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KR20180100404A - 섬유 복합 부재, 구조 부재, 및 제조 방법 - Google Patents

섬유 복합 부재, 구조 부재, 및 제조 방법 Download PDF

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KR20180100404A
KR20180100404A KR1020187022491A KR20187022491A KR20180100404A KR 20180100404 A KR20180100404 A KR 20180100404A KR 1020187022491 A KR1020187022491 A KR 1020187022491A KR 20187022491 A KR20187022491 A KR 20187022491A KR 20180100404 A KR20180100404 A KR 20180100404A
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KR
South Korea
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hole
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fiber composite
fiber
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플로리안 루브너
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 매트릭스 재료(2221, 2231) 내에 매립된 섬유(23, 24)를 포함하는 베이스 요소(20, 21, 2)를 포함하는 섬유 복합 부재(20, 2)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 섬유 복합 부재(20, 2)의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 지지 요소 및 강화 요소를 포함하는 구조 부재 및 구조 부재의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 섬유 복합 부재(20, 2)는 매트릭스 재료(2221, 2231) 내에 매립된 섬유(23, 24)를 포함하는 베이스 요소(20, 21, 2) 및 매트릭스 재료(2221, 2231) 내에 매립된 섬유(23, 24)를 포함하는 강화 요소를 포함하고, 상기 베이스 요소(20, 21, 2) 및 상기 강화 요소는 서로 결합되고, 홀(22, 23)이 상기 베이스 요소(20, 21, 2) 및 상기 강화 요소를 통과해 안내되고, 상기 베이스 요소(20)에서의 상기 홀(22, 23)에 인접한(211) 섬유(23, 24)는 절단되고, 그리고 상기 강화 요소에서의 상기 홀(22, 23)에 인접한(211) 섬유(23, 24)는 연속된다.

Description

섬유 복합 부재, 구조 부재, 및 제조 방법
본 발명은 매트릭스 재료에 내에 매립된 섬유를 포함하는 베이스 요소를 포함하는 섬유 복합 부재에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 섬유 복합 부재의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 지지 요소 및 강화 요소를 포함하는 구조 부재에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 구조 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
전술한 유형의 섬유 복합 부재는 본질적으로 2개의 주요 성분을 포함하는 섬유 복합 재료로 제조된다. 주요 성분은 매트릭스 재료 및 섬유이며, 상기 주요 성분은 섬유 복합 재료가 관련된 2개의 개별 주요 성분의 각 성분보다 더 높은 품질의 특성을 포함하는 방식으로 서로 상호 작용한다.
매트릭스 재료는 매트릭스를 형성하며, 상기 매트릭스는 섬유를 그 위치에 유지하고 섬유 사이의 응력을 전달하고 분배한다. 또한, 매트릭스는 외부의 기계적이고 화학적인 영향으로부터 섬유를 보호하는 역할을 한다. 섬유는 매트릭스 내에서의 섬유 프로파일에 따라 방향 의존적(이방성) 또는 방향 독립적(등방성)인 재료의 강도를 향상시킨다.
섬유 복합 재료는 상이한 기술 영역, 특히 낮은 부재 중량 또는 일반적인 경량 구조 및 높은 강성이 요구되는 용도에 사용된다. 섬유 복합 재료의 적용을 위한 예시적인 제품은 항공기, 자동차, 풍력 발전 시스템용 로터 또는 스포츠 장비이다.
전술한 유형의 구조 부재는 기술 제품의 대부분에서 기술적 생산물의 성분으로 존재한다. 구조 부재의 제조에 사용되는 재료는 예를 들어 강철, 알루미늄, 티타늄, 그 외의 기타 금속 재료, 주조 재료, 플라스틱, 목재 및/또는 그 외의 기타 재료를 포함한다.
섬유 복합 부재 및/또는 구조 부재를 포함하는 제품은 종종 하나보다 많은 부재로 이루어지므로, 부재가 서로 결합되어야 한다. 이를 위해, 예를 들어 나사 결합부 또는 다른 분리 가능한 결합부 및/또는 분리 불가능한 결합부를 제공하기 위해, 섬유 복합 부재 및/또는 구조 부재에 종종 홀, 바람직하게는 보어가 도입된다. 여기서 홀은 노치로 작용하므로, 섬유 복합 부재에 또는 구조 부재에 노치 효과가 발생한다. 부재는 이러한 위치에서 응력 집중에 의해 약해지고, 부재의 기술적인 고장을 초래할 수 있다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음과 같은 기술들을 조사하였다: DE 10 2010 046 609 A1호, DE 10 2014 100 182 A1호, EP 2 982 871 A1호, WO 2008/119 409 A1호 및 WO 2015/146 690 A1호.
따라서, 본 발명의 과제는 언급된 하나 이상의 단점을 감소시키거나 또는 제거하는 섬유 복합 부재 및 구조 부재 그리고 섬유 복합 부재 및 구조 부재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 과제는 홀의 영역에서의 부재 약화를 감소시키거나 그리고/또는 제거하는 섬유 복합 부재 및 구조 부재 그리고 섬유 복합 부재 및 구조 부재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 제1 양태에 따르면 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 포함하는 베이스 요소를 포함하고, 매트릭스 재료에 내에 매립된 섬유를 포함하는 강화 요소를 포함하는 섬유 복합 부재에 의해 달성되며, 베이스 요소 및 강화 요소는 서로 결합되고, 홀이 베이스 요소 및 강화 요소를 통과해 안내되고, 베이스 요소에서의 홀에 인접한 섬유는 절단되고, 강화 요소에서의 홀에 인접한 섬유는 연속된다.
섬유 복합 부재는 매트릭스 재료 및 이에 매립된 섬유를 포함하거나 또는 이것들로 이루어지는 베이스 요소를 포함한다. 여기서 베이스 요소는 기술적 부재의 부품, 예를 들어 풍력 발전 시스템의 원-피스 로터 또는 로터의 부분으로 이해되어야 한다.
또한, 베이스 요소는 섬유 복합 재료로 제조되며, 여기서 섬유 복합 재료는 본질적으로 매트릭스 재료와 섬유를 포함하거나 또는 이것들로 이루어진다. 섬유는 바람직하게는 미리 제조된 반제품으로 도입되므로, 섬유 방향은 사용된 반제품에 의해 결정된다. 예를 들어, 베이스 요소의 상이한 위치에서의 섬유 프로파일의 정확한 방향은 단지 제한적으로만 결정될 수 있다.
본 발명은 특히, 노치가 있고 힘이 가해지는 섬유 복합 부재가 국부적인 응력 집중을 받는다는 인식을 기초로 한다. 이 때문에, 기존의 해결 방안에서는 응력 집중이 있는 부재 영역은 종종 힘을 수용하는 단면적이 증가되고 따라서 응력이 감소되는 방식으로 강화된다. 힘을 수용하는 단면적을 증가시키는 일반적인 방법은 대응하는 부재 영역에 보다 많은 재료를 제공하는 것이다.
따라서, 종래 기술에서는 재료 확장부가 종종 제공되어, 노치 작용에도 불구하고 부재가 충분한 강성을 갖는다. 이러한 유형으로 설계된 재료 확장부는 일반적으로 높은 중량 증가를 초래하고, 이는 특히 섬유 복합 재료에서 강제되는 경량 구조 효과에 반대로 작용한다. 또한, 이러한 유형으로 설계된 재료 확장부는 구조적인 자유 공간을 제한하고, 미적인 형상 감각을 방해할 수 있다. 또한, 이러한 유형으로 설계된 재료 확장부는 높은 비용으로 연결되는데, 왜냐하면 섬유 복합 재료는 일반적으로 높은 재료 가격을 특징으로 하기 때문이다.
본 발명에 따른 섬유 복합 부재는 특히, 강한 재료 확장부 및 이러한 유형의 재료 확장부의 상기 설명된 단점이 강화 요소에 의해 회피될 수 있다는 인식에 기초한다. 강화 요소는 섬유 복합 부재의 성분이며, 베이스 요소에 결합된다. 강화 요소는 예를 들어 홀을 통해 응력 집중이 발생하는 베이스 요소의 영역에 배치되고, 여기서 이전에 제공되는 재료 확장부를 대체할 수 있게 한다.
