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KR102510311B1 - 복합 구조물의 제조 방법 - Google Patents

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KR102510311B1
KR102510311B1 KR1020187000840A KR20187000840A KR102510311B1 KR 102510311 B1 KR102510311 B1 KR 102510311B1 KR 1020187000840 A KR1020187000840 A KR 1020187000840A KR 20187000840 A KR20187000840 A KR 20187000840A KR 102510311 B1 KR102510311 B1 KR 102510311B1
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matrix material
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알렉산더 더글라스 퍼거슨
알렉산더 조지 뉴만
아담 폴 레옹 메이올
테오더 보이코브 바레브
조나단 필립 카세이
텅 왕
마크-안투안 로멜 디 기스토
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퍼거슨스 어드벤스드 컴포짓 테크놀로지 리미티드
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Abstract

본 발명은 복합 샌드위치 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 표면상에 제1 보강 재료 층을 포함하는 베이스 레이업을 제공하는 단계; 베이스 레이업 상에 코어 층 -코어 층은 개방 셀룰러 구조물을 포함하고 개방 셀룰러 구조물은 적어도 부분적으로 바인딩 해제 입자들로 채워짐- 을 제공하는 단계; 코어 층의 상단 위에 제2 보강 재료 층을 포함하는 상부 레이업을 제공하는 단계; 밀폐식으로 밀봉된 인클로저 내에 이러한 배열을 밀봉하는 단계; 압력차를 통해 적어도 하나의 도관을 통해서 배열 내에 매트릭스 물질을 도입하는 단계; 및 매트릭스 물질을 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

복합 구조물의 제조 방법
본 발명은 미세구(microsphere)를 포함하는 복합 샌드위치 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
유리 기포 강화 플라스틱(syntactic foam)을 포함하는 복합 샌드위치 구조물은 특히 전반적인 강도 대 중량비의 측면에서, 그리고 구체적으로 이들의 각변형 압축 강도에서 바람직한 물리적 속성을 가진다. 다른 장점으로는 부식 및 화재에 대한 저항성, 그리고 열과 음향 절연 속성을 포함한다. 결과적으로, 유리 기포 강화 플라스틱 샌드위치 패널은 광범위한 응용에 적합하며 특히 항공, 선박, 도로 및 열차를 포함하는 운송 산업에 특히 바람직하다. 다른 응용은 변전소, 심해 디바이스, 석유 굴착 구성요소 및 구조물을 포함하는 해양 구성요소 및 풍력 발전용 터빈을 포함하는 터빈 구성요소에서의 용도를 위한 바람벽을 포함한다.
이들 구조물을 제조하는 현존하는 방법은 다양한 단점을 가진다. 예를 들어, 유리 기포 강화 플라스틱이 두 개의 스킨 사이에 단순히 결합되는 경우, 코어와 스킨들 사이의 결합은 약할 수 있으며 스킨 탈착으로 이어질 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해서, 당업계에는 사전 경화된 다공성 유리 기포 강화 플라스틱이 제조된 후에 통합 구조물을 생성하도록 스킨과 함께 주입될 수 있다는 것이 알려졌다. 이러한 방법은 여전히 다수의 경화/프로세싱 단계를 요구하고, 불량한 기계적 속성을 가진 구조물을 발생시킨다. 다른 프로세싱 접근법은 원하는 비율로 사전 혼합 미세구 및 매트릭스를 포함함에 따라 다량의 포획된 공기와의 매우 높은 점성의 혼합물을 발생시킨다. 또한, 수지에 대한 미세구의 획득 가능한 부피 비율은 종종 (가공성을 위해서) 흐름 필요조건에 의해 제한되며, 그 결과 최종 구조물의 밀도를 증가시킨다. 유리 기포 강화 플라스틱 프리프레그의 사용이 또한 당업계에 알려졌지만, 이들 또한 제한된 부피 비율을 제공하고, 이들의 그린 프리폼 상태에서 핸들링하는 것이 손상되기 쉽고 어려우며 비용이 높다.
