KR20200055794A - 적층 제조된 구조물 내의 복합 재료 인레이 - Google Patents

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Abstract

툴링 쉘 내에 복합 재료를 인레이하는 기술이 개시된다. 일 양태에서, 적층 제조된 툴링 쉘이 제공되고, 이 안에 복합 재료가 인레이되고 경화된다. 툴링 쉘의 표면은 복합 재료와 툴링 쉘 간의 부착을 가능하게 하기 위해 오목부 또는 다른 메커니즘을 구비한다. 생성된 통합 구조물은 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용된다.

Description

적층 제조된 구조물 내의 복합 재료 인레이
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2017년 10월 11일 출원된 "적층 제조된 구조물 내의 복합 재료 인레이"라는 제목의 미국 특허 출원 제15/730,675호의 이점을 주장하며, 그 전문이 특별히 본원에 참고로 인용된다.
본 개시는 일반적으로 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 차량, 보트, 항공기 및 기타 수송 구조물에 사용하기 위한 3D 인쇄된 부품에 관한 것이다.
차량, 트럭, 기차, 오토바이, 보트, 항공기 등과 같은 수송 구조물에 많은 유형의 부품이 제조되고 사용된다. 이러한 부품은 수송 구조물 내에서 또는 수송 구조물의 일부로서 하나 이상의 기능적, 구조적 또는 심미적 목적을 제공할 수 있는 "기성품" 및 맞춤형 부품 모두를 포함할 수 있다.
많은 유형의 이러한 부품은 금속, 합금, 중합체 또는 다른 적합한 재료로 구성된 대체로 강성인 구조 부재를 구성한다. 구조 부재는 미리 정의된 형태를 가질 수 있고, 적절하게 성형된 복합 재료의 별도의 층에 부착되도록 제조된 하나 이상의 표면, 오목부(indentation) 또는 공동(cavity)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 차량의 내부 도어 패널의 일부는 탄소 섬유 강화 폴리머(carbon fiber reinforced polymer, CRFP)가 인레이된(inlaid) 금속 또는 플라스틱 구조물을 포함할 수 있다. 이 예에서, CRFP 층은 비교적 가볍고 미적으로 보기 좋은 디자인을 유지하면서 패널에 강도와 내구성을 추가하도록 포함될 수 있다. 수송 구조물의 유형 및 부품의 특성과 사용 목적과 같은 요인에 따라 많은 다른 유형의 복합 재료가 사용될 수 있다.
복합 재료 층을 이러한 구조물과 함께 사용하기 위한 원하는 형태로 성형하기 위해 사용되는 툴링 쉘(tooling shell)을 기계 가공하는 것은 대게 비싸고 시간-소모적인 공정이다. 종래의 생산 기술에서, 복합 재료를 성형하기 위한 툴은 전형적으로 노동 집약적인 공정을 사용하여 제조된다. 예를 들어, 기계 가공 공정은 금형의 포지티브 및 네거티브 부분 중 하나를 각각 구성할 수 있는 한 쌍의 툴링 쉘을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 포지티브 및 네거티브 툴링 쉘 부분 사이에서 금형 내에 재료와 수지가 배치되어 구조물의 형태를 만들 수 있다. 툴링 쉘은 결국 전형적으로 대상 재료를 성형하는 데 사용하기에 화학적 및 구조적으로 적합한 하나 이상의 재료로 구성된다. 이러한 구조물은 종종 원하는 금형 형태로 정확하게 절단하거나 상세한 특징부를 형성하는 것을 어렵게 하는 특성을 갖는다.
복합층의 성형이 완료된 후, 툴링 쉘은 해당 단일 유형의 부품을 형성하기 위한 사용 범위를 넘어 사용이 제한되거나 더 이상 사용되지 않을 수 있다. 또한, 성형된 재료가 인레이될 구조물은 관련 없는 기술을 사용하여 별도로 제조되어야 하고, 이는 제조 공정을 훨씬 더 비싸고 힘들게 할 수도 있다.
적층 제조된 툴링 쉘이 인레이된 복합 재료는 3차원 인쇄 기술을 참조하여 이하에 보다 상세하게 설명될 것이다.
수송 구조물용 부품을 제조하는 방법의 일 양태는, 재료에 부착되도록 구성된 표면을 포함하는 툴링 쉘을 3차원(3D) 인쇄하는 단계와, 금형의 일부로서 툴링 쉘을 사용하여 표면에 재료를 도포하는 단계, 및 수송 구조물 내에서 부품으로서 조립하기 위한 통합 구조물로서, 툴링 쉘과 재료를 포함하는 통합 구조물을 형성하는 단계를 포함한다.
수송 구조물용 부품을 제조하는 방법의 또 다른 양태는, 툴링 쉘을 3차원(3D) 인쇄하는 단계, 및 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용하기 위한 통합 구조물로서, 툴링 쉘 및 툴링 쉘의 표면에 도포된 재료를 포함하는 통합 구조물을 생성하는 단계를 포함하고, 통합 구조물을 생성하는 단계는 툴링 쉘을 사용하여 복합 재료를 성형하는 단계, 및 툴링 쉘에 복합 재료를 고정하는 단계를 더 포함한다.
수송 구조물용 부품을 생성하는 방법의 다른 양태는, 예시로서 몇 가지 실시형태만 도시되고 기술된 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 것임을 알 것이다. 본 기술 분야의 숙련자가 인식할 수 있는 바와 같이, 부품 및 부품을 생성하는 방법은 모두 본 발명을 벗어나지 않고 다른 많은 실시형태가 가능하며, 이의 몇몇 세부사항은 다양한 다른 측면에서 변형이 가능할 수 있다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 사실상 예시적인 것이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
적층 제조된 툴링 쉘이 인레이된 복합 재료는 이제 첨부 도면에서 제한의 형태가 아닌 예로써 상세한 설명에 제시될 것이다.
도 1은 3D 인쇄 공정을 개시하는 예시적인 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 예시적인 3D 프린터의 블록도이다.
도 3은 3D 인쇄된 툴링 쉘의 사시도를 도시한다.
도 4는 내부에 CFRP가 삽입된 3D 인쇄된 툴링 쉘의 사시도를 도시한다.
도 5는 결합된 재료 및 툴링 쉘의 단면 사시도이다.
도 6은 이중 조립된 부품을 사용하는 수송 구조물 내의 예시적인 내부 도어 패널(610)의 측면도를 도시한다.