마찬가지로, 강화 요소는 섬유 복합 재료를 포함하거나 또는 섬유 복합 재료로 이루어지며, 여기서 섬유 복합 재료는 본질적으로 매트릭스 재료와 섬유로 이루어진다. 바람직하게는, 강화 요소의 섬유 복합 재료는 부분적으로 또는 전체적으로 동일한 매트릭스 재료 및/또는 부분적으로 또는 전체적으로 베이스 재료와 동일한 섬유를 포함한다. 대안적으로, 강화 요소의 섬유 복합 재료는 베이스 요소와 동일한 매트릭스 재료를 포함하지 않고 그리고/또는 베이스 요소와 동일한 섬유를 포함하지 않을 수도 있다.
강화 요소의 형상은 바람직하게는 섬유 복합 부재에서 하중 상황에 대해 조정된다. 이 경우, 강화 요소의 기하학적 형상은 바람직하게는 베이스 요소 및 강화 요소에서 힘 또는 힘의 흐름 및/또는 응력의 시뮬레이션에 의해 결정된다. 또한, 섬유의 배향은 재료의 가장 높은 강성을 달성하고 재료의 사용을 최소화하기 위해 각각의 국부적으로 지배적인 힘의 흐름의 방향에 상응하게 조정될 수 있다. 이러한 유형의 시뮬레이션은 예를 들어, 유한 요소 방법에 기초하여 수행될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 강화 요소는 세장형 단면을 포함한다. 여기서 단면은 강화 요소의 영역에서 홀의 길이 방향 축에 대해 직각인 단면인 것으로 이해되어야 한다. 강화 요소의 단면은 기본적으로 임의의 형상을 취할 수 있으며, 특히 힘의 흐름에 의해 결정된다. 바람직하게는, 강화 요소는 원형 또는 정사각형 단면을 포함할 수 있다. 또한 바람직하게는, 강화 요소의 높이는 홀의 관통 축에 대해 평행하게 측정될 때 강화 요소의 홀의 중심 및/또는 강화 요소의 영역에서 가장 크며, 높이는 측면을 향해 감소하고, 바람직하게는 베이스 요소로의 동일 높이의 전이를 가능하게 한다.
대안적으로, 강화 요소에 대해 기하학적 표준이 정의될 수 있어, 강화 요소는 베이스 요소 및 하중 상황의 대부분에 대해 적합하다. 이러한 대안적인 변형예는 증가된 피스 개수로 인해 강화 요소의 특히 비용 효율적인 제조를 가능하게 한다.
설명된 유형의 강화 요소는 섬유 복합 재료의 연속적인 섬유로 인해 종래의 재료 확장부에 비해 더 높은 강성의 장점을 제공하므로, 더 적은 재료가 사용되어야 한다. 따라서, 개선된 재료 이용, 보다 가벼운 중량, 보다 나은 미학 및 보다 적은 비용의 장점이 구현될 수 있다.
또한, 강화 요소는 바람직하게는 강화 요소를 베이스 요소 상에 장착하기 위해 지지 표면으로서의 역할을 하도록 형성된 영역 또는 측면을 포함한다. 따라서, 베이스 요소는 강화 요소를 베이스 요소 상에 장착하기 위한 적절한 영역 또는 적절한 측면을 또한 포함한다. 또한, 바람직하게는 이러한 표면들은 서로 매칭되므로, 강화 요소의 지지 표면은 베이스 요소의 지지 표면과의 완전한 접촉을 포함한다.
또한, 베이스 요소와 강화 요소는 서로 결합된다. 본 명세서와 관련하여, 서로 결합된다는 것은 바람직하게는 베이스 요소와 강화 요소가 하나 이상의 영역에서 서로 인접한다는 것을 의미한다. 베이스 요소와 강화 요소 사이의 결합은 재료 결합 방식, 마찰 결합 로킹 방식 및/또는 형상 맞춤 로킹 방식으로 형성될 수 있다. 특히 베이스 요소와 강화 요소 사이의 재료 결합 방식의 결합이 바람직하다. 또한 바람직하게는, 이러한 결합은 예를 들어 마모 부품을 교체하고 그리고/또는 보다 용이한 운반을 가능하게 하도록, 섬유 복합 부재를 해체하기 위해 분리 가능하도록 설계된다.
또한, 본 발명에 따른 섬유 복합 부재는 결합될 하나 이상의 부재에 홀을 필요로 하는 결합 요소가 복수의 섬유 복합 부재를 결합하는데 종종 사용된다는 인식에 기초한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 홀은 베이스 요소 및 강화 요소를 통과해 안내된다. 이 경우, 홀은 바람직하게는 홀의 전체 축 방향 길이에 걸쳐 동일하거나 또는 대안적으로 바람직하게는 홀의 축 방향 길이에 걸쳐 가변적인 단면을 포함한다. 특히, 베이스 요소의 영역에서 홀의 단면이 강화 요소의 영역과 다른 유형으로 설계되는 가능성이 존재한다. 이러한 다른 유형의 가능성은 홀의 직경 및/또는 홀의 단면의 기하학적 구조와 관련될 수 있다. 또한, 바람직하게는 홀은 실질적으로 원형, 타원형, 삼각형 또는 다각형, 슬롯형 및/또는 기하학적으로 정의되지 않은 단면을 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 홀은 관통 홀로서 제공된다. 이러한 바람직한 변형예에서, 홀은 베이스 요소와 강화 요소를 완전히 통과해 안내된다. 대안적으로 바람직하게는, 홀은 블라인드 홀로서 제공된다. 이러한 바람직한 변형예에서, 홀은 강화 요소를 완전히 통과해 안내되지만, 베이스 요소로부터는 다시 형성되지는 않거나, 또는 홀은 베이스 요소를 완전히 통과해 안내되지만, 강화 요소로부터는 다시 형성되지는 않는다.
베이스 요소에서의 홀에 인접한 섬유 복합 재료의 섬유는 실질적으로 절단된다. 바람직하게는, 베이스 요소에서의 홀의 홀 에지는 실질적으로 절단된, 홀에 인접한 섬유의 분리 표면 및 매트릭스 재료에 의해 형성된다. 바람직하게는, 홀 에지의 또는 홀 에지의 영역의 섬유는 홀의 제조 동안 및/또는 홀의 제조에 의해, 예를 들어 드릴링 공정에 의해 절단된다. 베이스 요소의 홀 내에 또는 베이스 요소의 홀을 통해 그리고 강화 요소의 홀 내에 또는 강화 요소의 홀을 통해서도 섬유는 연장되지 않는다.
본 발명에 따르면, 강화 요소에서의 섬유 복합 재료의 홀에 인접한 섬유는 연속된다. 이러한 맥락에서, 연속된다는 것은 특히 강화 요소에 포함된 섬유가 절단되지 않으며, 따라서 분리면을 포함하지 않고, 특히 홀 에지의 영역에서 연장되는 섬유를 포함하지 않는다는 것으로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 섬유는 홀의 주위, 특히 홀 에지의 영역에서 연속적으로 연장된다. 또한, 바람직하게는 섬유는 실질적으로 홀 주위에서 접선 방향으로 그리고/또는 홀 에지를 따라 접선 방향으로 연장된다.
연속되지 않는 섬유의 경우, 섬유 복합 재료 내부의 힘 전달은 연속되는 섬유를 갖는 섬유 복합 재료의 경우보다 균일성이 낮다. 따라서, 섬유의 연속성은 부재의 강도가 특히 높다는 특별한 이점을 갖는다. 또한, 강화 요소 내의 섬유의 설명된 배치는 섬유가 홀 주변에서, 특히 홀 에지의 영역에서 압축되므로, 강도는 특히 이러한 일반적으로 더 높은 응력을 받는 영역에서 다시 긍정적인 영향을 받는다는 이점을 갖는다.
본 명세서에서, 절단된 또는 연속되는 섬유는 섬유가 각각의 외관 또는 가공 형상이 그에 해당하는 것으로 이해되어야 한다. 베이스 요소의 섬유가 예를 들어 직조물, 및/또는 스크림(scrim), 및/또는 다축 스크림, 및/또는 자수, 및/또는 부직포, 및/또는 매트 재료 및/또는 브레이드(braid)로서 매트릭스 재료 내에 배치되는 경우, 절단된 섬유는 이에 대응하게 또한 절단된 직조물, 스크림, 다축 스크림, 자수, 부직포, 매트 재료 및/또는 브레이드를 의미하거나 또는 그 부분 또는 섹션을 의미한다. 강화 요소의 섬유가 예를 들어 섬유 다발, 바람직하게는 로빙(roving)으로서 매트릭스 재료 내에 배치되는 경우, 연속된 섬유는 이에 대응하게 또한 연속된 섬유 다발 또는 로빙을 의미하거나 또는 그 부분 또는 섹션을 의미한다. 바람직하게는, (상업적으로) 일반적인 품질의 섬유 다발 또는 로빙이 사용되며, 특히 일반적인 중첩부(splice point)가 사용된다.
