CN110386241A - 复合制品及其制造方法 - Google Patents

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卡里扎·马丁
米歇尔·路易斯·吉
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Abstract

一种复合制品及其制造方法，复合制品包括纤维束和网状物，所述网状物包括从纤维束之间抽出或拉出的材料。所述网状物形成物理屏障，以减少复合制品中裂纹的扩展。本申请所述的示例性结构首先使用新型蜂窝结构来增韧树脂浸渍的复合材料，并产生不会导致纤维断裂的连续全厚度增强件。

Description

复合制品及其制造方法
技术领域
本发明公开了新型复合结构及其制造方法。
背景技术
由于重量轻、相对强度高以及具有成型更复杂形状的能力，复合材料正在取代金属作为结构材料。然而，传统的复合材料结构在应力作用下会出现裂纹(特别是脱层)。夹层形式的常规复合增韧技术(例如热塑性面纱和颗粒)在控制高应力集中区域失效方面效果有限。在许多情况下，需要使用增韧薄膜粘合剂来达到所需的全厚度韧性性能。此外，机械紧固件可能是可接受设计的默认值。这对于整体飞机结构来说尤其应当关注，即在整个结构厚度(如接头半径)内都会出现高应力区域100(见图1)。因此，在接头半径处形成的裂纹102只需要跳至未增韧层，就可以发生脆性破坏。使用全厚度增韧技术可以减轻这种裂纹。然而，由于在灌注期间树脂流动路径的破坏，常规的贯穿厚度方法(例如薄膜粘合剂)不用于液体模塑结构中，导致诸如空隙，孔隙和干斑的缺陷。这种缺陷显著降低了复合层压结构的面内特性。
全厚度技术实施例及其限定如下：
·Z-pin：用于堆叠强化(stacked reinforcements)，但由于在插入过程中出现严重的微观结构缺陷(这进而降低了复合材料的面内性能)，目前不使用。
·缝线：用于对干纤维预制件进行增韧，但由于在插入过程中出现严重的微观结构缺陷(这进而降低了复合材料的面内性能)，目前不使用。
·三维(3D)机织/3D针织/3D编织预制件，通常采用液体成型方法。然而，由于在制造过程中造成3D预制件内的纤维错位，这些预制件仅限于特定的几何形状并且不容易被应用于集成的飞机接头。
图2显示了表征传统面纱、缝线和Z-pin增韧复合材料的阿什比图，并突出显示了以开孔压缩(OHC)强度与I型层间断裂韧性(Gic)之间的比值表示的面内性能的差距。图2表明，与面纱相比，全厚度法显著提高了I型断裂韧性，Z-pin的断裂韧性可提高到1400％。但是，由于制造过程中产生的微观结构缺陷，全厚度增强可降低OHC强度和其他面内性能方面的损伤容限。另一方面，作为夹层应用的面纱显示出较低的OHC 的降低程度，并且在将面纱应用于纤维预制件期间，其对纤维造成的中断较小。然而，Gic的有效改善效果较差。因此，表示按常规未实现的性能的差距是使用连续的全厚度增强材料获得高I型断裂韧性而不会降低损伤容限和面内性能。
因此，所需要的是一种通过复合材料实现连续性且不降低面内特性的全厚度技术。本发明满足这一需要。
发明内容
本发明公开了一种复合制品，所述复合制品包括多个纤维束和与所述纤维束结合的材料的网状物，所述网状物包括通过柱状物连接的层，其中，多个所述柱状物的每一个从所述层中的一个中抽出并穿过所述纤维束之间的不同空间，从而将所述层中的一个连接到所述层的另一个上，所述网状物形成物理屏障，以减少复合制品中裂纹的扩展。
所述复合制品可以以多种方式实施。实施例包括但不限于以下实施例中的一个或任意组合。
1.包括多个片层的复合制品，其中，所述多个片层分别包括多个所述纤维束和多个所述不同空间，其中，所述片层的中的至少一个位于由所述柱状物连接的两个所述层之间，并且从所述层的一个中抽出的所述多个柱状物穿过两个所述层之间的所述至少一个片层中的所述不同空间。
2.所述复合制品，其中，所述柱状物和/或所述层包含用于增材制造的材料。
3.所述复合制品，其中，所述层和/或所述柱状物包含热塑性塑料或所述热塑性塑料的混合物。
4.所述复合制品，其中，所述柱状物和/或所述层包含热塑性塑料，热塑性塑料包括聚酰胺、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚酰亚胺(PI)或聚醚酰亚胺(PEI)。
5.所述复合制品，其中，所述纤维束包含至少一种选自玻璃纤维、芳纶、热塑性塑料和碳的材料。
6.所述复合制品，其中，所述柱状物和/或所述层包含所述热塑性塑料的混合物，所述混合物包括至少一种选自表面活性剂、稳定剂、粉末、纤维和颗粒的添加剂或内含物。
7.所述复合制品，其中，所述纤维束每个具有至少2mm的直径并包括至少1000个纤维，和/或所述片层每个具有在2-10mm范围内的厚度，和/或所述柱状物和所述层每个具有在2-5mm范围内的厚度，和/或所述柱状物每个具有在1-3mm范围内的长度，和/或所述复合制品的总厚度在1.0 mm-50mm范围内。
8.所述复合制品，其中，所述层包含排列成编织织物、机织织物、非卷曲织物或单向带的所述纤维束。
9.所述复合制品，进一步包括树脂填充间隙，其位于片层之间并粘合到柱状物、层、或层和柱状物上。
10.所述复合制品，其中，所述层和/或所述柱状物具有粗糙表面，所述粗糙表面有助于与树脂的机械互锁。
11.所述复合制品，其中，所述柱状物在基座处较厚，所述柱状物从所述基座从所述层中的一个中抽出。
12.所述复合制品，其中，所述柱状物从所述层中的一个倾斜到所述层中的另一个。
13.包含所述复合制品的接头。
本申请进一步公开了一种整体飞机结构，所述整体飞机结构包含蒙皮、加强件和所述蒙皮与所述加强件之间的界面区，其中，所述界面区包括含有纤维束以及网状物的复合制品，所述网状物包括从所述纤维束之间抽出的材料，并形成物理屏障，以减少所述复合制品中裂纹的扩展，所述界面区包含所述蒙皮的一部分、所述加强件的一部分和/或所述蒙皮和所述加强件之间的一层。
