CN102517760A - 一种复合材料预制件分层织造成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料预制件分层织造成形方法，属于一种数字化驱动的复合材料三维织造技术，包括如下步骤：对复合材料零件CAD模型沿Z向进行分层，生成截面轮廓信息；将导向套布置在等间距阵列布局的导向柱模板上；在每一层轮廓内，以导向套支撑，将纤维沿0度、45度、90度、135度方向逐行缠绕平行的导向套，完成轮廓内部的织造，当前层内外轮廓的织造由纤维沿内外轮廓附近的导向套缠绕完成；层层织造，完成所有层织造后，将缠绕纤维的导向套取下，完成复合材料预制件的织造。本发明方法工序简单、成形尺寸大，易于实现自动化织造大型、复杂结构功能部件预制件。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料预制件分层织造成形方法，属于复合材料三维织造成形领域。
背景技术
复合材料显著的力学性能以及轻质的特点使其广泛应用于航空航天、国防军工等方面。随着技术发展，复合材料制件向大型化、复杂化、高性能化发展，复合材料成形技术也不断地发展。
传统复合材料由于层间没有纤维通过，而容易分层,为了达到厚度上的要求，绝大多数采用层合的形式，但由于较弱的层间性能、冲击后易受损伤以及机械连接孔和几何形状突变处的强度显著下降等弱点，限制了它在主要承力结构件上的应用。三维织造复合材料是以三维整体织物作为增强体的复合材料，是20世纪80年代发展起来的一种新型织物复合材料，其由一维和二维结构发展而来，三维结构织物的纤维不仅通过二维平面，而且通过厚度方向在空间相互交织，形成整体结构，可设计性好，同时克服了二维复合材料抗冲击性能差、易分层等缺点，具有优异的力学性能，已经引起了美国、德国等世界各国的关注，被越来越广泛地应用航空航天、军工、汽车等关键领域。
用于复合材料预制件制备的三维织造技术主要包括三维编织、三维机织、三维针织等。复合材料三维织造技术相比于传统的层压复合材料、自动铺放技术具有诸多优点，但织造成形过程中存在的成形尺寸小、工序复杂、设备自动化低、纤维含量低，难以实现大型、复杂结构件制造等问题。
发明内容
针对传统三维织造预制件的层间强度低、成形尺寸小、工序复杂、不易自动化实现等缺点，将快速成形技术与复合材料织造技术结合起来，提出一种基于数字化导向模板的预制件分层织造成形方法，实现复合材料预制件制备的自动化，为大型、复杂预制件的织造提供一种柔性加工方法。
该方法引入了阵列式导向柱模板，为每层编织纤维提供支点。根据三维模型分层后的二维轮廓设计导向柱模板，并将导向套布置在导向柱上，近似逼近零件的轮廓；织造纤维通过缠绕、锁紧导向套形成内部网格结构和内外轮廓，达到各种结构的织造。导向套为不同层纤维提供支撑，加强层间强度。
为了便于织造成形，易于实现自动化缠绕导向套，确定每层截面轮廓内沿0度、45度、90度、135度四个方向逐行缠绕平行的导向套，如图2所示，相邻两个导向套的纤维缠绕方式可以是直线式和‘8’字式，如图3所示；四个缠绕方向叠加后，得到每层截面轮廓内部网格结构，如图4所示；
一种复合材料预制件分层织造成形方法，其特征包括如下步骤:
a) 对复合材料零件CAD模型沿Z向进行分层，生成截面轮廓信息；
b) 根据截面轮廓信息将导向套布置在阵列布局的导向柱模板上；
c) 在当前织造层轮廓内，以导向套为支撑，将纤维沿0度方向平行的导向套逐行缠绕；以导向套为支撑，将纤维沿45度方向平行的导向套逐行缠绕；以导向套为支撑，将纤维沿90度方向平行的导向套逐行缠绕；以导向套为支撑，将纤维沿135度方向平行的导向套逐行缠绕；纤维沿不同方向缠绕的顺序可以任意组合，所有织造路径叠加后完成一层轮廓内部的织造；当前层内外轮廓的织造由纤维沿内外轮廓附近的导向套缠绕完成；
d) 完成一层织造后，继续采用步骤c）进行下一层的织造；
e) 完成所有层织造后，将所有缠绕纤维的导向套从导向柱模板取下，完成复合材料预制件的织造。
所述织造纤维包括碳纤维、石墨纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维等，纤维规格可根据复合材料零件三维模型选择。
所述导向套结构是可以设计的，其外部可以是光滑的，也可以是带有凹槽的，织造时纤维在导向套凹槽内进行缠绕；导向套高度、直径、截面形状等参数可根据零件三维模型设计。
所述导向套可以根据实际需要选择不同材质，如铝合金、碳纤维增强复合材料、钛合金、不锈钢等。
所述导向柱模板上有直径、间距可设计的导向柱阵列。
