CN109562580A - 用于连续制造复合中空结构的头部和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于制造系统的头部。所述头部可具有壳体和固化增强器，所述壳体配置为排出以至少一根连续纤维增强的并具有三维轨线的管状结构，所述固化增强器可操作地连接到所述壳体并配置为在排出期间固化所述管状结构中的液体基质。所述头部还可以具有配置为将填充材料排出到所述管状结构中的喷嘴，以及从所述壳体延伸到所述喷嘴的杆。

Description

用于连续制造复合中空结构的头部和系统

技术领域

本公开一般涉及制造头部和系统，更具体地，涉及用于连续制造复合中空结构的头部和系统。

背景技术

挤出制造是已知的用于生产连续中空结构的方法。在挤出制造期间，推动液体基质(例如，热固性树脂或加热的热塑性塑料)通过具有所需横截面形状和尺寸的模具。离开模具后，材料固化并硬化成最终形式。在一些应用中，UV灯和/或超声波振动用于在液体基质离开模具时加速液体基质的固化。通过挤出制造工艺生产的中空结构可具有任何连续长度，具有直的或弯曲的轮廓，一致的横截面形状和优异的表面光洁度。尽管挤出制造可以有效率地连续制造中空结构，但是所得到的结构可能缺乏某些应用所需的强度。

拉挤成型制造是已知的用于生产高强度中空结构的方法。在拉挤成型制造期间，单独的纤维股线、股线编织物和/或机织织物用液体基质(例如，热固性树脂或加热的热塑性塑料)涂覆或其他方式浸渍，并通过固定模具拉出，在该模具中，液体基质固化并硬化成最终形式。与挤出制造一样，在一些拉挤成型应用中，用UV灯和/或超声波振动加速液体基质离开模具时的固化。由拉挤成型制造工艺生产的中空结构，具有许多与挤压结构相同的属性以及由于集成纤维而增加的强度。尽管拉挤成型制造可以是连续制造高强度中空结构的有效方式，但是所得到的结构可能缺乏某些应用所需的形式。另外，在拉挤的中空结构内集成的各种纤维图案可能受到限制，从而限制了所得中空结构的可用特性。

所公开的系统旨在克服上述一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种用于制造系统的头部。所述头部可包括壳体和固化增强器，所述壳体配置为排出以至少一根连续纤维增强的并具有三维轨线的管状结构，所述固化增强器可操作地连接到所述壳体并配置为在排出期间固化管状结构中的液体基质。所述头部还可以具有配置为将填充材料排出到管状结构中的喷嘴，以及从壳体延伸到喷嘴的杆。

在另一方面，本公开涉及一种用于连续制造复合结构的系统。该系统可包括支撑件和头部，所述支撑件配置为在复合结构的制造期间在多个方向上移动，所述头部连接到支撑件。所述头部可以包括壳体和第一固化增强器，所述壳体配置为排出至少一根连续纤维增强的并具有三维轨线的管状结构，所述第一固化增强器位于所述壳体的内部并配置为在从管状结构内部排出期间固化管状结构中的液体基质。所述头部还可以包括喷嘴、杆和第二固化增强器，所述喷嘴配置为将填充材料排出到管状结构中；所述杆从壳体延伸到喷嘴；所述第二固化增强器位于喷嘴的与杆相对的端部并配置为固化填充材料。

在另一方面，本公开涉及一种连续制造复合结构的方法。所述方法可以包括用基质连续涂覆纤维，使基质涂覆的纤维径向向外转移远离非纤维轴以形成管状结构，以及在管状结构内产生三维轨线。所述方法还可以包括从管状结构的内部固化管状结构以及将填充材料排出到管状结构中。

附图说明

图1和2是示例性公开的制造系统的示意图；

图3是可以与图1和图2的制造系统结合使用的示例性公开的驱动器和头部的横截面图示；

图4是图3的头部的爆炸图；

图5是可以连接到图3和图4所示的头部的示例性公开的护罩的透视图；

图6-9是可以用图1和图2所示的系统制造的示例性公开的中空结构的示意图；

图10-18是示例性公开的编织图案的示意图，该编织图案可以构成图6-9的中空结构的壁；

图19和20是可以与图1和图2的制造系统结合使用的示例性公开的头部的横截面和端视图；以及

图21和22是可以与图1和图2的制造系统结合使用的示例性公开的头部的横截面和透视图。

具体实施方式

图1和2示出了不同的示例性系统10和12，其可用于连续制造具有任何所需横截面形状(例如，圆形或多边形)的中空复合结构14(例如，管、软管、通道、导管、管道等)。系统10、12可以各自包括支撑件16、驱动器18和头部20。头部20可以经由驱动器18连接到支撑件16。在图1所公开的实施例中，支撑件16是能够在结构14的制造期间沿多个方向移动驱动器18和头部20的机械臂，使得所得结构14的纵向轴线22是三维的。在图2的实施例中，支撑件16是架空台架，其也能够在结构14的制造期间沿多个方向移动头部20和驱动器18。尽管两个实施例中的支撑件16被示出为能够进行6轴移动，但是如果需要，在发明构思中，也可以使用能够以相同或不同方式移动驱动器18和头部20的任何其他类型的支撑件16。

