弯曲的预制体和制造其的方法
阅读说明：本技术 弯曲的预制体和制造其的方法 (Curved preform and method for producing same ) 是由 S·比德尔 于 2019-08-01 设计创作，主要内容包括：公开了一种用于形成三维的被编织的预制体的装置和方法,所述预制体可以被弯曲并且沿着屈曲方向具有连续的纤维。也公开了由此形成的被编织的预制体。(An apparatus and method for forming a three-dimensional woven preform that can be bent and has continuous fibers along a buckling direction is disclosed. Woven preforms formed thereby are also disclosed.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月1日提交的美国临时申请号62/713,206的优先权，其全文通过引用并入该申请。
技术领域
本公开涉及被编织的预制体，并且特别地涉及用于增强复合材料的被编织的预制体。更特别地，本发明涉及具有连续纤维增强的弯曲的被编织的预制体。
背景技术
目前，使用增强复合材料来制造结构部件是普遍的，特别是在其中可以非常有利地使用它们的期望的特性(轻质、高强度、韧性、耐热性以及形成和成形能力)的应用中。这些部件例如用于航空、航天、卫星、高性能娱乐产品和其他应用。
典型地，这种部件包括嵌入基体材料中的增强材料。增强部件可以由材料，例如玻璃、碳、陶瓷、芳纶、聚酯纤维和/或其他材料制成，这些材料具有期望的物理、热、化学和/或其他性能，其中主要的性能是抗应力失效的强度。
通过使用最终成为成品部件的构成元件的这种增强材料，增强材料的期望的特性、例如高强度被赋予成品复合材料部件。典型的构成增强材料可以被编织、纺织或以其他方式定向进入用于增强预制体的期望的构型和形状。通常付出特别注意以保证已经被选择的构成增强材料的性能的最佳利用。
在已经构造了期望的增强预制体之后，可以将基体材料引入预制体中，使得增强预制体变得被基体材料包围，并且基体材料填充增强预制体的构成元件之间的空隙区域。与基体材料结合的增强预制体可以形成期望的成品部件或用于制造成品部件的最终产品的工作原料储备(working stock)。
基体材料可以是多种材料中的任何一种，例如环氧树脂、聚酯纤维、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或其他材料，其也表现出期望的物理、热、化学和/或其他性能。被选择用作基体的材料可以与增强预制体的材料相同或不同，并且可以具有或不具有相当的物理、化学、热和/或其他性能。然而，通常，它们将不是相同的材料或不具有相当的物理、化学、热或其他性能，因为在使用复合材料中首先寻求的通常目的是在成品中实现通过单独使用一种构成材料不能获得的特性的组合。如此组合，增强预制体和基体材料可以接着通过热固化或其他已知方法在相同操作中固化和稳定，接着为了生产期望的部件而承受其他操作。此时，值得注意的是，在如此固化之后，基体材料的随后凝固的块体通常非常牢固地粘附到增强材料(例如，增强预制体)。
制造被编织的预制体的常见方法是编织二维的(“2D”)结构并将其折叠成三维的(“3D”)形状。折叠的预制体的好处是在待增强的板和增强板之间的接头的强度。当它们被编织在一起时，板共享增强材料，并且在最终的复合材料中共享基体材料，形成单一结构。一体被编织的增强凸缘或腿与母体材料或基底之间的接合点不再是薄弱连接，如在现有技术的增强件中那样对于接合处的强度仅仅依赖于粘合剂的强度。相反，预制体纤维将腿和基底一体地编织在一起。
然而通常复杂的形状、例如弯曲需要增强。折叠的T形或π形以及具有带一个或更多竖直腿的凸缘基底的其他预制体增强件需要对腿进行褶缝(dart)以便适应弯曲的表面。由于被折叠的预制体的凸缘材料呈现弯曲的形状，弯曲的表面的长度必须从屈曲(curvature)的内部到腿的外部变化。屈曲的外部即弯曲时具有较大半径的表面的弧的长度增加，而在屈曲的内部，弧的长度减小。通常的被折叠的预制体的腿不能根据需要改变长度以适应弯曲的表面。为了适应弯曲的表面，腿必须褶缝。也就是说，腿必须被切割或具有不连续的纤维，以便允许腿符合变化的弧的长度。
