CN107645983A - 用来形成纤维加强的复合结构的方法 - Google Patents

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CN107645983A CN201680025004.2A CN201680025004A CN107645983A CN 107645983 A CN107645983 A CN 107645983A CN 201680025004 A CN201680025004 A CN 201680025004A CN 107645983 A CN107645983 A CN 107645983A
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G·戈蒂埃
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Abstract

用来形成纤维加强的复合结构的方法，包括：a)提供至少一个预制件(10)，其包括至少一个第一层(14)和至少一个后续层(12)，每个层(12,14)包括热固性和/或热塑性树脂基质和纤维，且所述第一层(14)中的纤维方向不同于所述后续层(12)中纤维的方向；b)从心轴第一端部区域(21)到心轴第二端部区域(23)和/或从所述第二端部区域(23)到所述第一端部区域(21)用所述预制件(10)以螺旋方式缠绕心轴(20)，使第一层(14)中的纤维方向相对于由心轴(20)限定的轴向方向(X)取向以改善若干性能；c)作为步骤b)的替代，从心轴的所述第一端部区域到心轴的所述第二端部区域用至少两个预制件(10a,10b)螺旋地缠绕心轴(20)，一个所述预制件(10b)顺时针缠绕而另一所述预制件(10a)逆时针缠绕，使至少一个所述预制件的层中的纤维方向相对于由心轴(20)限定的轴向方向(X)取向以改善若干性能；d)重复步骤b)或c)直到预制件(10)的相继绕组限定特定三维结构；e)用压力压实所述特定三维结构；f)通过施加树脂系统所需的加热循环而使所述特定三维结构固结。

Description

用来形成纤维加强的复合结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用来形成诸如复合管件或类似物的纤维加强的复合结构的方法。
背景技术
通常采用一种方法生产复合管件，在该方法中，用预浸渍材料以重叠方式缠绕金属心轴，然后用压实系统在这个复合结构上施加压力，然后使热固性和/或热塑性树脂基质固结，继而从产品中移除心轴。预浸渍材料广泛用于制造复合部件和结构。预浸渍材料是热固性和/或热塑性树脂基质与纤维加强件的组合体。预浸渍材料的纤维是相互平行地延伸的连续纤维。通过堆叠任选地具有不同类型的纤维、不同的树脂基质和/或不同的层重量的单向带的单个层而产生预制件，使得预制件的层包含的纤维沿不同方向延伸。
为了改善复合管件受到对其使用而言特有的载荷时的性能，预制件的加强纤维的主要部分应当被取向以改善管件的性能。然而，已有的制造方法不允许在不对管件的均匀性产生不良的影响的前提下以高水平的品质实现这种结果。具体地说，通常使用辊子卷绕工艺而制造这种复合管件。辊子卷绕包括下列步骤：卷绕预浸渍材料的预制件或单个层，该预制件或单个层的长度与管件一样、并且其宽度对应于绕心轴的一定数量的旋转圈数。从而，每一个卷绕的预制件或层的开始和结束导致管件中的缺陷。此外，这个辊子卷绕工艺可能需要数个步骤来实现总的所需厚度，并且管件的品质随着操作者的技能和经验的不同而不同。
因而，本发明的目标是提供一种用来形成纤维加强的复合结构的方法，其中，能够避免上述缺点。
发明内容
本发明涉及一种用来形成诸如复合管件的纤维加强的复合结构的方法，该方法包括下列步骤：
a)提供至少一个预制件，所述至少一个预制件包括至少一个第一层和至少一个后续层，其中，所述层中的每一个层包括热固性和/或热塑性树脂基质和纤维，并且其中，所述第一层中的纤维的方向不同于所述后续层中的纤维的方向；
b)从心轴的第一端部区域到该心轴的第二端部区域和/或从所述第二端部区域到所述第一端部区域用所述预制件以螺旋方式缠绕该心轴，使得所述第一层中的纤维方向相对于由该心轴限定的轴向方向取向以改善若干性能；
c)作为步骤b)的替代，从该心轴的所述第一端部区域到该心轴的所述第二端部区域用至少两个预制件以螺旋方式缠绕该心轴，所述预制件中的一个预制件顺时针缠绕并且所述预制件中的另一个预制件逆时针缠绕，使得所述预制件中的至少一个预制件的层中的纤维方向相对于由该心轴限定的轴向方向取向以改善若干性能；
d)重复步骤b)或c)，直到预制件的相继绕组限定特定三维结构；
e)用压力压实所述特定三维结构；
f)通过施加树脂系统所需的热循环而使所述特定三维结构固结。
上述方法的优选特征在从属权利要求2到28中限定。