如图3所示，驱动器18除了用作头部20和支撑件16之间的机械连接外，还可以包括协作以向头部20供电的部件。这些部件尤其可以包括容器24、设置在容器24内部的一个或多个执行器以及将各种执行器连接到头部20的不同部分的多个连杆。在所公开的实施例中，三个不同的执行器26、28、30示于容器24的内部，通过两个不同的轴32、34和棒36连接到头部20。执行器26和28可以是旋转型执行器(例如，电动、液压或气动马达)，而执行器30可以是线性执行器(例如，螺线管致动器、液压缸、导螺杆等)。轴32可以是管状的(即，圆柱形和中空的)并且由执行器26驱动以围绕中心轴37旋转，而且轴34可以穿过轴32的中心并且由执行器28驱动以也围绕中心轴37旋转。出于本公开的目的，轴37可以被认为是头部20的非纤维轴。在所公开的实施例中，轴34也是管状的，并且棒36可以配置为穿过轴34的中心并且由执行器30驱动以相对于轴34轴向地来回移动。棒36也可以与中心轴37大致对齐。如果需要，在发明构思中，不同数量的执行器可以通过轴和/或棒的不同布置与头部20连接。例如，如果需要，可以连接单个执行器以旋转两个轴32、34(例如，通过齿轮组-未示出)。可以从外部电源(例如，建立的公用电网)38向执行器30-34提供电力。

除了用作上述各种执行器的安装位置之外，在一些实施例中，容器24还可以用作压力容器。例如，容器24可以配置为接收或以其他方式包含加压基质材料。基质材料可包括任何类型的可固化的液体树脂(例如，零挥发性有机化合物树脂)。示例性树脂包括环氧树脂、聚酯树脂、阳离子环氧树脂、丙烯酸酯化环氧树脂、氨基甲酸酯、酯、热塑性塑料、光聚合物、聚环氧化物等。在一个实施例中，容器24内的基质材料的压力可以由外部装置(例如，挤出机或其他类型的泵)40产生，该外部装置40经由相应的导管42流体连接到容器24。然而，在另一个实施例中，压力可以通过类似类型的装置完全在容器24内部产生。在某些情况下，容器24内部的基质材料可能需要保持冷却和/或避光以防止过早固化；而在其他情况下，由于同样的原因，基质材料可能需要保温。在任一种情况下，容器24可以是特殊构造(例如，隔热、冷却和/或加热)以满足这些需要。

储存在容器24内的基质材料可用于涂覆任何数量的单独纤维，并与纤维一起构成复合结构14的壁。在所公开的实施例中，两个单独的纤维供应器44、46存储在(例如，在单独的内部线轴上-未示出)容器24或以其他方式穿过容器24(例如，从相同或单独的外部线轴供给)。在一个例子中，供应器44、46的纤维类型相同并且具有相同的直径和横截面形状(例如，圆形、方形、扁平等)。然而，在其他例子中，供应器44、46的纤维具有不同类型、具有不同直径和/或具有不同的横截面形状。供应器44、46可各自包括单束纤维、若干纤维束的丝束或粗纱、或纤维束的编织物。股线可包括例如碳纤维、植物纤维、木纤维、矿物纤维、玻璃纤维、金属线等。

来自供应器44、46的纤维可以涂覆有储存在容器24中的基质材料，根据需要，其可以在纤维在容器24内部、纤维行进向头部20和/或纤维从头部20排出时进行。基质材料、来自供应器44、46之一或两者的干燥纤维和/或已经涂覆有基质材料的纤维，可以以本领域技术人员知晓的任何方式输送到头部20中。在图3的实施例中，基质材料与来自供应器44、46的纤维混合(并且在一些情况下，与填充物，例如不同长度的短切纤维混合)，然后将基质涂覆的纤维通过轴32和/或34的敞开内部引入头部。然而，如果需要，在发明构思中，可将专用导管(未示出)替代地用于此目的。可以通过容器24的压力将基质材料推过轴32、34(和/或专用导管)，并且纤维可以与基质材料一起行进。可选地或附加地，可机械地拉动纤维(涂覆的或未涂覆的)通过轴32和/或34，并且在一些实施例中，基质材料可与纤维一起拉动。在所公开的例子中，还通过轴32和/或34的中空内部将电力供应到头部20。

头部20可以包括一系列彼此嵌套的圆柱形部件，该圆柱形部件用于在从驱动器18接收的基质涂覆的纤维的结构14的壁中产生独特的编织图案。如图3和4所示，这些部件尤其可以包括壳体48、一个或多个纤维导向器(例如，第一纤维导向器50和第二纤维导向器52)、转向器54、一个或多个固化增强器(例如，UV灯56和/或超声发射器58)和截止器60。如下面将更详细解释，来自驱动器18的基质涂覆的纤维可以穿过第一和/或第二纤维导向器50、52，在导向器中，可以在纤维中产生旋转。然后，旋转的基质涂覆的纤维可以穿过位于转向器54和壳体48之间并围绕转向器54的嘴部62的环形间隙61(仅在图3中示出)，在此，通过UV灯56和/或超声发射器58使树脂由内向外固化。