도 7은 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용하기 위한 통합 구조물을 형성하기 위해 툴링 쉘을 오버레이(overlay)하는 복합 강화재(composite reinforcement)를 갖는 부품을 생성하는 예시적인 공정을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 적층 제조된 툴링 위에 직물 복합 강화재의 오버레이로 구성된 통합 구조물을 도시한 도면이다.
도 9는 내부 격자 구조물로 형성된 툴링을 포함하는 통합 구조물을 도시한 도면이다.
도 10은 위상 최적화(topology optimization)를 통한 포켓 및 툴링을 갖는 통합 구조물을 도시한 도면이다.
도 11은 동시-성형된 노드(co-molded node)를 사용하는 통합 구조물을 도시한 도면이다.
도 12는 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용하기 위한 통합 구조물을 생성하기 위해 툴링 쉘 위에 복합 재료를 갖는 부품을 생성하는 예시적인 공정을 도시하는 흐름도이다.
도 13은 노드 사이에 개재되고 기계적 클램프(mechanical clamp)를 통해 체결된 복합 재료를 포함하는 통합 구조물을 도시한 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 복합 스킨 및 다중-재료 툴(composite skin and multi-material tool)을 사용하는 통합 구조물의 예이다.
도 15는 경화된 복합 표면에 필 플라이(peel ply)를 사용하는 통합 구조물의 예이다.
첨부된 도면과 관련하여 아래에 제시되는 상세한 설명은 적층 제조된 툴링에 대한 직물 복합 강화 기술의 다양한 예시적인 실시형태의 설명을 제공하기 위한 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내기 위한 것은 아니다. 본 개시 전반에 걸쳐 사용된 "예시적인"이라는 용어는 "예, 실례 또는 예시의 역할을 하는"을 의미하며, 반드시 본 개시에 제시된 다른 실시형태보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어서는 안 된다. 상세한 설명은 본 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달하는 철저하고 완전한 개시를 제공하기 위한 특정 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다. 일부 예에서, 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 다양한 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 공지된 구조 및 부품은 블록도 형태로 도시되거나 완전히 생략될 수 있다.
복합 툴링의 맥락에서 3D 인쇄로도 알려진 적층 제조의 사용은 기계적 구조물 및 기계화된 조립체의 제조업자가 복잡한 기하학적 구조를 갖는 부품을 제조할 수 있게 하는 상당한 유연성을 제공한다. 예를 들어, 3D 인쇄 기술은 제조업체에게 기존의 제조 공정을 통해서는 제조할 수 없는 복잡한 내부 격자 구조물 및/또는 프로파일을 갖는 부품을 설계하고 제작하게 할 수 있는 유연성을 제공한다.
도 1은 3D 인쇄 공정을 개시하는 예시적인 공정을 나타내는 흐름도(100)이다. 인쇄될 원하는 3D 물체의 데이터 모델이 렌더링된다(단계 110). 데이터 모델은 3D 물체의 가상 디자인이다. 따라서, 데이터 모델은 재료 구성뿐만 아니라 3D 물체의 기하학적 및 구조적 특징을 반영할 수 있다. 데이터 모델은 3D 스캐닝, 3D 모델링 소프트웨어, 사진측량 소프트웨어 및 카메라 촬영을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 생성될 수 있다.
데이터 모델을 생성하기 위한 3D 스캐닝 방법은 또한 3D 모델을 생성하기 위한 다양한 기술을 사용할 수 있다. 이들 기술은 예를 들어 비행 시간(time-of flight), 체적측정 스캐닝(volumetric scanning), 구조 광(structured light), 변조 광(modulated light), 레이저 스캐닝(laser scanning), 삼각측량(triangulation) 등을 포함할 수 있다.
3D 모델링 소프트웨어는 결국 다수의 상업적으로 이용 가능한 3D 모델링 소프트웨어 애플리케이션 중 하나를 포함할 수 있다. 데이터 모델은 적합한 컴퓨터-지원 설계(computer-aided design, CAD) 패키지를 사용하여, 예를 들어 STL 형식으로 렌더링될 수 있다. STL 파일은 상업적으로 이용 가능한 CAD 소프트웨어와 관련된 파일 형식의 한 예이다. CAD 프로그램을 사용하여 3D 물체의 데이터 모델을 STL 파일로 생성할 수 있다. 이에 따라, STL 파일은 파일의 오류가 식별되고 해결되는 공정을 거칠 수 있다.
오류 해결에 이어, 데이터 모델은 슬라이서(slicer)로 알려진 소프트웨어 애플리케이션에 의해 "슬라이스(sliced)"되어 물체를 3D 인쇄하기 위한 명령 세트를 생성할 수 있으며, 명령은 이용될 특정 3D 인쇄 기술과 호환 가능하고 관련된다(단계 120). 수많은 슬라이서 프로그램이 상업적으로 이용 가능하다. 슬라이서 프로그램은, 연속적인 개별 층을 3D 인쇄하여 데이터 모델의 실제 3D 인쇄된 표현을 생성하기 위한 프린터-특정 명령을 포함하는 파일에 따라, 인쇄할 물체의 얇은 슬라이스(예를 들어, 100 미크론 두께)를 나타내는 일련의 개별 층으로 데이터 모델을 변환한다.
이러한 목적으로 사용되는 일반적인 유형의 파일은 물체를 3D 인쇄하기 위한 명령을 포함하는 수치 제어 프로그래밍 언어인 G-코드 파일(G-code file)이다. G-코드 파일, 또는 명령을 구성하는 다른 파일은 3D 프린터에 업로드된다(단계 130). 이러한 명령을 포함하는 파일은 일반적으로 특정 3D 인쇄 공정과 함께 사용할 수 있도록 구성되기 때문에, 사용되는 3D 인쇄 기술에 따라 많은 형식의 명령 파일이 가능하다는 것을 알 것이다.
어떤 물체가 어떻게 렌더링될 것인지를 지시하는 인쇄 명령 외에도, 물체를 렌더링하기 위해 3D 프린터에 의한 사용에 필요한 적절한 물리적 재료가 임의의 몇몇 종래의 방법 그리고 종종 프린터-특정 방법을 사용하여 3D 프린터에 로딩된다(단계 140). 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 3D 프린터에서, 예를 들어, 하나 이상의 스풀 홀더(spool holder) 상에 배치된 스풀에 재료는 종종 필라멘트로서 로딩된다. 필라멘트는 전형적으로 압출기 장치 내로 공급되고, 이는 작동시, 아래에서 더 기술되는 바와 같이, 재료를 빌드 플레이트(build plate) 또는 다른 기판 상으로 방출하기 전에 필라멘트를 용융된 형태로 가열한다. 선택적 레이저 소결(selective laser sintering, SLS) 인쇄 및 다른 방법에서, 분말을 빌드 플랫폼(build platform)으로 공급하는 챔버에 재료는 분말로서 로딩될 수 있다. 3D 프린터에 따라, 인쇄 재료를 로딩하는 다른 기술이 사용될 수 있다.