本申请进一步公开了一种复合制品的制造方法，该方法包括：(a)在使出口和基础层相对于彼此首先在x-y平面上、然后在Z方向上移动的同时，将材料从出口沉积到基础层上，以在所述基础层上形成锚状物；(b) 在不从出口供给所述材料的情况下，使所述出口和所述基础层相对于彼此移动，使得所述锚状物的一部分被抽出以产生柱状物；(c)使所述出口和所述基础层相对于彼此移动，使所述出口位于所述基础层上的下一位置的上方；(d)重复步骤(a)-(c)，以便在基础层上形成多个所述柱状物； (e)提供包括多个纤维束的层，以便多个柱状物中的每一个穿过所述纤维束之间的不同空间；以及(f)将层耦接到所述柱状物，使得所述柱状物在与所述层连接之前，在所述纤维束之间穿过；从而制得包括所述柱状物、所述层和所述层的复合制品。
在一个或多个实施例中，所述基础层包括使用三维打印沉积的所述材料的垫。可替换地，柱状物可以使用三维打印(例如，熔融沉积成型)制造，所述纤维束和所述层可以使用不同于三维打印的一种或多种方法制造。
所述方法还可包括在下一步骤(a)中使用所述层作为所述基础层重复步骤(a)-(f)。
在一个或多个实施例中，在所述柱状物形成之后设置所述片层。
在一个或多个更多实施例中，在形成所述柱状物之前设置所述片层，以便在纤维束之间抽出每个所述锚状物的所述部分以形成所述柱状物。
在一个或多个实施例中，当每个所述锚状物的所述部分在所述纤维束之间被抽出时，多个所述柱状物中的每一个被粘合到所述纤维束中的至少一个。在更进一步的实施例中，执行后处理步骤，其中，在沉积所述纤维束和所述柱状物之后，多个柱状物中的每一个都被粘结到所述纤维束中的至少一个。
附图说明
现在参考附图，其中，图中相同的参考标号始终表示相对应的部件，其中：
图1示出了T形接头中的高应力集中区。
图2示出了表示在传统结构中无法实现的性能(在实现断裂韧性和保持面内性质方面)的差距。
图3A示出了根据文本所述的一个或多个实施例的与纤维束结合的蜂窝网络。
图3B示出了沉积在所述蜂窝网络中的材料，所述蜂窝网络包括锚状物、柱状物或挤出部、以及柱状物基座或挤出基座。
图3C示出了一个实施例，其中，空间由不同层中的纤维束限定。
图3D是图3C的顶视图。
图3E示出了一种实施例，其中，树脂与所述复合材料结合。
图4示出了可用于制造本文所述的复合制品的示例性三维(3D)打印机。
图5是说明根据一个或多个实施例制造复合制品的方法的流程图。
图6示出了根据一个或多个实施例的在蜂窝网络的沉积期间的打印头的示例性轨迹。
图7A示出了使用细丝进料速率R＝0.5转/分钟和喷嘴速度F＝500 mm/min的打印条件从锚状物抽出的柱状物，所述柱状物具有150微米的直径，2.9毫米的长度和6g/m2的面密度。
图7B示出了打印在多孔平纹纤维垫上的柱状物，使得当碳纤维垫堆叠在一起时，至少一部分所述柱状物穿过纤维束之间的所述空间或孔。
图7C示出了包括柱状物的蜂窝网络的沉积。
图7D是图7C中所述的蜂窝网络的近视图。
图8A-8D示出了用于制造复合制品的工艺流程，所述流程包括真空成型。
图9示出了使用热轧铁施加压力和热量，促进所述蜂窝网络中的所述热塑性塑料通过纤维层移动。
图10示出了包含如本文所述的复合制品的示例性T形接头。
图11示出了根据本文所述的实施例控制3D打印机的处理环境。
具体实施方式
在下面的描述中，参考了附图，这些附图形成了描述的一部分，并且通过图示的方式示出了几个实施例。应当理解，在不脱离本申请的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构改变。
技术说明
I.示例结构
目前，用于增韧树脂浸渍制造的复合材料的方法是使用热塑性面纱 (veil)。由于制造限制和/或制造过程中引起的微观结构缺陷，通常不采用全厚度方法。
另一方面，本文所述的增韧方法和结构形成了一种新的3D结构，可用于复合材料中，以通过在遇到细胞壁时引起裂纹偏转来增强韧性。在一些实施例中，所述增韧结构包含在诸如木材、骨骼、角和蹄等生物复合材料中发现的结构。
图3A示出一个复合制品300的示例，该复合制品包含多个混合有或结合有网状物(304)的所述纤维束302，所述网状物包含由拉伸材料308b 连接的层306a、306b，所述拉伸材料包含柱状物308。多个所述柱状物308 中的每一个从所述层306a中的一个中抽出，并穿过所述纤维束302之间的不同空间310，以便将所述层306a中的一个连接到所述层306b中的另一个。
拉伸材料308b不限于柱状物308。在其他实施例中，也如图3A所示，所述拉伸材料308b包括具有适当形状和几何形状的壁308c，以便从所述层306a中的一个中抽出并穿过所述纤维束302之间的多个不同空间310 中的每一个，并将所述层306a中的一个连接到所述层306b中的另一个。在一个或多个实施例中，所述层306a、306b亦可包含或形成壁306c、306d。
包含所述拉伸材料308b和层306a、306b的网状物304形成物理屏障，以减少复合制品300中的裂纹(层间、层内和/或跨层裂纹)的扩展。在多个实施例中，所述拉伸材料308b在所述层306a、306b之间倾斜，以形成不均匀的几何形状，这增加所述拉伸材料308b的表面积，并为裂纹创造更曲折的路径。
在一个或多个实施例中，由空间310分隔的所述纤维束302被设置在多个片层312中。所述片层312的每一个位于由所述柱状物308或壁308c 连接的两个所述层306a、306b之间，使得从所述层306a的一个中抽出的所述多个柱状物308或壁308c穿过两个所述层306a、306b之间的所述片层312中的不同空间310。
