of 0, +45, -45, and 90°. For cost, manufacturing and performance reasons, the type and amount of fiber reinforcement within the composite may vary. Certain fiber types (i.e. carbon and graphite) have high specific strength (properties such as tensile and compression divided by density) but are inherently brittle, while others, such as glass fiber, have better impact strength but lower specific strength. lower due to high density. Aramid (aromatic polyamide) fibers have excellent toughness, bullet resistance, and impact resistance, but their performance deteriorates with temperature changes, they are easily affected by ultraviolet rays, and they tend to absorb moisture. To have the option of using fiber types that offer the best combination of strength and impact properties, you can choose from carbon, fiberglass, aramid, basalt, ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), ultra-high molecular weight polypropylene (UHMWPP) (e.g. Innegra® ), self-reinforcing polymer fibers (e.g. Pure®, Tegris®, Curv®), natural fibers (e.g. flax or hemp), metal fibers, quartz fibers, ceramic fibers and any of these types of recycled fibers, etc. Helicoidal structures can be created using a variety of known fiber types.

재료 형태: 수지 및 섬유의 선택과 마찬가지로, 재료 형태는 일반적으로 용도, 비용 및 제조 프로세스에 의해 선택된다. 넓게 말하면, 재료 형태는, 도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이, 랜덤한 방향성 또는 배향된 방향성을 갖는 불연속 또는 연속 섬유를 포함할 수 있다. Material type: As with the choice of resins and fibers, material type is generally selected by application, cost, and manufacturing process. Broadly speaking, the material form may include discontinuous or continuous fibers with random or oriented orientation, as illustrated in FIGS. 4A and 4B.

일반적으로 연속/배향 섬유 형태는 우수한 구조적 특성을 가지지만 불연속 섬유 형태의 제조에서 일반적인 화합물의 플라스틱 사출 및 압축 성형에 대하여 수동 또는 특수 방법(자동화된 재료 배치(AMP) 또는 위빙, 브레이딩, 플라이 스티칭, 3D 인쇄 또는 권취 설비)를 필요로 하므로 제조 비용이 더 높다. 연속 재료 형성의 2 개의 주요 카테고리는 일방향(UD) 형성 및 직물 형성(3D 위빙 및 브레이딩을 포함함)이다. 도 5a는 일방향 제조를 예시하고, 도 5b는 직물 구조를 예시한다. 도 5c는 비권축 다축 직물의 일례를 나타내고, 도 5d는 최종 형상의 프리폼을 나타낸다. 도 5e는 3D 직물의 개략도를 나타내고, 도 5f는 필라멘트 권취의 일례를 나타내고, 도 5g는 섬유 패치 배치의 일례를 나타내고, 도 5h는 브레이딩의 일례를 나타낸다. In general, continuous/oriented fiber forms have excellent structural properties, but the manufacture of discontinuous fiber forms requires manual or special methods (automated material placement (AMP) or weaving, braiding, fly stitching) for plastic injection and compression molding of common compounds. , 3D printing or winding equipment), so manufacturing costs are higher. The two main categories of continuous material forming are unidirectional (UD) forming and fabric forming (including 3D weaving and braiding). Figure 5A illustrates unidirectional manufacturing and Figure 5B illustrates the fabric structure. Figure 5C shows an example of a non-crimped multiaxial fabric, and Figure 5D shows the preform in its final shape. Figure 5E shows a schematic diagram of a 3D fabric, Figure 5F shows an example of filament winding, Figure 5G shows an example of fiber patch placement, and Figure 5H shows an example of braiding.

UD 테이프는 섬유 권축(인터레이싱 중에 섬유가 평지(plain) 내외로 출입하는 것)이 존재하지 않으므로 일반적으로 직물보다 더 우수한 면내 구조 특성을 제공한다. 도면은 반드시 축척에 따르지 않는다는 것이 이해될 것이다. 위빙은 z 방향 섬유 및 인터로킹된 비평면 섬유 다발을 생성할 수 있고, 이로 인해 점하중을 분산시키고, 매트릭스 균열 및 라미네이트 박리를 지연시키거나 저지한다. 그러나 위빙은 대형의 복잡한 기계를 필요로 하므로 비용이 높아질 수 있고, 크기가 제한된다. 또한, 면내 특성은 UD 복합재와 비교한 경우에 섬유 권축으로 인해 전형적으로 저하된다. 횡방향 스티칭은 UD 복합재에서 z 방향 하중 지지 능력을 생성하기 위해 그리고 균열 저지 수단으로서 사용되었다. 이러한 접근방식은 고비용이고 또한 충격 능력을 개선하는 데 필요한 스티칭의 양이 면내 섬유를 변형시키고 인장 강도, 압축 강도 및 피로 강도 등의 코어 특성을 저감시키므로 가치에 의문이 있다. 본 개시는 헬리코이드 용도/설계를 확장하여 특정 재료(가장 일반적으로는 TPUD 테이프, TPW 및 QUDW), 유리, 탄소, 아라미드 섬유 등, 현재의 내충격성 복합재 설계의 결점 및 한계를 극복하는 데 도움을 주는 새로운 섬유 각도 클로킹 조합, 및 완전한 헬리코이드 스택의 재현을 위한 설계 공간의 부족으로 헬리코이드 레이업이 검토되지 않았던 샌드위치 용도의 표피를 포함한다. UD tapes generally offer better in-plane structural properties than fabrics because there is no fiber crimp (fibers moving in and out of the plain during interlacing). It will be understood that the drawings are not necessarily to scale. Weaving can create z-directional fibers and interlocked non-planar fiber bundles, thereby dispersing point loads and retarding or inhibiting matrix cracking and laminate delamination. However, weaving requires large, complex machinery, which can be expensive and limits its size. Additionally, in-plane properties are typically degraded due to fiber crimp when compared to UD composites. Transverse stitching was used to create z-direction load-carrying capacity in UD composites and as a means of crack arrest. This approach is expensive and its value is questionable because the amount of stitching required to improve impact performance deforms the fibers in-plane and reduces core properties such as tensile, compressive and fatigue strengths. This disclosure expands on helicoid uses/designs to help overcome the shortcomings and limitations of current impact resistant composite designs, including certain materials (most commonly TPUD tape, TPW, and QUDW), glass, carbon, aramid fibers, etc. It includes new fiber angle cloaking combinations that give , and skins for sandwich applications where helicoid layups were not considered due to lack of design space for reproduction of a complete helicoid stack.

제조 방법: 건조 섬유 또는 사전 함침된 섬유를 사용하는 연속 복합재 재료를 배치하기 위한 여러 가지 일반적인 방법에는 다음이 포함된다: (a) 핸드 레이업, (b) 자동화된 재료 배치(연속 섬유 배치 뿐만 아니라 섬유 패치 배치를 포함하는 AMP), (c) 위빙/브레이딩/플라이 스티칭 기계(예를 들면, 섬유 다발이 니팅 얀(knitting yarn)으로 결속되는 다축 비권축 직물 기계, (d) 필라멘트 권취 및 풀 와인딩(Pull winding), (e) 3D 위빙, (f) 3D 인쇄, (g) 유기시트(organosheet)의 열 프레스 압밀. AMP는 어떤 유형의 섬유(슬릿 테이프)를 사용해도 플라이 상에 재료를 추가 및 낙하시킬 수 있고, 임의의 사전 프로그래밍된 각도로 클로킹할 수 있고, 따라서 니어 네트 셰이프(near net-shape)의 스택을 배치하는 데 사용할 수 있는 능력을 갖는다. 헬리코이드 스택은 고정밀 클로킹을 필요로 하므로 AMP는 이것을 배치하기 위한 예시적인 저비용 방법이다. 니어 넷 셰이프 2차원(2D) 및 3차원(3D) 프리폼(후에 수지를 주입할 수 있는 주로 건조 섬유 레이업)이 UD 테이프 또는 다방향 테이프(플라이가 분말 바인더, 플라이 사이의 부직 베일, 및/또는 스티칭을 사용하여 결속됨)로 제조될 수 있다. 사전 함침된 테이프(전형적으로 1 ½ 인치 내지 24 인치의 폭), 슬릿 테이프(전형적으로 1/8 인치 내지 1 ½ 인치의 폭), 또는 "토우프레그(towpreg)"가 AMP 설비(예를 들면, 컨투어드 테이프 라미네이팅 기계(contoured tape laminating machine; CTLM), 자동화된 섬유 배치(AFP) 또는 로봇 섬유 배치(RFP) 및 그후에 오븐이나 오토클레이브 내에서 경화됨)를 사용하여 컨투어드 도구 상에 직접 성형되도록 부설될 수 있다. Manufacturing Methods: Several common methods for placing continuous composite materials using dry or pre-impregnated fibers include: (a) hand layup, (b) automated material placement (as well as continuous fiber placement). (c) weaving/braiding/fly stitching machines (e.g. multi-axial non-crimped textile machines where bundles of fibers are bound into knitting yarns); (d) filament winding and pulling; Pull winding, (e) 3D weaving, (f) 3D printing, (g) heat press compaction of organosheet. AMP adds material onto the ply using any type of fiber (slit tape). and can be dropped and clocked at any pre-programmed angle, and thus has the ability to be used to position stacks of near net-shape. Helicoid stacks require high-precision clocking. AMP is an exemplary low-cost method for deploying near-net shaped two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) preforms (primarily dry fiber layups that can later be infused with resin) using UD tape or multidirectional tape. (plies bound using powder binder, nonwoven veil between plies, and/or stitching), pre-impregnated tape (typically 1 ½ inches to 24 inches wide), slit tape (typically 1/8 inch to 1 ½ inches wide), or "towpreg" can be used on AMP equipment (e.g., contoured tape laminating machine (CTLM), automated fiber placement (AFP) Alternatively, it can be laid down to be molded directly on a contoured tool using robotic fiber placement (RFP) and then cured in an oven or autoclave.

AFP는 모드 가능한 각도 및 무제한 개수의 플라이 또는 패치를 가진 니어 네트 셰이프 헬리코이드 프리폼을 제조하고 임의의 원하는 헬리코이드 프리폼 적층 순서를 생성하는 상당한 유연성을 제공한다. 이들 헬리코이드 재료는 부품에 니어 네트 셰이프를 표현한다. 2D 또는 3D 프리폼 구조는 건조 섬유 또는 UD 테이프 또는 다방향 테이프로 제조될 수 있고, 이들은 분말 바인더, 플라이 사이의 부직 열가소성 베일, 니들 또는 공압식 에어 펀칭에 의해 결속된 복수의 플라이를 형성한다. "토우프레그", 또는 임의의 종류의 사전 함침된 섬유, UD 테이프, 다방향 테이프 또는 열가소성 매트릭스 및 섬유의 슬릿 테이프를 로봇 섬유 배치 헤드로 퇴적시켜 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 미리 함침될 수 있는 헬리코이드 니어 네트 셰이프 2D 또는 3D 프리폼을 제조할 수 있다. 도 7a는 3D 만곡 형상에 직선 섬유를 배치하여 제조된 헬리코이드 프리폼을 예시하고, 도 7b는 2D 형상에 만곡 섬유를 배치하여 제조된 헬리코이드 프리폼을 예시한다. 연속 토우 전단(CTS)은 면내 곡선 섬유 배향을 생성하기 위해 사용될 수 있다.AFP fabricates near-net shaped helicoidal preforms with modifiable angles and an unlimited number of plies or patches and provides significant flexibility to create any desired helicoidal preform stacking sequence. These helicoid materials give the part a near net shape. 2D or 3D preform structures can be manufactured from dry fibers or UD tapes or multidirectional tapes, which form a plurality of plies held together by a powder binder, a non-woven thermoplastic veil between the plies, needle or pneumatic air punching. “Towpreg”, or any type of pre-impregnated fiber, UD tape, multi-directional tape or slit tape of thermoplastic matrix and fibers can be deposited with a robotic fiber placement head to pre-impregnate as shown in Figures 7A and 7B. 2D or 3D preforms with helicoidal near net shapes can be manufactured. Figure 7a illustrates a helicoid preform made by placing straight fibers in a 3D curved shape, and Figure 7b illustrates a helicoid preform made by placing curved fibers in a 2D shape. Continuous tow shear (CTS) can be used to create an in-plane curved fiber orientation.

Karl Mayer GMBH(예를 들면,도 8 참조)사의 것과 같은 산업계 표준 MX 직물 기계에서는 1개의 각도조절가능한 방향성 암 당 1 개의 플라이로 비권축 직물(NCF)을 제조할 수 있고, 일반적으로 5 개의 플라이로 제한된다: 즉, 롤의 감는 방향으로서 정의되는 0° 플라이 + 얕은 각도의 방향성 암의 길이를 제한하고 기계의 출력 저하를 피하기 위해 20°를 초과하는 각도를 갖는 4 개의 축외(off-axis) 플라이. 플라이는 통상적으로 스티칭되지만, 분말 바인더 또는 약간 용융되는 플라이 사이의 열가소성 부직 베일에 의해 연결될 수 있다. Industry-standard MX fabric machines, such as those from Karl Mayer GMBH (see, for example, Figure 8), can produce non-crimped fabric (NCF) with one ply per adjustable directional arm, typically five plies. limited to: 0° ply, defined as the winding direction of the roll + 4 off-axis with angles exceeding 20° to limit the length of the directional arm at a shallow angle and avoid reducing the machine's output. Fly. The plies are typically stitched, but may be joined by a powder binder or a thermoplastic nonwoven veil between the plies that is slightly melted.

이 기술은 헬리코이드 다축(HMX) 직물 롤(예를 들면, [0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] 또는 [80°,60°,40°,20°,0] 또는 [39.4°,28.2°,16.9°,5.6°])의 대량 생산에 적합하다. 그러나, 추가의 조절가능한 암을 사용하는 방법 및/또는 복수의 롤을 개별적으로 제조한 다음에 이들 층을 조립하여 더 많은 수의 플라이의 헬리코이드 시퀀스를 형성하는 방법에 의해 더 많은 수의 헬리코이드 플라이를 제조하는 것이 훨씬 더 비용효율이 높을 수 있다. 하나의 예시적인 실시례에서, 헬리코이드 다축(HMX) 직물[0°,22.5°,45°, 67.5°, 90°]을 형성하는 5 개의 헬리코이드 플라이의 롤을 제조할 수 있다. 다음에 이 롤을 그 0° 축을 중심으로 자체의 폭을 2 분할하여 접거나, 뒤집혀 있는 또 하나의 동일한 롤과 단순 조합하여 10 개의 플라이 HMX [-90°,-67.5°,-45°,-22.5°,0°,0°,22.5°, 45°, 67.5°,90°]를 형성할 수 있다. 다른 실시례에서, 제 1 헬리코이드 MX 직물(예를 들면, [56°,79°,-79°,-56°])을 대형의 연속 롤로부터 취출하고, 90° 회전(예를 들면, [-34°,-11°,11°,34°])시켜 서로 중첩시켜 8 개의 플라이 HMX 직물(예를 들면, 8 개의 플라이[56°,79°,-79°,-56°, -34°,-11°,11°,34°]를 구비한 22° HMX)를 제조할 수 있다. 개개의 플라이와 마찬가지로, 2 개의 HMX 스택은 스티칭 또는 분말 바인더 또는 열 라미네이팅된 열가소성 부직 베일 또는 임의의 다른 적절한 공지의 기술(예를 들면, 에어 펀치 또는 니들 펀치)를 사용하여 접합될 수 있다. This technique is used for helicoidal multiaxial (HMX) fabric rolls (e.g. [0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] or [80°,60°,40°,20°,0] or It is suitable for mass production of [39.4°, 28.2°, 16.9°, 5.6°]). However, a larger number of helicoids can be achieved by using additional adjustable arms and/or by manufacturing a plurality of rolls individually and then assembling these layers to form a helicoid sequence of a larger number of plies. Manufacturing coiled plies can be much more cost-effective. In one exemplary embodiment, a roll of five helicoid plies can be made to form a helicoid multiaxial (HMX) fabric [0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°]. Next, fold this roll by dividing its width into two around the 0° axis, or simply combine it with another identical roll turned over to form 10 ply HMX [-90°,-67.5°,-45°,- 22.5°, 0°, 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] can be formed. In another embodiment, a first helicoid MX fabric (e.g., [56°,79°,-79°,-56°]) is taken from a large continuous roll and rotated 90° (e.g., [-34°,-11°,11°,34°]) overlapping each other to form 8 ply HMX fabrics (e.g. 8 ply [56°,79°,-79°,-56°, -34°]). °, -11°, 11°, 34°] can be manufactured. As with individual plies, two HMX stacks can be joined using stitching or powder binders or heat laminated thermoplastic nonwoven veils or any other suitable known technique (e.g., air punch or needle punch).

이는 복합재 업계에서 일반적으로 발견되는 기계의 제약을 극복하기 위해 8 개 이상의 헬리코이드 플라이를 하나의 HMX 직물 롤 내에 매립한 HMX를 제안하는 효율적이고 혁신적인 방법이다. 이러한 HMX 롤은 사전 함침될 수 있다. This is an efficient and innovative method that proposes HMX with eight or more helicoid plies embedded within one HMX fabric roll to overcome the mechanical limitations commonly found in the composite industry. These HMX rolls can be pre-impregnated.

하이브리드 구조: 지지, 강직도 및 내충격성 등의 특성을 향상시킬 수 있는 비폴리머 및/또는 샌드위치 재료를 도입한 복합재 부품이 제조되었다. 하이브리드 설계의 실시례가 이하에서 제공된다:Hybrid structures: Composite parts have been manufactured incorporating non-polymeric and/or sandwich materials that can improve properties such as support, stiffness and impact resistance. An example of a hybrid design is provided below:

금속: 복합재는 전형적으로 에너지를 소산시키는 탄성 능력이 제한되므로 그 궁극의 능력을 초과하는 부하를 받으면 파국적으로 파괴된다. 대신에, 금속은 소성변형되어 충격 에너지를 소산시킬 수 있다. 금속 포일, 메시 및 섬유(예를 들면, 알루미늄, 티타늄 및 강)는 라미네이트 내에 선택적으로 도입되어 파단 인성, 내충격성 향상, 낙뢰 보호, 및 표면 침식의 저감을 제공한다(도 9 참조). 형상기억합금(SMA)을 도입하여 내충격성을 제공할 수 있다. 산업계에서 사용되고 있는 전형적인 섬유 금속 라미네이트(FML) 형태는 다음을 포함한다: ARAL(아라미드/알루미늄), GLARE(유리섬유/알루미늄), CARALL(탄소/알루미늄), 및 TiGr(티타늄/흑연). 금속의 도입은 전형적으로 (추가의 접착제의 형태로) 중량을 증가하는 접착 작업을 필요로 하고, 고가이고, 위험한 금속 표면 처리 기술(예를 들면, 증기 탈지, 알칼리 세정 및 에칭 또는 양극산화)을 필요로 한다. 추가의 금속/복합재 하이브리드의 결점에는 다음이 포함된다: (a) 금속은 폴리머 기반의 복합재에 도입된 경우에 열팽창계수가 적합하지 않을 수 있고, (b) 금속 포일, 메시 및 섬유는 복잡한 윤곽으로 배치하는 것이 어렵고, (c) 금속은 치환되는 복합 재료보다 밀도가 높다. Metals: Composites typically have limited elastic ability to dissipate energy and therefore fail catastrophically when subjected to loads that exceed their ultimate capacity. Instead, the metal can plastically deform and dissipate the impact energy. Metal foils, meshes, and fibers (e.g., aluminum, titanium, and steel) are optionally incorporated within the laminate to provide fracture toughness, improved impact resistance, lightning protection, and reduction of surface erosion (see Figure 9). Impact resistance can be provided by introducing shape memory alloy (SMA). Typical fiber metal laminate (FML) types in use in industry include: ARAL (aramid/aluminum), GLARE (glass fiber/aluminum), CARALL (carbon/aluminum), and TiGr (titanium/graphite). The introduction of metals typically requires weight-increasing adhesive operations (in the form of additional adhesives), expensive and hazardous metal surface treatment techniques (e.g. steam degreasing, alkali cleaning and etching or anodizing). in need. Additional drawbacks of metal/composite hybrids include the following: (a) metals may not have suitable coefficients of thermal expansion when incorporated into polymer-based composites, and (b) metal foils, meshes and fibers can be shaped into complex contours. It is difficult to place, and (c) the metal is denser than the composite material it replaces.

샌드위치 구조물: 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 복합재 라미네이트의 페이스 시트(face sheet)들 사이에, 예를 들면, 허니콤 코어 상의 폴리머 층 또는 발포체 재료를 포함하는 재료를 배치하면, 페이스 시트가 굽힘 강직성을 제공하고 또한 샌드위치 재료가 전단 강성 및 좌굴 내성을 제공하는 상승적인(synergistic) 구조의 구성이 생성된다. 모노리스 라미네이트 복합재에 비교하여, 샌드위치 패널은 개선된 강도 대 중량 비, 소음성, 피로 능력, 단열성, 및 내충격성/내손상성을 보여줄 수 있다. 샌드위치 패널의 충격 성능은, 타격과 관련된 에너지의 일부가 매트릭스 및/또는 섬유의 손상 대신에 탄성 변형으로서 소산될 수 있고, 및/또는 페이스 시트가 에너지 흡수를 행하는 동안에 코어는 관성 하중을 완화할 수 있으므로, 라미네이트보다 우수할 수 있다. 라미네이트 페이스 시트의 구성, 코어 유형/구조 특성 및 경계 조건은 충격 거동을 제어한다. 전형적으로, 샌드위치 설계에서 페이스 시트는 비교적 얇고, 코어는 접착제를 사용하여 페이스 시트에 접착된다. 샌드위치를 일부의 용도에 부적절하게 하는 구조적 파괴 메카니즘에는 다음이 포함된다: a) 결합 면적 및 강도가 제한되므로 충격 시에 페이스 시트가 코어로부터 조기에 분리될 수 있고, b) 페이스 시트가 등가의 라미네이트 설계에 비해 얇기 때문에 섬유 파단, 섬유 매트릭스 탈결합 및 라미네이트 박리가 더 낮은 충격 레벨에서 시작될 수 있고, c) 코어가 찌그러지거나 전단 변형될 수 있고, d) 라미네이트 플라이를 샌드위치 재료로 대체하면 압축, 인장, 강도 및 강직도 등의 면내 구조 특성이 저하될 수 있다. Sandwich Structure: Placing a material comprising, for example, a polymer layer or foam material on a honeycomb core, between the face sheets of a composite laminate, as shown in FIGS. 10A and 10B, causes the face sheets to form A synergistic structural configuration is created in which the sandwich material provides bending rigidity and also provides shear stiffness and buckling resistance. Compared to monolithic laminate composites, sandwich panels can demonstrate improved strength-to-weight ratio, acoustic properties, fatigue capacity, thermal insulation, and impact/damage resistance. The impact performance of a sandwich panel is such that some of the energy associated with the blow can be dissipated as elastic deformation instead of damage to the matrix and/or fibers, and/or the core can relieve the inertial load while the face sheet absorbs the energy. Therefore, it can be superior to laminate. The composition, core type/structural properties and boundary conditions of the laminate face sheet control the impact behavior. Typically, in a sandwich design the face sheet is relatively thin, and the core is bonded to the face sheet using an adhesive. Structural failure mechanisms that make sandwiches unsuitable for some applications include: a) limited bonding area and strength, which may lead to premature separation of the face sheet from the core upon impact; and b) the face sheet may be separated from the core by an equivalent laminate. Because it is thinner than designed, fiber fracture, fiber matrix debonding and laminate delamination can begin at lower impact levels, c) the core can be crushed or sheared, and d) replacing laminate plies with sandwich materials can cause compression, tension and , in-plane structural properties such as strength and rigidity may be reduced.

얇은 플라이: TPUD 스택으로 제조된 복합재 라미네이트는 두꺼운 플라이를 사용하여 제조된 동일한 두께의 부품과 비교했을 때 보다 우수한 기계적 특성을 나타내며, 마이크로크랙, 박리 및 충격에 대한 내성이 향상되는 것을 보여주었다. 전형적으로, 항공우주 UD 탄소/에폭시(C/E) 프리프레그(pre-preg)는 그레이드 190(0.0073 인치/플라이) 또는 그레이드 145(0.0056 인치/플라이)이다. TPUD는 전형적으로 그레이드 75(.003 인치/플라이) 이하이다. 그레이드는 UD 프리프레그 중의 탄소 섬유의 공칭 면적 중량을 g/m2 단위로 규정한다. TPUD 라미네이트는 최소 게이지를 감소시키거나 및/또는 더 경량의 등가의 성능의 구조를 가능하게 한다. 경화 냉각 중에 변형(warping)을 피하기 위해, 종래의 레이업에서는 플라이 스택의 균형(즉, 라미네이트는 동일한 개수의 플러스 배향 및 마이너스 배향의 플라이를 가져야 함) 및 대칭성[즉, 레이업의 중간면보다 위에 있는 각각의 플라이는 중간면보다 아래의 동일한 거리에 동일한 플라이(동일한 재료, 두께 및 배향)를 가져야 함]이 요구된다. Thin plies: Composite laminates made from TPUD stacks have shown better mechanical properties and improved resistance to microcracks, delamination, and impact when compared to parts of the same thickness made using thick plies. Typically, aerospace UD carbon/epoxy (C/E) prepreg is grade 190 (0.0073 inch/ply) or grade 145 (0.0056 inch/ply). TPUD is typically grade 75 (.003 inch/ply) or lower. The grade specifies the nominal areal weight of the carbon fibers in the UD prepreg in g/m 2 . TPUD laminates allow for reduced minimum gauge and/or lighter equivalent performance structures. To avoid warping during cure cooling, conventional layups require balanced ply stacks (i.e., the laminate must have equal numbers of plus- and minus-oriented plies) and symmetry (i.e., above the midplane of the layup). It is required that each ply present must have an identical ply (same material, thickness and orientation) at the same distance below the midplane.

