KR102082632B1 - 보강 섬유 다발들의 제어된 침착을 위한 침착 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면(25) 상에 보강 섬유 다발들의 제어된 침착을 위한 침착 디바이스에 관한 것으로서, 상기 침착 디바이스는
- 침착 헤드(1)와 제어 가능한 위치설정 유닛을 포함하고, 상기 제어 가능한 위치설정 유닛은 상기 침착 헤드에 연결되고 상기 침착 헤드가 상기 제어 가능한 위치설정 유닛에 의해서 상기 표면에 대해 이동될 수 있으며,
- 상기 침착 디바이스는 또한
- 결합제가 제공된 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드(6)를 제공하기 위한 수단, 및
- 결합제가 제공된 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 상기 침착 헤드 상에 반송하기 위해 상기 침착 헤드 상에 배열된 제 1 반송 디바이스(8)를 가지며,
- 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 산포하기 위한 수단이 반송 방향으로 볼 때 상기 제 1 반송 디바이스의 전방에서 상기 침착 헤드 상에 배열되고,
- 상기 침착 헤드는 상기 반송 방향으로 볼 때, 상기 제 1 반송 디바이스 다음에 배열된 제 2 반송 디바이스(16)를 갖고,
- 상기 침착 헤드는 상기 제 1 및 제 2 반송 디바이스들 사이에 배열되고 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드를 길이방향을 따라 2개 이상의 부분 스트랜드들로 분할하기 위한 적어도 하나의 분할 요소를 갖는 길이방향 분할 디바이스(12)를 갖고,
- 소정 길이 절단 유닛이 상기 2개 이상의 부분 스트랜드들(13)을 섬유 다발들(20)로 소정 길이 절단하기 위해 상기 반송 방향으로 상기 제 2 반송 디바이스 다음에 배열된다.
- 침착 헤드(1)와 제어 가능한 위치설정 유닛을 포함하고, 상기 제어 가능한 위치설정 유닛은 상기 침착 헤드에 연결되고 상기 침착 헤드가 상기 제어 가능한 위치설정 유닛에 의해서 상기 표면에 대해 이동될 수 있으며,
- 상기 침착 디바이스는 또한
- 결합제가 제공된 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드(6)를 제공하기 위한 수단, 및
- 결합제가 제공된 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 상기 침착 헤드 상에 반송하기 위해 상기 침착 헤드 상에 배열된 제 1 반송 디바이스(8)를 가지며,
- 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 산포하기 위한 수단이 반송 방향으로 볼 때 상기 제 1 반송 디바이스의 전방에서 상기 침착 헤드 상에 배열되고,
- 상기 침착 헤드는 상기 반송 방향으로 볼 때, 상기 제 1 반송 디바이스 다음에 배열된 제 2 반송 디바이스(16)를 갖고,
- 상기 침착 헤드는 상기 제 1 및 제 2 반송 디바이스들 사이에 배열되고 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드를 길이방향을 따라 2개 이상의 부분 스트랜드들로 분할하기 위한 적어도 하나의 분할 요소를 갖는 길이방향 분할 디바이스(12)를 갖고,
- 소정 길이 절단 유닛이 상기 2개 이상의 부분 스트랜드들(13)을 섬유 다발들(20)로 소정 길이 절단하기 위해 상기 반송 방향으로 상기 제 2 반송 디바이스 다음에 배열된다.
Description
본 발명은 표면 상에 보강 섬유들의 제어된 침착(deposition)을 위한 섬유 침착 디바이스에 관한 것이다.
섬유 복합 재료들로부터 제조된 부품들이 특히 항공 산업들에서, 또한 예를 들어 기계 제작 산업 또는 자동차 산업에서 증가적으로 사용된다. 섬유 복합 재료들은 종종 금속들에 비해 더 낮은 중량 및/또는 더 높은 강도의 장점을 제공한다. 보강 섬유들의 체적 비율 및 특히 또한 보강 섬유들의 배향은 특히 그 강성 및 강도의 견지에서, 부품들의 저항에 결정적인 효과를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 이 유형의 헤비-듀티 재료들(heavy-duty materials) 및 부품들은 여전히 경제적으로 매력적이게 하기 위해 비용 효과적으로 제조되는 것이 가능해야 한다.
이 유형의 복합재 부품들을 제조하기 위해, 소위 섬유 프리폼들(preforms)이 초기에 중간 단계에서 보강 섬유들로부터 제조된다. 이들은 보강 섬유들로부터 제조된 2차원 또는 3차원 구성들의 형태의 직물의 반제품들이고, 여기서 형상은 미리 거의 최종 부품의 형상일 수 있다. 실질적으로 단지 보강 섬유들로 이루어지고 부품의 제조를 위해 요구된 매트릭스 비율이 여전히 적어도 거의 결여되어 있는 이 유형의 섬유 프리폼들의 실시예들에서, 적합한 매트릭스 재료가 주입(infusion) 또는 인젝션(injection)을 거쳐 또는 또한 진공의 인가에 의해 부가의 단계들에서 섬유 프리폼에 혼입된다. 그 후에, 매트릭스 재료는 완성된 부품을 형성하기 위해 일반적으로 증가된 온도들 및 압력들에서 경화된다. 매트릭스 재료의 주입 또는 인젝션을 위한 공지의 방법들은 액체 성형(liquid molding: LM) 방법 또는 수지 이송 성형(resin transfer molding: RTM), 진공식 수지 이송 성형(vacuum assisted resin transfer molding: VARTM), 수지 필름 주입(resin film infusion: RFI), 액체 수지 주입(liquid resin infusion: LRI), 또는 수지 주입 가요성 툴링(resin infusion flexible tooling: RIFT)과 같은 그에 관련된 방법들이다. 섬유 프리폼들을 제조하는데 사용된 섬유 재료는 또한 섬유 프리폼 내의 보강 섬유들의 고정을 향상시키기 위해, 예를 들어 소량의 경화성 플라스틱 재료, 즉 결합제(binder) 재료로 미리 사전 함침될 수 있다(pre-impregnated). 이 유형의 사전 함침된 얀들(yarns)은 예를 들어, WO 2005/095080호에 설명되어 있다.