피부 배치에 의해 이어지는 건식 미세구의 단순한 침착은 고유의 문제들의 세트를 제공한다. 미세구는 쉽게 공수되며, 이것은 흐름 특징으로 인해 코어 형태의 왜곡을 문제화하는 기하학적 구조에 쉽게 고정되지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 감소된 수의 프로세싱/경화 단계를 갖는 다공성 유리 기포 강화 플라스틱이 중심에 있는 샌드위치 패널의 제조 방법을 제공하는 것으로, 이것은 실질적으로 공극이 없는 미세구의 높은 부피 비율을 갖는 구조물을 생성함으로써 전술된 문제를 해결하고, 전체에 걸쳐 단일의 매트릭스 재료 상태를 가진 보강 스킨과 코어 사이에 우수한 결합을 생성하며, 감소된 재료 비용을 제공한다. 본 발명의 추가의 목적은 최소한의 폐기물을 가지고 큰 및/또는 복잡한 형태로 이러한 구조물을 생성하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 복합 샌드위치 구조물의 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은:
표면상에 제1 보강 재료 층을 포함하는 베이스 레이업(base lay-up)을 제공하는 단계;
베이스 레이업 상에 코어 층 -코어 층은 개방 셀룰러 구조물을 포함하고 개방 셀룰러 구조물은 적어도 부분적으로 바인딩 해제(unbound) 입자들로 채워짐- 을 제공하는 단계;
코어 층의 상단 위에 제2 보강 재료 층을 포함하는 상부 레이업(top lay-up)을 제공하는 단계;
압력차를 통해 배열 내에 매트릭스 물질을 도입하는 단계; 및
매트릭스 물질을 경화시키는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 입자들은 속이 빈 유리 미세구이지만, 이것은 섬유상 물질(예를 들어, 분쇄된 탄소 섬유)을 포함하는 속이 비지 않았으며 불규칙한 형태와 같은 다른 유형의 입자들 또는 그들의 조합으로 확장할 수 있다. 입자들은 바인딩 해제되고 따라서 서로에 대해 결합 또는 고정되지 않은 입자들의 형태로 존재한다. 예를 들어, 입자들은 흐를 수 있으며 이들은 건조 입자의 형태일 수 있거나 또는 에멀젼 또는 현탁액의 일부일 수 있다. 바인딩 해제 입자들이 요구되는 위치에 있으면, 이들을 제자리에 바인딩하도록 매트릭스 물질이 도입되고 경화되며, 그에 따라 고체 구조물을 형성한다. 입자는 다음의 유형: 미세구(중공 및 고체 모두); 섬유; 혈소판; 나노튜브; 코어-쉘 입자; 자가-조립 매크로 분자; 비산재; 나노 클레이; 융합된 콜로이드 입자; 파셋화 입자; 각도 및 부각 입자 중 어느 하나를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 인클로저는 이러한 배열 둘레에 위치되며 이러한 인클로저는 밀폐식으로 밀봉되고 인클로저의 내부와 유체 연통을 가능하게 하도록 이를 통과하는 적어도 하나의 도관이 제공된다. 도관(들)은 인클로저 내로의, 바람직하게는 인클로저와 배열의 외부 표면 사이로의 매트릭스 재료의 흐름을 가능하게 하도록, 또는 인클로저 내로부터 공기를 제거함으로써 압력차를 생성하도록 사용될 수 있다. 다른 물질은 도관(들)을 통해 인클로저 내로 또는 밖으로 통과할 수 있다.
일 실시예에서, 표면은 주형의 하부 내부 표면이고 주형은 측벽들을 포함한다. 주형의 사용은 레이업을 배치하기 위한 안정적인 표면을 제공하며 특정한 형태 또는 구조의 형성을 돕도록 사용될 수 있다. 이것은 또한 도관을 접속시키도록 하나 이상의 쉽게 접근되는 유입구 및/또는 배출구 포트를 제공할 수 있다. 이러한 도관은 주입, 경화 또는 캐리어 액체(아래에서 논의됨) 제거 프로세스에서 유용할 수 있는 수지 공급원, 진공 펌프, 공기, 가스 또는 다른 아이템에 부착될 수 있다. 추가로, 이러한 주형은 구성요소에 걸친 수지의 분배를 용이하게 하기 위한 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 주형은 상부 레이업에 대한 표면 또는 특정한 형태를 제공하도록 상부 주형 섹션을 포함할 수 있다.
셀룰러 구조물은 허니컴 재료이며 허니컴은 개방 셀룰러 구조물을 포함하는 것이 바람직하다. 허니컴 재료의 사용은 특히 안정적인 구조를 제공하고 개방 셀룰러 구조물은 입자들이 허니컴 재료를 채울 수 있게 함으로써 한번 경화되면 샌드위치 구조물의 속성을 향상시킨다. 셀룰러 코어의 치수가 제어될 수 있으며 미세구가 그러한 코어 내에 배치되기 때문에 허니컴은 또한 샌드위치 패널의 제어된 및/또는 균일한 두께를 제공하는 수단으로도 사용된다. 보강 재료가 적용될 때, 패널의 전체 두께는 매우 작은 오차 내에서 제어될 수 있다. 이러한 셀룰러 코어의 사용은 또한 곡률을 가진 패널들이 필러 재료의 흐름을 제한하고 최종 구성요소의 기하학적 구조를 정의하도록 제자리에 유지시킬 때 곡률을 가진 패널들의 제조를 가능하게 한다. 이에 더하여, 셀룰러 코어의 사용은 균열 전파 저항(crack propagation resistance)과 같은 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 추가의 장점은 수지가 도입될 때 미세구의 이동을 제한할 수 있는 능력이다. 허니컴 없이 바인딩 해제 미세구를 통해 수지가 흐르면 미세구는 수지 흐름에 따라 끌려갈 것이며, 이것은 구성요소에 걸친 미세구 분포에서 상당한 변화로 이어질 것이다. 허니컴은 유체는 여전히 이들을 통해 흐를 수 있게 하는 동시에 미세구의 이동을 제한함으로써, 미세구를 사전 결합하고자 하는 의지 없이 일부분에 걸쳐 일관적이고 제어 가능하며 높은 부피 비율을 가진 복합 폼 코어 구성요소의 생산을 가능하게 한다.