在这样构造的情况下，本发明的方法允许同时施加多层预浸渍材料，使得沿工作方向取向的单向纤维的比例大于相对于所述工作方向倾斜地取向的单向纤维的比例。此外，本发明的方法允许控制绕组的相邻各圈之间的重叠、不重叠或间隙的存在，从而增进管件的品质。这个方法也使得制造成本能被降低。
这个方法还以连续的方式实现管件的生产，其中，不同的心轴被布置为按顺序相互接续，这使生产速率得以提高。
通过这种方法缠绕预制件来控制预制件中的张力，能够获得更好的均匀性且有利于厚壁管件的品质提高。最后，这个方法能够带来管件性质的一致性，这是因为，在锥形的和/或任意形状截面的管件的情况中，在管件上施加两次预制件之后，该方法通过调节预制件的形状和/或预制件的施加角度而允许更好地控制纤维的取向。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从本发明的数个实施例的详细描述更清楚地显现，实施例由附图示出，附图中：
图1是适合于用于本发明的方法的预制件的图解表示；
图2a和2b是示意图，其中图示出适合于用于本发明的方法的设备；
图3a是类似于图2b的视图，其中示出通过本发明的方法形成的管件的对接的预制件布置；
图3b是类似于图3a的视图，其中示出通过本发明的方法形成的管件的重叠的预制件布置；
图3c是类似于图3a的视图，其中示出通过本发明的方法形成的管件的间隔的预制件布置；
图4a和4b示出适合于用于本发明的方法的一种替代设备；
图5a、5b和5c是示意性结构图，其中示出适合于用于本发明的方法的另一替代设备；
图6a、6b、7a、7b、8a、8b和9a、9b示出可以采用本发明的方法而形成的数个具体示例管件；
图10a、10b、10c和10d示出根据本发明的方法的数个相继步骤。
具体实施方式
图1示出适合用于本发明的方法的示例性三层预制件10。这个预制件10包括第一层12、第二层14和第三层16，所述第一层、第二层和第三层各包括热固性和/或热塑性树脂基质和纤维。在示出的实施例中，第一层12中的纤维沿0°方向取向。第二层14中的纤维沿45°方向取向。第三层16中的纤维沿90°方向取向。此外，每一个层具有其自身的层厚度和机械性质。在该示例中，第一层和第三层的层厚度小于第二层的层厚度。
图2a和2b示出根据本发明的一个实施例的方法的相接续的缠绕步骤的示例。预制件10首先缠绕管状心轴20，使得第三层16向着所述心轴20取向，第一层12的方向D相对于心轴X的轴线限定一角度α，该角度在该示例中大致等于-45°。在这样构造的情况下，第二层14的单向纤维与所述轴向方向X大致对齐。心轴20可以有利地绕其自身的轴线X旋转。预制件10可以有利地以螺旋方式缠绕心轴20。绕心轴20的预制件的每一个圈可以被该预制件的另一圈重叠和/或部分地覆盖，或者可以与其相邻的圈邻接，或者可以以一定间隙与其相邻的圈相分离。预制件10沿方向D1移动，直到它近似达到心轴20的左端部21。此后，预制件10反向或改变，以便具有以45°取向的层12。预制件10沿相反方向横向移动，以便允许预制件10从心轴的左端部21到心轴的右端部23以螺旋方式缠绕心轴20。在这个缠绕操作期间，第一层12被施加到心轴20，并且所述第一层的方向D相对于心轴的轴线X限定一角度α，使得预制件10的一个层中的纤维的取向允许改善管件的特定性能。在示出的实施例中，角度α大致等于+45°。在这样构造的情况下，第二层14的纤维与所述轴向方向X大致对齐，从而改善管件当受到纵向载荷时的性能。同时地或随后，施用一条塑料带11，其赋予压实压力。然后，由预制件10形成的结构通过树脂基质的网状结构被固结。
本发明的方法不限于上面详述的实施例。具体地说，在本发明的另一些实施例(未示出)中，心轴可以是圆锥形的和/或至少部分地限定圆环面的一部分和/或具有非圆形截面。此外，预制件可以具有替代设计。具体地说，当在预制件移向具有最小直径的心轴的端部时想要避免各圈的重叠的增大(这导致复合结构的壁厚度的增大)时、或当想要沿其长度具有变化的角度的管件时，当心轴是圆锥形的时，可以有利地使用梯形的或锥形的预制件。缠绕心轴的预制件的数量也可以多于一个。此外，所述预制件的层的数量可以是三层或更多层，并且相对于预制件的主方向的所述层的纤维的取向可以是任何适合于改善复合结构性能的角度。在任何情况中，本发明的方法的参数应当被选择以形成纤维加强的复合结构，其中，具有有利于复合结构的主性能的方向的单向纤维的比例，大于相对于所述方向倾斜地取向的单向纤维的比例。
如图3a中所示，预制件10缠绕心轴20的方式可以有利地使得绕心轴20的预制件10的每一个圈与预制件的另一相邻的圈相邻接。
可替代地，如图3b中所示，预制件10缠绕心轴20的方式也可以使得绕心轴20的预制件10的每一个圈至少部分地覆盖预制件的另一圈和/或至少部分地被预制件的另一圈覆盖。预制件10缠绕心轴20的方式也可以使得绕心轴20的预制件10的每个圈与预制件的其它圈相间隔，如图3c中所示。
