KR20240038802A - 재료들의 초음파 통합 - Google Patents

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KR20240038802A
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sonotrode
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integrated
rigid
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KR1020247007461A
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매튜 에이. 쇼트
제임스 스트래턴
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애자일 울트라소닉스 코포레이션
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Abstract

재료들을 통합시키기 위한 시스템은 초음파 에너지를 통합될 재료들로 향하도록 구성되는 소노트로드로서, 상기 통합될 재료들은 유리 전이 온도와 용융 온도 모두를 갖는, 상기 소노트로드; 및 상기 소노트로드에 근접하는 비-강성 통합 재료로서, 상기 비-강성 통합 재료 및 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들을 수용하기 위해 그들 사이의 영역을 한정하는, 상기 비-강성 통합 재료를 포함하고, 상기 비-강성 통합 재료는 상기 통합될 재료들의 상기 유리 전이 온도보다 높은 유리 전이 온도 및 상기 통합될 재료들의 상기 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는다.

Description

재료들의 초음파 통합
본 발명의 주제는 일반적으로 시스템, 장치 및 방법의 제조 및 제작에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 예를 들어 탄소 섬유를 포함하는 재료들과 같은 재료들의 초음파 통합을 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.
탄소 섬유 강화 폴리머들(CFRP)의 여러 층들을 통합 구조체로 용접하기 위한 초음파 용접 공정의 용도는 에너지 디렉터 또는 희생 용융층을 사용하지 않거나 또는 초음파 용접 시스템의 앤빌 구성 요소가 CFRP 층들이 배치되는 강성 표면을 포함하는 경우 대부분 성공하지 못하는 것으로 입증되었다. 알려진 용접 관행은 열가소성 또는 열가소성 합성물을 강성 앤빌에 고정하지만; 이와 같은 관행이 CFRP 테이프, 브레이드 또는 사전 통합 플레이트와 함께 사용되는 경우, 일반적으로 용접 공정을 향상시키기 위해 기존의 에너지 디렉터 또는 이차 재료를 사용하지 않고는 용접이 달성될 수 없다. 만약 실제 용접이 달성되더라도, 용접 품질이 만족스럽지 않은 경우가 많다.
따라서, 자동차, 항공, 군사 용도를 포함하는 다양한 용도에 사용할 수 있도록 CFRP 테이프를 견고한 구조체로 효과적으로 통합할 수 있는 초음파 용접 시스템에 대한 요구가 지속적으로 제기되고 있다.
다음은 개시된 본 발명의 대상 주제의 특정 예시적 구현에 대한 요약을 제공한다. 이와 같은 요약은 광범위한 개요가 아니며, 개시된 발명 주제의 핵심 또는 중요한 측면이나 요소들을 식별하거나 그의 범위를 설명하기 위한 것이 아니다. 그러나, 개시된 발명의 주제를 기술하고 주장하기 위해 사용되는 언어에 있어서 부정관사를 사용한 것은 어떠한 방식으로든 기술된 발명의 주제를 제한하려는 의도를 전혀 갖지 않는다는 사실을 이해해야 한다. 오히려 부정관사("a" 또는 "an")의 사용은 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
개시된 기술의 예시적 구현은 재료들을 통합하기 위한 제1 시스템을 제공한다. 이와 같은 시스템은 초음파 에너지를 통합될 재료들로 향하도록 구성되는 소노트로드(sonotrode)로서, 상기 통합될 재료들은 고유한 유리 전이 온도 및 고유한 용융 온도 모두를 갖는, 상기 소노트로드와; 상기 소노트로드에 근접하는 비-강성 통합 재료로서, 상기 비-강성 통합 재료 및 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들을 수용하기 위해 그들 사이의 영역을 한정하는, 상기 비-강성 통합 재료를 포함하고, 상기 비-강성 통합 재료는 상기 통합될 재료의 상기 고유한 유리 전이 온도보다 높은 고유한 유리 전이 온도 및 상기 통합될 재료들의 고유한 용융 온도보다 높은 고유한 용융 온도를 갖는다.
상기 시스템은 상기 비-강성 통합 재료를 지지하기 위한 강성 앤빌(anvil)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은 적어도 하나의 힘 센서 및 적어도 하나의 열 센서를 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 소노트로드의 일 측면상에 배치된 유입 재료 앤빌 및 상기 소노트로드의 반대편 측면상에 배치된 배출 재료 앤빌을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들상에 압축력을 제공하도록 구성되고, 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들을 냉각 또는 가열시키도록 구성된다. 상기 시스템은 상기 소노트로드에 초음파 에너지를 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 초음파 변환기를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 관절식 하우징에 장착되고, 상기 관절식 하우징은 상기 소노트로드에 압축력 및 상기 통합될 재료들의 배치(즉, 복잡한 표면 형상에 대한 표면 법선 접근)에 대한 다양한 접촉(접근) 각도들을 제공하도록 구성된다. 상기 소노트로드는 방사형 또는 테이퍼형 외형 프로파일(face profile)을 포함할 수 있으며, 상기 소노트로드는 미리 결정된 폭의 좁은 구성 요소들 또는 미리 결정된 폭의 넓은 구성 요소들을 통합하도록 구성될 수 있다. 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들과 접촉하도록 구성되는 일체형 홀드-다운 구조체(hold-down structure)들을 포함할 수 있다. 상기 통합될 재료들은 열가소성 재료들, 열경화성 재료들 또는 탄소 섬유 강화 폴리머들인일 수 있으며, 또한 재료 층들 또는 재료 시트들로서 구성될 수 있다. 상기 비-강성 통합 재료는 열가소성 재료, 열경화성 재료, 실리콘, 폴리아미드, 우레탄, 고무, 유리 직물 시트들, 유리, 탄소 섬유 재료 및 이들의 다양한 조합을 포함할 수 있으며, 또한 재료 층들, 재료 시트들 또는 사전 통합 구조체들로서 구성될 수 있다. 상기 비-강성 통합 재료는 40 내지 100 쇼어 A 사이의 경도를 가질 수 있다.