구체적인 적용의 요건에 따라, 바인딩 해제 입자들로 채워진 셀룰러 구조물로 이루어진 바인딩 해제 코어 층이 주형의 내부에 제작될 수 있거나 또는 별개로 제조될 수 있으며 이송되어 주형 내에 위치될 수 있다. 후자는 최종 형상을 형성하기 위해 복잡한 윤곽 및/또는 다수의 코어 섹션이 함께 접합되어야 하는 큰 부분을 갖는 부품의 제조에 있어서 특히 바람직할 수 있다. 이송되는 동안 코어 내의 입자들을 제한하기 위해서, 캐리어 액체가 사용될 수 있고(아래에서 논의됨) 및/또는 코어의 어느 한 측면에 있는 장벽 직물이 사용될 수 있다(역시 아래에서 논의됨).
바람직하게는 부압(subatmospheric pressure)을 포함하는 압력차를 이용하여, 밀착식으로 패킹된 입자들이 획득될 수 있으며 이는 최종 매트릭스 바운드 구조물의 감소된 밀도를 발생시킨다. 또한, 본 발명을 이용하여 제공되는 미세구의 높은 부피 비율은 특히 높은 등급의 미세구가 사용되는 경우에 더 우수한 특정한 기계적 성능을 발생시킨다.
후속하여 코어 및 스킨 층 내에 동시에 매트릭스 재료를 도입 및 경화하는 것은 단일 매트릭스 상을 가진 구조물을 제공하여 스킨과 코어 사이의 뚜렷하게 향상된 기계적 속성 및 강한 결합을 발생시키며 이는 층간 박리 및 균열 전파에 저항성이다. 추가의 경화/결합 단계가 요구되지 않으며 이것은 상당한 양의 프로세싱 시간을 절약한다. 추가로, 특히 진공이 사용되는 경우에서, 비경화된 구성요소는 수지 도입에 앞서서 모든 기체를 진공처리하며, 실질적으로 기포가 없는 구성요소를 남긴다.
소정의 경우에서 셀룰러 구조물을 충진하고 매트릭스 재료를 도입하기 전에 입자들을 캐리어 액체와 혼합하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 몇몇 즉각적인 프로세싱 장점을 발생시킨다.
첫째, 미세구 먼지의 위험을 제거한다. 미세구는 자신의 가벼운 질량 및 작은 크기로 인해 쉽게 공중(air-borne) 될 수 있으며 건강에 위험을 미치는 것으로 간주된다. 둘째, 미세구 및 캐리어 액체로 구성된 중간 물질을 생성하는 것은 용이한 취급을 가능하게 한다. 페이스트 또는 도우와 같은 컨시스턴시로부터 쉽게 혼합, 수송 및 침착될 수 있는 액체 컨시스턴시의 범위를 가지고 혼합물 내의 캐리어 액체의 양을 변화시킴으로써 서로 다른 컨시스턴시의 혼합물이 획득될 수 있다. 초과 캐리어 액체는 이것이 침착되었다면 바람직하게는 진공 압력을 포함함으로써 혼합물로부터 제거될 수 있다. 소정의 경우에서 예를 들어 자신의 매트릭스 수지, 또는 매트릭스가 에폭시 수지로부터 형성되었을 때 예를 들어 폴리글리시딜 에테르인 수지의 성분/성분들와 같은 매트릭스 시스템과 호환 가능한 캐리어 액체를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 다르게, 물 또는 다른 용매가 비용, 입수 가능성 및 점도와 같은 고려사항을 위해서 사용될 수 있다.
셋째, 초과 캐리어 액체의 제거에 따라 응집력 및 접착력으로 인해 밀착식으로 패킹된 배열을 형성하도록 미세구들이 함께 패킹한다. 바람직하게 진공 소스는 미세구의 재밍된 패킹을 생성하는 것을 도울 수 있는 배열을 통과하여 밖으로 나가게 하도록 사용된다. 이것은 결과적으로 미세구가 허니컴 셀룰러의 최대 부피를 채우는 것을 보장하며 더 낮은 밀도의 최종 생산물에 대한 전구체임을 보장한다. 이것은 또한 수지가 도입될 때 추가의 압축/수축을 위한 범위를 감소시키며; 이러한 압축 및 수축은 감소된 수치 정확도 및 코어에 대한 스킨의 결합 세기로 이어진다. 또한, 응집력 및 접착력과 밀착하게 패킹된 배열은 입자들이 함께 유지하고 셀룰러 구조물 내의 허니컴 벽에 유지하는 것을 가능하게 하며 이는 자신의 구조적 완전성을 유지하는 동시에 별개의 준비 및 그 후의 코어 층의 이송을 가능하게 한다. 이것은 특히 물과 같은 높은 표면 장력을 가진 캐리어 액체의 경우에서 그러하다.