壳体48通常可以是管状的，并且具有开口端64(仅在图4中示出)和相对的圆顶端68。在开口端64处的壳体48的内径可以大于纤维导向器50、52的外径，并且壳体48的内部轴向长度可以大于纤维导向器50、52的轴向长度。通过这种布置，纤维导向器50、52可以至少部分地配合在壳体48内。在所公开的实施例中，两个纤维导向器50、52完全嵌套在壳体48内，使得壳体48在开口端64的轴向面69延伸超过纤维导向器50、52的相应端部。壳体48的在开口端64的面69可以是凸形弯曲的，以镜像对应转向器54的相应弯曲的外表面。中心开口70可以形成在壳体48的圆顶端68内，允许轴32、轴34和棒36轴向穿过其中。在一些实施例中，密封件(例如，O形环-仅在图3中示出)72可设置在开口70处和轴32周围，以防止液体基质材料从壳体48中泄漏。

与壳体48一样，纤维导向器50和52也可以是大致管状的并且具有开口端74和位于开口端74对面的圆顶端76。纤维导向器50在开口端74处的内径可以大于纤维导向器52在圆顶端处76的外径，并且纤维导向器50的内轴向长度可以大于纤维导向器52的外轴向长度。通过这种布置，纤维导向器52至少可以部分地配合在纤维导向器50内。在所公开的实施例中，纤维导向器2完全嵌套在纤维导向器50的内部，使得纤维导向器50在开口端74的端面78轴向延伸超过纤维导向器52的端面80。纤维导向器50、52的端面78和80可以凸出地弯曲，以镜像对应转向器54的相应弯曲的外表面。

纤维导向器50和52可各自具有环形侧壁82，该环形侧壁82从开口端74延伸到圆顶端76。在所公开的例子中，每个侧壁82的厚度可以大致相同(例如，在工程公差范围内)。然而，如果需要，在发明构思中，每个侧壁82可以具有不同的厚度。侧壁82的厚度可足以在内部容纳任何数量的轴向定向的通道84。通道84可以从相应的端面(即，端面78或80)完全穿过圆顶端76。形成在纤维导向器50中的每个通道84可以配置为从供应器44、46中的一根接收一根或多根纤维，而形成在纤维导向器52中的每个通道84可以配置为从供应器44、46中的另一个接收一根或多根纤维。根据需要，在发明构思中，可以在每个纤维导向器50和52内形成相同或不同数量的通道84，和/或通道84可以具有相同或不同的直径。在所公开的实施例中，在每个纤维导向器50、52中形成具有基本相同直径的二十四个等间隔的通道84。因为纤维导向器52的环形壁82可以具有比纤维导向器50的环形壁82小的直径，所以纤维导向器52内的通道84之间的相等间隔可以不同于纤维导向器50内的通道84之间的相应相等间隔。应该注意的是，在一些实施例中，纤维导向器50、52中的一个或两个内的通道间隔可以是不均匀分布的。因为纤维导向器52可以完全嵌套在纤维导向器50内，所以穿过纤维导向器50的纤维通常可以与在结构14的制造期间穿过纤维导向器52的纤维重叠。

在结构14的制造期间，每个纤维导向器50、52可以选择性地旋转或保持静止，使得穿过每个导向器的纤维一起形成独特的编织图案(例如，螺旋图案、振荡图案、直线和平行图案、或组合图案)。纤维导向器50的旋转可以通过轴32驱动，而纤维导向器52的旋转可以通过轴34驱动。轴32可以连接到纤维导向器50的圆顶端76和/或连接到纤维导向器50的内表面。轴34可以穿过纤维导向器50的圆顶端76中的间隙开口86，以接合纤维导向器52的圆顶端76和/或内表面。如下面将更详细描述，纤维导向器50、52的相对旋转可以影响结构14的最终编织图案。特别地，纤维导向器50、52的旋转可以在相同的方向上，彼此相反、连续、间歇、振荡，具有更小或更大的振荡范围，以更低或更高的速度实现等，以产生具有所需特性的独特和/或动态变化的编织图案。此外，纤维导向器50、52的旋转可以随着支撑件16的运动、转向器54的运动、轴向挤出距离和/或速率、和/或结构14的已知几何形状(例如，端接点、耦合点、三通、直径变化、接头、转弯、高压和/或高温区域等)而精心设计。

转向器54可以是大致钟形并且具有位于嘴部62对面的圆顶端88。圆顶端88可以具有比嘴部62更小的直径并且构造为至少部分嵌套在纤维导向器52内。嘴部62可以从圆顶端88径向向外张开，并且该嘴部62的外径大于纤维导向器52的外径。在一个实施例中，嘴部62的外径可以与壳体48的外径大致相同。转向器54由于其向外扩张的轮廓，可以用于使离开两个纤维导向器50、52的通道84的纤维径向向外转向。以这种方式，结构14的最终内径可以由转向器54的外径决定。另外，转向器54可以将纤维转向壳体48的面69，从而将纤维夹在间隙61内(参见图3)。因此，除了确定结构14的内径之外，转向器54的转向功能还可以决定结构14的壁厚。在发明构思中，尽管转向器54为大致钟形，但是如果有需要，转向器54也可以是锥形的。

在一个实施例中，转向器54可以是可移动的，以选择性地调节结构14的壁厚。具体地，棒36可以穿过纤维导向器50、52的间隙开口86，以接合转向器54的圆顶端76。通过这种连接，由执行器30(参见图3)引起的棒36的轴向平移，可以得到间隙61的宽度变化和结构14的相应壁厚。因此，可以通过将转向器54推离壳体48来制造结构14的较厚壁，并且可以通过将转向器54拉近壳体48来制造较薄壁。

