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KR101900967B1 - 부드러운 런아웃부들을 구비한 일체로 형성된 보강재들을 가진 복합 구조물들 및 이를 만드는 방법 - Google Patents

부드러운 런아웃부들을 구비한 일체로 형성된 보강재들을 가진 복합 구조물들 및 이를 만드는 방법 Download PDF

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KR101900967B1
KR101900967B1 KR1020137013813A KR20137013813A KR101900967B1 KR 101900967 B1 KR101900967 B1 KR 101900967B1 KR 1020137013813 A KR1020137013813 A KR 1020137013813A KR 20137013813 A KR20137013813 A KR 20137013813A KR 101900967 B1 KR101900967 B1 KR 101900967B1
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KR
South Korea
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fiber
stiffener
shell
resin
fibers
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KR1020137013813A
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English (en)
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Inventor
데이비드 에이. 푹
피터 제이. 로켓
앤드류 글린
Original Assignee
더 보잉 컴파니
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Publication date
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Abstract

단위화된 복합 구조물은 일체로 형성된 적어도 하나의 복합 보강재를 가진 복합 부재를 포함한다. 보강재의 적어도 하나의 단부는 보강재와 복합 구조물 사이에 실질적으로 부드러운 변이를 형성하는 런아웃부를 포함한다.

Description

부드러운 런아웃부들을 구비한 일체로 형성된 보강재들을 가진 복합 구조물들 및 이를 만드는 방법{COMPOSITE STRUCTURES HAVING INTEGRATED STIFFENERS WITH SMOOTH RUNOUTS AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 일반적으로 복합 구조물들에 관한 것으로, 더 상세하게는 일체로 형성된 보강재들을 구비한 복합 구조 부재들 및 이러한 부재들을 만들기 위한 방법들을 다루고 있다.
우주항공 산업에 사용되는 것과 같은 복합 구조물들을 강도 및/또는 강성 요구사항들을 충족시키기 위하여 강화시키는 것이 때대로 필요하다. 이러한 구조물들은 구조물에 추가적인 강도 및 강성을 제공할 수 있는 보강재들을 구조물에 추가함에 따라 강화될 수 있다. 종래에는, 개개의 보강재들은 별도의 파스너들(fasteners)의 사용, 접착, 함께 접착(co-bonding) 및 함께 경화를 포함하되 이에 제한되지 않는 어떠한 복수의 부차적인 조립 공정들을 이용하여 주 구조 부재들에 부착되어 왔다. 각각의 이러한 공정은 제한되지 않는 예로서 조립 공정을 완료하기 위한 추가적인 시간과 노동 및/또는 부품들을 함께 경화하기 위해 사용되는 오토클레이브(autoclave)와 같은 비교적 고가의 자본 설비에 대한 필요성과 같은 단점들을 가질 수 있다. 또한, 일부 경우들에서, 보강재들은 바람직하지 않은 무게 및/또는 부품 총수를 운송수단에 추가하고 그리고/또는 조립 공정을 완료하는 데에 필요한 시간과 노동을 증가시킬 수 있는 복수의 부품들을 포함할 수 있다. 보강재들이 구조 부재에 통합된 일부 적용들에서, "런아웃부들(runouts)"이라고 불리는 보강재들의 단부들이 부재로 부드럽게 융합되거나 변이되지 않을 수 있고, 이것은 구조 부재에 바람직하지 않은 응력 집중들을 야기할 수 있다. 기존의 런아웃부 설계들은, 단지 주변 구조물에서의 응력 집중들을 적당하게 감소시킬 수 있도록, 다듬어진 에지들에서 불연속적인 섬유들을 가진다.
따라서, 단위화된 구조물을 형성하도록 보강재들이 구조 부재들에 통합된 보강된 복합 구조물들을 만드는 단순하면서 비용 효율적인 방법에 대한 필요성이 있다. 또한, 구조 부재에 부드럽게 융합되어 보강재들의 단부들에서 응력 집중들을 감소시키거나 제거하는 런아웃부들을 구비한 보강재 설계에 대한 필요성이 있다.
개시된 실시예들은 통합된 보강재들을 가진 단위화된 복합 구조물에 응력 집중들을 감소시키거나 실질적으로 제거하는 부드럽게 변이되는 런아웃부들을 보강재들의 단부들에서 제공한다. 보강재들은 보강재들의 단부들을 주변의 구조물에 융합하도록 형태가 형성된 섬유 모재들을 사용하여 제작된다. 이러한 부드러운 융합은 보강재와 그 주변의 구조물들 사이에 갑작스러운 종단들(terminations) 또는 불연속적인 변이들을 피하고, 보강재들의 단부들에서의 다듬는(trimming) 작업들에 대한 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 다듬는 작업들의 감소는 제작 시간, 공정 단계들 및/또는 노동 비용들을 감소시킬 수 있다. 런아웃부는 보강재 단면을 높고 좁은 프로파일로부터 넓고 평평한 프로파일로 변이시키는 한편, 일정한 둘레 및 단면적을 유지한다. 다양한 보강재 구조들 및 물리적 특성들은 다양한 모재 제작 공정들을 이용하여 구현될 수 있다. 런아웃부 설계는 더 큰 설계 유연성 및 공정 최적화를 낳는 복잡한 기하구조들을 가진 보강재들의 제작을 가능케 한다.
개시된 일 실시예에 따르면, 단위화된 복합 구조물은 복합 부재 및 부재를 보강하기 위하여 복합 부재와 일체로 형성된 적어도 하나의 복합 보강재를 포함한다. 보강재의 적어도 하나의 단부는 복합 부재로의 실질적으로 부드러운 변이를 형성하는 런아웃부를 포함한다. 복합 부재는 수지가 주입된 제1 섬유 강화물을 포함하고, 그리고 보강재는 수지가 주입된 제2 섬유 강화물을 포함하되, 주입된 수지는 제1 및 제2 섬유 강화물 전체에 걸쳐 실질적으로 연속적이고 동질로 형성된다. 런아웃부는 형태가 변화하되 길이를 따라 면적이 실질적으로 일정하게 유지되는 단면을 가진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 일체형으로 보강된 복합 구조물은 경화된 폴리머 수지 매트릭스, 매트릭스에 홀딩된 제1 섬유 강화물을 포함하는 구조 부재 부분, 및 구조 부재 부분을 보강하기 위한 보강재 부분을 포함한다. 보강재 부분은 매트릭스에 홀딩된 제2 섬유 강화물을 포함한다. 보강재 부분은 구조 부재 부분으로의 실질적으로 부드러운 변이를 형성하는 런아웃부를 가진 적어도 하나의 단부를 포함한다. 매트릭스는 제1 및 제2 부분들 전체에 걸쳐 실질적으로 연속적이고 동질로 형성된다.
추가 실시예에 따르면, 보강된 복합 구조물을 만드는 방법이 제공된다. 본 방법은 제1 섬유 모재를 제작하는 단계, 제1 섬유 모재를 보강재의 기하구조를 가진 몰드 홈에 배치하는 단계, 제2 섬유 모재를 제1 섬유 모재를 덮도록 몰드 홈 위에 배치하는 단계, 제1 및 제2 섬유 모재에 폴리머 수지를 함께 주입하는 단계, 및 수지가 주입된 모재들을 경화하는 단계를 포함한다. 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는 섬유들을 유연한 관형 쉘로 꼬는 단계 및 쉘을 연속적인 단일 방향의 섬유들로 채우는 단계를 포함한다. 제1 섬유 모재를 몰드 홈에 배치하는 단계는 관형 쉘을 홈의 기하구조에 따르도록 형성하는 단계를 포함한다.
정리하면, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복합 부재; 및 복합 부재를 보강하기 위하여 복합 부재와 일체로 형성되고, 적어도 하나의 단부가 복합 부재로의 실질적으로 부드러운 변이를 형성하는 런아웃부를 가진 적어도 하나의 복합 보강재를 포함하는 단위화된 복합 구조물이 제공된다.