보강 섬유 다발들(bundles)로부터 섬유 프리폼들을 제조하기 위해, 섬유 다발들이 제어된 침착 헤드들 또는 또한 섬유 침착 디바이스들에 의해 대응 몰드들 상에 또는 내에 침착되는 자동화 프로세스들이 종종 사용되는데, 여기서 침착은 또한 몰드들 상에 또는 내에 섬유 다발들을 스프레이함으로써 발생할 수 있다. 일반적으로, 보강 섬유들의 연속적인 얀이 침착 헤드들로 공급되고, 이 얀은 이어서 적합한 절단 디바이스들에 의해 침착 헤드 내에 또는 섬유 침착 디바이스 내에서 원하는 다발 길이로 절단된다. 섬유 스트랜드들(strands)을 소정 길이로 절단하기 위한 디바이스를 갖는 이 유형의 침착 헤드들은 예를 들어 WO 2011/045171호 또는 US-A-3 011 257호에 개시되어 있다.
이 유형의 섬유 프리폼들은 예를 들어 단절단(short-cut) 보강 섬유들이 결합제 재료와 함께 원하는 섬유 프리폼의 형상으로 적응된 공기 투과성 스크린 상에 스프레이되어 분산되고, 상기 섬유들은 결합제 재료의 냉각 후에, 프리폼의 충분한 안정성이 성취될 때까지 진공의 인가를 통해 스크린 상에 유지된다. 이 유형의 방법은 예를 들어 WO 98/22644호에 설명되어 있다. WO 98/22644호로부터의 방법에 의해, 보강 섬유들은 바람직하게는 랜덤, 등방성 배열 및 배향으로 단절단 섬유들로서 배열된다. WO 98/22644호의 예들에 따르면, 단지 최대 대략 15 체적%의 범위의 섬유 체적 분율들만이 성취되고, 따라서 낮은 섬유 체적 분율들에 기인하여, 단지 부품들의 비교적 낮은 두께-관련 강도만이 성취된다.
프리폼들 또는 그로부터 제조된 부품들의 더 높은 섬유 체적 비율들을 성취하기 위해, WO 2012/072405호로부터의 실시예들에 따르면, 보강 섬유들의 다발들의 형태의 단절단 섬유들을 침착하는 것이 유리하고, 섬유 다발들은 바람직하게는 10 내지 50 mm의 범위의 길이를 갖는다. 게다가, 성취 가능한 기계적 특성들의 고려시에, 다발들이 최저 가능한 수의 보강 섬유 필라멘트들을 가지면 유리한데, 1000 내지 3000 필라멘트들의 수가 특히 바람직하다. 이 방식으로, 사실상 등방성 재료가 그 연장 방향들에서 사실상 등방성 기계적 특성들을 갖고 생성된다. 동시에, 비교적 작은 다발 치수들에 기인하여, 이 재료는 증가된 수지 비율 및 따라서 감소된 보강 섬유 비율을 갖는 구역들을 갖지 않거나 단지 소수의 구역들만을 갖는데, 이 구역들은 부품 내에 약한 점들을 유도할 수 있다. 낮은 선형 밀도를 갖는, 즉 낮은 필라멘트 카운트들을 갖는 보강 섬유들의 다발의 사용은 특히 비교적 높은 가격의 원재료들의 사용에 기인하여 마찬가지로 증가된 비용들을 유도한다는 것을 비교적 쉽게 알 수 있다. 다른 한편으로, 높은 선형 밀도 섬유 다발들의 사용, 즉 다수의 보강 섬유 필라멘트들을 갖는 섬유 다발들의 사용은 실제로 더 비용 효과적이지만, 전술된 바와 같이 높은 섬유 체적 분율들 그렇다고 해도 단지 어려움을 갖고 실현될 수 있다.