개시된 기술의 다른 예시적 구현은 재료들을 통합시키기 위한 제2 시스템을 제공한다. 이와 같은 시스템은 소노트로드에 초음파 에너지를 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 초음파 변환기로서, 상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 상기 소노트로드에 압축력 및 통합될 재료들의 배치에 대한 다양한 접촉 각도들을 제공하도록 구성되는 관절식 하우징에 장착되고, 상기 소노트로드는 초음파 에너지가 통합될 재료들로 향하도록 구성되고, 상기 통합될 재료들은 고유한 유리 전이 온도와 고유한 용융 온도 모두를 갖는, 상기 초음파 변환기; 상기 소노트로드에 근접하는 비-강성 통합 재료로서, 상기 비-강성 통합 재료 및 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들을 수용하기 위해 그들 사이의 영역을 한정하고, 상기 비-강성 통합 재료는 상기 통합될 재료들의 상기 고유한 유리 전이 온도보다 높은 고유한 유리 전이 온도 및 상기 통합될 재료들의 상기 고유한 용융 온도보다 높은 고유한 용융 온도를 갖는, 상기 비-강성 통합 재료; 및 상기 소노트로드의 일 측면상에 배치된 유입 재료 앤빌 및 상기 소노트로드의 반대편 측면상에 배치된 배출 재료 앤빌로서, 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들상에 추가의 압축력을 제공하도록 구성되고, 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들을 냉각 또는 가열시키도록 구성되는, 상기 유입 재료 앤빌 및 상기 배출 재료 앤빌을 포함한다.
상기 시스템은 상기 비-강성 통합 재료를 지지하기 위한 강성 앤빌을 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은 적어도 하나의 힘 센서 및 적어도 하나의 열 센서를 추가로 포함할 수 있다. 상기 소노트로드는 방사형 또는 테이퍼형 외형 프로파일을 포함할 수 있으며, 상기 소노트로드는 미리 결정된 폭의 좁은 구성 요소들 또는 미리 결정된 폭의 넓은 구성 요소들을 통합하도록 구성될 수 있다. 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들과 접촉하도록 구성되는 일체형 홀드-다운 구조체들을 포함할 수 있다. 상기 통합될 재료들은 열가소성 재료들, 열경화성 재료들 또는 탄소 섬유 강화 폴리머들일 수 있으며, 또한 재료 층들, 재료 시트들 또는 사전 통합 구조체들로서 구성될 수 있다. 상기 비-강성 통합 재료는 열가소성 재료, 열경화성 재료, 실리콘, 폴리아미드, 우레탄, 고무, 유리 직물 시트, 유리, 탄소 섬유 재료 및 이들의 다양한 조합을 포함할 수 있으며, 또한 재료 층들 또는 재료 시트들로서 구성될 수 있다. 상기 비-강성 통합 재료는 40 내지 100 쇼어 A 사이의 경도를 가질 수 있다.
개시된 기술의 또 다른 예시적 구현은 재료들을 통합시키기 위한 방법을 제공한다. 이와 같은 방법은 초음파 에너지를 통합될 재료들로 향하게 하고 상기 통합될 재료들상에 압축력을 가하기 위한 소노트로드를 구성하는 단계로서, 상기 통합될 재료들은 고유한 유리 전이 온도와 고유한 용융 온도 모두를 갖는, 상기 소노트로드를 구성하는 단계; 비-강성 통합 재료를 상기 소노트로드에 근접하여 배치시키는 단계로서, 상기 비-강성 통합 재료 및 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들을 수용하기 위해 그들 사이의 영역을 한정하고, 상기 비-강성 통합 재료는 상기 통합될 재료들의 상기 고유한 유리 전이 온도보다 높은 고유한 유리 전이 온도 및 상기 통합될 재료들의 상기 고유한 용융 온도보다 높은 고유한 용융 온도를 갖는, 상기 배치시키는 단계; 및 상기 소노트로드를 활성화시키고 상기 소노트로드를 압축력하에서 상기 재료들을 가로질러 이동시킴으로써, 상기 통합될 재료들을 결합시키는 단계를 포함한다.
상술된 개념들 및 아래에서 더욱 상세하게 논의되는 추가의 개념들의 모든 조합은 (그와 같은 개념들이 상호 모순되지 않는다면) 본원에 개시된 발명의 주제의 일부인 것으로 간주되며, 본원에 설명된 이익을 달성하기 위해 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 개시된 시스템, 장치 및 방법들의 추가적인 특징 및 양태들은 예시적 구현들에 대한 다음의 상세한 설명을 판독하고 이해하는 기반하에 당업자들에게 명백해질 것이다. 숙련된 당업자라면 이해할 수 있듯이, 본원에 개시된 범위와 정신을 벗어나지 않는 한도 내에서 추가적인 구현들도 가능하다. 따라서, 도면들 및 관련 설명들은 예시적인 것으로서 간주되어야 하며 본질적으로 제한적인 것으로서 간주되어서는 안된다.
