CN108779590A - 用于制造横截面有变化轮廓的带状纤维织构的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造至少横截面有变化轮廓的带状纤维织构(210)的装置，该装置包括织机(100)，一个或多个卷取辊(300，400，500)和存储芯轴(600)，每个卷取辊和存储芯轴在其轴向宽度上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面。一个或多个卷取辊(400)包括多个扇形件，这些扇形件可释放地连接到所述卷取辊的外表面上。每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在卷取辊的轴向宽度的全部或部分上延伸。每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改卷取辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

Description

用于制造横截面有变化轮廓的带状纤维织构的装置和方法

背景技术

本发明涉及使用三维(3D)或多层编织来制造用于复合材料部件的纤维增强结构。

更具体地，本发明涉及在复合材料部件中形成加强件的纤维结构，所述复合材料部件是旋转体，在径向截面中具有变化的形状(在形状和/或厚度上变化)，例如，诸如航空发动机风扇外壳。

用于构成复合材料部件的纤维增强件的纤维结构，复合材料部件，例如，诸如航空发动机风扇外壳，通过3D或多层编织在提花型织机中制造，该编织包括插入纬纱以在经纱之间形成图案。经纱在织机的线束中被组织成多个层和列，这些层和列由织机操纵，以便使纬纱能够按照织机中设定的编织图案插入。纬纱以列形式插入经纱之间。

为了在编织纤维结构时使每列纬纱能够插入，在织机的出口和存储鼓或芯轴之间使用一个或多个卷取辊，在其上卷绕编织纤维织构以供随后在注塑模具上形成纤维预制件时使用。位于织机下游的这个或这些卷取辊的作用是在插入每个纬纱列后占据适当长度的经纱。这些辊具有被编织纱线所粘附的材料所覆盖的外表面，从而在经纱上施加牵引力。

以这种方式编织的纤维织构将被卷绕到注塑模具上，该注塑模具由具有卷绕表面的芯轴形成，该卷绕表面在径向截面中具有与待制造的部件的轮廓相对应的浮雕轮廓。为了制造适合于注塑模具的变化形状的纤维织构，使用“外形”编织技术，其包括根据经纱在以带状编织的纤维织构宽度上的位置来卷取不同长度的经纱。为此目的，卷取辊在其轴向宽度上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面，以根据在纤维织构的宽度的纱线的位置卷取不同长度的经纱，较大长度的经纱被卷取辊的一个或多个部分卷取，该一个或多个部分的半径大于辊的其余部分。经纱的差异卷取取决于与卷取辊接触的纤维织构长度的总和。由卷取辊执行的差异卷取具有以下效果：在织机的织造单元中，在插入下一列纬纱之前拉出适当长度的经纱。

然而，虽然纤维织构在注塑之前在模具上成形，但是它被卷绕以形成多个层。对于每一绕线匝数，限定浮雕轮廓的各种半径之间的比率根据已经卷绕的纤维织构层的数量而变化。这些轮廓变化的幅度随着最终部件中形状和/或厚度比的增加而增加。遗憾的是，上述制造方法仅能够编织具有恒定的浮雕轮廓的纤维织构，即，匹配横截面比不改变的半径。当纤维织构被卷绕到注塑模具上时，由于编织的轮廓(在编织织构的整个长度上是恒定的)与卷绕在织构其上的真实轮廓之间的差异，从而导致织构中某些轴向位置的张力损失。这种跨越部件宽度上的张力不平衡会引起许多缺陷，诸如波纹、纤维屈曲、纤维挤压(pinchedfiber)、不需要的额外厚度区域和超出规格的纤维体积含量。这种张力的不平衡还使得通过卷绕，特别是通过引起折痕或未对准形成，成形纤维织构更复杂，从而使纤维织构的成形更加费力和耗时。

发明内容

因此，希望能够制造具有浮雕轮廓的3D或多层纤维结构，其在织构编织期间以以避免纤维织构中的张力损失或不平衡的方式变化。

为此目的，本发明提出一种用于制造至少横截面有变化轮廓的带状纤维织构的装置，该装置包括织机，一个或多个卷取辊和存储芯轴。每个卷取辊和存储芯轴在其轴向宽度上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面，该装置的特征在于，至少一个卷取辊包括多个扇形件，这些扇形件可释放地固定在所述卷取辊的外表面上，每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述卷取辊的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改卷取辊外表面的浮雕轮廓的厚度。