通常，切割沿着屈曲的局部半径进行，但是也可以使用其他非径向切割以适应长度的变化。为了允许弯曲的预制体的内部上的长度减小，腿被切割并且切割边缘允许重叠，或者多余的材料被移除。类似地，为了适应屈曲外部的增加的长度，腿被切割，从而在腿的切割边缘之间产生三角形间隙。在任一构型中，褶缝中断了每个腿中的增强纤维的连续性。对3D的T形或π形预制体的腿进行褶缝会降低预制体的承载能力，因为褶缝涉及切割提供围绕弯曲的主要载荷路径的纤维。
发明内容
一种形成弯曲的预制体的方法，包括将至少一组匹配的夹具应用于从织机推进的预制体织物的纤维，该至少一对匹配的夹具将预制体织物的至少一部分捕获在其间。所述至少一组夹具具有通过牵拉从织机推进的至少一些纤维来增加纤维长度的几何结构。将该预制体织物成形为弯曲。并且纤维沿着织物的长度是连续的。在一些实施例中，纤维的长度在弯曲的外部处比在弯曲的内部处大。在其他实施例中，纤维的长度在弯曲的外部处比在弯曲的内部处短。
在一个实施例中，每组匹配的夹具是一对夹具。在另一个实施例中，每组匹配的夹具是至少三个夹具。匹配的夹具可以包括上夹具部分和下夹具部分。在某些实施例中，下夹具部分包含至少两个匹配的零部件。
在某些实施例中，存在至少两组匹配的夹具，其应用于预制体织物。将力施加到每组匹配的夹具以压缩其间的预制体织物。相邻的匹配的夹具可以彼此匹配。两组或更多组匹配的夹具可以设置在预制体织物的分离的位置中，以增加每个分离的位置的纤维长度，但不增加其他位置的纤维长度。
在其他实施例中，在此描述了弯曲的被编织的预制体，例如，如下的弯曲的被编织的预制体，其包含多个纬纱纤维以及与所述多个纬纱纤维交织以形成预制体的基底的多个经纱纤维，其中预制体的基底是弯曲的，其中经纱纤维在预制体的长度上是连续的，并且一些经纱纤维比其他经纱纤维长。
在某些实施例中，被编织的预制体的屈曲是凸的，经纱纤维的长度朝向预制体的弯曲的外部比朝向预制体的弯曲的内部大。在另一实施例中，预制体包含至少一个腿，其与基底一体编织并且沿着基底的长度是弯曲的，其中形成至少一个腿的经纱纤维朝向至少一个腿的外部弯曲比朝向至少一个腿的内部弯曲大。
在其他实施例中，被编织的预制体的屈曲是凹的，经纱纤维的长度朝向预制体的弯曲外部比朝向预制体的弯曲内部短。在另一实施例中，预制体包含至少一个腿，其与基底一体编织并且沿着所述基底的长度是弯曲的，其中形成至少一个腿的经纱纤维朝向至少一个腿的外部弯曲比朝向至少一个腿的内部弯曲短。
本发明还涉及夹具，例如可以与下夹具匹配的上夹具，其中上夹具具有互补形状以便与下夹具匹配并且被配置用于在其间接纳织物。在另一个实施例中，本发明涉及具有板状物(blade)部分的上夹具和可以与上部分分离和匹配的下夹具，下夹具具有下夹具第一零部件和下夹具第二零部件，其中下夹具第一和第二零部件在其间具有间隙，从而当上夹具和下夹具彼此匹配的时候，上夹具的板状物部分进入间隙。
然而在其他实施例中，本发明涉及成形夹具系统，其包含两个或更多夹具，每个夹具具有上夹具部分和下夹具部分和一体连接部分，其中该两个或更多夹具可以通过该连接部分彼此连接并且被配置用于在其间接纳织物。在某些实施例中，本发明涉及成形夹具系统，其包含两个或更多夹具，每个夹具具有下夹具部分和带有板状物部分的上夹具部分，每个夹具包括一体连接部分，其中每个下夹具可以与相应的上夹具分离和匹配，该下夹具具有下夹具第一零部件和下夹具第二零部件，其间具有间隙，当上夹具和下夹具匹配在一起的时候，该间隙用于接纳板状物部分，其中该两个或更多夹具可以通过连接部分彼此连接并且被配置用于在其间接纳织物。
附图说明
附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分，所包括的附图提供了对本发明的进一步理解。本文所呈现的附图示出了本发明的不同实施例，且与说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中：
图1A-1C示出了被编织和被折叠成最终形状的T形预制体的示例。
图2A-2B示出了弯曲的T形预制体的示例。
图3示出了与预制体的根部相比增加预制体的顶端中的纤维长度的夹具几何结构的示例。