图4a和4b示出使用一种替代设备使预制件10绕心轴20向前和返回螺旋缠绕。这种操作包括第一步骤，该第一步骤包括：沿轴向方向D1移动心轴20而不使该心轴旋转，并且同时绕所述轴向方向使辊子22(预制件10从该辊子输送)顺时针旋转。辊子22沿着以所述心轴轴线为中心的圆形引导件24而移动，从而使得带10从心轴20的左端部区域R1到心轴20的右端部区域R2螺旋地缠绕。在这个从左到右期间，辊子22相对于由圆形引导件24限定的平面P以一定角度β取向，从而相对于方向D1以一定角度α完成螺旋缠绕。在第二步骤中，对应于从右到左，改变辊子22相对于圆形引导件24的取向，以便相对于平面P处于一定角度-β。然后，使心轴20沿与D1相反的方向D2而移动，同时使辊子22保持顺时针旋转。从而，相对于轴向方向以一定角度-α完成返回螺旋缠绕。
图5a、5b和5c示出另一种替代设备，该替代设备允许用两条预制件10a、10b和一条压实带11绕心轴20进行缠绕操作。在这个示例中，心轴20由数个叉形元件25支承，上述叉形元件适合于在心轴沿轴向方向D2位移期间引导心轴。该设备分别包括：辊子22a，预制件10a缠绕该辊子22a；辊子22b，预制件10b缠绕该辊子22b；以及辊子22c，压实带11缠绕该辊子22c，所述辊子22a沿着圆形引导件24a沿逆时针方向移动，所述辊子22b沿着圆形引导件24b沿顺时针方向移动，而所述辊子22c沿着圆形引导件24c沿顺时针或逆时针方向移动。每一个圆形引导件被固定在垂直于心轴的轴线的位置中。在这种替代方案中，将多个心轴布置为按顺序相互接续。心轴然后一个接一个地被连续缠绕而在每一个部分的生产之间没有停止，从而增进了生产速率。
图6a、7a、8a和9a示出可以通过本发明的方法制造的复合管件的数个示例。这些示例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
在图6a中示出的示例中，心轴100支承图7b中示出的预制件110的多个绕组。这个预制件110包括三个层，一个第一层具有的纤维相对于由预制件110限定的纵向方向D以0°取向，一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向D以-45°取向，而一个第三层具有的纤维相对于所述纵向方向D以-90°取向。预制件110缠绕在心轴100上，使得其纵向方向D相对于由心轴100限定的轴向方向X以45°取向。从而，第二层的纤维平行于轴向方向X，而第一层和第三层的纤维分别相对于所述轴向方向X以45°和-45°取向。在这样构造的情况下，由预制件110的绕组形成的管件当受到弯曲和扭转载荷时具有改善的性能。弯曲性能和扭转性能之间的比率取决于每一个层的厚度和性质。
在图7a中示出的示例中，心轴200支承图7b中示出的预制件210的多个绕组。这个预制件210包括两个层，一个第一层具有的纤维相对于由预制件210限定的纵向方向D以45°取向，而一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向D以-45°取向。预制件210缠绕在心轴200上，使得其纵向方向D相对于由心轴200限定的轴向方向X以45°取向。从而，第二层的纤维平行于纵向方向X，而第一层的纤维相对于所述轴向方向X以90°取向。在这样构造的情况下，由预制件210的绕组形成的管件当受到弯曲或径向压缩载荷时具有改善的性能。
在图8a中示出的示例中，心轴300支承图8b中示出的预制件310的多个绕组。这个预制件10包括两个层，一个第一层具有的纤维相对于由预制件310限定的纵向方向D以5°取向，而一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向D以-85°取向。预制件310缠绕在心轴300上，使得其纵向方向D相对于由心轴300限定的轴向方向X以85°取向。从而，第二层的纤维平行于纵向方向X，而第一层的纤维相对于所述轴向方向X以90°取向。在这样构造的情况下，由预制件310的绕组形成的管件当受到内部压力载荷时具有改善的性能。
在图9a中示出的示例中，心轴400支承图9b中示出的预制件410的多个绕组。这个预制件410包括两个层，一个第一层具有的纤维相对于由预制件10限定的纵向方向D以0°取向，而一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向D以90°取向。预制件410缠绕在心轴400上，使得其纵向方向D相对于由心轴400限定的轴向方向X以45°取向。从而，第一层和第二层的纤维分别相对于所述轴向方向X以45°和-45°取向。在这样构造的情况下，由预制件410的绕组形成的管件当受到扭转载荷时具有改善的性能。
图10a、10b、10c和10d示出当必须制造具有环形形状的复合管件时根据本发明的方法的数个相继步骤。