在典型实施例中，所述网状物304的所述拉伸材料308d和层306a和 306b是使用3D打印机形成的细胞壁；但是，该过程不是传统意义上的3D 打印，因为所述柱状物308或壁308c不是逐层形成的。而是所述3D打印机被用作工具，将可控量的材料314沉积到x-y平面的纤维部分(所述片层312)上，然后该工具利用所述材料314的塑性沿竖直方向拉伸所述材料314。
图3B示出了一个实施例，其中，所述工具使用所述材料314的塑性在竖直方向拉伸所述材料314，以形成细直股线或柱状物308。因此，所述沉积材料314从锚状物316中抽出并形成柱状物308，所述柱状物包括基座318(例如，挤出基座)和直立部320(例如，挤出部)，所述直立部 320具有沿所述直立部320或挤出部的平均直径Daverage以及相对于竖直方向322的角度θ。在一个实施例中，在拉伸过程中，材料314也被供给或沉积以形成所述柱状物308。可以控制所述材料314沉积或拉伸期间的工艺条件以获得多种形状的所述立柱状物308。在一个或多个实施例中，所述锚状物316上的所述基座318比所述柱状物308的直立部320粗。
图3C和3D示出了实施例，其中，所述复合制品300e中的所述片层 312包括多个片层336a、336b、336c、336d或层338a、338b、338c、338d 或其堆叠物360，每个所述片层或层具有纤维束340a、340b、340c、340d 的不同定向370(例如，单向)。在这种情况下，空间342或孔344通过多个所述层338a、338b、338c、338d或片层336a、336b、336c、336d形成，并且所述空间342或孔344由不同片层336a、336b、336c、336d或不同层338a、338b、338c、338d中的所述纤维束340a、340b、340c、340d界定、限定或包围。
位于不同平面346中的所述片层336a、336b、336c、336d包括纤维束340a、340b、340c、340d，它们彼此以不同的角度对齐或定位，以限定孔344或空间342。在一个实施例中，其中，所述片层312包含垫600，每对相邻片层312中的所述纤维束302彼此呈90度并编织在一起。但是，在其他实施例中，所述纤维束340A、340B、340C、340D可以彼此成任何角度(例如45度)定向。在一个或多个实施例中，所述柱状物308或壁 308c的高度H是定义所述孔344或空间342的所述壁的层338a、338b、 338c、338d或片层336a、336b、336c、336d的数量的函数。在一个或多个实施例中，所述纤维束340a、340b、340c、340d之间的所述空间342 位于所述纤维束340a、340c之间的中间层338b中。
图3E说明了复合制品300f，该复合制品包括与所述片层312和所述拉伸材料308b结合的树脂380。
用于制造所述拉伸材料308b和所述层306a、306b的所述材料314的示例包括但不限于用于增材制造的材料(例如聚合物)。所述聚合物可包含热塑性塑料，例如聚酰胺、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯砜，或具有包含物(诸如碳纳米管、石墨烯、粘土改性剂、不连续纤维、表面活性剂、稳定剂、粉末和颗粒)和/或改性剂的上述热塑性塑料的混合形式。
在示例性实施例中，所述纤维束302包含多束纤维。在各种实施例中，所述纤维包含至少一种选自玻璃纤维、芳纶(kevlar)、碳和热塑性塑料的材料。
在一个或多个实施例中，所述纤维束302被编织或排列成编织织物、机织织物、非卷曲织物或纤维部分。在其他实施例中，所述纤维束302被布置在具有狭缝或间隙(包括其间具有间隙的平行束)、编织物或多轴加强件的单向带中。
在一个或多个实施例中，柱状物308连接中间层306a和306b以围绕纤维束302的分布形成连接网状物。所述纤维束可以由纤维或细丝组成，以增强形式排列，包括编织物、机织物、非卷曲织物和单向形式。所述细丝可主要由碳、玻璃和/或芳纶组成。与上述结合的其他细丝也可包括聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰亚胺、苯氧基和聚苯砜。可以用编织物、机织物、无卷曲织物和单向形式形成多层加强件。所述柱状物308在连接到夹层的多层加强件中的纤维束之间的孔空间内的定位形成(例如，热塑性)网状物(在x、y和z方向)。
II.制造方法示例
a.网状物形成
图4示出一个示例性的3D打印机400，所述打印机400包括挤出喷嘴402、进料器404和熔化器406，以用于将材料314供给到片层312或基础层408并供给到片层312中的所述纤维束302之间的孔或空间310内，上述打印机还包括当所述材料314与所述片层312结合时用于支撑片层 312或基础层408的平台410(例如，打印床或基座)。示例打印机400包括但不限于台式熔融沉积成型(FDM)3D打印机。在一个或多个实施例中，所述3D打印机由执行计算机程序的软件控制。移动所述平台410和/ 或所述喷嘴402使所述喷嘴402和片层312或基础层408可以在x-y平面 412中彼此相对移动，并在Z方向414上竖直上下移动。
如图3B所示，所述3D打印机可用于控制沉积材料314的形态，以便所述沉积材料314的关键元件包括所述锚状物316、基座318和挤出部或直立部320。在一个或多个实施例中，所述网状物304和所述片层312 组合的过程如图5所示地进行。
块500表示将材料314从出口450沉积到基础层408上，同时相对于彼此移动出口和所述基础层408，首先在x-y平面412中，然后在Z方向414中，以便在第一位置700处在所述片层312上形成锚状物316(见图 7A和7B)。
在一个实施例中，步骤包括：
(1)在所述喷嘴402首先在x-y平面412中移动第一预定距离(例如，3mm)的同时，将来自喷嘴402的材料沉积到所述基础层408上，以便在所述基础层408上形成所述锚状物316。在一个或多个实施例中，所述锚状物316被定义为所述柱状物308的基底、基础和/或源，从而为柱状物308提供所述材料314和/或为所述柱状物308或壁308c提供某物，以便形成柱状物308。