섬유 배향은 하중 지지 능력을 통제한다. 따라서, 섬유의 대부분을 주 하중의 방향으로 연장시키는 것이 최선이다. 균형/대칭 규칙 및 돌발적인 하중으로부터 보호하기 위한 최소 배향의 규칙(어느 일 방향으로 섬유의 10% 이상을 배치하지 않음)은 적층의 자유를 제한하며, 많은 경우에 소정의 하중의 경우를 취하기 위해 유의미하게 필요한 것보다 두꺼운 레이업을 필요로 한다. 이러한 제약은 특히 하중이 감소된 부분 영역에서 테이퍼링(플라이를 낙하시킴)할 때 특히 문제가 된다. Fiber orientation controls load-bearing capacity. Therefore, it is best to extend most of the fibers in the direction of the main load. The rules of balance/symmetry and the rules of minimum orientation to protect against accidental loading (no more than 10% of the fibers in any one direction) limit the freedom of stacking and, in many cases, to accommodate a given load. Requires a thicker layup than is significantly needed. This limitation is particularly problematic when tapering (dropping the ply) in areas of reduced load.

TPUD 플라이는 전체로서 또는 통상의 두께의 플라이와의 조합으로 보다 가벼운/보다 얇은 적층 선택지가 가능하다. 안타깝게도, TPUD는 종래의 두께의 프리프레그 테이프보다 프리프레그 슬릿 및 리롤(re-roll)이 더 어렵고 더 비용이 들 수 있고, 자동화된 섬유 배치 설비를 사용하여 부품 형상으로 레이다운(lay down)하는 것이 결함이 많고, 더 어렵고, 및/또는 더 비용이 많이 들 수 있다. 다른 용도에서, TPUD 테이프는 배치되는 플라이의 수가 더 많으므로 종래의 두께의 프리프레그 테이프보다 부품 형상으로 레이다운하는 데 더 많은 시간이 걸린다. TPUD plies allow for lighter/thinner laminate options, either as a whole or in combination with conventional thickness plies. Unfortunately, TPUD can be more difficult and more expensive to prepreg slit and re-roll than conventional thick prepreg tapes, and can be more difficult to lay down to part shape using automated fiber placement equipment. It may be more defective, more difficult, and/or more expensive. In other applications, TPUD tape takes more time to lay down to part shape than conventional thick prepreg tape due to the greater number of plies placed.

환경에 따라, 복합재 구조는 계획적 타격, 충돌, 우박, 비, 새, 공구 낙하, 탄도, 랜덤 파편, 충격파, 낙뢰 또는 항공 플러터링(fluttering) 등의 저속 충격 및/또는 고속 충격을 받을 수 있다. 개개의 층이 인접 층에 대해 길이방향 축 또는 x 방향 축을 따라 회전하여 z 방향의 헬리코이드 섬유 배향된 스택을 생성하는 섬유 강화 탄성 복합재 플라이 적층법은 도 11에 도시되어 있다. 좌측의 도에서는 각각의 플라이 층(라미나)을 표현하기 위해 단일 선을 사용하고 있으며, 이 도면에서는 생성된 z 방향의 헬리코이드 나선이 강조되어 있다. 우측의 도에서는 섬유 다발(전형적으로 3000 개 내지 50,000 개 이상의 섬유로 이루어지는 토우)을 사용하여 헬리코이드 레이업의 구조 층을 더 현실적으로 도시하고 있다. 이어지는 확대도는 헬리코이드 라미네이트 스택이 균일하게 분산된 섬유 토우 및 수지로 형성된 개개의 라미나 층으로 어떻게 형성되는지를 보여준다. Depending on the environment, composite structures may be subject to low-velocity and/or high-velocity impacts such as deliberate strikes, impacts, hail, rain, birds, falling tools, ballistics, random fragments, shock waves, lightning, or aerial fluttering. A fiber-reinforced elastic composite ply lamination method in which individual layers are rotated along their longitudinal or x-axis relative to adjacent layers to create a helicoidal fiber-oriented stack in the z-direction is shown in Figure 11. The diagram on the left uses a single line to represent each ply layer (lamina), with the resulting z-direction helicoid helix highlighted. The diagram on the right shows the structural layers of a helicoid layup more realistically using fiber bundles (tows typically consisting of 3000 to 50,000 or more fibers). The enlarged view that follows shows how a helicoid laminate stack is formed with individual laminar layers formed from uniformly dispersed fiber tow and resin.

헬리코이드 클로킹은 라미나 내의 섬유들 사이에서 상당한 라미나 내의 직접 하중 분담을 보여주기 위해 충분히 접근한 특정의 나선 피치 또는 원편광 z 배향 섬유를 생성하기 위해 선택될 수 있다. 산업계 표준의 0°, ±45°, 90° 복합재 라미네이트(주: 경우에 따라 22.5°, 30°, 및 60° 각도가 사용될 수 있으나 이 경우에도 여전히 큰 클로킹 각도 및 대칭/균형 규칙이 전형적임)과 비교했을 때 이와 같은 왼손 및 오른손 카이랄성(거울 이미지와 구별가능한 중첩불가능 구조)의 나선은 새로운 것이다. 각도가 크게 다른 0°, ±45°, 90°의 라미나를 적층할 때, 각각의 플라이 사이에 수지가 풍부한 층이 생성되어 섬유간 하중 분담이 매트릭스 수지를 통한 라미나간 전단에 의존하게 된다(도 12 참조). 예를 들면, 종래의 레이업 클로킹에서, 2 개의 인접한 플라이가 90° 만큼 다르고 또한 개개의 섬유가 0.0003 인치(산업계의 전형임)의 직경을 갖는 경우, 인접한 라미나간 섬유들 사이의 중첩/직접 접촉은 9 x10-8 in2이다. 그리고 섬유가 45°만큼 다른 경우, 이들은 불과 0.000424 인치의 직접 접촉만을 갖는다(도 13 참조). 이러한 접촉 영역은 모두 미미하므로 대부분의 라미나간 하중 전달은 수지 전단을 통해 이루어져야 한다. 반대로, 헬리코이드 레이업에서는 더 큰 접촉 영역이 얻어진다:(a) 30° - 0.0006 인치, (b) 22.5° - 0.000784 인치, (c) 15° - 0.00116 인치, (d) 5° - 0.00344 인치. 이러한 헬리코이드 값(표준 0°, ±45°, 90° 레이업보다 1.5 배 내지 10 배 더 큼)은 직접 섬유 하중 분담이 발생할 수 있도록 충분히 크다. Helicoidal cloaking can be chosen to create circularly z-oriented fibers or a particular helical pitch close enough to show significant intra-lamina direct load sharing between fibers within the lamina. Industry standard 0°, ±45°, 90° composite laminates (Note: in some cases 22.5°, 30°, and 60° angles may be used, but large cloaking angles and symmetry/balance rules are still typical) Compared to , these helices of left- and right-handed chirality (non-superimposable structures distinguishable from mirror images) are novel. When laminating laminae with greatly different angles of 0°, ±45°, and 90°, a resin-rich layer is created between each ply, so that load sharing between fibers depends on shear between the laminae through the matrix resin (Figure 12). For example, in conventional layup cloaking, when two adjacent plies differ by 90° and individual fibers have a diameter of 0.0003 inches (which is typical in the industry), overlap/direct contact between adjacent interlaminar fibers occurs. is 9 x10-8 in 2 . And when the fibers differ by 45°, they have only 0.000424 inches of direct contact (see Figure 13). Because all of these contact areas are minimal, most load transfer between laminae must occur through resin shear. In contrast, larger contact areas are obtained with helicoid layups: (a) 30° - 0.0006 inches, (b) 22.5° - 0.000784 inches, (c) 15° - 0.00116 inches, (d) 5° - 0.00344 inches. inch. These helicoid values (1.5 to 10 times larger than standard 0°, ±45°, 90° layups) are sufficiently large to allow direct fiber load sharing to occur.

섬유가 라미나 플라이들 사이에서 직접 하중을 분담하는 능력은 종래의 복합재 레이업보다 효율적으로 충격력을 흡수 및 소산하고, 충격 피로의 영향을 최소화하는 헬리코이드 라미네이트의 능력에 상당한 기여를 한다. 또한, 이들 피치의 섬유의 집합체로부터 형성된 나선체는 탄도, 타격력 또는 외래 물체 충격에 의해 시작되는 전파하는 충격파를 감쇄시키기 위하여 특정 파정으로 조정될 수 있고; 파국적인 파단의 전파를 더욱 억제 또는 저지하기 위하여 마이크로스피어 또는 강인화 입자를 포함하는 매트릭스로 채워질 수 있고, 섬유와 수지 사이의 탄성률의 차이를 이용하여 둔탁한 충격 또는 예리한 충격으로부터 생성되는 파단을 더욱 저지할 수 있다. The ability of the fibers to share load directly between the laminar plies contributes significantly to the helicoid laminate's ability to absorb and dissipate impact forces more efficiently than conventional composite layups and to minimize the effects of impact fatigue. Additionally, helices formed from aggregates of fibers of these pitches can be tuned to specific wave lengths to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, striking forces, or foreign object impacts; It can be filled with a matrix containing microspheres or toughening particles to further inhibit or impede the propagation of catastrophic fractures, taking advantage of the difference in elastic modulus between the fiber and the resin to further impede fractures produced from blunt or sharp impacts. can do.

충격 또는 충격파에 노출된 복합재 구조의 하중 하에서의 동적 성능은 복잡하고, 최신기술인 FEA(fine-grid finite element analysis)를 이용해도 예측이 어렵다. 외래 물체 충격(계획적 또는 비계획적)에 기인된 소성 변형, 매트릭스 균열, 섬유 파단 및 궁극적인 박리의 정도는 제어된 구조 시험 및 파괴 후 평가를 통해서만 어느 정도의 확실성으로 확인될 수 있다. 본 개시는 헬리코이드 스택의 범위 및 능력을 더 광범위한 산업 용도(예를 들면, 풍력 터빈 블레이드, 극저온 탱크, 수소 압력 용기, 항공우주 1차 구조, 스포츠 용품, 자동차 부품, 소비자 제품, 방위/우주 차량, 연질 또는 경질 장갑, 구조 재료, 및 기타 복합재 제품)까지 확대하는 추가의 설계 및 제조 선택지를 상술한다. 특정의 개시된 기능강화에는 헬리코이드 재료가 포함되며, 이 헬리코이드 재료는 (a) 나노재료, (b) 가변적 피치 및 부분 나선, (c) TPUD 플라이, (d) 하이브리드 재료, (e) 플라이 내의 만곡 섬유, (f)2D 또는 3D 프리폼을 위한 자동화된 섬유 또는 테이프 또는 패치 배치, (g) 비권축 직물, (h) 3D 직물, (i) 3D 인쇄된 재료, 및 (j) 필라멘트 권선 부품, (l) TPW 레이업, (m) QUDW 레이업을 포함한다. 건조 및/또는 프리프레그 헬리코이드 레이업은 플라이마다 수작업으로 배치될 수 있고, 자동화된 섬유 배치 기계를 사용하여 윤곽을 갖춘 공구(contoured tool) 상에 직접 배치될 수 있고, 및/또는 위빙/브레이딩/UD 플라이 및 직물 스티칭 설비(예를 들면, 비권축 직물 기계)를 사용하여 스택에 사전 니팅될 수 있다. The dynamic performance under load of composite structures exposed to shock or shock waves is complex and difficult to predict even using the latest technology, fine-grid finite element analysis (FEA). The degree of plastic deformation, matrix cracking, fiber fracture and ultimate delamination resulting from extraneous object impact (planned or unplanned) can only be ascertained with some degree of certainty through controlled structural testing and post-failure evaluation. The present disclosure extends the scope and capabilities of the helicoid stack to a broader range of industrial applications (e.g., wind turbine blades, cryogenic tanks, hydrogen pressure vessels, aerospace primary structures, sporting goods, automotive components, consumer products, defense/space). Additional design and manufacturing options are detailed, extending to vehicles, soft or hard armor, structural materials, and other composite products. Specific disclosed enhancements include helicoid materials, which include (a) nanomaterials, (b) variable pitch and partial helices, (c) TPUD plies, (d) hybrid materials, and (e) Curved fibers in plies, (f) automated fiber or tape or patch placement for 2D or 3D preforms, (g) uncrimped fabrics, (h) 3D fabrics, (i) 3D printed materials, and (j) filament winding. Includes parts, (l) TPW layup, (m) QUDW layup. Dry and/or prepreg helicoid layups can be placed manually, ply by ply, directly on contoured tools using automated fiber placement machines, and/or weaving/braiding. They can be pre-knitted into stacks using ding/UD ply and fabric stitching equipment (e.g., non-crimped fabric machines).

나노재료를 포함한 헬리코이드 재료: 나노재료 1 내지 1000 나노미터(10-9 미터) 범위의 치수를 갖는 특성 강화 입자이다. 예에는 탄소 나노섬유(CNF), 탄소 나노튜브(CNT), 단일벽 나노튜브(SWNT), 다중벽 나노튜브 (MWNT), 흑연 플레이트리트/그래핀, 유기 구형 입자; 코폴리머, 무기 점토; 실리카, 실리콘 탄화물, 알루미나, 금속 산화물, 및 기타 공지되거나 아직 개발되지 않은 나노재료가 포함된다. 나노재료를 섬유 강화재와 조합하여 수지 내에 도입하면 동일한 두께의 종래의 복합재 라미네이트보다 기계적 특성 및 내충격성이 향상되는 것을 보여준다. 일부의 구현형태에서, 나노섬유(100nm 미만의 직경의 섬유)가 재료 내에 도입될 수 있다. Helicoid materials, including nanomaterials: Nanomaterials are property-enhancing particles with dimensions ranging from 1 to 1000 nanometers (10 -9 meters). Examples include carbon nanofibers (CNFs), carbon nanotubes (CNTs), single-walled nanotubes (SWNTs), multi-walled nanotubes (MWNTs), graphite platelets/graphene, organic spherical particles; copolymers, inorganic clays; Included are silica, silicon carbide, alumina, metal oxides, and other known and as yet undeveloped nanomaterials. It is shown that introducing nanomaterials into the resin in combination with fiber reinforcement improves mechanical properties and impact resistance compared to conventional composite laminates of the same thickness. In some embodiments, nanofibers (fibers with a diameter of less than 100 nm) may be incorporated into the material.

도 14a 내지 도 14c는 상이한 충격 수준(저,중 고)으로부터 발생한 상이한 유형의 충격 손상(즉, 변형, 라미나간 수지 균열, 라미나간 수지 균열, 섬유 파단 및 박리)을 보여준다. 나노재료의 경우, 충격 개선은 위스커링(whiskering)(즉, 섬유들 사이의 나노스케일 브리징(bridging)에 의해 횡방향 및 라미나간 전단 특성이 향상되는 것)에 기인하는 것으로 생각된다. 도 15의 (a) 내지 (c)는 나노스케일 브리징(스티칭이라고도 함)이 동일 배향 또는 유사 배향의 섬유(즉, 도 13에 도시된 5°의 헬리코이드 예와 같은 동일 배향 라미나 내의 섬유 또는 근접 배향 라미나간 섬유)들 사이에서 어떻게 특히 효과적인지를 보여준다. 이러한 경우, 나노재료는 저 레벨 충격 및 중 레벨 충격으로 인해 발생하는 수지 균열을 줄이거나 심지어 제거할 수 있다. 헬리코이드 레이업의 플라이는 얕은 각도(예를 들면, 5 내지 30°)로 클로킹되므로 개개의 라미나간 섬유들 사이의 직접 접촉 길이는 표준 0°, ±45°, 90° 레이업보다 최대 10 배 더 길다. 이러한 긴 접촉 길이에 의해 나노복합재 첨가제는 45 또는 90°로 분리된 업계 표준 레이업보다 헬리코이드 레이업에 더 효과적이다. 나노 첨가제를 사용한 헬리코이드 레이업은 라미나 내의 수직/수평방향의 수지 균열의 저감/제거뿐만 아니라, 도 14b에 도시된 바와 같이, 중 정도의 충격 하에서 수평방향의 라미나간 수지 균열의 저감/제거, 또한 박리(전체 플라이 분리) 저지도 보여줄 수 있다. 나노재료는 프리프레깅(pre-pregging) 중에 수지 내에 균일하게 첨가되거나, 섬유에 직접 부착되거나, 또는 플라이 스택들 사이의 라미나간 층에 첨가될 수 있다. Figures 14A-14C show different types of impact damage (i.e. deformation, interlaminar resin cracking, interlaminar resin cracking, fiber breakage and delamination) resulting from different impact levels (low, medium and high). In the case of nanomaterials, the impact improvement is believed to be due to whiskering (i.e., improved transverse and interlaminar shear properties by nanoscale bridging between fibers). Figures 15(a)-(c) show that nanoscale bridging (also called stitching) can be achieved by forming co-oriented or similarly oriented fibers (i.e., fibers within a co-oriented lamina, such as the 5° helicoid example shown in Figure 13). or closely oriented lamina fibers). In these cases, nanomaterials can reduce or even eliminate resin cracking caused by low- and mid-level impacts. Because the plies of a helicoid layup are cloaked at a shallow angle (e.g., 5 to 30°), the length of direct contact between individual interlaminar fibers can be up to 10 degrees longer than in a standard 0°, ±45°, 90° layup. It's twice as long. This long contact length makes nanocomposite additives more effective in helicoidal layups than industry standard layups separated by 45 or 90°. Helicoid layup using nano additives not only reduces/elimination of vertical/horizontal resin cracks within the lamina, but also reduces/elimination of resin cracks between the lamina in the horizontal direction under moderate impact, as shown in Figure 14b. , may also show resistance to delamination (full ply separation). Nanomaterials can be added uniformly within the resin during pre-pregging, attached directly to the fibers, or added to the interlaminar layer between ply stacks.

가변적 피치 및 부분 헬리코이드 구조: 헬리코이드 레이업의 피치는 1 개의 플라이당 라미나의 두께 및 플라이가 클로킹/적층되는 각도에 따라 달라진다. 결과적인 나선체는 예상되는 충격 형태/레벨 및/또는 요구되는 강도를 예상하여 특정의 파장 또는 강도로 조정될 수 있다. 경화 냉각 중에 변형을 피하기 위해, 종래의 레이업(0°, ±45°, 90° 플라이를 사용하는 것)은 플라이 스택을 균형 및 대칭시킬 필요가 있다. 어떤 선행기술은 헬리코이드 레이업이 왼손 나선형, 오른손 나선형 또는 양방향 나선형일 수 있음을 확인해 준다. 원래 구상된 대로, 헬리코이드 스택은 전체 레이업에 걸쳐 일정한 각도 오프셋을 포함한다. 균형 및 대칭적 18° 오프셋 헬리코이드 레이업의 예는 (0°, 18°, 36°, 54°, 72°, 90°, -72°, -54°, -36°, -18°, 0°, -18°, -36°, -54°, -72°, 90°, 72°, 54°, 36°, 18°, 0°)이다. 얕은 클로킹 각도(예를 들면, 30° 이하)의 헬리코이드 레이업은 균형 및/또는 대칭적이 아닌 경우에도 산업계 표준인 0°, ±45°, 90° 레이업보다 변형에 대한 성향이 더 적다. 비표준 헬리코이드 레이업을 만들 수 있는 이 능력으로 인해 특정 용도를 위해 더 조정될 수 있는 고유한 더 얇은 라미네이트 선택지가 가능해진다. 본 개시에서는 추가의 헬리코이드 클로킹 선택지에 대해 설명한다:Variable Pitch and Partial Helicoid Structure: The pitch of a helicoid layup depends on the thickness of the lamina per ply and the angle at which the plies are cloaked/laminated. The resulting helicoid can be tuned to a particular wavelength or intensity in anticipation of the expected impact type/level and/or required intensity. To avoid deformation during cure cooling, conventional layups (those using 0°, ±45°, and 90° plies) require balanced and symmetrical ply stacks. Some prior art confirms that helicoid layups can be left-handed, right-handed or bi-helical. As originally conceived, the helicoid stack contains a constant angular offset throughout the entire layup. Examples of balanced and symmetrical 18° offset helicoidal layups include (0°, 18°, 36°, 54°, 72°, 90°, -72°, -54°, -36°, -18°, 0°, -18°, -36°, -54°, -72°, 90°, 72°, 54°, 36°, 18°, 0°). Helicoidal layups with shallow cloaking angles (e.g., 30° or less) have less tendency to deform than the industry standard 0°, ±45°, 90° layups, even if they are not balanced and/or symmetrical. This ability to create non-standard helicoidal layups allows for unique thinner laminate options that can be further tailored for specific applications. This disclosure describes additional helicoid cloaking options:

1. 단일 라미네이트에서 5, 10, 15 및 30° 등 가변적 클로킹 각도를 구비한 레이업. 일 실시례로는 (0°, 5°, 15°, 30, 45°, 75°, -75°, -45°, 30 -15°, -5°, 0°)가 있다. 이 유형의 레이업은 다양한 파장에 걸친 조정, 레이업 내의 일 영역/깊이에서의 충격력의 저지/소산 및/또는 충격 능력과 전체 라미네이트 강도 사이의 균형조정에 우수하다.1. Layup with variable cloaking angles of 5, 10, 15 and 30° in a single laminate. One example is (0°, 5°, 15°, 30, 45°, 75°, -75°, -45°, 30 -15°, -5°, 0°). This type of layup is excellent for tuning across multiple wavelengths, arresting/dissipating impact forces in a region/depth within the layup, and/or balancing impact capability with overall laminate strength.

2. 레이업의 (a) 외부, (b) 중간부, 또는 (c) 중간부 및 외부에 촘촘한 클로킹 및 레이업의 나머지 부분에 더 넓은 클로킹을 구비한 레이업. (0°, 5°, 10°, 15°, 45°, 75°, -75°, -45°, -15°, -10°, -5°, 0°)는 라미네이트의 중간부 및 외부 표면에 촘촘한 클로킹을 구비하는 레이업의 일례이다. 이 유형의 레이업은 라미네이트의 특정 두께 내에서 충격 하중을 소산시키는 것에 우수한 한편 하중 지지 방향에서의 강도를 위해 다른 플라이의 배향을 자유롭게 조정할 수 있다.2. A layup with tight cloaking on (a) the outside, (b) middle, or (c) middle and outside of the layup and wider cloaking on the remainder of the layup. (0°, 5°, 10°, 15°, 45°, 75°, -75°, -45°, -15°, -10°, -5°, 0°) are the middle and outer surfaces of the laminate. This is an example of a layup with tight cloaking. This type of layup is excellent at dissipating impact loads within a specific thickness of the laminate while allowing freedom to orient the different plies for strength in the load bearing direction.

3. (0°, 30°, 60°, 90°, -60°, -30°, 0°) 및 (0°, -30°, -60°, 90°, 60°, 30°, 0°) 등의 왼손 나선 및 오른손 나선인 비대칭 및/또는 비균형 레이업. 이들 레이업으로 인해 두꺼운 균형적/대칭적 레이업을 제조할 필요없이 헬리코이드 클로킹, 즉 충격 능력을 이용할 수 있다. 보다 촘촘한 헬리코이드 클로킹 각도(종래의 0°, ±45°, 90°가 아님)가 사용되므로 이러한 레이업은 변형의 경향이 더 적다. 또한, 변형의 경향은 부품의 형상 또는 국부적인 보강에 의해 극복될 수 있는 경우가 많다.3. (0°, 30°, 60°, 90°, -60°, -30°, 0°) and (0°, -30°, -60°, 90°, 60°, 30°, 0° ) Asymmetric and/or unbalanced layups that are left-handed and right-handed helices, etc. These layups allow helicoid cloaking, or impact capability, to be utilized without the need to manufacture thick balanced/symmetric layups. Because tighter helicoidal cloaking angles are used (rather than the traditional 0°, ±45°, or 90°), these layups are less prone to deformation. Additionally, the tendency to deform can often be overcome by the geometry of the part or local reinforcement.

4. (0°, 5°, 10°, 15°, 90°, 90°, 15°, 10°, 5°, 0°) 또는 (-35°, -25°, -15°, -5°, 5°, 15°, 25°, 35°) 등 부분적으로만 나선형이고 360° 전체를 통해 클로킹하지 않는 레이업. 이러한 레이업은 특정 라미네이트 영역에서는 헬리코이드 배치의 충격 이점을 분리하는 한편 다른 영역에서는 하중 지지 섬유를 최적화할 수 있다. 이 클로킹은 사용 중의 충격의 성질 및 방향을 예측하기 위해 방향성을 가질 수 있다.4. (0°, 5°, 10°, 15°, 90°, 90°, 15°, 10°, 5°, 0°) or (-35°, -25°, -15°, -5° , 5°, 15°, 25°, 35°), etc. A layup that is only partially spiral and does not cloak through the entire 360°. This layup can isolate the impact benefits of helicoidal placement in certain laminate areas while optimizing load-bearing fibers in other areas. This cloaking can be directional to predict the nature and direction of impact during use.