이어서, 재료(들)를 사용하여 제공된 명령을 기반으로 3D 물체의 각각의 데이터 슬라이스가 인쇄된다(단계 150). 레이저 소결을 사용하는 3D 프린터에서, 레이저는 분말 층을 스캔하고, 구조물이 요구되는 곳에서 분말을 함께 용융하며, 슬라이스된 데이터가 아무것도 인쇄되지 않음을 나타내는 스캐닝 영역은 피한다. 이 공정은 원하는 구조가 형성될 때까지 수천 번 반복될 수 있고, 이후 인쇄된 부품이 제조기로부터 제거된다. 용융 증착 모델링에서, 기판에 모델 및 지지 재료의 연속적인 층을 도포함으로써 부품이 인쇄된다. 일반적으로, 임의의 적합한 3D 인쇄 기술이 본 개시의 목적을 위해 사용될 수 있다.
도 2는 예시적인 3D 프린터(200)의 블록도이다. 임의의 수의 3D 인쇄 기술이 적합하게 사용될 수 있지만, 도 2의 3D 프린터(200)가 FDM 기술의 맥락에서 논의된다. 3D 프린터(200)는 압출 노즐(250A 및 250B)을 포함하는 FDM 헤드(210)와, 이동 가능한 빌드 스테이지(build stage, 220), 및 빌드 스테이지(220) 상부의 빌드 플레이트(230)를 포함한다.
구조물의 의도된 조성, 및 가능한 중력 변형 또는 붕괴를 겪을 수 있는 구조물의 돌출 요소에 대한 지지를 제공하기 위한 임의의 지지 재료의 필요성에 따라, 물체를 인쇄하기 위해 다수의 재료가 사용될 수 있다. 하나 이상의 적합한 필라멘트 재료(260)는 스풀(도시되지 않음)에 권취되고 FDM 헤드(210)에 공급될 수 있다(상기한 다른 기술에서, 재료는 분말 또는 다른 형태로 제공될 수 있다). FDM 헤드(210)는 스테퍼 모터(stepper motor) 또는 서보 모터(servo motor)와 같은 수치 제어 메커니즘에 의해, 수신된 인쇄 명령을 기반으로 X-Y 방향으로 이동될 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서 열가소성 중합체를 구성할 수 있는 재료가 압출 노즐(250A, 250B)을 포함하는 FDM 헤드(210)에 공급될 수 있다. FDM 헤드(210) 내의 압출기는 필라멘트 재료(260)를 용융된 형태로 가열하고, 압출 노즐(250a)은 용융된 재료를 방출하며, 빌드 스테이지(220)의 빌드 플레이트(230) 상에 이를 증착시킨다.
수신된 인쇄 명령에 응답하여, FDM 헤드(210)는, 압출 노즐(250A)이 목표 위치에 재료(260)를 떨어뜨려 도포된 재료의 라인(240)을 형성하도록, 수평면(X-Y)을 중심으로 이동한다(FDM 헤드(210)는 또한 Z-방향으로 이동하고 및/또는 특정 구성에서 하나 이상의 축을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다). 라인(240)을 포함하는 재료(260)의 층(270)은 한 라인씩 재료(260)를 증착함으로써 형성되는데, 재료(260)의 각각의 라인은 재료가 빌드 플레이트(230) 상에 증착될 때 경화된다. 하나의 층(270)이 X-Y 평면에서 적절한 위치에 형성된 후, 다음 층이 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
빌드 플레이트(230)는 적어도 수직 Z 방향으로 이동 가능한 제어 테이블의 부품일 수 있다. 층(270)의 렌더링이 완료되면, 빌드 스테이지(220)와 빌드 플레이트(230)는, 프린터가 다음 층의 도포를 시작할 수 있도록, 그리고 그리고 원하는 형태 및 조성을 갖는 다수의 단면 층(240)이 생성될 때까지, 수직(Z) 방향으로 층(270)의 두께에 비례하는 양만큼 하강할 수 있다.
실질적으로 직사각형인 층 구조물이 이 예시에서 간략화를 위해 도시되어 있지만, 실제 인쇄 구조는 데이터 모델에 따라 실질적으로 모든 형태 및 구성을 구현할 수 있음을 알 것이다. 즉, 렌더링된 층의 실제 모양은 인쇄 중인 3D 모델의 정의된 기하학적 구조와 일치할 것이다.
또한, 상기한 바와 같이, 물체를 인쇄하기 위해 다수의 상이한 재료가 사용될 수 있다. 일부 예에서, 두 가지 다른 재료(260 및 280)가 각각의 압출기 노즐(250A 및 250B)에 의해 동시에 도포될 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 수송 구조물용 부품은 하나 이상의 복합 재료 층을 성형하기 위해 적절하게 형상화되고 구조화된 툴링 쉘을 사용하여 형성된다. 복합 재료는 툴링 쉘의 표면에 부착되어 복합 재료와 툴링 쉘 모두를 포함하는 통합 구조물을 형성한다. 통합 구조물은 차량과 같은 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 툴링 쉘은 3D 인쇄되어, 힘든 기계 가공 공정과 관련된 비용이 많이 들고 시간-소모적인 기술을 제거한다. 이들 실시형태에서, 툴링 쉘은 복합 재료를 성형하는 역할과 성형 재료와 함께 유용한 구조로서의 이중 역할을 하여, 차량 패널, 조인트 또는 다른 부품, 항공기 날개 등과, 같이 수송 구조물 자체 내에서 조립하기 위한 부품을 형성할 수 있다.