(2)所述喷嘴402沿z方向414在所述锚状物316上打印第二预定距离(例如，0.5mm)。所述喷嘴402仅在所述z方向414上短距离打印，以防止或抑制所述柱状物308或壁308c坍塌并形成粗的基座318。
块502表示在从所述出口450供给或不供给材料314的情况下使所述出口和所述基础层408相对于彼此移动，以便拉伸所述锚状物316的一部分以形成柱状物308或壁308c。在一个实施例中，在上述步骤(2)之后，步骤(3)包括使所述喷嘴402在供给材料或在供给速率关闭的情况下(不从所述喷嘴402供给材料314)沿z方向414向上拉或向上移动第三预定距离(例如，5mm)，并且使用所述锚状物316中所述材料314的粘性在z方向上创建形成所述柱状物308的所述直立部320。图7A说明了如何向上拉动所述锚状物316的一部分以形成所述柱状物308。
块504表示相对于彼此移动所述出口450和所述基础层408，以便所述出口450位于所述基础层408上的下一位置702的上方。
在一个或多个实施例中，所述步骤包括在移动出口450之前从所述出口450(例如，喷嘴402)释放所述柱状物308或壁308c。例如，在上述步骤(3)之后，执行以下步骤：
(4)在来自所述喷嘴402的所述材料314的进给速度打开或仍然关闭，并且所述喷嘴402在所述基础层408或打印床上方的第三预定距离(例如，10mm)处的情况下，喷嘴402移动到所述基础层408上的下一位置 702上方的第四预定距离(例如，3mm)处；以及
(5)在来自所述打印机400的所述材料314的进料速率打开或仍然关闭的情况下，所述喷嘴402头部下降。
块506表示重复块500-504(或步骤(1)-(5))中的步骤，以便在所述基础层408上形成多个所述柱状物308或壁308c。
图6说明了根据一个或多个实施例打印头用于沉积柱状物的示例性轨迹，显示了当随着喷嘴在x-y平面上移动喷嘴挤出时的时期，当喷嘴不挤出但通过沿z方向移动打印头形成一结构(例如，柱状物308)时的时期，以及喷嘴未挤出且未形成结构(例如，柱状物308之间)时的时期。在一个或多个实施例中，在当喷嘴拉动或挤出以形成所述柱状物308时的时期期间，材料314也被供给、沉积或从喷嘴中排出。
如图7B所示，在一个或多个实施例中，所述基础层408是包括多个所述纤维束302的片层312，并且在所述纤维束302之间抽出每个所述锚状物316的一部分，以形成穿过所述纤维束302之间的不同空间310的多个所述柱状物308。图7B进一步举例说明了所述片层312包括垫750的示例。所述垫750包括编织在一起的正交(例如，碳)纤维束752，754。所述纤维束752，754的所述边界756限定了所述空间310。每个所述柱状物308的所述基座318和锚状物316被锚定或附接到所述纤维束752，754 的所述边界756上，以便所述柱状物308能够穿过所述空间310。
图7C图解说明另一个示例，其中所述基础层408是包含所述材料314 的垫706或包含蜂窝网络704的所述材料314的层306a。然后从垫上抽出所述柱状物308。在这种情况下，或者在柱状物预成形在不同于片层312 的基础层408上的其他情况下，所述片层312在所述柱状物308形成之后定位，以便所述柱状物穿过所述纤维束302之间的所述空间310。
在一个或多个进一步的实施例中，当每个所述锚状物的部分在所述纤维束302之间被抽出时，多个所述柱状物308或壁308c中的每一个被粘合到所述纤维束302中的至少一个。
在一个或多个实施例中，在块506的步骤中，来自所述锚状物316的材料314被抽出到所述下一位置702(即从一个柱状物308抽出到正在形成的所述下一个柱状物308，或者在所述柱状物308之间沉积材料314，以便所述材料314在所述基础层408和连接所述柱状物308的层306a上形成多个柱状物308。
块508表示可选地将层306a耦接到所述柱状物308或壁308c(如果之前没有形成所述层306a)，以便所述柱状物308或壁308c在与所述层 306a连接之前在所述纤维束302之间通过。所述步骤可包括将材料314 从所述喷嘴沉积到所述柱状物308或壁308c上，以形成连接到在所述纤维束302上方延伸的所述柱状物308或壁308c的顶部的所述层306a。在各种实施例中，所述层306包括包含细丝的网状物或网。在其他实施例中，该步骤包括定位由不同(例如，非打印)方法形成的所述层306。
块510代表可选地重复块500-508的步骤以形成包含多个层306a、 306b或壁306c、308b和片层312的复合制品300。例如，在使用所述3D 打印机400将材料314的层306a沉积或放置在片层336d的顶侧上以与柱状物308或壁308c连接(块508)后，在其上沉积后续片层336c，并重复块500-508的过程以形成堆叠物360(参考如图3C所示的示例)。因此，在块500的下一步中，可以使用所述层306a(例如，所述材料314的垫) 作为所述基础层408重复块500-508的步骤。
虽然所述基础层可包含所述材料314或片层312(包含使用三维打印沉积的纤维束302)的垫，但在其他实施例中，所述纤维束302和所述层 306a和/或所述材料314的垫是使用与三维打印不同的一种或多种方法制造的。
在一些实施例中，不通过所述空间(例如，孔)的柱状物308或壁(308c) 被所述堆叠的片层312压扁。
块512表示可选的后处理步骤。可可选地加热所述复合制品300，以便在已形成或沉积所述柱状物308/壁308c和片层312之后，所述材料314 结合到所述片层312。在一个或多个实施例中，受所述沉积材料314的表面张力和所述材料314的熔化温度的影响，网状物304(例如，蜂窝网络 704)中的所述材料314在不同强度水平上结合到所述纤维束302中的所述纤维。其他后处理技术可用于分别使用真空成型或辊(如图8A-8D和9 所示)将所述纤维束302的所述纤维和所述蜂窝网络704在三维中加热并粘合在一起。