따라서, 섬유 프리폼들 내의 또는 그로부터 제조된 복합재 부품들 내의 높은 섬유 체적 비율들을 성취하면서 섬유 프리폼들의 비용 효율적인 제조가 가능한 섬유 프리폼을 제조하기 위한 보강 섬유들의 다발들의 침착을 위한 자동화 가능한 침착 디바이스들을 위한 요구가 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이 유형의 보강 섬유 다발들의 제어된 침착을 위한 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 목적은 표면 상에 보강 섬유 다발들의 제어된 침착을 위한 침착 디바이스에 의해 성취되고, 이 침착 디바이스는
- 침착 헤드와 제어 가능한 위치설정 유닛을 포함하고, 상기 제어 가능한 위치설정 유닛은 상기 침착 헤드에 연결되고 상기 침착 헤드가 상기 제어 가능한 위치설정 유닛에 의해서 상기 표면에 대해 이동될 수 있으며,
- 침착 디바이스는 또한
- 결합제가 제공된 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 제공하기 위한 수단, 및
- 결합제가 제공된 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 침착 헤드에 반송하기 위해 침착 헤드 상에 배열된 제 1 반송 디바이스를 갖고,
상기 침착 디바이스는
- 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 산포하기 위한 수단이 반송 방향으로 볼 때 제 1 반송 디바이스의 전방에서 침착 헤드 상에 배열되고,
- 침착 헤드는 반송 방향으로 볼 때, 제 1 반송 디바이스 다음에 배열된 제 2 반송 디바이스를 갖고,
- 제 1 및 제 2 반송 디바이스들 사이에 배열되고 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드를 길이방향을 따라 2개 이상의 부분 스트랜드들로 분할하기 위한 적어도 하나의 분할 요소를 갖는 길이방향 분할 디바이스,
- 2개 이상의 부분 스트랜드들을 섬유 다발들로 소정 길이 절단하기 위해 반송 방향으로 제 2 반송 디바이스 다음에 배열되는 소정 길이 절단 유닛을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 디바이스에 의해, 적은 수의 보강 섬유 필라멘트들을 갖는 보강 섬유들로부터 섬유 프리폼들을 제조하고, 이에 의해 섬유 프리폼 또는 그로부터 제조된 섬유 복합재 부품 내의 높은 섬유 체적 비율을 실현하는 것이 가능하다. 이에 의해, 예를 들어 비용 효율적인 높은 선형 밀도 보강 섬유 얀들의 형태의 연속적인 리본형 스트랜드들이 원재료로서 사용될 수 있다. 이 유형의 높은 선형 밀도 보강 섬유 얀들은 초기에 얀들을 형성하는 보강 얀 필라멘트들의 연장부를 따라 다수의 부분 스트랜드들로 길이방향 분할 디바이스에 의해 분할될 수 있고, 여기서 개별 부분 스트랜드들을 이어서 원래 얀에 비교할 때 감소된 수의 필라멘트들을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 길이방향 분할 디바이스는 복수의 분할 요소들을 갖고, 이 분할 요소들에 의해 침착 디바이스로 공급된 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 2개 초과의 부분 스트랜드들로 분할될 수 있다. 그 결과, 개별 부분 스트랜드들 내의 필라멘트들의 수가 더 감소되는데, 이에 의해 더 작은 폭들을 갖는 섬유 다발들이 얻어진다. 더 작은 폭을 갖는 이 유형의 섬유 다발들의 사용은 이어서 그로부터 제조된 섬유 프리폼 내의 또는 최종 복합재 부품 내의 섬유 체적 분율에 유리한 효과들을 갖는다.
본 발명에 따른 디바이스는 탄소, 유리, 또는 아라미드 섬유들, 또는 이들 사이의 또는 열가소성 섬유들과의 이들 섬유들의 혼합물들과 같은 보강 섬유들의 섬유 다발들의 제조 및 침착을 위해 특히 적합하다.
침착 디바이스에서, 침착 헤드는 제어 가능한 위치설정 유닛에 연결되고, 이 위치설정 유닛에 의해 침착 헤드가 표면에 대해 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 가능한 위치설정 유닛은 기계 베이스 상에 위치된 관절 연결형 아암 로봇과, 관절 연결형 아암에 의해 유지된 로봇 조인트를 포함하고, 이 로봇 조인트에 의해 침착 헤드가 표면에 대해 적어도 2개의 축들에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 가능한 위치설정 유닛은 침착 헤드가 관절 연결형 헤드를 거쳐 고정되고 침착 헤드가 표면에 대해 적어도 2개의 축들에 위치될 수 있는 갠트리 구조(gantry structure)를 포함한다. 침착 헤드는 바람직하게는 적어도 6개 및 특히 바람직하게는 적어도 9개의 축들에 위치될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 침착 디바이스는 기계 베이스, 기계 베이스 상에 위치된 아암, 및 아암에 의해 유지되고 다수의 공간 방향으로 축들 둘레에서 이동 가능한 로봇 조인트, 뿐만 아니라 로봇 조인트에 연결된 침착 헤드를 갖고, 이 침착 헤드는 로봇 조인트에 의해 표면에 대해 다수의 축들 둘레로 이동될 수 있다. 이러한 요소들을 갖는 디바이스들은 종래 기술로부터 공지되어 있고, 종종 표면 상의 보강 섬유 제품들의 침착을 위해 사용된다. 이전에 열거된 요소들을 갖는 침착 디바이스는 예를 들어 보강 섬유 얀 스트랜드들의 침착을 위해, 예를 들어 권취체들을 제조하기 위해 US-A-5 022 952호에 설명되어 있다. 이 유형의 로봇-기반 디바이스들에 의해, 예를 들어 6축들에서의 침착 헤드의 이동들이 가능하다.
본 발명에 따른 침착 디바이스는 전술된 바와 같이, 결합제가 제공된 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 공급하기 위한 수단을 포함한다. 이들 수단은 그로부터 보강 섬유들의 스트랜드 또는 다수의 스트랜드들이 장력 제어 하에서 풀려지거나 또는 속도 제어 하에서 전달될 수 있는 하나 이상의 스풀들을 위한 지지 디바이스 또는 지지 디바이스들의 배열일 수 있다. 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 스트랜드를 제공하기 위한 이들 수단은 기계 베이스 또는 침착 디바이스의 아암 상에 장착될 수 있다. 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드를 제공하기 위한 수단은 바람직하게는 침착 헤드 상에 위치되고 그에 연결된다. 그 결과, 적용 중에, 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 산포하기 위한 수단으로의 그리고 제 1 반송 디바이스로의 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드의 특히 균일하고 안정한 공급이 실현될 수 있다.