在制造变化形状的纤维织构期间，利用能够局部地修改一个或多个卷取辊的外表面上的浮雕的轮廓的厚度的扇形区，本发明的制造装置使得待制造的带状纤维织构具有变化横截面的轮廓，其中张力的损失或不均匀性显著降低。在将织构卷绕在注塑模具上以便对其进行成形时可以看到这些效果。具体地说，在被卷绕在注塑模具上时，与根据现有技术制造的纤维织构相比，纤维预制件几乎没有缺陷(波纹，纤维屈曲和/或挤压(pinching)，不需要的额外厚度区域，纤维体积含量超出规格，折痕，未对准等)，其中现有技术制造的纤维织构张力不平衡较大。这减少了绕线机的不希望的停止次数，绕线机的不希望的停止通常为了校正诸如织构的部分的折痕或塌陷之类的缺陷所必需的，这些缺陷还需要机器被反转并且一个或多个技术人员要采取行动。

根据本发明的装置的第一特定特征，每个扇形件具有沿轴向变化的厚度。因此可以保存或修改卷取辊的半径的变化。

根据本发明的装置的第二特定特征，每个扇形件具有内表面，该内表面的形状与卷取辊的浮雕的轮廓外表面上的扇形件被固定的部分相对应。在这种情况下，与扇形件接触的经纱的卷取的增加被调节相对于在相同位置处执行的经纱的卷取，但在卷取辊上没有扇形件。

根据本发明的装置的第三特定特征，每个扇形件包括在其外表面上的吸料(gripmaterial)层，以便拖拉与扇形件接触的纤维织构的纱线。

根据本发明的装置的第四特定特征，多个扇形件中的至少一个扇形件具有倒角的边缘，以避免使预制件与已添加到卷取辊的第一扇形件上的尖锐边缘接触，以使纱线上的卷取力逐渐增加。

根据本发明的装置的第五特定特征，它包括放置在织机出口附近的第一卷取辊，以及放置在第一卷取辊和存储芯轴之间的至少一个第二卷取辊，第二卷取辊包括多个扇形件，这些扇形件可释放地固定在所述第二卷取辊的外表面上，每个扇形件在第二卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述第二卷取辊的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件还具有确定厚度，以便局部地修改卷取辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

因此，扇形件优选地与那些被称为“反向器”辊的卷取辊一起使用，并且半径的变化大于被称为“拉出器(puller)”辊的卷取辊上的变化，因此与位于卷绕方向上游的“拉出器”辊相比，它们卷取更长的经纱。

本发明还提供一种制造横截面轮廓变化的带状纤维结构的方法，该方法通过纬纱相互连接的多层经纱之间的三维或多层编织，经纱通过一个或多个卷取辊在织机出口处被驱动，纤维织构被卷绕到位于卷取辊下游的存储芯轴上，每个卷取辊和存储芯轴在其轴向宽度上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面，该方法的特征在于，在编织期间，其包括在至少一个卷取辊的外表面上添加多个扇形件，每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述卷取辊的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改卷取辊的外表面的浮雕轮廓的厚度。

根据本发明方法的第一个特定特征，每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸，该片段根据纤维织构和所述卷取辊的外表面之间接触的圆周片段被确定。

根据本发明方法的第二个特定特征，每个扇形件具有沿轴向方向变化的厚度。

根据本发明方法的第三个特定特征，每个扇形件具有外表面，该外表面的形状与卷取辊的浮雕的轮廓外表面上的扇形件被固定的部分对应。

附图说明

根据作为非限制性示例给出的本发明特定实施方式的以下描述，并参考附图，本发明的其他特征和优点显而易见，其中：

图1是提花型织机的示意性透视图；

图2是用于制造变化形状的纤维织构的装置的示意图，该装置构成本发明的一个实施方式；

图3是图2装置的卷取辊的示意性透视图；

图4是图3的卷取辊的分解示意性透视图；

图5是卷取辊的在图3的平面V上的径向截面示意图；

图6是卷取辊的在图5的平面VI上的轴向截面示意图；

图7至图9示出了在图2装置的卷取辊上安装扇形件的顺序；和

图10至图13示出了从图2装置的卷取辊上移除扇形件的顺序。

具体实施方式

本发明一般地用于制造适合于构成纤维增强或“预制件”的纤维织构，用于制造旋转体形式的复合材料部件，该复合材料部件在径向截面中具有变化的轮廓和/或变化的厚度，特别是在径向截面中，径向截面对应于由预制件在其上成形的模具的径向方向和轴向方向所限定的平面。通过将纤维织构卷绕在模具上并通过将基质前体注入成形的纤维织构中获得这些部件，其中基质通常是树脂。