块514表示可选地将所述片层312和网状物304与树脂380结合。所述树脂380可填充所述加强层(例如，片层312)和所述蜂窝网络704之间的间隙。所述树脂可将所述蜂窝网络704与所述片层312粘合以形成固结制品。
块516代表最终产品，即，包括所述柱状物308或壁308c、所述层 306a、306b和一个或多个片层312的复合制品300。
复合制品可以以多种方式体现。实施例包括但不限于以下实施例的一个或任意组合。
1.复合制品(300、300b、300c)，其包括多个纤维束(302)和与所述纤维束(302)结合的材料(314)的网状物(304)。所述网状物(304) 包括由柱状物(308)连接的层(306a、306b)，其中多个所述柱状物(308) 中的每一个从所述层(306a)中的一个拉伸并穿过所述纤维束(302)之间的不同空间(310)，以将所述层(306a)中的一个连接到所述层(306b) 中的另一个。所述网状物(304)形成物理屏障，以减少所述复合制品(300) 中裂纹的扩展。
2.复合制品(300、300b)，其包括多个片层(312)，其中，所述多个片层(312)均包括多个所述纤维束(302)和多个所述不同的空间(310)，其中，至少一个片层(312)位于由所述柱状物(308)连接的两个所述层 (306a、306b)之间，并且从所述层(306a)中的一个中拉出的多个所述柱状物(308)穿过两个所述层(306a、306b)之间的至少一片层(312) 中的所述不同空间(310)。
3.复合制品(300b)，其中，所述纤维束(340a、340b、340c、340d) 布置在多个片层(336a、336b、336c、336d)或层(338a、338b、338c、 338d)中，所述空间(342)穿过多个层(338a、338b、338c、338d)或片层(336a、336b、336c、336d)，所述空间(342)由在不同层(338a、 338b、338c、338d)或片层(336a、336b、336c、336d)中的所述纤维束 (340a、340b、340c、340d)限定，所述纤维束(340a、340b、340c、340d) 的不同定向(370)在所述纤维束(340a、340b、340c、340d)之间形成所述空间(310)。
4.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述柱状物(308)和/或所述层(306a、306b)包含用于增材制造的材料(314)。
5.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述层(306a、306b)和/或所述柱状物包含热塑性塑料或所述热塑性塑料的混合物。
6.复合制品(300、300b、300c)，其中所述柱状物(308)和/或所述层包含热塑性塑料，所述热塑性塑料包含聚酰胺、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚酰亚胺(PI)或聚醚酰亚胺(PEI)。
7.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述纤维束(302)包含至少一种选自玻璃纤维、芳纶(kevlar)、热塑性塑料和碳的材料(314)。
8.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述柱状物(308)和/或所述层包含热塑性塑料的混合物，所述混合物包括至少一种选自表面活性剂、稳定剂、粉末、纤维和颗粒的内含物或添加剂。
9.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述纤维束(302)均具有至少为2mm的直径D，并且包括至少1000个纤维(参考图3、7A、9)。
10.复合制品(300、300b，300c)，其中，所述片层(312)均具有在 2-10mm范围内的厚度T3(参考图3，7A，9)。
11.复合制品(300、300b，300c)，其中，所述柱状物(308)和所述层(306a、306b)各自独立地具有2-5mm范围内的厚度T2(参考图3， 7A，9)。
12.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述柱状物(308)均具有在1-3mm范围内的长度L(参考图3、7A、9)。
13.复合制品(300、300b、300c)具有在1.0mm-50mm范围内的总厚度T(参考图3、7A、9)。
14.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述片层(312)包括排列成编织物、机织物、非卷曲织物或单向带的所述纤维束(302)。
15.复合制品(300b)，其中，所述纤维束(340a、340b、340c、340d) 以包括纱线的编织物布置，所述柱状物(308)穿过所述纱线之间或所述纤维束(340a、340b、340c、340d)之间的空间(310)。
16.复合制品(300、300a、300b)，其中，所述纤维束(302)布置成包括纱线的编织物，所述柱状物(308)穿过所述纱线之间或所述纤维束 (302)之间的空间(310)，所述纱线穿过所述片层(312)中的空间(310) 之间的空间。
17.复合制品(300、300a、300b)，其中，所述纤维束(302)之间的所述空间(310)位于所述纤维束(302)之间的中间层中，并且由热塑性塑料制成。