적어도 하나의 리본형 스트랜드를 확실히 위치설정하기 위해, 그 폭을 증가시키기 위해, 그리고 길이방향 절단 디바이스를 위한 양호한 결과를 성취하기 위해, 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 산포하거나 멀리 산포하기 위한 수단이 침착 디바이스를 통해 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드의 반송 방향으로 볼 때 제 1 반송 디바이스의 전방에 배열된다. 개별적인 고정된 그리고/또는 회전 가능하게 장착된 로드들 또는 롤러들 또는 다수의 로드들 또는 롤러들의 배열들이 이 목적에 적합하고, 이들을 통해 스레드 장력이 스트랜드 내에서 증가될 수 있다. 로드들의 표면은 로드들 상에서 공급된 얀 스트랜드들의 마모가 낮게 유지되도록 유리하게 구성되어야 한다. 공지의 표면들 및 재료들이 이 목적으로 사용될 수 있다. 로드들은 바람직하게는 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드가 로드들 주위에 20° 초과의 권취각으로 공급되도록 배열된다.
본 발명에 따른 침착 디바이스는 바람직한 실시예에서, 상기 스트랜드가 개별적인 반송 및 분할 디바이스들을 통해 측방향 편차들 없이 직접 공급되도록 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드의 측방향 안내를 위한 디바이스들을 갖는다. 이에 의해, 절단이 적어도 하나의 스트랜드의 필라멘트들에 적어도 실질적으로 평행하게 발생할 수 있기 때문에, 간결한 절단 에지들을 갖는 간결한 절단이 길이방향 분할 디바이스에서 성취될 수 있다. 이 목적으로, 로드들, 롤들, 롤러들 또는 다른 안내 디바이스들, 뿐만 아니라 가능하게는 반송 디바이스들이 적어도 하나의 리본형 스트랜드의 반송 방향에 대해 직각들로 뿐만 아니라 서로 평행하게 정렬된다. 게다가, 바람직한 실시예에서, 이들에 의해 적어도 하나의 리본형 스트랜드가 안내되는 로드들, 롤들, 롤러들 및 다른 안내 요소들은 스트랜드와의 각각의 접촉점들에서 볼록형일 수 있다. 볼록부의 구역에서 안내 요소들의 윤곽은 바람직하게는 50 내지 600 mm의 범위의 반경을 갖는다.
본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예에서, 상기 디바이스는 융합 가능한 결합제가 제공된 보강 섬유들의 다수의 연속적인 리본형 스트랜드들이 디바이스에 제공되고 보강 섬유들의 다발들에 상기 디바이스 내에서 처리될 수 있도록 구성될 수 있다. 이 목적으로, 본 발명에 따른 디바이스는 바람직하게는 보강 섬유들의 개별 스트랜드들을 안내하기 위한 다수의 디바이스들을 포함하여, 개별 스트랜드들이 반송 및 분할 디바이스들을 통한 측방향 편차들 없이 직선형으로 공급되게 한다.
보강 섬유 다발들을 제조하기 위해 그리고 표면 상에 상기 다발들을 침착하기 위해 본 발명에 따른 침착 디바이스를 사용할 때, 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 침착 디바이스를 통해 장력 하에서 공급되고 특히 장력이 제 1 및 제 2 반송 디바이스들 사이에서 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드에서 발생되면 길이방향 및 가로방향 절단 프로세스(소정 길이 절단 프로세스)가 적당하다. 이에 의해, 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드를 위한 확실한 평탄화 및 양호한 산포 및 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드의 안정한 이동이 성취되고, 이는 특히 길이방향 분할 디바이스의 양호한 절단 결과를 유도한다. 따라서, 제 2 반송 디바이스의 속도가 제 1 반송 디바이스의 속도보다 높도록 제 1 및 제 2 반송 디바이스들의 속도들이 조정될 수 있으면 유리하다.
제 1 및/또는 제 2 반송 디바이스는 구동부를 구비한 하나 이상의 롤들 또는 롤러들의 침착 디바이스의 유리한 실시예로 이루어지고, 이들에 의해 적어도 하나의 스트랜드가 운반될 수 있다. 롤들 또는 롤러들은 용례에서 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 롤들 또는 롤러들 주위에 고리 형태로 감겨질 수 있도록 서로에 대해 배열될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 제 1 및/또는 제 2 반송 디바이스는 종동 쌍의 롤러들을 포함하고, 그 속도는 롤러 쌍의 롤러들 사이의 조정 가능한 간극에 의해 제어될 수 있고, 이 간극을 통해 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 적용 중에 롤러 쌍에 의해 인가된 압력의 결과로서 반송된다.
게다가, 마찬가지로 바람직한 실시예에서, 제 1 및/또는 제 2 반송 디바이스는 블로잉(blowing) 디바이스를 포함할 수 있고, 이 블로잉 디바이스에 의해, 융합 가능한 결합제가 제공된 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드가 반송될 수 있다. 이 목적으로, 블로잉 디바이스는 조절될 수 있는 공기 공급부에 결합된다.