TPUD 헬리코이드 재료: 산업계 전형의 UD 탄소/에폭시(C/E) 프리프레그의 그레이드에는 190(0.0073 인치/플라이) 및 145(0.0056 인치/플라이)가 포함된다. 얇은 플라이 프리프레그는 전형적으로 그레이드 60(0.0023 인치/플라이) 이하이다. 도 16은 헬리코이드 플라이의 두께 및 클로킹에 의해 다양한 높이 및 폭의 계단상 나선체가 생성되는 방법을 도시한다. 예를 들면, 그레이드 145 UD 헬리코이드 레이업은 1 개의 플라이 당 약 15 내지 20 개의 탄소 섬유가 적층되어 수직방향의 단차는 0.0056 인치가 된다. =약 5°의 클로킹 각도에서 표준 오프셋 a=0.064 인치를 사용하는 경우, 수평방향의 단차는 b=0.0056 인치로 계산되고, 거의 1 대 1(1:1)의 나선체가 형성된다. 짧은 라미나간 수지 전단 영역 및 상당한 섬유 대 섬유 직접 접촉을 갖는 이 1:1의 좁게 클로킹된 나선체는 헬리코이드 레이업의 내충격성, 균열 저지 및 라미나간 하중 분담 능력의 핵심을 이룬다. 동일한 5° 클로킹을 실시한 그레이드 190(0.0073 인치/플라이) 헬리코이드 레이업은 대략 2:1 계단형 단차를 갖는다. 45° 클로킹을 구비한 전형적인 그레이드 145 산업계 표준 레이업은 수지의 수직방향 단차가 0.056 인치이고, 비교적 긴 1:10 나선체가 형성된다. 이 긴 수지 전단 영역은, 헬리코이드 레이업과 비교했을 때, 라미나간 직접 섬유 하중 분담을 제한하고, 경우에 따라 내충격성의 감소의 원인이 될 수 있다. 90° 클로킹에서는 라미나간 단차가 무한대가 된다(즉 라미나간 수지 영역이 방해받지 않음). TPUD Helicoid Material: Industry-typical grades of UD carbon/epoxy (C/E) prepreg include 190 (0.0073 inch/ply) and 145 (0.0056 inch/ply). Thin ply prepreg is typically grade 60 (0.0023 inch/ply) or less. Figure 16 shows how stepped helices of various heights and widths are created by the thickness and cloaking of helicoid plies. For example, Grade 145 UD helicoid layup has about 15 to 20 carbon fibers per ply, resulting in a vertical step of 0.0056 inches. = Using a standard offset of a = 0.064 inches at a cloaking angle of approximately 5°, the horizontal step difference is calculated as b = 0.0056 inches, resulting in an almost 1 to 1 (1:1) helix. These 1:1 narrowly cloaked helices with short interlaminar resin shear zones and significant fiber-to-fiber direct contact form the core of the helicoid layup's impact resistance, crack arresting, and interlaminar load-sharing capabilities. A Grade 190 (0.0073 inch/ply) helicoid layup with the same 5° clocking would have an approximately 2:1 stepped step. A typical Grade 145 industry standard layup with 45° cloaking has a vertical resin step of 0.056 inches, forming a relatively long 1:10 helix. This long resin shear zone limits the direct fiber load sharing between the laminas when compared to helicoid layups and, in some cases, can cause reduced impact resistance. At 90° cloaking, the step difference between laminae becomes infinite (i.e., the resin area between laminae is undisturbed).

요약하면, 그리고 계속하여 도 16을 참조하면, "나선 단차"가 좁을수록 잠재적 내충격성이 더 우수하며, 다른 모든 기준은 유사하다는 것에 주목할 수 있다. 그러나, 1° 내지 5° 범위의 매우 얕은 각도는 나선형 매트릭스 균열로서 설명되는 지배적인 파괴 메커니즘을 촉진하는 것으로 예상될 수 있고, 15° 내지 30° 범위의 더 큰 얕은 각도는 플라이 내부 박리 및 플라이 사이의 박리 및 섬유 파단으로서 설명되는 지배적인 파괴 메커니즘을 촉진하는 것으로 예상될 수 있다. 출원인은 주어진 섬유 유형 및 플라이 두께에 대하여 전술한 파괴 메커니즘의 둘 모두가 협동하여 충격 에너지 소산 및 충격 강도를 최대화하는 각도 값의 바람직한 범위 부분이 존재함을 인식하였다. 이 바람직한 범위, 및 그 범위 내의 임의의 최적값은 섬유 층의 클로킹 각도에 더하여 수지 특성, 섬유 특성, 토우 크기, 및 라미나간 수지 두께를 포함하는 많은 변수에 따라 달라질 수 있다. TPUD 레이업은 유사한 두께의 종래의 레이업에 비교했을 때 강도 및 충격 능력이 개선되었음을 보여주었다. In summary, and continuing to refer to Figure 16, it can be noted that the narrower the "spiral step" the better the potential impact resistance, all other criteria being similar. However, very shallow angles in the range of 1° to 5° can be expected to promote the dominant failure mechanism described as helical matrix cracking, while larger shallow angles in the range of 15° to 30° result in intra-ply delamination and inter-ply delamination. It can be expected to promote the dominant failure mechanism described as delamination and fiber fracture. Applicants have recognized that, for a given fiber type and ply thickness, there is a portion of the preferred range of angle values at which both of the above-described failure mechanisms cooperate to maximize impact energy dissipation and impact strength. This preferred range, and any optimum within that range, may depend on many variables, including resin properties, fiber properties, tow size, and interlaminar resin thickness in addition to the cloaking angle of the fiber layer. TPUD layups showed improved strength and impact performance when compared to conventional layups of similar thickness.

본 개시에 의해 설명되는 새로운 실시형태로서, 5° 클로킹이 실시된 TPUD 그레이드 60(0.0023 인치/플라이) 헬리코이드 레이업은 예시적인 ½:1 계단형 단차를 생성한다. 이러한 프리프레그 클로킹 배치는 종래의 (두께 및 클로킹) 레이업에 대하여 최대 50%의 충격 개선을 가짐을 보여주었다. 또한, 얇은 플라이 레이업은 유한 총 두께 및 배향의 종래의 레이업에 비교했을 때 최대 30%의 강도 개선을 가짐을 보여주었다. 또한, 클로킹 각도가 작아도 인접한 플라이들은 여전히 라미나 내의 수직방향의 수지 균열을 저지하는 것을 돕도록 충분히 발산(divergent)됨에 주목해야 한다. 반대로, 동일한 배향의 2 개 이상의 플라이를 적층시킬 때, 라미나 내의 균열은 하나의 플라이로부터 인접 플라이 내로 비교적 쉽게 확장된다는 것이 밝혀졌다. 수지 라미나 내의 미세균열은 극저온(예를 들면, -200℉ 내지 -415℉)의 환경(예를 들면, 우주 및 극저온 탱크)에서도 발생할 수 있다. 본 개시에 따르면, TPUD 프리프레그로 구축되는 경우에 종래에 알려진 어떤 헬리코이드 구조에 대해서도 충격 및 미세균열 저지 결과의 향상을 기대할 수 있다. 미세균열 저지는 하중 지지 능력을 유지하는 것을 도와줄 뿐만 아니라 격납 용기 내의 액체 및/또는 기체의 투과를 감소시킨다. 다음의 TPUD 변형례는 본 기술분야의 매우 뛰어난 실시형태이다:In a new embodiment described by this disclosure, a TPUD grade 60 (0.0023 inch/ply) helicoid layup with 5° clocking produces an exemplary ½:1 stepped step. This prepreg cloaking arrangement has been shown to have an impact improvement of up to 50% over conventional (thickness and cloaking) layups. Additionally, thin ply layups have been shown to have strength improvements of up to 30% when compared to conventional layups of finite total thickness and orientation. Additionally, it should be noted that even when the cloaking angle is small, adjacent plies are still divergent enough to help resist vertical resin cracking within the lamina. Conversely, when two or more plies of the same orientation are stacked, it has been found that cracks within the lamina extend relatively easily from one ply into an adjacent ply. Microcracks within the resin lamina can also occur in environments with extremely low temperatures (e.g., -200°F to -415°F) (e.g., space and cryogenic tanks). According to the present disclosure, when constructed with TPUD prepreg, improvement in impact and microcrack prevention results can be expected for any previously known helicoid structure. Microcrack arrest not only helps maintain load bearing capacity but also reduces the permeation of liquids and/or gases within the containment vessel. The following TPUD variants are excellent embodiments of the art:

1. TPUD 헬리코이드 스택은 표준 플라이 두께의 종래의 클로킹 레이업에 대비하여 강도, 충격 및 라미나간 미세균열 저지의 개선을 보여준다. 이들 능력은 보다 작은 종횡비의 나선형 및 그로 인해 개선된 라미나간 하중 분담에 기인하는 것으로 생각할 수 있다.1. TPUD helicoid stacks demonstrate improvements in strength, impact and interlaminar microcrack arrest compared to conventional cloaked layups of standard ply thickness . These capabilities can be attributed to the smaller aspect ratio helix and the resulting improved inter-laminar load sharing.

2. 연속적으로 클로킹된 나선체의 TPUD 헬리코이드 스택은 고도로 배향된 종래의 스택(1차 하중 지지 방향으로 추가의 플라이가 있음) 이상의 강도를 가짐과 동시에 충격 특성도 개선된다. 이것은 헬리코이드 레이업은 1차 하중 방향의 섬유의 총 개수가 더 적더라도 더 얇은 플라이 및 약간만 클로킹된 오프 앵글(off-angle)의 섬유가 효율적인 라미나간 하중 분담을 촉진한다는 사실에 기인한다. 또한, 헬리코이드 스택에서는 동일한 각도의 섬유가 직접 적층되지 않으므로 고하중 중에 및/또는 충격 발생시에 및/또는 저온 환경에서 라미나 사이에서 수직방향의 수지 미세균열의 전파가 적어진다. 미세균열 저지는 하중 지지 능력을 유지하는 것을 도와줄 뿐만 아니라 격납 용기 내의 액체 및/또는 기체의 투과를 감소시킨다.2. TPUD helicoidal stacks of continuously cloaked helicoids have greater strength than highly oriented conventional stacks (with additional plies in the primary load bearing direction) while also improving impact properties. This is due to the fact that although the helicoid layup has a lower total number of fibers in the primary load direction, the thinner ply and slightly cloaked off-angle fibers promote efficient inter-laminar load sharing. Additionally, in a helicoid stack, fibers of the same angle are not directly stacked, so the propagation of vertical resin microcracks between laminae during high loads and/or upon impact and/or in low temperature environments is reduced. Microcrack arrest not only helps maintain load bearing capacity but also reduces the permeation of liquids and/or gases within the containment vessel.

3. 보다 작은 총 두께의 TPUD 헬리코이드 스택은 더 두꺼운 종래의 라미네이트와 유사하거나 더 우수한 충격 강도를 가질 수 있다. 그러므로, TPUD 헬리코이드 스택을 사용하는 경우 산업계의 비헬리코이드인 표준의 균형적, 대칭적 및 최소 방향 배향의 라미네이트를 사용한 경우보다 더 얇고 더 가벼운 라미네이트를 제조할 수 있다.3. TPUD helicoid stacks of smaller total thickness can have impact strengths similar to or better than thicker conventional laminates . Therefore, using TPUD helicoid stacks, thinner and lighter laminates can be produced than using the industry's standard balanced, symmetrical and minimally oriented laminates, which are non-helicoidal.

4. 더 얇은 최소 게이지의 TPUD 헬리코이드 스택은 전통적인 레이업 대칭, 균형 및 최소 배향 규칙을 준수하면서 원하는 특성을 보유할 수 있다. 예를 들면, 항공기 표피는, 표준 0°, ±45°, 90° 레이업 규칙 (0°, +45°, -45°, 90°, 90°, -45°, +45°, 0°)을 사용하는 경우에, 우박의 타격을 대비하여 8-플라이의 그레이드 190 UD 테이프 또는 0.058 인치의 총 두께를 필요로 할 수 있다. 그러나 동일한 용도의 경우, TPUD 헬리코이드 레이업(0.0023 인치 이하의 플라이를 사용한 것)은 16-플라이의 0.037 인치 라미네이트를 사용하는 충격 요건 및 레이업 규칙을 충족시킬 수 있다.4. Thinner minimum gauge TPUD helicoidal stacks can retain the desired properties while complying with traditional layup symmetry, balance and minimum orientation rules. For example, the aircraft skin has the standard 0°, ±45°, 90° layup rule (0°, +45°, -45°, 90°, 90°, -45°, +45°, 0°) If used, you may need 8-ply grade 190 UD tape or a total thickness of 0.058 inches to protect against hail strikes. However, for the same application, TPUD helicoid layup (using 0.0023 inch plies or less) can meet the impact requirements and layup rules using 16-ply 0.037 inch laminate.

5. 헬리코이드 스택은 TPUD 및 두꺼운 플라이를 조합하여 종래의 레이업보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격 라미네이트를 제조할 수 있다. TPUD의 하나의 결점은 보다 많은 층이 필요하므로 두꺼운 플라이 재료 부품에 비교했을 때 라미네이트의 레이업에 더 많은 시간을 필요로 할 수 있다는 것이다. 이 결점은 얇은 플라이와 두꺼운 플라이의 조합을 사용함으로써 부분적으로 예방될 수 있다. 이 개시가 시사하는 예시적인 사례에서, 얇은 헬리코이드 플라이를 레이업의 일부에 사용하여 레이업을 조정하고, 전체 충격 능력을 증가시킬 수 있는 한편으로 두꺼운 플라이를 사용하여 레이업 시간을 감소시키고 또한 전체 강도를 높일 수 있다. 바람직한 일 실시례에서, 헬리코이드 플라이는 충격 강도를 향상시키기 위해 라미네이트의 외면 부근에 사용할 수 있고, 1차 하중 지지 메커니즘으로서 레이업의 잔부 또는 중간부 상에 두꺼운 플라이를 사용할 수 있다. 예를 들면, 풍력 터빈 블레이드의 예에서, 일방향 섬유를 사용하는 두꺼운 내층을 가질 수 있으며, 이것을 헬리코이드 재료의 층으로 둘러싸거나 그 층 내에 봉입시킬 수 있다. 추가의 실시례로서, 헬리코이드 재료는 압력 용기의 내층에 사용되어 이 압력 용기의 외층으로 균열의 전파를 방지할 수 있다. 원한다면, 압력 용기의 내층에 더하여 또는 그 대신에 압력 용기의 중간층 또는 외층에 헬리코이드 재료를 사용할 수 있다. 5. Helicoid stacks combine TPUD and thick plies to produce uniquely tuned strength/impact laminates that are superior to conventional layups. One drawback of TPUD is that because more layers are required, the layup of the laminate may require more time compared to thick ply material parts. This defect can be partially prevented by using a combination of thin and thick plies. In an exemplary case that this disclosure addresses, thin helicoid plies can be used for portions of the layup to adjust the layup and increase overall impact capacity, while thick plies can be used to reduce layup time and It can also increase overall strength. In one preferred embodiment, helicoid plies may be used near the exterior surface of the laminate to improve impact strength, and thicker plies may be used on the remainder or middle portion of the layup as the primary load bearing mechanism. For example, in the example of a wind turbine blade, one may have a thick inner layer using unidirectional fibers, which may be surrounded by or encapsulated within a layer of helicoid material. As a further example, helicoid materials can be used in the inner layer of a pressure vessel to prevent propagation of cracks to the outer layer of the pressure vessel. If desired, helicoid materials may be used in the middle or outer layers of the pressure vessel in addition to or instead of the inner layer of the pressure vessel.

이것의 일례는 도 18a 내지 도 18c에 도시되어 있으며, 이들 도면은 본 발명의 실시형태에 따라 섬유 강화 복합재 구조물(10)의 플라이 배치의 개략도를 도시한다. 도 18b는 도 18a 및 도 18c에서 사시도로 도시된 구조의 단면도를 도시한다. 복합재 구조물(10)은 섬유 강화 복합재 구조물의 제 1 영역을 획정하는 강화 섬유의 제 1 복수의 플라이(11)를 가지며, 이 플라이는 평행한 섬유들을 포함하며, 플라이들은 강화된 복합재 구조물에 내하중 강도를 제공하도록 배치된다. 도시된 실시례에서, 제 1 복수의 플라이(11)에는 5 개의 플라이가 포함된다. 하부의 2 매의 플라이는 +80°/-80°로 배치되고, 그 위의 3 매의 플라이는 0°로 배치된다. 이 실시례에서, 0° 플라이는 튜브형 구조와 같은 축대칭 부품의 축을 따라 배치되고, 1차 하중의 방향으로 강도를 부여한다. +80°/-80° 플라이는 0° 플라이를 보강하는 역할과, 가늘고 긴 튜브형 구조에 유리한 축대칭 부품의 좌굴에 저항하는 역할을 한다.An example of this is shown in Figures 18A-18C, which show schematic diagrams of ply arrangements of fiber reinforced composite structures 10 according to embodiments of the present invention. Figure 18b shows a cross-sectional view of the structure shown in perspective in Figures 18a and 18c. The composite structure 10 has a first plurality of plies 11 of reinforcing fibers defining a first region of the fiber reinforced composite structure, the ply comprising parallel fibers, the plies providing load bearing properties to the reinforced composite structure. It is placed to provide strength. In the illustrated embodiment, the first plurality of plies 11 includes five plies. The bottom 2 plies are positioned at +80°/-80°, and the top 3 plies are positioned at 0°. In this embodiment, the 0° ply is placed along the axis of an axisymmetric part, such as a tubular structure, and imparts strength in the direction of the primary load. The +80°/-80° ply serves to reinforce the 0° ply and to resist buckling of axisymmetric parts, which is advantageous for long, thin tubular structures.

강화 섬유의 제 2 복수의 플라이(12)는 섬유 강화 복합재 구조물의 제 2 영역을 획정하고, 헬리코이드 관계로 배치되고, 적어도 2 개의 인접한 플라이의 배향 방향들 사이의 협각은 강화된 복합재 구조물에 내충격성을 제공하기 위해 0° 초과 내지 약 30° 미만이다. 예시된 실시례에서, 플라이는 (위로부터 아래로) 70°,65°,60°,55°,50°,45°,40°,30°,20°, 및 10°로 배치된다. 본 명세서의 다른 부분에서 기술된 바와 같이, 이 헬리코이드 관계는 하부 구조에 내충격성을 제공한다.A second plurality of plies 12 of reinforcing fibers define a second region of the fiber reinforced composite structure and are arranged in helicoidal relationship, with the inclusion angle between the orientation directions of at least two adjacent plies being in the reinforced composite structure. Greater than 0° to less than about 30° to provide impact resistance. In the illustrated embodiment, the plies are positioned (from top to bottom) at 70°, 65°, 60°, 55°, 50°, 45°, 40°, 30°, 20°, and 10°. As described elsewhere herein, this helicoid relationship provides impact resistance to the substructure.

강화 섬유의 제 3 복수의 플라이는 제 2 플라이 및 제 3 플라이의 중간에 위치하는 제 1 복수의 플라이의 양면에 내충격성을 제공하도록 강화 섬유의 제 2 복수의 플라이의 반대측에 배치될 수 있다. 제 2 복수의 헬리코이드 플라이에 대해서는 TPUD 플라이, 다른 플라이에 대해서는 내충격성, 1차 하중 지지 능력 및 감소된 레이업 시간의 면에서 유리한 두꺼운 플라이로 도시되어 있으나, 플라이의 두께는 각각의 플라이에 대해 동일하게 할 수 있다.The third plurality of plies of reinforcing fibers may be disposed on opposite sides of the second plurality of plies of reinforcing fibers to provide impact resistance to both sides of the first plurality of plies located midway between the second ply and the third ply. The second plurality of helicoid plies are shown as TPUD plies and the other plies as thicker plies which are advantageous in terms of impact resistance, primary load carrying capacity and reduced layup time, but the thickness of the plies varies for each ply. You can do the same for

6. TPUD 헬리코이드 스택은 종래의 레이업보다 우수한 강도 및 충격 특성을 소유하는 독자적으로 조정된 라미네이트를 생성하기 위해 가변적 클로킹으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 산업계의 전형인 45° 및 90°의 표준 클로킹을 사용하거나 기본 헬리코이드 레이업에서 실시될 수 있는 일관된 5° 클로킹을 사용하는 대신, 후속의 라미나마다 클로킹이 몇 °씩 변동하는 헬리코이드 레이업을 생성할 수 있다. 결과적인 라미네이트는 부품의 중량을 최소화하면서 제품 환경의 요구(예를 들면, 열, 충격 및 강도 요건)을 독자적으로 충족시키는 소정의 피치 및 조정을 소유할 수 있다.6. TPUD helicoid stacks can be manufactured with variable cloaking to create uniquely tuned laminates that possess superior strength and impact properties than conventional layups. For example, instead of using the standard cloaking of 45° and 90°, which is typical of the industry, or the consistent 5° cloaking that can be implemented in a basic helicoid layup, the cloaking may vary by a few degrees for each subsequent lamina. A helicoid layup can be created. The resulting laminate can possess any pitch and tuning that independently meets the needs of the product environment (e.g., thermal, impact and strength requirements) while minimizing the weight of the part.

7. 촘촘한 클로킹 및 얇은 플라이를 사용하여 생성된 헬리코이드 배치는 표준 클로킹 및 표준 플라이 두께를 사용하는 종래의 레이업보다 변형의 경향이 더 적음을 보여주었다. 또한, TPUD 비대칭/비균형 스택에 잔류하는 변형은 부품 형상 또는 국부적 보강 효과에 의해 극복될 수 있는 경우가 많다. 따라서, 왼손만의 그리고 오른손만의 TPUD 헬리코이드 레이업으로 인해 헬리코이드 TPUD 레이업은 최소의 게이지 및 가능한 한 최소의 중량을 가지면서 모범적인 강도 및 충격 특성을 포함할 수 있다.7. Helicoid layouts created using tight cloaking and thin plies showed less tendency to deform than conventional layups using standard cloaking and standard ply thickness. Additionally, residual strain in the TPUD asymmetric/unbalanced stack can often be overcome by component geometry or local reinforcement effects. Accordingly, the left-hand only and right-hand only TPUD helicoid layup allows the helicoid TPUD layup to include exemplary strength and impact properties while having the smallest gauge and the lowest possible weight.

8. TPUD와 두꺼운 플라이를 조합한 헬리코이드 스택은 종래의 레이업보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격 능력을 가진 라미네이트를 생성하기 위해 가변적 클로킹으로 제조될 수 있다. 따라서, 얇은 플라이 및 두꺼운 플라이를 사용하여 레이업 비용을 최소화할 수 있고, 또한 강도/나선 조정 능력을 최적화할 수 있는 한편 가변적 클로킹 피치를 사용하여 더 고도로 또는 다양한 성질의 특성을 최대화할 수 있다. 예를 들면, 얇은 플라이 및 두꺼운 플라이의 선택은 주로 레이업 비용의 관점으로부터 실행될 수 있는 한편 가변적 클로킹은 수직방향의 라미나 내의 수지 미세균열을 저지하도록 선택될 수 있다. 비용 성능을 향상시키기 위해 비용 대 강도, 비용 대 내충격성, 및 비용 대 중량 조정의 기타 조합이 고려될 수 있다.8. Helicoidal stacks combining TPUD and thick plies can be manufactured with variable cloaking to create laminates with independently tuned strength/impact capabilities that are superior to conventional layups. Accordingly, layup costs can be minimized using thin and thick plies, while also optimizing strength/helix tunability, while variable cloaking pitch can be used to maximize higher or variable properties. For example, the selection of thin and thick plies may be driven primarily from a layup cost perspective, while variable cloaking may be selected to resist resin microcracks within the vertical lamina. Other combinations of cost-to-strength, cost-to-impact resistance, and cost-to-weight adjustments may be considered to improve cost performance.

복합재 부품의 주된 이점 중 하나는 복합재 부품을 플라이를 추가 및 삭제함으로써 조정할 수 있고, 따라서 더 고하중 영역에서는 강도 및 내충격성을 증가시키는 한편 다른 영역에서는 최소의 두께 및 중량을 유지할 수 있는 것이다. 많은 경우에 부품은 패스너 위치 및 도관 통과부 등의 구조물의 개구 주변이나, 리벳을 사용한 항공우주 구조 어셈블리나 스포크 부착점 주위의 자전거 림과 같은 부품을 국부적으로 보강하고 및/또는 내력 및/또는 구조 강도를 개선하기 위해 결합 영역에 패드가 덧붙여진다. 다른 사례에서는 날개 또는 풍력 터빈 블레이드의 리딩 에지, 골프 클럽, 배트 및 클럽의 타격 영역, 보호 헬멧 등과 같이 강한 충격이 예상되는 영역을 두껍게 하는 경우도 있다. 다른 사례에서는 낚시대, 골프 클럽, 장대높이뛰기 장대, 세일링 마스트, 스키 및 스노우보드, 운동화 등의 경우에서와 같이 일 영역은 유연하게 제조하고 타 영역은 강직하게 제조할 수 있다. 본 개시에서 설명하는 다른 특수 사례로서, 부품의 패드업(pad-up) 영역은 본 개시에서 설명하는 임의의 헬리코이드 변형으로 구성할 수 있다. 이 패드업은 베이스인 종래의 레이업이나 베이스인 동일하거나 상이한 구조의 헬리코이드 레이업에 도입될 수 있다. 앞서 열거한 8 개의 예시적인 사례에서 상술한 바와 같이, TPUD 헬리코이드 라미네이트로 인해 최소 게이지의 저감 및/또는 경량화된 보다 우수하거나 동등한 성능을 갖는 구조가 가능해진다. 적층의 자유를 제한하고 많은 경우에 소정의 하중의 경우를 취하기 위해 유의미하게 필요한 것보다 두꺼운 레이업을 필요로 하는 돌발적인 하중에 대해 보호하기 위한 최소 배향의 규칙(예를 들면, 임의의 일 방향으로 섬유의 10% 이상을 배치하지 않음)과 함께 균형/대칭 규칙은 TPUD 헬리코이드 구조에서는 더 적게 사용되거나 경우에 따라서는 무시될 수 있다.One of the main advantages of composite parts is that they can be tuned by adding and deleting plies, thus increasing strength and impact resistance in higher load areas while maintaining minimum thickness and weight in other areas. In many cases, components provide localized reinforcement and/or load-bearing and/or structural support around openings in structures, such as fastener locations and conduit passages, or bicycle rims around spoke attachment points or aerospace structural assemblies using rivets. Pads are added to the bonding area to improve strength. Other cases include thickening areas where high impacts are expected, such as the leading edges of wings or wind turbine blades, golf clubs, striking areas of bats and clubs, protective helmets, etc. In other cases, one area can be manufactured flexible and another area rigid, as in the case of fishing rods, golf clubs, pole vaulting poles, sailing masts, skis and snowboards, and sneakers. As another special case described in this disclosure, the pad-up region of the component may consist of any of the helicoidal modifications described in this disclosure. This pad-up can be introduced into a base conventional layup or a base helicoid layup of the same or different structure. As detailed in the eight example examples listed above, TPUD helicoid laminates allow for structures with better or equivalent performance with reduced minimum gauge and/or lighter weight. Rules of minimum orientation to protect against accidental loading (e.g. any one direction The rules of balance/symmetry (not laying out more than 10% of the fibers) are less used in TPUD helicoidal structures or can be ignored in some cases.