18.复合制品(300、300b、300c)，进一步包括所述片层(312)之间的树脂填充间隙，该树脂填充间隙粘合到柱状物(308)或所述层(306a、 306b)或所述层(306a、306b)和所述柱状物(308)上。
19.复合制品(300、300b、300c)，其中，所述层和/或所述柱状物(308) 具有有助于与树脂机械互锁的粗糙表面。
20.复合制品(300、300b，300c)，其中，所述柱状物(308)在基座 (318)处较厚，所述柱状物通过所述基座从所述层(306a)的一个中拉出。
21.复合制品(300、300b，300c)，其中，所述柱状物(308)从所述层(306a)中的一个倾斜到所述层(306b)中的另一个。
22.复合制品(300、300b、300c)，其中挤出部或所述柱状物(308) 均匀分布。
23.复合制品(300、300b，300c)，其中，所述挤出部或所述柱状物(308) 均匀分布，例如，根据增加的拉出强度的需求。在一个或多个实施例中，蜂窝网络(704)集中在复合材料的周界附近，用于3模式改进。
24.接头(1002)，包括复合制品(300、300b，300c)，所述接头包括蒙皮(1004)、加强件(1006)和位于所述蒙皮(1004)与所述加强件(1006) 之间的界面区(1008)，其中，所述界面区(1008)包括复合制品(300)，该复合制品含有纤维束(302)以及网状物(304)，所述网状物(304)包括从所述纤维束(302)之间拉出并形成物理屏障的材料(314)，以减少所述复合制品中裂纹的扩展，所述界面区(1008)包含所述蒙皮的一部分 (1004)、所述加强件的一部分(1006)和/或所述蒙皮(1004)和所述加强件(1006)之间的一层。
25.在一个或多个变体中，所述柱状物(308)包含或被穿过片层(例如织物)的支柱、壁、挤出部或支撑件或由支柱、壁、挤出部或支撑件取代。
b.柱状物形态
可使用所述3D打印机400控制所述沉积材料314的形态。如图3B 所示，在本文所述的说明性实施例中，所述沉积材料314的关键元件包括所述锚状物316、所述柱状物或挤出基座318和所述直立部320或挤出部。
表1：根据打印设置形成的示例性挤出部和锚状物形态
注：尺寸范围很大程度上由所述喷嘴402直径、打印设置和所述用户输入(软件/编程语言)决定。在本文所述的任何示例中，所述柱状物308 可定义为仅包含所述直立部320或挤出部(不包括基座318)。在其他示例中，所述柱状物308被定义为包括所述挤出基座318和所述挤出基座318 上的所述直立部320。例如，高度H和平均直径Daverage可指所述基座318和所述直立部320的组合高度或所述直立部320的高度。
在一个或多个实施例中，所述层306a、306b和/或所述柱状物308具有有助于与树脂机械互锁的粗糙或不规则的表面。
在一个或多个实施例中，所述柱状物308在基座318处较厚，所述柱状物308从所述基座中拉出。
c.预成型和后处理技术
图8A-8D示出了使用真空成型和树脂灌注形成复合制品的方法。
图8A说明了在包含垫800的多个片层312中的每一层上/穿过每一层的3D打印的第一步骤，以形成一个或多个具有打印结构的垫800(例如，包含如本文所述的柱状物308)。在一个或多个实施例中，所述垫800包括碳纤维垫。尽管图8A描述了所述片层包括垫800的情况，但图8A-8D中所示的方法也可以使用任何片层(包括本文所述的任何示例片层)来实现。
图8B说明了堆叠具有打印结构的所述垫800的第二步骤，从而形成所述垫800的堆叠物802。放置包含多个纤维束302的所述垫800，使得多个所述柱状物308中的每一个穿过所述纤维束302之间的空间。在一个或多个实施例中，穿过所述孔或空间310的所述挤出部或柱状物308随后可以与打印在覆盖打印垫800上的所述材料314连接。
图8C说明了真空成型的第三步骤，包括将堆叠物802在接近材料熔点的温度下置于真空804下(在所述材料314是热塑性塑料的示例中，在接近所述热塑性熔点的温度下)，例如用于尼龙12的170℃下。在一个或多个实施例中，在刚好高于所述材料314的熔化温度的温度下，在所述真空804下，通过将所述垫800放置在外壳806和真空袋808中而预成型垫800的所述堆叠物802。在一个或多个实施例中，真空成型还使得所述垫 800和所述网状物304(例如，蜂窝网络704)之间能够进行更多的连接。
图8D说明了使用树脂灌注方法注入堆叠的和真空成型的垫800。在一个或多个实施例中，在液体成型过程中，用树脂灌注所述垫800。树脂填充所述垫800之间的间隙，并结合到柱状物308和/或所述层306a、306b 上。
图9说明了真空袋预成型的一种替代方法，包括使用热轧铁900沿所示方向902向所述堆叠片层312或垫800施加压力和热量，以促使所述材料314(例如，热塑性塑料)穿过所述片层312中的纤维层(即，在纤维束302之间)。所述铁900可以在片层312的单个铺设结束时或在给定数量的片层312铺设之后使用。
示例性应用
在一个或多个实施例中，本申请所述的蜂窝网络用于加固飞机上使用的复合材料，尤其是在经历模式I或模式II载荷的高应力集中区，例如在整体飞机结构(IAS)中。由于复合材料的断裂韧性较差，整体飞机结构目前通过提供冗余源的紧固件进行连接，以促进易碎环氧树脂的可预测失效。然而，使用紧固件的主要问题是，由于紧固件孔中的高应力集中，零件的厚度往往超过了必要的厚度，因此会增加它们的重量。此外，由螺栓和紧固件导致的复合材料失效局部出现在孔内，但这随后倾向于沿全厚度方向扩展。通过提高断裂韧性和提供更可预测的失效方法，可以使本申请所述的复合制品更有效地连接IAS。更具体地说，本发明的实施例改善了模式I和模式II断裂韧性，以提供用于稳定复合材料失效需求的方法，从而减少用于连接复合材料部件的紧固件，或最小化机械连接时应用于部件厚度的安全系数。