도 3은 3D 인쇄된 툴링 쉘(300)의 사시도를 도시하고 있다. 툴링 쉘은 또 다른 재료를 성형하기 위해 적절하거나 적합한 특성을 갖는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 툴링 쉘을 사용하여 성형될 재료가 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)인 경우, 인바 합금(Invar alloy)이 재료를 성형하기 위해 사용할 수 있는 적합한 후보일 수 있는데, 열 팽창 계수가 탄소 섬유와 매우 유사하기 때문이다. 다른 경우에, 툴링 구조물은 금속, 합금 및 플라스틱을 포함하는 다른 재료로 구성될 수 있다. 툴링 쉘(300) 내의 오목부(302)는 적절한 양의 성형될 재료를 수용하기에 적합한 체적을 가질 수 있다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 경화 동안 재료를 밀봉하기 위해 툴링 쉘의 상부 절반이 제공될 수 있다. 다른 실시형태에서, 재료를 제조하는 공정을 용이하게 하기 위해 수지 재료가 오목부(302)에 제공될 수 있도록 진공 및 유체 채널이 툴링 쉘(300)에 통합될 수 있다. 다른 실시형태에서, 툴링 쉘(300)은 궁극적으로 금형 외에 구조적 부분으로서 작용할 수 있기 때문에, 툴링 쉘(300)이 제조될 수 있는 재료의 선택은 또한 수송 구조물에 조립된 최종 부품에 적합한 재료의 유형에 의해 제한될 수 있다.
일 실시형태에서, CRFP와 금속 3D 인쇄 금형에 사용될 접착제는 CFRP 자체의 매트릭스 재료(matrix material)일 수 있다.
재료 내로 3D 인쇄된 작은 표면 오목부(304)가 또한 도 3에 포함되어 있다. 툴링 쉘(302) 및 성형될 재료는 궁극적으로 수송 구조물로 조립하기 위한 단일 부품을 형성할 수 있기 때문에, 일부 실시형태에서, 부품이 툴링 쉘(300)의 내부(302)에 부착되게 하는 메커니즘을 제공하는 것이 바람직할 수 있다 작은 표면 오목부(304)의 목적은 툴링 쉘(300)의 내부 부분과 툴링 쉘(300) 내에 성형될 재료 사이의 표면 접착력을 제공하는 것을 지원하는 것이다. 다른 실시형태에서, 표면 오목부는 표면 접착 공정을 더 용이하게 하기 위해 툴링 쉘의 내부 측벽(306)에 형성될 수도 있다. 대안적인 실시형태에서, 표면 접착을 지원하기 위해 다른 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 성형될 재료의 삽입 전에 수지가 내부 표면(302)에 도포될 수 있다. 대안적으로, 클램프, 스크류, 너트 및 볼트, 못, 열 융착 등을 사용하여 툴링 쉘에 복합 재료를 고정할 수 있다.
도 4는 내부에 CFRP가 삽입된 3D 인쇄 툴링 쉘(400)의 사시도를 도시하고 있다. 상기한 바와 같이, 툴링 쉘(400) 내에 성형될 구조물의 기하학적 구조(404)는, 금형이 어떻게 구성되는지에 따라, 툴링 쉘(400)의 내부 표면의 형태를 따르도록 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 툴링 쉘은 아래에서 더 기술되는 바와 같이, 부품의 일부로 경화될 복합 재료의 형태를 만들기 위한 금형의 부분으로서의 역할을 한다.
복합 레이업(composite layup)을 포함하는 복합 제조 공정은 툴링 쉘(400)을 사용하여 수행될 수 있다. 이 예에서, 탄소 섬유 재료(또는 다른 적합한 재료)는 부품을 생성하는 제 1 단계로서 레이업 공정을 통해 툴링 쉘(400)의 내부 표면에 도포될 수 있다. 탄소 섬유 재료는 툴링 쉘(400) 위에 도포되어 압축되고 경화될 수 있다.
도 5는 결합된 재료(502) 및 툴링 쉘(504)의 단면 사시도(500)이다. 재료(502)와 툴링 쉘(504) 사이의 음영의 차이는 이러한 특정 실시형태에서 두 개의 구조물이 상이한 재료 조성을 갖는 것을 나타내지만, 이러한 특징은 특정 실시형태에서는 필요하지 않다.
도 6은 이중으로 조립된 구성요소(600)를 사용하는 수송 구조물 내의 예시적인 내부 도어 패널(610)의 측면도를 도시하고 있다. 이 실시형태에서, 도어 패널은 제 1 구성요소(606) 및 제 2 구성요소(608)를 포함하며, 이들 중 어느 하나는 성형되거나 3D가 인쇄될 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 제 1 구성요소(606)는 임의의 이용 가능한 수단을 통해 도 3 내지 도 5에 도시된 구성요소(600)의 표면(607)에 부착된다. 제 2 구성요소(608)는 임의의 이용 가능한 수단을 통해 도 4의 부품의 표면(609)(즉, 도 4의 부품의 보이지 않는 바닥 부분)에 부착된다. 내부 패널(610)은 따라서 탄소 섬유 재료(604)가 적절하게 배치된 수송 구조물에서 사용될 수 있다. 내부 도어 패널과 부품의 통합은 단지 예시적인 목적이며, 도 4의 부품은 수송 구조물의 다양한 부분에서 광범위한 실제 응용에서 사용될 수 있음을 알아야 한다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 레이업은 수지 매트릭스가 도포된 툴링 쉘(400)(도 4)로 전달되는 사전-함침된(pre-impregnated)("프리프레그(prepreg)") 탄소 섬유 플라이를 사용한다. 프리프레그 기술은 효과적인 수지 침투를 제공하고 수지의 실질적으로 균일한 분산을 지원한다. 프리프레그 플라이는 툴링 쉘(400) 상에 적용되어 라미네이트 스택(laminate stack)을 형성할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 건식 레이업(dry layup)은 건식 직조 섬유 시트(dry woven fiber sheet)를 사용한다. 수지는, 수지 주입과 같이, 레이업이 완료된 후 건식 플라이에 적용될 수 있다. 대안적인 예시적인 실시형태에서, 각각의 플라이가 수지로 코팅되고 배치된 후에 압축될 수 있는 습식 레이업(wet layup)이 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 구조물(502)(도 5)을 예를 들어 툴링 쉘(400)의 내부 부분(도 4)의 기하학적 구조(404)로 성형하는 수단을 제공하기 위해 금형용 상부 쉘(top shell) 또는 시일(seal)이 툴링 쉘(400) 위에 3D 인쇄되고 적용될 수 있다. 성형 공정이 완료되면, 탄소 섬유 재료는 예를 들어 지정된 시간 동안 오븐에서 진공 압축 및 소성될 수 있다.
이들 단계 동안 사용되는 특정 성형 및 수지 주입 공정은 성형 기술, 설계 제약, 및 원하는 제조 수율과 같은 변수에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 3D-인쇄된 툴링 쉘은 예를 들어 수지 이송 성형(Resin Transfer Molding, RTM), 핸드 레이업, 프리프레그, 시트 성형 및 진공 보조 수지 이송 성형(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding, VARTM)을 포함하는 다양한 복합 제조 기술과 관련하여 사용될 수 있다.