所述沿平行的导向套逐行缠绕和沿内外轮廓附近导向套缠绕过程中，相邻导向套间的缠绕方式可以是直线式和‘8’字式。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1） 复合材料预制件分层织造方法工艺简单、易于实现自动化，为大型、复杂预制件织造提供一种柔性加工方法；
2） 导向柱在模板上的排列可以根据零件的尺寸、形状等特点进行灵活布置，大大提升了三维织造零部件的灵活性和可操作性；
3） 该织造方法通过导向套实现层间连接，避免层间分层，使预制件有较好的力学性能。
附图说明
图1为复合材料预制件分层织造流程图；
图2为轮廓层内四个纤维逐行织造方向；
图3为导向套间纤维缠绕方式；
图4为不同织造路径叠加；
图5为截面为半圆形的半圆柱的层内织造；
附图标记
1—导向柱 2—导向套 3—织造单元。
具体实施方式
为详细的描述本发明的特点和步骤，列举截面为半圆的半圆柱预制件的织造方法。
首先在计算机上完成半圆柱CAD模型的设计，分层设计得到每层二维截面轮廓信息；将直径为3mm导向柱（1）按8mm的等间距阵列排布得到导向柱模板（3）上；选取导向套（2）材料为外部光滑碳纤维管，内径为3mm，外径为5mm，高度设计为跟半圆柱等高，将其排布在导向柱（1）上，近似逼近半圆柱的截面轮廓；选取3k规格的碳纤维作为织造纤维。
从最底层开始织造，在织造层近似半圆轮廓内，以导向套（2）为支撑，纤维分别沿0度、45度、90度、135度的顺序逐行缠绕平行的导向套，每种缠绕方式相邻两个导向套纤维连结方式采用直线式和‘8’字式，所有织造路径叠加后完成一层轮廓内部的织造；当前层外轮廓的织造由纤维沿外轮廓附件的导向套缠绕完成，并且相邻两个导向套纤维连结方式也为直线式和‘8’字式；完成一层织造后，得到织造单元（4）。
采用上述方法进行下一层的织造；层层织造，完成三维预制件所有层织造后，将缠绕碳纤维的导向套（2）从导向柱模板（3）上取下来，完成预制件织造。
以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，进行其他实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种复合材料预制件分层织造成形方法，其特征包括如下步骤:
a) 对复合材料零件CAD模型沿Z向进行分层，生成截面轮廓信息；
b) 根据截面轮廓信息将导向套布置在阵列布局的导向柱模板上；
c) 在当前织造层轮廓内，以导向套为支撑点，将纤维沿0度方向平行的导向套逐行缠绕；以导向套为支撑，将纤维沿45度方向平行的导向套逐行缠绕；以导向套为支撑，将纤维沿90度方向平行的导向套逐行缠绕；以导向套为支撑，将纤维沿135度方向平行的导向套逐行缠绕；纤维沿不同方向缠绕的顺序可以任意组合，所有织造路径叠加后完成一层轮廓内部的织造；当前层内外轮廓的织造由纤维沿内外轮廓附近的导向套缠绕完成；
d) 完成一层织造后，继续采用步骤c）进行下一层的织造；
e) 完成所有层织造后，将所有缠绕纤维的导向套从导向柱模板取下，完成复合材料预制件的织造。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料预制件分层织造成形方法，其特征在于，所述织造纤维包括碳纤维、石墨纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维等，纤维规格可根据复合材料零件三维模型选择。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料预制件分层织造成形方法，其特征在于，所述导向套结构是可以设计的，其外部可以是光滑的，也可以是带有凹槽的，织造时纤维在导向套凹槽内进行缠绕；导向套高度、直径、截面形状等参数可根据零件三维模型设计。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料预制件分层织造成形方法，其特征在于，所述导向套可根据需要选择不同材质，如铝合金、碳纤维增强复合材料、钛合金、不锈钢等。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料预制件分层织造成形方法，其特征在于，所述导向柱模板上有直径、间距可设计的导向柱阵列。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料预制件分层织造成形方法，其特征在于，所述沿平行的导向套逐行缠绕和沿内外轮廓附近导向套缠绕过程中，相邻导向套间的缠绕方式可以是直线式和‘8’字式。
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