在发明构思中，结构14的壁内的特定特征，可以通过快速改变间隙61的宽度(即，通过快速拉动转向器54并快速地将转向器54推回)来产生。例如，可以通过调节拉/推动作的速度、持续时间和/或距离来形成脊(参见图8)、凸缘(参见图7)、柔性区和其他特征。

UV灯56可以配置为，在结构14的形成期间将结构14的内表面连续地暴露于电磁辐射。电磁辐射可以提高通过间隙61排出的基质材料内发生的化学反应速率，从而有助于减少基质材料固化所需时间。在所公开的实施例中，UV灯56可以安装在转向器54的嘴部62内，通常与轴线37对准，并且定向成引导辐射远离转向器54。UV灯56可以包括围绕轴37均匀分布的多个LED(例如，6个不同的LED)。然而，在发明构思中，任何数量的LED或其他电磁辐射源可以替代地用于本公开的目的。UV灯56可以通过电引线90供电，该电引线90从电源38(参见图3)延伸穿过轴32、34和棒36。在一些实施例中，棒36本身也可以用作电引线。在结构14轴向生长超过距离嘴部62的预定长度之前，电磁辐射的量可足以固化基质材料。在一个实施例中，在轴向生长长度等于结构14的外径之前，结构14完全固化。

除UV灯外，替代地或附加地，可以使用超声发射器58，以增加结构14中的基质材料的固化速率。例如，超声发射器58可以直接安装在转向器54的嘴部62内，或者替代地安装到UV灯56的远端(例如，在远端相应的凹处)。超声发射器58可用于将超声能量释放到基质材料中的分子，引起分子振动。该振动可在基质材料中产生气泡，使其在高温和高压下空化，并迫使基质材料比其他情况下更快地固化。超声发射器58可以以与UV灯56相同的方式供电，并且还用于从内向外固化结构14。如果需要的话，在发明构思中，除了UV灯56和/或超声发射器58之外，和/或作为UV灯56和/或超声发射器58的替代方式，可以设置一个或多个另外的固化增强器(未示出)以帮助加速结构14从外向内的固化速率。

截止器60可用于在结构14制造期间选择性地终止或以其他方式固定结构14的长度。如图3和4所示，截止器60可以是大致环状的，并且可移动地安装到壳体48的外表面。截止器60可具有锋利的边缘92，其配置为沿轴线37滑动，直到其接合通过间隙61排出的基质涂覆的纤维。然后，沿相同方向进一步滑动，可以起到在嘴部62剪切纤维的作用，从而固定结构14中的一段。应该注意的是，这种剪切作用可以仅在基质材料仍然未固化时发生，可以降低推动边缘92穿过结构14的纤维所需的力，并且得到的切割表面可以具有更精细的光洁度。

截止器60的轴向移动可以由专用执行器93(参见图3)产生。根据需要，执行器93可以安装到壳体48上并且构成线性执行器(例如，液压活塞或螺线管)或旋转执行器(例如，接合壳体48上的外螺纹的马达)。执行器93可以经由外部布线从电源38接收电力。

在一些实施例中，截止器60的运动可以在结构14的纤维剪切期间与转向器54的运动协调。例如，恰好在切削刃92朝向结构14的纤维轴向移动之前或期间，可以通过棒36和执行器30将转向器54向内拉向壳体48。通过向内拉动转向器54，可以减小结构14的壁厚，从而使剪切更容易。另外，通过向内拉动转向器54，可以在纤维上施加更大的夹紧力，从而减小所需的剪切力和/或切削刃92的移动。

即使结构14的基质涂覆的纤维在通过间隙61排出后可以快速固化，但是对于某些应用来说，这种固化的速度可能是不足的。例如，当在水下，空间中或在另一个非理想(例如，严重或极端)温度、非理想压力和/或高污染的不良环境中制造结构14时，基质涂覆的纤维应该与环境隔离，直至固化完成，以确保所需的结构特征。出于这个原因，可以提供护罩94并且选择性地将其连接到头部20的远端。示例性护罩94在图5中示出为包括管96和/或柔性联轴器98。根据需要，管96可以选择性地单独连接到头部20的远端；联轴器98可以选择性地单独连接到头部20的远端；或者管96可以选择性地通过联轴器98连接到头部20的远端。护罩94可以为结构14提供更好的受控环境，允许其中的基质在结构14轴向挤出超过护罩94的端部之前固化所需的量。在一些实施例中，在制造期间，护罩94可以用惰性气体加压，用增加基质固化速率的气体加压，和/或减压以更完全地控制结构14周围的环境。当结构14的轴22主要是直线形的时候，管96可以单独使用(即，没有联轴器98)，而当轴22是三维结构时，联轴器98可以单独使用或与管96一起使用。联轴器98可允许结构14相对于轴线37转弯和弯曲(参见图3)。

系统10可以能够在结构14的壁内产生许多不同的编织图案。图6-9示出了可以用系统10制造的示例性结构14。图10-18示出了可用于制造结构14的编织图案的示例性例子。以下部分中将更详细地讨论图6-18，以进一步说明所公开的概念。

