KR-20260061174-A - 직조 테이프를 이용한 프리폼 생산을 위한 자동 증착법

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Abstract

본 발명은 보강 섬유로부터 프리폼을 생산하기 위한 자동 증착법에 관한 것으로, 이에 필요한 보강 섬유가 직조 테이프 내에 존재하므로 이러한 직조 테이프가 자동 증착법의 가공 재료로서 사용된다.

Inventors

로베 율리안
테르 슈테이흐 빌렘
크라바예프 플라멘
오사키 코헤이
리히터 베라
슈톨츠 요하네스

Assignees

테이진 카르본 오이로페 게엠베하

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20240829
Priority Date: 20230906

Claims (15)

섬유-보강 부품(fiber-reinforced component) 제작용 프리폼(preform)을 생산하기 위한 자동 제조 방법으로서, 상기 제조 방법에서, 보강 섬유 재료가 로봇 제어에 의해 소정의 경로를 따라 도구 표면 위에 증착되며, 상기 보강 섬유 재료가 보강 섬유이고, 상기 보강 섬유가, 경사 스레드(warp thread)(3) 및 위사 스레드(weft thread)(2)를 갖는 직조 테이프(woven tape)(1) 형태이고, 상기 직조 테이프가 단일 경사 층 및 단일 위사 층만을 갖고 상기 경사 스레드 및 상기 위사 스레드가 각각 이들의 층 내에서 축 방향으로 정렬되어 있고, 상기 프리폼이 상기 직조 테이프(1)의 자동 증착에 의해 형성됨을 특징으로 하는, 자동 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법에서, 보강 섬유를 경사 스레드(3)로서 갖는 직조 테이프(1)가 사용되고, 탄소 섬유가 바람직하게는 보강 섬유로서 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방법에서, 열가소성 재료로 만들어진 위사 스레드(2)를 갖는 직조 테이프(1)가 사용되고, 바람직하게는 상기 열가소성 재료가 폴리아미드 및/또는 폴리에스테르로 이루어지는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 섬도가 50tex 내지 4000tex, 바람직하게는 700tex 내지 1700tex인 얀을 갖는 직조 테이프(1)가 상기 경사 스레드(3)에 대해 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 섬유 면적 중량이 25g/㎡ 내지 1000g/㎡인 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 섬도가 20dtex 내지 400dtex, 바람직하게는 30dtex 내지 150dtex인 얀을 갖는 직조 테이프(1)가 상기 위사 스레드(2)에 대해 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 능직, 평직 및/또는 새틴직, 및 이들의 유도체를 갖는 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 0.25개 스레드/cm 내지 5개 스레드/cm, 바람직하게는 0.5개 스레드/cm 내지 4개 스레드/cm의 위사 스레드 밀도를 갖는 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 적어도 한쪽 면 위에서 부직포 재료로 연결되어 있는 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 적어도 한쪽 면 위에 바람직하게는 0.25% 내지 5%의 면적 중량-관련 매트릭스 재료 함량을 갖는 매트릭스 재료로 코팅되어 있는 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 상기 보강 섬유가 상기 경사 스레드(3)와의 융착 접합(fusion bonding)에 의해서도 연결되어 있는 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 상기 직조 테이프(1)의 상기 위사 스레드(2)를 통한 융착 접합을 통해 프리폼을 형성하기 위해 추가의 층들에 연결되어 있는 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서, 너비가 6mm 내지 80mm 범위인 직조 테이프(1)가 사용되는, 자동 제조 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 자동 제조 방법으로 생산된, 프리폼.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 자동 제조 방법에서 사용하기 위한, 직조 테이프.