섬유가 절단되어 있는, 홀이 통상적인 방식으로 제조되는 베이스 요소와, 홀의 주위를 연속적으로 연장하도록 섬유가 배치되어 있는 강화 요소의 조합은 공동의 섬유 복합 부재에서 강화 요소의 향상된 강도 및 강성으로 베이스 요소의 제조 시 비용 절감으로 연결될 수 있다는 장점을 갖는다.
섬유 복합 부재의 바람직한 실시예에서, 베이스 요소의 섬유는 직조물, 및/또는 스크림, 및/또는 다축 스크림, 및/또는 자수, 및/또는 부직포, 및/또는 매트 재료 및/또는 브레이드로서 매트릭스 재료 내에 배치되고, 강화 요소의 섬유는 섬유 다발로서, 바람직하게는 로빙으로서 존재한다.
베이스 요소의 섬유는 바람직하게는 하나 이상의 전술된 형태로 이미 반제품으로서 존재한다. 이를 통해, 베이스 요소의 경제적인 생산의 가능성이 존재하며, 특히 합리적인 시간 간격으로 요소를 대량으로 제조할 수 있는 가능성도 또한 존재한다. 그러나, 이러한 반제품의 사용에 의해, 일반적으로 예를 들어 홀과 같은 특정 세공의 기하학적 요소가 반제품의 설치 중에 이미 생성될 가능성은 존재하지 않는다.
강화 요소의 섬유는 섬유 다발, 바람직하게는 로빙 형태로 존재하며, 이는 매우 유연하게 설치될 수 있고, 따라서 복잡한 기하학 구조도 또한 생성될 수 있다. 섬유 다발은 하나의 섬유 또는 하나 초과의 섬유로 이루어진다. 섬유 다발이 하나 초과의 섬유로 이루어지는 경우, 섬유는 실질적으로 평행하게 배치되고, 바람직하게는 소위 무한 섬유이다. 상세하게는, 섬유 다발 및 로빙은 일반적으로 섬유의 개수 또는 길이 관련 질량에 따라 분류된다.
섬유 다발은 힘의 흐름에 따라 배향되어 설치될 수 있으므로, 재료의 매우 높은 강도가 달성될 수 있다. 힘의 흐름에 따라 배향되어 설치된 섬유는 섬유 다발이 주요 하중 경로 또는 주요 응력을 따라 설치되는 방식으로 이해되어야 한다. 따라서, 섬유 다발이 힘의 흐름에 따라 배향되어 설치되는 것은 부재 내에서 연장되는 힘의 흐름 또는 부재 내에서 국부적으로 작용하는 응력의 방향에 대한 지식을 필요로 한다. 이러한 지식은 바람직하게는 시뮬레이션을 통해, 또한 바람직하게는 유한 요소 시뮬레이션에 기초하여 얻어진다. 이러한 높은 강도에 의해 일반적으로 다시, 외부의 힘에 의해 유도된 응력을 수용하기 위해 더 적은 재료가 요구되게 된다. 섬유 다발에서 설치 시 높은 가요성으로 인해, 섬유는 예를 들어 기하학적 요소 주위로 설치될 수 있게 된다.
섬유 복합 부재의 추가의 바람직한 실시예는 베이스 요소 및/또는 강화 요소의 섬유가 유기 섬유 및/또는 무기 섬유 및/또는 천연 섬유를 포함하거나 또는 이들인 것을 제공한다.
무기 섬유는 예를 들어, 유리 섬유, 현무암 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유 또는 강철 섬유이다. 유기 섬유는 예를 들어, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 폴리 에스테르 섬유 및 폴리에틸렌 섬유(특히, 예를 들어 Dyneema 섬유와 같은 고성능 폴리에틸렌(HPPE) 섬유)이다. 천연 섬유는 예를 들어, 마 섬유, 아마 섬유 또는 사이잘 섬유이다.
섬유 복합 부재의 바람직한 실시예의 변형예에서, 베이스 요소의 섬유는 오직 유리 섬유 또는 오직 탄소 섬유 또는 오직 아라미드 섬유로만 이루어진다. 바람직한 실시예의 다른 변형예에서, 베이스 요소는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드 섬유로부터 선택된 2개의 상이한 섬유를 포함한다. 바람직한 실시예의 또 다른 변형예는 베이스 요소가 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드 섬유를 포함하는 것을 제공한다. 또한 바람직하게는, 베이스 요소의 섬유는 또한 섬유 복합 재료로 가공되도록 형성되고 또한 섬유 복합 재료로 가공되기에 적합한 다른 섬유로 이루어지거나 또는 이를 포함할 수 있다.
섬유 복합 부재의 바람직한 실시예의 변형예에서, 강화 요소의 섬유는 오직 유리 섬유 또는 오직 탄소 섬유 또는 오직 아라미드 섬유로만 이루어진다. 바람직한 실시예의 다른 변형예에서, 강화 요소는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드 섬유로부터 선택된 2개의 상이한 섬유를 포함한다. 바람직한 실시예의 또 다른 변형예는 강화 요소가 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드 섬유를 포함하는 것을 제공한다. 또한 바람직하게는, 강화 요소의 섬유는 또한 섬유 복합 재료로 가공되도록 형성되고 또한 섬유 복합 재료로 가공되기에 적합한 다른 섬유로 이루어지거나 또는 이를 포함할 수 있다.
한편, 오직 단일의 섬유 유형, 예를 들어 오직 유리 섬유만을 제공하는 것은 부재 내에서 강성 점프가 발생하지 않고, 제조가 일반적으로 간소화된다는 점에서 유리하다. 또한, 하나의 섬유의 전체적인 이점이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유와 아라미드 섬유 또는 유리 섬유와 탄소 섬유와 같은 2종 이상의 섬유를 제공하는 것은 사용된 섬유의 특정 이점을 이용하는 측면에서의 이점을 제공할 수 있다.
섬유 복합 부재의 추가의 바람직한 발전예는 베이스 요소 및/또는 강화 요소의 매트릭스 재료가 플라스틱을 포함하거나 또는 플라스틱으로 이루어지고, 플라스틱은 바람직하게는 열가소성 수지 및/또는 열경화성 수지를 포함하거나 또는 이들로 이루어지는 것을 제공하고, 그리고/또는 베이스 요소 및/또는 강화 요소의 매트릭스 재료가 시멘트를 포함하거나 또는 시멘트로 이루어지고, 그리고/또는 콘크리트를 포함하거나 또는 콘크리트로 이루어지고, 그리고/또는 금속을 포함하거나 또는 금속으로 이루어지고, 그리고/또는 세라믹을 포함하거나 또는 세라믹으로 이루어지고, 그리고/또는 탄소를 포함하거나 또는 탄소로 이루어지는 것을 제공한다.
열가소성 매트릭스를 갖는 매트릭스는 생성된 섬유 복합 부재가 또한 변형되고 용접될 수 있다는 이점을 갖는다. 이는 특히 열가소성 매트릭스 재료가 여러 번 용융될 수 있다는 점에 기인한다. 열경화성 수지를 매트릭스 재료로 포함하거나 또는 열경화성 수지로 이루어지는 섬유 복합 부재는 특히 높은 강도를 특징으로 한다.
시멘트, 콘크리트, 금속, 세라믹 및/또는 탄소의 사용은 언급된 재료의 구체적인 이점의 사용을 가능하게 하지만, 특히 인장력 및/또는 압축력에 관한 강성, 특정 중량, 및/또는 가공성에만 국한되는 것은 아니다.
섬유 복합 부재의 추가의 바람직한 실시예는 베이스 요소와 강화 요소가 재료 결합 방식 및/또는 형상 맞춤 로킹 방식으로 서로 결합되어 있고, 그리고/또는 베이스 요소와 강화 요소가 베이스 요소의 매트릭스 재료 내에 그리고 강화 요소의 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 통해 서로 결합되어 있고, 그리고/또는 강화 요소가 홀에서의 베이스 요소 반대쪽 단부 상에, 결합 요소를 수용하기 위해 홀의 통과 방향에 대해 직각인 편평한 지지 표면을 포함하는 것을 제공한다.