길이방향 분할 디바이스는 그 길이방향 연장부를 따라 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드를 분할하기 위한 적어도 하나의 분할 요소를 포함한다. 길이방향 분할 디바이스의 적어도 하나의 분할 요소는 적어도 하나의 레이저빔 장치, 공기 제트 장치, 또는 워터 제트 장치, 또는 예를 들어 적어도 하나의 고정된 요소의 형태의 기계적 분할 요소, 또는 또한 바람직하게는 구동부를 구비한 적어도 하나의 회전 분할 디스크의 형태의 고정된 나이프일 수 있다. 구동부는 적어도 하나의 분할 디스크의 원주방향 속도와 길이방향 분할 디바이스를 통해 통과하는 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드의 반송 속도 사이의 속도차가 조정될 수 있도록 조절되고 설계될 수 있다. 적어도 하나의 회전 분할 디스크의 회전 방향은 적어도 하나의 리본형 스트랜드의 반송 방향에 있거나 또는 또한 그에 대향할 수 있다. 이에 의해, 적어도 하나의 분할 디스크의 원주방향 속도가 길이방향 분할 디바이스를 통해 통과하는 적어도 하나의 스트랜드의 반송 속도보다 2 내지 15% 높게 조정될 수 있으면 용례에서 유리한 것으로 발견되었다.
본 발명에 따른 침착 디바이스의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 분할 요소가 기계적 분할 요소인 경우에, 길이방향 분할 디바이스는 힘 제어형 유지 디바이스를 포함하고, 이에 의해 적어도 하나의 분할 요소 및 그 길이방향 연장부를 따라 분할될 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 규정된 힘을 사용하여 서로에 대해 가압될 수 있다. 적어도 하나의 회전 분할 디스크는 예를 들어, 이에 의해 힘 제어형 유지 디바이스에 연결될 수 있고, 이 유지 디바이스에 의해 회전 분할 디스크는 그 길이방향 연장부를 따라 분할될 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드에 대해 규정된 힘으로 가압된다. 바람직하게는, 유지 디바이스는 침착 디바이스의 용례에서 적어도 하나의 스트랜드가 유지 디바이스에 의해 적어도 하나의 기계적 분할 요소에 대해 가압되도록 배열된다. 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 꼬임부(twist), 예를 들어 스트랜드가 얀인 경우에 얀 꼬임부를 갖는 경우에 사용될 때, 섬유 방향에 가로방향인 꼬임부의 구역에서의 스트랜드의 분할이 이 유형의 유지 디바이스에 의해 회피될 수 있다. 섬유 방향에 가로방향인 스트랜드의 존재하는 부분 분할은 스트랜드의 인열(tearing) 및 그 결과 절단 프로세스 및 따라서 침착 프로세스의 중단을 유도할 수 있다.
길이방향 분할 디바이스의 분할 요소들의 수는 길이방향 분할 디바이스를 사용하여 그 길이방향 연장부를 따라 분할되어야 하는 보강 섬유들의 스트랜드들의 수에 의해 그리고 얻어져야 하는 부분 스트랜드들의 수에 의해 결정된다. 융합 가능한 결합제가 제공된 보강 섬유들의 다수의 연속적인 리본형 스트랜드들, 즉 보강 섬유들의 다수의 스트랜드들을 공급할 때, 이들 스트랜드들은 상기 스트랜드들이 중첩되어 배열되도록, 즉 이들이 서로의 상부에 놓이도록 제 1 반송 디바이스를 거쳐 적합한 안내 디바이스들에 의해 길이방향 분할 디바이스에 공급될 수 있다. 이 경우에, 리본형 스트랜드들은 길이방향으로 동일한 분할 요소에 의해 함께 절단될 수 있다. 예를 들어, 길이방향 분할 디바이스는 이어서 2개의 리본형 얀 스트랜드들이 3개의 부분 스트랜드들로 각각 절단되어야 하는 경우에 2개의 분할 요소들을 갖는다.
예를 들어 제공을 위한 수단 뿐만 아니라 측방향 안내를 위한 디바이스들과 관련하여, 본 발명에 따른 침착 디바이스는 바람직하게는, 보강 섬유들의 다수의 스트랜드들을 공급할 때 상기 스트랜드들이 서로 인접하여 배열되도록 구성된다. 길이방향 분할 디바이스는 이어서 그 수가 보강 섬유들의 인접하게 배열된 다수의 스트랜드들로부터 제조되어야 하는 부분 스트랜드들의 수에 의해 결정되는 다수의 분할 요소들을 포함한다. 예를 들어, 길이방향 분할 디바이스는 2개의 인접하게 배열된 리본형 얀 스트랜드들이 3개의 부분 스트랜드들로 각각 절단되어야 할 때 4개의 분할 요소들을 갖는다.
적어도 하나의 분할 요소는 적어도 하나의 스트랜드가 부분 스트랜드들로 중심을 맞춰 또는 편심되어 분할되도록 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드의 측방향 안내를 위한 디바이스들에 대해 배열될 수 있다. 마찬가지로, 3개 이상의 부분 스트랜드들로 분할되어야 하는 보강 섬유들의 개별 스트랜드의 경우에, 또는 또한 바람직하게는 서로 인접하게 배열된 보강 섬유들의 다수의 스트랜드들의 경우에, 다수의 분할 요소들은 본 발명에 따른 침착 디바이스의 용례에서 상이한 폭들의 부분 스트랜드들이 생성되도록 서로에 대해 그리고/또는 측방향 안내를 위한 디바이스들에 대해 배열될 수 있다.