Description

직조 테이프를 이용한 프리폼 생산을 위한 자동 증착법 본 발명은 프리폼(preform) 생산을 위한 자동 증착법(automatic deposition method)에 관한 것이다. 자동 증착법, 예를 들어, 건식 섬유 배치(Dry Fiber Placement)(DFP)법이 일반적으로 알려져 있다. 이러한 방법은 섬유-보강 부품(fiber-reinforced component) 제작용 프리폼을 생산하기 위한 완전 자동화 제조 공정이다. 로봇이 제어하는 대부분 단방향인 섬유-보강 테이프가 소정의 경로를 따라 주로 3차원 도구 표면 위에 증착된다. 개별 층들은 주로 분말형 바인더 재료에 의해 압력 및 온도를 사용하여 서로 정착되어, 균일하고 취급이 용이한 섬유 프리폼이 생성된다. 건식 섬유 배치는 건식 프리폼의 부가적인 자동화 생산을 위한 기술이다. 사용되는 UD 테이프는 대부분 바인더로 정착되며, 이는 거의 최종 형상에 가깝게 하중 경로 방향의 방식으로 부품 표면 위에 직접 증착된다. 이는 폐기물을 줄이고 재료를 효율적으로 활용할 수 있게 한다. 건식 프리폼의 통합(consolidation)은 이후 매트릭스 주입 공정을 통해 수행된다. US 10,406,798로부터, 프리폼 생산 방법이 개시되어 있다. 상기 문헌에는 AFP(자동화 섬유 배치(Automated Fiber Placement))를 이용하여 프리폼을 형성하는 방법이 개시되어 있으며, 여기서, 섬유 다발들이 다른 방향으로 서로의 상부에 증착된 후 니들 펀칭을 이용하여 연결된다. 문헌 US 10,583,615에서, ATL(자동화 테이프 적층(Automated Tape Laying))법 또는 AFP법을 위한 테이프 재료가 제안되어 있다. 테이프 재료는, 한쪽 면에 부착된 부직포 재료(nonwoven material)가 제공된 UD 섬유 층으로 이루어진다. 또한, UD 섬유 층의 양쪽 면 위에 적어도 하나의 바인더 재료가 분포되어 있다. UD 섬유 층을 위한 섬유 재료로는 탄소 섬유가 제안되었다. 바인더 및 부직포 재료를 사용함으로써, UD 층의 섬유는 부품 생산 과정에서 이의 위치에 정착되어야 한다. 지금까지 알려진 선행 기술에서는, 결과적으로 넓은 단방향(unidirectional)(UD) 직물(fabrics)을 생산한 후, 예를 들어 이를 DFP 재료의 최종 너비를 갖는 스트립 형태로 절단한다(소위, 슬리팅(slitting)). DFP 직물의 개별 섬유 스트랜드의 응집(cohesion)을 위해, 예를 들어 부직포 및 바인더 분말이 요구된다. 슬리팅 공정은 비용이 발생하기 때문에 이러한 재료는 일반적으로 비교적 고가이다. 재료가 매우 조밀하기 때문에, 섬유 스트랜드가 매우 선형으로 놓여 있어(straight-lying) 이들 재료의 투과성(permeability)이 낮으므로, 부품 생산을 위한 침투 공정에서 상기 재료를 매트릭스 재료로 이후에 함침시키는 것이 어려운 경우도 많다. 본 발명의 목적은 알려진 선행 기술의 이러한 단점을 줄이거나 없애는 것이었다. 이러한 목적은 청구항 1에 따른 방법을 통해 달성된다. 청구항 1에 따른 방법에서, 프리폼이 자동 증착법에서 보강 섬유로부터 형성되며, 이에 필요한 보강 섬유는 직조 테이프에 존재하므로 상기 직조 테이프는 자동 증착법에서 가공 재료로서 사용된다. 또한, 직조 테이프는 일반적으로 신규한 것이 아니다. 