하이브리드 재료 헬리코이드 구조: 나노재료, 가변적 피치 및 부분 나선, 및 TPUD를 포함하는 헬리코이드 라미네이트는 하이브리드 재료(예를 들면, 직물 복합재, 비폴리머, 금속, 발포체, 샌드위치 재료, 및/또는 산업계에서 알려져 있거나 추후에 개발될 기타 재료)와 조합되어 전체 중량, 제조 비용, 지지력, 강직도 및 내충격성과 같은 특성을 개선할 수 있다. 이들 조합은 비용, 중량 및/또는 두께를 최소화하면서 비강도 및 충격 특성을 조절하도록 전체적으로 (예를 들면, 매트릭스 수지의 전체를 통해 나노재료를 조합함) 또는 현명하게 (예를 들면, 얇은 헬리코이드 및 두꺼운 헬리코이드 나선체에서 종래의 두께의 프리프레그의 4 개의 플라이 대신 티타늄 포일의 층을 배치함) 실시될 수 있다. 하이브리드 헬리코이드 구조의 특정의 예시적인 실시례는 아래와 같다:Hybrid Materials Helicoid Structures: Helicoid laminates comprising nanomaterials, variable pitch and partial helix, and TPUD can be used as hybrid materials (e.g., textile composites, non-polymers, metals, foams, sandwich materials, and/or industrial applications). It can be combined with other materials (known or later developed) to improve properties such as overall weight, manufacturing cost, bearing capacity, stiffness, and impact resistance. These combinations can be used either holistically (e.g. combining nanomaterials throughout the matrix resin) or smartly (e.g. thin helicoids) to control specific strength and impact properties while minimizing cost, weight and/or thickness. This can be implemented (by placing a layer of titanium foil instead of four plies of prepreg of conventional thickness) in a helicoidal and thick helicoid helix. Specific exemplary embodiments of hybrid helicoid structures are as follows:

1. 스택 내에 또는 내면 및 외면 상에 분포된 직물 복합재 플라이를 구비한 헬리코이드 구조가 충격 능력을 개선하기 위해 선택된 독자적인 클로킹 배치로 생성될 수 있다. 직물 플라이는 천공 또는 트리밍(trimming) 시에 섬유의 돌출을 최소화하기 위해 내면 및 외면 상에서 유용하게 사용될 수 있다. 레이업 내에서, 직물을 사용하여 독자적인 클로킹/나선형성과 조정의 조합을 생성할 수 있고, 이것은 충격력을 흡수 및 소산시키고 또한 충격 피로의 효과를 최소화하는 것을 돕는다. 직물 플라이는 낙뢰의 소산, 전류의 전달, 전기 부품의 차폐 또는 열전도율의 변경 등을 돕는 금속 포일, 섬유 또는 메시를 포함할 수도 있다.1. Helicoidal structures with woven composite plies distributed within the stack or on the inner and outer surfaces can be created with unique cloaking arrangements selected to improve impact performance. Fabric plies can be usefully used on the inner and outer surfaces to minimize fiber protrusion when perforating or trimming. Within the layup, the fabric can be used to create a unique combination of cloaking/spiralization and coordination, which helps absorb and dissipate impact forces and also minimize the effects of impact fatigue. The fabric ply may also contain metal foils, fibers or mesh to help dissipate lightning strikes, conduct electrical current, shield electrical components or alter thermal conductivity.

2. 침식 및 충격 능력을 개선하기 위해 내면 및 외면 상에 금속 포일을 구비하는 헬리코이드 구조가 생성될 수 있다. 따라서, 금속 포일은 내충격성과 하중 지지성을 향상시키기 위해 헬리코이드 구조를 무상(intact)으로 유지하면서 베어링 파괴를 방지하고, 침식을 저감 또는 지연시키고, 및/또는 충격 하에서 항복시킬 수 있다.2. Helicoidal structures can be created with metal foils on the inner and outer surfaces to improve erosion and impact capabilities. Accordingly, the metal foil can prevent bearing failure, reduce or delay erosion, and/or yield under impact while keeping the helicoid structure intact to improve impact resistance and load bearing.

3. 헬리코이드 스택의 중심에 완충 발포체 또는 샌드위치 재료의 층을 배치함으로써 전단 강직성을 높이고, 관성 하중을 완충시키고, 타격 에너지를 소산시키고, 및/또는 좌굴 내성을 향상시킬 수 있다. 이러한 구조는 부품 강도 대 중량 비, 소음성, 피로 능력, 단열성, 및 내충격성/내손상성을 향상시킬 수 있다.3. Placing a layer of cushioning foam or sandwich material at the center of the helicoid stack can increase shear stiffness, cushion inertial loads, dissipate impact energy, and/or improve buckling resistance. These structures can improve component strength-to-weight ratio, noise properties, fatigue capacity, thermal insulation, and impact/damage resistance.

4. 2축(예를 들면, [+x°/-x°]), 3축(예를 들면, [0°,+x°,-x°]) 또는 4축(즉, [0°, ±45°, 90°]), 또는 직물로 제조된 종래의 표피 구조 대신에 샌드위치 구조물에 헬리코이드 TPUD 표피를 사용하면 표피의 관통 두께 충격 강도가 개선될 수 있고. 면내 압축 하에서 표피 좌굴을 지연시킬 수 있다. 이것은 플라이 사이의 각도가 더 작고 또한 플라이의 개수가 더 많은 것에 기인하며 이는 경량화로 이어진다. 이러한 구조에서 헬리코이드 적층은 두께 방향의 충격 강도를 더 높이고, 얇은 플라이 라미네이트의 전형인 면외 강도(out-of-plane strength)의 약점을 보완 및 상쇄시킨다. 따라서, 얇은 플라이의 헬리코이드 적층으로 인해 중량 감소를 향상시키기 위해 얇은 플라이의 면내 특성을 개선할 수 있다. 4. 2-axis (e.g. [+x°/-x°]), 3-axis (e.g. [0°,+x°,-x°]) or 4-axis (e.g. [0°, ±45°, 90°]), or the through-thickness impact strength of the skin can be improved by using a helicoidal TPUD skin in a sandwich structure instead of a conventional skin structure made of fabric. Skin buckling can be delayed under in-plane compression. This is due to the smaller angle between the plies and the higher number of plies, which leads to weight reduction. In this structure, helicoidal laminates provide greater through-thickness impact strength and compensate for and offset the weaknesses in out-of-plane strength typical of thin ply laminates. Therefore, helicoidal lamination of thin plies can improve the in-plane properties of thin plies to enhance weight reduction.

5. 나노재료를 매트릭스 수지 내에 도입함으로써 헬리코이드 플라이 자체와 하이브리드 재료(예를 들면, 금속과 샌드위치) 사이의 결합을 개선할 수 있고, 따라서 라미나간 강도 및 이것에 의존하는 특성(예를 들면, 강도 전단, 굽힘 인장, 압축 및 충격)을 개선할 수 있다.5. By introducing nanomaterials into the matrix resin, it is possible to improve the bond between the helicoid ply itself and the hybrid material (e.g. metal and sandwich), thus improving the inter-laminar strength and properties dependent on this (e.g. , strength shear, bending tension, compression and impact) can be improved.

샌드위치 구조물의 경우, 코어와 함께 페이스 시트 또는 표피를 사용하면 위에서 언급한 이점을 얻을 수 있다. 그러나, 복합재 분야에서 종래의 상식은 균형 및 대칭을 이루는 복합재 레이업을 형성하는 것이다. 따라서 균형 및 대칭을 제공하는 데 필요한 모든 플라이 층을 수용하기 위해 표피의 최소 두께가 상대적으로 커진다. 특정의 용도를 위해 비균형 레이업을 사용하는 것이 알려져 있으나, 이것을 내충격성의 관점에 한정된다. 본 명세서에서 본 발명의 실시형태는 표피의 적어도 하나가 반드시 균형 및/또는 대칭을 이루는 것은 아닌 헬리코이드 관계로 배치되는 강화 섬유의 복수의 플라이를 포함하는 내충격성을 갖는 복합 표피 샌드위치 구조물을 제공한다.For sandwich structures, the advantages mentioned above can be achieved by using a face sheet or skin along with the core. However, conventional wisdom in the composites field is to form composite layups that are balanced and symmetrical. The minimum thickness of the skin is therefore relatively large to accommodate all the ply layers needed to provide balance and symmetry. It is known to use unbalanced layups for certain applications, but this is limited to impact resistance aspects. Embodiments of the invention herein provide an impact-resistant composite skin sandwich structure wherein at least one of the skins includes a plurality of plies of reinforcing fibers arranged in a helicoidal relationship that is not necessarily balanced and/or symmetrical. do.

표피의 두께 또는 중량은 이 샌드위치 구조물의 최종적으로 의도되는 용도에 관련될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시형태에 따르면, 표피의 총 직물 섬유 면적 중량은 약 1,600 gsm보다 작다. 이 직물 중량은, 예를 들면, 서핑보드용으로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 또 다른 실시례로서, 표피의 총 직물 섬유 면적 중량은 약 5,000 gsm보다 작다. 이 직물 중량은, 예를 들면, E-유리 섬유로 제조된 풍력 터빈 블레이드용으로 사용될 수 있다. 실시형태에 따르면, 표피의 두께는 약 4 mm 미만이다. 탄소 섬유의 경우, 표피의 중량은, 실시형태에 따르면, 약 3,000 gsm보다 작을 수 있다. 복합 샌드위치 구조물의 표피는 부분적으로 방향성 (또는 준등방성) 강도 프로파일을 가질 수 있고, 또한 내충격성이 향상될 수 있다.The thickness or weight of the skin may be related to the final intended use of this sandwich structure. For example, according to embodiments of the invention, the total textile fiber areal weight of the skin is less than about 1,600 gsm. This fabric weight can be used for surfboards, for example. In another example according to an embodiment of the present invention, the total fabric fiber areal weight of the skin is less than about 5,000 gsm. This fabric weight can be used, for example, for wind turbine blades made of E-glass fiber. According to embodiments, the thickness of the epidermis is less than about 4 mm. For carbon fiber, the weight of the skin may be less than about 3,000 gsm, according to embodiments. The skin of the composite sandwich structure can have a partially directional (or quasi-isotropic) strength profile and also improve impact resistance.

또한, 표피의 헬리코이드 배치는 우수한 면내 압축 내성을 갖는다. 압축 하의 종래의 샌드위치 구조물의 다축 라미네이트형 표피의 경우, 축외 플라이(즉, 섬유 방향이 하중 방향을 따라 정렬되지 않은 플라이)는 통상적으로 매트릭스 균열의 형성과 함께 최초로 파괴된다. 이러한 매트릭스 균열은 많은 경우에 축외 플라이에 평행한 방향으로 발생하여 축외 플라이의 토우의 내부에 및/또는 인접부에 정렬된다. 이곳으로부터 매트릭스 균열은 플라이간 계면 손상 내로 전파하고, 이는 박리를 일으켜서 조기의 파국적 파괴로 이어질 수 있다. 이것은, 예를 들면, ±30°, ±45° 및 ±60° 및 90° 배향 등 중 배향으로부터 대 배향을 딸 배향되는 축외 플라이를 갖는 종래의 표피에서 특히 현저하다. Additionally, the helicoidal arrangement of the epidermis has excellent in-plane compression resistance. For multiaxial laminated skins of conventional sandwich structures under compression, the off-axis plies (i.e., plies whose fiber directions are not aligned along the loading direction) typically fail first with the formation of matrix cracks. These matrix cracks in many cases occur in a direction parallel to the off-axis ply and are aligned within and/or adjacent to the toe of the off-axis ply. From here, matrix cracks propagate into the interply interface damage, which can cause delamination and lead to premature catastrophic failure. This is particularly noticeable in conventional skins with off-axis plies that are oriented away from the major orientation, for example ±30°, ±45° and ±60° and 90°.

헬리코이드 섬유 배치의 존재로 인해 축외 플라이를 따른 하중의 재분배가 더 우수해지고, 균열의 형성 및 전파가 더 어려워지게 된다. 이것은 적어도 2 개의 이유 중 하나 또는 둘 모두에 기인하는 것이다. 첫째, 헬리코이드 섬유 배치는 전형적으로 종래의 표피와 비교하여 축외 플라이의 수가 더 적고 및/또는 축외 플라이가 기준 방향(0°)에 대하여 보다 작은 각도로 배치되므로 매트릭스 균열이 발생하는 부위의 수가 더 적어진다.The presence of the helicoidal fiber arrangement results in better redistribution of the load along the off-axis plies and makes the formation and propagation of cracks more difficult. This is due to one or both of at least two reasons. First, helicoid fiber arrangements typically have fewer off-axis plies compared to conventional skins and/or the off-axis plies are placed at a smaller angle to the reference direction (0°), thereby reducing the number of sites at which matrix cracks occur. It becomes less.

둘째, 2 매의 플라이 사이의 계면에서 라미나간 균열의 전파는 라미나간 전단 응력에 의해 적어도 부분적으로 결정되고, 이 응력은 하나의 플라이로부터 다음 플라이로의 방향성 탄성의 차에 의해 적어도 부분적으로 발생된다. 공통의 기준 방향을 따르는 하나의 플라이로부터 다음 플라이로의 탄성의 차이가 클수록 라미나간 매트릭스 균열이 발생할 가능성이 더 커진다. 헬리코이드 구조에서는 인접한 플라이들 사이의 섬유 배향이 원활하게 전이하므로 (종래의 표피에 비해) 하나의 플라이로부터 다음 플라이로의 탄성의 차이가 작아지고, 그 결과 플라이 사이의 계면에서 라미나간 응력이 감소되고, 압축 하중이 증가하여도 균열 전파 및 박리가 지연된다. 이들 박리는 표피의 강직도를 국부적으로 감소시킬 수 있고, 이는 표피의 조기 좌굴을 일으킬 수 있다. 따라서, 헬리코이드 섬유 배치의 경우, 축외 플라이에서 매트릭스 균열이 발생해도 박리의 형성이 지연되고 압축 강도의 향상으로 이어진다. Second, the propagation of interlaminar cracks at the interface between two plies is determined at least in part by the interlaminar shear stress, which is caused at least in part by the difference in directional elasticity from one ply to the next. . The greater the difference in elasticity from one ply to the next along a common reference direction, the more likely it is that interlaminar matrix cracking will occur. In a helicoid structure, the fiber orientation between adjacent plies transitions smoothly, so the difference in elasticity from one ply to the next is smaller (compared to a conventional skin), resulting in lower interlaminar stress at the interface between plies. is reduced, and crack propagation and delamination are delayed even when compressive load increases. These detachments can locally reduce the rigidity of the epidermis, which can cause premature buckling of the epidermis. Therefore, in the case of helicoidal fiber arrangement, even if matrix cracks occur in the off-axis plies, the formation of delamination is delayed and leads to an improvement in compressive strength.

복합재 구조물의 굽힘 또는 굴곡 내성(산업계에서 공지된 3점 굽힘 시험에 의해 결정됨)은 (인장 하중을 받는 반대측 표피와는 대조적으로) 압축 하중을 받는 샌드위치의 표피에 의해 제한되는 경우가 많으므로 헬리코이드 표피의 면내 압축 내성은 샌드위치 구조물에서 특히 유리하다. The bending or flexural resistance of composite structures (as determined by the three-point bend test, known in the industry) is often limited by the skin of the sandwich under compressive loading (as opposed to the opposing skin under tensile loading), so Helico The in-plane compression resistance of the id skin is particularly advantageous in sandwich structures.

본 발명의 실시형태에 따르면, 샌드위치 구조물은 2 개의 헬리코이드 표피와 이들 사이의 하나의 코어 재료를 구비하는 3층 구조를 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시형태에는 표피들 중 하나만 헬리코이드 표피이고, 반대측 표피는, 예를 들면, 종래의 복합 재료를 포함할 수 있는 3 층 구조도 포함된다. 이러한 구조는 샌드위치 구조물이 일방향으로만 굽힘 힘을 받는 설계 환경, 및/또는 샌드위치 구조물의 일표면만이 충격력을 받는 것으로 예상되는 설계 환경에 적합하다. 마찬가지로, 코어는 2 개 이상의 층의 재료를 포함할 수 있고, 및/또는 2 개 이상의 유형의 코어 재료로 형성될 수 있다. 또한 복합 재료의 추가의 층이 강직성 또는 기타 구조 특성을 제공하기 위해 포함될 수 있다. According to embodiments of the invention, the sandwich structure may have a three-layer structure comprising two helicoid skins and a core material between them. However, embodiments of the invention also include three-layer structures where only one of the skins is a helicoid skin and the opposite skin may comprise, for example, a conventional composite material. This structure is suitable for a design environment in which the sandwich structure is subject to bending forces in only one direction, and/or in a design environment in which only one surface of the sandwich structure is expected to receive impact forces. Likewise, the core may include two or more layers of material and/or may be formed from two or more types of core material. Additional layers of composite material may also be included to provide rigidity or other structural properties.

플라이 내의 만곡 섬유는 종래의 또는 로봇 섬유 배치 설비를 사용하여 생성될 수 있다. 이 사례에서, 비교적 협폭의 슬릿 테이프 또는 토우(예를 들면, ¼ 인치)의 스트립을 더 넓은 밴드(예를 들면, 4 인치) 내에 나란히 동시에 배치할 수 있다. 배치 헤드는 열, 배치 압력 및 각도 전단 레이다운 힘을 변경할 수 있으므로 밴드는 대부분의 복합재를 배치할 때 사용되는 종래의 직선 배향 대신 원호(예를 들면, 200 mm의 반경), s 형상 또는 임의의 원하는 윤곽으로 조절될 수 있다(도 17 참조). 이러한 곡률은 헬리코이드 스택에 더 많은 자유도를 추가할 수 있고, 본 개시에서 논의되는 대체 설계 중 어느 것과도 사용될 수 있다. 헬리코이드 플라이 적층과 조합되는 2D 또는 3D 형상 내의 면내 만곡은 파장 조정 및 충격 능력을 더욱 높일 수 있다. Curved fibers within the ply can be created using conventional or robotic fiber placement equipment. In this case, relatively narrow strips of slit tape or tow (e.g., ¼ inch) can be simultaneously placed side by side within a wider band (e.g., 4 inches). The placing head can vary the heat, placement pressure, and angular shear laydown forces so that the band can be placed in an arc (e.g., radius of 200 mm), s-shaped, or arbitrary shape instead of the conventional straight orientation used when placing most composites. It can be adjusted to the desired contour (see Figure 17). This curvature can add more degrees of freedom to the helicoid stack and can be used with any of the alternative designs discussed in this disclosure. In-plane curvature in 2D or 3D shapes combined with helicoidal ply lamination can further increase wavelength tuning and impact capabilities.

얇은 플라이 직물(TPW)은 고강도 및 내마모성을 제공하는 새로운 클래스의 고성능 섬유 강화 재료이다. TPW 직물은 도 19에 도시된 바와 같이 전형적으로 2 가지 형태를 갖는다: 1) 스프레드 토우 직물(여기서 토우는 얇고 평탄한 일방향 테이프(TPUD와 유사한 섬유 면적 중량을 가짐)로 펼쳐진 다음에 다양한 테이프를 직물의 형태로 직조함); 및 2) 경량 토우(light tow)를 사용하여 제조된 직물. 본 명세서에서 경량 토우는 탄소 필라멘트의 경우에는 토우 당 1k-12k 필라멘트를 갖는 토우 및 유리의 경우에는 약 300 tex 미만의 중량을 갖는 토우로서 정의된다. 본 발명의 실시형태에 따른 경량 토우 TPW 섬유는 천연 섬유 (320 tex 이하), 아라미드 섬유 (300 tex 이하), UHMWPE 섬유 (300 tex 이하), 폴리프로필렌 섬유 (200 tex 이하), 및 복합재에서 일반적으로 사용되는 기타 전형적인 섬유 및 이들의 혼합물을 포함할 수도 있다. Thin ply fabrics (TPW) are a new class of high-performance fiber-reinforced materials that offer high strength and abrasion resistance. TPW fabrics typically take two forms, as shown in Figure 19: 1) Spread tow fabrics, where the tow is spread into thin, flat, one-way tapes (with fiber areal weights similar to TPUD) and then the various tapes are wrapped around the fabric. woven into shapes); and 2) fabrics manufactured using light tow. Lightweight tow is defined herein as tow having 1k-12k filaments per tow for carbon filaments and tow having a weight of less than about 300 tex for glass. Lightweight tow TPW fibers according to embodiments of the invention generally include natural fibers (up to 320 tex), aramid fibers (up to 300 tex), UHMWPE fibers (up to 300 tex), polypropylene fibers (up to 200 tex), and composites. Other typical fibers used and mixtures thereof may also be included.

본 발명의 실시형태에 따르면, TPW 직물은 헬리코이드식으로 레이업되며, 종래의 두꺼운 토우에 비해 더 우수한 충격 성능을 제공한다. 본 명세서에서 사용되는 직물의 헬리코이드 레이업(TPW 및 QUDW의 둘 모두를 포함함)은 접촉하는 직물 층의 2 개의 대응하는 토우 방향들 사이의 협각이 헬리코이드 각도만큼 오프셋되는 헬리코이드 레이업을 지칭한다. 예를 들면, 2 매의 중첩된 직물의 경사 토우(warp tow)는 [0°/5°/?? 배치를 규정하기 위해] 5°만큼 오프셋될 수 있고, 따라서 위사 토우(weft tow)는 [90°/95°/... 방향으로]90°만큼 오프셋된다. According to embodiments of the present invention, TPW fabrics are laid up helicoidally and provide superior impact performance compared to conventional thick tows. As used herein, a helicoid layup of fabric (including both TPW and QUDW) is a helicoid where the included angle between the two corresponding toe directions of the contacting fabric layers is offset by the helicoid angle. Refers to a layup. For example, the warp tow of two overlapping fabrics is [0°/5°/?? to define the placement] can be offset by 5°, and thus the weft tow is offset by 90° [in the 90°/95°/... direction].

본 명세서에 개시된 헬리코이드 TPW 레이업의 우수한 충격 성능은 (충격에 의해 유발되는) 임계미만의 매트릭스 분할이 보다 점진적으로 성장하는 능력, 및 나선상 균열 패턴으로 라미네이트 내에서 네스팅(nesting)되는 능력에 있다. 임의의 직물 복합재가 충격을 받으면, 파괴 메커니즘은 전형적으로 섬유 재료보다 낮은 인장 강도를 갖는 (고립되어 있는) 매트릭스에서 분할을 시작한다. 이 분할은 도 20의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 토우들 사이의 매트릭스의 일부에서 시작할 수 있고, 또는 토우를 통해 (그리고 그 섬유 배향 방향에 평행하게) 시작할 수도 있다. 도 20의 (a)는 경사 토우와 위사 토우가 교차하는 2 개의 층의 종래의 직물을 도시하고, 도 20의 (b)는 2 개의 층의 스프레드 토우 TPW 직물을 도시하고, 도 20의 (c)는 2 개의 층의 라이트 토우 TPW 직물을 도시한다. 그러나 분할이 진행되어 충격을 더 흡수하기 위해서는 이 분할은 분할 방향으로 다음 번 토우의 섬유를 횡단할 필요가 있다. 직물의 경우, 이 다음 번 토우는 분할된 토우에 대해 대체로 직각을 이루므로 이 분할은 도 20의 (a) 내지 (c)의 층 1 및 층 2에 도시된 바와 같이 다음 번 토우의 섬유를 (그 인장 방향으로) 파단할 필요가 있다. The superior impact performance of the helicoid TPW layup disclosed herein is due to the ability of subcritical matrix splitting (impact-induced) to grow more gradually and to nest within the laminate in a spiral crack pattern. It is in When any textile composite is impacted, failure mechanisms initiate splitting in the (isolated) matrix, which typically has a lower tensile strength than the fiber material. This division may begin in a portion of the matrix between the tows, as shown in Figures 20(a)-(c), or may begin through the tow (and parallel to its fiber orientation direction). Figure 20(a) shows a two-layer conventional fabric with alternating warp tow and weft tow, Figure 20(b) shows a two-layer spread tow TPW fabric, and Figure 20(c) ) shows two layers of light tow TPW fabric. However, in order for the split to proceed and absorb more shock, the split needs to traverse the fibers of the next tow in the splitting direction. For fabrics, this next tow is approximately perpendicular to the split tow, so this split separates the fibers of the next tow (as shown in layers 1 and 2 in Figure 20(a)-(c)). It needs to be broken (in the direction of tension).

섬유 강화 복합재에서 라미나 관통(translaminar) 파단 인성은 플라이 두께와 함께 증가한다. 그러나, 예상과 달리, 라미나 관통 파단 인성은 플라이 두께의 증가와 함께 직선적으로 증가하지는 않는다. 일례로서, 플라이의 두께 또는 토우의 수를 2 배로 하면 균열의 전파에 필요한 에너지는 2배가 넘게 해야 한다. 이것은 에너지 소산 프로세스에 기여하는 분할, 박리, 킹크 밴드(kink band)(압축) 및 섬유 인발(인장) 등의 부가적인 에너지 소산 메커니즘의 활성화에 관련된다.In fiber-reinforced composites, translaminar fracture toughness increases with ply thickness. However, contrary to expectations, through-lamina fracture toughness does not increase linearly with increasing ply thickness. As an example, doubling the thickness of the plies or the number of toes would more than double the energy required for crack propagation. This involves the activation of additional energy dissipation mechanisms such as splitting, delamination, kink band (compression) and fiber drawing (tension), which contribute to the energy dissipation process.