通过三维编织或多层编织获得本发明的纤维织构，其为具有变化横截面的轮廓的带状。

术语“三维编织”或“3D编织”在本文中用于表示编织技术，其中至少一些纬纱在多个经纱层上连接经纱，或反之亦然。3D编织可以是互锁类型，如文献WO2006/136755中所述。

术语“多层编织”在本文中用于表示具有多个经纱层的3D编织，其中每层的基础编织等同于传统的2D编织，例如平纹、缎纹或斜纹编织，但包括编织的某些点连接经线层，反之亦然。

通过3D或多层编织制造纤维结构使得可以获得层之间的粘合，从而对于纤维结构和所得复合材料部件具有良好的机械强度，并且在单个纺织操作中这样做。

特别地，纤维结构可以使用由碳纤维、陶瓷诸如碳化硅、玻璃或实际上是芳族聚酰胺制成的纱线编织。

图1示出了装配有提花机构101的织机100，该提花机构101由图1中未示出的上部结构支撑。织机100还具有由线束板111和控制纱线或“综线”113构成的线束110，每个综线113一端连接到提花机构101的控制钩1010，另一端连接到固定在织机100的结构103的一组复位弹簧102的弹簧上。每个综线113具有孔眼114，通过该孔眼114穿过经纱201。综线113及其相关的孔眼114在一个区域中延伸，在该区域中，综线113和孔眼114被进行基本上垂直的往复运动，如双头箭头F所示。综线113受到分别由控制钩1010和复位弹簧102施加的牵引力。综线113使某些经纱201能够按照规定的编织程序升高。通过提升某些经纱201，综线113因此形成梭口104，使得纬纱202能够被插入以便进行条带或带的形式的纤维结构210的3D或多层编织。经纱201被组织为多层经纱C₁至C_n。

经纱201取自布置在织机100的提花机构101上游的粗纱架(图1中未示出)上的线轴。

图2示出了根据本发明的实施方式的用于制造变化形状的纤维织构的装置10。装置10包括上述织机100以及布置在织机下游的三个卷取辊300、400和500。盒子120限定了织机100的出口，即经纱201超出的区域不再与纬纱202编织并且对应于梭口104的封闭。

位于最靠近织机100的出口120的第一卷取辊300被称为“拉出器”辊。卷取辊300沿图2中所示的旋转方向S₃₀₀被驱动。在其轴向宽度上，其变化半径以限定外表面301，该外表面301具有对应于为纤维织构210规定的编织轮廓的浮雕轮廓使得经纱和纬纱之间的角度尽可能接近90°。外表面301覆盖有一种材料，例如，一种粘合剂，编织纱线粘附在该粘合剂上，以便在经纱上施加牵引力。

位于第一卷取辊300下游的另外两个卷取辊400和500被称为“反向器”辊，并且它们以图2所示的相应旋转方向S₄₀₀和S₅₀₀被驱动旋转，旋转方向S₄₀₀和S₅₀₀被都与卷取辊300的S₃₀₀的旋转方向相反。在它们的轴向宽度上，卷取辊400和500同样具有变化的半径，以便限定相应的外表面401和501，每个外表面具有浮雕轮廓。卷取辊400和500上的半径变化大于卷取辊300上的半径变化，辊400和500卷取比卷取辊300更长的经纱。外表面401和501被材料覆盖，例如一种粘合剂，编织纱线粘附在该粘合剂上，以便在经纱上施加牵引力。

装置10还具有存储鼓或芯轴600，也称为“卷取”芯轴，其以旋转方向S₆₀₀旋转驱动并且同样在其轴向宽度上具有变化的半径，以便限定外表面601，该外表面601具有与为纤维织构210规定的编织轮廓相对应的浮雕轮廓，以便限制纤维织构210的变形。纤维织构210卷绕在存储芯轴600上，在该存储芯轴600上存储纤维织构210随后用于通过将纤维织构卷绕到注塑模具上来形成纤维预制件。

根据本发明，至少一个卷取辊在其外表面上设有多个扇形区，这些扇形区可拆卸地，例如通过螺母—螺栓型紧固件或通过相互配合，连接在一起，每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述卷取辊的轴向宽度的全部或部分上延伸。在目前描述的例子中，并且如图3至6所示，沿轴线X₄₀₀轴向延伸并且具有沿轴线X₄₀₀(图6)变化的半径R₄₀₀的卷取辊400具有三个扇形件410、420和430，如图3和4所示。仍然在当前描述的示例中，扇形件410、420和430具有各自的等效轴向宽度L₄₁₀、L₄₂₀和L₄₃₀，其小于卷取辊400的轴承宽度L₄₀₀，轴向宽度沿辊轴方向测量，诸如从从动辊400的轴线X₄₀₀方向测量。扇形区410、420和430用于放置在卷取辊400的一部分402上，其中半径R₄₀₀在轴向宽度L₄₀₀上变化，以便在径向截面中形成浮雕的轮廓(图6)。为此目的，扇形件410、420和430具有相应的内表面411、421和431，其形状对应于卷取辊400的浮雕的外表面401上的扇形件被固定的部分402，各自外表面412、422和432的形状根据在纤维织构与扇形件接触的部分中所希望实现的张力调节确定。

