KR101856113B1 - 섬유 스트립을 도포하기 위한 도포 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도포 영역(3)으로 여러 섬유 스트립(2)을 전달하는 경로를 결정하는 구조적 조립체로 구성된, 섬유 스트립을 도포하기 위한 도포 헤드에 관한 것으로, 각각의 섬유 스트립(2)은 구동 롤러(5)와 장력 조절기(6)를 통과하고, 도포 영역(3)에서 섬유 스트립들(2)은 일련의 독립적인 부분 롤러들(9)을 포함하는 콤팩터 시스템(8)에 의해 개별적으로 눌러지며, 각각의 부분 롤러는 높이 방향 이동 시스템과 플로팅 시스템을 포함하는 고정 수단을 구비하여 배치된다.

Description

섬유 스트립을 도포하기 위한 도포 헤드{Application head for applying fiber strips}

본 발명은 탄소 섬유 스트립, 섬유 유리 스트립 또는 이와 유사한 다른 섬유로 만들어진 스트립을 도포하는 장치에 관한 것으로, 작업 기능 및 도포 표면 적응을 최적화하는 특성을 갖는 상기 기능에 있어서 섬유 스트립을 도포하기 위한 도포 헤드에 관한 것이다.

풍력 에너지 분야 또는 항공 분야 등의 분야에서, 섬유 유리, 탄소 섬유 또는 다른 유사한 섬유로 만들어지는 대형 부품에 대한 현재 수요를 고려할 때, 품질 및 생산성 수준을 향상시키기 위하여 상기 부품을 제조하기 위한 프로세스를 자동화할 수 있는 기계의 개발이 필요하다.

그런 의미에서, 본 발명과 동일한 출원인에 의한 Ingersol Milling Machine Company의 미국특허 US 4,696,707, Cincinati Milacon Inc. 유럽특허 EP 0 333 010, 스페인특허 ES 9302506 및 ES 9402102 에 기술된 것과 같은 섬유 스트립을 도포하기 위한 도포 헤드가 개발되었다.

상기 헤드는 형성될 전체 표면을 덮을 때까지 측면 진행으로 연속 도포를 반복하면서, 섬유 스트립 또는 밴드를 도포하여, 그 때문에 도포되는 스트립 또는 밴드가 최소의 도포 패스(passes)로 전체 도포 표면을 덮기 위해 넓어질 수 있으므로, 부품의 가장자리를 형성하기 위한 트리밍 작업을 수행하는 동안 과도한 재료 소모가 발생하거나, 또는 좁은 스트립을 사용하여 더 적은 재료가 소모되도록 할 수 있지만, 대조적으로 더 많은 도포 패스가 요구되어 작업 시간을 증가시켜 수율(yield)이 감소하는 단점을 갖는다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명과 동일한 출원인에게 속한 스페인 특허 ES 200200524 및 ES 200401853 에서와 같이, 다수의 섬유 스트립을 도포하기 위한 도포 헤드가 개발되어 있으므로, 일련의 좁은 섬유 스트립이 각 패스마다 도포될 수 있었다. 여기서, 그 스트립들은 함께 광범위한 도포 면적을 결정하고, 각 스트립의 공급은 다른 스트립의 공급과 독립적이다.

한편, 도포 표면의 작은 변형을 흡수할 수 있는 섬유 스트립을 도포하기 위해 도포 헤드에 탄성 롤러를 사용하는 것은 알려져 있고, 도포된 섬유 스트립에 큰 압축 압력(compaction pressures)을 가할 수 있는 분할된(segmented) 도포 롤러도 알려져 있다.

상기 시스템은 현저한 볼록 곡선뿐만 아니라 평면 표면이나 약간 굽은 표면에 매우 효율적이다. 왜냐하면, 작업 롤러가 완전히 도포 표면과 접촉되지 않는 경우에도, 중앙 부분은 표면에 접촉되어, 밴드 폭의 일부만으로도 작동할 수 있기 때문이다. 그러나, 현저한 오목면을 가지는 표면상에, 상기 롤러를 가지고 압축하는 것은 그의 충분한 변형이 불가능하기 때문에 가능하지 않다.