본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 개시된 본 발명의 주제의 하나 이상의 예시적 구현들을 개략적으로 도시하며, 위에서 주어진 일반적인 설명 및 하기에 주어진 상세한 설명과 함께, 상기 개시된 주제의 원리들을 설명하기 위한 역할을 한다:
도 1a는 개시된 기술의 제1 예시적 구현에 따른, 재료들의 초음파 통합을 위한 시스템 및 장치의 정면도이다;
도 1b는 도 1a의 시스템 및 장치의 정면, 사시도이다;
도 2a는 개시된 기술의 제2 예시적 구현에 따른, 재료들의 초음파 통합을 위한 시스템 및 장치의 정면도이다;
도 2b는 도 2a의 시스템 및 장치의 정면, 사시도이다;
도 3은 개시된 기술의 제3 예시적 구현에 따른, 재료들의 초음파 통합을 위한 시스템 및 장치의 정면도이다;
도 4는 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 통합 재료의 층(들), 및 통합될 재료의 층들의 제1 예시적 구성을 도시한 도면이다;
도 5는 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 통합 재료의 층(들), 및 통합될 재료의 층들의 제2 예시적 구성을 도시한 도면이다;
도 6은 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 통합 재료의 층(들) 및 통합될 재료의 층들의 제3 예시적 구성을 도시한 도면이다;
도 7은 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 및 통합될 재료의 층들의 제4 예시적 구성을 도시한 도면이다;
도 8은 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 통합 재료의 층(들) 및 통합될 재료의 층들의 제5 예시적 구성을 도시한 도면이다.
이제 도면들을 참고하여 예시적 구현들을 설명한다. 도면 부호들은 상세한 설명 전체에 걸쳐 다양한 구성 요소들 및 구조들을 지칭하기 위해 사용된다. 다음의 상세한 설명에는 예시의 목적을 위한 많은 세부 사항들이 포함되어 있지만, 당업자라면 다음의 세부 사항들에 대한 많은 변형 및 변경이 개시된 발명의 주제 범위 내에 있음을 인식하게 될 것이다. 따라서, 다음의 구현들은 청구된 주제에 대한 일반성을 잃지 않고 비제한적으로 설명된다.
개시된 기술은 특정 유형의 재료들의 다중 층들을 라미네이트 구조체로 초음파 통합하기 위한 시스템, 장치 및 방법을 제공한다. 도면들을 참조하여, 개시된 시스템의 일반적인 예시적 구현은 초음파 변환기, 초음파 부스터 및 초음파 혼(소노트로드)을 추가로 포함하는 초음파 스택(초음파 전송 라인)을 포함한다. 상기 초음파 스택의 구성 요소들은 정적 힘으로 하향으로(또는 통합되는 재료를 향해) 가압되고 측면 시스템 동작으로 이동하는 관절식 헤드 조립체 내에 장착된다. 전원 공급 장치는 상기 초음파 변환기를, 상기 초음파 부스터와 상기 소노트로드를 통해 대상 재료의 다중 층들로 전달되는 초음파 진동으로 구동하여 상기 재료의 층들이 함께 결합되도록(즉, 통합되도록) 한다. 통합될 재료의 층들은 특정 비-강성, 탄성 또는 순응성을 갖는 기판("통합 재료"로서 지칭됨)상에 배치될 수 있으며, 상기 기판 자체가 앤빌로서의 역할을 한다. 상기 소노트로드는 예를 들어 재료의 테이프들의 용접에 사용하기 위한 좁은 폭 또는 재료의 시트들의 용접을 위한 넓은 폭과 같은 다양한 폭들로 구성될 수 있다. 상기 앤빌은 강성 특성을 갖는 주 처리 표면에 의해 지지될 수 있다. 비록, 상기 주 처리 표면은 고정된 상태로 유지될 수 있지만, X-, Y-, Z-, I-, J- 또는 K-축 이동과 같은 여러 자유도 또는 이들의 조합을 통합하면 복잡한 표면 기하학적 형상에 걸쳐 재료들의 스폿 용접 또는 연속 스캔 용접 수단이 용이해진다.
개시된 기술의 관절식 헤드 조립체는 다양한 대체 구성들로 제공될 수 있다. 일 구현에서, 상기 헤드 조립체는 지지 구조체에 부착된 강성 하우징을 포함한다. 초음파 전송 라인의 작동은 통합될 재료들상에 힘을 가하기 위한 공압, 유압 또는 전기 기계 장치로 수행될 수 있다. 다른 구현에서, 상기 헤드 조립체는, 상기 시스템 구조체가 통합될 재료들상에 힘을 가하기 위한 자체 작동 장치를 갖는, 수치 제어식 다축 시스템의 단부에 부착되는 강성 하우징을 포함한다. 또 다른 구현에서, 상기 헤드 조립체는 로봇으로 제어되는 관절 조인트 네트워크의 단부에 부착되는 강성 하우징을 포함한다. 통합될 재료들에 힘을 가하는 단계는 로봇 조인트 네트워크에 의해 그리고/또는 하우징 내에 포함된 공압, 유압 또는 전기 기계 장치를 통해 수행될 수 있다. 또한, 상기 개시된 용접 시스템은 단위 면적당 다양한 에너지를 전달하기 위해 증가 또는 감소된 힘을 제공하도록 상기 구동 장치에 실시간 피드백을 제공하기 위해 상기 관절 헤드 조립체와 힘 적용 액추에이터 장치 사이에서 결합되는 실시간 힘 센서를 포함하며, 이로 인해 대상 재료를 통합하는데 더 적합하게 되도록 처리 온도를 변경할 수 있게 된다.
예시적인 구현에서, 상기 개시된 시스템은 공진 주파수가 10 kHz 내지 60 kHz인 변환기를 갖는 초음파 전송 라인, 상기 전송 라인의 관절 장치로의 강성 부착을 용이하게 하는 동시에 상기 변환기로부터 진폭을 증폭 또는 탈-증폭시키는 부스터, 및 힘을 가할 뿐만 아니라 통합될 재료를 강한 초음파 진동에 노출시켜 상기 재료에 변화를 일으키도록 하는 초음파 소노트로드를 포함한다. 상기 전송 라인의 각각의 구성 요소는 작동 주파수의 ½ 파장으로 되도록 설계된다. 상기 전송 라인에 ½ 파장 구성 요소들의 어레이가 설치될 수 있다. 일 예시적 구현의 경우는 1 및 ½ 파장을 생성하는 3개의 구성 요소들만을 필요로 한다.