이러한 재료 결합 방식의 결합은 특히 관련 재료의 서로에 대한 재료적인 결합을 통해 구현되는 결합으로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 요소들의 결합을 위해, 서로에 대한 재료적인 결합을 가능하게 하는 다른 물질이 사용된다. 이러한 바람직한 실시예의 다른 변형예에서, 재료 결합 방식의 결합은 접착제로 구현된다. 접착제는 접착 및/또는 점착에 의해 적어도 2개의 요소를 결합시키는 재료로 이해되어야 한다. 또한 바람직하게는, 접착제는 베이스 요소 및/또는 강화 요소의 매트릭스 재료와 동일한 재료를 포함한다. 또한 바람직하게는, 접착제는 베이스 요소 및/또는 강화 요소의 매트릭스 재료와 동일한 재료로 이루어진다.
다른 바람직한 발전예에 따르면, 베이스 요소와 강화 요소는 베이스 요소의 매트릭스 재료 및 강화 요소의 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 통해 서로 결합된다. 베이스 요소와 강화 요소를 결합하기 위한 섬유는 베이스 요소 및/또는 강화 요소가 포함하는 동일한 섬유일 수 있다. 또한 바람직하게는, 이러한 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유 및/또는 아라미드 섬유로부터 선택된다. 섬유 복합 부재의 이러한 바람직한 발전예의 특정 변형예에서, 베이스 요소 및 강화 요소의 결합 위치에는 베이스 요소 및/또는 강화 요소의 매트릭스 재료가 추가적으로 존재하거나 또는 도입된다. 또한 바람직하게는, 베이스 요소 및 강화 요소의 결합 위치에는 베이스 요소 및/또는 강화 요소의 매트릭스 재료가 아닌 매트릭스 재료가 추가적으로 존재하거나 또는 도입된다. 베이스 요소와 강화 요소가 서로 결합되게 하는 섬유는 바람직하게는, 섬유 다발, 바람직하게는 로빙으로서 존재할 수 있고 그리고/또는 직조물, 스크림, 다축 스크림, 자수, 부직포, 매트 재료 및/또는 브레이드 또는 이들의 부분 또는 섹션으로서 형성될 수 있다.
섬유를 통한 베이스 요소와 강화 요소의 결합은 결합의 높은 강도 및 섬유 복합 부재의 균일성을 가능하게 한다. 베이스 요소와 강화 요소의 이러한 결합은 응력 점프를 감소시킬 수 있는 가능성에 의해 특히 유리하다. 또한, 결합물의 매우 양호한 수명이 달성된다. 또한, 베이스 요소에 그리고 강화 요소에 전달되는 힘 또는 발생되는 힘의 흐름이 특히 유리하게 전달된다.
섬유 복합 부재의 또 다른 바람직한 개발예는 베이스 요소와 강화 요소가 서로 형상 맞춤 로킹 방식으로 결합되는 것을 제공한다. 형상 맞춤 로킹 방식의 결합은 예를 들어 키-슬롯-조인트, 도브테일 조인트 또는 페더 키와 같은 결합될 적어도 2개의 요소의 서로에 대한 결합에 의해 이루어진다.
섬유 복합 부재의 바람직한 실시예의 또 다른 변형예에서, 강화 요소는 홀에서의 베이스 요소 반대쪽 단부 상에, 결합 요소를 수용하기 위해 홀의 통과 방향에 대해 직각인 편평한 지지 표면을 포함한다. 지지 표면은 강화 요소에서 홀의 주변에 도입되므로, 예를 들어 지지 표면 상에 와셔(washer)가 제공될 수 있고, 이를 통해 와셔의 홀 및 개구부는 동일한 통과 방향을 포함하며, 예를 들어 와셔의 개구부를 통해 홀 내로 나사가 삽입될 수 있다. 또한 바람직하게는, 지지 표면은 나사 헤드를 직접적으로 수용하도록 작용한다. 대안적으로 바람직하게는, 지지 표면 상의 부분 및/또는 영역과 함께 놓이는 다른 고정 수단이 홀 내로 삽입된다.
섬유 복합 부재의 추가의 이점, 변형예 및 실시예의 세부 사항 및 그 추가의 발전예를 위해, 관련 제조 방법의 특징에 대한 이하의 설명이 또한 참조된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 포함하는 강화 요소에 의해 달성되며, 홀이 강화 요소를 통과해 안내되고, 홀은 섬유 및 매트릭스 재료로 이루어진 강화 요소의 제조 시, 상기 홀에 인접한 섬유는 연속되도록 형성된다.
본 발명에 따른 강화 요소 및 가능한 발전예는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재 및 구조 부재 그리고 그 발전예를 위해 사용되기에 특히 적합하게 하는 특징을 포함한다. 강화 요소의 이점, 변형예 및 실시예의 세부 사항 및 그 발전예에 대해, 섬유 복합 부재 및 구조 부재의 대응하는 특징에 대한 설명이 참조된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 전술된 본 발명의 양태에 따른 지지 요소 및 강화 요소를 포함하는 구조 부재에 의해 달성되며, 지지 요소 및 강화 요소는 서로 결합되고, 홀이 지지 요소 및 강화 요소를 통과해 안내된다.
구조 부재는 기술적 생산물의 부품이다. 여기서 구조 부재는 기술적 생산물의 유일한 부품이거나 또는 다른 부품에 추가된 부품일 수도 있다. 또한, 구조 부재는 바람직하게는 강철, 알루미늄, 티타늄, 다른 금속 재료, 플라스틱, 목재 및/또는 다른 재료를 포함하거나 또는 이들로 이루어지는 지지 요소를 포함한다. 또한 바람직하게는, 지지 요소는 주조 재료를 포함하거나 또는 하나 이상의 주조 재료로 이루어진다. 강화 요소는 이전에 설명된 본 발명의 양태에 따른 강화 요소와 같은 이전에 설명된 특성, 기능, 실시예 등을 포함한다.
또한, 지지 요소와 강화 요소는 서로 결합된다. 이와 관련해서 서로 결합된다는 것은 바람직하게는, 지지 요소 및 강화 요소가 하나 이상의 영역에서 서로 인접하는 것을 의미할 수 있다. 지지 요소와 강화 요소 사이의 결합은 재료 결합 방식, 마찰 결합 로킹 방식 및/또는 형상 맞춤 로킹 방식으로 형성될 수 있다. 베이스 요소와 강화 요소 사이의 재료 결합 방식 결합이 특히 바람직하다. 또한 바람직하게는, 이러한 결합은 예를 들어, 마모 부품을 교체하고 그리고/또는 용이한 운반을 가능하게 하도록, 구조 부재를 해체하기 위해 분리 가능하도록 설계된다.
홀은 지지 요소 및 강화 요소를 통과해 안내된다. 이 경우, 홀은 바람직하게는 홀의 전체 축 방향 길이에 걸쳐 동일하거나 또는 대안적으로 바람직하게는 홀의 축 방향 길이에 걸쳐 가변적인 단면을 포함한다. 특히, 지지 요소의 영역에서 홀의 단면이 강화 요소의 영역에서의 단면과 다른 유형으로 설계되는 가능성이 존재한다. 이러한 다른 유형 가능성은 홀의 직경 및/또는 홀의 단면의 기하학적 구조와 관련될 수 있다. 또한 바람직하게는, 홀은 실질적으로 원형, 타원형, 삼각형 또는 다각형, 슬롯 형상의 및/또는 기하학적으로 정의되지 않은 단면을 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 홀은 관통 홀로서 제공된다. 이러한 바람직한 변형예에서, 홀은 지지 요소와 강화 요소를 완전히 통과해 안내된다. 대안적으로 바람직하게는, 홀은 블라인드 홀로서 제공된다. 이러한 바람직한 변형예에서, 홀은 강화 요소를 완전히 통과해 안내되지만, 지지 요소로부터는 다시 형성되지는 않거나, 또는 홀은 지지 요소를 완전히 통과해서는 안내되지만, 강화 요소로부터는 다시 형성되지는 않는다.