바람직하게는, 단위화된 복합 구조물에서, 복합 부재는 수지가 주입된 제1 섬유 강화물을 포함하고, 보강재는 수지가 주입된 제2 섬유 강화물을 포함하되, 주입된 수지는 제1 및 제2 섬유 강화물 전체에 걸쳐 실질적으로 연속적이고 동질로 형성된다.
바람직하게는, 단위화된 복합 구조물에서, 복합 부재는 패널, 스킨, 빔, 플랜지, 웨브, 및 채널 중 하나이다.
바람직하게는, 단위화된 복합 구조물에서, 런아웃부는 길이를 따라 실질적으로 부드럽게 외형이 형성된다.
바람직하게는, 단위화된 복합 구조물에서, 런아웃부는 형태가 변화하되 길이를 따라 둘레가 실질적으로 일정하게 유지되는 단면을 가진다.
바람직하게는, 단위화된 복합 구조물에서, 런아웃부는 형태가 변화하되 길이를 따라 면적이 실질적으로 일정하게 유지되는 단면을 가진다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 경화된 폴리머 수지 매트릭스; 매트릭스에 홀딩된 제1 섬유 강화물을 포함하는 구조 부재 부분; 및 구조 부재 부분을 보강하기 위한 보강재 부분을 포함하되, 보강재 부분은 매트릭스에 홀딩된 제2 섬유 강화물을 포함하고, 보강재 부분은 구조 부재 부분으로의 실질적으로 부드러운 변이를 형성하는 런아웃부를 가진 적어도 하나의 단부를 포함하는, 일체형으로 보강된 복합 구조물이 제공된다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 매트릭스는 제1 및 제2 부분들 전체에 걸쳐 실질적으로 연속적이고 동질로 형성된다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 구조 부재 부분은 패널, 스킨, 빔, 플랜지, 웨브, 및 채널 중 하나이다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 보강재 부분은 외부 쉘 및 내부 코어를 포함한다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 코어는 보강재 부분을 통과하여 길이방향으로 연장되는 강화 섬유들을 포함한다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 코어는 강화 섬유들이 안에 홀딩된 충전제를 포함하고, 쉘은 상호 연결된 섬유들로 형성된 적어도 하나의 층을 포함한다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 런아웃부는 길이를 따라 외형이 형성된다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 보강재는 형태가 변화하되 런아웃부의 길이를 따라 면적이 실질적으로 일정하게 유지되는 단면을 가진다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 보강재는 형태가 변화하되 런아웃부의 길이를 따라 둘레가 실질적으로 일정하게 유지되는 단면을 가진다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 보강재는 폭을 가진 상단, 각각이 높이를 가진 측면들 및 폭을 가진 베이스를 포함하고, 상단 및 베이스의 폭은 각각 런아웃부의 길이를 따라 증가하며 측면의 높이는 런아웃부의 길이를 따라 감소된다.
바람직하게는, 보강된 복합 구조물에서, 보강재는 런아웃부의 길이를 따라 높이가 감소하고 폭이 증가한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계; 제1 섬유 모재를 보강재의 기하구조를 가진 몰드 홈에 배치하는 단계; 제2 섬유 모재를 제1 섬유 모재를 덮도록 몰드 홈 위에 배치하는 단계; 제1 및 제2 섬유 모재에 폴리머 수지를 함께 주입하는 단계; 및 수지가 주입된 모재들을 경화하는 단계를 포함하는 보강된 복합 구조물을 만드는 방법이 제공된다.
바람직하게는, 본 방법에서, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는 섬유들을 유연한 관형 쉘로 꼬는 단계 및 쉘을 연속적인 단일 방향의 섬유들로 채우는 단계를 포함하고, 그리고 제1 섬유 모재를 몰드 홈에 배치하는 단계는 관형 쉘을 홈의 기하구조에 따르도록 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법에서, 섬유들을 유연한 관형 쉘로 꼬는 단계는 실질적으로 연속적인 길이를 가진 관형 쉘을 제작하는 단계를 포함하고, 그리고 본 방법은 연속적인 길이를 가진 관형 쉘의 섹션을 절단하는 단계를 더 포함하되, 제1 섬유 모재를 몰드 홈에 배치하는 단계는 쉘의 절단 섹션을 홈에 배치함에 따라 수행된다.
바람직하게는, 본 방법에서, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는 섬유 쉘과 섬유 코어를 함께 동시에 꼬아 형태를 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법에서, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는 섬유들을 연속적인 강화 섬유들 그룹을 둘러싸도록 꼬음에 따라 강화된 코어를 가진 연속적인 쉘을 만드는 단계, 및 연속적인 쉘을 원하는 길이들로 절단하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법에서, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는 제1 직물 층을 몰드 홈 위에 배치하는 단계, 제1 직물 층을 몰드 홈의 내부 안으로 성형하는 단계, 성형된 제1 직물 층을 연속적인 강화 섬유들로 채우는 단계, 및 제2 직물 층을 섬유가 채워진 성형된 제1 직물 층 상에 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 단위화되고 보강된 복합 항공기 스킨이 제공되는데, 이것은 수지가 주입된 꼬여진 섬유 모재를 포함하는 복합 스킨; 및 스킨에 통합된 복수의 길쭉한 보강재들을 포함는데, 각각의 보강재는 스킨으로의 보강재의 실질적으로 부드러운 변이를 형성하는 런아웃부를 반대쪽 단부들 상에서 포함하고, 각각의 보강재는 수지가 주입된 꼬여진 섬유 외부 쉘을 포함하는 외부 쉘 및 수지가 주입된 연속적인 강화 섬유들을 포함하는 코어를 갖되, 런아웃부는 길이를 따라 외형이 형성되는 것으로 형태가 변화하되 런아웃부의 길이를 따라 면적 및 둘레가 실질적으로 일정하게 유지되는 단면을 가진다.
본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 단위화되고 보강된 복합 항공기 스킨을 만드는 방법이 제공되는데, 이것은 홈에 런아웃부를 형성하는 단계를 포함하여, 보강재의 기하구조에 상응하는 홈을 가진 몰드를 제작하는 단계; 직물을 유연한 튜브로 꼬고 튜브를 연속적인 강화 섬유들로 채움에 따라 제1 섬유 모재를 제작하는 단계; 제1 모재를 런아웃부의 형태에 따르도록 형성하는 것을 포함하여, 제1 섬유 모재를 몰드 홈에 배치하는 단계; 제2 섬유 모재를 제1 섬유 모재 위에 놓이도록 몰드 상에 배치하는 단계; 제1 및 제2 섬유 모재에 폴리머 수지를 함께 주입하는 단계; 및 수지가 주입된 모재들을 경화하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 통합된 보강재들을 가진 단위화된 복합 구조물에 응력 집중들을 감소시키거나 실질적으로 제거하는 부드럽게 변이되는 런아웃부들을 보강재들의 단부들에서 제공한다. 즉, 보강재들은 보강재들의 단부들을 주변의 구조물에 융합하도록 형태가 형성된 섬유 모재들을 사용하여 제작된다.
이러한 부드러운 융합은 보강재와 그 주변의 구조물들 사이에 갑작스러운 종단들 또는 불연속적인 변이들을 피하고, 보강재들의 단부들에서의 다듬는 작업들에 대한 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 그리고, 다듬는 작업들의 감소는 제작 시간, 공정 단계들 및/또는 노동 비용들을 감소시킬 수 있다.
또한, 런아웃부는 보강재 단면을 높고 좁은 프로파일로부터 넓고 평평한 프로파일로 변이시키는 한편, 일정한 둘레 및 단면적을 유지한다. 다양한 보강재 구조들 및 물리적 특성들은 다양한 모재 제작 공정들을 이용하여 구현될 수 있다. 런아웃부 설계는 더 큰 설계 유연성 및 공정 최적화를 낳는 복잡한 기하구조들을 가진 보강재들의 제작을 가능케 한다.
도 1은 일체로 형성된 보강재들을 구비한 단위화된 복합 패널의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에서 라인 2-2를 따라 취해진 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에서 "A"로 지정된 부분에 해당하는 다른 형태의 보강재의 코너에 대한 단면도를 나타낸다.