도 7은 수송 구조물 내에서 사용하기 위한 부품을 생성하기 위한 방법의 예시적인 흐름도를 도시하고 있다. 단계 702에서, 툴링 쉘은 궁극적으로 차량 패널과 같은 또 다른 구조물 내에서의 추가 구조물을 위해 통합 구조물의 일부로서 사용될 수 있는 기하학적 구조를 사용하여 3D 인쇄된다. 툴링 쉘은 이후에 사용될 재료에 대한 잠재적 부착을 위해 설계될 수 있다. 단계 704에서, CFRP 또는 다른 복합 직물과 같은 재료가 적용되고, 재료를 성형하고 경화시키기 위해 복합 제조 공정이 사용된다. 단계 706에서, 복합 제조가 완료될 때, 재료는 툴링 쉘에 부착되고, 경화된 재료와 툴링 쉘로 구성된 통합 구조물을 포함하는 결과적인 부품이 형성된다. 단계 708에서, 통합 구조물은 수송 구조물 내에 부품으로서 조립된다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 3D 인쇄된 플라스틱 프레임이 먼저 복합 툴링을 위한 템플릿으로서 사용된다. 복합 재료의 경화가 완료되면, 생성된 조립체는 수송 구조물용 프레임 또는 다른 부품으로서 사용될 수 있다. 도 8은 적층 제조된 툴링 위에 직물 복합 강화재의 오버레이로 구성된 구조물을 도시한 도면이다. 3D 인쇄 기술은 재료 요건에 의해 그리고 인쇄 공정의 속도에 의해 선택될 수 있다. 3D 인쇄된 플라스틱 프레임(802)이 형성된다. 유리하게, 플라스틱 인쇄 공정은 일반적으로 금속 인쇄 공정보다 25 내지 50 배 더 빠르다. 플라스틱으로 제작된 플라스틱 툴링을 사용하는 추가 이점은, 플라스틱 3D 프린터의 빌드 챔버가 금속 3D 프린터의 빌드 챔버보다 일반적으로 훨씬 크기 때문에 더 큰 부품을 얻을 수 있다는 것이다. 또한, 플라스틱 3D 프린터는 많은 경우 훨씬 매끄러운 표면을 인쇄할 수 있다. 일 실시형태에서, 사용되는 재료는 일반적인 열가소성 중합체인 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS)이다. 그러나, 필요한 재료의 적용 및 특성에 따라 임의의 수의 적합한 재료가 사용될 수 있다.
또한, 도시된 실시형태에서, CNC 폼 코어(CNC foam core; 806)가 접착제 또는 다른 이용 가능한 수단을 사용하여 플라스틱 프레임(802)에 적층 제조되고 결합된다. 일 실시형태에서, 프레임(802)과 코어(806)는 단일 렌더링으로 동시-인쇄된다. 폼 코어는 플라스틱 프레임(802)과 동일한 재료로 구성될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 허니컴 패널(honeycomb panel) 구성이 폼 코어 대신에 사용된다. 도 8에 도시된 실시형태는 본 개시의 목적을 위해 다수의 재료 및 형태가 대안적으로 사용될 수 있기 때문에 사실상 예시적임을 알 것이다.
강도 요건 및 다른 요인에 따라, 다양한 섬유 복합 직물이 후속 복합 제조 공정에 사용될 수 있다. 가능한 재료의 일부 예는 유리 섬유, 탄소 섬유, 케블라(Kevlar) 등을 포함한다. 도시된 실시형태에서, 적층 제조된 툴링 위에 유리 섬유 프리프레그(804)가 걸쳐진다. 유리 섬유 프리프레그 층(804)은, 하나의 예시적인 실시형태에서, 섬유 강화 폴리머(FRP) 스킨(E Glass)을 포함할 수 있다. 탄소 섬유를 포함한 다른 복합재도 사용될 수 있다. 레이업은 FRP 상에서 수행된다. 재료가 경화된 후, 프레임(802)과 폼 코어(806) 및 오버레이된 유리 섬유 복합재(804)를 갖는 ABS 툴링으로 구성된 통합 구조물은 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용될 수 있다.
추가된 중량 절감 및/또는 개선된 하중 지지 능력을 위해, 통합 구조물의 적용 및 사용 목적에 따라, 3D 인쇄된 툴링은 최적화된 토폴로지를 사용하는 구조물을 포함할 수 있다. 도 9는 내부 격자 구조물로 형성된 툴링을 포함하는 통합 구조물의 예시를 도시하고 있다. 플라스틱 툴링(902)은, 부품으로서 조립될 때, 적용될 하중에 대해 설계된 격자 구조물을 포함한다. 폼 코어 또는 허니컴 패널 구조(906)는 툴링 구조물 상에 오버레이된 유리 섬유 강화 폴리머(904)의 층과 함께 포함된다. 이러한 구조의 하나의 장점은 격자의 사용을 통해 사용하여 달성되는 플라스틱 재료의 절약을 포함한다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 툴링은 플러시 마감(flush finish)을 위한 포켓으로 적층 제조될 수 있다. 도 10은 토폴로지 최적화를 통한 포켓 및 툴링을 갖는 통합 구조물을 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 툴링 구성요소(1002)는 포켓(1007, 1009) 및 중공 부분(1008)으로 3D 인쇄된다. 포켓(1007)으로 인해, 툴링을 둘러싸는 유리 섬유 재료의 단부 영역이 플러시 마감될 수 있다. 구조물은 허니컴 또는 폼 충전물을 갖는 구성요소(1006)를 더 포함한다. 또한, 기계적 강화가 바람직하거나 필요한 포켓(1007, 1009) 중 하나의 강화를 제공하기 위해, CFRP 또는 또 다른 복합 재료가 사용되어 포켓에 대한 국소 강화를 제공할 수 있다. 이전과 같이, GFRP(또는 다른 적절한 복합재)의 프리프레그 층은 통합 구조물을 생성하기 위해 툴링 위에 오버레이되고 경화될 수 있다.