코어의 다양한 섹션에 특정한 구조적 속성을 부여하기 위해서, 허니컴의 다양한 섹션을 예를 들어 미세구 및 미세섬유와 같은 서로 다른 유형의 입자 또는 이들의 조합으로 채우는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 샌드위치 구조물의 중심 섹션을 위한 제1 유형의 입자 및 샌드위치 구조물의 주변에서 사용되기 위한 다른 유형의 입자를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 입자의 유형은 재료, 밀도, 구조적 속성 및/또는 이것의 크기 및/또는 형태에 따라 달라질 수 있다. 이와 다르게, 서로 다른 재료들로 채워진 셀룰러 구조물은 샌드위치 구조물의 코어 층을 위치시킬 때 서로 나란히 배치될 수 있다. 고체/프리폼 구조물은 예를 들어 복합체 및 합금과 같은 로컬 샌드위치 패널 속성을 발현하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 프리폼 구조물은 이들을 통해 수지를 주입하며 샌드위치 패널의 스킨들과의 우수한 결합을 생성하는 것을 가능하게 하도록 다공성이다.
일부 환경에서 장벽 층이 코어 층의 적어도 일 측면 상에 제공되는 것이 바람직하다. 장벽 재료는 미세구가 보강 재료 내로 이동하는 것을 방지하지만, 특히 매트릭스 재료 및 캐리어 액체가 사용된 경우, 여전히 유체의 통과를 허용한다. 보강 층 내로의 미세구의 이동은 보강재 피부의 구조적 성능을 제어 가능하지 않게 또는 바람직하지 않게 변경하거나 감소시킬 수 있지만, 이것이 수용 가능하거나 또는 오히려 바람직한 속성인 환경이 존재할 수 있으며, 이 경우에 장벽 층이 제거될 수 있다.
압력하에서도 실질적으로 다공성이고 투과성인 주형과 하나 또는 두 개의 레이업 사이에 진공 매체가 제공될 수 있다. 이러한 진공 매체 재료의 사용은 배열을 가로지르는 더욱 빠른 유체의 흐름을 가능하게 하며, 그 결과 샌드위치 구조물의 더욱 빠르고 완전한 주입을 제공한다. 또한, 보강재 층과 주형 사이 또는 보강재 층과 진공 매체 사이에 방출 재료가 제공될 수 있다.
개시된 발명은 비교적 처리되지 않은 형태의 재료: 건조 섬유, 건조 입자 및 수지를 결합한다는 점에서 추가적인 이점을 제공하며, 이는 사전 침윤된 섬유 또는 유사 섬유를 사용하는 프로세스와 반대로 원재료 비용의 뚜렷한 감소를 가능하게 한다. 또한, 코어를 형성하는 입자가 자신의 건조 형태로 또는 캐리어 액체 내에 포함되어 수집 및 재순환될 수 있으며, 이는 폐기물을 감소시킨다.
지금, 본 발명의 실시예는 단지 예시로서 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 방법의 단계를 도시한 도면;
도 2는 도 1의 방법의 추가적인 단계를 도시한 도면;
도 3은 도 1의 방법에서 다른 단계를 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 공정에서 사용되는 미립구의 상태를 도시한 도면; 및
도 5는 본 발명에서 사용되기 위한 배치를 도시한 도면이다.
도 1 내지 3은 하부 내부 표면(14)을 가진 주형(12)을 포함하는 배열(10)을 도시한다. 주형(12)은 내부에 위치될 레이업 배열을 포함하도록 충분히 높은 면을 가진 평평한 개방 주형이다. 하부 표면(14)에는 제1 도관(18)이 접속된 제1 개구(16)가 제공된다. 베이스 레이업(20)은 하부 내부 표면(14) 상에 배치되며, 베이스 레이업(20)은:
메쉬(mesh) 형태의 진공 매체(22);
방출 재료(24);
보강 재료(26); 및
장벽 층(27)을 포함한다.