예를 들어, 문헌 EP 0193478에는, 경사(warp) 방향으로 보강 섬유를 갖고 위사(weft) 방향으로 열가소성 재료로 이루어진 이성분 스레드(bicomponent thread)를 갖는 직조 테이프가 개시되어 있다. 문헌 US 5,662,146으로부터, 가연(twisting) 없이 직물 내에 존재하도록 의도된 평평한 탄소 섬유의 직물이 추가로 알려져 있다. EP 0909845로부터, 특히 두꺼운 탄소 섬유 얀(yarn)을 사용하는 단방향 탄소 섬유 직물이 알려져 있다. 문헌 US 4,680,213에서, 경사 스레드로서의 보강 섬유를 갖고, 위사 스레드에는 사용된 보강 섬유의 재료로 만들어진 코어를 갖는 이성분 스레드를 갖는, 직물이 개시되어 있다. 상기 개시된 직물은 텍스타일(textile) 재료로서 직접 사용하기 위한 것이며, 재료에 대한 증착 공정은 제공되지 않는다. 또한 문헌 US 6,009,605에는 방사형 위사 얀을 갖는 곡면 테이프의 생산이 개시되어 있다. 탄소 섬유를 테이프용 섬유 재료로서 사용할 수 있다. 상기 문헌에 따라, 상기 재료는 봉제되고, 금형에 권취되어 프리폼을 형성한다. FR 3 066 429에는 3차원(3D) 또는 다층 직조(weaving)에 의한 섬유 프리폼의 생산이 개시되어 있다. 이러한 방식으로 직조된 섬유 구조는 생산될 부품의 형상에 맞는 사출 금형에 권취된다. 게다가, DE 10 2011 102 950에는 탄소 섬유를 함유하는 섬유 다발 또는 섬유 테이프를 가열하는, 텍스타일 프리폼을 생산하는 장치 및 방법이 개시되어 있다. 이러한 가열은 바인더를 활성화시켜, 섬유 테이프 또는 섬유 다발이 프리폼에 정착된다. 보강 섬유를 갖는 직조 테이프를 프리폼 생산을 위한 자동 증착법에서 사용하는 것이 가능하며 우수한 결과를 얻을 수 있다는 점은 놀라우며 예측할 수 없던 사실이었다. 도 1은 DFP법에서 사용하기 위한 직조 테이프를 개략적으로 보여준다. 바람직하게는, 자동 증착법은 건식 섬유 배치법(Dry-Fiber-Placement method)(DFP법)이다. 바람직하게는, 상기 방법은 소위 건식 프리폼을 생성한다. 결과적으로, 직조 테이프를 가공 재료로서 사용하는 본 발명은, 가공 재료를 원하는 너비로 이미 생산할 수 있다는 이점이 있으며, 협폭 직물에서 보강 스레드는 약간 펼쳐져 있게 된다. 따라서, 단방향 섬유 층을 원하는 너비로 슬리팅하는 선행의 일반적인 추가의 단계가 생략된다. 게다가, 가공 재료의 함침성(impregnability)은 직물의 디자인에 영향을 받을 수 있으므로, 이는 다양한 직물 매개변수(예를 들어, 직조 유형, 스레드 밀도, 경사 및 위사의 스레드 섬도(fineness))를 통해 제어 및 조정될 수 있다. 유리하게는, 가공 재료의 비용 또는 가용성을 크게 변경하지 않고도 가공 재료의 너비 및 함침성을 프리폼에 더 우수하게 적응시키는 방법이 제공된다. 이하, "가공 재료(processing material)", "재료", "협폭 직물(narrow fabric)", "직조 테이프(woven tape)" 및 "리본 직물"이라는 용어는 동의어로 사용된다. 그러나, 이들 용어는 보강 섬유(경사 및/또는 위사 스레드로서)가 다른 섬유(이는 경사 또는 위사 스레드임)와 교직(interweaving)된 재료를 의미하며, 교직은 경사 스레드의 위아래로 교대로 제어된 위사 스레드를 포함한다. 