도 4 내지 13은 각기 다른 형태의 보강재를 나타내는 단면도들이다.
도 14는 개시된 방법에 따라 보강된 복합 구조물을 만드는 데에 이용되는 조립 공정을 나타내는 도면이다.
도 15는 일체로 형성된 보강재들을 구비한 단위화된 복합 구조물을 만들기 위한 장치를 명백성을 위해 약간 분해하여 나타낸 단면도이다.
도 16 내지 20은 보강재 레이아웃의 다른 구성들을 가진 보강된 복합 구조물들의 평면도들을 나타낸다.
도 21은 일체로 형성된 망식 보강재들을 구비한 단위화된 항공기 스킨의 사시도를 나타낸다.
도 22는 구조물에서 두께 변화에 따르는 일체형 보강재를 구비한 복합 구조물의 단면도를 나타낸다.
도 23은 일체로 형성된 보강재를 구비한 항공기 스킨의 굽 선행 에지의 단면도를 나타낸다.
도 24는 일체로 형성된 보강재를 구비한 굽은 패널의 사시도를 나타낸다.
도 25는 일체로 형성된 보강재들을 구비한 C자형 구조 부재의 사시도를 나타낸다.
도 26은 일체형 보강재들을 구비한 복합 구조물들을 만드는 방법의 전체 단계들을 나타내는 순서도이다.
도 27은 복합 스킨에 통합된 보강재의 런아웃부를 나타내는 사시도이다.
도 28은 도 27에 도시된 보강재의 평면도를 나타낸다.
도 29는 도 28에서 라인 29-29를 따라 취해진 단면도를 나타낸다.
도 30은 도 29에서 라인 30-30을 따라 취해진 단면도를 나타낸다.
도 31은 도 29에서 라인 31-31을 따라 취해진 단면도를 나타낸다.
도 32는 도 29에서 라인 32-32를 따라 취해진 단면도를 나타낸다.
도 33은 런아웃부에 따른 다른 위치들에서의 둘레의에 대한 도면들을 나타낸다.
도 34는 보강재를 제작하는 데에 사용되는 관형 모재의 단면도를 나타낸다.
도 35는 도 34에 도시된 관형 모재를 제작하는 데에 이용되는 단계들을 나타낸다.
도 36은 도 35에 도시된 관형 모재를 제작하기 위한 다른 방법을 나타낸다.
도 37은 모재의 다른 실시예의 단면도를 나타낸다.
도 38은 도 37에 도시된 모재를 제작하기 위한 단계들을 나타낸다.
도 39는 모재의 추가 실시예의 단면도를 나타낸다.
도 40은 도 39에 도시된 모재를 제작하는 데에 이용되는 단계들을 나타낸다.
도 41은 일체형 보강재들을 구비한 단위화된 복합 구조물을 제작하는 방법에 대한 순서도를 나타낸다.
도 42는 항공기 생산 및 서비스 방법을 나타내는 순서도이다.
도 43은 항공기를 나타내는 블록도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 단위화된 복합 구조물(30)은 구조 부재(32)에 추가적인 강도와 강성을 제공할 수 있는 복수의 일체로 형성된 보강재들(stiffeners)(34)을 구비한 구조 부재(32)를 포함한다. 도시된 예에서, 구조 부재(32)는 실질적으로 평평한 패널(32a)이고, 보강재들(34)은 패널(32a)의 일 면 상에서 서로 실질적으로 평행하게 연장형성되도록 배열된다. 각각의 보강재(34)는 패널(32a)에서의 최대 응력 집중들을 감소시키기 위하여 보강재(34)를 패널(32a)에 상당히 부드럽게 융합시키는(blend) 런아웃부(runout)(52)를 각각의 단부 상에서 포함한다. 후술되는 바와 같이, 구조 부재(32)는 적용에 따라 채널들, 빔들(beams), 웨브들(webs), 플랜지들(flanges), 스킨들 및 이와 동종의 것을 포함하여 다른 형태들 및 기하구조들을 가질 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다.
이제, 도 2를 참조하면, 각각의 보강재(34)는 설계상 모듈식인 것으로 맞대기 이음부(butt joint)(29)를 따라 패널(32a)에 결합되는 바닥 캡(cap)(35)을 가진 외부 쉘(shell)(36)에 의해 둘러싸인 내부 코어(38)를 포함한다. 선택적인 접착제 레이어(40)가 맞대기 이음부(29)에서 보강재(34)를 패널(32a)에 결합하는 데에 도움이 되도록 사용될 수 있다. 뒤에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 쉘(36)은 섬유로 꼬여지거나(braided), 짜여지거나(knitted) 또는 직조될(woven) 수 있는 수지가 스며진(또는 주입된)(infused) 복합 부재 섬유 강화물(reinforcement) 또는 모재(preform)(67)(도 14 참조)로 형성된 하나 이상의 레이어들(도 2에 미도시)로 구성될 수 있다. 강화용 섬유들은 카본, 유리 또는 다양한 폴리머들이나 다른 적절한 강화물들을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 쉘(36)은 연속적으로 형성되는 것으로 패널(32a) 위에 놓이는 둥근(radius) 섹션들(47)과 일체형으로 연결되는 둥근 탑(top) 또는 상단(crown)(43)과 측벽들(45)을 포함한다.
내부 코어(38)는 적용에 따라 구조적인 또는 비구조적인 재료로 부분적으로 또는 완전히 채워질 수 있다. 도 2에 도시된 예의 경우, 내부 코어(38)는 적절한 단일 방향의 카본 섬유 강화물(39)로 채워져 있다. 도 3은 모듈식(modular) 보강재(34)의 다른 실시예를 도시하고 있는데, 이때 쉘(36)은 수지 매트릭스에 홀딩된(held) 꼬여진 섬유들로 형성된 복수의 레이어들(36a)로 구성되고 코어(38)는 단일 방향의 끈(tape), 토우들(tows) 또는 직물 형태일 수 있는 섬유 강화 수지로 형성된 하나 이상의 층들(41)로 채워져 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 보강재(34)는 기하구조에서의 많은 변화들 및/또는 구조 상세들을 가질 수 있다. 도 4는 도 2에 도시된 것과 유사한 보강재(34)를 도시하고 있는데, 이때 제한되지 않는 예로서 Z자형 핀들(44)과 같은 관통형(through) 두께 강화물들이 보강재(34)를 패널(32a)에 결합하는 데에 도움이 되고 구조물(32)의 추가적인 강화물을 제공하도록 선택적으로 사용된다. Z자형 핀들(44)은 패널(32a)과 보강재(34)의 바닥 캡(35)을 관통하여 코어(38) 안으로 연장된다. 도 4에 도시된 보강재(34)는 단면이 대략 사다리꼴로 형성되어 있되, 한편 "T", "J", "C", "I", "Z" 또는 모자(hat)를 포함하여 다른 단면 형태들도 가능할 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다. 다를 실시예들에서, 보강재(34)는 고형 적층체(solid laminate)(미도시), 또는 고형 적층체 면시트들(facesheets)(미도시)을 가진 코어를 포함할 수 있다.
도 5는 보강재(34)의 다른 변형례를 도시하고 있는 것으로, 이러한 보강재는 코어(38)를 구조적 강화물(39) 또는 다른 충전제(filler)로 채워지거나 그렇지 않을 수 있는 2개의 코어 섹션들(38a, 38b)로 분리하도록 중공의 코어 섹션(48)으로 나누는 내부 쉘(46)을 포함한다. 이러한 예에서, 베이스 캡(35)은 맞대기 이음부(29)를 따라 패널(32a)에 직접적으로 결합되고, 접착제(42)는 맞대기 이음부(29)의 외부 가장자리들(margins)(33)을 따라 사용된다.
도 6은 도 2에 도시된 것과 유사하되 코어(38)가 비어 있는 보강재(34) 다른 버전을 도시하고 있다.
보강재(34)의 또 다른 변형례가 도 7에 도시되어 있는데, 이것은 강화물(39)로 채워진 내부 코어(38) 및 둥근 형태로 형성된 하부 측벽 에지들(37)을 갖는다.