본 발명은 다수의 섬유 스트립을 도포하기 위한 도포 헤드를 제안함으로써, 상당한 높이 차이가 있는 도포 표면의 섹션들이 압축 과정에 부정적인 영향을 주지 않고 동시에 압축할 수 있어, 평평한 표면 및 광범위한 곡률(curvatures)을 가지는 볼록 또는 오목 곡선 표면 모두에 섬유 스트립을 도포할 수 있다.

본 발명의 도포 헤드는 일련의 섬유 스트립이 도포 영역으로 패스되며, 높이 방향으로 이동하도록 배열된 조립체(assembly)를 구성하며, 축방향에 연속적으로 배치된 다수의, 짧은 독립적인 부분 롤러들로 구성된 콤팩터 시스템(compactor system)이 배열되어 있고, 각 롤러들은 고정 수단에 의해 지지되며, 그 고정 수단은 모터에 의해 작동되어 높이 방향으로 이동하는 시스템과, 공압 실린더로 구성된 플로팅(부유) 보상 시스템을 포함하여 구성된다.

따라서, 섬유 스트립이 상기 콤팩터 시스템의 부분 롤러들에 의하여 도포 영역에 개별적으로 눌러지는 헤드를 얻게 되므로, 상기 도포 영역 내 대응하는 섬유 스트립의 압축 압력(compaction pressure)을 행사하기 위하여, 상기 조립체가 전체 헤드를 수직으로 이동시킴으로써 상기 도포 표면에 더 가까이 이동할 수 있으며, 상기 부분 롤러들은 각 롤러의 지지부의 높이 방향 이동을 위한 시스템에 의해 도포를 수행하여야 하는 도포 영역 상에 개별적으로 위치되며, 반면에 도포 작업 중, 각각의 롤러는 압축(compaction)에 나쁜 영향을 주지 않고 상기 플로팅 보상 시스템에 의해 도포 표면의 불규칙성을 흡수할 수 있다.

콤팩터 시스템의 부분 롤러들은 내부에 세로 구멍들(longitudinal holes)을 갖는 엘라스토머 재료로 만들어지므로, 상기 롤러들은 더욱 신축성이 있게 되어 상기 롤러들이 누르는 섬유 스트립의 도포의 균일성을 향상시킨다.

더욱이, 콤팩터 시스템의 부분 롤러들은 두 개의 평행한 행으로 지그재그 종방향 분포상으로 배열되어 있고, 이는 매우 좁은 섬유 스트립을 도포 가능하게 하여, 상기 부분 롤러들이 도포 작업에서 서로 측방향으로 접한다.

한편, 도포 영역까지 헤드를 통한 섬유 스트립의 경로에서, 각 섬유 스트립의 통로와 관련하여 장력 조절기(즉, 텐션 조절기)와 결합된 구동(드라이브) 롤러가 배치되고, 상기 장력 조절기는 위치 센서와 함께 제공된 선형 디스플레이서(displacer)와 연관된 해당 섬유 스트립의 통로를 위한 롤러를 포함한다.

따라서 섬유 스트립의 장력의 모든 변화는 상기 장력 조절기에 의해 인지된다. 장력 조절기는 섬유 스트립의 장력을 복구하고 그 장력을 설정 값으로 복구하기 위하여 상기 구동 롤러의 속도를 변화시키는 신호를 생성한다. 이로써, 헤드를 통과하는 섬유 스트립의 공급시 완벽한 균일성이 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 경련을 일으키거나 스트립에 과도한 장력을 가하지 않고 공급되도록 조절하는 예비 저장(reserve storage)을 달성할 수 있으므로, 각 도포의 섬유 스트립의 필요량이 계산될 수 있거나 어떤 경우에 릴의 필요한 변화를 최소화할 수 있는 대형 릴로부터 섬유 스트립을 공급하도록 한다.

전술의 관점에서, 본 발명의 헤드는 같은 기능에 사용되고 있는 공지된 헤드에 대해 개성(identity)과 바람직한 특징(character)을 구비하며, 의도하는 대로 섬유 스트립을 도포하기 위한 유리한 특성을 갖는다.