길이방향 분할 디바이스에서 얻어진 부분 스트랜드들은 소정 길이 절단 유닛에 의해 규정된 길이의 섬유 다발들로 그 연장 방향에 가로방향으로 절단된다. 침착 디바이스의 바람직한 실시예에서, 소정 길이 절단 유닛은 반송 속도를 변경할 때, 가로방향 절단의 빈도가 변경되어 최종 보강 섬유 다발들의 길이가 동일하게 유지되게 하도록 반송 디바이스들에 결합된다. 다른 바람직한 실시예에서, 가로방향 절단의 빈도는 반송 속도가 동일하게 유지될 때, 상이한 길이들의 보강 섬유 다발들이 제조될 수 있도록 반송 속도에 독립적으로 조정될 수 있다. 물론, 조정 가능성들의 조합이 본 발명에 의해 또한 포함되고, 예를 들어 이 조합에 대해 한편으로는 컨베이어 속도는 가로방향 절단의 빈도를 위한 조절된 양으로서 기능하지만, 가로방향 절단의 빈도는 설정 반송 속도에서 변경될 수 있다.
소정 길이 절단 유닛과 관련하여, 그 연장 방향에 대해 가로방향으로 보강 섬유들을 절단하기 위한 공지의 조립체들 및 방법들이 사용될 수 있다. 이 유형의 조립체들은 예를 들어 섬유들의 물 또는 공기 제트 절단을 위한, 레이저빔들에 의해 섬유들을 절단하기 위한 조립체들, 예를 들어 반송 방향에 가로방향인 공압식으로 구동되는 길로틴 나이프들(guillotine knives), 절단 롤러 및 카운터 롤러를 갖는 회전 가로방향 커터들, 또는 또한 회전 절단 블레이드들을 갖는 조립체들을 포함하고, 그 회전축은 부분 스트랜드들의 반송 방향으로 또는 최대 60˚, 바람직하게는 최대 20˚의 그에 대한 각도로 연장한다. 후자의 회전 절단 블레이드들은 예를 들어 DE 20 2010 017 556 U1호 또는 EP-A-2 351 880 A1호에 개시되어 있다. 바람직한 실시예에서, 블레이드들이 스트랜드의 다른측에서 상당한 카운터 압력을 인가하지 않고 절단될 보강 섬유들의 스트랜드에 대해 가압되는 회전 가로방향 커터가 사용된다. 이 방법은 탄소 섬유들 또는 유리 섬유들과 같은 취성 보강 섬유들의 경우에, 하중점에서 취성 파괴 및 따라서 보강 섬유들의 스트랜드의 간결한 소정 길이 절단을 유도한다. 이 유형의 조립체들은 예를 들어 이와 관련하여 개시 내용에 관한 참조가 명시적으로 이루어지는 EP-A-1 144 738호, EP-A-1 394 295호, EP-A-1 723 272호, 또는 WO 02/055770호에 설명되어 있다.
바람직한 실시예에서, 침착 디바이스는 소정 길이 절단 유닛 다음에 섬유 다발들을 멀리 운반하기 위한 디바이스를 반송 방향으로 갖는다. 이는 예를 들어 짧은 컨베이어 벨트일 수 있다. 섬유 다발들을 멀리 운반하기 위한 디바이스는 특히 바람직하게는 압축 공기에 의해 압축될 수 있는 노즐 헤드이고, 이 노즐 헤드는 섬유 다발들이 압축 공기에 의해 소정 길이 절단 유닛으로부터 제거될 수 있는 노즐 채널을 갖고, 노즐 헤드에서 수행될 수 있다. 이에 의해, 섬유 다발들은 표면 상에 증가된 속도로 침착될 수 있어, 즉 스프레이될 수 있어 섬유 프리폼을 제조한다. 이 목적으로, 벤츄리 노즐(Venturi nozzle)이 바람직하게는 압축 공기를 노즐 채널 내로 도입하기 위해 노즐 헤드의 노즐 채널 내에 배열된다.
다른 바람직한 실시예에서, 노즐 헤드는 매트릭스 재료를 노즐 채널 내로 도입하기 위한 수단을 갖는다. 본 발명에 따른 침착 디바이스의 이 유형의 실시예에서, 소정 길이 절단 섬유 다발들은 매트릭스 재료와 함께, 노즐 헤드를 거쳐 표면 상에 수행되거나 스프레이될 수 있다. 매트릭스 재료를 도입하기 위한 수단은 예를 들어, 벤츄리 노즐일 수 있는데, 이 벤츄리 노즐은 노즐 채널 내로 돌출하고 이 벤츄리 노즐을 거쳐 매트릭스 입자들이 노즐 채널 내로 도입된다. 그러나, 이는 또한 노즐 채널 내에 배열된 스프레이 노즐일 수 있는데, 이 스프레이 노즐에 의해 액체 매트릭스 재료가 스프레이 투입될 수 있다. 매트릭스 재료의 공급은 표면 상의 침착 디바이스에 의해 제조된 섬유 다발들의 침착 중에, 매트릭스 재료에 기인하는 서로에 대한 더 양호한 접착 및 따라서 서로간의 그리고 표면 상의 섬유 다발들의 더 양호한 접착을 실행하기 위해 유리할 수 있다.