베이스 레이업(20)이 주형(12) 내에 배열되면, 셀룰러 구조물(28)이 베이스 레이업(20)에 적용되며 캐리어 액체와 미세구의 균질한 액체 혼합물이 셀룰러 구조물(28)의 상단 위에 부어진다. 이러한 혼합물이 흐를 수 있기 때문에, 이것은 셀룰러 구조물(28)의 프로파일에 따라 실질적으로 균일한 두께로 고정되지만, 더 많은 층을 보장하도록 추가로 수평을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 캐리어 액체 및 미세구 혼합물이 셀룰러 구조물(28)에 적용되었다면, 진공 펌프(30)가 도관(18)에 접속되어 동작된다. 진공 펌프(30)는 베이스 레이업(20)을 통해 그리고 주형(10)의 내부 하부 표면(14)의 개구(16)를 통해 초과 캐리어 액체를 흡입한다. 또한, 보다 조밀하게 패킹된 미세구 배열을 생성하도록 미세구를 압축한다. 진공 메쉬(22)와 조합하여 진공 펌프(30)에 의해 생성된 압력차는 레이업 배열의 전체 영역에 걸쳐 실질적으로 균일한 캐리어 액체의 제거를 발생시킨다. 초과 캐리어 액체가 습윤 미세구의 단단히 패킹된 자가-지지 배열을 남겨놓고 제거되었다면 미세구 층의 두께가 허니컴의 두께에 의해 정의되도록 허니컴의 상단으로부터 초과 미세구가 제거된다. 그 후 제거된 미세구가 수집 및 재사용될 수 있다.
초과 캐리어 액체 및 미세구가 제거되었다면, 도관(18)이 밀봉되어 진공 펌프(30)가 분리/턴오프될 수 있다. 후속하여, 미세구(28a) 및 셀룰러 구조물(28)에 인접한 장벽 층(36), 장벽 층(36)의 상부 상의 강화 재료(38), 강화 재료(38)의 상부 표면상의 방출 재료(40) 및 방출 재료(40) 옆의 진공 매체(42)를 포함한다는 점에서, 바닥 레이업(20)을 미러링하는 상단 레이업(34)이 미세구(28a)의 상단 상에 적용된다. 부유 카울 플레이트(floating caul plate)의 형태일 수 있는 상부 주형(44)은 상부 레이업(34)의 상단 상에 적용된다. 상부 주형(44)은 복합 레이업에 압력을 가할 수 있도록 주형(12)의 내부 부피 내에 맞춰진다. 상부 주형(44)에는 개구(46)가 제공되고 이에 의해 레이업 배열 내로부터 상부 주형(44)의 외부 측으로 유체 연통을 가능하게 한다. 그 결과 진공 필름(48)은 주형(12)의 상단 위에 배치되어 주형(12)의 내부 공동을 밀폐식으로 밀봉하도록 고정된다. 진공 필름(48)에는 또한 개구가 제공된다. 제2 도관(52)은 상부 주형(44) 및 진공 필름(48)의 개구(46)에 부착된다.
제2 도관(52)은 미세구 및 캐리어 액체 혼합물로부터 더 많은 캐리어 액체를 제거하도록 동작하는 진공 펌프(54)에 접속된다. 캐리어 액체의 증발/비등, 또는 그 점도를 감소시키는 것을 돕기 위해 열 또한 적용될 수 있으며, 제1 도관(18)은 캐리어 액체를 제거하는 것을 돕기 위해 이러한 배열을 통한 공기의 흐름을 가능하게 하도록 개방될 수 있다. 다른 실시예에서, 캐리어 액체가 주입 또는 그와 유사한 것을 위해 사용되는 매트릭스 재료인 경우, 캐리어 액체의 전체 제거가 요구되지 않을 것이며 증발/비등 단계가 필요하지 않다. 장벽 층(27, 36)에는 공기, 캐리어 액체 및 수지의 통과는 허용하지만 이를 통한 미세구(28a)의 통과를 방지하기에 충분히 작은 개구가 제공된다.
필요한 만큼 최대한 많은 캐리어 액체가 제거되었다면, 제1 도관(18)은 수지 소스(56)에 접속되며 제2 도관(52)에 접속되는 진공 펌프(54)가 동작된다. 수지는 주형(12)의 개구(16)를 통해 이 배열로 인출되어 베이스 레이업(20) 내로 전달된다. 수지는 후속하여 셀룰러 구조물(28) 내로 통과하며 상부 레이업(34)을 통과하기 전에 미세구 층(28a)을 둘러싼다. 수지가 복합 레이업 내로 들어갈 때, 이러한 배열 내의 휘발성분 및/또는 공기가 제2 도관(52)을 향해 그리고 그 내로 통과한다. 이러한 장치 전체에 레진이 주입되었다면, 이것은 미세구로 채워진 셀룰러 코어(28)에 결합된 강화 스킨(26, 38)을 가진 복합 샌드위치 구조물을 생성하도록 경화될 수 있다.