예시적인 구현에서, 상기 개시된 시스템은 레이업(통합된 재료)의 적절한 방향으로 섬유들을 정렬하는 아이어닝 효과(ironing effect)를 생성하는 방사형 또는 테이퍼형 외형 프로파일을 갖는 초음파 소노트로드를 포함한다. 또한, 통합될 재료들이 통합되는 동안 압축력을 가하는 트레일링 백킹 바(trailing backing bar)를 사용하여 후속 층들 사이의 공극을 제거한다.
예시적인 구현에서, 상기 개시된 용접 시스템은 응고 중에 대상 재료들에 일관되고 균일한 압축력을 제공하는 열적 제어된 윤곽형 백킹 앤빌을 포함한다. 또한, 상기 열적 제어된 백킹 앤빌은 대상 재료들의 냉각 속도를 변경하는 데 적합한 가열 요소들로 제어되는 온도 구역들을 가질 수 있으며, 그에 따라 상기 열적 윤곽형 백킹 앤빌에 의해 제어되는 열처리 공정을 통해 상기 재료들의 성능 및 그의 최종 성능에 영향을 미칠 수 있다. 이와 같이 특별히 제어된 냉각 속도 기능은 상기 통합된 재료들의 특별히 맞춤화된 재료 특성들을 생성한다.
예시적인 구현에서, 상기 개시된 시스템은 유입 및 배출 처리 온도를 측정하는 실시간 열적 모니터링 센서들을 포함한다. 상기 초음파 변환기 내의 진폭 값들의 증가/감소에 의해 온도 변동이 변경되기 때문에, 아웃피드(outfeed) 온도 센서들이 중요하다. 온도 변동은 또한 통합될 재료들을 가로지르는 초음파 소노트로드의 이동 속도를 증가/감소시킴으로써 변경된다. 온도 변동은 또한 대상 재료에 대한 초음파 소노트로드의 이동 속도 및 적용된 진폭 모두를 증가/감소시킴으로써 변경된다.
상기 개시된 시스템, 장치 및 방법들은 예를 들어 열가소성 재료, 열경화성 재료 및 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 시트 또는 테이프들과 같은 특정 유형의 재료들을 통합하는 데 효과적이다. CFRP는 탄소 섬유 강화 폴리머, 탄소 섬유 강화 플라스틱 또는 탄소 섬유 강화 폴리에틸렌을 지칭할 수 있다. CFRP는 또한 열가소성 주입 탄소 섬유를 지칭할 수도 있다. 상기 공개된 기술은 열가소성 또는 열경화성 재료의 여러 층들을 통합하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 공개된 기술에 의해 제조된 통합된 물체 또는 구성 요소는 2 내지 24개 층의 재료들 또는 사전 통합된 플레이트들 또는 구조체들을 포함할 수 있다. 테이프, 시트 재료 또는 사전 통합 구조체의 추가적인 층들이 사용될 수 있다.
상기 공개된 시스템이 작동 중일 때, "이형 층" 또는 "통합 재료"로서도 지칭되는 적절한 비-강성 기판 재료를 사용하면 용접되는 재료의 층들을 적절하게 접합할 수 있다. 그러나, 적절한 통합 재료는 통합될 재료들과의 결합을 형성하지 않는다. 이와 같은 재료로는, 비 제한적으로, 열가소성 재료, 열경화성 재료, 실리콘, 폴리아미드, 우레탄, 고무 유리 직물 시트, 유리, 탄소 섬유 재료 또는 이들의 다양한 조합과 같은, 순응성, 가요성 또는 유연성 재료들의 단일 또는 다수의 얇은 층들 또는 시트들을 포함할 수 있다. 테플론(폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)) 또는 이와 유사한 특성들을 갖는 임의의 기타 재료도 또한 통합 재료로서 사용될 수 있다. 기판 두께는 통합되는 재료 층들의 두께에 따라 달라지며, 통합되는 층들의 두께가 증가함에 따라 기판 두께는 감소한다.
일부 구현들에서, 상기 비-강성 기판 재료는 존재하지 않을 수 있으며, 상기 앤빌 자체는 순응성, 가요성 또는 유연성 재료로 제조될 수 있다. 일 예로서, 탄소 섬유 강화 폴리머의 가공은 경도가 40 내지 100 쇼어 A의 탄성 백킹 표면상에서 수행된다. 또한, 상기 탄성 가공 표면은 섭씨 150도 내지 600도의 가공 온도를 견딜 수 있어야만 한다. 종래 기술의 교시에 의하면, 열가소성 초음파 가공 방법이 일반적으로 강철 또는 알루미늄과 같은 강성 지지 구조체를 사용하여 용접 조인트 내로의 일관된 에너지 전달을 보장한다. 종래 기술의 시스템과는 달리, 탄성 앤빌 구조체를 사용하면 탄성 반발 표면을 생성하는 동시에. 냉각 속도를 제어하기 위해 다양한 두께와 열적 특성으로 맞춤화될 수 있는 히트 싱크형 구조체(heat sink-like structure)로서 작동한다.
도 1a는 개시된 기술의 제 예시적 구현에 따른 재료들의 초음파 통합을 위한 시스템 및 장치의 정면도를 제공하고, 도 1b는 도 1a의 시스템 및 장치의 정면 사시도를 제공한다. 도 1a 및 도 1b에서, 초음파 통합 시스템(100)은 인클로저(110); 초음파 스택 액추에이터(112); 폐쇄 루프 힘 피드백 센서(114); 선형 레일(116); 및 초음파 헤드 조립체(120)가 장착되는 캐리지(118)를 포함한다. 상기 초음파 헤드 조립체(120)는 강성 마운트 부스터(124)에 연결되는 초음파 변환기(122); 및 또한 강성 마운트 부스터(124)에 연결되는 초음파 소노트로드(126)를 포함한다. 초음파 소노트로드 측면 지지부(128)는 열 센서들(130)과 마찬가지로 인클로저(110)의 바닥 부분에 부착된다. 용접 앤빌(140)은 하나 이상의 통합 재료(150) 층들을 지지하고; 통합될 재료의 다중 층들(160)은 통합 공정 중에 통합 재료(150)와 초음파 소노트로드(126) 사이에 배치된다.