일부 실시형태에서, 복합 재료를 제자리에 고정하기 위해 기계적 클램핑이 바람직할 수 있다. 도 11은 동시-성형된 노드를 사용하는 통합 구조물을 도시한 도면이다. 이전 실시형태에서와 같이, 툴링 쉘(1102)은 ABS 또는 다른 적절한 재료를 사용하여 적층 제조된다. FRP 또는 다른 적합한 재료(1104)는 툴링 쉘 위에서 인레이되고 경화된다. 3D 인쇄된 내부 노드(1114)는 툴링과 동시-인쇄되거나 별도로 인쇄되고, 복합 재료(1104)의 부분(1120)의 제 1 측면을 고정하기 위해 추가된다. 마찬가지로, 3D 인쇄된 외부 노드(1112)는 복합 재료의 부분(1120)의 제 2 측면 위에 삽입된다. 따라서 복합 재료는 툴링 쉘에 클램핑되고 고정되며, 전체 통합 구조물은 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 노드는 강도를 보장하기 위해 알루미늄을 사용하여 동시-인쇄된다. 그러나 다른 재료들도 동일하게 적합할 수 있다.
예시적인 실시형태에서, AM 금속 노드는 전체 수송 구조물과 관련된 크러쉬 레일(crush rail)용 서스펜션 픽업 지점(suspension pick-up point) 또는 인터페이스로서 구현될 수 있다. 크러쉬 레일은 제어되고 지시된 방식으로 차량이 충격으로부터 에너지를 흡수할 수 있도록 차량에 구현될 수 있는 에너지 흡수 레일 구조물이다. 레일은 금속 노드 사이에 개재될 수 있고, 이는 다시 차량 서스펜션에 부착될 수 있다. 이러한 구성의 예가 도 13에 도시되어 있다. 또 다른 실시형태에서, 복합 레이업을 경화시키기 위해 진공 커넥터와 관련하여 기계적 클램핑이 사용될 수 있다.
도 13은 노드 사이에 개재되고 기계적 클램프를 통해 체결된 복합 재료를 포함하는 통합 구조물(1300)을 도시한 도면이다. 구조물(1300)은 적층 제조될 수 있는 상부 및 하부 알루미늄 노드(1302a-1302b)를 포함한다. 노드(1302b) 아래에는 툴링 쉘(1308)이 있으며, 이는 FDM 또는 다른 적절한 기술을 사용하여 적층 제조될 수 있다. 일 실시형태에서, 툴링 쉘(1308)은 ABS 또는 ULTEM(폴리에테르이미드)과 같은 열가소성 수지로 구성된다.
툴링 쉘(1308) 위에는 GFRP로 구성될 수 있는 두 개의 복합 스킨 층(1306a 및 1306b)이 놓인다. 이들의 끝 근처에서, GFRP 층(1306a 및 1306b)은 노드(1302a-1302b)와 접촉한다. GFRP 층(1306a 및 1306b)은 AL 노드(1302b)와 FDM 툴링 쉘(1308) 모두의 상부에서 경화될 수 있다. GFRP 층(1306a-1306b)은 이후 GFRP 층(1306a 및 1306b)의 상부에 배치될 수 있는 노드(1302a)에 의해 클램핑될 수 있다.
층(1306a 및 1306b)의 클램핑을 보장하기 위해, 기계적 체결을 위한 특징부(1304)가 사용될 수 있다. 이 실시형태에서 특징부(1304)는 볼트 또는 다른 패스너(fastener)가 삽입될 수 있는 큰 개구이다. 패스너는 표준 나사산 볼트, 너트-볼트 조합 또는 임의의 다른 적절한 기계적 체결 또는 클램핑 메커니즘을 사용함으로써 층(1306a 및 1306b)을 고정하는 힘을 제공할 수 있다. 다른 실시형태에서, 클램핑 특징부는 개구(1304)와 다를 수 있고, 패스너를 수용하기 위한 다른 유형의 패스너 또는 개구를 포함할 수 있다.
노드(1302b)로부터의 돌출부(1310)가 또한 도 13에 도시되어 있다. 돌출부는 FDM 툴링 쉘(1308)로부터의 돌출부일 수 있는 또 다른 돌출부(1312)에 "스냅-핏(snap-fit)"되도록 구성된 개구를 포함한다. 일 실시형태에서, 돌출부(1312)는 수직 방향으로 배열된 더 긴 FDM 부재(노드(1302b)에 의해 가려져서 보이지 않음)로부터 돌출되는 점진적인 돌출부이고, 돌출부(1312)는 끝에서 더 크다. AL 노드(1302b)는 더 긴 FDM 부재에 접촉하여 이를 가압할 수 있다. AL 노드(1302b)가 더 긴 FDM 부재에 대해 아래로 이동함에 따라, 압력 또는 힘은 더 큰 FDM 돌출부(1312)가 제자리에 끼워지게 한다. 일 실시형태에서, 돌출부(1312)는 차량 서스펜션 시스템에 부착될 수 있으며, 이에 의해 체결 구조물(1300)을 서스펜션 시스템에 고정할 수 있다. 이러한 기술은 알루미늄 클램핑 메커니즘이 FDM 툴과 상호작용할 수 있게 한다.
도 12는 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용하기 위한 통합 구조물을 생성하기 위해 툴링 쉘 위에 복합 재료를 갖는 부품을 생성하는 예시적인 공정을 도시하는 흐름도이다. 단계 1202에서, ABS 쉘과 같은 플라스틱 툴링 쉘이 FDM 3D 프린터와 같은 적합한 3D 프린터를 사용하여 적층 제조된다. 이에 따라, 단계 1204에서, 폼 코어 또는 허니컴 패널이 3D 인쇄되고, 알루미늄 노드도 3D 인쇄된다. 일 실시형태에서, 공동 단계(1202, 1204)에서 적층 제조된 세 개의 구조물 중 두 개 이상의 구조물 동시-인쇄된다. 실시형태 및 목적에 따라 인정된 재료와는 다른 재료가 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
단계 1206에서, 툴링 쉘은 폼 코어에 결합되거나 인접된다. 두 부품이 단일 유닛으로서 적층 제조되는 일부 실시형태에서, 이 단계는 불필요할 수 있다. 다른 실시형태에서, 적절한 접착제, 스크류, 클램프 또는 다른 연결 수단이 사용될 수 있다.
단계 1208에서, GFRP와 같은 적절한 재료가 툴링 쉘 위에 인레이되고 복합 제조 공정에서 제조되고 경화된다. 일부 실시형태에서, 툴링 쉘과 폼 코어는 복합재에 부착되기 위한 부착 수단을 갖는다. 다른 실시형태에서, 다른 부착 메커니즘이 사용될 수 있다. 단계 1210에서, 예를 들어, 단계 1204에서 인쇄된 알루미늄 노드는 도 11과 관련하여 위에서 기술한 방식으로 툴링 쉘에 복합 재료를 클램핑하기 위해 사용될 수 있다.