구조 부재는 이전에 설명된 섬유 복합 부재와 유사하다. 특히, 구조 부재의 강화 요소는 섬유 복합 부재에 대해 설명된 바와 같이 형성되고 발전될 수 있다. 이전에 설명된 섬유 복합 부재에 대한 구조 부재의 차이는 섬유 복합 부재의 베이스 요소와 다르게 구조 부재의 지지 요소가 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 포함하지 않고, 다른 재료를 포함하거나 또는 다른 재료로 이루어진다는 데에 있다. 따라서, 강화 요소는 섬유 매트릭스 요소로 이루어진 베이스 요소뿐만 아니라, 다른 재료로 이루어진 지지 요소와도 또한 유리하게 사용될 수 있다. 지지 요소 및 강화 요소를 갖는 이러한 유형의 구조 부재는 복수의 재료 또는 재료들의 조합을 사용할 수 있는 가능성이 존재하기 때문에 특히 유리하다. 또한, 이러한 구조 부재는 특히 경량 구조에 사용될 수 있고, 작은 재료 부피에도 불구하고, 높은 강성이 대응하는 강화 요소에 의해 노치에서 달성될 수 있다. 추가의 이점에 관해서는, 베이스 요소와 다른 재료로 이루어진 지지 요소를 갖는 구조 부재에 대응하게 전달될 수 있는 섬유 복합 부재의 대응하는 설명이 또한 참조된다. 특히, 섬유 복합 부재와 관련해서 설명된 발전예가 - 베이스 요소와는 상이한 지지 요소를 고려하여 - 구조 부재에 대해서도 대응되게 또한 적용된다.
구조 부재의 추가적인 이점, 변형예 및 실시예의 세부 사항 및 그 추가 발전예를 위해, 관련 제조 방법의 특징에 대한 이하의 설명이 또한 참조된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 포함하는 섬유 복합 부재에 의해 달성되며, 일체형 섬유 복합 부재는 적어도 하나의 국부적인 재료 확장부를 포함하고, 홀은 국부적인 재료 확장부의 위치에서 일체형 섬유 복합 부재를 통과해 안내되고, 그리고 홀은 섬유 및 매트릭스 재료로 이루어진 일체형 섬유 복합 부재의 제조 시, 홀에 인접한 섬유가 연속되도록 형성된다.
일체형 섬유 복합 부재의 섬유는 바람직하게는 유리 섬유, 탄소 섬유 및/또는 아라미드 섬유이거나 또는 이들을 포함한다. 매트릭스는 바람직하게는 플라스틱이거나 또는 플라스틱을 포함하는 매트릭스 재료에 의해 형성된다. 플라스틱은 일반적으로 적은 중량을 포함하며 이에 따라 일체형 섬유 복합 부재의 경량 구조 방식에 기여하기 때문에 특히 바람직하다.
일체형 섬유 복합 부재의 재료 확장부는 바람직하게는 실질적으로 한정된 섬유 프로파일을 포함한다. 또한, 섬유는 재료 확장부의 위치에 배치된 홀 주위로 연장되도록 배치된다. 섬유가 홀 주위로 연장되기 때문에, 섬유는 연속적이며 절단되지 않는다.
이러한 맥락에서, 연속된다는 것은 특히 일체형 섬유 복합 부재에 포함된 섬유가 절단되지 않으며 이에 따라 분리면을 포함하지 않고, 특히 홀 에지의 영역에서 연장되는 섬유를 포함하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 섬유는 홀의 주위에서, 특히 홀 에지의 영역에서 연속적으로 연장된다. 또한, 바람직하게는 섬유는 실질적으로 홀 주위에서 접선 방향으로 그리고/또는 홀 에지를 따라 접선 방향으로 연장된다.
본 발명에 따른 일체형 섬유 복합 부재는 연속되는 섬유로 인해 홀의 영역에서의 강도가 매우 높기 때문에 특히 바람직하다. 강도는 기존의 해결 방안에서 제공되는 절단부를 갖는 재료 확장부보다 특히 높으므로, 동일한 강도에서 보다 적은 재료가 사용되어야 하고, 복잡한 기하학적 구조가 구현될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 타워, 나셀 및 로터를 구비하는 풍력 발전 시스템에 의해 달성되며, 풍력 발전 시스템은 이전에 설명된 섬유 복합 부재 및/또는 이전에 설명된 구조 부재 및/또는 이전에 설명된 양태 중 하나에 따른 일체형 섬유 복합 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 이러한 실시예의 특정 변형예에서, 본 발명에 따른 베이스 요소는 풍력 발전 시스템의 허브에 고정되는 공기 역학적 로터로서 구현된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 섬유 및 매트릭스 재료로 베이스 요소를 제조하는 단계, 제1 홀을 베이스 요소 내로 도입하는 단계 - 제1 홀에 인접한 섬유는 절단됨 - , 섬유 및 매트릭스 재료로 강화 요소를 제조하고, 여기에 제2 홀이 형성되는 단계 - 제2 홀에 인접한 섬유는 연속됨 - , 및 제1 홀 및 제2 홀이 서로 결합되도록, 바람직하게는 공동의 관통 축을 갖도록 베이스 요소와 강화 요소를 서로 정렬시켜 결합하는 단계를 포함하는 섬유 복합 부재의 제조 방법에 의해 달성된다.
베이스 요소를 제조하는 단계는 바람직하게는, 복수의 또는 개별 섬유 다발이 처리하기 어렵기 때문에, 섬유가 결합된 섬유 반제품의 사용에 의해 이루어진다. 또한, 이미 예비 함침된 섬유 반제품을 사용하는 가능성도 존재한다. 예비 함침된 섬유 반제품은 이미 섬유뿐만 아니라 매트릭스 재료도 또한 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 홀은 바람직하게는 베이스 요소의 제조 후에 베이스 요소 내로 도입된다. 제1 홀은 바람직하게는, 베이스 요소의 일 측면 상에 개구부를 가지며 베이스 요소의 대향하는 측면 상에 개구부를 갖는 관통 홀로서 형성된다. 또한 바람직하게는, 제1 홀은 베이스 요소의 일 측면 상에만 개구부를 포함하는 블라인드 홀로서 구현된다.
제1 홀은 상이한 유형으로 베이스 요소 내로 도입될 수 있다. 이러한 유형은 특히 재료 및 제1 홀의 단면에 의존적이다. 제1 홀의 단면은 생산 기술적 가능성의 범위 내에서 자유롭게 선택할 수 있다. 이를 위해 바람직하게는, 예를 들어 보어와 같은 분리 생산 방법이 사용된다. 제1 홀의 도입에 의해, 제조될 제1 홀에 인접하는 섬유가 절단된다. 또한 제1 홀의 도입에 의해 또한 홀 에지가 형성되고, 여기에서 섬유 단부가 인식될 수 있다. 섬유 단부는 상이한 단면을 포함할 수 있는데, 상기 단면은 한편으로는 섬유의 원래 단면에 의존하고 그리고 다른 한편으로는 홀 에지에서의 섬유의 위치에 의존한다.
강화 요소를 제조하는 단계는 바람직하게는 섬유 다발, 바람직하게는 로빙의 설치를 통해 이루어진다. 섬유 다발의 설치는 특히 정해진 위치에서 제2 홀이 형성되도록 이루어진다. 따라서, 섬유 다발은 이러한 제2 홀 주위에 배치되므로, 바람직하게는 기계적인 재작업을 필요로 하지 않는다. 또한, 바람직하게는 로빙 방법에서 0°까지 권취된다. 이러한 제2 홀의 제조에 의해, 제2 홀에 인접한 섬유가 연속되게 된다. 이러한 맥락에서, 연속된다는 것은 특히, 제2 홀의 주변에서 홀의 도입에 의해 절단된 섬유가 존재하지 않는다는 것으로 이해되어야 한다. 제2 홀은 바람직하게는 강화 요소의 대향하는 측면 상에 2개의 개구를 포함하는 관통 홀로서 형성된다. 대안적으로, 강화 요소의 홀은 강화 요소의 일 측면에만 개구를 포함하는 블라인드 홀로서 구현될 수 있다.
제2 홀의 축 방향의 축에 대해 직각으로 형성된 단면은 상이한 기하학적 구조를 포함할 수 있고, 외부 힘 및/또는 내부 힘에 의한 하중 상황에 대응하여 설계될 수 있다. 단면은 바람직하게는 원형, 바람직하게는 타원형이고 또는 더욱 바람직하게는 슬롯 또는 대안적으로 바람직하게는 3개 이상의 모서리를 포함한다. 특히 바람직한 변형예에서, 제1 홀 및/또는 제2 홀의 전체 축 방향 길이에 걸친 단면은 일정한 기하학적 구조 및/또는 일정한 크기를 포함한다. 또 다른 바람직한 변형예에서, 제1 홀 및/또는 제2 홀의 축 방향 길이에 걸친 단면은 가변적인 기하학적 구조 및/또는 가변적인 크기를 포함한다.