도 2a는 개시된 기술의 제1 예시적 구현에 따른, 재료들의 초음파 통합을 위한 시스템 및 장치의 정면도이고, 도 2b는 도 2a의 시스템 및 장치의 전면 사시도이다. 도 2a 및 도 2b에서, 초음파 통합 시스템(200)은 인클로저(210); 초음파 스택 액추에이터(212); 폐쇄 루프 힘 피드백 센서(214); 선형 레일(216); 및 초음파 헤드 조립체(220)가 장착되는 캐리지(218)를 포함한다. 상기 초음파 헤드 조립체(220)는 강성 마운트 부스터(224)에 연결되는 초음파 변환기(222); 및 또한 강성 마운트 부스터(224)에 연결되는 초음파 소노트로드(226)를 포함한다. 열 센서들(230)이 인클로저(210)의 바닥 부분에 부착된다. 통합 재료 홀드-다운 구조체가 초음파 소노트로드(226)의 양쪽 측면상에 형성된다. 용접 앤빌(240)은 하나 이상의 통합 재료(250) 층들을 지지하고; 통합될 재료의 다중 층들(260)은 통합 공정 중에 통합 재료(250)와 초음파 소노트로드(226) 사이에 배치된다.
도 3은 개시된 기술의 제3 예시적 구현에 따른, 재료들의 초음파 통합을 위한 시스템 및 장치의 정면도를 제공한다. 도 3에서, 초음파 통합 시스템(300)은 인클로저(310); 초음파 스택 액추에이터(312); 폐쇄 루프 힘 피드백 센서(314); 및 초음파 변환기(도시되지 않음), 강성 마운트 부스터(324) 및 초음파 소노트로드(326)를 포함하는 초음파 헤드 조립체(320)를 포함한다. 제1 조정 가능한 실린더 마운트(370) 및 제2 조정 가능한 실린더 마운트(372)가 인클로저(310)의 바닥 부분에 부착된다. 유입 재료 홀드-다운 조립체(380)는 제1 조정 가능한 실린더 마운트(370)에 부착되며, 단열재(382) 및 냉각/가열 영역(382)을 포함하고, 통합될 재료 또는 일부의 경우 통합 재료와 접촉한다. 유입 재료 홀드-다운 조립체(380)의 하향 압력을 제어하는 압력 조절기(386)는 인클로저(310)의 측면에 부착된다. 가공 재료 홀드-다운 조립체(390)는 단열재(392) 및 냉각/가열 영역(392)을 포함하며, 가공된(즉, 통합된) 재료 또는 일부의 경우 통합 재료와 접촉한다. 가공 재료 홀드-다운 조립체(390)의 하향 압력을 제어하는 압력 조절기(396)는 인클로저(310)의 측면에 부착된다.
도 4는 상기 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 통합 재료 층(들), 및 통합될 재료 층들의 제1 예시적 구성을 도시한다. 구성(400)에 있어서, 초음파 소노트로드(426)는 강성 앤빌(440) 위에 또는 그에 근접하여 배치되고; 통합 재료(450)의 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 강성 앤빌(440)상에 배치되며; 통합될 재료(460)의 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 통합 재료(450)상에 배치된다. 층들의 실제 수는 상기 통합 재료에 사용되는 특정 재료 또는 재료들, 통합되는 특정 재료 또는 재료들, 및 개시된 기술을 사용하여 제조되는 구성 요소 또는 부품의 특성을 포함하는 다양한 요인들에 의해 결정될 것이다. 본 구현에 있어서, 초음파 소노트로드(426)는 통합 공정이 시작될 때 통합될 재료(460)의 최상층과 접촉하게 된다.
도 5는 상기 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 통합 재료 층(들), 및 통합될 재료 층들의 제2 예시적 구성을 도시한다. 구성(500)에 있어서, 초음파 소노트로드(526)는 강성 앤빌(540) 위에 또는 그에 근접하여 배치되고; 통합 재료(550)의 제1 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 강성 앤빌(540)상에 배치되고; 통합될 재료(560)의 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 통합 재료(550)상에 배치되며; 통합 재료(555)의 제2 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 통합될 재료(560)상에 위치한다. 층들의 실제 수는 상기 통합 재료에 사용되는 특정 재료 또는 재료들, 통합되는 특정 재료 또는 재료들, 및 개시된 기술을 사용하여 제조되는 구성 요소 또는 부품의 특성을 포함하는 다양한 요인들에 의해 결정될 것이다. 본 구현에 있어서, 초음파 소노트로드(526)는 상기 통합 공정이 시작될 때 통합 재료(555)의 상기 제2 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들의 최상층과 접촉하게 된다.
도 6은 상기 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌, 응집 재료 층(들), 및 통합될 재료 층들의 제3 예시적 구성을 도시한다. 구성(600)에 있어서, 초음파 소노트로드(626)는 순응성 앤빌(640) 위에 또는 그에 근접하여 배치되고; 통합 재료(650)의 제1 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 순응성 앤빌(640)상에 배치되고, 통합될 재료(660)의 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 통합 재료(650)상에 배치되며; 통합 재료(655)의 제2 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 통합될 재료(660)상에 위치한다. 층들의 실제 수는 상기 통합 재료에 사용되는 특정 재료 또는 재료들, 통합되는 특정 재료 또는 재료들, 및 개시된 기술을 사용하여 제조되는 구성 요소 또는 부품의 특성을 포함하는 다양한 요인들에 의해 결정될 것이다. 본 구현에 있어서, 초음파 소노트로드(626)는 통합 공정이 시작될 때 통합 재료(655)의 상기 제2 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들의 최상층과 접촉하게 된다.