图19和20示出了可用于制造结构14的头部20的另一示例性实施例。与图3的实施例类似，图19和20所示的头部20可以包括轴32、34(为了清楚起见在图19和20中省略-在图3中示出)，棒36(为了清楚起见在图19和20中省略-在图3中示出)，一个或多个纤维导向器50、52，转向器54，UV灯56和/或设置在壳体48内部的超声发射器58。在一些实施例中，图19和20的头部20还可以包括护罩94，该护罩94在第一端连接到壳体18并且在相对的第二端处与结构14的外表面接合。然而，与图3的实施例相反，图19和20的头部可以包括附加部件，其在结构14的形成期间协作以用另一种材料140填充结构14。材料140可包括例如绝缘、屏蔽、刚性支架、液体基质、颗粒增强基质、泡沫、加压气体、混凝土或本领域已知的其他填料。

协作以用材料140填充结构14的头部20的部件，可以尤其包括沿着结构14的中心轴线从壳体48(例如，通过纤维导向器50、纤维导向器52和转向器54)延伸到护罩94的中空杆142，和可操作地连接到杆142的远端的喷嘴144。杆142可以是刚性的或柔性的，并且在第一端设置有材料140，例如通过位于轴32、34杆36内部的内部供应通道。喷嘴144可配置为在下游位置轴向和/或径向向外排出(例如，喷射)材料140，使得材料140填充和/或粘附到结构14的内壁。

在图19和20的实施例中，杆142与头部20成一体，使得头部20总是能够用材料140填充结构14。然而，如果需要，在发明构思中，杆142可以可拆卸地连接到头部20。类似地，喷嘴144可以永久地或可互换地连接到杆142，使得可以使用不同的材料140和/或填充特性。

在图19和20的示例性实施例中，喷嘴144配置为将材料140的内环形层或膜施加到结构14的内表面上。特别地，喷嘴144可包括盘状主体146、径向转向器150和多个径向定向的内部通道152，所述盘状主体146具有围绕主体146的周边布置的多个孔口(例如，正方形、圆形、椭圆形、三角形或其他多边形形状的孔口)148，所述径向转向器150位于主体146的大致中心，所述多个径向定向的内部通道152从转向器150延伸到孔口148。利用这种构造，从杆142轴向前进的材料140可以冲击转向器150并且被径向向外推动通过通道152和孔口148以接触结构14的内表面。材料140可以具有的稠度允许其粘附到内表面至少足够长的时间以实现材料140固化。在一些情况下，离开孔口148的材料140可在通过孔口148排出时并在固化之前流动，使得来自每个孔口148的材料140与来自相邻孔口148的材料140聚结以形成连续的环形膜。然而，在其他实施例中，材料140在排出时和固化之前可能不会显著流动，使得材料140的各个分开的轴向脊沉积和固化。

如上所述，图19和20的头部20可包括UV灯56和/或超声发射器58。除了以上述方式促进结构14的固化之外，还可以用这些组件促进材料140的固化。特别地，第一或第一组UV灯56可以位于杆140的第一端周围(类似于图3的实施例)并配置为固化结构14的液体基质，而第二或第二组UV灯56可以安装到喷嘴144的外端面，并且配置为在通过孔口148排出期间固化材料140。在一些情况下，超声发射器58也可以附接到喷嘴144的暴露的端面，例如在第二组UV灯56的中心。

在一些实施例中，内护罩151可以(例如，直接地或间接地经由另外的部件)连接到杆142和/或喷嘴144并位于护罩94的内部。内护罩151可以帮助密封杆142和/或喷嘴144周围的空间，以在结构14的液体基质可能尚未充分固化时进一步将结构14与极端环境隔离。内护罩151可以包括挡板，该挡板从喷嘴144的内端面径向向内逐渐变小以接合杆142的外环形表面，并且从喷嘴144的内端面轴向延伸到杆142的第一端。如果需要，在发明构思中，可以省略内护罩151。

根据需要，在发明构思中，喷嘴144的外周边可以接合结构14的内环形表面或者可以终止于内环形表面之外。当喷嘴144的周边接合结构14的内环形表面时，喷嘴144在某些情况下可以用作导向器。也就是说，在这些情况下以及在结构14尚未完全固化时，结构14可以在喷嘴144上滑动。当发生这种情况时，喷嘴144实际上可以帮助形成结构14。例如，喷嘴144可以是大致圆形，并且有助于结构14在结构14可能倾向于下垂时保持圆形横截面形状。或者，喷嘴144可以是矩形、椭圆形、三角形或其他多边形形状，和/或该喷嘴144尺寸通常大于或小于转向器54的尺寸。以这种方式，喷嘴144可用于根据最初在转向器54上挤压的结构来调整结构14的形状。

还在发明构思中，喷嘴144可在结构14的挤压过程中选择性地移动，以改变和/或产生结构14的独特特征。例如，可以(例如，通过在驱动器18中设置的执行器，如执行器26、28和/或30-参考图3)驱动杆142弯曲、旋转和/或平移，使得材料140以螺旋形构造和/或带有脊、凸缘、柔性部和其他特征沉积在结构14的内部。

在图21和22中所示的替代实施例中，杆142和喷嘴144具有另一种安装构造。特别地，杆142和喷嘴144可以非永久地连接到头部20(未示出)。相反，杆142、喷嘴144和护罩94可以一起形成可以可拆卸地连接到头部20的附件154，这与相机镜头可以连接到相机主体的方式非常相似。以这种方式，任何数量的不同附件154(例如，具有不同长度杆142、不同喷嘴形状等的附件)可与头部20互换使用以产生各种不同结构14。杆142的第一端可以容纳在头部20的相应槽内(例如，在壳体48的封闭端内形成的槽)。可用螺纹紧固、压缩连接或其他形式的连接将杆142固定在槽内。此后，护罩94的基端可以简单地在壳体48的外环形表面上滑动。