外表面412、422和432被吸料(grip material)层(未示出)覆盖，例如，弹性体(橡胶)层，编织纱线粘附在弹性体(橡胶)上，以便在经纱上施加牵引力。

在该示例中，扇形件410、420和430各自的厚度在扇形件410、420和430的轴向宽度L₄₁₀、L₄₂₀和L₄₃₀上变化，如图6中针对扇形件410和420的厚度E₄₁₀和E₄₂₀所示。在目前描述的示例中，扇形件410、420和430的厚度的变化主要遵循半径R₄₀₀的变化，并且因此遵循在部分402上的浮雕的轮廓的形状，以便局部地修改辊400并遵循卷取辊的部分402的外表面的浮雕轮廓。扇形件还可以增加额外的厚度，该厚度与辊的浮雕轮廓的形状无关。

一旦装配有扇形件410、420和430，辊400就卷取更长长度的经纱，其中经纱与扇形件接触。

图7和9示出了在制造纤维织构210期间扇形件410、420和430如何安装在卷取辊400上。扇形件固定在卷取辊的外表面上，例如，通过紧固件，诸如与在辊中形成的攻丝配合的螺钉(图中未示出)。如图7所示，第一扇形件，特别是扇形件410，安装在辊400的不与纤维织构210接触的部分402的片段上。扇形件410，它是第一个进入与织构210接触，具有第一边缘413，该第一边缘413优选地朝向辊的外表面倒角，以避免使预制件与扇形件上的尖锐边缘接触并且从而使经纱的卷取力逐渐增加。然后，卷取辊400继续沿方向S₄₀₀转动，直到卷取辊400的部分402的新的片段移出与织构210的接触区域，从而使第二扇形件430能够被安装(图8)。扇形件430的边缘433靠着扇形件410的边缘414放置，扇形件410部分地与织构210接触。卷取辊400继续沿方向S₄₀₀转动，直到卷取辊400的部分402的最后自由片段与织构210的接触区域脱离。然后将第三扇形件420安装在辊400上(图9)。扇形件420的边缘424靠着扇形件410的倒角边缘413放置，边缘424具有与边缘413的形状互补的倒角形状。扇形件420的边缘423靠着扇形件420的边缘434放置。

当需要卷取更大长度的经纱时，在纤维织构210的制造过程中添加扇形件410、420和430，例如因为编织轮廓和织构在其上卷绕的真实轮廓之间的差异使得它可能导致跨越织构的某些轴向位置处的张力损失。

扇形件410、420和430以类似的方式被移除，如图10至图13所示。在制造纤维织构210期间，移除不与纤维织构接触的第一扇形件，该扇形件对应于该实施例图10中的扇形件420。此后，另外两个扇形件410和430一个接一个地移除，如图11至13所示，以便减小卷取辊400的部分402的厚度或半径。作为要移除的最后扇形件430具有边缘434，边缘434优选地具有朝向辊的外表面定向的倒角，以避免使预制件与扇形件尖锐边缘接触，扇形件420的边缘423具有与边缘434的形状互补的倒角形状。

每个扇形件在辊的圆周的一个片段上延伸。它具有圆弧形长度，诸如图7中所示的扇形件410的圆弧形长度A₄₁₀，其根据卷取辊400的不与纤维织构210接触的部分的圆弧形长度被限定。因此，如果纤维织构在相对短的圆弧形长度上与卷取辊接触，则可以使用具有相对长的圆弧形长度的扇形件，反之亦然。因此，覆盖卷取辊的整个圆周所需的扇形数量也根据卷取辊的不与纤维织构接触的部分的圆弧形长度来确定。

扇形件可以用在单个卷取辊上，如上面针对辊400所述，或者用在多个卷取辊上，诸如上述的辊300、400和500，以便局部地修改所讨论的所述每个卷取辊的外表面的浮雕的轮廓的厚度。然而，扇形件优选地与被称为“反向器”辊的卷取辊一起使用，它们具有的半径变化大于被称为“拉出器”辊的卷取辊上的半径变化，因此，与“拉出器”辊相比，它会卷取更长的经纱。“反向器”卷取辊放置在“拉出器”卷取辊和装置中的存储芯轴之间，用于制造横截面有变化轮廓的带状纤维织构。