도 1은 도포하기 위한 섬유 스트립을 스레딩(threading) 하기 위한 개방 위치에서의 본 발명의 헤드의 사시도이다.
도 2는 헤드의 정면 단면도로서, 헤드를 통해 관찰되는 섬유 스트립의 경로를 도시한다.
도 3은 최대 고도의 위치에 있는 롤러의 높이 방향 이동을 위한 시스템을 구비한, 콤팩터 시스템의 전면 행에 있는 부분 롤러의 조립체의 배열의 확대 세부 단면도이다.
도 4는 아래쪽으로 배치된 상기 롤러의 높이 방향 이동을 위한 시스템을 구비한, 콤팩터 시스템의 후면 행에 있는 부분 롤러의 조립체의 배열의 확대 세부 단면도이다.
도 5는 섬유 스트립의 도포 표면에 대해 분리된 초기 준비 위치에 있는 헤드의 도면이다.
도 6은 섬유 스트립의 도포 표면에 더 가까이 이동하는 위치에 있는 헤드의 도면이다.
도 7은 섬유 스트립의 도포 표면에 압축 시스템을 적응시키는 위치에 있는 헤드의 도면이다.
도 8은 중간 위치에 있는 장력 조절기의 선형 디스플레이서를 구비한 섬유 스트립 장력 제어 시스템의 상세도이다.
도 9는 종단 위치에 있는 도 8의 섬유 스트립 장력 제어 시스템의 상세도이다.
도 10은 반대편 종단 위치에 있는 도 8의 섬유 스트립 장력 제어 시스템의 상세도이다.
도 11은 본 발명의 헤드를 구비한 섬유 스트립을 도포하기 위한 기계의 사시도이다.
도 12는 섬유 스트립을 제공하는 릴이 위치한 측면에서 본 도 11의 기계의 측면도이다.

발명의 대상은 섬유 스트립과 겹쳐 다층구조를 이루기 위한 라이닝에 의해 복합재료 부품을 형성하기 위하여 유리 섬유 스트립, 탄소 섬유 스트립 또는 기타 유사한 섬유로 만든 스트립을 도포하기 위한 헤드에 관한 것으로, 특히 헤드의 각 도포(패스)시 폭 넓은 도포 영역을 결정하는 여러 좁은 섬유 스트립을 동시에 도포하는 유형의 헤드에 관한 것이다.

제안된 헤드는 높이 방향 이동을 위한 용량을 갖는 조립 설치를 위한 구조적 조립체를 포함하며, 상단 부분에서 도포 영역(3)까지 여러 섬유 스트립(2)의 통로가 설정되는 하나의 중앙 블록(1)과, 상기 중앙 블록(1)과 결합되는 헤드를 통해 상기 다수의 섬유 스트립(2)의 통과 경로에서 상기 섬유 스트립(2)을 스레딩(threading)하기 위해 바깥쪽으로 선회될 수 있는(swiveled) 측면 블록들(4)을 포함한다.

헤드를 통한 상기 섬유 스트립(2) 각각의 경로는 구동 롤러(5)를 통한 통로와 장력 조절기(6)를 통한 통로, 뿐만 아니라 상기 도포 영역(3)에서 종료하기 위한 회전 커팅 시스템(7)을 통한 통로를 포함하며, 콤팩터 시스템(8)은 도포 표면에 각 섬유 스트립(2)을 개별적으로 프레스(press)하는 것을 특징으로 한다.

콤팩터 시스템(8)은 축 대응과 무관하게 위치하는 일련의 부분 롤러들(9)을 포함하며, 도포 표면에 개별적으로 압박되는 섬유 스트립(2)은 각 롤러를 통과한다. 도포시 측방향으로 접하는 매우 좁은 섬유 스트립(2)을 하나로 도포할 수 있게 하기 위하여, 콤팩터 시스템(8)의 부분 롤러(9)는 두 개의 평행한 행으로 지그재그 방식으로 배열되어 있어, 섬유 스트립들(2)은 도 2에 도시된 바와 같이, 헤드를 통한 두 개의 서로 다른 경로 영역에서 상기 두 행의 부분 롤러(9)에 공급된다.

헤드 내의 조립체 배열에서, 콤팩터 시스템(8)의 각 부분 롤러(9)는 지지부(10)(support)와 통합되어 있으며, 이 지지부(10)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 높이 방향으로 이동할 수 있고, 회전 모터(14)에 의해 작동되는 수직 스핀들(13)에 대해서 너트(12)에 의해 차례로 결합되는 공압 실린더(11)에 부착되어 있다.