图10说明了一个整体飞机结构1000(T形接头1002)，包括蒙皮1004、加强件1006和所述蒙皮1004与所述加强件1006之间的界面区1008。所述界面区1008包括含有纤维束302以及网状物304的复合制品300，所述网状物304包括从所述纤维束302之间拉出的材料314，并形成物理屏障，以减少所述复合制品中裂纹的扩展。所述界面区1008可包含所述蒙皮1004的一部分、所述加强件1006的一部分和/或所述蒙皮1004和所述加强件1006之间的一层。
根据本发明实施例的所述复合制品300不限于在整体飞机结构中使用。本文所述的复合材料制品可用于需要改进复合材料损伤容限的任何应用中。
优势与改进
本发明描述了一种连续的全厚度方法，该方法能够提供令人惊叹和意想不到的改进的断裂韧性和损伤容限的组合，而不会降低飞机内性能，并且在飞机应用中使用时可以显著减轻重量(从而降低空中运输的成本)。
目前还没有已知的复合增韧技术或本文所述的复合制品和技术的类似结构。根据本文所示的实施例，与片层相结合的热塑性网状物与传统面纱不同，因为其在整个复合材料的厚度中是3D的。此外，示例性的热塑性网状物也不同于传统的全厚度技术，因为纤维束中的纤维微结构缺陷被消除或相对抑制。此外，传统的全厚度技术不能使热塑性塑料围绕碳纤维束连接而形成蜂窝网络。然而，本文所述的说明性复合制品具有面纱的一般特征，其附加特征是，第一面纱状结构当前通过机织物的孔连接到另一面纱。
处理环境
图11示出了用于实现控制本文所述的3D打印机400所需的处理元件的示例性系统1100。
所述计算机1102包括处理器1104(通用处理器1104A和专用处理器 1104B)和存储器，如随机存取存储器(RAM)1106。通常，所述计算机 1102在存储于所述存储器1106中的操作系统1108的控制下运行，并与用户/其他计算机接合，以接受输入和命令(例如，模拟或数字信号)，并通过输入/输出(I/O)模块1110显示结果。所述计算机程序应用程序1112 访问和操作存储在所述计算机1102的所述存储器1106中的数据。所述操作系统1108和所述计算机程序1112由指令组成，当所述计算机1102读取和执行指令时，所述指令使所述计算机1102执行本文所述的操作。在一个实施例中，实现所述操作系统1108和所述计算机程序1112的指令明显地体现在所述存储器1106中，从而使一个或多个计算机程序产品或制造制品能够执行本文所述的打印方法(例如，如图5所述)。因此，本文中使用的术语“制造物品”、“程序存储设备”和“计算机程序产品”旨在包含可从任何计算机可读设备或媒体访问的计算机程序。
第1条.一种复合制品(300、300b、300c)，包括：
多个纤维束(302)；和
网状物(304)，包括由柱状物(308)连接的层(306a、306b)，其中：
多个所述柱状物(308)中的每一个从所述层(306a)中的一个中拉出，并穿过所述纤维束(302)之间的不同空间(310)，以便将所述层(306a) 中的一个连接到所述层(306b)中的另一个，以及
所述网状物(304)形成物理屏障，以减少所述复合制品(300)中裂纹的扩展。
第2条.如第1条所述的复合制品(300、300B、300C)，其中：
所述层(306a、306b)、所述柱状物或所述层(306a、306b)及所述柱状物(308)包含热塑性塑料或所述热塑性塑料的混合物，
所述热塑性塑料包括聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚醚酮、聚醚酮酮、聚酰亚胺和聚苯砜，并且
所述纤维束(302)包括至少一种选自玻璃纤维、芳纶和碳的材料(314)。
第3条.如第1条所述的复合制品(300、300b、300c)，其中，所述热塑性塑料的混合物包括至少一种选自表面活性剂、稳定剂、粉末、纤维和微粒的内含物或添加剂。
第4条.一种整体飞机结构(1000)，包括：
蒙皮(1004)、加强件(1006)和所述蒙皮(1004)与所述加强件(1006) 之间的界面区(1008)，其中：
所述界面区(1008)包括复合制品(300、300b、300c)，所述复合制品包括：纤维束(302)；和网状物(304)，包括在所述纤维束(302)之间拉出的材料(314)并形成物理屏障，以减少所述复合制品中裂纹的扩展，并且
所述界面区(1008)包含所述蒙皮(1004)的一部分、所述加强件(1006) 的一部分和/或所述蒙皮(1004)和所述加强件(1006)之间的一层。
本领域技术人员可以对该配置进行许多修改，而不会脱离本申请的范围。例如，本领域技术人员可以使用上述组件的任何组合，或任何数量的不同组件、外围设备和其他设备。
结论
这就结束了对本发明优选实施例的描述。已经示出了本发明的优选实施例的前述描述，以用于说明和描述的目的。上述优选实施例不旨在穷举或将本申请限制于所公开的精确形式，而显然地根据以上教导可以进行许多修改和变型。权利范围不受本详细说明的限制，而是受本申请所附权利要求的限制。

Claims (19)

1.一种复合制品(300、300b、300c)，包括：
多个纤维束(302)；和
网状物(304)，包括由柱状物(308)连接的层(306a、306b)，其中：
多个所述柱状物(308)中的每个从一个所述层(306a)中拉出并穿过所述纤维束(302)之间的不同的空间(310)，以便将该一个所述层(306a)连接到另一个所述层(306b)，并且
所述网状物(304)形成物理屏障，以减少所述复合制品(300)中裂纹的扩展。
2.根据权利要求1所述的复合制品(300、300b、300c)，进一步包括多个片层(312)，其中：
所述多个片层(312)均包括多个所述纤维束(302)和多个所述不同的空间(310)，
至少一个片层(312)位于由所述柱状物(308)连接的两个所述层(306a、306b)之间，并且
从该一个所述层(306a)拉出的多个所述柱状物(308)穿过位于两个所述层(306a、306b)之间的该至少一个片层(312)中的所述不同的空间(310)。