그리고 나서, 단계 1212에서, 생성된 통합 구조물이 수송 구조물 내에서 부품으로서 사용될 수 있다. 위에서 논의한 일부 실시형태에서, 구조물은 CFRP 층과 같은 격자 또는 다른 기계적 장치를 사용하여 구조물이 받을 수 있는 응력에 따라 추가적인 지지를 제공할 수 있다. 툴링 쉘은 필요한 경우 추가 강화재를 배치하기 위해 포켓으로 최적화되고 인쇄될 수 있다. 일 실시형태에서, GFRP는 툴링 구조물과 오버레이되지만, CFRP는 툴링 쉘의 포켓 내에 사용되어 하중 전달을 위한 하중 경로를 최적화한다. 이러한 구성은 또한 툴링 쉘의 포켓/특징부에서 단방향 강화재 및 직조 강화재의 사용을 가능하게 할 있다(단방향 강화재는 한 방향으로 섬유를 갖는 반면, 직조 강화재는 0 및 90도 각도로 이어진 섬유를 갖는다). 수송 구조물 및 기타 차륜 차량에서 하중 전달은 제동 및 감속을 포함하여 종방향 및 측방향 가속 공정 동안 다른 휠에 의해 유지되는 하중의 변화이다. 수송 구조물 및 기계화된 조립체에 다른 유형의 하중도 포함될 수 있다. 전단 하중은 구조 요소에 적용될 때 전단 응력을 유발하는 힘이다. 예상 전단 하중을 포함하여 부품의 전달 역학에 의해 하중이 가해지는 경우 복합 섬유 재료, 격자 및 기타 구조물을 사용하는 강화가 필요할 수 있다.
다른 실시형태에서, 다중-재료 툴이 사용될 수 있다. 예를 들어, 툴링의 특정 부분은 용해 가능한 재료로 인쇄될 수 있다. 복합재가 오버레이되고 경화되고 나면, 이들 부분은 용해될 수 있다. 이 기법은 중량 절감 메커니즘에서 그리고 복합 쉘만 필요한 설계에서 이상적일 수 있다. 특정 부분에서 복합 스킨만이 필요한 경우, 다중-재료 툴이 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 복합 스킨만으로 부분을 달성하기 위해 복합재가 경화된 후에 툴링의 특정 부분이 떨어져 나오거나 이용 가능해지도록 하기 위해 해제 메커니즘(release mechanism)(이형제(release agent), 툴링 표면 처리 등)이 사용될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 복합 스킨 및 다중-재료 툴을 사용하는 통합 구조물(1400)의 예이다. 도 14a를 을 참조하면, 구성요소(1404 및 1406)를 포함하는 다중-재료 툴링 쉘이 적층 제조될 수 있다. 여기서, FDM을 사용하여 렌더링된 통상적인 열가소성 수지 또는 다른 적절한 재료(또는 경우에 따라서는, 일부 다른 AM 기술을 사용하여 렌더링된 금속 재료일 수 있음)일 수 있는 구성요소(1404)와는 달리, 구성요소(1406)는 공지된 용해 가능한 재료를 구성할 수 있다. GFRP 또는 CFRP와 같은 스킨 또는 재료(1402)는 위에서 논의한 바와 같이 툴링 쉘 위에 놓인다. 최종 통합 구조물은 구성요소(1404 및 1402)를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 구성요소(1406)는 재료(1402)의 형태를 만들고 안정화시키며, 이를 경화시키기 위해 성형 목적으로만 사용된다. 따라서, 재료(1402)가 경화된 후, 구성요소(1406)는 도 14b의 최종 통합 구조물(1400)을 생성하기 위해 종래에 공지된 기술을 사용하여 용해될 수 있다. 본원에 개시된 방법과 함께 이들 다중-재료 기술을 사용하여, 더욱 광범위한 구조물이 생성될 수 있다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 접착 접합(adhesive bonding)을 개선하기 위해, 경화된 복합재의 표면에 필 플라이(peel ply)가 배치될 수 있다. 도 15는 GFRP, CFRP 등과 같은 복합재(1514)를 포함하는 통합 구조물(1500)의 예이다. 이전의 실시형태에서와 같이, 레이업 공정 동안 복합재(1514)를 성형하기 위해 그리고 구축되는 구조물의 일부가 되도록 적층 제조된 툴(1516)이 사용된다. 경화된 복합재(1514)와 3D 인쇄된 툴(1516) 사이의 접합을 개선하기 위해, 필 플라이(1512)와 같은 화학적으로 적합한 특성을 갖는 재료의 층이 툴(1516)과 복합재(1514) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서 정확한 결과를 가능하게 하기 위해, 또 다른 필 플라이 층(1512)이 복합재(1514) 위에 삽입될 수 있다. 상부 필 플라이 층(1512)과 배깅 필름(bagging film; 1508) 사이에는 브리더(breather; 1510)가 있다. 배깅 필름(1508)은 부압을 생성하기 위한 스루-백 진공 커넥터(thru-bag vacuum connector)를 포함할 수 있다. 배깅 필름(1508)을 밀봉하기 위해 밀봉제(1502)가 사용될 수 있고, 필 플라이(1512)를 복합재(1514)에 고정하기 위해 플래시 테이프(flash tape; 1504)가 사용될 수 있다.
경화가 완료되면, 필 플라이(1512)의 특성으로 인해, 경화된 복합재(1514)가 툴(1516)로부터 제거될 수 있다. 필 플라이(1512)는 접착 접합에 도움이 되는, 복합재(1514)의 표면에 일정한 질감을 남길 수 있다. 필 플라이(1512)를 폐기한 후, 툴-복합재 계면 사이에 접착제를 도포하여 툴(1516)과 복합재(1514) 사이에 강한 결합을 형성할 수 있다.
상기한 설명은 본 기술 분야의 숙련자가 본원에 기술된 다양한 양태를 실시할 수 있도록 제공된다. 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 이러한 예시적인 실시형태에 대한 다양한 변형은 본 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이며, 본원에 개시된 개념은 재료의 복합 인레이를 위한 다른 기술에 적용될 수 있다. 따라서, 청구항은 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 예시적인 실시형태로 제한되는 것이 아니라, 언어 청구항과 일치하는 전체 범위에 따라야 한다. 본 기술 분야의 숙련자에게 알려지거나 나중에 알려질 본 개시에 걸쳐 기술된 예시적인 실시형태의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 청구항에 의해 포함되는 것이다. 또한, 본원에 개시된 그 어떠한 것도 그러한 개시가 청구항에 명시적으로 언급되는지 여부에 관계없이 일반 공중에 개방되기 위한 것은 아니다. 어떠한 청구항 요소도, 그 요소가 명확히 "~하는 수단"이라는 문구를 사용하여 명시되지 않는 한, 또는 방법 청구항의 경우, 요소가 "~하는 단계"라는 문구를 사용하여 명시되지 않는 한, 35 U.S.C. 112(f)의 조항 또는 해당 관할 구역의 유사한 법률에 따라 해석되어서는 안 된다.