또한, 베이스 요소 및 강화 요소를 서로 정렬시켜 결합하는 단계가 이루어진다. 베이스 요소 및 강화 요소를 서로 정렬시키는 단계는 2개의 홀이 서로 결합되도록 이루어지며, 이는 제1 홀과 제2 홀 사이의 결합이 생기는 것을 의미하므로, 2개의 홀 단면은 바람직하게는 적어도 부분적으로 중첩된다. 바람직하게는, 제1 홀 및 제2 홀은 공동의 관통 축을 포함한다. 공동의 관통 축은 홀이 바람직하게는 고정 수단을 부착하는 역할을 하기 때문에 특히 바람직하다. 바람직하게는, 2개의 홀은 동축으로 배치된다. 공동의 관통 축은 반드시 각각 제1 홀 및/또는 제2 홀의 중심을 통과해 안내될 필요는 없다. 특히, 제1 홀 및/또는 제2 홀의 단면이 원형으로 구현되지 않은 경우에 그렇지 않다. 또한, 제1 홀 및 제2 홀은 서로 오프셋되어 배치될 수 있으며, 이러한 경우에는 그럼에도 불구하고 공동의 관통 축이 존재해야 한다.
따라서, 고정 수단은 제1 홀 및 제2 홀을 통해 그리고/또는 제1홀 및 제2 홀 내로 완전히 또는 부분적으로 삽입될 수 있다. 베이스 요소를 강화 요소와 결합하는 단계는 바람직하게는 재료 결합 방식 및/또는 형상 맞춤 로킹 방식 및/또는 마찰 결합 로킹 방식으로 이루어진다.
제조 방법의 바람직한 실시예는 제2 홀을 제조하기 위해 플레이스 홀더가 사용되는 것을 제공한다. 플레이스 홀더는 홀이 생성되어야 할 위치에 섬유 다발을 설치하기 전 또는 설치하는 도중에 배치된다. 섬유 다발은 강화 요소의 제조 중에 플레이스 홀더 주위에 설치된다. 플레이스 홀더는 바람직하게는 생성될 홀과 동일한 단면을 갖는다. 플레이스 홀더는 제조 프로세스의 종료 시 강화 요소로부터 다시 제거된다. 플레이스 홀더의 사용에 의해, 특히 매우 양호한 치수 및 형태 정확성을 포함하는 홀이 형성된다. 또한, 섬유 다발 설치의 속도를 가속화시키는 가능성도 존재한다.
본 발명에 따른 섬유 복합 부재의 제조 방법 및 그 추가의 발전예는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재 및 그 발전예를 제조하는데 특히 적합하게 하는 특징을 포함한다. 따라서, 제조 방법의 이점, 변형예 및 실시예의 세부 사항 및 그 발전예에 대해, 또한 섬유 복합 부재의 대응하는 장치 특징에 대한 전술된 설명이 참조된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 섬유 및 매트릭스 재료로 강화 요소를 제조하는 단계를 포함하는 강화 요소의 제조 방법에 의해 달성되고, 홀이 형성되고 홀에 인접한 섬유는 연속적으로 유지된다.
강화 요소의 본 발명에 따른 제조 방법 및 그 가능한 발전예는 특히 본 발명에 따른 강화 요소 및 그 발전예를 제조하는데 특히 적합하게 하는 특징을 포함한다. 따라서, 제조 방법의 장점, 변형예, 실시예의 세부 사항 및 그 발전예에 대해, 강화 요소의 대응하는 장치 특징에 대한 전술된 설명이 또한 참조된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 섬유 및 매트릭스 재료로 일체형 섬유 복합 부재를 제조하는 단계를 포함하는 일체형 섬유 복합 부재의 제조 방법에 의해 달성되고, 이 경우 홀이 형성되고, 홀에 인접한 섬유는 연속적으로 유지된다.
일체형 섬유 복합 부재를 제조하는 단계는 바람직하게는, 섬유 다발, 바람직하게는 로빙의 설치를 통해 이루어진다. 섬유 다발의 설치는 특히, 홀이 정의된 위치에 형성되도록 이루어진다. 따라서, 섬유 다발은 이러한 홀 주위에 배치되므로, 바람직하게는 기계적인 재작업을 필요로 하지 않는다. 또한, 바람직하게는 로빙 방법에서 0°까지 권취된다. 홀의 제조를 위해 바람직하게는 플레이스 홀더가 사용된다.
홀의 이러한 제조에 의해, 홀에 인접한 섬유가 연속되게 된다. 이러한 맥락에서, 연속된다는 것은 특히, 홀의 주변에서 홀의 도입에 의해 절단된 섬유가 존재하지 않는다는 것으로 이해해야 한다. 홀은 바람직하게는 일체형 섬유 복합 부재의 대향하는 측면 상에 2개의 개구를 포함하는 관통 홀로서 형성된다.
홀의 축 방향의 축에 대해 직각으로 형성된 단면은 상이한 기하학적 구조를 포함할 수 있고, 외부 힘 및/또는 내부 힘에 의한 하중 상황에 대응하여 설계될 수 있다. 단면은 바람직하게는 원형, 바람직하게는 타원형이고 또는 더욱 바람직하게는 슬롯 또는 대안적으로 바람직하게는 3개 이상의 모서리를 포함한다. 특히 바람직한 변형예에서, 홀의 전체 축 방향 길이에 걸친 단면은 일정한 기하학적 구조 및/또는 일정한 크기를 포함한다. 대안적으로는, 홀의 축 방향 길이에 걸친 단면은 가변적인 기하학적 구조 및/또는 가변적인 크기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는 상기 설명된 구조 부재를 제조하는 방법에 의해 달성되고, 상기 방법은 지지 요소를 제조하는 단계, 지지 요소 내에 홀을 도입하는 단계, 이전에 설명된 바와 같은 홀을 갖는 강화 요소를 제조하는 단계, 및 지지 요소의 홀과 강화 요소의 홀이 서로 결합되도록, 지지 요소와 강화 요소를 서로 정렬시켜 결합하는 단계를 포함한다.
지지 요소의 제조를 위해, 복수의 상이한 재료가 사용될 수 있으므로, 특히 기계적인 하중 상황, 환경적 영향, 비용 및/또는 미적 측면에 따른 특정 요구 사항이 고려될 수 있다. 제조하는 단계는 특히 처리할 재료에 의해서도 영향을 받는다. 또한, 홀을 지지 요소 내에 도입할 때, 이것은 섬유-강화되지 않은 재료이므로, 이러한 도입은 일반적으로 베이스 요소 내에 홀을 도입할 때보다 적은 노력으로 수행될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 이것은 연삭 제조 방법을 통해 홀을 도입할 때 특히 적용된다.
구조 부재의 본 발명에 따른 제조 방법은 본 발명에 따른 구조 부재를 제조하는데 특히 적합하게 하는 특징을 포함한다. 따라서, 제조 방법의 이점, 변형예 및 실시예의 세부 사항에 대해, 구조 부재의 대응하는 장치 특징에 대한 전술된 설명이 또한 참조된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 풍력 발전 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재의 예시적인 실시예의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재의 예시적인 실시예의 개략적인 수직 절단 단면도를 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재의 예시적인 실시예의 홀의 홀 에지의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재의 강화 요소의 예시적인 실시예의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재의 베이스 요소의 예시적인 실시예의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 구조 부재의 지지 요소의 예시적인 실시예의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다.
도 1은 풍력 발전 시스템의 개략도를 도시한다. 도 1은 타워(102) 및 나셀(104)을 갖는 풍력 발전 시스템(100)을 도시한다. 나셀(104) 상에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
본 발명에 따른 섬유 복합 부재 및 구조 부재는 풍력 발전 시스템(100)의 상이한 구성 요소에 사용될 수 있다. 예를 들어, 로터 블레이트(108)는 섬유 강화 플라스틱으로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 로터 블레이드(108)는 섬유 강화 플라스틱으로 제조되며, 여기서 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 베이스 요소(20)의 실시예를 나타낸다. 로터 블레이드(108)는 나셀(104)에 연결되어야 한다. 이러한 연결부는 강화 요소를 포함할 수 있다.
도 2는 베이스 요소(20) 및 강화 요소(21)의 섹션을 갖는 섬유 복합 부재(2)의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다. 원형 홀(22)은 강화 요소(21) 및 베이스 요소(20)를 통과해 안내된다. 홀(22)은 강화 요소(21)의 중간에 위치하며, 원형 단면을 포함한다.