도 8은 보강재(34)의 다른 실시예를 도시하고 있는데, 이때 외부 쉘(36)은 베이스 캡(35) 위에 놓이는 측면으로 연장형성된 플랜지들(51)을 갖는다. 플랜지들(51)은 보강재(34)와 패널(32a) 사이의 맞대기 이음부(29) 영역을 증가시키는 한편, 상기에서 언급된 바와 같이 패널(32a) 상에서의 최대 응력 집중들을 최소화하는 데에 도움이 되도록 쉘(36)과 패널(32a) 사이에 부드러운 변이(transition)를 제공하기도 한다.
보강재(34)의 또 다른 예가 도 9에 도시되어 있다. 보강재(34)의 이러한 실시예는 하나 이상의 추가적인 층(50)이 외부 쉘(36) 위에 싸지고 플랜지들(51)을 형성하도록 측면으로 연장형성된다는 점을 제외하고는 도 2에 도시된 실시예와 유사하다. 싸고 있는 층(50)은 보강재(34)를 강화시키면서 패널(32a)과 쉘(38)/플랜지들(51) 사이의 접촉 영역을 증가시키는 한편, 플랜지들(51)은 패널(32a) 상에서의 최대 응력 집중들을 최소화하는 데에 도움이 되는 보강재 런아웃부들(52)의 일부를 형성한다.
보강재(34)의 다른 실시예가 도 10에 도시되어 있는데, 이때 외부 쉘(36)은 평평한 캡(43)과 측면으로 연장형성된 플랜지들(52)을 가진 베이스(35)에 결합되는 경사진 측벽들(45)을 포함한다. 도 2 및 8에 도시된 실시예들의 경우에서와 같이, 측면으로 연장형성된 플랜지들(51)은 보강재(34)와 패널(32a) 사이의 맞대기 이음부 영역을 증가시키는 한편, 패널(32a) 상에서의 최대 응력 집중들을 감소시키는 데에 도움이 되도록 쉘(36)과 패널(32a) 사이에 부드러운 변이를 제공하기도 한다.
보강재(34)의 다른 변형례가 도 11에 도시되어 있는데, 이때 외부 쉘(36)은 둥근 형태의 상단(43), 및 측벽들(45)을 포함한다. 측벽들(45)은 둥근 섹션들(47)을 통하여 패널(32a)에 부착되는 일체형의 플랜지들(51)로 변이된다.
도 12에 도시된 보강재(34)의 추가 실시예는 Z자형 핀들(44)과 같은 관통형 두께 강화물들이 코어(38) 내부로부터 패널(32a)로 연장된다는 점을 제외하고는 도 11에 도시된 것과 유사하다. 강화물들(44)은 보강재(34)를 패널(32a)에 결합시키는 데에 도움이 되고 구조물(32)의 추가적인 강화를 제공한다.
도 13은 하나 이상의 추가적인 층(50)이 외부 쉘(36) 위에 싸여져 있고 측면으로 연장형성된 플랜지들(51)을 형성하는 데에 사용된다는 점을 제외하고는 도 11에 도시된 것과 유사한 보강재(34)의 다른 예를 도시하고 있다.
도 2 내지 13으로부터, 보강재는 보강재(34)에 강도 및/또는 강성을 추가하고 그리고/또는 보강재(34)와 패널(32a) 사이의 이음부(29)의 강도 및/또는 손상 내성(tolerance)을 증가시킬 수 있는 넓은 범위의 기하구조들, 특징부들(features), 코어 충전제들 및 강화물들을 가질 수 있는 것으로 인식될 수 있다. 또한, 앞선 설명으로부터, 보강된 복합 구조물(30)은 구조 부재 부분(32)과 보강재 부분(34) 모두를 홀딩하는 기능을 하는 실질적으로 연속적이고 동질의(homogeneous) 폴리머 수지 매트릭스로 구성된다는 것이 인식될 수 있다. 구조물(30)은 각기 매트릭스 재료로 통합되는 구조 부재 부분(32) 및 보강재 부분(34)에 의해 단위화된다.
이제, 하나 이상의 일체로 형성된 보강재들(34)(도 1 참조)을 구비한 단위화된 복합 구조물(30)을 만드는 방법을 구성하는 복수의 기본적인 단계들을 나타내고 있는 도 14를 참조한다. 도면부호 54에 도시된 바와 같이, 일체형의 간단한 공구(56)는 완성된 복합 구조물(30)의 내부 몰드 라인(inner mold line, IML)을 형성하는 공구면(tool face)(56a)을 갖는다. 공구면(56a)은 도 14에 도시된 바와 같이 실질적으로 평평할 수 있고, 또는 하나 이상의 곡면을 갖거나 완성된 구조물(30)의 IML과 매칭되는 형상들을 가질 수 있다. 하나 이상의 홈들(58)이 완성된 구조물(30)에 통합될(integrated) 보강재들(34)의 기하구조에 일치하도록 공구면(56a)에 형성된다. 홈들(58)의 깊이(D)는 보강재들(34)의 높이(H)에 실질적으로 일치한다(도 15 참조). 또한, 공구면(56a)은 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 보강재들(34) 사이에 망식의 상호연결을 형성하기 위하여 노드 연결부들(nodal connectors)(미도시)이 안에 배치될 수 있는 캐비티(cavity)와 같은 홈들(미도시)을 추가적으로 포함할 수 있다.
도면부호 62에 도시된 바와 같이, 건조한 또는 상당히 건조한 섬유 보강재의 모재들(65)은 수동으로 또는 자동화된 배치 장비(60)를 사용하여 홈들(58)에 배치된다. 보강재 모재들(65)의 형태 및 구성에 따라, 보강재 모재들(65)의 부분들은 모재(65)를 함께 홀딩하는 데에 도움이 되고 그리고/또는 수지가 스며들 때까지 형태를 유지시키는 점착부여제들(tackifiers) 또는 바인더들(binders)을 가지고 함께 점착될(tacked) 수 있다. 수지가 스며들고 경화되기 전에, 보강재 모재들(65)은 롤 형태로 저장되고 필요에 따라 길이별로 분배되고 절단되는 것이 가능하도록 코드와 같이 길이가 연속적으로 형성될 수 있다. 또는, 모재들(65)은 강성일 수 있고 실질적으로 요구되는 길이, 크기 및 형태에 따라 형성될 수 있으며 그리고 평평하게 저장되거나 연속적인/유연한과 불연속적인(discrete)/강성 사이에 어떠한 변화를 갖도록 형성될 수 있다. 자동화된 배치 장비(60)가 사용되는 때에, 모재들(65)은 비교적 높은 속도로 공구(56) 상에 배치될 수 있다. 공구(56)에 있는 홈들(58)은 사전에 정렬되기(pre-aligned) 때문에, 복합 부재(32)에 대한 보강재들(34)의 위치와 방향이 정밀하게 제어될 수 있다. 즉, 공구면(56a)에 있는 홈들(58)의 고정된 위치는 모재들(65)을 서로에 대하여, 그리고 섬유 강화물(65)에 대하여 자동적으로 나타낸다. 모재들(65)은 아직 수지가 스며들지 않았고 이에 따라 상대적으로 유연하다는 점을 제외하고는 앞서 설명된 보강재들(34)에 실질적으로 일치한다.
홈들(58)은 모재들(65)과 실질적으로 매칭되는 단면 프로파일(미도시)을 가질 수 있어, 모재들(65)이 홈들(58)에 배치되는 때에, 홈들(58)을 실질적으로 완전히 채우고, 따라서 실질적으로 부드러운 IML 프로파일을 형성하게 된다. 유연한 모재들(65)은 홈들(58)의 단면 프로파일과 곡률(있는 경우)에 따르도록 쉽게 형성된다. 불연속적인/강성의 모재들은 홈들의 단면 프로파일과 곡률(있는 경우)에 적어도 실질적으로 매칭되도록 사전에 성형될 수 있다. 홈들(58)은 공구(56)에서 보강재 모재들(65)을 섬유 강화물(67)에 대하여 본질적으로 움푹 들어가게(recess) 하여 모재들(65)의 상면이 공구면(56a)과 대체로 동일 평면으로 놓이게 된다. 선택적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 보강재 캡들(35)을 맞대기 이음부(29)를 따라 복합 부재(32)에 접착적으로 접착시키는 것이 바람직한 적용예들에서, 필름 접착제(미도시)가 보강재 모재들(65) 위에 놓이도록 홈들(58)에 배치될 수 있다.