직교하는 토우의 라미나 관통 파단 시에 방출되는 에너지가 지나치게 높아서 인접한 직물 층과의 계면에서 파단을 저지하지 못하는 경우, 불안정한 균열 전파 및 결과적인 파국적 파괴로 이어질 수 있다. 보다 적은 토우의 수 및/또는 스프레드 토우 층을 구비하는 TPW 직물을 사용하면, (상대적으로) 위사의 가는 토우/스프레드 토우의 파단에 필요한 에너지의 양을 크게 감소시키므로 헬리코이드 구조의 파괴 메커니즘이 불안정하지 않게 활성화될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 헬리코이드 배치로 적층된 TPW 직물 층을 갖는 복합재 구조물은 불안정한 방식으로 파괴될 수 있는 종래의 두꺼운 플라이 직물 복합재에 비교하여 나선형 균열 패턴을 보이고 따라서 더 우수한 내충격성을 보일 수 있다. TPW 직물 복합재의 사용례에는 스포츠 용품, 자동차/모터스포츠 부품 (날개, 스플리터, 디퓨저, 차체 패널을 포함함) 및 선박 부품(선체, 마스트, 갑판을 포함함)이 포함된다. 다른 사용례에는 수트케이스 및 여행가방 등의 소비자 제품이 포함된다. 본 발명의 실시형태에 따른 폴리프로필렌 섬유로 제조된 수트케이스 및 여행가방은 합리적인 비용으로 충격 보호 및 인성으로 제공한다. If the energy released upon fracture through the lamina of orthogonal tows is too high to arrest fracture at the interface with adjacent fabric layers, this can lead to unstable crack propagation and resulting catastrophic failure. The use of TPW fabrics with lower tow counts and/or spread tow layers significantly reduces the amount of energy required for fracture of the (relatively) thin tow/spread tow of the weft, thereby facilitating the failure mechanism of the helicoid structure. Can be activated without instability. In an exemplary embodiment, composite structures with TPW fabric layers laminated in a helicoidal arrangement may exhibit helical cracking patterns and thus exhibit superior impact resistance compared to conventional thick ply fabric composites, which may fail in an unstable manner. there is. Use cases for TPW fabric composites include sporting goods, automotive/motorsports components (including wings, splitters, diffusers, and body panels) and marine components (including hulls, masts, and decks). Other use cases include consumer products such as suitcases and luggage. Suitcases and travel bags made from polypropylene fibers according to embodiments of the present invention provide impact protection and toughness at a reasonable cost.

본 발명의 실시형태에 따르면, 준 일방향 직물(QUDW) 직물은 표준, 두꺼운, 그리고 얇은 직물로 제공될 수 있고, 충격 성능을 강화하기 위해 헬리코이드식으로 배치될 수 있다. QUDW 직물은, 도 21의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 섬유의 80% 초과분이 경사 방향을 따라 정렬되고, 나머지(20% 미만)는 위사 방향을 따라 정렬되는 고도로 불균형인 직물이고, 직물의 안정성 및 드레이프성(drapability)을 제공하는 기능을 갖는다. 위사의 섬유는 경사 섬유(즉, 하중 지지 섬유)와의 탄성 특성의 차를 최대화하도록 경사의 섬유와 다를 수 있다. 이러한 탄성 특성의 차이는 섬유 방향에 직교하는 탄성 특성이 매트릭스 특성에 의해 지배되는 일방향 플라이의 탄성 특성과 유사한 직교 탄성 특성을 갖는 직물을 생성하는데 유용할 수 있다. 다른 실시형태에서, 경사 방향을 따르는 섬유(80%를 초과함), 이에 따라 직물의 대부분을 형성하는 섬유는 비교적 저가의 섬유 유형을 사용하여 플라이의 강직도 및 강도의 대부분을 제공하기 위하여 유리 섬유로 제조될 수 있다. 위사 토우의 섬유(20% 미만)는 경사에 직교하는 방향으로 강직성 효과를 제공하기 위하여 유리보다 고가이고 성능이 더 우수한 탄소 섬유로 제조될 수 있다.According to embodiments of the present invention, quasi-unidirectional woven (QUDW) fabrics can be provided in standard, thick, and thin fabrics and can be helicoidally arranged to enhance impact performance. QUDW fabrics are highly unbalanced fabrics where more than 80% of the fibers are aligned along the warp direction and the remainder (less than 20%) are aligned along the weft direction, as shown in Figure 21 (a) to (c). and has the function of providing stability and drapability of the fabric. The fibers of the weft may differ from those of the warp to maximize the difference in elastic properties from the warp fibers (i.e., load-bearing fibers). This difference in elastic properties can be useful in creating fabrics with orthogonal elastic properties similar to those of a unidirectional ply, where the elastic properties orthogonal to the fiber direction are dominated by the matrix properties. In other embodiments, the fibers along the warp direction (greater than 80%), and thus forming the majority of the fabric, may be glass fibers to provide most of the stiffness and strength of the ply using a relatively inexpensive fiber type. can be manufactured. The fibers (less than 20%) of the weft tow can be made of carbon fiber, which is more expensive and performs better than glass to provide a stiffening effect in the direction perpendicular to the warp yarn.

본 발명의 실시형태에 따른 헬리코이드 레이업의 파괴 메커니즘을 달성하기 위하여 QUDW 직물을 헬리코이드형으로 배치한 경우, 직물의 불균형 및 분산된 횡사 얀들 사이의 상대적 간격은 강화된 충격 성능을 달성하는 데 유리하다. TPW 직물에 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 경사를 따라 형성되는 매트릭스 분할은 경사 얀 상을 횡단하는 위사 얀에 의해 정지되지 않으면서 이웃하는 플라이 직물에서 전파될 수 있다. 따라서, 헬리코이드 레이업 파괴 메커니즘을 이용하기 위해 헬리코이드 균열의 형성 및 성장을 허용하도록 섬유가 파단될 필요가 없다. When the QUDW fabric is arranged in a helicoid shape to achieve the failure mechanism of the helicoid layup according to an embodiment of the present invention, the imbalance of the fabric and the relative spacing between the dispersed weft yarns achieve enhanced impact performance. It is advantageous to As explained above with respect to TPW fabrics, matrix splits that form along the warp yarns can propagate in neighboring ply fabrics without being stopped by the weft yarns crossing over the warp yarns. Therefore, there is no need for the fibers to be fractured to allow the formation and growth of helicoid cracks to utilize the helicoid layup failure mechanism.

도 22의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시형태는 QUDW 직물에 대하여 보다 큰 협각을 포함한다. 인접하는 2 개의 플라이의 위사 얀이 중첩되는 영역은 균열이 헬리코이드형으로 전파하는데 필요한 에너지가 위사 얀의 섬유를 파단시키는 데 필요하므로 헬리코이드 균열의 전파에 대해 보다 높은 저항을 일으킨다. 이는 불안정한 파국적 파괴로 이어질 수 있다. As shown in Figures 22 (a) and (b), embodiments of the present invention include larger included angles for the QUDW fabric. Areas where the weft yarns of two adjacent plies overlap produce higher resistance to propagation of helicoidal cracks because the energy required for the crack to propagate helicoidally is required to fracture the fibers of the weft yarns. This could lead to destabilizing and catastrophic destruction.

위사 얀들 사이의 빈도수를 증가시킴(간격을 줄임)으로써, 라미네이트는 더 균형을 이루게 된다. 도 22의 (a)는 95%의 경사 섬유 및 5%의 위사 섬유를 구비하는 2 개의 QUDW 플라이를 보여주고, 이에 반해 도 22의 (b)는 75%의 경사 섬유 및 25%의 위사 섬유를 구비하는 2 개의 QUDW 플라이를 보여준다. 위사 얀의 간격을 줄이면 작은 협각 레이업에서 인접한 위사 얀의 중첩된 총 면적이 증가한다. 그러나 보다 큰 협각 레이업의 경우, 위사 얀의 간격을 줄임으로써 중첩되는 위사 얀의 총 면적을 보다 원활하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 보다 큰 피치 각도의 헬리코이드 라미네이트의 경우, 중첩되는 위사 얀의 과도한 증가를 초래하지 않고도 위사 얀의 개수/빈도를 증가시킬 수 있다(따라서 균형을 개선할 수 있다). 그 결과, 피치 각도가 더 작은 헬리코이드 QUDW 라미네이트에 비해 분할의 길이가 단축된다. 이로 인해 균열의 네스팅 및 손상의 확산이 촉진되고, 파괴 프로세스가 더 안정화된다. By increasing the frequency (reducing the spacing) between the weft yarns, the laminate becomes more balanced. Figure 22(a) shows two QUDW plies with 95% warp fibers and 5% weft fibers, while Figure 22(b) shows 75% warp fibers and 25% weft fibers. Shows two QUDW plies provided. Reducing the spacing of weft yarns increases the total area of overlap of adjacent weft yarns in small narrow-angle layups. However, for larger narrow angle layups, the total area of overlapping weft yarns can be more smoothly increased by reducing the spacing of the weft yarns. Therefore, for larger pitch angle helicoidal laminates, the number/frequency of weft yarns can be increased (thus improving the balance) without resulting in an excessive increase in overlapping weft yarns. As a result, the length of the split is shortened compared to the helicoidal QUDW laminate with a smaller pitch angle. This promotes nesting of cracks and propagation of damage and makes the fracture process more stable.

QUDW 직물은 탄소 섬유, 및 복합재에서 전형적으로 사용되는 섬유 유형으로 제조될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 경사 얀 및/또는 위사 얀은 유리 섬유로 형성될 수 있다. QUDW 직물 복합재의 사용례에는 스포츠 용품, 자동차/모터스포츠 부품(차체 패널, 섀시 부품, 배터리 케이스, 스키드 플레이트를 포함함), 풍력 터빈 블레이드, 관 및 선박 부품(선체, 마스트, 갑판을 포함함)이 포함된다. QUDW fabrics can be made from carbon fiber, and fiber types typically used in composites. According to embodiments of the invention, the warp yarn and/or weft yarn may be formed from glass fibers. Examples of uses for QUDW fabric composites include sporting goods, automotive/motorsports components (including body panels, chassis components, battery cases, and skid plates), wind turbine blades, tubes, and marine components (including hulls, masts, and decks). Included.

따라서, 본 개시는 종래 기술을 초과하는 다양한 새로운 헬리코이드 설계 및 제조의 강화를 상술한다. 본 개시는 (a) 나노재료, (b) 가변적 피치 및 부분 나선, (c) TPUD, (d) 하이브리드 재료, (e) 플라이 내의 만곡 섬유, (f) 2D 또는 3D 프리폼을 위한 자동화된 섬유 또는 테이프 배치, (g) 비권축 직물, (h) 3D 직물, (i) 3D 인쇄된 재료, 및 (j) 필라멘트 권선 부품, (l) TPW, 및 (m) QUDW를 포함하는 나선 피치 및 구조 재료/대체물의 구체적인 변경을 교시한다. Accordingly, the present disclosure details a variety of new helicoid design and enhancements over the prior art. The present disclosure relates to (a) nanomaterials, (b) variable pitch and partial helix, (c) TPUD, (d) hybrid materials, (e) curved fibers in plies, (f) automated fibers for 2D or 3D preforms, or Helical pitch and structural materials including tape placement, (g) non-crimped fabric, (h) 3D fabric, (i) 3D printed material, and (j) filament wound part, (l) TPW, and (m) QUDW. /Instructs specific changes to substitutes.

따라서, 본 개시에 따르면, 다음의 실시례는 본 개의 양태를 예시한다. 그러나, 이들 실시례는 비제한적이며 예시적인 것으로 의도된 것임이 이해될 것이다. Accordingly, in accordance with the present disclosure, the following examples illustrate aspects of the present invention. However, it will be understood that these examples are intended to be illustrative and non-limiting.

실시례 1: CNF, CNT, SWNT, MWNT, 흑연 플레이트리트/그래핀, 유기 구형 입자, 코폴리머, 무기 점토, 실리카, 실리콘 탄화물, 알루미나, 금속 산화물, 및 기타 공지되거나 추후에 개발될 나노 재료를 포함하지만 이들에 한정되지 않는 나노재료를 포함하는 헬리코이드 구조. 나노재료를 섬유 강화재와 조합하여 수지 내에 도입하면 동일한 두께의 종래의 복합재 라미네이트보다 기계적 특성 및 내충격성이 향상되는 것을 보여준다. 원한다면, 나노섬유(직경이 100 nm 미만인 섬유)를 재료 내에 도입할 수 있다. 섬유들 사이의 나노재료 위스커링은 횡방향 및 라미나 내의 전단 특성을 개선할 수 있고, 저수준 및 중수준의 충격으로부터 발생되는 수지 균열을 저감시키거나 제거할 수 있다. 라미나간 섬유들 사이의 직접 접촉 길이를 증가시키는 얕은 클로킹 각도를 갖는 헬리코이드 레이업은 위스커링 효과를 개선할 수 있다. 촘촘한 헬리코이드 클로킹으로 인한 이러한 접촉 길이의 연장은 나노복합재 첨가제를 산업계 표준 레이업에서 사용했을 때보다 헬리코이드 레이업에 도입했을 때 더 효과적으로 되도록 한다. 나노 첨가제를 사용한 헬리코이드 레이업은 라미나 내의의 수직/수평방향의 수지 균열을 저감/제거할 뿐만 아니라, 수평방향의 라미나간 수지 균열을 저감/제거하고, 박리의 발생을 선제적으로 억제할 수 있다. Example 1 : CNFs, CNTs, SWNTs, MWNTs, graphite platelets/graphene, organic spherical particles, copolymers, inorganic clays, silica, silicon carbide, alumina, metal oxides, and other known or later developed nanomaterials. Helicoidal structures containing nanomaterials including but not limited to. It is shown that introducing nanomaterials into the resin in combination with fiber reinforcement improves mechanical properties and impact resistance compared to conventional composite laminates of the same thickness. If desired, nanofibers (fibers with a diameter of less than 100 nm) can be introduced into the material. Nanomaterial whiskering between fibers can improve transverse and intra-lamina shear properties and reduce or eliminate resin cracking resulting from low- and medium-level impacts. Helicoidal layups with shallow cloaking angles that increase the length of direct contact between the interlaminar fibers can improve the whiskering effect. This extended contact length due to tight helicoid cloaking makes nanocomposite additives more effective when incorporated into helicoid layups than when used in industry standard layups. Helicoid layup using nano additives not only reduces/eliminates vertical/horizontal resin cracks within the lamina, but also reduces/eliminates resin cracks between laminas in the horizontal direction, and preemptively suppresses the occurrence of delamination. You can.

실시례 2: TPUD 헬리코이드 구조는 짧은 라미나간 수지 전단 영역 및 실질적인 섬유간 직접 접촉부를 구비하는 촘촘하게 클로킹된 나선체를 생성한다. 이러한 레이업은 내충격성이 있고, 균열(충격 및 저온의 둘 모두로부터의 균열)을 저지하고, 라미나간 하중 분담 능력을 개선한다. TPUD 헬리코이드 라미네이트는 최소 게이지를 저감시킬 수 있고 및/또는 더 경량의 더 우수하거나 동등한 성능의 구조를 가능하게 한다. 적층의 자유를 제한하고 많은 경우에 소정의 하중의 경우를 취하기 위해 유의미하게 필요한 것보다 두꺼운 레이업을 필요로 하는 돌발적인 하중에 대해 보호하기 위한 최소 배향의 규칙(예를 들면, 임의의 일 방향으로 섬유의 10% 이상을 배치하지 않음)과 함께 균형/대칭 규칙은 TPUD 헬리코이드 구조에서는 더 적게 사용되거나 경우에 따라서는 무시될 수 있다. 이러한 실시례의 구체적인 변형례에는 다음이 포함된다: Example 2: TPUD helicoid structures produce tightly cloaked helicoids with short interlaminar resin shear zones and substantial direct fiber-to-fiber contact. This layup is impact resistant, resists cracking (both from impact and cold temperatures), and improves load sharing between the laminae. TPUD helicoid laminates can reduce minimum gauge and/or enable better or equivalent performance structures that are lighter. Rules of minimum orientation to protect against accidental loading (e.g. any one direction The rules of balance/symmetry (not laying out more than 10% of the fibers) are less used in TPUD helicoidal structures or can be ignored in some cases. Specific variations of this embodiment include:

1. 모든 층이 TPUD 플라이인 헬리코이드 스택.1. Helicoid stack with all layers being TPUD ply.

2. 연속적으로 클로킹된 나선체의 TPUD 헬리코이드 스택.2. TPUD helicoid stack of sequentially cloaked helicoids.

3. 종래의 레이업보다는 얇지만 유사하거나 더 우수한 강도 및 충격을 갖는 산업계 표준의 균형, 대칭, 및 최소 방향 배향 규칙을 준수하는 TPUD 헬리코이드 스택. 3. TPUD helicoid stacks that are thinner than conventional layups but adhere to industry standard rules of balance, symmetry, and minimal orientation with similar or better strength and impact.

4. 전통적인 레이업 대칭, 균형 및 최소 배향 규칙을 준수하면서 원하는 특성을 보유하는 더 얇은 최소 게이지 TPUD 헬리코이드 스택. 4. Thinner minimum gauge TPUD helicoidal stacks that retain the desired properties while complying with traditional layup symmetry, balance and minimum orientation rules.

5. TPUD와 두꺼운 플라이를 조합하여 종래의 레이업보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격 라미네이트를 생성하는 헬리코이드 스택. 예를 들면, 얇은 헬리코이드 플라이 레이업의 일부로 사용하여 레이업을 조정할 수 있고 또한 전체 충격 능력을 증가시킬 수 있는 한편 두꺼운 플라이를 사용하여 레이업 시간을 단축할 수 있고, 전체 강도를 높일 수 있다. 5. Helicoid stack, which combines TPUD and thick plies to create a uniquely tuned strength/impact laminate that is superior to conventional layups. For example, thin helicoid plies can be used as part of a layup to adjust the layup and also increase overall impact capacity, while thicker plies can be used to shorten layup time and increase overall strength. there is.

6. 독자적으로 조정된 라미네이트를 생성하기 위해 가변적 클로킹을 실시한 TPUD 헬리코이드 스택으로서, 이것은 여전히 종래의 레이업보다 우수한 강도 및 충격 특성을 갖는다.6. TPUD helicoidal stack with variable cloaking to create a uniquely tuned laminate, which still has superior strength and impact properties than conventional layups.

7. 표준 클로킹 및 표준 플라이 두께를 사용하는 종래의 레이업보다 변형의 경향이 더 적은 촘촘한 클로킹 및 얇은 플라이를 사용하는 헬리코이드 스택. 이로 인해 헬리코이드 TPUD 레이업은 최소 게이지 및 가능한 최저 중량을 가지면서 모범적인 강도 및 충격 특성을 포함할 수 있다.7. Helicoid stacks using tight cloaking and thin plies that are less prone to deformation than conventional layups using standard cloaking and standard ply thicknesses. This allows helicoid TPUD layups to include exemplary strength and impact properties while having the smallest gauge and lowest possible weight.

8. TPUD와 두꺼운 플라이를 조합시킨 헬리코이드 스택은 가변적 클로킹을 사용함으로써 종래의 레이업보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격을 생성할 수 있다. 예를 들면, 얇은 플라이 및 두꺼운 플라이의 선택은 주로 레이업 비용의 관점으로부터 실행될 수 있는 한편 가변적 클로킹은 수직방향의 라미나 내의 수지 미세균열을 저지하도록 선택될 수 있다.8. Helicoid stacks combining TPUD and thick plies can produce independently tuned strength/impact superior to conventional layups by using variable cloaking. For example, the selection of thin and thick plies may be driven primarily from a layup cost perspective, while variable cloaking may be selected to resist resin microcracks within the vertical lamina.

9. 부품의 패드업 영역은 본 개시에서 설명된 헬리코이드 변형례 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 이 패드업은 베이스인 종래의 레이업이나 베이스인 동일하거나 상이한 구조의 헬리코이드 레이업에 도입될 수 있다.9. The pad-up area of the part may include any of the helicoid variations described in this disclosure. This pad-up can be introduced into a base conventional layup or a base helicoid layup of the same or different structure.

실시례 3: 하이브리드 재료의 헬리코이드 구조는 앞서 언급한 나노재료, 가변적 피치와 부분 나선, 및 TPUD 플라이 중 임의의 것을 하이브리드 재료(예를 들면, 비폴리머, 금속, 발포체 및/또는 샌드위치 재료)와 조합하여 사용함으로써 강도, 내력, 강직도 및 내충격성을 향상시킬 수 있다. 이들 조합은 비용, 중량 및/또는 두께를 최소화하면서 비강도 및 충격 특성을 조절하도록 전체적으로 실시되거나 선택된 영역에서 실시될 수 있다. 이러한 실시례의 구체적인 변형례에는 다음이 포함된다: Example 3 : Helicoidal structures of hybrid materials combine any of the previously mentioned nanomaterials, variable pitch and partial helices, and TPUD plies with hybrid materials (e.g., non-polymers, metals, foams, and/or sandwich materials). By using it in combination with , strength, durability, rigidity, and impact resistance can be improved. These combinations can be implemented globally or in selected areas to control specific strength and impact properties while minimizing cost, weight and/or thickness. Specific variations of this embodiment include:

1. 충격력을 흡수 및 소산시키기 위해 선택된 독자적인 클로킹 배치를 생성하고, 천공 또는 트리밍 시에 섬유의 돌출을 최소화하고, 침식 능력을 개선하기 위해 스택 내에 또는 내면 및 외면 상에 직물 복합재 플라이를 분포시킨 헬리코이드 변형례. 직물 플라이는 낙뢰의 소산, 전류의 전달, 전기 부품의 차폐 또는 열전도율의 변경 등을 돕는 금속 포일, 섬유 또는 메시를 포함할 수도 있다.1. Heli distributed fabric composite plies within the stack or on the inner and outer surfaces to create a unique cloaking arrangement selected to absorb and dissipate impact forces, minimize fiber protrusion when drilling or trimming, and improve erosion capacity. Coid variant example. The fabric ply may also contain metal foils, fibers or mesh to help dissipate lightning strikes, conduct electrical current, shield electrical components or alter thermal conductivity.

2. 내면 및 외면 상에 금속 포일을 구비하여 침식 및 충격 능력을 개선한 헬리코이드 변형례.2. Helicoid modification with improved erosion and impact capabilities by providing metal foil on the inner and outer surfaces.

3. 레이업의 중심에 완충 발포체 또는 샌드위치 재료를 배치함으로써 전단 강직성을 높이고, 관성 하중을 완충시키고, 타격 에너지를 소산시키고, 및/또는 좌굴 내성을 개선한 헬리코이드 변형례. 이것은 또한 부품 강도 대 중량 비, 소음성, 피로 능력, 단열성, 및 내충격성/내손상성을 향상시킨다.3. Helicoid variants that increase shear stiffness, cushion inertial loads, dissipate impact energy, and/or improve buckling resistance by placing a cushioning foam or sandwich material in the center of the layup. This also improves component strength-to-weight ratio, noise properties, fatigue capacity, thermal insulation, and impact/damage resistance.

4. 헬리코이드 재료는 비권축 직물 또는 직물로 제조된 종래의 표피 구조 대신에 샌드위치 구조물로 조립된 얇은 플라이 일방향 (TPUD) 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 구조로 인해 충격 강도가 개선될 수 있고, 또한 면내 압축 하에서 표피 좌굴을 지연시킬 수 있다. 이러한 구조에서 헬리코이드 TPUD 적층은 비교적 높은 두께 방향의 충격 강도를 실현할 수 있고, 얇은 플라이 라미네이트의 면외 강도의 약점을 보완 및 상쇄시킬 수 있는 것으로 기대된다. 따라서, 이 실시례에서, TPUD의 헬리코이드 적층에 의해 얇은 플라이의 면내 특성을 강화할 수 있고, 결국 부품의 중량을 감소시킬 수 있다. 4. Helicoid materials can be manufactured using thin ply unidirectional (TPUD) materials assembled into a sandwich structure instead of conventional skin structures made of non-crimped fabrics or fabrics. This structure can improve impact strength and also delay skin buckling under in-plane compression. In this structure, helicoid TPUD lamination is expected to be able to realize relatively high impact strength in the thickness direction and to complement and offset the weakness of the out-of-plane strength of thin ply laminates. Therefore, in this embodiment, helicoidal lamination of TPUD can enhance the in-plane properties of the thin ply, ultimately reducing the weight of the part.

5. 수지 내에 나노재료를 사용하여 헬리코이드 플라이 자체와 하이브리드 재료(예를 들면, 금속과 샌드위치) 사이의 결합을 개선하고, 따라서 라미나간 강도 및 이것에 의존하는 특성(예를 들면, 강도 전단, 굽힘 인장, 압축 및 충격)을 개선하는 헬리코이드 변형례.5. Use of nanomaterials in the resin to improve the bond between the helicoid ply itself and the hybrid material (e.g. metal and sandwich), thus improving the interlaminar strength and properties dependent on this (e.g. strength shear). , helicoidal modifications to improve bending, tension, compression and impact).

실시례 4: 연속 섬유, 테이프 또는 섬유 패치를 퇴적시키기 위한 자동화된 재료 배치 설비를 사용하여 소정의 플라이 내에 섬유를 만곡시키는 부가적인 기능강화를 수반하는 앞서 언급한 헬리코이드 설계 중 임의의 것을 생성할 수 있다. 이러한 만곡은 2D 또는 3D 형상의 헬리코이드 스택에 더 많은 자유도를 추가할 수 있고, 파장 조정 및 충격 능력을 더 높이기 위해 사용될 수 있다. Example 4 : Using automated material placement equipment to deposit continuous fibers, tapes or fiber patches to create any of the previously mentioned helicoid designs with the additional reinforcement of bending the fibers within a given ply. can do. These curvatures can add more degrees of freedom to helicoidal stacks in 2D or 3D shapes and can be used to further increase wavelength tuning and impact capabilities.