도 4는 도 1 내지 3 에 도시된 프로세스 동안 미세구(28a)를 도시하지만, 간략함을 위해 셀룰러 구조물이 도시되어 있지 않다. 미세구(28a)는 초기에 캐리어 액체 용액 내에 있다. 이어서 미세구를 보다 밀착하게 패킹하기 위해서 진공 펌프(30, 54)의 동작 중에 초과 캐리어 액체(28b)가 혼합물(28)으로부터 제거된다. 셀룰러 구조물 내의 조밀하게 패킹된 미세구(28a)를 남겨두도록 잔류 캐리어 액체가 제거되고, 이는 진공(60)에서 효과적으로 형성되며, 이들은 그 후 셀 코어 내의 자리에 결합, 또는 고정하도록 수지가 주입된다. 수지(58)는 미세구(28a)들 사이에 유입되어 셀룰러 구조물과 조합하여 복합 구조물의 코어의 일부가 되도록 제자리에서 이들을 결합시킨다.
주형의 하부 표면 및 상부 주형은 바람직하게는 강성이고, 이는 샌드위치 구조의 더욱 정확한 성형을 가능하게 한다. 그러나 상부 주형의 사용이 필수적인 것은 아니다. 수지 흐름 채널과 같은 추가적인 특성이 구성요소를 가로질러 매트릭스 물질을 분배하는 더 나은 수단을 제공하기 위해 주형 내에 통합될 수 있다. 또한 주형의 진공 밀봉은 일회용 플라스틱 필름의 사용 또는 실리콘으로 만들어진 것과 같은 재사용 가능한 진공 백을 이용하여 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 미세구가 주형(12)의 벽을 필요로 하지 않고 허니콤 코어 내에 포함될 수 있기 때문에 주형(12)이 요구되지 않을 수 있다.
캐리어 액체의 사용에 따라, 미세구는 프로세싱 요구에 따라서 가변성을 가질 수 있다. 예를 들어, 캐리어 액체가 사용되지 않고 미세구가 건조한 상태로 남아 있다면, 이는 캐리어 액체의 제거 또는 증발에 대한 필요성을 없앤다. 그러나 미세구가 용이하게 공수(airborne)될 수 있게 하고 밀착한 배열 내에 패킹하는 것이 더욱 어려우며, 곡률을 가진 형태가 제조되는 경우 허리컴 셀 밖으로 흘러나오는 것이 방지될 수 없다. 캐리어 액체가 사용될 때, 이러한 문제는 극복될 수 있다. 초과 캐리어 액체의 제거로 이어지는 미세구와 캐리어 액체의 액체 혼합은, 혼합물의 신속하고 용이한 수송, 침착 및 확산을 가능하게 한다. 또한 캐리어 액체의 응집력으로 인해, 미세구는 밀착하게 패킹되고 함께 유지된다. 부가적으로, 재료가 밀폐식으로 밀봉되기 전에 재료를 통해 기체를 인출하도록 진공 소스를 사용하는 것은 주형에 앞서 미세구의 추가 치밀화로 이어지며, 따라서 미세구의 더 높은 부피 비율이 재료 내에서 획득되는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 레이업 배열의 전체 또는 적어도 일부가 먼저 별도의 영역 내에 준비된 후 최종적으로 주형 표면상으로 전달된다. 예를 들어, 허니콤 코어 내의 미세구의 코어 층은 도 1에 도시된 것과 유사한 프로세스를 이용하여, 또는 다른 프로세스를 이용하여 별개로 준비될 수 있다. 초과 캐리어 액체의 제거에 이어서, 셀룰러 코어 내의 입자는 젖었지만 밀착하게 패킹된 채로 유지된다. 액체의 표면 장력은 이들 사이에 화학적 결합이 존재하지 않음에도 이들을 셀룰러 구조물 내에 함께 유지시키는 역할을 한다. 이것은 주형으로부터 쉽게 제거될 수 있고 이송될 수 있으며, 무결성에 영향을 미치지 않고 다른 표면/주형 상에 배치될 수 있는, 스스로 지지하는 그러나 여전히 형성 가능한 구조물을 발생시킨다. 이러한 새로운 표면은 매트릭스 재료 및 바닥 보강 재료의 도입을 가능하게 하기 위한 도관을 포함할 수 있으며, 선택적으로 진공 매체 및 방출 재료가 준비된 코어의 배치에 앞서 표면상에 레이업된다. 코어 배치 후에 상부 재료 층이 위치되고 매트릭스 재료는 도 3에 도시된 바와 같이 본 명세서에 기술된 프로세스에 따라 도입 및 경화된다. 이것은 복잡한 형태를 가진 샌드위치 패널을 제조하기 위한 빠르고 효율적인 방법을 가능하게 한다. 또한, 미세구로 채워진 허니컴의 개별 시트가 큰 부분의 제조를 위해서 서로 나란히 또는 위아래로 레이업될 수 있다. 코어 전구체 재료의 분리된 시트들 사이의 어떠한 결과적인 간격도 후속하여 건식이거나 또는 캐리어 액체인 입자들로 채워질 수 있다. 이들을 최종 주형 내에 배치시키기 전에 코어 층을 준비하는 추가의 이점은 전용 주형이 그 준비를 위해 사용될 수 있다는 것으로, 이는 준비 프로세스의 속도 및 효율을 향상시킬 수 있다.