공압 실린더(11)는 공압 시스템에 연결되어 있고, 상기 공압 시스템은 세로 방향 경로의 중간 위치에 공압 실린더(11)의 피스톤을 유지하는 자동 제어에 의해 조절되며, 상기 중간 위치에 대한 피스톤의 편차를 검출하고 상기 중간 위치를 복구하도록 상기 공압 시스템을 작동시키는 위치 센서(15)를 구비한다.

따라서, 콤팩터 시스템의 부분 롤러들(9)은 섬유 스트립(2)을 도포 표면에 도포하기 위한 세 가지 수직 이동을 수행하여, 도 5에 도시된 바와 같이 작업 표면(16)에 대해서 헤드를 분리한 준비 위치로부터 출발하고, 도 6에 도시된 바와 같이 콤팩터 시스템(8)이 작업 표면(16)에 대응하게 상기 작업 표면(16)과 대향 위치가 되도록 헤드 조립체를 이동시킴으로써 상기 헤드 조립체가 상기 작업 표면(16)에 더 가까이 이동되고, 그런 후에 상기 부분 롤러(9)의 각각의 개별적인 수직 운동에 의하여, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 작업 표면(16)의 구조에 따라서 콤팩터 시스템(8)이 상기 작업 표면(16)에 적응된다.

그러므로, 헤드는 현저한 오목 형상의 작업 표면(16)에 조차 섬유 스트립(2)을 완벽하게 효율적으로 도포하는데 이용할 수 있다. 이는 상기 부분 롤러들(9) 각각의 개별적이고 독립적인 위치 지정이 콤팩터 시스템(8)의 조립체를 극히 가변적인 방식으로 모든 유형의 평면이나 곡선 모양으로 적응 가능하게 할 수 있기 때문이다.

섬유 스트립들(2)의 도포에서, 각 부분 롤러(9)의 지지부의 공압 실린더(11)는 보상 쿠션의 기능을 더 수행하여, 섬유 스트립(2)의 도포 균일성을 변경할 수 있는 돌발 사건을 일으키지 않고 상기 가능한 불규칙성을 극복하기 위하여 상기 작업 표면(16)의 예상되는 불규칙성을 흡수할 수 있도록 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 부분 롤러들(9)은 엘라스토머 재료로 구성되고 내부에 세로 구멍들이 제공되어, 상기 부분 롤러들(9)은 매우 탄성이 있으므로, 그에 따라 도포 작업이 수행되는 작업 표면(16)상에 섬유 스트립(2)의 도포 균일성을 이루는데 유리하다.

장력 조절기(6)는 임의의 유형으로 될 수 있는 선형 디스플레이서(17)를 포함하며, 해당 섬유 스트립(2)이 통과하는 롤러(18)와 통합되고, 상기 선형 디스플레이서(17)는 중간 위치에 대해 한 방향 또는 다른 방향으로 상기 선형 디스플레이서(17)의 이동들을 검출하는 위치 센서(19)를 구비한다.

따라서, 장력이 선형 디스플레이서(17)의 중간 위치에 해당하도록 섬유 스트립들(2)의 특정 장력으로 장력 조절기(6)를 조절함으로써, 해당 섬유 스트립(2)이 도포 과정에 제공되어 장력 변경을 거칠 때, 상기 장력의 변경은 장력 조절기(6)에 의해 감지된다. 상기 장력 조절기(6)는 섬유 스트립의 장력을 복원하고 그 장력을 설정값으로 복귀시키기 위하여 상기 섬유 스트립(2)의 공급 속도를 늘리거나 줄이도록 상기 각각의 구동 롤러(5)의 회전 속도를 변화시키는 신호를 생성한다.

이에 따라서 완전히 균일한 방식으로 도포 공정에 섬유 스트립(2)을 공급 조절할 수 있게 되어, 작업 표면(16)에 적합한 압축을 달성하는데 유해한 경련 및 과도한 장력을 방지하며, 상기 선형 디스플레이서(17)는 콤팩터 시스템의 조절, 섬유 스트립(2)의 절단 등의 과정 중에 섬유 스트립(2)의 공급시 시간적인 변화를 흡수할 수 있는 저장 용량을 결정한다.