강화 요소(21)는 길이 방향으로 제1 단부(211)에서 제2 단부(212)로 연장된다. 강화 요소(21)는 제1 단부(211) 및 제2 단부(212)의 각각에서 얇은 단부를 포함한다. 홀(22)은 제1 단부(211)와 제2 단부(212) 사이에 배치된다. 또한, 강화 요소(21)는 제1 단부(211)와 제2 단부(212) 사이에 확장부(213)를 포함한다. 확장부(213)는 홀(22)이 그 중심을 포함하는 위치에서 가장 넓은 지점을 갖는다. 이러한 위치로부터, 확장부(213)의 폭은 길이 방향으로 제1 단부(211)를 향해 그리고 제2 단부(212)를 향해 감소한다.
도 3a는 베이스 요소(20) 및 강화 요소(21)의 섹션을 포함하는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재(2)의 개략적인 수직 절단 단면도를 도시한다. 본 발명에 따르면, 강화 요소(21)는 강화 요소(21)의 전체 기초 표면이 베이스 요소(20) 상에 인접하도록 베이스 요소(20) 상에 배치된다. 베이스 요소(2)는 전체 범위에 걸쳐 일정한 높이를 포함할 수 있으며, 단부는 섹션임을 나타내기 위해 여기에서 절단되어 있다. 그러나, 높이가 다를 수도 있다. 섬유 복합 부재(2)는 관통 홀로서 구현된 홀(22)을 포함한다. 또한, 홀(22)은 홀(22)의 중심을 통해 축 방향으로 연장하는 관통 축(221)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 홀(22)은 관통 축(221)을 따라 기하학적 구조 및 직경이 일정한 단면을 포함하는 관통 홀로서 형성된다. 또한, 홀(22)은 강화 요소(21)의 영역에서 제1 홀 에지(222)에 의해, 그리고 베이스 요소(20)의 영역에서 제2 홀 에지(223)에 의해, 홀(22)을 둘러싸는 요소로부터 경계가 정해진다.
이러한 바람직한 실시예의 강화 요소(21)는 홀(22)의 가상 수직 축(221)을 중심으로 거울 대칭으로 형성된다. 강화 요소는, 특히 특정 힘의 흐름에 필요로 하거나 또는 바람직하게 보이는 경우에는, 비대칭으로 형성될 수도 있다. 강화 요소(21)에서의 베이스 요소(20)에 대면하는 측면은 강화 요소(21)가 베이스 요소(20)와 물리적으로 접촉하는 편평한 수평 측면을 포함한다. 베이스 요소(20) 반대쪽 측면 상에서, 강화 요소(21)는 제1 단부(211)로부터 홀(22)을 향해 높아지고, 그 후 다시 제2 단부(212)까지 낮아져 제1 단부(211)와 동일한 높이를 취하게 된다. 따라서, 부재는 제1 단부(211) 및 제2 단부(212)에서 작은 수직 치수를 포함하며, 확장부(213)의 영역에서 상대적으로 큰 수직 치수를 포함하게 된다.
도 3b는 홀(22)의 제1 홀 에지(222) 및 제2 홀 에지(223)의 개략도를 도시한다. 도 3b의 도면의 방향은 도 3a에서 홀(22)의 관통 축(221) 상에 화살표(224)로 도시되어 있고, 여기서 도면은 화살표(224)의 화살촉 방향으로 향한다. 또한, 베이스 요소(20)의 도시는 수평선(224) 아래에 나타나 있고, 강화 요소(21)의 도시는 수평선(224) 위에 나타나 있다. 또한, 수평선(224) 위에 제1 홀 에지(222)가 강화 요소(21)의 영역에 도시되어 있고, 수평선(224) 아래에 제2 홀 에지(223)가 베이스 요소(20)의 영역에 도시되어 있다. 도 3b의 수평선(224)은 베이스 요소(20)와 강화 요소(21) 사이의 분할 선을 나타낸다.
제1 홀 에지(222)의 영역에서는 강화 요소(21)의 매트릭스 재료(2221)만을 볼 수 있고, 섬유 단부는 볼 수 없다. 이는 강화 요소(21)의 섬유가 홀 주위에서 연속적으로 연장되므로, 홀(22)의 도입을 통해 섬유가 절단되지 않는다는 본 발명에 따른 사실에 기초한다. 제2 홀 에지(223)의 영역에서는, 한편으로는 매트릭스 재료(2231)가 도시되어 있고, 다른 한편으로는 섬유 단부(2232)가 도시되어 있다. 이는 베이스 요소(20)의 섬유가 설치된 후에 홀(22)이 베이스 요소(20) 내로 도입되고 이 경우 홀(22)의 홀 에지(223)에 인접한 섬유가 절단된다는 본 발명에 따른 사실에 기초한다. 이 경우, 섬유의 형성된 절단 표면 또는 분리 표면은 제2 홀 에지(223)에서 섬유 단부(2232)로서 배치된다.
도 4는 섬유 복합 부재(2)의 강화 요소(21)의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다. 강화 요소(21)의 외부 형상은 얇은 제1 단부(211)로부터 얇은 제2 단부(212)까지 연장되고 제1 단부(211)와 제2 단부(212) 사이에 확장부(213)를 포함하는 도 2에 도시된 형상을 포함한다. 또한, 강화 요소(21)는 원형 단면을 갖는 홀(22)을 포함하며, 상기 홀은 강화 요소(21)의 중심에 위치한다.
또한, 섬유 복합 부재에서 강화 요소(21)의 연장되는 섬유(23)가 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 섬유(23)의 프로파일 또는 이들의 국부적인 배향이 인식될 수 있다. 섬유(23)는 확장부(213)의 영역에서 홀(22)의 주위 또는 제1 홀 에지(222) 주위에 배치된다. 확장부(213)의 영역에서 섬유(23) 사이의 거리는 제1 단부(211) 및 제2 단부(212)의 영역에서의 거리보다 작다. 홀(22) 주위의 섬유(23)의 이러한 배치로 인해, 도 3b의 제1 홀 에지(222)는 절단된 섬유 또는 섬유 단부를 포함하지 않는다. 강화 요소(21)의 매트릭스 재료(2221)는 섬유(23)가 배치되지 않은 모든 곳에 존재한다.
도 5는 본 발명에 따른 섬유 복합 부재(2)의 베이스 요소(20)의 섹션의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다. 베이스 요소(20)의 섹션의 중심에는 홀 에지(223)를 통해 주변의 베이스 요소(20)로부터 경계가 한정되는 홀(22)이 위치한다. 또한, 베이스 요소(20)의 섬유 복합 재료 내에서 연장되는 섬유(24)가 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 섬유(24)는 평행한 섬유를 갖는 스크림으로 배치된다.
또한, 도 5는 섬유(24)가 강화 요소(21)에서와 같이 홀 주위로 연장되지 않고, 홀(22)에 의해 차단되어 연속적이지 않다는 것을 도시한다. 따라서, 섬유(24)는 홀(22)의 도입에 의해 절단되며, 이로 인해 도 3b의 제2 홀 에지(223)가 섬유 단부를 포함한다.
이러한 실시예에서 원형 섬유(24)는 가장자리에서 길이 방향에 대해 직각으로 절단되는 것이 아니라, 그 위치에 따라 홀 에지(223)에서 길이 방향에 대해 직각인 각도로 절단되기 때문에, 섬유 단부(2232)는 도 3b에서 섹션의 가장자리에서 타원형으로 나타난다. 즉, 섬유(24)는 측방향으로 절단된다. 또한, 오직 섬유(24)만 절단될 가능성이 존재하므로, 그 직경만 감소된다.
따라서, 섬유 복합 부재(2) 및 그 가능한 발전예는 섬유 복합 부재를 다른 부재와 유리한 방식으로 결합하는 것을 가능하게 한다. 특히, 기존의 해결 방안에서 종종 제공되는 재료 확장부가 대체된다. 이를 위해 베이스 요소(20) 외에 강화 요소(21) 및 홀(22)이 제공되어, 이들을 통해 예를 들어 나사가 관통 안내될 수 있다. 설명된 배치에 의해, 특히 보다 높은 강도를 갖는 재료 절약형 배치가 가능하게 되고, 이는 또한 비용 절감을 수반한다.
도 6은 본 발명에 따른 구조 부재의 지지 요소(30)의 섹션의 개략적인 수평 절단 단면도를 도시한다. 지지 요소(30)의 섹션의 중간에는 홀(22)이 위치하고, 상기 홀은 홀 에지(223)에 의해 주위 지지 요소(30)로부터 경계가 한정된다. 또한, 도 5에 개략적으로 도시된 섬유는, 지지 요소(30)의 재료가 섬유 복합 부재가 아니므로 베이스 요소(20)와는 달리 섬유를 함유하지 않기 때문에, 여기서는 도시되지 않는다. 이러한 지지 요소(30)와 여기에 도시되지 않은 강화 요소(21)의 조합은 특히 홀 또는 다른 노치의 영역에서 충분한 강성을 갖는 작은 부피의 재료를 제공할 수 있는 가능성을 제공한다. 이를 통해, 총 중량이 감소될 수 있으며, 특히 재료 비용이 절감될 수 있다.