图4A-4B示出了具有在织物的宽度边缘之间被延长(lengthen)的纤维的织物。
图5示出了将匹配的夹具对应用于预制体织物以增加纤维长度的应用。
图6示出了用于延长预制体织物的纤维的夹具的另一个实施例。
图7A-7B示出了图6的夹具的应用。
图8A-8E示出了具有可以形成的复杂的几何结构的预制体的示例。
图9示出了可以形成的O形预制体的示例。
图10示出了根据本发明的夹具设计的示例。
具体实施方式
本公开中的术语“包含(comprising)”和“包含(comprises)”能够意味着“包括(including)”和“包括(includes)”或能够具有在美国专利法中普遍给予术语“包含(comprising)”或“包含(comprises)”的含义。术语“实质上由…组成(consistingessentially of)”或“实质上由…组成(consists essentially of)”如果用于权利要求中，则具有在美国专利法中赋予其的含义。本发明的其他方面在以下公开中描述或从(并且在本发明的范围内)以下公开显而易见。
术语“线(threads)”、“纤维(fibers)”、“麻绳(tows)”和“纱线(yarns)”可互换地用于以下描述中。这里所用的“线”、“纤维”、“麻绳”和“纱线”可以指单丝、多丝纱线，合股纱线，多丝麻绳，变形纱线(textured yarns)，编织麻绳，涂层纱线，双组分纱线以及由任何本领域技术人员已知的材料的牵切纤维(stretched broken fibre)制成的纱线。纱线可以由表现出期望的物理、热、化学或其他性能的碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉花、陶瓷、芳纶、聚酯纤维、金属、聚乙烯玻璃、和/或其他材料制成。
术语“被折叠(folded)”在此被广泛地用于指代“形成(forming)”，其包括打开(unfolding)、弯折和用于操纵织物形状的其他这种术语。
为了更好地理解本发明、其优点和通过使用所达到的目的，请参考所附的描述性内容，其中在附图中示出了本发明的非限制性实施例，并且其中相应的部件用相同的附图标记标识。
公开了一种用于在传统的直织机卷取装置(straight loom take-up)上制造连续纤维的弯曲的预制体的方法。使用包括编织机构的织机制造机器编制纤维，该编织机构与用于推进(advance)和收集完成的织物的方法结合。“直卷取装置”意味着织物沿经纱或机器方向(MD)以适合于编织离散的预制体的短的长度被收集。
用直卷取装置编织的典型形状包括在各种应用中用作结构增强件的π形或T形预制体。这些由既沿经纱又沿纬纱方向的连续纤维制成的形状可能难以形成沿经纱或卷取方向的几何结构或弯曲的形状。
作为示例，图1A至图1C示出了由T形预制体织物100形成T形预制体的简化版。经纱和纬纱纤维在织机106中交织，以虚线示出。当T形预制体织物被编织时，织物沿A方向朝着(未示出的)用于接收成品织物的卷取辊推进。织物的已经成形但尚未在卷取辊上被卷起的部分被称为“折缝”(fell)108。
T形预制体织物包括基底部分102a、102b和腿部分104。腿部分104的根部110可以与基底部分102a、102b交织。基底部分102a、102b在它们的交叉部分114处并不交织，并且腿部分104的剩余部分除了在它们的交叉部分110处之外并不与基底部分交织。T形预制体织物100被编织，朝向卷取辊推进并且推进到卷取辊上。一旦T形预制体织物的期望的长度L被编织，织物可以从织机移除。基底部分102a、102b和腿部分104可以被折叠以形成T形预制体120。
其他预制体形状包括但不限于π、H、O和I，其能够被编织和被折叠成本领域技术人员已知的它们最终的形状。可以用基体材料浸渍任何预制体以形成复合材料。
图2A示出了弯曲的预制体的示例。为了讨论的目的，在图2A和其他附图中示出的弯曲被称为“凸起的”。因此，该示例是凸起的T形预制体，但可以预期其他预制体形状，其包括但不限于π、H、O和I。与图1中的织物相似的是，T形预制体织物包括基底部分202a、202b和腿部分204。基底部分202a、202b和腿部分204被折叠以形成T形预制体220。