평직 테이프(flat woven tape)에서, 직조 테이프는 단일 경사 층 및 단일 위사 층만을 갖고, 이들은 직조 연결에 의해 서로 연결된다. 3D 직조 테이프는 일반적으로 하나 이상의 경사 층 및/또는 하나 이상의 위사 층을 가지므로 이는 평직 테이프가 아니다. 본 발명의 자동 증착법을 위한 직조 테이프는, 경사 스레드 및 위사 스레드가 각각 이의 층 내에서 축 방향으로 정렬되어 있음을 추가로 특징으로 한다. 축 방향 정렬에서, 층 내의 섬유들은 방사형으로 배열되어 있지 않고 직선 축을 따라 배열되어 있다. 바람직하게는, 본 방법에 필요한 협폭 직물은 바람직하게는 니들 직기(needle loom machine)를 사용하여 테이프 직조 공정에서 생산된다. 경사 얀은 바람직하게는 크릴(creel) 위에 있으며 위사 스레드는 니들을 사용하여 측면으로부터 도입된다. 바람직하게는, 2개의 셀비지 스레드(selvedge thread)는 협폭 직물로도 혼입되며, 이는 협폭 직물의 측면 경계를 규정하며 스티치-형성 공정에서 상기 도입된 위사 스레드를 한쪽 면에 정착시킨다. 셀비지 스레드를 사용하는 대신, 경사 및 위사의 교차점에서 마찰 결합을 발생시켜, 본질적으로 안정적인 협폭 직물을 얻을 수 있다. 결과적으로, 협폭 직물 자체의 안정화를 위해 바인더 또는 부직포가 필요하지 않아, 협폭 직물은 특히 드레이핑이 가능해진다. 따라서, 일양태에서, 협폭 직물은 추가의 매트릭스 재료 층 및 그 위에 놓인 부직포 재료가 없다. 일양태에서, 직조 테이프의 경사 스레드는 보강 섬유이다. 바람직하게는, 직조 테이프는 경사 스레드로서 탄소 섬유를 갖는다. 그러나, 아라미드 섬유 또는 유리 섬유, 또는 전술된 재료들의 혼합물 또한 보강 섬유로서 사용될 수 있다. 일양태에서, 직조 테이프의 위사 스레드는 열가소성 재료 및/또는 탄소 및/또는 유리로 이루어진다. 바람직하게는, 직조 테이프의 위사 스레드는 폴리아미드, 폴리에스테르, 탄소(탄소 섬유 형태임) 및/또는 유리(유리 섬유 형태임)로 이루어진다. 일양태에서, 직조 테이프는 섬도가 50tex 내지 4000tex, 바람직하게는 700tex 내지 1700tex인 경사 스레드를 갖는다. 일양태에서, 직조 테이프는 섬도가 20dtex 내지 400dtex, 바람직하게는 30dtex 내지 150dtex인 위사 스레드를 갖는다. 위사 스레드는 경사 방향에서 보강 섬유보다 실질적으로 더 가늘기 때문에, 직조 테이프는 기계적으로 단방향 테이프 재료의 특성을 갖지만, 이의 단점(제한된 너비 가용성, 부직포를 통한 또는 매트릭스 재료와의 접착을 통한 테이프 내 보강 섬유의 정착)은 없다. 일양태에서, 직조 테이프는 25 내지 1000g/㎡, 보다 바람직하게는 50 내지 800g/㎡, 특히 바람직하게는 180 내지 750g/㎡, 가장 특히 바람직하게는 250 내지 650g/㎡, 또한 바람직하게는 50 내지 100g/㎡의 섬유 면적 중량을 갖는다. 일양태에서, 직조 테이프는 위사 스레드로서 2성분 재료를 갖는다. 예를 들어, 위사 스레드는 코어-쉬스 얀(core-sheath yarn)으로 이루어질 수 있으며, 코어는 쉬스보다 융점이 높은 재료로 이루어진다. 그러나, 위사 스레드는 서로 다른 섬유로부터 형성될 수도 있다. 예를 들어, 위사 스레드는 적어도 두 가지의 다른 섬유 유형을 가질 수 있으며, 이러한 섬유 유형은 적어도 융점이 서로 다르다