图10a中示出的第一步骤包括：用塑料或硅树脂囊袋501部分地覆盖心轴500的外周。
图10b中示出的第二步骤包括：根据权利要求1的方法，用预制件510螺旋地缠绕被覆盖的所述心轴。
图10c中示出的第三步骤包括：将由缠绕囊袋501的预制件510形成的装置与心轴500分离。
图10d中示出的第四步骤包括：使所述囊袋-预制件装置弯曲，以便使它成形，随后，在其固结之前，将所述装置布置在封闭的模子中。在固结期间，在囊袋内施加压力，以便将预制件压在模子的内壁上。
由于预制件以螺旋方式缠绕囊袋，避免了在预制件的弯曲期间预制件发生应力和/或折叠，这是由于预制件的各个部分在彼此上滑动。
在本发明的方法的一个优选实施例中，在步骤a)中提供第一预制件且提供第二预制件，该第一预制件包括两个层或由两个层组成，该第二预制件包括两个层或由两个层组成。第一预制件螺旋地缠绕心轴，使得第一预制件的第一层中的纤维相对于轴向方向(X)沿一方向取向，并且第一预制件的第二层中的纤维绕心轴沿螺旋方向取向。然后，第二预制件螺旋地缠绕心轴并且在第一预制件上方，使得第二预制件的第一层中的纤维相对于轴向方向(X)沿一方向取向，而第二预制件的第二层中的纤维绕心轴沿螺旋方向取向，从而形成多层式管件。第一预制件和第二预制件中的螺旋状取向的纤维相对于管件限定的轴向方向沿相反的螺旋旋转方向取向。典型地，第一预制件和第二预制件中的螺旋取向的纤维相对于管件限定的轴向方向以45°和-45°取向。典型地，心轴是圆锥形的并且管件是圆锥形的。典型地，第一预制件和第二预制件的缠绕方式使得绕心轴的各个预制件的每一个圈至少部分地被预制件的另一圈覆盖。

Claims (28)

1.一种用来形成纤维加强的复合结构的方法，该方法包括下列步骤：
a)提供至少一个预制件(10)，所述至少一个预制件包括至少一个第一层(14)和至少一个后续层(12)，其中，所述层(12,14)中的每一个层包括热固性和/或热塑性树脂基质和纤维，并且其中，所述第一层(14)中的纤维方向不同于所述后续层(12)中的纤维方向；
b)从心轴的第一端部区域(21)到心轴的第二端部区域(23)和/或从所述第二端部区域(23)到所述第一端部区域(21)用所述预制件(10)以螺旋方式缠绕心轴(20)，使得第一层(14)中的纤维的方向相对于由心轴(20)限定的轴向方向(X)取向以改善若干性能；
c)作为步骤b)的替代，从心轴的所述第一端部区域到心轴的所述第二端部区域用至少两个预制件(10a,10b)以螺旋方式缠绕心轴(20)，所述预制件中的一个预制件(10b)顺时针缠绕并且所述预制件中的另一个预制件(10a)逆时针缠绕，使得所述预制件中的至少一个预制件的层中的纤维的方向相对于由心轴(20)限定的轴向方向(X)取向以改善若干性能；
d)重复步骤b)或c)，直到预制件(10)的相继绕组限定特定三维结构；
e)用压力压实所述特定三维结构；
f)通过施加树脂系统所需的加热循环而使所述特定三维结构固结。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤e)包括用压实系统(11)在所述特定三维结构上提供压力。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，预制件(10)由至少一层单向纤维组成。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，预制件(10)的缠绕方式使得绕心轴(20)的所述预制件(10)的每一个圈至少部分地覆盖所述预制件的另一圈和/或被所述预制件的另一圈间隔。
5.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，其中，预制件(10)的缠绕方式使得绕心轴(20)的所述预制件(10)的每一个圈邻接该预制件的另一相邻的圈。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，心轴(20)是管状的。
7.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，心轴(20)是圆锥形的。
8.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，心轴(20)至少部分地限定圆环面的一部分。
9.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，心轴(20)具有非圆形截面。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，预制件(10)的形状为矩形。