基底部分202a、202b和腿部分204由经纱纤维222编织。如图2B所示，经纱纤维222沿经纱方向的长度L2朝向弯曲的T形预制体的内部或根部226比朝向弯曲的T形预制体的外部或顶端224短。因此，为了使如图1中那样被编织的预制体弯曲，纤维长度沿经纱方向在弯曲的预制体的顶端处必须比在弯曲的预制体的根部处大。
尽管在现有技术中已知弯曲的预制体，但是这些现有技术的预制体需要切割纤维或由不连续的短纤维、例如牵切纤维制造长度以使得预制体被拉伸或被弯曲，从而提供预制体的与朝向屈曲的内部的长度相比附加的朝向屈曲外部的长度。由于在提供附加的长度时的纤维的切割和/或不连续，使得预制体变弱、强度变低。
与此相反，本公开提供预制体和用于编织具有附加的纤维长度的预制体的过程，所以完成的结构可以被弯曲并且具有沿着屈曲的方向的连续的纤维增强。连续的纤维提供比不连续的纤维更大的预制体强度。“连续的纤维”是沿着织物的整个长度没有中断的纤维。在本公开的实施例中，织物的纤维沿预制体的屈曲方向是连续的并且可以具有在织物的宽度上变化的长度。在预制体织物宽度上变化的长度使得能够在织物的长度上形成弯曲的部分，而不会切割纤维或使得纤维不连续以形成弯曲的部分。
为了本公开的目的，预制体的屈曲的方向会被假设为沿着织物的经纱或机器方向(MD)。然而可以考虑，被公开的技术可以被用于沿着纬纱或横跨机器方向(CD)单独或结合经纱方向实现织物的屈曲。
为了创造这种屈曲，根据本公开的实施例，当织物离开织机时，通过将一个或更多夹具应用于织物，使得在直立腿204中的纤维的长度朝向预制体直立腿的外部顶端224比朝向预制体腿的内部根部226更长。夹具可以被应用于布料(cloth)的折缝(fell)。夹具的形状被设计用于将附加的纤维长度拉入预制体中以适应纤维长度的增加，从而当预制体形成为期望的形状时，使得预制体屈曲。
在本发明的实施例中，每个夹具逐渐增加离开织机的经纱纤维的长度。在图10中描绘的夹具中，其例如用于适应与屈曲的内部的更短的半径(Ri)相比的预制体屈曲的外部的更长的半径(Ro)，夹具被设计成使得每个夹具区段被应用于离开织机的经纱纤维，预制体屈曲的内部(Wi)上的经纱纤维的导致(resulting)的长度短于预制体屈曲的外部(Wo)上的经纱纤维。示出了导致的纤维长度的差别，Wo和Wi。
可以考虑，如图8C、8D和8E的示例中所示，可以将预制体织物制为凹形的。在例如图8D的具有基底部分802a、802b的凹形的预制体织物的实施例中，形成直立腿804的经纱纤维的长度将与凸起的预制体织物的长度相反。也就是说，在直立腿804中的纤维的长度朝向预制体直立腿的外部顶端824比朝向预制体腿的内部根部826短。本领域技术人员将领会一般的理解，即最终预制体形状的几何结构决定在预制体长度上的必要的纤维长度以使得形成所需的屈曲。改变纤维长度，使得它们在织物的长度上是连续的，这将根据本公开形成的预制体织物与现有技术的弯曲的预制体的长度上的不连续纤维区分开。
图3示出了夹具元件300的示例。夹具300被应用于离开织机的预制体织物。夹具在预制体织物上定向，使得夹具根部端部326被应用于直立腿的根部端部，并且夹具顶端端部324被应用于直立腿的顶端端部。对于如图1和2中的凸的屈曲，夹具根部端部是直的，其并不增加纤维的长度，因为T形预制体直立腿的根部端部具有弯曲的预制体中最短的纤维长度。夹具顶端端部具有几何结构或形状以延长凸的屈曲的预制体织物纤维。也就是说，夹具的几何结构使得从织机拉出的增加的纤维卷取长度朝向夹具顶端端部而不是朝向夹具根部端部横穿(traverse across)。几何结构在夹具顶端端部处更明显，导致从织机拉出更大的纤维卷取长度，因为具有直立腿的凸起的预制体的顶端端部在弯曲的预制体中具有最长的纤维。随着纤维的长度朝向弯曲的预制体的根部变短，夹具的几何结构朝向夹具根部端部减小。以这种方式，纤维在弯曲的预制体织物直立腿的顶端处最长，并且在根部最短。当然，夹具的几何结构相对于具有凹的屈曲的预制体的直立腿是相反的。
夹具通常成组装配在预制体织物上。每组夹具包括两个或更多具有匹配的几何结构的夹具。将预制体织物夹在夹具组之间的夹持动作通过织机拉出了附加的纤维卷取长度。夹具组几何结构是锥形的，使得对于具有凸的屈曲的预制体，卷取长度从一个(多个)直立腿的根部(预制体的内部弯曲)到顶端(预制体的外部弯曲)增加(对于具有凹的屈曲的预制体，相反的夹具几何结构)。纤维长度的增加能够使预制体织物形成为图2的弯曲的预制体，其在整个弯曲的预制体中具有连续的纤维长度。预制体的屈曲是用连续的纤维长度实现的，并且不会由于切割纤维或缩短的纤维、例如牵切纤维而变弱。