다음, 도면부호 64에 도시된 바와 같이, 건조한 또는 상당히 건조한 복합 부재 섬유 강화물(67)이 보강재 모재들(65)과 공구면(56a) 위에 놓여 이들과 접촉하도록 공구면(56a) 상에 배치된다. 섬유 모재들(65) 뿐만 아니라 복합 부재 섬유 강화물(67)은 바인더(미도시)를 가지고 점착될 수 있다. 복합 부재 섬유 강화물(67)은 공구면(56a) 상에 층층이(ply-by-ply) 레이업되는 또는 적층되고 나서 공구면(56a)상에 단일의 사전 조립된 레이업(lay-up)으로서 배치되는 직조되거나 짜여진 직물로 형성된 복수의 층들을 포함할 수 있는 모재를 제한없이 예로서 포함할 수 있다. 도시된 예에서는, 복합 부재 섬유 강화물(67)은 실질적으로 평평하게(flat) 형성되는 한편, 다른 실시예들에서는, 복합 부재 섬유 강화물(67)은 복합 부재 섬유 강화물(67)이 공구면(56a) 상에 배치되기 전에 형태가 형성되는 모재일 수 있다는 것이 가능하다. 도면부호 66에서, 코올 시트(caul sheet)(68)가 복합 부재 섬유 강화물(67) 위에 배치된다. 코올 시트(68)는 외부 몰드 라인(outer mold line, OML)의 표면 마감 및 보강재(34)에 인접한 스킨 마크-오프(mark-off)를 제어하는 데에 도움이 된다. 그리고나서, 도면부호 70에서, 제한없는 예로서 진공 보조형 수지 주입 몰딩(vacuum assisted resin infusion molding, VARIM)을 포함하는 잘 알려진 다양한 수지 주입 기술들 중 어떤 것을 이용하여 모재(65)와 복합 부재 섬유 강화물(67)에 적절한 열경화성 수지가 함께 스며들게 된다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 모재(65)와 섬유 강화물(67)은 수지 주입 전에 압착되고(compacted) 압밀될(consolidated) 수 있다. 그리고나서, 주입된 모재(65)와 복합 부재 섬유 강화물(67)은 오븐(72)과 같은 어떠한 적절한 수단을 통하여 열을 가함으로써 경화된다.
이제, 도 14와 관련하여 앞에서 설명된 방법의 단계들을 수행하는 데에 사용될 수 있는 VARIM 레이업 조립체(80)의 추가적인 상세들을 도시하고 있는 도 15를 참조한다. 보강재 모재들(65)이 공구(54)에 있는 홈들(58)에 배치되고, 그리고나서 복합 부재 강화물(67)이 보강재 모재(65) 위에 놓여 이와 접촉 상태가 되도록 공구면(56a) 상에 배치된다. 껍질 층(peel ply)(82)은 복합 부재 섬유 강화물(67) 위에 배치되고 적절한 수지 분배 매체(media)(86)는 유동하는 수지를 이동시키고 고르게 분배시키는 데에 도움이 되도록 껍질 층(82) 위에 배치된다. 또한, 껍질 층(84)은 복합 부재 섬유(67)의 외부 에지들 아래에 배치될 수도 있다.
경질의 또는 반경질의(semi-rigid) 코올 시트(68)가 수지 분배 매체(86) 위에 배치되고, 그리고나서 진공백(vacuum bag)(88)이 레이업 위에 배치되어 밀봉 테이프(90) 또는 이와 유사한 수단에 의해 공구(54)에 밀봉된다. 다른 실시예들에서는, 이중 진공백 기술이 사용될 수 있는데, 이때 수지 주입 및 경화 공정들 동안에 제1 진공백(88)에서 모재(65)를 누출로부터 보호하기 위하여 제2 진공백(미도시)이 제1 진공백(88) 위에 배치된다. 코올 시트(68)와 수지 분배 매체(86)의 사용은 수지 주입을 위한 하나의 전형적인 배열의 예증이 되되, 다른 수지 주입 기술들이 사용되는 때에는 필요하지 않을 수 있다. 다양한 다른 수지 주입 기술들이 가능하다. 열경화성 수지의 공급 저장소(92)는 진공백(88) 안에서 수지 유입(inlet) 튜브(94)에 의해 유입 채널 튜브(96)에 결합된다. 배출(outlet) 진공 저장소(102)는 진공백(88) 안에서 수지 배출 튜브(100)에 의해 배출 채널 튜브(98)에 결합된다.
배출 진공 저장소(102)에 의해 형성되는 백(88) 내부의 진공은 백(88)으로부터 공기를 비워, 백(88) 내부에 대기압보다 낮은 압력을 생성케 하고, 이에 따라 수지를 유입 채널 튜브(96)를 통하여 공급 저장소(92)로부터 백(88) 안으로 끌어당긴다. 수지 주입 전에, 백(88)은 모재(65) 및 섬유 강화물(67)을 압착하고 압밀하는 데에 사용될 수 있다. 수지는 유입 채널 튜브(96)로부터 흘러나와 배출 채널 튜브(98)를 통하여 백(88)을 나가서 진공 저장소(102) 안에 모인다. 수지가 유입 채널(96)로부터 배출 채널(98)까지 이동함에 따라, 대기압이 백(88)을 코올 시트(68) 상으로 아래로 강제하는 동안에 모재(65)와 복합 부재 섬유 강화물(67)에 한번의 샷(shot)의 수지가 함께 스며들게 된다. 앞서 언급된 바와 같이, 도 15는 보강된 복합 구조물(30)을 만드는 데에 이용될 수 있는 많은 수지 주입 기술들 중 단지 하나를 도시하고 있다.
코올 시트(68)는 그의 영역 위에서 스며진 모재(65)와 복합 부재 섬유 강화물(67)로 실질적으로 균등한 압력을 가하고, 이에 따라 모재(65)와 복합 부재 섬유 강화물(67)이 수지 주입 공정 동안 서로에 대하여 압착되고 힘을 가하게 된다. 수지 흐름을 촉진하기 위하여 수지 주입 공정 동안과 그 후에 주입된 모재(65)와 복합 부재 섬유 강화물(67)에 열이 가해질 수 있고, 그리고나서 수지를 경화시켜 보강재들(34)이 복합 부재(32)에 본질적으로 통합된 단위화된 복합 구조물(30)을 만들게 된다. 모재(65)와 복합 부재 섬유 강화물(67)에 수지를 함께 주입하는 것은 구조 부재 부분(32)과 보강재 부분(34)을 홀딩하고 통합하는 실질적으로 연속적이고 동질의 수지 매트릭스를 형성하게 된다.
도 16 내지 20은 보강재들(34)의 다양한 레이아웃 패턴들을 가진 보강된 복합 구조물들(30)을 도시하고 있다. 도 16은 도 1에 도시된 실시예들과 유사하게 일체로 형성되고 대체로 평행한 복수의 보강재들(34)로 보강된 복합 패널(32a)을 도시하고 있다. 도 17은 보강재들(34)이 크로싱(crossing)과 같은 격자 패턴으로 배열된 보강된 복합 패널(32a)을 도시하고 있다. 도 18은 보강재들(34)이 나란하게 배열되되 패널(32a)의 길이를 따라 집합적으로 테이퍼지는 다른 변형례를 나타낸다. 도 19는 보강재들(34)이 동일한 격자 패턴(iso-grid pattern)으로 배열되되, 보강재들(34)의 단부들이 연결 노드들(104)에서 상호 연결되는 실시예를 도시하고 있다. 도 20은 개구부(106) 주위에서 패널(32a) 영역을 강화시키기 위하여 패널(32a)에서 개구부(106)를 둘러싸도록 형성된 대체로 동심의 타원형 보강재들(34)의 사용을 나타낸다.