11.根据权利要求1到9中的任一项所述的方法，其中，预制件(10)具有的形状与心轴(20)的截面的变化相适配。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，心轴(20)在步骤b)或步骤c)期间沿轴向方向(X)移动。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，心轴(20)在步骤b)或步骤c)期间绕该轴向方向(X)旋转。
14.根据权利要求1到11中的任一项所述的方法，其中，心轴(20)在步骤b)或步骤c)期间是不运动的。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，至少两个预制件(10)在心轴(20)上同时缠绕。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，预制件(110)包括三个层，一个第一层具有的纤维相对于由预制件(110)限定的纵向方向(D)以0°取向，一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向(D)以-45°取向，而一个第三层具有的纤维相对于所述纵向方向(D)以-90°取向。
17.根据权利要求1到15中的任一项所述的方法，其中，预制件(210)包括两个层，一个第一层具有的纤维相对于由预制件(210)限定的纵向方向(D)以45°取向，而一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向(D)以-45°取向。
18.根据权利要求1到15中的任一项所述的方法，其中，预制件(310)包括两个层，一个第一层具有的纤维相对于由预制件(310)限定的纵向方向(D)以5°取向，而一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向(D)以-85°取向。
19.根据权利要求1到15中的任一项所述的方法，其中，预制件(410)包括两个层，一个第一层具有的纤维相对于由该预制件(410)限定的纵向方向(D)以0°取向，而一个第二层具有的纤维相对于所述纵向方向(D)以90°取向。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，相对于由心轴限定的轴向方向(X)取向的结构中的纤维的比例，大于相对于所述方向倾斜取向的纤维的比例。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述结构由具有弯曲和扭转性能的管件(100)组成，其中，提供管件的弯曲性能的第一纤维平行于由管件限定的轴向方向，提供管件的扭转性能的第二纤维相对于所述方向以45°和-45°取向。
22.根据权利要求1到20中的任一项所述的方法，其中，所述结构由具有弯曲和压缩性能的管件(200)组成，其中，提供管件的弯曲性能的第一纤维平行于由管件限定的轴向方向，提供压缩性能的管件的第二纤维相对于所述方向以90°取向。
23.根据权利要求1到20中的任一项所述的方法，其中，所述结构由具有内部压力性能的管件(300)组成，其中，提供管件的内部压力性能的第一纤维垂直于由管件限定的轴向方向，管件的第二纤维平行于所述轴向方向。
24.根据权利要求1到20中的任一项所述的方法，其中，所述结构由具有扭转性能的管件(400)组成，其中，提供管件的扭转性能的纤维相对于由管件限定的轴向方向以45°和-45°取向。
25.根据权利要求1到15中的任一项所述的方法，其中，在步骤
a)中提供第一预制件，该第一预制件包括两个层或由两个层组成，并且提供第二预制件，该第二预制件包括两个层或由两个层组成，并且在步骤b)到d)中，该第一预制件螺旋地缠绕心轴，使得该第一预制件的第一层中的纤维相对于轴向方向(X)沿一方向取向并且该第一预制件的第二层中的纤维绕心轴沿螺旋方向取向，并且该第二预制件螺旋地缠绕心轴并且缠绕在该第一预制件上方，使得该第二预制件的第一层中的纤维相对于轴向方向(X)沿一方向取向并且该第二预制件的第二层中的纤维绕心轴沿螺旋方向取向，从而形成多层式管件，其中，第一预制件和第二预制件中的螺旋状取向的纤维相对于由管件限定的轴向方向沿相反的螺旋旋转方向取向。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，第一预制件和第二预制件中的螺旋状取向的纤维相对于由管件限定的轴向方向以45°和-45°取向。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其中，心轴是圆锥形的并且管件是圆锥形的。
28.根据权利要求25到27中的任一项所述的方法，其中，第一预制件和第二预制件的缠绕方式使得绕心轴的各个预制件的每一个圈至少部分地由该预制件的另一圈覆盖。
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