도 7은 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치되는 소노트로드, 앤빌 및 통합될 재료 층들의 제4 예시적 구성을 도시한다. 구성(700)에 있어서, 초음파 소노트로드(726)는 순응성 앤빌(740)의 위에 또는 그에 근접하여 배치되고, 통합될 재료(760)의 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 순응성 앤빌(740)상에 배치된다. 층들의 실제 수는 통합될 특정 재료 또는 재료들 및 개시된 기술을 사용하여 제조되는 구성 요소 또는 부품의 특성을 포함하는 다양한 요인들에 의해 결정될 것이다. 본 구현에 있어서, 초음파 소노트로드(726)는 통합 공정이 시작될 때 상기 통합될 재료(760)의 최상층과 접촉하게 된다.
도 8은 개시된 기술에 따라 서로에 대해 배치된 소노트로드, 앤빌, 통합 재료 층(들), 및 통합될 재료 층들의 제5 예시적 구성을 도시한다. 구성(800)에 있어서, 초음파 소노트로드(826)는 순응성 앤빌(840) 위에 또는 그에 근접하여 배치되고, 통합될 재료(860)의 미리 결정된 수의 또는 "N"개의 층들이 순응성 앤빌(840)상에 배치된다. 층들의 실제 수는 상기 통합될 특정 재료 또는 재료들 및 개시된 기술을 사용하여 제조되는 부품 또는 구성 요소의 특성을 포함하는 다양한 요인들에 의해 결정될 것이다. 본 구현에 있어서, 초음파 소노트로드(826)는 통합 공정이 시작될 때 통합될 재료(860)의 최상층과 접촉하게 된다. 구성(800)은 또한 통합될 재료(860)상에 하향력을 가하고 또한 통합되는 재료를 가열 또는 냉각시키기 위해 초음파 소노트로드의 양쪽 측면상에 배치되는 2개의 앤빌들을 사용하는 방법을 포함한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 유입 재료(통합 전) 앤빌(880)은 열전대(882); 및 가열 및 냉각 통로 또는 요소들(884)을 포함한다. 배출 재료(통합 후) 앤빌(890)은 열전대(892); 및 가열 및 냉각 통로 또는 요소들(894)을 포함한다.
공개된 기술의 중요한 양태는 초음파 공정 매개변수들의 제어와 함께 공정 움직임을 제어하는 것이다. 초음파 공정과 관련된 주요 변수들은 초음파 진폭, 가해진 힘, 및 총 에너지(즉, 단위 면적당 에너지)를 포함하되, 이에 국한되지는 않는다. 기계별 매개변수들은 초음파 입력이 발생하는 시기, 공정 테이블이 움직이기 시작하는 시기 및 처리 속도를 해결하거나 제어한다. 작업자에게 제공되는 제어 시스템은 용접/통합 품질에 영향을 미치는 고유한 처리 조건의 생성을 허용한다. 이와 같은 제어 기능에는 다음이 포함된다: (i) 초음파 활성화; (ii) 프로그래밍된 힘에 대한 헤드 작동; (iii) 용접 모션, 지연 타이머가 3가지 모든 제어 기능들의 양태로서 제공된다. 이와 같은 제어 기능들을 사용하면, 작업자는 힘을 가할 시기와 기간을 결정할 수 있다. 그런 다음, 모션이 유도되기 전에, 미리 결정된 기간 동안 초음파를 트리거할 수 있다. 또한, 이와 같은 제어 기능들은 임의의 힘이 가해지기 전에 초음파가 시작되도록 변경될 수 있다. 그런 다음, 프로그래밍된 값으로 힘이 가해지고 모션이 원하는 대로 시작될 수 있다. 공개된 기술이 제공하는 이점으로는 다른 통합 공정들에 비해 전력 소모 및 처리 시간이 감소된다는 점을 들 수 있다.
특허, 특허 출원, 기사, 서적, 논문, 웹 페이지를 포함하되, 이에 국한되지 않는, 본 출원에 인용된 모든 문헌 및 유사 자료는, 그와 같은 문헌 및 유사 자료들의 형식에 관계없이, 그 전체가 명시적으로 참조에 의해 통합되어 있다. 한정된 용어, 용어 사용법, 기술된 기술 등을 포함하되, 이에 국한되지 않는, 통합된 참고 문헌 및 유사 자료들 중 하나 이상이 본 출원과 상이하거나 또는 모순되는 경우, 본 출원이 우선한다.
앞서 언급되고 본원에서 사용된 바와 같은, 단수형("a", "an" 및 "the")은 그 문맥이 달리 명시되지 않는 한 단수형과 복수형 모두를 지칭한다. 본원에 사용된 '포함하는'이라는 용어는 '포함하다', '구비하다' 또는 '특징으로 하다'와 동의어이며, 포괄적이거나 개방적인 의미로 사용되며, 또한 추가적으로 언급되지 않은 요소들이나 방법 단계들을 배제하지 않는다. 본원에 설명된 것과 유사하거나 동등한 많은 다양한 방법들 및 재료들이 사용될 수 있지만, 특히 적합한 방법 및 재료들이 본원에 설명되어 있다. 문맥상 달리 명시되지 않는 한, 양 단에 의한 숫자 범위의 열거에는 해당 범위 내에 포함된 모든 숫자가 포함된다. 또한, "일 구현"에 대한 언급은 또한 인용된 기능들을 통합하는 추가 구현들의 존재를 배제하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 또한, 명시적으로 반대되는 언급이 없는 한, 특정 특성을 갖는 요소 또는 복수의 요소들을 "포함하거나" 또는 "갖는" 구현들은 해당 특성을 갖는지의 여부에 관계없이 추가 요소들을 포함할 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 경우 또는 사용될 때, "실질적으로" 및 "약"이라는 용어는 공정의 변화에 기인하는 것과 같은 작은 변동을 설명 및 고려한다. 예를 들어, 이와 같은 용어들은 ±5% 이하, 예를 들어 ±2% 이하, 예를 들어 ±1% 이하, 예를 들어 ±0.5% 이하, 예를 들어 ±0.2% 이하, 예를 들어 ±0.1% 이하, 예를 들어 ±0.05% 이하 및/또는 0%를 지칭할 수 있다.