도 21은 노드 격자로 보강된 패널(32b)의 다른 예를 도시하고 있는 것으로, 이때 보장재들(34)은 연결 노드들(104)과 보강재들(34)이 제작 공정 동안 서로 그리고 패널(32a)과 일체로 형성되도록 성형 동안 공구면(56a)(도 14 및 15 참조) 안으로 움푹 들어가질 수 있는 연결 노드들(104)에 상호 연결된다. 이러한 예에서, 패널(32)은 하나의 방향으로 휘어져 형성되고, 따라서 적어도 특정 수의 보강재들 또한 패널 곡률 방향으로 휘어 형성된다. 연결 노드들(104)은 복합 부재 섬유 강화물(67)과 함께 수지가 주입되는 예를 들어 금속 부재, 사전 경화된(pre-cured) 복합 부재, 또는 건조하거나 실질적으로 건조한 섬유 모재와 같은 사전 형성된(preformed) 경질의 부재로 구성될 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다. 연결 노드(104)가 경질의 부재로 사전 형성되는 이러한 실시예들에서, 이것은 보강재(34) 및 패널(32a)와 함께 접착될 수 있고, 또는 연결 노드(104), 보강재(34) 및 패널(32a) 사이에 배치된 접착제 레이어(미도시)를 사용하여 보강재(34) 및 패널(32a)과 부차적으로 접착될 수 있다.
도 22는 두께에서 변화부(variation)(108)를 가진 패널(32)을 도시하고 있다. 이러한 두께에서의 변화부(108)는 공구면(56a)에 적절한 깊이 외형(contour)을 형성함에 따라 수용될 수 있다. 보강재 모재(65)의 유연성은 모재(65)가 아래에 놓인 패널(32b)의 두께 외형(108)에 따르는 것을 가능케 한다.
도 23은 항공기 날개의 선행 에지(110) 형태로 형성된 다른 단위화되고 보강된 복합 구조물(30)을 도시하고 있다. 이러한 예는 합성(compound) 곡률들을 포함하여 비교적 심한 곡률들에 순응하는 보강재들(34)의 능력을 도시하고 있다. 복합 부재들(32) 중에서 보강재들은 보강하기 위한 것으로 의도된다.
도 24는 일 방향으로 굽은 패널(32)을 강화하기 위하여 보강재(34)를 사용한 것을 도시하고 있다. 보강재(34)의 곡률은 패널(32)의 곡률과 매칭된다.
도 25는 빔(32c)의 단면과 매칭되도록 일체로 형성되고 빔(32c)의 길이를 따라 간격을 두고 형성된 리브(rib)와 같은 보강재들(34)에 의해 강화된 C자형 채널 빔(32c) 형태의 단위화된 보강 복합 구조물(30)을 도시하고 있다. 리브와 같은 보강재들(34)은 다른 단면 형태들을 가진 복합 구조물들(30)에서도 사용될 수 있다.
이제, 개시된 일체로 형성된 보강재들(34)을 구비한 단위화된 복합 구조물(30)을 만드는 방법의 단계들을 대략적으로 도시하고 있는 도 26을 참조한다. 단계(112)에서 시작하면서, 적절한 깊이와 기하구조를 가진 홈들(58)이 공구면(56a)에 스틸과 같은 경질의 재료에 홈들(58)을 밀링(milling)하는 것과 같은 어떠한 적절한 제작 기술에 의해 형성된다. 단계(114)에서, 앞서 언급된 바와 같이 꼬여지거나, 직조되거나 또는 짜여진 재료를 포함할 수 있는 건조한 섬유 재료로 형성된 복수의 층들을 레이업한 것을 포함할 수 있도록, 보강재 모재들(65)이 형성된다. 보강재 모재들(65)은 앞서 설명된 타입들의 충전제가 채워질 수도 또는 그렇지 않을 수도 있다.
단계(116)에서 보강재 모재들(65)이 공구면(56a)에 있는 홈들(58)에 배치되고, 그리고나서 단계(118)에서 복합 부재 섬유 강화물(67)이 도 11과 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이 보강재 모재들(65) 위에 놓여 이들과 접촉하도록 공구면(56a) 상에 배치된다. 단계(120)에서, 진공백(88)을 모재(65) 및 복합 부재 섬유 강화물(67) 위에 배치하고 이것을 공구(54)에 밀봉하는 것을 포함하여, 레이업(80)의 나머지 구성요소들이 조립된다. 다음, 단계(122)에서 진공이 백(88)에서 뽑아내지고, 그리고나서 단계(124)에서 모재(65) 및 복합 부재 섬유 강화물(67)에 열경화성 수지가 원-샷(one-shot)의 수지 주입 공정으로 실질적으로 동시에 주입된다(즉, 함께 주입된다). 백(88) 내부의 진공은 수지를 모재(65) 및 복합 부재 섬유 강화물(67) 안으로 그리고 이들을 통과하도록 끌어당기는 데에 도움이 될 수 있다. 도 26에 도시되어 있지는 않지만, 보강재 모재(65) 및 섬유 강화물(67)을 압착하고 압밀하기 위하여 진공이 수지 주입 단계(124) 전에 백(88)에서 뽑아내지고, 이에 따라 이들의 볼륨을 감소시켜 복합 구조물이 최소 볼륨의 수지를 갖도록 만들어질 수 있다. 또는, 압착 및 압밀 공정은 수지 주입 단계(124) 동안에 이루어질 수도 있다. 마지막으로, 단계(126)에서, 수지가 주입된 구조물이 바람직한 경화 스케줄에 따라 구조물을 가열함에 따라 경화된다.
이제, 도 1과 관련하여 앞에서 언급된 바와 같이 각각의 보강재(34)의 각각의 단부에서의 런아웃부(52)에 대한 추가적인 상세들을 도시하고 있는 도 27 내지 32에 대하여 참조가 이루어진다. 런아웃부들(52)은 보강재(34)의 단부들(128)의 이들 주변의 복합 부재(32)로의 실질적으로 부드럽고 연속적인 변이를 형성하고, 이때 이러한 경우에서 복합 부재는 패널 또는 스킨(32a)이다. 보강재(34) 단부들(128)의 중간에서(Intermediate), 보강재(34)의 단면 기하구조는 쉘(36)과 베이스 캡(35)에 의해 형성된다. 단부들(128) 중간에서, 쉘(36)의 탑 또는 상단(43)은 비교적 좁고, 측면들(45)은 비교적 가파르며, 이때 베이스 캡(35)은 실질적으로 일정한 폭을 갖는다. 한편, 런아웃부(52)를 따라, 상단(128)의 폭 "W"는 일정하게 증가하는 반면, 측면(45)의 높이 "H"는 일정하게 감소되고, 베이스 캡(34)은 도면부호 35a로 도시된 바와 같이 바깥쪽으로 벌어져(splay) 형성된다. 상단(43)의 폭 "W", 측면들(45)의 높이 "H" 및 베이스 캡(35)의 폭 "w"에서의 변화율은 특정의 적용, 및 스킨(32a)의 기하구조에 의존할 것이다.
이제, 보강재(34)의 단면 프로파일에서의 변화를 도시하고 있는 도 30 내지 32가 특히 참조된다. 일정한 비율로 그려지지는 않았지만, 이러한 도면들은 높이 "H"가 런아웃부(52)를 따라 감소함에 따라 폭 "W"가 증가하는 것을 나타낸다. 그러나, 보강재(34)의 전체 단면적 "A"는 런아웃부(52)의 길이를 따라 실질적으로 일정하게 유지된다. 런아웃부(52)의 일정한 단면은 보강재(34)의 외부 말단들로 계속되는 보강재(34)의 내부 구조를 야기한다. 일정한 단면적 "A"를 유지하는 것은 코어(38)가 런아웃부(52) 전체에 걸쳐 연속적인 것을 가능케 하고, 이에 따라 제작 복잡성, 잠재적인 수지 부유 존들(rich zones) 및 경화된 구조물(30)에서의 응력 집중들을 생성할 수 있는 카본 토우들과 같은 어떠한 재료가 런아웃부(52)를 따라 중간 지점에서 끝나는(드롭-오프(drop-off)되는) 것을 필요로 하지 않을 수 있다.