Claims (39)

  1. 수송 구조물용 부품을 제조하는 방법으로서, 방법은:
    재료에 부착되도록 구성된 표면을 포함하는 툴링 쉘을 3차원(3D) 인쇄하는 단계와;
    금형의 일부로서 툴링 쉘을 사용하여 표면에 재료를 도포하는 단계, 및
    수송 구조물 내에서 부품으로서 조립하기 위한 통합 구조물로서, 툴링 쉘과 재료를 포함하는 통합 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    수송 구조물 내에서 부품으로서 통합 구조물을 조립하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘을 3D 인쇄하는 단계는 재료와의 접착력을 증가시키기 위해 표면에 거친 부분을 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    재료는 복합 재료를 포함하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    복합 재료는 탄소 섬유 강화 폴리머를 포함하는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    표면에 재료를 도포하는 단계는 복합 제조 공정을 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    표면에 재료를 도포하는 단계는 탄소 섬유를 툴링 쉘에 고정하기 위해 접착 특성을 갖는 탄소 섬유의 매트릭스 재료를 도포하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘을 3D 인쇄하는 단계는 표면이 위치하는 툴링 쉘을 내에 공동을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    표면에 재료를 도포하는 단계는 공동 내에 탄소 섬유를 인레이하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    탄소 섬유의 추가 부분은 툴에서 돌출되고, 인레이된 탄소 섬유에 결합되는, 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    탄소 섬유의 추가 부분은 연결 영역으로서 인레이된 부분에 결합되는, 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘은 플라스틱 재료를 포함하는, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘을 3D 인쇄하는 단계는 폼 코어 재료를 3D 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘을 3D 인쇄하는 단계는 허니컴 패널을 3D 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘은 격자 구조물을 포함하는, 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘을 3D 인쇄하는 단계는 도포된 재료에 대해 플러시 마감을 가능하게 하도록 구성된 적어도 하나의 포켓을 툴링 쉘 내에 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    적어도 하나의 포켓은 복합 재료로 강화되는, 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    도포된 재료에 결합되는 적어도 하나의 적층 제조된 노드를 더 포함하는, 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    통합 구조물의 영역에 강화 재료를 추가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    강화 재료는 복합 섬유 재료를 포함하는, 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    툴링 쉘은 용해 가능한 재료의 적어도 하나의 부분을 포함하는, 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    통합 구조물을 형성하는 단계는 적어도 하나의 부분을 용해시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 제 4 항에 있어서,
    툴링 쉘과 복합 재료 사이에 하나 이상의 필 플라이 층을 삽입하는 단계와;
    복합 재료를 경화시키는 단계와;
    복합 재료가 경화되면 하나 이상의 필 플라이 층을 제거하는 단계; 및
    접착제를 사용하여 복합 재료의 적어도 일부를 툴링 쉘과 접합하는 단계를 더 포함하는 방법.
  24. 수송 구조물용 부품을 제조하는 방법으로서, 방법은:
    툴링 쉘을 3차원(3D) 인쇄하는 단계; 및
    통합 구조물을 생성하는 단계를 포함하고, 통합 구조물을 생성하는 단계는,
    툴링 쉘을 사용하여 복합 재료를 성형하는 단계; 및
    툴링 쉘에 복합 재료를 고정하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    통합 구조물은 수송 구조물 내에 조립하기 위해 사용될 수 있는, 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    복합 재료는 탄소 섬유 강화 폴리머를 포함하는, 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    통합 구조물을 생성하는 단계는 접착 특성을 갖는 복합 매트릭스 재료를 도포하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    툴링 쉘을 3D 인쇄하는 단계는 복합 재료와의 접착력을 증가시키기 위해 표면에 거친 부분을 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제 24 항에 있어서,
    툴링 쉘을 3D 인쇄하는 단계는 표면이 위치하는 툴링 쉘을 내에 공동을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 제 24 항에 있어서,
    표면에 재료를 도포하는 단계는 공동 내에 탄소 섬유를 인레이하는 단계를 포함하는, 방법.
  31. 제 24 항에 있어서,
    통합 구조물을 생성하는 단계는 복합 제조 공정을 사용하여 복합 재료를 도포하는 단계를 포함하는, 방법.
  32. 수송 구조물용 부품을 제조하는 방법으로서, 방법은:
    표면을 포함하는 플라스틱 툴링 쉘을 3차원(3D) 인쇄하는 단계와;
    금형의 일부로서 툴링 쉘을 사용하여 표면에 복합 재료를 도포하는 단계, 및
    수송 구조물 내에서 부품으로서 조립하기 위한 통합 구조물로서, 플라스틱 툴링 쉘과 재료를 포함하는 통합 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    툴링 쉘은 격자 또는 허니컴 구조물을 더 포함하는, 방법.
  34. 제 32 항에 있어서,
    다수의 적층 제조된 노드를 통해, 도포된 복합 재료를 클램핑하는 단계를 더 포함하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    적층 제조된 노드는 수송 구조물의 크러쉬 레일(crush rail)용 서스펜션 인터페이스(suspension interface)를 포함하는, 방법.
  36. 제 34 항에 있어서,
    도포된 복합 재료와 플라스틱 툴링 쉘을 클램핑하기 위해, 적층 제조된 노드를 사용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  37. 제 32 항에 있어서,
    다수의 노드는 알루미늄을 포함하는, 방법.
  38. 제 32 항에 있어서,
    도포된 복합 재료의 플러시 마감을 얻기 위해 툴링 쉘 내에 포켓을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  39. 제 32 항에 있어서,
    툴링 쉘과 복합 재료의 적어도 일부 사이에 하나 이상의 필 플라이 층을 삽입하는 단계와;
    복합 재료를 경화시키는 단계와;
    경화되면 하나 이상의 필 플라이 층을 제거하는 단계; 및
    접착제를 사용하여 툴링 쉘과 복합 재료의 적어도 일부를 접합하는 단계를 더 포함하는 방법.
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