喷嘴144示于图21和22，其形状与图19和20中的不同。特别地，在图21和图22的实施例中，喷嘴144具有较小的直径和单个集中孔口148。该构造可用于用材料140完全填充结构14或简单地将材料涂层140喷射到结构14的内表面上。

因为在结构14的轨线变化期间，图21和图22的喷嘴144可以不径向向外延伸以接合或接近结构14的内环形表面，喷嘴144可以在结构14的内部稍微径向移动。虽然这种径向移动在某些情况下是可接受的，但在其他情况下可能是不希望的，因为它可能导致结构14的不均匀填充或涂覆。出于这个原因，在发明构思中，在某些情况下可以使用将喷嘴144置于结构14内部中心的方法。在一个例子中，内护罩151可以用作定心装置。在另一个例子中，一个或多个磁体156可以设置在护罩94的远端内，并且配置为产生与喷嘴144相互作用的磁场，以迫使喷嘴144朝向结构14的大致中心。如果需要，可以附加地或替代地使用其他装置将喷嘴144定心或以其他方式定位在结构14内。

工业应用性

所公开的系统可用于连续制造具有任何所需横截面形状和长度的复合结构。该复合结构可包括相同或不同类型且具有相同或不同直径的任何数量的不同纤维。另外，用于制造复合结构的编织图案可以在结构制造期间动态地改变。现在将详细描述系统10的操作。

在制造开始时，可以将关于所需的中空结构14的信息加载到系统10中(例如，加载到负责调节支撑件16、执行器26-28和/或挤出机40的操作的控制器中)。该信息尤其可以包括尺寸(例如，直径、壁厚、长度等)、轮廓(例如，轴22的轨线)、表面特征(例如，脊尺寸、位置、厚度、长度；凸缘尺寸、位置、厚度、长度；等等)、连接器的几何形状(例如，联轴器、三通、接头的位置和尺寸等)、所需编织图案和编织转变位置。应当注意，如果需要，该信息可以替代地或附加地在制造期间的不同时间和/或连续地加载到系统10中。基于组件信息，可以将一种或多种不同的纤维和/或树脂选择性地安装到系统10中。纤维的安装可以包括纤维穿过轴32、34，穿过导向器50、52中的通道84并穿过间隙61。在一些实施例中，纤维还可能需要连接到拉动机器(未示出)和/或安装夹具(未示出)。基质材料的安装可包括填充容器24和/或将挤出机40连接到容器24。在一些实施例中，取决于所收集的组件信息，可以选择性地将具有更大或更小直径的转向器以及任何数量的不同构造的纤维导向器与头部20一起使用。

然后可以使用组件信息来控制系统10的操作。例如，在驱动器18使纤维导向器50、52旋转的同时，可以以所需的速率一起拉动和/或推动纤维与来自头部20的基质材料。在该旋转期间，还可以使转向器54移入或移出，并且可以激活任何可用的固化增强器(例如，UV灯56和/或超声发射器58)以固化基质材料。支撑件16还可以以所需方式选择性地移动头部20，使得所得到的中空结构14的轴线22遵循所需轨线。一旦结构14已经生长到所需长度，截止器60可以用于以上述方式从系统10切断结构14。

图6示出了可由系统10产生的结构14的一个例子。从该图中可以看出，在结构14的纵向生长期间，结构14的轴22可以在任何方向上平移和/或旋转(例如，通过头部20的相应运动)，以产生复杂的几何形状。另外，结构14的编织图案可以通过改变几何形状来精心设计。在图6的例子中，已经创建了具有多个编织图案的弯头，该编织图案围绕角部100转变。具体地，穿过导向器50或52之一的纤维在角部100的相对端处振荡，但是在角部100内部伸直(即，与轴22对齐)。同时，穿过导向器50或52中的另一个的纤维在整个结构14的长度上保持笔直。另外，振荡纤维的频率可以变化。特别地，对于部102，振荡纤维可以以较慢的频率振荡，然后对于部104以较高的频率振荡。在一些应用中，该频率改变模式可能是重复的。

在发明构思中，可以选择沿着结构14的长度的任何特定点处使用的编织图案，以在对应点处提供所需特性。例如，可以有效地使用振荡图案，其中在小距离和大距离上期望和/或预期结构14的轻微移动和/或弯曲。振荡图案可能有用的一个应用可以包括在北极苔原上制造连续数英里的天然气管道。在该应用中，苔原的冻结和解冻可能导致管道的不期望的运动，必须调节运动以避免管道的破裂。可以通过振荡动编织图案来调节运动。振荡编织图案还可以增加结构14的韧性和/或耐磨性。部100内的纤维可以全部是平行的，以在结构14内产生不同的特性。例如，平行纤维可提供高静态强度，其中期望或预期很少弯曲或不弯曲。