코어 프리폼을 준비하고 후속하여 이를 성형, 주입 및 경화하는 프로세스는 라미네이트 보강재 없이 유리 기포 강화 플라스틱의 제조에 쉽게 적응될 수 있다.
수지는 제1 도관에 접속된 진공 펌프와 함께, 제1 도관이 아닌 제2 도관으로부터 주입될 수 있다. 이와 다르게 또는 이에 더하여, 추가의 도관이 캐리어 액체의 제거, 수지의 공급 또는 진공 소스를 위해서 배열에 적용될 수 있다. 이 배열의 바닥으로부터의 매트릭스 재료, 또는 수지 주입의 장점은 휘발성분이 떠난다는 점과 휘발성분이 이러한 배열의 상단까지 자연적으로 상승하기 때문에 기포함량이 최소화될 수 있다는 점이다.
본 발명의 일 양태는 종래의 수지 도입 공정과 비교할 때 매우 짧은 유효 흐름 경로를 이용하여 매트릭스 물질이 레이업에 적용된다는 것이다. 유입구 및/또는 배출구 포트, 수지 유동 채널 및/또는 진공 메쉬를 위치시키고 상부 및/또는 바닥 레이업을 따라 직물을 방출시킴으로써, 매트릭스 재료의 흐름 경로는 배열의 측면들에 위치된 포트에 비하여 감소된다. 예를 들어 수지 이송 주조와 같은 종래의 주조 방법과 달리, 수지는 보강재의 길이 및 폭을 통해서가 아닌 그 두께를 통해서 구동된다. 결과적으로, 총 압력 변화가 오직 대기압 근처일 수 있음에도 이러한 방법을 이용하여 훨씬 더 가파른 압력 구배가 획득될 수 있다. 이것은 수지 침투에 필요한 시간을 감소시킨다. 또한, 이동되는 거리가 수지 이송 주조에서보다 훨씬 짧기 때문에, 경화 이전에 모든 보강재를 통한 수지를 구동하는 데에 더 적은 압력 또는 힘이 필요하다. 이러한 흐름 경로 길이의 감소는 감소된 저항을 가지는 더욱 빠른 침투를 발생시키며, 그 결과 요구되는 진공의 세기 및/또는 진공이 적용되어야만 하는 시간을 감소시킴으로써 구조물의 제조 비용을 감소시킨다.
보강 재료는 탄소 섬유 또는 유리 섬유, 파라-아라미드(para-aramid) 합성 섬유, 다른 섬유성 재료 또는 이들의 조합과 같은 다른 재료의 형태일 수 있다. 허니컴 재료는 또한 필요조건에 따라 다양해질 수 있으며, 알루미늄, 아라미드 재료, 유리 섬유, 플라스틱 및 기타 재료를 포함할 수 있다. 곡선형 구성요소를 형성하기 위해, 예를 들어 Nomex®와 같은 아라미드 기반 재료와 같은 주형의 윤곽에 따를 수 있는 적절한 코어를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 허니콤 코어 대신 사용될 수 있는 다른 개방 셀룰러 구조물은 스페이서 직물 또는 미세구로 충전될 수 있으며 미세구의 범위를 한정지을 수 있는 임의의 다른 구조물을 포함한다.