실시례 5: 헬리코이드 다축 (HMX) 비권축 직물[0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°]을 제조할 수 있다. 다음에 이 롤을 그 0° 축을 중심으로 자체의 폭을 2 분할하여 접거나, 뒤집혀 있는 또 하나의 동일한 롤과 단순 조합하여 10 개의 플라이 HMX [-90°,-67.5°,-45°,-22.5°,0°,0°,22.5°, 45°, 67.5°,90°]를 형성할 수 있다. 다른 실시례에서, 제 1 헬리코이드 MX 직물(예를 들면, [56°,79°,-79°,-56°])을 대형의 연속 롤로부터 취출하고, 90° 회전(예를 들면, [-34°,-11°,11°,34°])시켜 서로 중첩시켜 8 개의 플라이 HMX 직물(예를 들면, 8 개의 플라이[56°,79°,-79°,-56°, -34°,-11°,11°,34°]를 구비한 22° HMX)를 제조할 수 있다. 개개의 플라이와 마찬가지로, 2 개의 HMX 스택은 스티칭 또는 분말 바인더 또는 열 라미네이팅된 열가소성 부직 베일 또는 임의의 다른 적절한 공지의 기술(예를 들면, 에어 펀치 또는 니들 펀치)를 사용하여 접합될 수 있다. Example 5 : Helicoidal multiaxial (HMX) non-crimped fabric [0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] can be manufactured. Next, fold this roll by dividing its width into two around the 0° axis, or simply combine it with another identical roll turned over to form 10 ply HMX [-90°,-67.5°,-45°,- 22.5°, 0°, 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] can be formed. In another embodiment, a first helicoid MX fabric (e.g., [56°,79°,-79°,-56°]) is taken from a large continuous roll and rotated 90° (e.g., [-34°,-11°,11°,34°]) overlapping each other to form 8 ply HMX fabrics (e.g. 8 ply [56°,79°,-79°,-56°, -34°]). °, -11°, 11°, 34°] can be manufactured. As with individual plies, two HMX stacks can be joined using stitching or powder binders or heat laminated thermoplastic nonwoven veils or any other suitable known technique (e.g., air punch or needle punch).

이는 복합재 업계에서 일반적으로 발견되는 기계의 제약을 극복하기 위해 8 개 이상의 헬리코이드 플라이를 하나의 HMX 직물 롤 내에 매립한 HMX를 제안하는 효율적이고 혁신적인 방법이다. 이러한 HMX 롤은 사전 함침될 수 있다. This is an efficient and innovative method that proposes HMX with eight or more helicoid plies embedded within one HMX fabric roll to overcome the mechanical limitations commonly found in the composite industry. These HMX rolls can be pre-impregnated.

실시례 6. 필라멘트 권취를 사용하여 관, 테이퍼형 튜브, 탱크 및 압력 용기(전형적으로 일단부나 양단부 상에 돔을 가질 수 있는 구형 또는 실린더 형) 등의 다양한 종류의 축대칭 부품을 위한 헬리코이드 아키텍처에 기초한 구조를 생성할 수 있다. 일부의 용도의 경우, 이들 필라멘트 권선 부품(차량의 연료 탱크 형태의 수소 압력 용기 등)은 외부 충격에 대한 내성이 높아야 하고, 큰 충돌에 견디고, 폭발을 피하기 위해 충돌시험 및 낙하시험을 받는다. 이러한 구조체는 충격 강도를 높이고, 또한 가스 누출을 피하고 작동 수명을 연장시키기 위해 보다 확산된 균열 전파를 가지도록 전체적인 또는 부분적인 헬리코이드 라미네이트를 사용하여 제조될 수 있다. Example 6 . Structures based on helicoid architecture for a variety of axisymmetric parts such as pipes, tapered tubes, tanks and pressure vessels (typically spherical or cylindrical, which may have domes on one or both ends) using filament winding. can be created. For some applications, these filament winding components (such as hydrogen pressure vessels in the form of vehicle fuel tanks) must be highly resistant to external shocks, withstand large impacts, and undergo crash and drop tests to avoid explosions. These structures can be manufactured using full or partial helicoid laminates to increase impact strength and also have more diffuse crack propagation to avoid gas leaks and extend operating life.

필라멘트 권취 기술을 사용하여 헬리코이드형으로 형성된 일방향 섬유 밴드 또는 테이프를, 예를 들면, 맨드렐 상에 일단부로부터 타단부까지 권취함으로써 인터레이싱(interlacing)할 수 있다. 이러한 인터레이싱된 헬리코이드 패턴(예를 들면, 도 5h에 예시된 것)은 2 각도의 +X°/-X° 이중층으로 맨드렐의 피복을 완성시킬 수 있다. 이 각도는 0°의 각도 기준이 되는 맨드렐 회전축선으로부터 측정될 수 있다. 이러한 기술에서는 이 이중층 내의 2 개의 인접한 플라이 사이의 상대 각도는 X<45°인 경우에 2X°(예를 들면, X=7°인 경우에 14°) 또는 X45°인 경우에 180°-2X°(예를 들면, X=85°인 경우에 -10°)일 수 있다. 따라서, 이 필라멘트 권취 기술에서는 0° 또는 90° 배향의 주변에서 헬리코이드 이중층 사이에 작고 얕은 클로킹 각도(예를 들면, 5° 내지 10°)를 갖는 연속적인 인터레이싱된 헬리코이드 이중층을 생성하는 것이 가능하다. 45° 방향의 주변에서, 섬유는 거의 직각으로 교차한다. Using filament winding techniques, helicoidally formed unidirectional fiber bands or tapes can be interlaced, for example, by winding them from one end to the other on a mandrel. This interlaced helicoidal pattern (e.g., illustrated in Figure 5h) can complete the covering of the mandrel with a two-angled +X°/-X° bilayer. This angle can be measured from the mandrel axis of rotation, which is the 0° angle reference. In this technique, the relative angle between two adjacent plies within this double layer is 2X° for X<45° (e.g., 14° for X=7°) or In the case of 45°, it may be 180°-2X° (for example, -10° in the case of X=85°). Therefore, this filament winding technique produces continuous interlaced helicoidal bilayers with small, shallow cloaking angles (e.g., 5° to 10°) between the helicoidal bilayers around a 0° or 90° orientation. It is possible. Around the 45° direction, the fibers intersect at almost right angles.

추가의 구현형태에서, 층/플라이 내에서 모두 동일한 각도를 갖거나 다양한 각도를 갖는 섬유의 층을 권취함으로써 필라멘트 권취된 헬리코이드 아키텍처를 갖는 구조물을 제조할 수 있다. 이는 원하는 패턴을 권취하도록 로봇 필라멘트 권취 기계를 프로그래밍함으로써 또는 로빙 디스펜서(roving dispenser)의 설정을 조정함으로써 달성될 수 있다. 이 기술에 의해 헬리코이드 아키텍처의 이점을 얻기 위해 플라이간 클로킹 각도를 약간 변화시킴으로써 섬유의 복수의 표면 플라이를 완전히 권취할 수 있다. 일례로서, (88°, 84°, 80°, 76°, 72° 등 4°의 증분으로) 90°에 근접한 상대 각도로 원주방향으로 연속하는 플라이를 권취하면 훨씬 더 높은 충격 강도 및 보다 확산적인 균열 전파를 수반하는 압력 용기 증의 제품을 얻을 수 있다. 이러한 헬리코이드 아키텍처는 부분적으로 손상된 라미네이트 구조 내의 균열을 통한 가스 누출에 관한 안전 인자를 높이기 위해 내층으로서 사용될 수도 있다. 풀 와인딩 프로세스는 섬유 강화의 주방향이 0°인 프로파일의 인발성형과 권취된 섬유 또는 테이프를 조합하여 횡방향 하중에 대한 내성을 더욱 높일 수 있다. 이들 권취된 플라이는 또한 헬리코이드 아키텍처를 갖는 구조로부터 그 각도를 조금 변화시켜 인접시킴으로써 보다 높은 횡방향 내충격 특성을 실현할 수 있다.In a further embodiment, structures with filament wound helicoid architecture can be manufactured by winding layers of fibers that all have the same angle or have varying angles within the layer/ply. This can be achieved by programming the robotic filament winding machine to wind the desired pattern or by adjusting the settings of the roving dispenser. This technique allows complete winding of multiple surface plies of fiber by slightly varying the cloaking angle between plies to take advantage of the helicoid architecture. As an example, winding continuous plies circumferentially at relative angles close to 90° (88°, 84°, 80°, 76°, 72°, etc. in 4° increments) results in much higher impact strength and more diffusive ply. A pressure vessel-resistant product with crack propagation can be obtained. This helicoid architecture can also be used as an inner layer to increase the safety factor regarding gas leakage through cracks within a partially damaged laminate structure. The full winding process can further increase resistance to transverse loads by combining the pultrusion of a profile with a main direction of fiber reinforcement of 0° and wound fibers or tapes. These wound plies can also realize higher lateral impact resistance properties by adjoining them with a slight change in their angle from a structure with a helicoid architecture.

실시례 7. 브레이드 및 스큐잉(skewing)된 직물. 2D 또는 3D 기술을 사용하여 제조된 브레이드는 섬유 각도의 변화에 관련된 직경 변화라고 하는 흥미있는 특성을 제공한다. 섬유가 튜브형 브레이드 내에서 미끄러질 수 있으므로 이로 인해 이러한 브레이드의 직경을 확장하거나 축소시킬 수 있다. 이러한 특성은 구조체의 직경을 점진적으로 확대하고, 층간 및/또는 층을 따르는 섬유 각도를 약간 변화시켜 2 개의 인접한 브레이딩된 층들 사이에 매우 작은 클로킹 각도의 변화를 생성하도록 복수의 층이 서로 효과적으로 슬리빙(sleeving)된 헬리코이드 아키텍처를 갖는 구조체를 생성하는 것에 유리할 수 있다. 이러한 브레이딩된 섬유 보강 구조는 길이방향을 따라 절단된 다음에 개방되어 평탄화된 튜브형 브레이드로부터 얻어진 평탄한 브레이딩된 테이프의 형태로 제공될 수 있다. 섬유의 각도 배향도 테이프의 폭에 따라 달라진다. 이러한 브레이딩된 테이프는 섬유 각도가 약간 다른 동일한 테이프의 상이한 층을 적층하여 헬리코이드 아키텍처를 갖는 구조체를 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 이 특성은 경사와 위사 사이의 초기의 90° 각도를 변경하도록 스큐잉된 직물에서 발견될 수도 있으며, 이는 하나의 직물 층으로부터 다음 직물 층으로의 작은 각도 변화(90°, 85°, 80°,75° 등으로 층을 배열하기 위한 5°의 클로킹 각도 등)를 갖는 일련의 경사/위사 각도를 생성하도록 조정되어 헬리코이드 아키텍처를 갖는 구조물을 생성할 수 있다. Example 7. Braided and skewed fabric. Braids manufactured using 2D or 3D techniques offer an interesting property called diameter variation related to changes in fiber angle. The fibers can slip within the tubular braids, thereby expanding or contracting the diameter of these braids. These properties allow multiple layers to effectively slide against each other to gradually enlarge the diameter of the structure and slightly change the fiber angles between and/or along the layers, creating a very small change in cloaking angle between two adjacent braided layers. It may be advantageous to create a structure with a sleeved helicoid architecture. This braided fiber reinforced structure can be provided in the form of a flat braided tape obtained from a tubular braid that is cut along its length and then opened and flattened. The angular orientation of the fibers also depends on the width of the tape. These braided tapes can also be used to create structures with a helicoidal architecture by stacking different layers of the same tape with slightly different fiber angles. This property can also be found in fabrics that have been skewed to change the initial 90° angle between the warp and weft yarns, resulting in small angle changes from one fabric layer to the next (90°, 85°, 80°, It can be adjusted to create a series of warp/weft angles (such as a cloaking angle of 5° to arrange the layers at 75°, etc.) to create a structure with a helicoid architecture.

실시례 8: 적층 제조. 전술한 기술 중 많은 것은 기존의 직물, 프리프레그 등의 세트를 사용한다. 이 실시례에서는 헬리코이드 아키텍처를 형성하기 위한 대체 방법이 제공된다. 적층 제조에는 포토폴리머 수지를 층마다 경화시키기 위해 레이저를 사용하는 스테레오리소그래피(SLA), 3D 프린터를 사용하여 열가소성 재료를 퇴적시키는 용융 퇴적 모델링(FDM), 3 차원으로 재료를 퇴적시키는 프린터 헤드를 통해 재료를 적층시킬 수 있는 멀티젯 모델링(MJM), 및 고출력 레이저를 사용하여 작은 폴리머, 금속, 또는 세라믹/유리 입자를 융합시키는 선택적 레이저 소결(SLS)을 포함하는 복수의 루트가 있다. 전술한 모든 기술에서는 헬리코이드 구조를 구축할 수 있다. 사용되는 방법은 부분적으로는 사용되는 재료 및 특정 용도에 요구되는 특징의 길이 스케일에 의존한다. 그러므로, 이는 헬리코이드 재료를 제작하기 위해서 뿐만 아니라 섬유 또는 프리프레그 형태로 구입할 수 없는 재료의 인쇄, z 피닝된 구조(z-pinned structure) 등에 의한 다기능화를 가능하게 하기 위한 많은 기회를 제공한다. Example 8 : Additive Manufacturing. Many of the techniques described above utilize existing sets of fabrics, prepregs, etc. In this embodiment, an alternative method for forming a helicoid architecture is provided. Additive manufacturing includes stereolithography (SLA), which uses a laser to cure photopolymer resin layer by layer; melt deposition modeling (FDM), which uses a 3D printer to deposit thermoplastic materials, and printer heads that deposit the material in three dimensions. There are multiple routes, including multijet modeling (MJM), which can deposit materials, and selective laser sintering (SLS), which uses high-power lasers to fuse small polymer, metal, or ceramic/glass particles. All of the above-mentioned techniques allow the construction of helicoid structures. The method used depends in part on the materials used and the length scale of the features required for the particular application. Therefore, this offers many opportunities not only for fabricating helicoid materials, but also to enable their multifunctionalization by printing, z-pinned structures, etc. of materials that are not available in fiber or prepreg form. .

일 실시례에서, 멀티젯 모델링(MJM)을 사용하면, 복수의 프린터 젯을 사용하여 헬리코이드 구조를 가지면서 특정 각도만큼 오프셋된(예를 들면, 이중 헬리코이드) 2 개 이상의 재료를 동시에 인쇄하거나, 하나의 재료는 면내 헬리코이드의 역할을 하고, 다른 재료는 면외에 인쇄되어 z 피닝된 구조의 역할을 하는 2 개 이상의 재료를 동시에 인쇄할 수 있다. 더욱이, 재료가 고체의 섬유 형태로 인쇄되어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 인쇄 중에, "코어-셸(core-shell)" 인쇄 헤드를 사용하여 코어-셸 재료를 인쇄할 수 있고, 여기서 셸은 원하는 최종 재료이고, 코어는 희생용 템플릿(template)으로서 사용된다. 일 실시례에서, 폴리프로필렌(PP) 등의 소수성 폴리머를 코어로서의 폴리비닐 알코올(PVA)과 함께 인쇄할 수 있다. 인쇄 후, 구조체를 수성 욕 중에 방치하여 PVA를 제거함으로써 중공의 PP 섬유/튜브를 얻는다. 다른 실시례에서, 재료는 폴리머로서 인쇄될 필요가 없고, 세라믹 베이스의 전구체(예를 들면, SiC, B4C 등)으로서 인쇄될 수 있다. 여기서, 셸로서의 세라믹 전구체(예를 들면, SiC의 전구체인 폴리카보실란)를 코어로서의 PVA와 함께 인쇄할 수 있다. 저온(예를 들면, 200℃)에서 어닐링하면, 세라믹 전구체는 고화된다(아직 SiC로 변태되지 않음). 그 후, 튜브를 붕괴시키지 않고 PVA를 안전하게 제거한 다음 얻어진 구조체를 어닐링하여 세라믹 전구체를 특정의 재료(예를 들면, SiC)로 완전히 변태시킬 수 있다. 얻어진 섬유는 유체(공기, 물, 자가 치유 수지, 열 냉각 재료 등)의 수송 채널 역할을 할 수 있는 마이크로 튜브 또는 나노 튜브일 수 있다. In one embodiment, multijet modeling (MJM) uses multiple printer jets to simultaneously print two or more materials that have a helicoidal structure and are offset by a certain angle (e.g., double helicoids). Alternatively, two or more materials can be printed simultaneously, with one material acting as an in-plane helicoid and the other material printing out-of-plane acting as a z-pinned structure. Moreover, the material does not have to be printed in solid fiber form. For example, during printing, a “core-shell” print head can be used to print core-shell material, where the shell is the desired final material and the core serves as a sacrificial template. do. In one embodiment, a hydrophobic polymer such as polypropylene (PP) can be printed with polyvinyl alcohol (PVA) as the core. After printing, the structure is placed in an aqueous bath to remove the PVA, resulting in hollow PP fibers/tubes. In other embodiments, the material need not be printed as a polymer, but can be printed as a ceramic-based precursor (eg, SiC, B 4 C, etc.). Here, a ceramic precursor (for example, polycarbosilane, a precursor of SiC) as a shell can be printed with PVA as a core. When annealed at low temperature (e.g. 200°C), the ceramic precursor solidifies (not yet transformed to SiC). Thereafter, the PVA can be safely removed without collapsing the tube, and then the obtained structure can be annealed to completely transform the ceramic precursor into a specific material (e.g., SiC). The resulting fibers can be microtubes or nanotubes that can serve as transport channels for fluids (air, water, self-healing resins, thermal cooling materials, etc.).

많은 적층 제조 방법을 사용하면, 어느 인쇄 재료를 사용할지를 실시간으로 조정할 수 있으므로 그래디언트 구조(gradient structure)를 정밀하게 구축할 수 있게 된다. 이것은 이하를 포함하지만 그것에 한정되지 않는 다양한 방법으로 적용될 수 있다.Many additive manufacturing methods allow real-time adjustments in which printing material to use, allowing gradient structures to be built precisely. This can be applied in a variety of ways, including but not limited to the following.

1. 퇴적되는 재료의 강직도 또는 경도(또는 재료 조성, 입자 크기 등에 따라 달라지는 임의의 기타 재료 특성)는 인쇄 리저버(reservoir) 내의 재료를 연속적으로 변화시킴으로써 단계적으로 변화시킬 수 있다.1. The stiffness or hardness of the deposited material (or any other material property depending on material composition, particle size, etc.) can be varied stepwise by continuously varying the material in the print reservoir.

2. 헬리코이드의 회전 각도를 더욱 조정하여 추가의 기계적 이점을 얻을 수 있는 단계적으로 변화된 헬리코이드 복합 재료를 형성할 수 있다.2. By further adjusting the rotation angle of the helicoid, It is possible to form graded helicoid composites that can yield additional mechanical advantages.

다른 구현형태에서, 기존의 템플릿 구조를 인쇄 스테이지 상에 스캐폴드(scaffold) 또는 희생 구조로서 배치하여 헬리코이드 아키텍처를 초과하는 아키텍처를 얻을 수 있다. 예를 들면, 핀, 튜브 또는 기타 구조(예를 들면, 유지될 수 있거나 용해될 수 있는 복수의 유형의 재료로 구성됨)의 2D 또는 3D 어레이를 SLA 프린터의 빌드 플레이트(build plate) 상에 배치할 수 있다. 헬리코이드 아키텍처는 이 스캐폴드의 주위에 인쇄될 수 있고, 그 후에 스캐폴드를 제거함으로써 내충격성을 유지하지만 추가의 이점(예를 들면, z 피닝 및 열의 냉각 등의 기계적 이점)을 제공하는 헬리코이드 아키텍처를 갖는 다중 구조체를 얻는다. 다른 구현형태에서, 이 3D 인쇄 기술을 사용하여 만곡 구조를 쉽게 인쇄할 수 있다. 이 경우, 단순한 CAD 모델을 구축하여 (예를 들면) FDM 프린터가 섬유를 헬리코이드 어레이로, 그러나 만곡된 매크로 구조 부분으로 배치할 수 있게 한다.In another implementation, an existing template structure can be placed as a scaffold or sacrificial structure on the printing stage to achieve an architecture that exceeds the helicoid architecture. For example, a 2D or 3D array of fins, tubes, or other structures (e.g., composed of multiple types of materials that can be retained or dissolved) can be placed on the build plate of an SLA printer. You can. A helicoid architecture can be printed around this scaffold and then removed by removing the scaffold, retaining the helicoidal structure while retaining its impact resistance but providing additional benefits (e.g. mechanical advantages such as z-peening and thermal cooling). Obtain a multi-structure with a coid architecture. In another implementation, curved structures can be easily printed using this 3D printing technology. In this case, a simple CAD model can be built to allow (for example) an FDM printer to place the fibers in a helicoidal array, but as curved macrostructure parts.

실시례 9: TPW 및 QUDW 직물의 헬리코이드 구조는 헬리코이드 아키텍처의 우수한 내충격성의 이점과 드레이프성의 개선, 레이업 시간의 단축, 마모 및 외관 개선을 위한 직물의 클래스의 이점을 결합한다. 이러한 레이업은 내충격성이 있고, 균열(충격 및 저온의 둘 모두로부터의 균열)을 저지하고, 라미나간 하중 분담 능력을 개선한다. TPW 및 QUDW 헬리코이드 라미네이트는 헬리코이드 구조의 제조 비용을 줄이면서 종래의 직물 라미네이트의 충격 성능을 개선함으로써 구조체의 경량화를 가능하게 한다. 위사 및 경사 섬유가 존재하면 균형/불균형 레이업의 사용 상의 문제가 제거되고, 더 넓은 설계 공간을 갖는 헬리코이드 해결책을 실현한다. 이러한 실시례의 구체적인 변형례에는 다음이 포함된다:Example 9: Helicoidal structure of TPW and QUDW fabrics combines the superior impact resistance benefits of helicoid architecture with the benefits of a class of fabrics for improved drapability, reduced layup time, improved wear and appearance. This layup is impact resistant, resists cracking (both from impact and cold temperatures), and improves load sharing between the laminae. TPW and QUDW helicoid laminates enable lightweight structures by improving the impact performance of conventional fabric laminates while reducing the manufacturing cost of helicoid structures. The presence of weft and warp fibers eliminates the problem of using balanced/unbalanced layups and enables a helicoid solution with a larger design space. Specific variations of this embodiment include:

1. 모든 층이 TPW 플라이인 헬리코이드 스택.1. Helicoid stack with all layers being TPW ply.

2. 모든 층이 QUDW 플라이인 헬리코이드 스택.2. Helicoidal stack with all layers QUDW ply.

3. 연속적으로 클로킹된 나선체의 TPW 헬리코이드 스택.3. TPW helicoid stack of sequentially cloaked helicoids.

4. 연속적으로 클로킹된 나선체의 QUDW 헬리코이드 스택.4. QUDW helicoid stack of sequentially cloaked helicoids.

5. 종래의 레이업보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격 라미네이트를 생성하기 위해 TPUD, 두꺼운 플라이 및 두꺼운 직물 플라이를 조합한 TPW 및/또는 QUDW 헬리코이드 스택. 예를 들면, TPW 헬리코이드 플라이는, 본 발명의 실시형태에 따르면, 내마모성, 외관 및 내충격성을 국부적으로 개선하기 위해 레이업의 최상부에 사용되고, TPUD 또는 두꺼운 UD 플라이는 조정된 강직도 및 면내 강도를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 5. TPW and/or QUDW helicoid stacks combining TPUD, thick plies and thick fabric plies to create a uniquely tuned strength/impact laminate that is superior to conventional layups. For example, TPW helicoid ply is used on top of the layup to locally improve wear resistance, appearance and impact resistance, according to embodiments of the invention, and TPUD or thick UD ply is used for adjusted stiffness and in-plane strength. Can be used to provide.

6. 여전히 종래의 레이업보다 우수한 강도 및 충격 특성을 갖는 독자적으로 조정된 라미네이트를 생성하기 위해 가변적 클로킹을 실시한 TPW 및/또는 QUDW 헬리코이드 스택.6. TPW and/or QUDW helicoid stacks with variable cloaking to create a uniquely tuned laminate that still has superior strength and impact properties than conventional layups.

7. 종래의 레이업보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격 라미네이트를 생성하기 위해 가변적 클로킹을 실시한 TPW 및/또는 QUDW를 두꺼운 직물, TPUD 및 두꺼운 UD 플라이를 조합시킨 헬리코이드 스택.7. Helicoid stacks combining TPW and/or QUDW thick fabric, TPUD and thick UD plies with variable cloaking to create a uniquely tuned strength/impact laminate superior to conventional layups.

실시례 10: 종래의 경량 샌드위치 구조물은 코어, 통상적으로는 PVC, EPS, 허니콤, 아라미드 섬유 허니콤, 전단 비후(thickening) 발포체 코어s (D3O®), 메타재료 코어(MetaCORETM, MetaCORE-LDTM, MetaTHERMTM) 등을 포함하여 강직도, 음향 임피던스, 경량화 및 기타 구조적 및 기계적 특성을 제공한다. 총 섬유 면적 중량이 5000 gsm 이하이고 및/또는 표피 두께가 4 mm 이하인 경량 섬유 강화 복합 표피를 사용하여 경량 샌드위치 용도에서 샌드위치 구조물에 강도 및 강직도를 제공한다. TPUD, QUDW, TPW, NCF, UD를 단일 재료로서 또는 두꺼운 플라이 및 표준 직물 층과의 하이브리드로서 사용하면 헬리코이드 레이업을 생성하기 위해 제한된 수의 층이 사용될 수 있는 용도에 헬리코이드 표피를 도입할 수 있다. Example 10: Conventional lightweight sandwich structures include cores, typically PVC, EPS, honeycomb, aramid fiber honeycomb, shear thickening foam cores (D3O®), and metamaterial cores (MetaCORE , MetaCORE-LD). TM , MetaTHERM TM ), etc., provide stiffness, acoustic impedance, weight reduction and other structural and mechanical properties. Lightweight fiber reinforced composite skins having a total fiber areal weight of 5000 gsm or less and/or a skin thickness of 4 mm or less are used to provide strength and stiffness to sandwich structures in lightweight sandwich applications. The use of TPUD, QUDW, TPW, NCF, and UD as single materials or as hybrids with thick plies and standard fabric layers allows helicoid skins to be used in applications where a limited number of layers can be used to create a helicoid layup. can be introduced.