图7示出了可由系统10产生的结构14的另一个例子。从该图中可以看出，在结构14的末端使用联轴器106将结构14连接到另一个装置(未示出)或以其他方式封闭结构14的末端。联轴器106的使用可能需要结构14的壁中的不同特性(例如，更大的强度或刚度)，因此，结构14的编织图案和/或厚度可以以相应的方式在连接位置处改变。例如，编织图案可以在该位置变得更致密和/或壁厚可以增加。通过增加给定的轴向生长速率(即，给定的挤出速率)的振荡频率和/或通过增加振荡范围，编织图案可以变得更致密。通过使转向器54被进一步推离壳体48，壁厚可以在该位置处增加，使得间隙61变大。

图8示出了可由系统10产生的结构14的一个例子。从该图中可以看出，结构14的几何形状在转变位置108和终端位置110处改变(例如，颈缩)。这些几何形状变化可涉及编织图案和/或结构14的外轮廓中的相应变化。例如，转变位置108处的编织图案可以从振荡和平行纤维变为仅平行纤维(或者可选地仅变为振荡纤维)。另外，可以通过转向器54的快速进/出运动在终端位置110处形成脊112。平行纤维可以增强转变位置108处的刚性，而脊112可以便于与另一结构连接。

最后，图9示出了可由系统10产生的结构14的一个例子。从该图中可以看出，结构14的几何形状不一定会改变。然而，结构14的编织图案的变化仍然可以根据特定应用目的而变化。特别地，结构14的特定部分114可以具有与相同结构的其他部分116不同的特性，即使所有部分具有相同的一般几何形状。例如，在部分114内可能需要更大的耐温度性和/或耐压力性；可能需要更大的耐磨性；和/或可能需要更大的柔性和/或刚性。可以通过改变编织图案来提供这些特征。在所公开的例子中，部分114内的编织图案包括仅在一个区域(例如，一半)上的平行纤维和在剩余区域上的振荡纤维的密度，所述剩余区域的密度不同于部分116内的纤维密度。

图10-18示出了可以在任何结构14上的任何位置使用的示例性编织图案，而不管具有变化的几何形状或特征要求的结构14。在图10中，图案118使用来自导向器50的螺旋形纤维120和来自导向器52的螺旋形纤维122。在图案118的顶部，纤维120可以与纤维122等同地交错，并且根据需要可以是相同的纤维或不同直径、形状和/或尺寸的纤维。然而，关于中间向下的图案118，纤维可以转变到不同的编织，其中两根纤维122彼此紧邻。例如，可以通过将导向器52的旋转速率增加到导向器50的旋转速率的两倍来实现这种新图案。

在图11中，从纤维120、122两者沿第一方向螺旋转变为纤维120、122之一沿不同方向螺旋，从而形成图案124。在图12中示出了类似的图案126，但不是纤维120、122之一转变为不同的方向，而是纤维120、122两者都转变为相反的方向。在图13中示出了另一个类似的图案128，但不是仅纤维120、122之一转变为在不同的方向上螺旋，而是纤维120、122之一转变为振荡而非螺旋。

在图14中，产生图案130，其包括以相对同步的方式振荡的纤维120和122。两根振荡纤维在大约相同的频率和相同的范围内振荡。图15示出了图案132，其中纤维120和122使用基本相同的频率和范围彼此异相振荡。然而，纤维120、122中的一根在图案132的大约一半长度处转变为在不同的频率和/或通过不同的范围振荡。在图16中，图案134示出为具有使用基本相同的频率和范围异相振荡的纤维120和122。然而，纤维120、122中的一根或两根可以在图案134的长度的一半左右处移动径向位置，以从重叠移动到彼此相邻。

在图17的图案136中，纤维120、122中的一根显示为直的并且通常与轴22对齐(参见图1和2)，而纤维120、122中的另一根最初在图案136的上半部分成螺旋形。然后，螺旋形纤维120或122转变为在图案136的下半部分处振荡。在图18的图案138中，所有纤维120、122都是直的并且与轴22对齐，并且彼此相等地交错。

无论包括在从头部20排出的结构14内的纤维120、122的特定图案如何，可以利用杆142和喷嘴144来用材料140至少部分地填充结构14。例如，可以在结构14内部沉积并固化具有所需厚度、一个或多个直的或螺旋形的凹槽、薄的涂层或完整的材料芯140的环形材料层140。另外，脊、凸缘、柔性部和其他类似特征可以用材料140形成和/或增加。

本领域技术人员知晓，对所公开的系统、结构和编织图案可以进行各种修改和变化。通过考虑所公开的系统的说明书和实施例，本领域技术人员可以知晓其他实施方式。说明书和例子应仅视为用于示例说明，本发明的实际保护范围由所附权利要求及其等同形式来指示。

Claims (33)

1.用于制造系统的头部，包括：

壳体，其配置为排出以至少一根连续纤维增强的并具有三维轨线的管状结构；

固化增强器，其可操作地连接到所述壳体并配置为在排出期间固化所述管状结构中的液体基质；

喷嘴，其配置为将填充材料排出到所述管状结构中；和

杆，其从所述壳体延伸到所述喷嘴。

2.根据权利要求1所述的头部，其特征在于，所述固化增强器定位成从所述管状结构的内部固化所述液体基质。

3.根据权利要求2所述的头部，其特征在于，所述固化增强器相对于所述管状结构的排出方向位于所述壳体的内部和所述喷嘴的上游。

4.根据权利要求3所述的头部，其特征在于，还包括至少第二固化增强器，所述第二固化增强器位于所述喷嘴的与所述杆相对的端部处并配置为固化所述填充材料。

5.根据权利要求1所述的头部，其特征在于，还包括转向器，所述转向器至少部分地位于所述壳体内并配置为使所述管状结构径向向外转向，其中，所述固化增强器至少部分地位于所述转向器内部。