식별 부호 및/또는 이탤릭체로 표시된 제목 및 부제목은 편의상 사용되며, 개시된 주제를 제한하지 않으며, 개시된 주제에 대한 설명의 해석과 관련하여 언급되지 않는다. 본 발명의 전반에 걸쳐 설명된 다양한 구현들의 구성 요소들에 대해 당업자에게 공지되었거나 이후 공지될 모든 구조적 및 기능적 등가물들은 본원에 참조에 의해 명시적으로 통합되어 있으며, 개시된 주제에 포함되도록 의도되었다. 또한, 상술된 설명에 명시적으로 언급되었는지의 여부에 관계없이, 본원에 개시된 어떠한 설명도 일반 대중을 위한 것으로 의도되지 않는다.
개시된 기술을 구현하기 위하여는 여러 가지 대체 방법들이 있을 수 있다. 본원에 설명된 다양한 기능들 및 요소들은 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 도시된 것과는 상이하게 구분될 수 있다. 본원에 한정된 일반적인 원리들은 다른 구현들에 적용될 수 있다. 주어진 모듈 또는 유닛의 상이한 개수들이 사용될 수 있고, 주어진 모듈 또는 유닛의 상이한 유형 또는 유형들이 사용될 수 있고, 주어진 모듈 또는 유닛이 추가될 수 있으며, 또는 주어진 모듈 또는 유닛이 생략될 수 있다.
또한, 상기 구현들은 순서도, 흐름도, 데이터 흐름도, 구조도, 또는 블록도로 설명되는 공정으로서 설명될 수 있다는 점에 유의한다. 순서도는 작업들을 순차적인 공정으로 설명할 수 있지만, 많은 작업들이 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 작업들의 순서를 재배열할 수도 있다. 공정은 작업이 완료되면 종료되지만, 도면에 포함되지 않은 추가 단계들을 가질 수 있다. 공정은 방법, 기능, 절차, 서브루틴, 서브프로그램 등에 대응할 수 있다. 공정이 기능에 대응하는 경우, 종료는 호출 기능 또는 주 기능에 대한 기능 복귀에 대응한다.
본 발명과 관련하여, "복수의"라는 용어는 2개 또는 2개 초과를 의미한다. 달리 명확하게 한정되지 않는 한, "상부", "하부"와 같은 용어에 의해 표시되는 방향 또는 위치 관계는 도면들에 도시된 방향 또는 위치 관계를 기준으로 하는 것으로서, 이는 언급된 장치 또는 요소들이 특정 방향에 있어야 하거나 또는 특정 방향으로 구성 또는 작동되어야 한다는 것을 나타내거나 암시하는 것이 아니라, 개시된 기술의 설명을 용이하게 하고 설명을 단순화하기 위한 것이므로, 공개 기술을 제한하는 것으로 해석해서는 안된다. "연결", "장착", "고정" 등의 용어는 넓은 의미로 이해되어야 한다. 예를 들어, "연결"은 고정 연결, 분리 가능한 연결 또는 일체형 연결, 직접 연결 또는 중간 매체를 통한 간접 연결일 수 있다. 당업자라면, 개시된 기술에서 상술된 용어들의 특정 의미는 특정 상황에 따라 이해될 수 있다.
상술된 개념들과 본원에서 더욱 상세히 논의된 추가 개념들의 모든 조합은 (그와 같은 개념들이 상호 모순되지 않는 한) 개시된 기술의 일부인 것으로 간주된다는 점을 이해해야 한다. 특히, 본 발명의 말미에 나타나는 청구 주제의 모든 조합들은 본원에 개시된 기술의 일부인 것으로 간주된다. 상기 개시된 기술은 예시적인 구현들의 기술에 의해 설명되었고, 상기 예시적인 구현들이 특정 세부 사항으로 설명되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 그와 같은 세부 사항으로 제한하거나 어떤 방식으로든 한정하려는 의도는 갖지 아니한다. 당업자에게는 추가적인 장점과 수정 사항들이 용이하게 드러날 것이다. 따라서, 보다 넓은 양태들로 개시된 본 기술은 특정 세부 사항, 대표적인 장치 및 방법 및/또는 도시되고 설명된 예시적인 예들에 한정되지 않는다. 따라서, 일반적인 발명 개념의 정신이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 그와 같은 세부 사항으로부터 일탈할 수 있다.

Claims (20)

  1. 재료들을 통합시키기 위한 시스템으로서,
    (a) 초음파 에너지를 통합될 재료들로 향하도록 구성되는 소노트로드(sonotrode)로서, 상기 통합될 재료들은 유리 전이 온도와 용융 온도 모두를 갖는, 상기 소노트로드; 및
    (b) 상기 소노트로드에 근접하는 비-강성 통합 재료로서, 상기 비-강성 통합 재료 및 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들을 수용하기 위해 그들 사이의 영역을 한정하는, 상기 비-강성 통합 재료를 포함하며,
    (c) 상기 비-강성 통합 재료는 상기 통합될 재료들의 상기 유리 전이 온도보다 높은 유리 전이 온도 및 상기 통합될 재료들의 상기 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는, 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 비-강성 통합 재료를 지지하기 위한 강성 앤빌(anvil)을 추가로 포함하는, 시스템.
