CN102191627A - 一种复合材料三维织造成形设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料三维织造成形设备，属于织造和零部件快速成形的交叉技术领域。本发明的复合材料三维织造成形设备主要由可控数字化模板运动系统、拾取装置运动系统、导向套运动控制装置等主体部分和与三维织造工艺相配套的专用数控软件组成。与现有的三维织造成形加工设备相比，本发明的复合材料三维织造成形设备自动化程度高，其生产的零部件内外表面光滑，尺寸精确，孔隙率低，性能稳定，并可使制品按设计要求进行方向性和局部增强，较好的解决了目前三维织造成形中存在的成形件截面简单，不适宜大尺寸件加工，产品孔隙较多的问题。该复合材料三维织造成形设备特别适于生产尺寸较大、外形结构比较复杂的产品。

Description

一种复合材料三维织造成形设备
技术领域
本发明涉及一种复合材料三维织造成形设备，属于织造与零部件快速成形的交叉技术领域。
背景技术
复合材料由于其重量轻、耐磨性和强韧性等优异性能适应广泛的工程要求，且比强度、比模量及耐热性超过基体金属，对航空航天等尖端领域的发展具有重要作用，日渐引起了世界各国的关注。三维编织技术被称为目前最先进的复合材料制作技术之一，国际上采用三维编织复合材料技术已成功制作了飞行器、汽车等装置上的多种不同形状的承力梁、接头，采用此技术甚至在人造生物组织方向制作了人造骨、人造韧带和接骨板等。近年来，随着我国航空航天、国防军工等工业的快速发展，对复合材料编织技术要求越来越高，复合材料直接成形制备承力结构件的需求越来越多。
传统的基于层压式的二维编织设备制品存在一些难以克服的缺点：如外形结构简单、厚度方向的刚度和强度较低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限水平低等，往往无法满足主承力结构件的性能要求。近年来，国外发达国家致力于通过开发新型的编织设备以实现三维编织预型件的大批量生产。1971年美国通用电器公司发明了“Omniweave”三维编织机，编织设备逐步向机械化、自动化、微机化方向发展，初步实现了CAD/CAM集成；美国北卡州立大学研制出全自动连续喂纱编织机，它是世界上第一台全自动编织机。国内在三维编织工艺和编织设备的优化改进上也开展了相关研究。天津工业大学、南京航空航天大学、华东理工大学、国防科技大学等单位先后研制了三维编织机，有的已能进行形状较简单的产品的三维编织工作，不过工作效率较低，与国外水平相比仍有较大的差距，大多仍只是在传统的织布机上加以改造。
尽管国内外现有的先进三维织造成形设备织造的产品在结构形状、分层和力学性能等方面相对有了很大改善，但仍存在以下不足：(1)设备产品结构仍较简单，对于复杂形状的预型件需通过在编织过程中改变纤维排布或数量，加工工序复杂，不易于自动化控制；(2)不适用于大尺寸预型件的加工；(3)树脂对纤维的浸渍不够理想，空隙率较高，导致产品机械性能、耐候性和疲劳寿命降低。
发明内容
本发明主要是提供一种复合材料三维织造成形设备。
本发明解决三维编制技术问题所采用的技术方案。这种复合材料三维织造成形设备包括工作台，安装在工作台上的可控数字化模板，一端固定安装在可控数字化模板内部的导向柱，所述可控数字化模板可在竖直方向进行往复移动，缠绕在套轴上的导向套通过导向套张紧装置后穿过空心导向柱并外翻后固定在可控数字化模板上，外翻后的导向套外表面光滑壁紧贴导向柱外壁，带有螺纹的导向套内表面翻转后缠绕丝线，实现零部件纵向锁紧；线轴安装在机架的侧面，所述线轴上的丝线通过载针架上的丝线张紧装置张紧后穿过织造针；所述载针架安装在机架上的；机架上方安装的织造针拾取装置，所述拾取装置由X轴电机和Y轴电机驱动抓取织造针后可在XY平面内按设定好的路径进行织造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案还可以进一步完善。可控数字化模板可控制导向柱依据零部件外形尺寸和结构性能要求在上进行有选择的密布和竖直方向的升降，导向柱为空心管状结构，内外表面光滑。导向套可为一跟或几根表面有锯齿的丝线，或空心的软套，外表面形状根据所织造零件的结构特点来确定，可以为螺纹形状、锯齿形状等，内表面光滑。导向柱为空心结构，其内部可允许空心的导向套穿过，导向套内可依据零部件性能要求穿入特定材质的丝线，对成形件部分区域或整体进行缝合捆绑。在机架上可同时安装多套织造针拾取装置同时进行织造工作。
本发明有益的效果是：设备自动化水平高，织造路径自由可控，可以依据零部件外形尺寸和结构性能要求进行大尺寸、外形结构复杂零部件的加工，成形件表面光滑，耐冲击，抗开裂和疲劳，成形精度高，实现了复合材料制备与成形一体化制造。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
图1为本复合材料三维织造成形设备示意图；
图2为织造针剖视图；
图3为本复合材料三维织造成形设备局部剖视图；
图4为本复合材料三维织造成形设备局部剖视图。
附图标记
1-工作台         2-可控数字化模板    3-导向柱
4-套轴           5-导向套            6-导向套张紧装置
7-线轴           8-机架              9-丝线
10-载针架        11-丝线张紧装置     12-织造针
13-拾取装置      14-X轴电机          15-Y轴电机
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。这种复合材料三维织造成形设备，包括工作台(1)，安装在工作台(1)上的可控数字化模板(2)，一端固定安装在可控数字化模板(2)内部的导向柱(3)，所述的导向柱(3)为空心管状结构，内外表面光滑，所述可控数字化模板(2)可在竖直方向进行往复移动，控制导向柱(3)依据零部件外形尺寸和结构性能要求进行有选择的密布和竖直方向的升降；缠绕在套轴(4)上的导向套(5)通过导向套张紧装置(6)后穿过空心导向柱(3)并外翻后固定在可控数字化模板(2)上，外翻后的导向套(5)外表面光滑壁紧贴导向柱(3)外壁，带有螺纹的导向套(5)内表面翻转后缠绕丝线，实现零部件纵向锁紧；所述的导向套(5)可为一跟或几根表面有锯齿的丝线，或空心的软套，外表面形状根据所织造零件的结构特点来确定，可以为螺纹形状、锯齿形状等；线轴(7)安装在机架(8)的侧面，所述线轴(7)上的丝线(9)通过载针架(10)上的丝线张紧装置(11)张紧后穿过织造针(12)；所述载针架(10)安装在机架(8)上的；机架(8)上方安装的织造针拾取装置(13)，所述拾取装置(13)由X轴电机(14)和Y轴电机(15)驱动抓取织造针(12)后可在XY平面内按设定好的路径进行织造，所述的织造针(12)结构为空心管状或缝纫针的形式。
设备的操作方法：根据零部件分层设计结构，选定相应系列的导向柱(3)(直径、高度、材料等)及导向套(5)外表面形状等参数；可控数字化模板(2)按设定程序将导向柱(3)密布并调整其有效织造高度，套轴(4)上缠绕的导向套(5)通过导向套张紧装置(6)后穿过空心导向柱(3)并外翻后固定在可控数字化模板(2)上，外翻后的导向套(5)外表面光滑壁紧贴导向柱(3)外壁，带有螺纹的导向套(5)内表面翻转后缠绕丝线，实现零部件纵向锁紧；机架(8)两侧X、Y方向各布置一排载针架(10)，载针架(10)上已挂好穿入丝线(9)的备用织造针(12)；拾取装置(13)抓取X方向的一个或几个织造针(12)，按照设定的层网格填充方式进行层面内部和外轮廓的织造，完成该方向织造填充；拾取装置(13)抓取Y方向的一个或几个织造针(12)，同样进行层面内部和外轮廓的织造，完成该层织造填充后，可控数字化模板(2)向下运动一定距离，此时固定的导向柱(3)相对可控数字化模板(2)向上运动，套在导向柱(3)上的导向套(5)随之被抽动上线，并在导向套张紧装置作用(6)下拉紧；设备不断反复上述运动步骤即可完成零部件的织造过程；之后，导向柱(3)下移至顶端没入可控数字化模板(2)内，零件即可取出。