6.根据权利要求1所述的头部，其特征在于，还包括外护罩，所述外护罩从所述头部延伸出并在所述管状结构外面的位置处越过所述喷嘴。

7.根据权利要求6所述的头部，其特征在于，还包括内护罩，所述内护罩从所述头部延伸出并越过所述杆，且位于所述管状结构内部。

8.根据权利要求6所述的头部，其特征在于，所述外护罩、喷嘴和杆共同形成可更换附件，所述可更换附件单独地组装并可连接到所述壳体。

9.根据权利要求1所述的头部，其特征在于，所述喷嘴是盘状的并且包括围绕周边定位的多个孔口，所述多个孔口配置为朝所述管状结构的内壁排出所述填充材料。

10.根据权利要求9所述的头部，其特征在于，还包括：

中心转向器，其与杆的一端流体连通；和

多个径向通道，其从中心转向器延伸到多个孔口。

11.根据权利要求9所述的头部，其特征在于，所述多个孔口布置成使得从所述多个孔口排出的填充材料聚结以在所述管状结构内部形成环形层。

12.根据权利要求9所述的头部，其特征在于，所述多个孔口布置成使得从所述多个孔口排出的填充材料在所述管状结构内形成多个轴向定向的脊。

13.根据权利要求12所述的头部，其特征在于，所述喷嘴配置为在所述填充材料的排出期间旋转，使得所述多个轴向定向的脊相对于所述管状结构成螺旋形。

14.根据权利要求1所述的头部，其特征在于，所述喷嘴配置为将所述填充材料的涂层喷射到所述管状结构的内壁上。

15.根据权利要求1所述的头部，其特征在于，还包括定心装置，所述定心装置位于所述管状结构的外部并配置为在所述填充材料的排出期间使所述喷嘴定位在所述管状结构内的中心。

16.用于连续制造复合结构的系统，包括：

支撑件，其配置为在复合结构的制造期间在多个方向上移动；和

头部，其连接到所述支撑件并包括：

壳体，其配置为排出以至少一根连续纤维增强的并具有三维轨线的管状结构；

第一固化增强器，其位于所述壳体内部并配置为在从所述管状结构内部排出的过程中固化所述管状结构中的液体基质；

喷嘴，其配置为将填充材料排出到所述管状结构中；

杆，其从所述壳体延伸到所述喷嘴；以及

第二固化增强器，其位于所述喷嘴的与所述杆相对的端部处并配置为固化所述填充材料。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括转向器，所述转向器至少部分地位于所述壳体内部并配置为使所述管状结构径向向外转向，其中，所述第一固化增强器至少部分地位于所述转向器内部。

18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括：

外护罩，其从所述头部延伸出，并在所述管状结构外部的位置处越过所述喷嘴；和

内护罩，其从所述头部延伸出，并在位于所述管状结构内部的位置处越过所述杆。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述外护罩、内护罩、喷嘴和杆是可更换附件，其可单独组装并可连接到所述壳体。

20.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述喷嘴大体为盘状并且包括：

多个孔口，其围绕周边定位并配置为朝向所述管状结构的内壁排出所述填充材料；

中心转向器，其与所述杆的一端流体连通；和

多个径向通道，其从所述转向器延伸到所述多个孔口。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述多个孔口布置成使得从所述多个孔排出的填充材料在所述管状结构内部形成环形层。

22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述多个孔口布置成使得从所述多个孔口排出的填充材料在所述管状结构内部形成多个轴向定向的脊。

23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，还包括将所述头部连接到所述支撑件的驱动器，其中，所述驱动器配置为在所述填充材料的排出期间旋转所述喷嘴，使得所述多个轴向定向的脊相对于所述管状结构成螺旋形。

24.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述喷嘴配置成将所述填充材料的涂层喷射到所述管状结构的内壁上。

25.用于连续制造复合结构的方法，包括：

用基质连续涂覆纤维；

将基质涂覆的纤维径向向外转移远离非纤维轴以形成管状结构；

在所述管状结构内产生三维轨线；

从所述管状结构内部固化管状结构；以及

将填充材料排出到所述管状结构中。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，固化所述管状结构包括在所述填充材料被排出到所述管状结构中的上游位置处固化所述管状结构。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括固化填充材料。

28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括从外部为所述管状结构屏蔽外界环境。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括从内部为所述管状结构屏蔽外界环境。

30.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述将所述填充材料排出到所述管状结构中，包括将所述填充材料从所述管状结构的中心径向向外引导到所述管状结构的内壁上，以在所述管状结构内部形成环形层。

31.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述将所述填充材料排出到所述管状结构中，包括将所述填充材料从所述管状结构的中心径向向外引导到所述管状结构的内壁上，以在管状结构内部形成多个轴向定向的脊。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述将所述填充材料排出到所述管状结构中，还包括使所述多个轴向定向的脊相对于所述管状结构成螺旋形。

33.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述将所述填充材料排出到所述管状结构中，包括将所述填充材料的涂层喷射到所述管状结构的内壁上。