따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 제안된 헤드는 어떤 유형의 작업 표면(16)에도 섬유 스트립(2)을 도포하기 위한 기계(20)에 사용할 수 있으며, 도 12에 도시된 바와 같이, 도포되는 섬유 스트립들(2)은 공급 릴(21)의 조립체로부터 공급되고, 상기 섬유 스트립들(2)은 각각의 장력 조절 태핏(tappets)(22)을 통해 해당 릴 (21)의 출구(outlet)에 전달된다.

따라서 높은 볼륨 릴들(21)은 섬유 스트립들(2)의 균일한 도포를 이루기 위해 섬유 스트립들(2)의 공급(피드)에 영향을 주지 않고 사용할 수 있으며, 필요한 양의 섬유 스트립(2)을 갖는 릴들(21)은 각 경우 제조되는 부품을 형성하는 전체 공정에 대해 계산될 수 있으므로, 제조되는 부품을 형성하는 상기 공정 중에 상기 릴들(21)을 변경할 필요가 없고, 필요한 재료의 부피 때문에 가능하지 않은 경우 공급 릴들(21)의 필요한 변경 갯수는 최소가 되도록 한다.

2...섬유 스트립 3...도포 영역
5...구동 롤러 6...장력 조절기
8...콤팩터 시스템 9...부분 롤러
11...공압 실린더 13...수직 스핀들
14...모터 15, 19...위치 센서
16...작업 표면 17...선형 디스플레이서
18...롤러 21...릴

Claims (6)

1. 높이 방향 이동을 위해 통합된 구조적 조립체로 구성되고 섬유 스트립을 도포하기 위해 상단 부분에서 낮은 도포 영역까지 다수 섬유 스트립(2)의 통과를 위한 경로를 결정하기 위한 도포 헤드로서,
   상기 섬유 스트립들(2)이 콤팩터 시스템(8)에 의해 도포 표면에 대해 개별적으로 압박되며,
   상기 도포 영역(3) 쪽으로의 경로에서, 상기 섬유 스트립들(2)이 하나의 구동 롤러(5)를 독립적으로 통과하고 상기 구동 롤러(5)의 회전 속도를 조절하는 장력 조절기(6)를 통과하며,
   상기 콤팩터 시스템(8)은 축방향으로 연속적으로 복수 배치되어 상기 섬유 스트립들(2)을 도포 표면에 개별적으로 누르는 일련의 독립적인 부분 롤러들(9)을 포함하며,
   상기 부분 롤러들(9)의 각각은 높이 방향 이동을 위한 시스템과 플로팅 시스템을 포함하는 고정 수단을 구비하고,
   상기 콤팩터 시스템(8)의 각 부분 롤러(9)의 높이 방향 이동을 위한 시스템은 모터(14)에 의해 작동되고 부분 롤러(9)를 고정하기 위한 고정 조립체에 부착된 하나의 너트(12)를 통과하는 수직 스핀들(13)을 포함하며,
   상기 콤팩터 시스템(8)의 각 부분 롤러(9)의 플로팅 시스템은 공압 시스템에 연결되어 있는 공압 실린더(11)를 포함하고, 상기 공압 시스템은 세로 방향 경로의 중간 위치에 상기 공압 실린더(11)의 피스톤을 유지하는 자동 제어에 의해 조절되며, 상기 피스톤의 편차가 발생할 때 상기 중간 위치를 복구하도록 상기 공압 시스템에 의해 작동되는 위치 센서(15)를 구비함을 특징으로 하는 도포 헤드.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 각 섬유 스트립(2)의 장력 조절기(6)는 해당 섬유 스트립(2)이 통과하는 하나의 롤러(18)를 포함하는 선형 디스플레이서(17)를 포함하고,
   상기 선형 디스플레이서(17)는 해당 섬유 스트립(2)의 장력을 설정값으로 유지하기 위하여, 검출된 위치 변화에 따라서 상기 구동 롤러(5)의 속도를 변화시키도록, 중간 위치에 대해 그 위치 변화를 감지하는 위치 센서(19)를 구비함을 특징으로 하는 도포 헤드.
5. 제1항에 있어서, 상기 콤팩터 시스템(8)의 부분 롤러들(9)은 두 개의 평행 한 선에 지그재그 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 도포 헤드.
6. 제1항에 있어서, 상기 콤팩터 시스템(8)의 부분 롤러들(9)은 엘라스토머 소재로 제작되고 내부에 세로 방향의 구멍을 가짐을 특징으로 하는 도포 헤드.

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