图3所示的夹具的几何结构仅用于说明的目的。设计考虑将确定为夹具选择的特定的几何结构。此外，夹具的几何结构可以在预制体的长度上变化，以在预制体的长度上提供预制体织物的可替换的轮廓或屈曲。
图4A示出了一种织物，其中夹具几何结构被布置成在沿着织物宽度的任何位置处提供纤维的延长。也就是说，纤维可以在织物的宽度边缘之间被延长，以在织物的宽度上产生屈曲。在一个实施例中，夹具组被布置成使纤维朝向织物的中心延长。在一个实施例中，可以在经纱方向的中间切割预制体织物，以创造两个弯曲的预制体，其具有沿着屈曲长度的连续纤维。如图4B所示，在该实施例中，屈曲被布置在预制体织物的平面中。可以考虑，也可以使夹具几何结构引起多层织物中的纤维的延长。一些层可以从该预制体织物的平面或基底折叠成一个或更多竖直腿，其跟随预制体织物的平面的屈曲并且在图2中示出。
图5示出了一个实施例，其中该组夹具是当织物离开(exit)织机506时装配在预制体织物504上的一对匹配的夹具502a、502b。这些夹具可以在整个编织过程中通过施加于匹配的夹具的力F保持在适当位置，以将预制体织物压在夹具之间，并改变沿着预制体的长度的连续的纤维长度。将夹具对保持在一起的力可以以普通技术人员已知的任何方式实现，包括但不限于螺钉和螺母、弹簧等。在一个实施例中，相邻的夹具对，例如508、510，可以彼此装配。
图6示出了一个实施例，其中一组夹具600被布置成当应用于预制体织物时交叉(intersect)以延长纤维。该组夹具600包括具有板状物部分608的上夹具602。下夹具610具有部分604、606，在其间具有间隙612以接纳板状物部分608。下夹具610可以是单件或附连的分离件。如果是分离件，则夹具组600可以被认为具有上夹具602和下夹具604、606。用于夹具组600的分离件的优点在于，每个件可以在机械上相同，以降低制造和储存部件的成本。同时，下夹具604、606之间的间隙612可以变化以适应不同的预制体织物厚度。
图7A-7B示出了被放在一起的夹具组600。在图7A中，上夹具602布置在预制体织物(为了清楚起见未示出)的顶部上，并且下夹具610布置在预制体织物的下方。上夹具和下夹具分开距离702，使得上夹具的板状物608不进入下夹具中的间隙612。
用于凸起的预制体的板状物部分具有在应用时导致织物纤维延长的几何结构。在一个实施例中，板状物部分朝向中心704比朝向板状物部分的端部706更明显或更大。也就是说，板状物部分成形为使得预制体织物的纤维朝向板状物的更明显的中心横穿的距离比在板状物的端部周围横穿的距离长。如上所述，对于凹形的预制体，板状物部分的几何结构将是相反的，使得预制体织物的纤维朝向板状物的更不明显的中心横穿的距离比在板状物的端部周围横穿的距离短。
施加力F以使上夹具和下夹具在一起。如图7B所示，距离702变窄，因此板状物部分608进入下夹具中的间隙612。距离702根据需要进行调节，以使得预制体织物能够围绕板状物部分以及上夹具和下夹具的交叉部分通过。板状物部分608使得预制体织物的纤维朝向板状物704的更明显的中心横穿的距离比在板状物的端部周围横穿的距离长。
虽然图2示出了产生具有单一屈曲的织物的示例，但是可以设计各种夹具组以实现更复杂的几何结构。例如，椭圆形的预制体可以通过沿着预制体的长度变化夹具屈曲的幅度来创造。在图9中，示出了根据本发明制造的O形预制体900的示例。可以设想，夹具对可以应用于预制体织物的一些部分，而不应用于其他部分。也就是说，在预制体织物的一些区域中可以从织机拉出附加的纤维长度，而在预制体织物的其他区域中则不能。以这种方式，可以形成具有弯曲的和直的部分的复杂的几何结构的预制体。图8中示出了这种复杂形状的预制体的一些示例。
一旦所需的织物长度被编织并且将预制体织物从织机移除，就可以移除任何剩余的夹具，并且将预制体织物成形为最终构型。在任何实施例中，可以用基体材料浸渍最终构型。基体材料包括环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯纤维、乙烯基酯、陶瓷、碳和本领域普通技术人员已知的其他这种材料。
其他实施例在所附权利要求的范围内。