3.根据权利要求1或2所述的复合制品(300b)，其中，所述纤维束(340a、340b、340c、340d)设置在多个片层(336a、336b、336c、336d)或多个层(338a、338b、338c、338d)中，所述空间(310)穿过所述多个层(338a、338b、338c、338d)或所述多个片层(336a、336b、336c、336d)，所述空间(342)由不同的层(338a、338b、338c、338d)或片层(336a、336b、336c、336d)中的纤维束(340a、340b、340c、340d)来界定。
4.根据权利要求1或2所述的复合制品(300、300b、300c)，其中，所述层(306a、306b)、所述柱状物(308)、或所述层(306a、306b)和所述柱状物(308)包括用于增材制造的材料(314)。
5.根据权利要求2所述的复合制品(300、300b、300c)，其中：
所述纤维束(302)均具有至少2mm的直径并且包括至少1000个纤维，
所述片层(312)均具有在2-10mm范围内的厚度(T3)，
所述柱状物(308)具有平均直径(Daverage)，并且所述层(306a、306b)均具有在2-5mm范围内的厚度(T2)，
所述柱状物(308)均具有在1-3mm范围内的长度(L)，并且
所述复合制品(300)具有在1mm-50mm范围内的总厚度(T)。
6.根据权利要求2所述的复合制品(300、300b、300c)，其中，所述片层(312)包括布置成编织织物、机织织物、非卷曲织物或单向带的所述纤维束(302)。
7.根据权利要求2所述的复合制品(300、300b、300c)，进一步包括位于所述片层(312)之间并粘结到所述柱状物(308)、所述层(306a、306b)、或所述层(306a、306b)和所述柱状物(308)的树脂填充间隙。
8.根据权利要求7所述的复合制品(300、300b、300c)，其中，所述层、所述柱状物(308)、或所述柱状物(308)和所述层(306a、306b)具有有助于与树脂机械互锁的不规则表面。
9.根据权利要求1或2所述的复合制品(300、300b、300c)，其中：
所述柱状物(308)在基座(318)处较厚，所述柱状物从所述基座从一个所述层(306a)中拉出，并且
所述柱状物(308)从一个所述层(306a)倾斜到另一个所述层(306b)。
10.一种接头(1002)，包括根据权利要求1或2所述的复合制品(300)。
11.一种制造复合制品(300、300b、300c)的方法，包括：
(a)在使出口(450)和基础层(408)相对于彼此首先在x-y平面(412)上、然后在Z方向(414)上移动的同时，将材料(314)从所述出口(450)沉积到所述基础层(408)上，以在所述基础层(408)上形成锚状物(316)；
(b)在不从所述出口(450)供给所述材料(314)的情况下，使所述出口(450)和所述基础层(408)相对于彼此移动，使得所述锚状物(316)的一部分被拉出以产生柱状物(308)；
(c)使所述出口(450)和所述基础层(408)相对于彼此移动，以使得所述出口(450)定位于所述基础层(408)上的下一位置(702)上方；
(d)重复步骤(a)-(c)，以便在所述基础层(408)上形成多个所述柱状物(308)；
(e)提供包括多个纤维束(302)的片层(312)，以使得多个所述柱状物(308)中的每个穿过所述纤维束(302)之间的不同的空间(310)；以及
(f)将层(306a)耦接到所述柱状物(308)，以使得所述柱状物(308)在与所述层(306b)连接之前，在所述纤维束(302)之间穿过；并且
从而制得包括所述柱状物(308)、所述层和所述片层(312)的复合制品(300)。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在下一步骤(a)中使用所述层(306a)作为所述基础层(408)而重复步骤(a)-(f)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述基础层(408)包括使用三维打印沉积的所述材料(314)的垫(800)。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述柱状物(308)使用三维打印制造，并且所述纤维束(302)和所述层(306a)使用与所述三维打印不同的一种或多种方法制造。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其中，包括垫的所述层(306a)和所述柱状物(308)使用熔融沉积成型制造。
16.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述提供步骤包括在所述柱状物(308)形成后放置所述片层(312)。
17.根据权利要求11或12所述的方法，其中，提供片层的步骤包括在形成所述柱状物(308)之前放置所述片层(312)，以便在所述纤维束(302)之间拉出每个所述锚状物(316)的部分以形成所述柱状物(308)。
18.根据权利要求11或12所述的方法，其中，当在所述纤维束(302)之间拉出每个所述锚状物(316)的部分时，多个所述柱状物(308)中的每个被粘结到所述纤维束(302)中的至少一个。
19.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括执行后处理步骤，其中，在已沉积所述纤维束(302)和所述柱状物(308)之后，多个所述柱状物(308)中的每个被粘结到所述纤维束(302)中的至少一个。
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