마찬가지로, 서로에 대한 더 양호한 접착 및 따라서 서로간에 그리고 표면 상의 섬유 다발들의 더 양호한 고정의 견지에서, 따라서 다발들 상에 위치된 융합 가능한 결합제를 활성화하기 위해, 즉 용융된 상태로 되게 하기 위해, 섬유 다발들을 가열하는 것이 유리할 수 있다. 섬유 다발들이 제조될 섬유 프리폼의 표면에 접촉한 후에, 그리고 냉각 후에, 섬유 다발들은 재고화 결합제를 거쳐 고정된다. 이 목적으로, 본 발명에 따른 디바이스는 바람직한 실시예에서, 반송 방향으로 볼 때 소정 길이 절단 유닛 다음에 섬유 다발들을 가열하기 위한 수단을 갖는다. 고온 가스 스트림들, 가열된 주위 공기, 레이저 방사선, 적외선 방사선 등이 섬유 다발들을 가열하기 위한 수단으로서 고려될 수 있다.
침착 디바이스는 다음에 도면들의 개략 표현들을 경유하여 이하에 설명될 것이다. 도면들의 내용은 이하와 같다:
도 1은 침착 헤드를 갖는 침착 디바이스의 세그먼트의 측면도.
도 2는 도 1로부터의 침착 디바이스의 세그먼트의 등각도.
도 3은 관절 연결형 아암 로봇을 갖는 침착 디바이스의 도면.
도 2는 도 1로부터의 침착 디바이스의 세그먼트의 등각도.
도 3은 관절 연결형 아암 로봇을 갖는 침착 디바이스의 도면.
도 1은 침착 디바이스의 세그먼트의 개략도를 도시하고 있고, 여기서 침착 헤드(1)는 조인트(2)를 거쳐 제어 가능한 위치설정 유닛(3)에 연결된다. 결합제가 제공된 보강 섬유들의 리본형 스트랜드들(6)을 제공하기 위한 수단으로서 스풀들(5)을 위한 2개의 공급 디바이스들(4)이 이 경우에 침착 헤드(1)에 연결되고, 이 공급 디바이스들은 바람직하게는 제어 모터들에 의해 구동된다. 침착 헤드(1)와 공급 디바이스들 사이의 연결은 적합한 브래킷들(여기에는 도시되지 않음)을 사용하여 발생할 수 있다.
공급 디바이스들 상에 위치된 스풀들(5)로부터, 결합제가 제공된 보강 섬유들의 리본형 스트랜드들(6)이 풀려져서, 바람직하게는 볼록형으로 설계된 스프레더 롤러(7) 주위에 안내된다. 스프레더 롤러(7)에 의해, 스트랜드들(6)은 산포되고, 필요하다면 멀리 산포된다. 스프레더 롤러(7)의 볼록형 디자인에 기인하여, 스트랜드(6)의 측방향 안내가 동시에 실행될 수 있다.
스프레더 롤러(7)로부터, 스트랜드들(6)은 도 1의 침착 디바이스 내에 종동 롤러쌍을 포함하는 제 1 반송 디바이스(8)로 공급된다. 이 목적으로, 하부 롤러(9)는 스트랜드들(6)의 반송이 슬립 없이 발생할 수 있도록 고무 코팅을 구비한 상부 롤러(11)에 대해 인장 디바이스(10)에 의해 가압된다.
제 1 반송 디바이스(8)를 통해 통과한 후에, 스트랜드들(6)은 길이방향 분할 디바이스(12)에 공급되고, 여기서 스트랜드들(6)은 그 연장 방향을 따라 부분 스트랜드들(13)로 절단된다. 복수의 회전 분할 디스크들(14)의 배열은 이 목적을 담당하고, 이 디스크에 대해 분할될 스트랜드들(6)은 2개의 힘-제어형 유지 롤러들(15)에 의해 규정된 힘으로 가압된다. 길이방향 분할 디바이스(12) 내에 얻어진 부분 스트랜드들(13)은 종동 롤러쌍으로서 마찬가지로 구현되는 제 2 반송 디바이스(16)로 공급된다. 제 2 반송 디바이스(16)의 반송 속도가 제 1 반송 디바이스(8)의 반송 속도보다 약간 높게 설정되게 제 2 반송 디바이스(16)와 제 1 반송 디바이스(8) 사이의 속도차를 설정함으로써, 규정된 장력이 스트랜드들(6) 및 부분 스트랜드들(13)에 인가될 수 있고, 이에 의해 향상된 절단 결과가 길이방향 분할 디바이스(12)에 얻어진다.
제 2 반송 디바이스(16)의 하부 롤러(17)는 절단 롤러(19) 및 카운터 롤러(17)를 포함하는, 본 예에서 회전 가로방향 커터로서 구현된 소정 길이 절단 유닛(cut-to-length unit)(18)을 위한 카운터 롤러로서 동시에 역할을 한다. 소정 길이 절단 유닛(18)에서, 부분 스트랜드들(13)은 규정된 길이를 갖는 보강 섬유 다발들 또는 섬유 다발들(20)로 절단된다. 소정 길이 절단 섬유 다발들(20)은 노즐 헤드(21)에 의해 소정 길이 절단 유닛으로부터 취해져서, 섬유 프리폼을 형성하기 위해 표면 상으로 고속으로, 압축 공기에 의해 압축된 노즐 헤드(21)의 노즐 채널을 거쳐 스프레이된다.