Claims (4)

1.一种复合材料三维织造成形设备，包括工作台(1)，安装在工作台(1)上的可控数字化模板(2)，一端安装在可控数字化模板(2)内部的导向柱(3)，所述可控数字化模板(2)可在竖直方向进行往复移动，缠绕在套轴(4)上的导向套(5)通过导向套张紧装置(6)后穿过空心导向柱(3)并外翻后固定在可控数字化模板(2)上，外翻后的导向套(5)外表面光滑壁紧贴导向柱(3)外壁，导向套(5)内表面翻转后缠绕丝线，实现零部件纵向锁紧；线轴(7)安装在机架(8)的侧面，所述线轴(7)上的丝线(9)通过载针架(10)上的丝线张紧装置(11)张紧后穿过编织针(12)，所述载针架(10)安装在机架(8)上的；机架(8)上方安装的织造针拾取装置(13)，所述拾取装置(13)由X轴电机(14)和Y轴电机(15)驱动抓取织造针(12)后可在XY平面内按设定好的路径进行织造。
2.根据权利要求1所述的复合材料三维织造成形设备，其特征在于，所述的可控数字化模板(2)可控制导向柱(3)依据零部件外形尺寸和结构性能要求进行有选择的密布和竖直方向的升降。
3.根据权利要求1所述的导向套(5)，其特征在于，导向套(5)可为一跟或几根表面有锯齿的丝线，或空心的软套，外表面形状根据所织造零件的结构特点来确定，可以为螺纹形状、锯齿形状等，内表面光滑。
4.根据权利要求1所述的复合材料三维织造成形设备，其特征在于，所述的织造针(12)结构为空心管状或缝纫针的形式。
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