샌드위치 구조물의 기계적 속성을 추가로 조정하도록 주형 내에 또는 베이스 및/또는 상부 레이업 또는 그 사이에 삽입물이 추가될 수 있다. 이들은 고체 구조물, 예를 들어 금속 및 사전 경화된 복합체, 또는 건식 직물 또는 다공성 강체와 같은 다공성 물질의 형태일 수 있으며, 이들은 구성요소의 나머지와 함께 주입될 수 있다. 이에 더하여 또는 대안적으로, 첨가제가 미세구와 함께, 특히 강화제 및/또는 분쇄되거나 또는 잘게 잘린 섬유의 형태로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 반응 유도 상 분리(RIPS 강화)가 수지를 강화하도록 사용될 수 있다. 강화제의 도입이 수지의 점도를 너무 많이 증가시키는 경우, 낮은 점도를 유지하는 용액, 에멀젼 또는 현탁액을 생성하도록 캐리어 액체와 함께 분말, 입자 및/또는 섬유의 형태인 이러한 첨가제를 혼합할 수 있다. 캐리어 액체가 레이업 배열로부터 제거되면, 미세구 코어 내에 첨가제가 잔류하며 그 다음 수지가 도입됨에 따라 결과적인 조성 구조물에 원하는 속성을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일부로서 사용될 수 있는 배열을 도시한다. 주형(14)의 베이스 표면 및 상부 주형(44)은 주형(12a)의 측벽들 둘레에 샌드위치를 생성한다. 복합 샌드위치 구조물은 주형 측벽들이 측벽들에 결합된 샌드위치 구조물인 최종 생산물에 일체형이도록 자신에 결합된 측벽들을 가지고 생성되며, 이는 자신으로부터 연장되는 돌출부를 갖는 복합 샌드위치 구조물을 생성한다. 일 형태에서, 복합 샌드위치 구조물은 리세스를 포함할 수 있으며, 이러한 리세스 내에 주형의 측벽이 수용되어 샌드위치 구조물에 대한 측벽들이 더욱 견고히 부착된다. 도 5의 배열, 또는 그에 따른 변형의 결과로서, 주형 또는 그의 일부분이 최종 생산물에 일체형이 될 수 있다. 주형의 표면이 최종 생산물 내에 포함된 재료로 부분적으로 또는 완전히 커버되는 경우, 이는 주형 방출 재료의 적용에 대한 필요성을 없앤다. 추가로, 각각의 샌드위치 구조물에 새로운 주형 표면이 요구되기 때문에 주형의 수선 및 유지가 불필요하다. 또한, 수지가 적절한 아크릴 수지와 같은 열가소성 매트릭스에 대한 전구체인 경우, 아크릴 필름 또는 시트는 진공 성형될 수 있고 후속하여 적용되는 복합 재료를 이용하여 주형 내에 또는 다른 배열 내에 제자리에 유지될 수 있다. 이러한 배열은 결과적인 구조를 용이하게 배출할 수 있게 하고, 주형 방출을 재적용하는 필요성을 제거하며, 겔코트, 연마 등을 사용할 필요없이 매우 매끈한 표면 마감을 제공할 수 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 일 실시예의 양태는 본 발명의 다른 양태에 추가로 또는 대안으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예의 방법의 단계는 다른 실시예의 단계에 추가적인 단계로서 또는 대한 대안으로서 사용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 복합 샌드위치 구조물의 제조 방법으로서,
    표면상에 제1 보강 재료 층을 포함하는 베이스 레이업(base lay-up)을 제공하는 단계;
    상기 베이스 레이업 상에, 적어도 부분적으로 캐리어 액체와 바인딩 해제(unbound) 미세구로 채워진 개방 셀룰러 구조물을 포함하는 코어 층을 제공하는 단계;
    상기 코어 층의 위에 제2 보강 재료 층을 포함하는 상부 레이업(top lay-up)을 제공하는 단계;
    상기 개방 셀룰러 구조물이 적어도 부분적으로 캐리어 액체와 바인딩 해제 미세구로 채워진 후, 압력차를 통해 상기 배열 내에 매트릭스 물질을 도입하는 단계;
    상기 매트릭스 물질을 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방 셀룰러 구조물은 허니컴 재료이며 상기 허니컴은 개방 셀 구조를 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세구는 하나 이상의 유형의 미세구를 포함하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제1 그룹의 셀들은 하나의 유형의 미세구로 채워지며 제2 그룹의 셀들은 다른 유형의 미세구로 채워지는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    프리폼(preformed) 구조물은 국부적인 샌드위치 구조 특성을 가져오도록 상기 코어 층의 영역 내에 배치되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 액체는 주입용으로 사용되는 상기 매트릭스 재료와 동일한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    초과 캐리어 액체는 수지 주입 전에 제거되는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배열은 밀폐식으로 밀봉된 인클로저(enclosure) 내에 밀봉되며, 상기 인클로저에는 상기 인클로저의 내부와 유체 연통할 수 있도록 하는 적어도 하나의 도관이 제공되는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 매트릭스 재료는 상기 도관을 통해 상기 배열로 제공되는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    매트릭스 물질과 바인딩 해제 미세구의 혼합물을 가진 상기 코어 층이 상기 베이스 레이업 바로 위에 준비되는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    매트릭스 물질에서 바인딩 해제 미세구를 가진 상기 코어 층이 상기 베이스 레이업 상으로 이동되기 전에 준비되는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    다수의 준비된 코어 층이 상호 나란히 또는 위아래로 주형(mould) 내에 배치될 수 있는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    장벽 층이 상기 코어 층의 적어도 하나의 측면 상에 제공되는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면은 주형의 바닥 내부 표면이며 상기 주형은 측벽을 포함하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 적어도 하나의 도관을 통해 상기 밀폐식으로 밀봉된 인클로저에 연결된 진공 소스를 이용하여 생성된 압력차를 통해서 분포되는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    방출 재료가 상기 베이스 레이업과 상기 주형 사이 또는 상기 상부 레이업과 상기 상부 주형 사이에 제공되는 방법.
  17. 삭제
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