  3. 제1 항에 있어서, 힘 센서 및 열 센서 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 시스템.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 소노트로드의 일 측면상에 배치된 유입 재료 앤빌 및 상기 소노트로드의 반대편 측면상에 배치된 배출 재료 앤빌을 추가로 포함하며, 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들상에 압축력을 제공하도록 구성되고, 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들을 냉각 또는 가열시키도록 구성되는, 시스템.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 소노트로드에 초음파 에너지를 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 초음파 변환기를 추가로 포함하며, 상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 관절식 하우징에 장착되고, 상기 관절식 하우징은 상기 소노트로드에 압축력 및 상기 통합될 재료들의 배치에 대한 다양한 접촉 각도들을 제공하도록 구성되는, 시스템.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 소노트로드는 방사형 또는 테이퍼형 외형 프로파일(face profile)을 포함하고, 상기 소노트로드는 미리 결정된 폭의 좁은 구성 요소들 또는 미리 결정된 폭의 넓은 구성 요소들을 통합하도록 구성되는, 시스템.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들과 접촉하도록 구성되는 일체형 홀드-다운 구조체(hold-down structure)들을 포함하는, 시스템.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 통합될 재료들은 열가소성 재료들, 열경화성 재료들 또는 탄소 섬유 강화 폴리머들인, 시스템.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 통합될 재료들은 재료 층들, 재료 시트들 또는 사전 통합 구조체들로서 구성되는, 시스템.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 비-강성 통합 재료는 열가소성 재료, 열경화성 재료, 실리콘, 폴리아미드, 우레탄, 고무, 유리 직물 시트들, 유리, 탄소 섬유 재료 및 이들의 조합을 포함하는, 시스템.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 비-강성 통합 재료는 재료 층들 또는 재료 시트들로서 구성되는, 시스템.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 비-강성 통합 재료는 40 내지 100 쇼어 A 사이의 경도를 갖는, 시스템.
  13. 재료들을 통합시키기 위한 시스템으로서,
    (a) 소노트로드에 초음파 에너지를 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 초음파 변환기로서, 상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 상기 소노트로드에 압축력 및 통합될 재료들의 배치에 대한 다양한 접촉 각도들을 제공하도록 구성되는 관절식 하우징에 장착되고, 상기 소노트로드는 초음파 에너지가 통합될 재료들로 향하도록 구성되고, 상기 통합될 재료들은 유리 전이 온도와 용융 온도 모두를 갖는, 상기 초음파 변환기;
    (b) 상기 소노트로드에 근접하는 비-강성 통합 재료로서, 상기 비-강성 통합 재료 및 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들을 수용하기 위해 그들 사이의 영역을 한정하고, 상기 비-강성 통합 재료는 상기 통합될 재료들의 상기 유리 전이 온도보다 높은 유리 전이 온도 및 상기 통합될 재료들의 상기 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는, 상기 비-강성 통합 재료; 및
    (c) 상기 소노트로드의 일 측면상에 배치된 유입 재료 앤빌 및 상기 소노트로드의 반대편 측면상에 배치된 배출 재료 앤빌로서, 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들상에 추가의 압축력을 제공하도록 구성되고, 상기 앤빌들은 상기 통합될 재료들을 냉각 또는 가열시키도록 구성되는, 상기 유입 재료 앤빌 및 상기 배출 재료 앤빌을 포함하는, 시스템.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 비-강성 통합 재료를 지지하기 위한 강성 앤빌을 추가로 포함하는, 시스템.
  15. 제13 항에 있어서, 적어도 하나의 힘 센서 및 적어도 하나의 열 센서를 추가로 포함하는, 시스템.
  16. 제13 항에 있어서, 상기 소노트로드는 방사형 또는 테이퍼형 외형 프로파일을 포함하고, 상기 소노트로드는 미리 결정된 폭의 좁은 구성 요소들 또는 미리 결정된 폭의 넓은 구성 요소들을 통합하도록 구성되며, 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들과 접촉하도록 구성되는 일체형 홀드-다운 구조체들을 포함하는, 시스템.
  17. 제13 항에 있어서, 상기 통합될 재료들은 열가소성 재료들, 열경화성 재료들 또는 탄소 섬유 강화 폴리머들이고, 상기 통합될 재료들은 재료 층들 또는 재료 시트들로서 구성되는, 시스템.
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 비-강성 통합 재료는 열가소성 재료, 열경화성 재료, 실리콘, 폴리아미드, 우레탄, 고무, 유리 직물 시트, 유리, 탄소 섬유 재료 및 이들의 조합을 포함하며, 상기 비-강성 통합 재료는 재료 층들, 재료 시트들 또는 사전 통합 구조체들로서 구성되는, 시스템.
  19. 제13 항에 있어서, 상기 비-강성 통합 재료는 40 내지 100 쇼어 A 사이의 경도를 갖는, 시스템.
  20. 재료들을 통합시키기 위한 방법으로서,
    (a) 초음파 에너지를 통합될 재료들로 향하게 하고 상기 통합될 재료들상에 압축력을 가하기 위한 소노트로드를 구성하는 단계로서, 상기 통합될 재료들은 유리 전이 온도와 용융 온도 모두를 갖는, 상기 소노트로드를 구성하는 단계;
    (b) 비-강성 통합 재료를 상기 소노트로드에 근접하여 배치시키는 단계로서, 상기 비-강성 통합 재료 및 상기 소노트로드는 상기 통합될 재료들을 수용하기 위해 그들 사이의 영역을 한정하고, 상기 비-강성 통합 재료는 상기 통합될 재료들의 상기 유리 전이 온도보다 높은 유리 전이 온도 및 상기 통합될 재료들의 상기 용융 온도보다 높은 용융 온도를 갖는, 상기 배치시키는 단계; 및
    (c) 상기 소노트로드를 활성화시키고 상기 소노트로드를 압축력하에서 미리 결정된 각도들로 상기 재료들을 가로질러 이동시킴으로써, 상기 통합될 재료들을 결합시키는 단계를 포함하는, 방법.
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