2 섬유 복합 부재
20 베이스 요소
21 강화 요소
22 홀
23 강화 요소의 섬유
24 베이스 요소의 섬유
30 지지 요소
100 풍력 발전 시스템
102 타워
104 나셀
106 로터
108 로터 블레이드
110 스피너
211 강화 요소의 제1 단부
212 강화 요소의 제2 단부
213 강화 요소의 확장부
221 홀의 관통 축
222 제1 홀 에지
223 제2 홀 에지
224 화살표
2221 강화 요소의 매트릭스 재료
2231 베이스 요소의 매트릭스 재료
2232 섬유 단부

Claims (15)

  1. 섬유 복합 부재(2)에 있어서,
    - 매트릭스 재료(2231) 내에 매립된 섬유(24)를 포함하는 베이스 요소(20), 및
    - 매트릭스 재료(2221) 내에 매립된 섬유(23)를 포함하는 강화 요소(21)
    를 포함하고,
    - 상기 베이스 요소(20) 및 상기 강화 요소(21)는 서로 결합되고,
    - 홀(22)이 상기 베이스 요소(20) 및 상기 강화 요소(21)를 통과해 안내되고,
    - 상기 베이스 요소(20)에서의 상기 홀(22)에 인접한 섬유(24)는 절단되고, 상기 강화 요소(21)에서의 상기 홀(22)에 인접한 섬유(23)는 연속되는, 섬유 복합 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 요소의 상기 섬유(24)는
    - 직조물 및/또는
    - 스크림(scrim) 및/또는
    - 다축 스크림 및/또는
    - 자수 및/또는
    - 부직포 및/또는
    - 매트 재료 및/또는
    - 브레이드(braid)
    로서 상기 매트릭스 재료(2231) 내에 배치되고,
    상기 강화 요소(21)의 상기 섬유(23)는 섬유 다발로서, 바람직하게는 로빙(roving)으로서 존재하는 것인, 섬유 복합 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베이스 요소(20) 및/또는 강화 요소(21)의 상기 섬유(24)는
    - 유기 섬유 및/또는
    - 무기 섬유 및/또는
    - 천연 섬유
    를 포함하거나 또는 이들인 것인, 섬유 복합 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 요소(20) 및/또는 강화 요소(21)의 상기 매트릭스 재료(2231)는
    - 플라스틱을 포함하거나 또는 플라스틱으로 이루어지고, 상기 플라스틱은 바람직하게는 열가소성 수지 및/또는 열경화성 수지를 포함하거나 또는 이들로 이루어지고, 그리고/또는
    - 시멘트를 포함하거나 또는 시멘트로 이루어지고, 그리고/또는
    - 콘크리트를 포함하거나 또는 콘크리트로 이루어지고, 그리고/또는
    - 금속을 포함하거나 또는 금속으로 이루어지고, 그리고/또는
    - 세라믹을 포함하거나 또는 세라믹으로 이루어지고, 그리고/또는
    - 탄소를 포함하거나 또는 탄소로 이루어지는 것인, 섬유 복합 부재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 베이스 요소(20) 및 상기 강화 요소(21)는 재료 결합 방식 및/또는 형상 맞춤 로킹 방식으로 서로 결합되어 있고; 그리고/또는
    - 상기 베이스 요소(20) 및 상기 강화 요소(21)는 상기 베이스 요소(20)의 상기 매트릭스 재료(2231) 및 상기 강화 요소(21)의 상기 매트릭스 요소(2221) 내에 매립되는 섬유를 통해 서로 결합되고; 그리고/또는
    - 상기 강화 요소(21)는 상기 홀(22)에서의 상기 베이스 요소(20) 반대쪽 단부 상에, 결합 요소를 수용하기 위해 상기 홀(22)의 통과 방향에 대해 직각인 편평한 지지 표면
    을 포함하는 것인, 섬유 복합 부재.
  6. 강화 요소(21)에 있어서,
    - 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 포함하고,
    - 홀(22)이 상기 강화 요소(21)를 통과해 안내되고,
    - 상기 홀(22)은 섬유 및 매트릭스 재료로 이루어진 상기 강화 요소(21)의 제조 시, 상기 홀(22)에 인접한 상기 섬유는 연속되도록 형성되는, 강화 요소.
  7. 구조 부재에 있어서,
    - 지지 요소(30), 및
    - 제6항에 따른 강화 요소(21)
    를 포함하고,
    - 상기 지지 요소(30) 및 상기 강화 요소(21)는 서로 결합되고,
    - 홀(22)이 상기 지지 요소(30) 및 상기 강화 요소(21)를 통과해 안내되는, 구조 부재.
  8. 일체형 섬유 복합 부재에 있어서,
    - 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유를 포함하고,
    - 상기 일체형 섬유 복합 부재는 적어도 하나의 국부적인 재료 확장부를 포함하고,
    - 홀이 상기 국부적인 재료 확장부의 위치에서 상기 일체형 섬유 복합 부재를 통과해 안내되고,
    - 상기 홀은 섬유 및 매트릭스 재료로 이루어진 상기 일체형 섬유 복합 부재의 제조 시, 상기 홀에 인접한 상기 섬유가 연속되도록 형성되는, 일체형 섬유 복합 부재.
  9. 타워(102), 나셀(104) 및 로터(106)를 구비하는 풍력 발전 시스템(100)에 있어서,
    상기 풍력 발전 시스템(100)은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 섬유 복합 부재(2) 및/또는 제6항에 따른 강화 요소 및/또는 제7항에 따른 구조 부재 및/또는 제8항에 따른 일체형 섬유 복합 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 섬유 복합 부재(2)의 제조 방법에 있어서,
    - 섬유(24) 및 매트릭스 재료(2231)로 베이스 요소(20)를 제조하는 단계,
    - 제1 홀을 상기 베이스 요소(20) 내로 도입하는 단계 - 상기 제1 홀에 인접한 상기 섬유(24)는 절단됨 - ,
    - 섬유(23) 및 매트릭스 재료(2221)로 강화 요소(21)를 제조하고, 여기에 제2 홀이 형성되는 단계 - 상기 제2 홀에 인접한 상기 섬유(23)는 연속됨 - , 및
    - 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀이 서로 결합되도록 상기 베이스 요소(20)와 상기 강화 요소(21)를 서로 정렬시켜 결합하는 단계
    를 포함하는, 섬유 복합 부재의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 결합하는 단계는 재료 결합 방식으로, 바람직하게는 상기 매트릭스 재료 중 하나로 이루어진 접착제로 수행되는 것인, 섬유 복합 부재의 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제2 홀을 제조하기 위해 플레이스 홀더가 사용되는 것인, 섬유 복합 부재의 제조 방법.
  13. 제6항에 따른 강화 요소(21)의 제조 방법에 있어서,
    - 섬유(23) 및 매트릭스 재료(2221)로 강화 요소(21)를 제조하는 단계를 포함하고,
    - 홀(22)이 형성되고, 상기 홀(22)에 인접한 상기 섬유는 연속적으로 유지되는, 강화 요소의 제조 방법.
  14. 제8항에 따른 일체형 섬유 복합 부재의 제조 방법에 있어서,
    - 국부적인 재료 확장부를 갖도록 섬유 및 매트릭스 재료로 일체형 섬유 복합 부재를 제조하고, 여기서 홀이 상기 국부적인 재료 확장부의 위치에 형성되는 단계를 포함하고,
    상기 홀에 인접한 상기 섬유는 연속되는, 일체형 섬유 복합 부재의 제조 방법.
  15. 제7항에 따른 구조 부재의 제조 방법에 있어서,
    - 지지 요소(30)를 제조하는 단계,
    - 상기 지지 요소(30) 내에 홀을 도입하는 단계,
    - 제13항에 따른 홀을 갖는 강화 요소(21)를 제조하는 단계, 및
    - 상기 지지 요소(30)의 상기 홀과 상기 강화 요소(21)의 상기 홀이 서로 결합되도록, 상기 지지 요소(30)와 상기 강화 요소(21)를 서로 정렬시켜 결합하는 단계
    를 포함하는, 구조 부재의 제조 방법.
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