도 2는 공간적 배열의 설명, 특히 침착 헤드의 요소들의 설명을 위해, 도 1에 도시된 침착 디바이스의 세그먼트의 사시도를 도시하고 있고, 여기서 도면들에서의 동일한 도면 부호들은 디바이스 내의 동일한 요소들에 관련된다.
도 3은 기계 베이스(22) 상에 위치된 관절 연결형 아암 로봇(23)을 갖고, 이 아암의 단부에는 침착 헤드(1)가 조인트(24)를 거쳐 장착되어 있고, 이 조인트를 거쳐 침착 헤드가 섬유 프리폼을 제조하기 위해 사용된 성형체의 표면(25)에 대해 복수의 축들에서 이동될 수 있는 본 발명에 따른 디바이스의 실시예를 도시하고 있다. 이에 의해, 침착 헤드(1) 상에 길이방향 분할 디바이스(12) 및 소정 길이 절단 유닛(18)에 의해 얻어지고 노즐 헤드(21)를 거쳐 적용된 섬유 다발들(20)은 제조될 섬유 프리폼 또는 그로부터 제조될 복합재 부품의 구조의 요건들에 따라 표면(25) 상에 규정된 트랙들로 스프레이될 수 있다.
1: 침착 헤드 2: 조인트
3: 위치설정 유닛 4: 공급 디바이스
5: 스풀 6: 리본형 스트랜드
7: 스프레더 롤러 8: 제 1 반송 디바이스
12: 길이방향 분할 디바이스 21: 노즐 헤드
3: 위치설정 유닛 4: 공급 디바이스
5: 스풀 6: 리본형 스트랜드
7: 스프레더 롤러 8: 제 1 반송 디바이스
12: 길이방향 분할 디바이스 21: 노즐 헤드
Claims (11)
- 표면 상에 보강 섬유 다발들의 제어된 침착을 위한 침착 디바이스로서,
- 침착 헤드와 제어 가능한 위치설정 유닛을 포함하고, 상기 제어 가능한 위치설정 유닛은 상기 침착 헤드에 연결되고 상기 침착 헤드가 상기 제어 가능한 위치설정 유닛에 의해서 상기 표면에 대해 이동될 수 있으며,
- 상기 침착 디바이스는 또한
- 결합제가 제공된 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 제공하기 위한 수단, 및
- 결합제가 제공된 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 상기 침착 헤드 상에 반송하기 위해 상기 침착 헤드 상에 배열된 제 1 반송 디바이스를 갖는, 상기 침착 디바이스에 있어서,
- 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드를 산포하기 위한 수단이 반송 방향으로 볼 때 상기 제 1 반송 디바이스의 전방에서 상기 침착 헤드 상에 배열되고,
- 상기 침착 헤드는 상기 반송 방향으로 볼 때, 상기 제 1 반송 디바이스 다음에 배열된 제 2 반송 디바이스를 갖고,
- 상기 침착 헤드는 상기 제 1 및 제 2 반송 디바이스들 사이에 배열되고 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드를 길이방향을 따라 2개 이상의 부분 스트랜드들로 분할하기 위한 적어도 하나의 분할 요소를 갖는 길이방향 분할 디바이스를 갖고,
- 소정 길이 절단 유닛이 상기 2개 이상의 부분 스트랜드들을 섬유 다발들로 소정 길이 절단하기 위해 상기 반송 방향으로 상기 제 2 반송 디바이스 다음에 배열되는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스. - 제 1 항에 있어서, 상기 길이방향 분할 디바이스는 다수의 분할 요소들을 갖고, 상기 분할 요소들에 의해 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 2개 초과의 부분 스트랜드들로 절단될 수 있는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 반송 디바이스는 복수의 롤러들로 이루어지고, 상기 롤러들에 의해 상기 적어도 하나의 스트랜드가 운반될 수 있는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 반송 디바이스는 블로잉 디바이스를 포함하고, 상기 블로잉 디바이스에 의해 결합제가 제공된 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 연속적인 리본형 스트랜드가 반송될 수 있는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 길이방향 분할 디바이스의 적어도 하나의 분할 요소는 회전형 분할 디스크인 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 길이방향 분할 디바이스는 힘-제어형 유지 디바이스를 포함하고, 상기 유지 디바이스에 의해 상기 적어도 하나의 분할 요소 및 길이방향을 따라 분할될 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 스트랜드가 규정된 힘으로 서로에 대해 가압될 수 있는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반송 방향으로 상기 소정 길이 절단 유닛 다음에 있는 상기 섬유 다발을 가열하기 위한 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반송 방향으로 상기 소정 길이 절단 유닛 다음에 상기 섬유 다발들을 멀리 운반하기 위한 디바이스를 갖는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 8 항에 있어서, 상기 섬유 다발들을 멀리 운반하기 위한 상기 디바이스는 압축 공기로 압축될 수 있는 노즐 헤드이고, 상기 노즐 헤드는 노즐 채널을 구비하고 상기 섬유 다발들이 상기 노즐 채널을 경유하여 압축 공기에 의해 상기 노즐 헤드로부터 멀리 운반될 수 있는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 9 항에 있어서, 벤츄리 노즐이 상기 압축 공기를 상기 노즐 채널 내로 도입하기 위해 상기 노즐 채널 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
- 제 9 항에 있어서, 상기 노즐 헤드는 매트릭스 입자들을 상기 노즐 채널 내로 도입하기 위한 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 침착 디바이스.
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