도 23의 (a)에 도시된 예시적인 일 실시형태에서, 샌드위치 용도에는 5mm 두께의 PVC 코어에 적용하기 위한 200gsm의 표피가 포함된다. 표피는 각각의 플라이의 평행한 섬유들이 [-15/-25/-35/-45/-60/60/45/35/25/15]과 같은 배향 방향을 갖도록 배치되어 헬리코이드 관계를 생성하는 20gsm의 탄소 필라멘트 TPUD의 10 개의 층을 사용하여 형성된다. 다른 한편 도 23의 (b)는 [+45/-45]5 관계의 종래의 TPUD 2 축을 보여준다. In one exemplary embodiment shown in Figure 23(a), the sandwich application includes a skin of 200 gsm for application to a 5 mm thick PVC core. The skin is arranged so that the parallel fibers of each ply have the same orientation as [-15/-25/-35/-45/-60/60/45/35/25/15], creating a helicoid relationship. It is formed using 10 layers of 20gsm carbon filament TPUD. On the other hand, (b) of Figure 23 shows the conventional TPUD 2 axis of the [+45/-45] 5 relationship.

도 24는 ASTM D7249에 따른 3점 굽힘 굴곡 시험의 결과를 보여준다. 등가의 TPUD 2축 [+45/-45]5과 비교하면, 이 헬리코이드 TPUD 레이업은, 길이방향(0°) 및 횡방향(90°)을 따라 시험했을 때, 각각 88% 및 54%의 굴곡 강도의 향상을 보여 주었다(종래의 2축에서는 0° 특성과 90° 특성이 동일할 것으로 예상됨). 동등한 중량의 등가의 표준 두께의 2축 [+45°/-45°] 층과 비교하면, 본 실시례에 따른 헬리코이드 TPUD 레이업은, 길이방향 및 횡방향을 따라 시험한 경우, 각각 118% 및 77%의 굴곡 강도의 증가를 보여주었다. 따라서 방향성 헬리코이드 표피를 구비한 얻어진 혁신적인 샌드위치는 길이방향 및 직교하는 하중 방향의 둘 모두에서 표피의 압축 강도가 우수하다. 사실, 헬리코이드 섬유 배치의 방향성을 고려하면, 길이방향을 따라 더 높은 압축 강도를 달성하는 것이 기대된다. 그러나, 헬리코이드 배치는, 헬리코드에서는 기준 [+45/-45]보다 하중에 대해 정렬된 섬유 성분의 백분율이 더 낮은 것을 특징으로 하는 직교 방향을 따라서도 더 높은 강직도 및 강도를 달성한다. Figure 24 shows the results of a three-point bend bend test according to ASTM D7249. Compared to an equivalent TPUD biaxial [+45/-45] 5 , this helicoid TPUD layup, when tested along the longitudinal (0°) and transverse (90°) directions, was 88% and 54% more efficient, respectively. showed an improvement in bending strength (in the conventional two-axis, the 0° and 90° characteristics are expected to be the same). Compared to a biaxial [+45°/-45°] layer of equivalent standard thickness of equivalent weight, the helicoid TPUD layup according to this example had a 118% reduction when tested along the longitudinal and transverse directions, respectively. and showed an increase in flexural strength of 77%. The resulting innovative sandwich with an oriented helicoid skin therefore has excellent compressive strength of the skin in both the longitudinal and orthogonal loading directions. In fact, considering the orientation of the helicoidal fiber arrangement, it is expected to achieve higher compressive strengths along the longitudinal direction. However, the helicoid arrangement achieves higher stiffness and strength also along orthogonal directions, characterized by a lower percentage of fiber components aligned for load than in the helicoid [+45/-45].

다른 실시형태에는 다음이 포함된다:Other embodiments include:

1. 모든 층이 TPW 플라이, 또는 QUDW 플라이 또는 TPUD, 또는 NCF, 또는 UD 플라이인 헬리코이드 표피.1. Helicoid skin where all layers are TPW ply, or QUDW ply, or TPUD, or NCF, or UD ply.

2. 연속적으로 클로킹된 나선체의 TPW 또는 QUDW 또는 TPUD 또는 NCF 또는 UD 헬리코이드 표피.2. TPW or QUDW or TPUD or NCF or UD helicoid skin of sequentially cloaked helicoids.

3. 피치 각도가 연속적이거나 가변적인 부분적으로 클로킹된 나선체인 TPW 또는 QUDW 또는 TPUD 또는 NCF 또는 UD 헬리코이드 스택.3. TPW or QUDW or TPUD or NCF or UD helicoid stack, which is a partially cloaked helix with continuous or variable pitch angle.

4. TPUD, NCF, 두꺼운 플라이 및 두꺼운 직물 플라이를 조합하여 종래의 표피보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격 표피를 생성하는 TPW 또는 QUDW 또는 TPUD 또는 NCF 또는 UD 헬리코이드 표피. 예를 들면, 1층의 TPW를 상부 표피로서 사용하여 시각적 외관 및 내마모성을 향상시키는 한편 표피의 나머지 부분에는TPUD 헬리코이드 플라이를 사용하여 조정된 내충격성, 강직도, 및 면내 강도를 제공할 수 있다. 4. TPW or QUDW or TPUD or NCF or UD helicoid skins that combine TPUD, NCF, thick plies and thick fabric plies to create a uniquely tuned strength/impact skin that is superior to conventional skins. For example, one layer of TPW can be used as the top skin to improve visual appearance and abrasion resistance, while TPUD helicoid ply can be used for the remainder of the skin to provide tailored impact resistance, stiffness, and in-plane strength. .

5. 상부 (충격에 직면하는) 헬리코이드 표피만을 구비하는 샌드위치 용도. 이것은 이중 곡률 또는 복잡한 형상을 수반하는 용도에서와 같이 전체적인 강직도가 구조체의 기하학적 특징에 의해 제공되는 내충격 메커니즘을 제공하기 위한 것이다. 이러한 아키텍처는 충격 시에 더 높은 응력 재분배를 부여함으로써 충격 성능을 더욱 개선한다.5. Sandwich applications with only the upper (impact facing) helicoid skin. This is intended to provide an impact-resistant mechanism where overall rigidity is provided by the geometric features of the structure, such as in applications involving double curvature or complex shapes. This architecture further improves impact performance by imparting higher stress redistribution upon impact.

6. 상부 (충격에 직면하는) 헬리코이드 표피 및 하부의 헬리코이드 표피의 둘 모두를 구비하는 샌드위치 용도.6. Sandwich applications comprising both an upper (impact facing) helicoid skin and a lower helicoid skin.

7. 상부 또는 하부 표피 중 어느 하나가 헬리코이드 레이업이거나 부분 헬리코이드 레이업인 샌드위치 용도.7. Sandwich applications where either the upper or lower skin is a helicoid layup or a partial helicoid layup.

8. 상부 표피 및 하부 표피가 대칭인 샌드위치 용도.8. For sandwich applications where the upper and lower skins are symmetrical.

9. 상부 및 하부 헬리코이드 표피가 비대칭인 샌드위치 용도. 9. Sandwich application with asymmetric upper and lower helicoid skins.

10. 상부 표피는 헬리코이드이고 하부 표피는 비헬리코이드이고, 상부 표피 및 하부 표피가 유사하거나 상이한 중량을 가질 수 있는 샌드위치 용도. 예를 들면, 두꺼운 상부 헬리코이드 표피는 압축 강도 및 내충격성을 제공하는 한편 하부의 비헬리코이드 표피는 굴곡 인장 강도 및 강직도를 제공한다.10. Sandwich applications where the upper skin is helicoid and the lower skin is non-helical, and the upper and lower skins may have similar or different weights. For example, the thick upper helicoid skin provides compressive strength and impact resistance while the lower non-helicaloid skin provides flexural tensile strength and stiffness.

당업자는 탄소 섬유든 다른 재료든 사실상 임의의 직물을 사용할 수 있고 또한 헬리코이드 구조로 조립될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 개시의 방법, 시스템 및 제품은, 위에서 설명하고 도면에 도시된 바와 같이, 특히 개선된 복합 재료 및 이것을 형성하기 위한 방법을 제공한다. 당업자에게는 본 개시의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 개시의 장치 및 방법에서 다양한 수정 및 변형이 실시될 수 있다는 것이 명확해질 것이다. 따라서, 본 개시는 주제의 개시 및 등가물의 범위 내에 있는 수정 및 변형을 포함하는 것을 의도한다.Those skilled in the art will understand that virtually any fabric, whether carbon fiber or other material, can be used and assembled into a helicoidal structure. The methods, systems and products of the present disclosure, as described above and shown in the figures, provide, among other things, improved composite materials and methods for forming them. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made in the devices and methods of the present disclosure without departing from the spirit or scope of the disclosure. Accordingly, this disclosure is intended to cover modifications and variations that come within the scope of the disclosure and equivalents of the subject matter.

본 발명의 이하의 양태는 위에서 설명한 본 발명의 실시형태에 따른 본 발명의 특징을 나타낸다:The following aspects of the invention characterize the invention according to the embodiments of the invention described above:

1. 충격파의 전파를 감쇄 및 흡수하고, 변형 에너지를 소산시키고, 충격 피로의 영향을 최소화하고, 충격에 관련된 손상을 최소화 및/또는 저지하는 z 방향의 섬유 배치를 생성하기 위해 복수의 플라이를 특정의 피치로 촘촘한 나선체로 적층시키는 헬리코이드 복합재 플라이 클로킹/적층 설계 및 방법.1. Specifying multiple plies to create a z-direction fiber arrangement that attenuates and absorbs the propagation of shock waves, dissipates strain energy, minimizes the effects of impact fatigue, and minimizes and/or arrests impact-related damage. Helicoid composite ply cloaking/lamination design and method for lamination into dense helical bodies at a pitch of .

2. 양태 1에 있어서, 헬리코이드 시스템은 수작업으로 레이업되고, 자동화된 기계로 직접 배치되고, 및/또는 위빙/브레이딩/스티칭 설비(예를 들면, 비권축 직물 기계)를 사용하여 스택으로 사전에 니팅되는, 헬리코이드 시스템. 사전 니팅된 스택(예를 들면, 4, 6, 10, 또는 보다 구체적으로는 강도 및 내충격성을 위해 선택된 헬리코이드 플라이)으로서 배치된 경우, 스택은 건조되고, 후에 액체 성형되거나 프리프레그로 제조될 수 있다. 이 스택은 전체 부품일 수 있고, 또는 본 개시에 개시된 변형례 중 임의의 것을 사용하여 헬리코이드 강화를 위해 선택되는 부품의 특정의 영역일 수 있다.2. Aspect 1, wherein the helicoid system is laid up by hand, placed directly on an automated machine, and/or stacked using a weaving/braiding/stitching facility (e.g., a non-crimped fabric machine). Pre-knitted, helicoid system. If laid out as a pre-knitted stack (e.g., 4, 6, 10, or more specifically helicoid plies selected for strength and impact resistance), the stack is dried and later liquid molded or made from prepreg. It can be. This stack can be the entire part, or it can be specific areas of the part selected for helicoid reinforcement using any of the variations disclosed in this disclosure.

3. 양태 1에 있어서, 자동화된 배치 설비를 사용하여 소정의 플라이 내에서 섬유를 만곡시키는, 헬리코이드 시스템. 3. The helicoid system of Aspect 1, wherein the fibers are bent within a given ply using automated placement equipment.

4. 양태 1에 있어서, 피칭된 섬유가 특정의 파장으로 조정되어 탄도, 타격력 또는 외래 물체 충격에 의해 시작되는 전파 충격파를 감쇄시키는, 헬리코이드 시스템.4. The helicoid system of Aspect 1, wherein the pitched fibers are tuned to a specific wavelength to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, striking forces, or foreign object impacts.

5. 양태 1에 있어서, 클로킹은 특정의 나선 피치 또는 원편광 z 배향을 생성하도록 선택되고, 섬유들은 플라이 사이의 중요한 라미나 내의 직접 하중 분담을 보여주기 위해 충분히 접근해 있는, 헬리코이드 시스템.5. The helicoid system of Aspect 1, wherein the cloaking is selected to produce a specific helical pitch or circular z-orientation, and the fibers are sufficiently close together to demonstrate direct load sharing within the significant lamina between the plies.

6. 양태 1에 있어서, 매트릭스 수지 개질(예를 들면, 모노머 기능성의 저하, 백본 분자량의 증가, 또는 유연한 서브그룹의 도입) 및/또는 첨가제(예를 들면, 마이크로스피어, 별개의 고무, 열가소성 입자 또는 베일)가 사용되어 라미네이트를 강인화하고, 파국적 파단의 전파를 저지하는, 헬리코이드 시스템. 6. The method of Aspect 1, wherein matrix resin modifications (e.g., lowering monomer functionality, increasing backbone molecular weight, or introducing flexible subgroups) and/or additives (e.g., microspheres, discrete rubber, thermoplastic particles) or veil) is used to strengthen the laminate and prevent the propagation of catastrophic fracture.

7. 양태 1에 있어서, 수지 및 섬유가 섬유와 수지 사이의 탄성률의 차이를 이용하도록 특별히 선택되는, 헬리코이드 시스템. 7. The helicoid system of Aspect 1, wherein the resin and fibers are specifically selected to take advantage of the difference in elastic modulus between the fibers and the resin.

8. 양태 1에 있어서, 섬유 강화의 유형[예를 들면, 탄소, 유리섬유, 아라미드, 초고 분자량 폴리올레핀 섬유, PBO 섬유 및 천연 섬유(아마 및 대마 등)], 양, 및 형태는 비용, 제조 및 성능 요건에 가장 적합하도록 선택되는, 헬리코이드 시스템.8. For Aspect 1, the type, amount, and form of fiber reinforcement (e.g., carbon, glass fiber, aramid, ultra-high molecular weight polyolefin fiber, PBO fiber, and natural fiber (such as flax and hemp)), amount, and form depend on cost, manufacturing, and Helicoid system, selected to best suit performance requirements.

9. 양태 1에 있어서, 부품의 패드업 영역은 베이스인 종래의 레이업 또는 베이스인 동일하거나 상이한 구조의 헬리코이드 레이업을 구비하는 본 개시에 설명된 헬리코이드 변형례 중 임의의 것을 포함할 수 있는, 헬리코이드 시스템.9. The method of Aspect 1, wherein the pad-up region of the part comprises any of the helicoid variants described in this disclosure with a base conventional layup or a base helicoid layup of the same or different structure. Helicoid system that can do it.

10. 양태 1 내지 양태 7에 있어서, 나노재료(예를 들면, CNF, CNT, SWNT, MWNT, 흑연 플레이트리트/그래핀, 유기 구형 입자, 코폴리머, 무기 점토, 실리카, 실리콘 탄화물, 알루미나, 금속 산화물, 및 기타 공지되거나 추후에 개발될 나노 재료)가 수지 내에 첨가되거나, 섬유에 직접 부착되거나, 라미나간 층으로서 배치되는, 헬리코이드 시스템. 여기서, 결과적인 헬리코이드/나노재료 하이브리드는 나노스케일 위스커/커넥션(connection)을 가지며, 이것은 섬유 사이의 브릿지 및 분담을 가능하게 하고, 전체적인 라미네이트의 기계적 특성을 개선하고, 내충격성을 개선하고, 균열 저지 특성을 갖는다.10. The method of Aspects 1 to 7, wherein nanomaterials (e.g., CNFs, CNTs, SWNTs, MWNTs, graphite platelets/graphene, organic spherical particles, copolymers, inorganic clays, silica, silicon carbide, alumina, metals) oxides, and other known or later developed nanomaterials) are added within the resin, attached directly to the fibers, or disposed as a laminar interlayer. Here, the resulting helicoid/nanomaterial hybrid has nanoscale whiskers/connections, which enable bridging and sharing between fibers, improving the mechanical properties of the overall laminate, improving impact resistance, and It has crack-stopping properties.

11. 양태 8에 있어서, 나노재료의 첨가에 의해 헬리코이드 클로킹 각도에 관련하여 횡방향 및 라미나 내의 전단 특성이 개선(즉, 클로킹 각도가 촘촘하면 접촉 길이가 더 길어지고, 섬유와 섬유의 상호작용이 더 커짐)되는, 헬리코이드 시스템.11. In embodiment 8, the shear properties in the transverse direction and within the lamina are improved with respect to the helicoid cloaking angle by the addition of nanomaterials (i.e., tighter cloaking angles result in longer contact lengths and fiber-to-fiber contact). greater interaction), helicoid system.

12. 양태 8에 있어서, 헬리코이드/나노재료 하이브리드는, 충격을 받을 때, (a) 라미나 내의 수직방향의 및/또는 수평방향의 수지 균열, (b) 수평방향의 라미나간 수지 균열, 및/또는 (c) 박리의 저감 및/또는 제거를 보여주는, 헬리코이드 시스템.12. The method of Aspect 8, wherein the helicoid/nanomaterial hybrid, when subjected to impact, (a) cracks the resin vertically and/or horizontally within the lamina, (b) cracks the resin between the laminae horizontally, and/or (c) a helicoid system that demonstrates reduction and/or elimination of delamination.

13. 양태 1 내지 양태 7에 있어서, 예상되는 충격의 유형, 레벨 및 발생원을 예측하여 특정의 파장 및/또는 배향으로 조정되고 및/또는 특정의 하중 요건을 충족하도록 조정되는 가변적 피치 및/또는 부분 나선을 포함하는, 헬리코이드 시스템. 13. The method of Aspect 1 to Aspect 7, wherein the variable pitch and/or portion is adjusted to a specific wavelength and/or orientation in anticipation of the type, level and source of expected impact and/or adjusted to meet specific load requirements. Helicoid system, containing a helix.

14. 양태 11에 있어서, 단일 라미네이트에서 다양한 파장에 걸쳐 조정되고, 특정 영역/깊이에서 충격력을 저지/소산시키고, 충격 능력과 전체 라미네이트 강도의 바람직한 조합에 대해 최적화될 수 있는 가변적 클로킹 각도(즉, 5°, 10°, 15°)를 갖는, 헬리코이드 시스템.14. The method of Aspect 11, wherein a variable cloaking angle (i.e. 5°, 10°, 15°), helicoid system.

15. 양태 11에 있어서, 레이업의 (a) 외부, (b) 중간부, (c) 내부, 또는 (d) 내부, 중간부 및 외부 중 하나 이상에 촘촘한 클로킹(즉, 5°)을 실시하고, 레이업의 나머지 부분에서는 더 넓은 클로킹을 실시하여 라미네이트의 특정 두께의 영역 내에서 충격 하중을 소산시키는 한편 면내 강도를 위한 대부분의 플라이의 배향을 조정하는 자유를 여전히 허용하는, 헬리코이드 시스템.15. The method of Aspect 11, wherein the layup is subjected to tight cloaking (i.e., 5°) on one or more of (a) the exterior, (b) the middle, (c) the interior, or (d) the interior, the middle, and the exterior. and a helicoid system, which implements wider cloaking in the remainder of the layup to dissipate impact loads within a specific thickness area of the laminate while still allowing freedom to orient most of the plies for in-plane strength. .

16. 양태 11에 있어서, 예를 들면, 왼손 나선만 또는 오른손 나선만일 수 있는 비대칭 및/또는 비균형 플라이 적층을 구비하는, 헬리코이드 시스템. 이러한 레이업은 균형 및 대칭 경험칙을 준수하기 위해 두께를 증가시킬 필요없이 헬리코이드 클로킹의 이점을 이용할 수 있다. 얕은 헬리코이드 클로킹 각도로 제작된 부품은 종래의 0°, ±45°, 90° 레이업보다 변형의 경향이 더 적다. 또한, 임의의 변형의 경향은 부품의 형상 또는 국부적인 보강 효과에 의해 극복될 수 있는 경우가 많다. 16. The helicoid system of aspect 11, comprising asymmetric and/or unbalanced ply stacking, which may be, for example, only a left-handed helix or only a right-handed helix. These layups can take advantage of helicoidal cloaking without the need to increase thickness to adhere to rules of thumb for balance and symmetry. Parts manufactured with a shallow helicoid clocking angle are less prone to deformation than traditional 0°, ±45°, or 90° layups. Additionally, any tendency to deform can often be overcome by the geometry of the part or local reinforcing effects.

17. 양태 11에 있어서, 레이업은 부분적으로만 나선형이고, 360 도 전체를 통해 클로킹되는 것은 아닌, 헬리코이드 시스템. 이러한 레이업은 특정 라미네이트 영역에서는 헬리코이드 구조의 충격 이점을 분리하는 한편 다른 영역에서는 하중 지지 섬유를 최적화한다. 17. The helicoid system of aspect 11, wherein the layup is only partially helical and not cloaked through all 360 degrees. This layup isolates the impact benefits of the helicoid structure in certain laminate areas while optimizing the load-bearing fibers in other areas.

17.1 양태 1 내지 양태 7에 있어서, 헬리코이드 나선체 내에 배치된 TPW 및/또는 QUDW 플라이를 사용하는, 헬리코이드 시스템. 이러한 직물의 특정의 구조는 위사 얀(TPW)의 낮은 라미나 관통 파단 인성을 특징으로 하고, 위사 얀(QUDW) 사이의 큰 간격은 헬리코이드 구조의 소산성이 높은 파괴 메커니즘을 활성화시키고 강화된 충격 성능을 얻을 수 있도록 조정될 수 있다. 직물을 사용하면 헬리코이드 스택의 복잡한 형상으로의 드레이프성을 개선하고 레이업 비용을 감소시킬 수 있다.17.1 The helicoid system of Aspects 1 through 7 using TPW and/or QUDW plies disposed within a helicoid helical body. The specific structure of these fabrics is characterized by the low through-lamina fracture toughness of the weft yarns (TPW), and the large spacing between the weft yarns (QUDW) activates the highly dissipative fracture mechanism of the helicoid structure and strengthens the fracture toughness. It can be adjusted to achieve impact performance. The use of fabric can improve the drapeability of helicoid stacks into complex shapes and reduce layup costs.

18. 양태 1 내지 양태 7에 있어서, 헬리코이드 나선체 내에 배치된 TPUD 플라이(전형적으로 0.0023 인치/플라이 이하)를 사용하는, 헬리코이드 시스템. 결과적인 촘촘하게 클로킹된 헬리코이드 나선체는 라미나간 수진 전단 영역이 비교적 짧으므로 섬유와 섬유의 직접 접촉/하중 분담이 커지고(즉, 종횡비가 작음), 이로 인해 내충격성 및 균열 저지 능력을 가지게 된다. 또한, TPUD 레이업은 유사한 두께의 종래의 레이업에 비교했을 때 강도가 개선되었음을 보여주었다.18. The helicoid system of aspects 1 to 7, using TPUD plies (typically 0.0023 inches/ply or less) disposed within a helicoid helical body. The resulting tightly cloaked helicoid helicoid has a relatively short interlaminar resin shear zone, resulting in greater direct fiber-to-fiber contact/load sharing (i.e., smaller aspect ratio) and thus higher impact resistance and crack arresting capabilities. . Additionally, the TPUD layup showed improved strength when compared to a conventional layup of similar thickness.

19. 양태 16에 있어서, 충격으로부터 수지 균열을 저지하는 능력이 우수할 뿐만 아니라 우주 및 극저온 탱크 용도에서 경험될 수 있는 것과 같은 극한 환경(예를 들면, -200 내지 415℉ 온도)에 의한 라미나 내 및 라미나간 균열을 최소화하는 능력을 보이는, 헬리코이드 시스템.19. The laminae of Aspect 16, which has excellent ability to resist resin cracking from impact as well as extreme environments such as those that may be experienced in space and cryogenic tank applications (e.g., temperatures from -200 to 415°F). Helicoid system, which shows the ability to minimize intra- and interlaminar cracking.

20. 양태 16에 있어서, 연속적으로 클로킹된 나선체는 고도로 배향된 종래의 스택(1차 하중 지지 방향으로 추가의 플라이가 있음) 이상의 강도를 나타냄과 동시에 충격 특성이 개량된, 헬리코이드 시스템. 이러한 용도에서는 헬리코이드 레이업이 1차 하중 방향으로 섬유의 총 수가 적은 경우에도, 보다 얇은 플라이와 약간 클로킹된 각외(off-angle) 섬유를 조합시키면 효율적인 라미나간 하중 분담이 이루어짐으로써 우수한 내 강도 능력이 얻어진다. 20. The helicoid system of Aspect 16, wherein the continuously cloaked helicoids exhibit strength over a highly oriented conventional stack (with additional plies in the primary load bearing direction) while providing improved impact properties. In these applications, even if the helicoid layup has a lower total number of fibers in the primary load direction, the combination of thinner plies and slightly cloaked, off-angle fibers provides efficient interlaminar load sharing, resulting in superior strength. Ability is gained.

21. 양태 16에 있어서, 동등한 종래의 라만 스펙트럼보다 총 두께는 작지만 강도 및 충격 능력은 동등 이상일 수 있는, 헬리코이드 시스템. 따라서, 산업계 표준의 균형, 대칭, 및 최소 방향 배향 규칙을 준수하면서 보다 얇고 경량인 TPUD 헬리코이드 라미네이트를 제조할 수 있다.21. The helicoid system of Aspect 16, wherein the total thickness may be less than that of an equivalent conventional Raman spectrum, but the strength and impact capacity may be equivalent or greater. Therefore, thinner and lighter TPUD helicoid laminates can be manufactured while complying with industry standard rules of balance, symmetry, and minimum orientation.