도 33은 도 30 내지 32에 도시된 단면들의 둘레 "P"를 도시하고 있다. 보강재(34)의 전체 단면적 "A"와 마찬가지로, 보강재(34) 단면의 전체 둘레 "P"는 런아웃부(52)의 길이를 따라 실질적으로 일정하게 유지된다. 즉, 도 29의 단면 라인 30-30에서의 보강재(34)의 둘레 P1은 도 29의 단면 라인 31-31에서의 둘레 P2와 동등하고 단면 라인 32-32에서의 둘레 P3와 동등하다. 런아웃부(52)에 일정한 둘레를 제공하는 것은 부유 존들 및 기계적인 속성들에서의 저하로 이어질 수 있는 섬유 비틀림(distortion)을 최소화하는 데에 도움이 되도록 외부 쉘(36) 내부에서 일정한 섬유 방향이 런아웃부(52)의 길이 전체에 걸쳐 유지되는 것을 가능케 한다.
도 34는 도 27 내지 33에 도시된 런아웃부(52)를 포함하는 보강재(34)를 형성토록 수지가 주입될 수 있는 섬유 모재(136)의 일 실시예를 도시하고 있다. 이러한 예에서, 모재(136)는 느슨한(loose) 단일 방향의 섬유들(39)로 채워진 코어(38)를 가진 꼬여진 섬유 관형 쉘(36)을 포함한다. 다른 코어 충전제들도 가능하다. 도 35에 도시된 바와 같이, 관형 섬유 모재(136)는 단일 방향의 실(yarn)(39)을 관형(tubular)의 꼬여진 쉘(36)로 꼬는 것을 포함하는 조립 공정(140)에 의해 연속적인 길이들(미도시)로 제작될 수 있다. 그리고나서, 쉘(36)은 단일 방향의 섬유 토우들(39)로 채워질 수 있다. 관형 모재(136)의 사용은 연속적인 공급으로부터 길이에 따라 효율적으로 절단될 수 있고 도 15에 도시된 공구 홈(58)과 같은 공구 홈들에 대하여 단면에서 그리고 길이를 따라 쉽게 순응가능하기 때문에 일부 적용들에서 바람직할 수 있다. 모재(136)를 제작하는 다른 방법이 도 36에 도시되어 있는데, 이때 한번의 꼬는 공정(41)이 단일 방향의 섬유들(39)의 그룹(138)을 둘러싸도록 쉘(36)을 형성하기 위하여 이용될 수 있다.
도 37은 런아웃부(52)를 구비한 보강재(34)를 형성하기 위한 경질의 또는 반경질의 섬유 모재(142)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 모재(142)는 측면 플랜지들(51) 및 단일 방향의 강화 섬유들(39)로 채워진 코어(38)를 포함할 수 있는 형태를 가진 꼬여진 쉘(136)을 포함한다. 도 37에 도시된 모재(142)는 도 38에 도시된 공정에 의해 제작될 수 있는데, 이때 한번의 꼬아 형성하는 공정(146)은 모재(142)의 단면 형태가 몰드 캐비티(58)(도 15 참조)의 형태와 실질적으로 매칭되도록 단일 방향의 섬유들(39)의 그룹(138)을 둘러싸는 쉘(136)을 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 이러한 예에서, 쉘(136) 및 단일 방향의 섬유들(36) 그룹(138)은 함께 꼬여지고 실질적으로 동시에 형태가 형성된다. 형성된 모재(142)는 연속적인 길이(미도시)로 제작될 수 있다.
도 39는 측면 플랜지들(51) 및 직물 베이스 캡(35)을 포함하는 직물 오버랩(overlap) 층들에 의해 형성되는 쉘(36)을 포함하는 모재(148)의 추가 실시예를 도시하고 있다. 모재(148)는 단일 방향의 섬유들(39)로 채워진 코어(38)를 더 포함한다. 모재(148)는 분리된 길이들(미도시)로 형성될 수 있고 단면에서 그리고 길이를 따라 실질적으로 경질로 형성될 수 있다. 도 40은 도 39에 도시된 모재(148)를 제작하기 위한 일 공정을 도시하고 있다. 도면부호 150에서 시작하면서, 적절한 기하구조를 가진 홈(158)이 공구(54)에 형성되고, 오버랩 직물 층(160)이 홈(58) 위에 놓이도록 공구(54) 상에 배치된다. 도면부호 152에서, 형성 공구(162)가 형성 공구(162)에 가해지는 힘 F를 사용하여 층(160)을 홈(158) 안으로 성형하고 홈(158)의 외형들에 따르도록 사용된다. 도면부호 154에서, 공구(162)가 제거되고, 성형된 오버랩 층(160)에 단일 방향의 강화 섬유들(39)이 채워지며, 그리고 제2 오버랩 층(165)이 제1 층(160)의 위에 배치된다. 도면부호 156에서, 적절한 공구(167)가 층들(160, 165)을 압착하기 위하여 사용될 수 있다.
이제, 도 1에 도시된 보강된 패널(32)과 같은 단위화된 보강 복합 구조물(30)을 제작하는 방법의 단계들을 대략적으로 도시하고 있는 도 41에 대하여 참조가 이루어진다. 도면부호 164에서 시작하면서, 몰드(54)(도 15 참조)가 반대쪽 단부들(128) 상에서 런아웃부들(52)(도 27 참조)을 포함하는 홈들을 갖도록 제작된다. 도면부호 166에 도시된 일 실시예에서, 제1 섬유 모재 또는 강화물(136, 142)은 연속적인 길이로 제작될 수 있다. 도면부호 170에서, 섬유들은 순응가능한 또는 반순응가능한(semi-conformable) 단면을 가진 연속적인 관형 외부 쉘(36)로 꼬여진다. 도면부호 172에서 관형 쉘은 연속적인 강화 섬유들로 채워지고, 도면부호 174에서 제1 모재(136, 142)는 적절한 길이들로 절단된다. 도면부호 176에서, 제1 모재가 몰드 홈(58)에 배치되고 홈(58)의 기하구조에 따르도록 형성된다.
제1 섬유 모재를 만들기 위한 다른 실시예가 도면부호 177에 도시되어 있다. 도면부호 179에서 한번의 꼬는 공정이 쉘(36)을 단일 방향의 섬유들(39) 그룹(138)을 둘러싸도록 형성하기 위하여 사용되고, 도면부호 180에서 제1 모재(136)가 적절한 길이들로 절단된다. 도면부호 181에서, 유연한 모재(136)가 몰드 홈(58)에 배치되고 홈(58)의 기하구조에 따르도록 형성된다.
도면부호 168에 도시된 제1 섬유 모재를 만들기 위한 추가 실시예에서, 제1 섬유 층(160)은 도면부호 178에 도시된 바와 같이 몰드 홈(158) 위에 놓이도록 몰드(54) 상에 배치된다. 다음, 도면부호 182에서, 제1 섬유 층(160)은 몰드 홈(158) 안으로 성형되고 홈(158)의 외형들에 따르도록 형성된다. 도면부호 183에서 성형된 제1 층(160)은 연속적인 강화 섬유들(39)로 채워지고, 그리고나서 도면부호 184에서 제2 섬유 층(165)이 섬유로 채워진 제1 층(160)의 위에 놓이도록 몰드(54) 상에 배치된다.
제1 모재(142)를 만들기 위한 또 다른 실시예가 도면부호 185에 도시되어 있다. 도면부호 187에서, 쉘 및 코어 섬유들은 함께 꼬여지고 몰드 홈(58)의 기하구조에 실질적으로 매칭되도록 사전에 형태가 형성된 반경질의 모재(142)로 동시에 성형된다. 그리고나서, 사전에 형태가 형성된 반경질의 모재(142)는 도면부호 189에서 몰드 홈(58) 안에 배치된다.