在本发明的情况下中，还可以将多个扇形件彼此安装，以便逐渐增加或减小任何卷取辊的外表面的浮雕的轮廓的厚度。

扇形件由刚性材料或耐压良好的材料制成，诸如金属或塑料材料。举例来说，扇形件可以通过模制、机械加工或3D打印来制造。

通过利用能够在制造变化形状的纤维织构期间局部地改变一个或多个卷取辊的外表面上的浮雕的轮廓的厚度的扇形件，本发明的制造装置和方法能够实现纤维织构被制造成变化的形状，其中张力的损失或不均匀性显著降低。当织构被卷绕到注塑模具上以被成形时，本发明对采用本发明的装置和方法制造的纤维织构的效果是可见的。具体地说，在卷绕到注塑模具上时，与根据现有技术制造的纤维织构相比，成形的纤维预制件几乎没有缺陷(波纹，纤维屈曲和/或挤压，不需要的额外厚度区域，纤维体积含量超出规格，折痕，未对准等)，其中现有技术制造的纤维织构的张力不平衡较大。这减少了绕线机的不希望的停止次数，绕线机的不希望的停止通常为了校正诸如织构的部分的折痕或塌陷之类的缺陷所必需的，这些缺陷还需要机器被反转并且一个或多个技术人员要采取行动。

Claims (10)

1.一种用于制造至少横截面有变化轮廓的带状纤维织构(210)的装置，该装置包括织机(100)，一个或多个卷取辊(300，400，500)和存储芯轴(600)，每个卷取辊和存储芯轴在其轴向宽度上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面；该装置的特征在于，至少一个卷取辊(400)包括多个扇形件(410，420，430)，这些扇形件可释放地固定在所述卷取辊的外表面(401)上，每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在卷取辊(400)的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件(410；420；430)还具有至少一个确定厚度，以便局部地修改卷取辊(400)外表面的浮雕轮廓的厚度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中每个扇形件(410；420；430)具有沿轴向方向变化的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中每个扇形件(410；420；430)具有内表面(411；421；431)，所述内表面的形状与卷取辊(400)的浮雕的轮廓外表面(401)上的扇形件被固定的部分(402)对应。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中每个扇形件(410；420；430)包括在其外表面(412；422；432)上的吸料层。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，多个扇形件中的至少一个扇形件(410)具有倒角的边缘(413)，以避免使预制件与已添加到卷取辊的扇形件上的尖锐边缘接触。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，包括：放置在织机的出口附近的第一卷取辊(300)，以及放置在第一卷取辊(300)和存储芯轴(600)之间的至少一个第二卷取辊(400)，第二卷取辊(400)包括多个扇形件(410，420，430)，这些扇形件可释放地固定在所述第二卷取辊的外表面(401)上，每个扇形件在第二卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述第二卷取辊(400)的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件(410；420；430)还具有确定厚度，以便局部地修改卷取辊(400)的外表面的浮雕轮廓的厚度。

7.一种制造横截面有变化轮廓的带状纤维结构(210)的方法，通过在由纬纱(202)相互连接的多层经纱(201)之间的三维或多层编织，经纱通过一个或多个卷取辊(300，400，500)在织机的出口处被驱动，纤维织构(210)被卷绕到位于卷取辊下游的存储芯轴(600)上，每个卷取辊(300，400，500)和存储芯轴(600)在其轴向宽度上具有变化半径，以便限定具有浮雕轮廓的外表面；该方法的特征在于，在编织期间，该方法包括在至少一个卷取辊(400)的外表面(401)上添加多个扇形件(420，430，401)，每个扇形件在卷取辊的圆周的一个片段上延伸并且在所述卷取辊(400)的轴向宽度的全部或部分上延伸，每个扇形件(410；420；430)具有至少一个确定厚度，以便局部地修改卷取辊(400)的外表面的浮雕轮廓的厚度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中每个扇形件(410；420；430)在卷取辊(400)的圆周的一个片段上延伸，该片段根据纤维织构和所述卷取辊的外表面(401)之间接触的圆周片段被确定。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中每个扇形件(410；420；430)具有沿轴向方向变化的厚度。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中每个扇形件(410；420；430)具有外表面(412；422；432)，所述外表面的形状与卷取辊(400)的浮雕的轮廓外表面(401)上的扇形件被固定的部分(402)对应。