22. 양태 16에 있어서, 원하는 특성을 가지며, 또한 종래의 레이업의 대칭, 균형 및 최소 배향 규칙을 준수하면서 보다 얇은 또는 최소의 게이지(우박이나 새의 충돌 등의 중대한 하중의 경우에 취할 수 있는 두께)를 갖는, 헬리코이드 시스템. 22. Aspect 16 of a thinner or smaller gauge (which can be taken in the case of significant loads such as hail or bird strikes) while having the desired properties and also complying with the symmetry, balance and minimum orientation rules of a conventional layup. thickness), helicoid system.

23. 양태 16에 있어서, TPUD와 두꺼운 플라이를 조합하여 독자적으로 조정된 강도 및 충격 능력의 부품을 생성할 수 있는, 헬리코이드 시스템. 예를 들면, 얇은 헬리코이드 플라이 레이업의 일부로 사용하여 레이업을 조정할 수 있고 또한 충격 능력을 증가시킬 수 있는 한편 두꺼운 플라이를 사용하여 레이업 시간을 단축할 수 있고, 전체 면내 강도를 높일 수 있다.23. The helicoid system of aspect 16, wherein TPUD and thick ply can be combined to create a part of independently tuned strength and impact capacity. For example, thin helicoid plies can be used as part of a layup to adjust the layup and also increase impact capacity, while thicker plies can be used to shorten layup time and increase overall in-plane strength. there is.

24. 양태 16에 있어서, 여전히 종래의 레이업보다 우수한 강도 및 충격 특성을 갖는 독자적으로 조정된 라미네이트를 생성하기 위해 가변적 클로킹을 수반하는, 헬리코이드 시스템.24. The helicoid system of Aspect 16, involving variable cloaking to create a uniquely tuned laminate that still has strength and impact properties superior to conventional layups.

25. 양태 16에 있어서, 촘촘한 클로킹 및 얇은 플라이를 사용하고, 표준 클로킹 및 표준 플라이 두께를 사용하는 종래의 레이업보다 변형의 경향이 더 적은, 헬리코이드 시스템. 따라서, 헬리코이드 TPUD 비대칭/비균형 스택은 최소의 게이지 및 가벼운 중량을 가질 수 있다.25. The helicoid system of Aspect 16, using tight cloaking and thin plies and having less tendency to deform than a conventional layup using standard cloaking and standard ply thickness. Therefore, helicoid TPUD asymmetric/unbalanced stacks can have minimal gauge and light weight.

26. 양태 16에 있어서, TPUD와 두꺼운 플라이를 조합한 헬리코이드 스택 및 가변적 클로킹에 의해 종래의 레이업보다 우수한 독자적으로 조정된 강도/충격 라미네이트가 생성되는, 헬리코이드 시스템. 따라서, 얇은 플라이 및 두꺼운 플라이를 사용하여 레이업 비용을 최소화할 수 있고, 강도/나선 조정 변수를 어느 정도까지 최적화할 수 있고, 가변적 클로킹 피치를 사용하여 특성을 최적화할 수 있다.26. The helicoid system of aspect 16, wherein helicoid stacking combining TPUD and thick plies and variable cloaking creates a uniquely tuned strength/impact laminate that is superior to conventional layups. Therefore, layup costs can be minimized using thin and thick plies, strength/helix tuning parameters can be optimized to some extent, and properties can be optimized using variable cloaking pitch.

27. 양태 16에 있어서, 부품의 패드업 영역은 베이스인 종래의 레이업 또는 베이스인 동일하거나 상이한 구조의 헬리코이드 레이업을 구비하는 양태 17 내지 양태 24에 기술되어 있는 TPUD 변형례 중 임의의 것을 포함할 수 있는, 헬리코이드 시스템.27. The method of Aspect 16, wherein the pad-up area of the component is any of the TPUD variants described in Aspects 17-24 with a conventional layup as a base or a helicoidal layup of the same or different structure as a base. A helicoid system, which may include:

28. 양태 1 내지 양태 25에 있어서, 하이브리드 재료(예를 들면, 비폴리머, 금속, 발포체 및/또는 샌드위치 재료)와 조합되어 강도, 내력, 강직도 및/또는 내충격성을 개선하는, 헬리코이드 시스템. 이러한 조합은 비용, 중량 및/또는 두께를 최소화하면서 비강도, 침식, 및 충격 특성을 충족시키도록 전체적으로 (예를 들면, 매트릭스 수지의 전체를 통해 조합시킨 나노재료) 또는 선택적으로 (예를 들면, 티타늄 포일의 층) 실시될 수 있다.28. The helicoid system of aspects 1 to 25, wherein the helicoid system is combined with a hybrid material (e.g., non-polymeric, metal, foam and/or sandwich material) to improve strength, bearing capacity, stiffness and/or impact resistance. . These combinations may be used globally (e.g., nanomaterials combined throughout a matrix resin) or selectively (e.g., nanomaterials combined throughout a matrix resin) to meet specific strength, erosion, and impact properties while minimizing cost, weight, and/or thickness. layer of titanium foil) can be carried out.

29. 양태 26에 있어서, 나노재료를 수지 내에 도입하여 헬리코이드 플라이와 하이브리드 재료(예를 들면, 금속 및 샌드위치) 사이의 결합을 개선하고, 또한 그 결과 라미나간 강도 및 그것에 의존하는 특성(예를 들면, 강도, 전단, 굽힘, 인장, 압축, 및 충격)을 개선하는, 헬리코이드 시스템.29. Aspect 26, wherein nanomaterials are introduced into the resin to improve the bond between the helicoid plies and the hybrid materials (e.g. metals and sandwiches), thereby improving the inter-laminar strength and properties dependent thereon (e.g. Helicoid systems, which improve strength (e.g., strength, shear, bending, tension, compression, and impact).

30. 양태 26에 있어서, 충격력의 흡수 및 소산을 위해 특별히 선택된 독자적인 클로킹 배치를 생성하기 위해 스택 내에 또는 내면 및 외면 상에 직물 복합재 플라이를 선택적으로 배치한, 헬리코이드 시스템. 또한, 외측에 플라이를 사용한 경우, 천공 또는 트리밍 중에 섬유의 돌출을 최소화한다. 직물 플라이는 낙뢰의 소산, 전류의 전달, 전기 부품의 차폐 또는 열전도율의 변경 등을 돕는 금속 포일, 섬유 또는 메시를 포함할 수도 있다.30. The helicoid system of Aspect 26, wherein the fabric composite plies are selectively placed within the stack or on the inner and outer surfaces to create a unique cloaking arrangement specifically selected for absorption and dissipation of impact forces. Additionally, if plies are used on the outside, fiber protrusion is minimized during drilling or trimming. The fabric ply may also contain metal foils, fibers or mesh to help dissipate lightning strikes, conduct electrical current, shield electrical components or alter thermal conductivity.

31. 양태 26에 있어서, 강도, 침식, 내력 및 충격 능력을 개선하기 위해 내면 및 외면 상에 금속 포일을 구비하는, 헬리코이드 시스템. 이러한 헬리코이드/하이브리드의 경우, 충격 시에 금속 포일은 항복할 수 있으며, 헬리코이드 플라이는 에너지를 흡수/감쇄시킬 수 있다.31. The helicoid system of aspect 26, comprising metal foil on the inner and outer surfaces to improve strength, erosion, bearing capacity and impact capacity. In the case of this helicoid/hybrid, upon impact the metal foil can yield and the helicoid ply can absorb/dissipate energy.

32. 양태 17 및 양태 18에 있어서, 헬리코이드 스택의 중심에 완충 발포체 또는 샌드위치 재료를 배치함으로써 전단 강직성을 높이고, 관성 하중을 완충시키고, 타격 에너지를 소산시키고, 및/또는 좌굴 내성을 개선하는, 헬리코이드 시스템.32. Aspect 17 and Aspect 18, wherein a cushioning foam or sandwich material is placed in the center of the helicoid stack to increase shear stiffness, cushion inertial loads, dissipate impact energy, and/or improve buckling resistance. , helicoid system.

33. 양태 1 내지 양태 30에 있어서, 소비자 제품, 보호용 장갑, 스포츠 장비, 충돌 보호 장치, 풍력 터빈 블레이드, 자동차/항공우주 부품, 수소 압력 용기, 구조 재료, 및 기타 복합재 제품에 도입하여 충격파 전파를 감쇄 및 흡수하고, 충격 피로의 효과를 최소화하고, 변형 에너지를 소산시키고, 충격에 관련된 균열 및 손상을 최소화 및/또는 저지하는, 헬리코이드 시스템.33. The method of Aspects 1 through 30, wherein shock wave propagation is achieved by introducing consumer products, protective gloves, sports equipment, crash protection devices, wind turbine blades, automotive/aerospace components, hydrogen pressure vessels, structural materials, and other composite products. A helicoid system that attenuates and absorbs, minimizes the effects of impact fatigue, dissipates strain energy, and minimizes and/or arrests impact-related cracking and damage.

34. 양태 1 내지 양태 30에 있어서, 계획적 타격, 충돌, 우박, 공구 낙하, 탄도, 랜덤 파편, 충격파, 낙뢰, 공동현상 및 항공 플러터링으로부터의 저에너지 충격, 중에너지 충격 및 고에너지 충격의 영향을 최소화하기 위해 복합재 구조물 내에 도입되는, 헬리코이드 시스템.34. The method of Aspects 1 to 30, wherein the effects of low energy impacts, medium energy impacts and high energy impacts from planned strikes, impacts, hail, tool drops, ballistics, random fragments, shock waves, lightning strikes, cavitation and airborne fluttering. A helicoid system, which is introduced within a composite structure to minimize

35. 다축 직물 기계를 사용하여 비권축 직물로부터 헬리코이드 구조물을 제조하는 방법.35. Method for manufacturing helicoid structures from non-crimped fabric using a multi-axial fabric machine.

36. 양태 35에 있어서, 복수의 헬리코이드 플라이가 재료의 복수의 롤을 제조하는 것 및 재료의 롤의 층을 집합시켜 보다 많은 수의 플라이의 헬리코이드 시퀀스를 형성하는 것에 의해 제조되는, 방법. 36. The method of Aspect 35, wherein the plurality of helicoid plies are manufactured by manufacturing a plurality of rolls of material and aggregating layers of the rolls of material to form a helicoid sequence of a larger number of plies. method.

37. 양태 36에 있어서, 다축 헬리코이드 비권축 직물(HMX)(예를 들면, H-NCF12°:[48°,60°,72°,84°] 또는 H-NCF22.5°:[0,22.5,45, 67.5, 90])을 형성하는 4 또는 5 매의 헬리코이드 플라이의 롤이 제조되는, 방법. 37. The method of Aspect 36, wherein a multiaxial helicoidal non-crimped fabric (HMX) (e.g., H-NCF12°:[48°,60°,72°,84°] or H-NCF22.5°:[0 , 22.5, 45, 67.5, 90]), wherein a roll of 4 or 5 helicoidal plies is produced.

38. 양태 36에 있어서, 재료의 롤로부터 재료를 반전시켜 재료 HMX(예를 들면, H-NCF12°: [48°,60°,72°,84°,-84°,-72°,-60°,-48°] 또는 H-NCF22.5°:[90,-67.5,-45,-22.5,0,0,22.5, 45, 67.5,90])의 8 개 또는 10 개의 플라이 롤을 형성하는 것을 더 포함하는, 방법. 38. The method of Aspect 36, wherein the material is inverted from the roll of material to produce material HMX (e.g., H-NCF12°: [48°,60°,72°,84°,-84°,-72°,-60 °,-48°] or H-NCF22.5°:[90,-67.5,-45,-22.5,0,0,22.5, 45, 67.5,90]) forming 8 or 10 ply rolls. Method, including more.

39. 양태 38에 있어서, 재료의 롤의 0° 축을 중심으로 재료의 롤로부터 재료를 접어서 그 폭을 2로 나누어서 재료 HMX(예를 들면, H-NCF12°: [48°,60°,72°,84°,-84°,-72°,-60°,-48°] 또는 H-NCF22.5°:[90,-67.5,-45,-22.5,0,0,22.5, 45, 67.5,90])의 8 개 또는 10 개의 플라이 롤을 형성하는 것을 더 포함하는, 방법. 39. In embodiment 38, fold the material from the roll of material about the 0° axis of the roll of material and divide its width by 2 to form the material HMX (e.g., H-NCF12°: [48°, 60°, 72°) ,84°,-84°,-72°,-60°,-48°] or H-NCF22.5°:[90,-67.5,-45,-22.5,0,0,22.5, 45, 67.5, 90]), further comprising forming 8 or 10 ply rolls.

40. 양태 38에 있어서, 재료의 롤로부터 재료를 ± 90° 회전시켜 재료 HMX(예를 들면, [56.3°,78.8°,-78.8°,-56.3°]를 -90° 회전 : [-33.8°,-11.3°,11.3°,33.8°]를 조합하여 H-NCF22.5°를 형성:[56.3°,78.8°,-78.8°,-56.3°,-33.8°,-11.3°,11.3°,33.8°])의 8 개 또는 10 개의 플라이 롤을 형성하는 것을 더 포함하는, 방법.40. The method of Aspect 38, wherein the material is rotated ±90° from the roll of material to rotate the material HMX (e.g., [56.3°,78.8°,-78.8°,-56.3°] by -90°: [-33.8°) ,-11.3°,11.3°,33.8°] to form H-NCF22.5°:[56.3°,78.8°,-78.8°,-56.3°,-33.8°,-11.3°,11.3°,33.8 °]), the method further comprising forming 8 or 10 ply rolls.

41. 양태 38 내지 양태 40에 있어서, 초기 HMX 롤의 반전, 접음 및 회전을 조합한 동작에 의해 연속 헬리코이드를 수반하는 훨씬 더 많은 수의 플라이 롤을 생성할 수 있는, 방법.41. The method of Aspects 38-40, wherein an operation combining reversal, folding, and rotation of the initial HMX roll can produce a much larger number of fly rolls involving continuous helicoids.

42. 양태 35 내지 양태 41에 있어서, 직물의 층은 스티칭 기계 또는 열 라미네이팅된 열가소성 베일, 분말 바인더 또는 에어 펀치 또는 니들 펀치에 의해 조합되는, 방법.42. The method of aspects 35 to 41, wherein the layers of fabric are combined by a stitching machine or a heat laminated thermoplastic veil, a powder binder or an air punch or needle punch.

43. 양태 35 내지 양태 42에 있어서, 양태 13 내지 양태 15에 기술된 바와 같은 가변적 클로킹 각도가 적용되는, 방법.43. The method of aspects 35 to 42, wherein a variable cloaking angle as described in aspects 13 to 15 is applied.

Claims (28)

복합 표피 샌드위치 구조물로서,
상기 복합 표피 샌드위치 구조는:
적어도 하나의 코어 재료로 형성된 코어, 및
상기 코어에 부착된 적어도 하나의 표피를 포함하고,
상기 표피는,
헬리코이드 관계(helicoidal relationship)로 배치된 강화 섬유의 복수의 플라이(ply)를 포함하고, 상기 플라이는 배향 방향을 규정하는 평행한 섬유들을 포함하고, 적어도 2 개의 인접한 플라이의 배향 방향들 사이의 협각(included angle)은 0° 초과 내지 약 30° 미만인, 복합 표피 샌드위치 구조물.
A composite skin sandwich structure, comprising:
The composite skin sandwich structure is:
a core formed from at least one core material, and
comprising at least one epidermis attached to the core,
The epidermis is,
comprising a plurality of plies of reinforcing fibers arranged in a helicoidal relationship, wherein the plies include parallel fibers defining an orientation direction, and between the orientation directions of at least two adjacent plies. A composite skin sandwich structure, wherein the included angle is greater than 0° and less than about 30°.
제 1 항에 있어서,
상기 헬리코이드 관계로 배치된 플라이는 부분적으로 나선형인, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
A composite skin sandwich structure, wherein the plies arranged in helicoidal relationship are partially helical.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표피로부터 상기 코어의 반대측에 부착된 적어도 하나의 제 2 표피를 더 포함하는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
The composite skin sandwich structure further comprising at least one second skin attached to an opposite side of the core from the at least one skin.
제 3 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 2 표피는:
헬리코이드 관계로 배치된 강화 섬유의 복수의 플라이를 포함하고, 상기 플라이는 배향 방향을 규정하는 평행한 섬유들을 포함하고, 적어도 2 개의 인접한 플라이의 배향 방향들 사이의 협각은 0° 초과 내지 약 30° 미만인, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 3,
The at least one second epidermis:
A plurality of plies of reinforcing fibers arranged in a helicoidal relationship, wherein the plies include parallel fibers defining an orientation direction, and wherein the inclusion angle between the orientation directions of at least two adjacent plies is greater than 0° to about 0°. Composite skin sandwich structure, less than 30°.
제 1 항에 있어서,
상기 코어 재료는 PVC 발포체를 포함하는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
A composite skin sandwich structure, wherein the core material comprises PVC foam.
제 1 항에 있어서,
상기 코어 재료는 허니콤 구조를 포함하는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
A composite skin sandwich structure, wherein the core material comprises a honeycomb structure.
제 1 항에 있어서,
상기 샌드위치 구조물은 풍력 터빈 블레이드, 자동차 부품 및 날개를 포함하는 항공 구조물의 형상을 형성하도록 배치되는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
A composite skin sandwich structure, wherein the sandwich structure is arranged to form the shape of an aerospace structure including wind turbine blades, automotive components and wings.
제 1 항에 있어서,
상기 샌드위치 구조물은 스포츠 용품의 형상을 형성하도록 배치되는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
A composite skin sandwich structure, wherein the sandwich structure is arranged to form the shape of a sporting article.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표피는 탄소 섬유를 포함하고, 약 3,000 gsm보다 작은 중량을 갖는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
A composite skin sandwich structure, wherein the at least one skin comprises carbon fiber and has a weight of less than about 3,000 gsm.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표피는 유리 섬유를 포함하고, 약 5,000 gsm보다 작은 중량을 갖는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
A composite skin sandwich structure, wherein the at least one skin comprises glass fibers and has a weight of less than about 5,000 gsm.
제 2 항에 있어서,
상기 플라이는 [-15°/-25°/-35°/-45°/-60°/60°/45°/35°/25°/15°]로서 배치되는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 2,
The composite skin sandwich structure, wherein the plies are arranged as [-15°/-25°/-35°/-45°/-60°/60°/45°/35°/25°/15°].
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 플라이는 UD 토우(tow), TPUD 토우, QUDW 직물, TPW 직물 및 NCF 직물 중 적어도 하나를 포함하는, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the plurality of plies include at least one of UD tow, TPUD tow, QUDW fabric, TPW fabric, and NCF fabric.
제 1 항에 있어서,
헬리코이드 관계로 배치된 강화 섬유의 복수의 플라이는 적어도 제 3 플라이를 더 포함하고, 상기 제 3 플라이는 배향 방향을 규정하는 평행한 섬유들을 포함하고, 상기 제 3 플라이와 적어도 하나의 인접한 플라이의 배향 방향들 사이의 협각은 0° 초과 내지 약 30° 미만인, 복합 표피 샌드위치 구조물.
According to claim 1,
The plurality of plies of reinforcing fibers arranged in helicoidal relationship further include at least a third ply, the third ply including parallel fibers defining an orientation direction, and the third ply and at least one adjacent ply. wherein the included angle between the orientation directions is greater than 0° and less than about 30°.
내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료로서,
상기 복합 재료는:
제 1 TPW 직물 층 - 상기 제 1 TPW 직물 층은 복수의 위사 토우(weft tow) 및 복수의 경사 토우(warp tow)를 포함하며, 상기 복수의 토우 중 적어도 하나는 배향 방향을 규정함 -, 및
제 2 TPW 직물 층을 포함하고, 상기 제 2 TPW 직물 층은 복수의 위사 토우 및 복수의 경사 토우를 포함하며, 상기 복수의 토우 중 적어도 하나는 배향 방향을 규정하고,
상기 제 1 TPW 직물 층 및 상기 제 2 TPW 직물 층은 헬리코이드 관계로 배치되고, 상기 제 1 TPW 직물 층의 토우의 배향 방향과 상기 제 2 TPW 직물 층의 토우의 배향 방향 사이의 협각은 상기 섬유 강화 복합 재료에 내충격성을 제공하도록 0° 초과 내지 약 30° 미만인, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
A fiber-reinforced composite material with impact resistance,
The composite material:
a first TPW fabric layer, the first TPW fabric layer comprising a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, at least one of the plurality of tows defining an orientation direction, and
comprising a second TPW fabric layer, wherein the second TPW fabric layer includes a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, at least one of the plurality of tows defining an orientation direction,
The first TPW fabric layer and the second TPW fabric layer are arranged in a helicoidal relationship, and the included angle between the orientation direction of the tow of the first TPW fabric layer and the orientation direction of the tow of the second TPW fabric layer is: A fiber reinforced composite material having impact resistance greater than 0° and less than about 30° to provide impact resistance to the fiber reinforced composite material.
제 14 항에 있어서,
상기 TPW 직물 층 중 적어도 하나는 스프레드(spread) 경사 토우 및/또는 스프레드 위사 토우를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
At least one of the TPW fabric layers comprises a spread warp tow and/or a spread weft tow.
제 14 항에 있어서,
상기 TPW 직물 층 중 적어도 하나는 가벼운 경사 토우 및/또는 가벼운 위사 토우를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
At least one of the TPW fabric layers comprises a light warp tow and/or a light weft tow.
제 14 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TPW 직물 층의 적어도 하나의 토우는 탄소 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
At least one tow of the at least one TPW fabric layer comprises carbon fiber.
제 14 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TPW 직물 층의 적어도 하나의 토우는 유리 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
Wherein at least one tow of the at least one TPW fabric layer comprises glass fiber.
제 14 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TPW 직물 층의 적어도 하나의 토우는 아라미드 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
At least one tow of the at least one TPW fabric layer comprises aramid fibers.
제 14 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TPW 직물 층의 적어도 하나의 토우는 UHMWPE 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
At least one tow of the at least one TPW fabric layer comprises UHMWPE fibers.
제 14 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TPW 직물 층의 적어도 하나의 토우는 폴리프로필렌 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
At least one tow of the at least one TPW fabric layer comprises polypropylene fibers.
제 14 항에 있어서,
상기 섬유 강화 복합 재료는 스포츠 용품, 자동차/모터스포츠 부품, 수하물을 포함하는 소비자 제품, 및 선박 부품 중 적어도 하나의 형상으로 형성되는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 14,
A fiber-reinforced composite material with impact resistance, wherein the fiber-reinforced composite material is formed into the shape of at least one of sporting goods, automobile/motorsports parts, consumer products including luggage, and marine parts.
내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료로서,
상기 복합 재료는:
제 1 QUDW 직물 층 - 상기 제 1 QUDW 직물 층은 복수의 위사 토우 및 복수의 경사 토우를 포함하며, 상기 복수의 경사 토우는 배향 방향을 규정함 -, 및
제 2 QUDW 직물 층을 포함하고, 상기 제 2 QUDW 직물 층은 복수의 위사 토우 및 복수의 경사 토우를 포함하며, 상기 복수의 경사 토우는 배향 방향을 규정하고,
상기 제 1 QUDW 직물 층 및 상기 제 2 QUDW 직물 층은 헬리코이드 관계로 배치되고, 상기 제 1 QUDW 직물 층의 경사 토우의 배향 방향과 상기 제 2 TPW 직물 층의 경사 토우의 배향 방향 사이의 협각은 상기 섬유 강화 복합 재료에 내충격성을 제공하도록 0° 초과 내지 약 30° 미만인, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
A fiber-reinforced composite material with impact resistance,
The composite material:
a first QUDW fabric layer, the first QUDW fabric layer comprising a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, the plurality of warp tows defining an orientation direction, and
comprising a second QUDW fabric layer, the second QUDW fabric layer comprising a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, the plurality of warp tows defining an orientation direction;
The first QUDW fabric layer and the second QUDW fabric layer are arranged in a helicoidal relationship, and an included angle between the orientation direction of the warp tow of the first QUDW fabric layer and the orientation direction of the warp tow of the second TPW fabric layer. is greater than 0° and less than about 30° to provide impact resistance to the fiber reinforced composite material.
제 23 항에 있어서,
상기 복합 재료의 섬유의 80%를 초과하는 양이 상기 경사 토우에 배치되는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 23,
A fiber-reinforced composite material with impact resistance, wherein an amount greater than 80% of the fibers of the composite material are disposed in the warp tow.
제 23 항에 있어서,
적어도 하나의 QUDW 직물 층의 적어도 하나의 토우는 탄소 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 23,
An impact-resistant, fiber-reinforced composite material, wherein at least one tow of the at least one QUDW fabric layer comprises carbon fiber.
제 23 항에 있어서,
적어도 하나의 QUDW 직물 층의 적어도 하나의 토우는 유리 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 23,
An impact-resistant, fiber-reinforced composite material, wherein at least one tow of at least one QUDW fabric layer comprises glass fibers.
제 23 항에 있어서,
적어도 하나의 QUDW 직물 층의 경사 토우는 유리 섬유를 포함하고, 상기 적어도 하나의 QUDW 직물 층의 위사 토우는 탄소 섬유를 포함하는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 23,
An impact-resistant, fiber-reinforced composite material, wherein the warp tow of at least one QUDW fabric layer comprises glass fibers, and the weft tow of the at least one QUDW fabric layer comprises carbon fibers.
제 23 항에 있어서,
상기 섬유 강화 복합 재료는 스포츠 용품, 자동차/모터스포츠 부품, 수하물을 포함하는 소비자 제품, 및 선박 부품 중 적어도 하나의 형상으로 형성되는, 내충격성을 갖는 섬유 강화 복합 재료.
According to claim 23,
A fiber-reinforced composite material with impact resistance, wherein the fiber-reinforced composite material is formed into the shape of at least one of sporting goods, automobile/motorsports parts, consumer products including luggage, and marine parts.
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