제1 모재(136, 142)가 상기에서 설명된 바와 같이 만들어진 후에, 제2 모재 또는 섬유 강화물(67)(도 14 참조)이 도면부호 186에 도시된 바와 같이 제1 모재 위에 놓이도록 몰드(54) 상에 배치된다. 도면부호 188에서 제1 및 제2 모재에 수지가 함께 주입되고, 그리고나서 도면부호 190에서 복합 구조물(30)이 경화된다.
본 발명의 실시예들은 다양한 잠재적인 적용들, 특히 예를 들어 항공우주, 해양 및 자동차 적용분야들을 포함하는 운송 산업에서의 사용을 찾을 수 있다. 따라서, 이제 도 42 및 43을 참조하면, 본 발명의 실시예들은 도 42에 도시된 바와 같은 항공기 제작 및 서비스 방법(192)과 도 43에 도시된 바와 같은 항공기(194)의 분야에서 이용될 수 있다. 개시된 실시예들의 항공기 적용들은 예를 들어 단지 몇가지 말하자면 제어면(control surface) 스킨들, 날개 및 꼬리날개(empennage) 스킨들, 보강된 점검(access) 도어들 및 패널들, 그리고 보강된 리브들 및 보 웨브들(spar webs)을 포함하는 넓은 범위의 다양한 구조 복합 부품들 및 구성요소들을 포함할 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다. 사전 제작 동안, 예시적인 방법(192)은 항공기(194)의 명세(specification) 및 설계(196)와 재료 조달(procurement)(198)을 포함할 수 있다. 제작 동안, 항공기(194)의 구성요소 및 하위조립체 제작(200)과 시스템 통합(integration)(202)이 이루어진다. 이후, 항공기(194)는 서비스(206)에 배치되기 위하여 인증(certification) 및 인도(delivery)(204) 절차를 거칠 수 있다. 고객에 의해 서비스되는 동안, 항공기(194)는 정해놓은 유지 및 보수(maintenance and service)(208)(이것은 수정(modification), 재구성(reconfiguration), 재생(refurbishment) 등을 포함할 수 있음)를 받도록 예정되어 있다.
방법(192)의 각각의 공정은 시스템 통합자(integrator), 제3자(third party), 및/또는 운영자(operator)(예를 들어, 고객)에 의해 실행되거나 수행될 수 있다. 이러한 설명을 위해, 시스템 통합자는 제한없이 어떠한 수의 항공기 제작자들 및 주 시스템 하청업자들을 포함할 수 있고; 제3자는 제한없이 어떠한 수의 판매자들, 하청업자들, 및 공급업자들을 포함할 수 있으며; 그리고 운영자는 항공사, 리스 회사, 군사 독립체, 서비스 조직 등일 수 있다.
도 43에 도시된 바와 같이, 예시적인 방법(192)에 의해 생산된 항공기(194)는 복수의 시스템들(212)과 내부(214)를 구비한 기체(210)를 포함할 수 있다. 높은 레벨의 시스템들(212)의 예들은 추진 시스템(216), 전기 시스템(218), 유압 시스템(220), 및 환경 시스템(222) 중 하나 이상을 포함한다. 어떠한 수의 다른 시스템들이 포함될 수 있다. 개시된 방법은 내부(214)에서와 기체(210)에서 사용되는 보강된 부품들, 구조물들 및 구성요소들을 제작하는 데에 이용될 수 있다. 항공우주 예가 도시되어 있지만, 본 발명의 원리들은 선박 및 자동차 산업과 같은 다른 산업들에도 적용될 수 있다.
여기에서 구체화된 시스템들과 방법들은 생산 및 서비스 방법(192)의 어떠한 하나 이상의 단계들 동안에 이용될 수 있다. 예를 들어, 생산 공정(200)에 해당하는 부품들, 구조물들 및 구성요소들은 항공기(194)가 서비스(1412)에 있는 동안에 생산된 부품들, 구조물들 및 구성요소들에 유사한 방식으로 제작되거나 제조될 수 있다. 또한, 개시된 방법 실시예들은 예를 들어 항공기(194)의 조립을 상당히 촉진시키고 또는 이의 비용을 상당히 감소시킴에 따라 생산 단계들(200, 202) 동안에 이용될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 장치 실시예들, 방법 실시예들, 또는 이들을 조합한 것은 항공기가(194)가 서비스에 있는 동안에, 예를 들어 유지 및 보수(208)에 있는 동안에 이용될 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들은 특정의 예시적인 실시예들에 대하여 설명되어 있지만, 다른 변형례들이 당해 기술분야에서의 숙련자들에게 생각나게 될 것이므로, 특정의 실시예들은 실례를 위한 것이고 제한은 아닌 것으로 이해되어야 할 것이다.
30 ... 단위화된 복합 구조물 32 ... 구조 부재
34 ... 보강재 36 ... 쉘
38 ... 코어 56 ... 공구
56a ... 공구면 58 ... 홈
65 ... 모재 67 ... 섬유 강화물

Claims (12)

  1. 구조 부재(32); 및
    구조 부재를 보강하기 위하여 구조 부재와 일체로 형성되고, 적어도 하나의 단부가 구조 부재로의 부드러운 변이를 형성하는 런아웃부(52)를 가진 적어도 하나의 복합 보강재를 포함하며,
    상기 런아웃부(52)는 형태가 변화하되 길이를 따라 둘레가 일정하게 유지되는 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 단위화된 복합 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조 부재(32)는 수지가 주입된 제1 섬유 강화물을 포함하고,
    복합 보강재(34)는 수지가 주입된 제2 섬유 강화물을 포함하되,
    주입된 수지는 제1 및 제2 섬유 강화물 전체에 걸쳐 연속적이고 동질인 것을 특징으로 하는 단위화된 복합 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조 부재(32)는 패널, 스킨, 빔, 플랜지, 웨브, 및 채널 중 하나인 것을 특징으로 하는 단위화된 복합 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 런아웃부(52)는 길이를 따라 부드럽게 외형이 형성된 것을 특징으로 하는 단위화된 복합 구조물.
  5. 섬유들을 유연한 관형 쉘(36)로 꼬는 단계 및 쉘을 연속적인 단일 방향의 섬유들(39)로 채우는 단계를 포함하는, 제1 섬유 모재(136)를 제작하는 단계;
    관형 쉘을 홈의 기하구조에 따르도록 형성하는 단계를 포함하는, 제1 섬유 모재를 보강재의 기하구조를 가진 몰드 홈(58)에 배치하는 단계;
    제2 섬유 모재(165)를 제1 섬유 모재를 덮도록 몰드 홈 위에 배치하는 단계;
    제1 및 제2 섬유 모재에 폴리머 수지를 함께 주입하는 단계; 및
    수지가 주입된 모재들을 경화하는 단계(190)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 복합 구조물을 만드는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 연속적인 길이를 가진 관형 쉘의 섹션을 절단하는 단계(174)를 더 포함하되,
    섬유들을 유연한 관형 쉘(36)로 꼬는 단계는 연속적인 길이를 가진 관형 쉘을 제작하는 단계를 포함하고,
    제1 섬유 모재를 몰드 홈에 배치하는 단계는 쉘의 절단 섹션을 홈(176)에 배치함에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 보강된 복합 구조물을 만드는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는,
    섬유 쉘과 섬유 코어를 함께 동시에 꼬아 형태를 형성하는 단계를 포함하는 보강된 것을 특징으로 하는 복합 구조물을 만드는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는,
    섬유들을 연속적인 강화 섬유들 그룹을 둘러싸도록 꼬음에 따라 강화된 코어를 가진 연속적인 쉘(36)을 만드는 단계, 및
    연속적인 쉘을 원하는 길이들로 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 복합 구조물을 만드는 방법.
  9. 제5항에 있어서, 제1 섬유 모재를 제작하는 단계는,
    제1 직물 층(136)을 몰드 홈 위에 배치하는 단계,
    제1 직물 층을 몰드 홈(58)의 내부 안으로 성형하는 단계,
    성형된 제1 직물 층을 연속적인 강화 섬유들(39)로 채우는 단계, 및
    제2 직물 층(165)을 섬유가 채워진 성형된 제1 직물 층 상에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보강된 복합 구조물을 만드는 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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