CN110386242A - 使用三维印刷热塑性销增韧复合材料 - Google Patents

使用三维印刷热塑性销增韧复合材料 Download PDF

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Abstract

本申请提供了使用三维印刷热塑性销增韧复合材料。一种复合制品，包括多个层，每个层包括由空间隔开的纤维束；结合到至少一个束的一侧并延伸或建造穿过层之间的空间的销；以及与层和销组合的树脂。销形成防止或减少复合制品的x‑y平面中裂缝的传播的物理屏障。

Description

使用三维印刷热塑性销增韧复合材料
技术领域
本公开描述了新颖的复合结构及制造其的方法。
背景技术
复合材料正在取代金属作为结构材料，因为它们重量轻，相对强度高，并且能够被塑造成更复杂的形状。然而，传统的复合结构在应力下会表现出开裂(特别是分层)。以夹层(例如热塑性纱(veil)和颗粒)形式的常规复合材料增韧技术在控制高应力集中区域的失效方面表现出有限的效果。在许多情况下，需要增韧的薄膜结合剂以获得所需的贯穿厚度韧性。此外，机械紧固件可以是可接受设计的默认设置。这对于整体飞机结构尤为关注，其中高应力区域(100)在整个结构厚度中发生，例如在接头半径处(见图1)。因此，在接头半径处产生的裂缝(102)将仅需要跳到未增韧的层以发生脆性破坏。使用贯穿厚度增韧技术可以减轻这种裂缝。然而，常规的贯穿厚度方法(例如薄膜结合剂)由于在灌注期间树脂流动路径的破坏导致诸如空隙、孔隙和干斑的缺陷而不用于液体模塑结构中。这种缺陷显著降低了复合层压结构的面内特性。
贯穿厚度技术及其限制的实施例如下：
·Z销：用于堆叠增强材料，但由于在插入过程中发生严重的微观结构缺陷(这反过来降低了复合材料的面内特性)，因此目前尚未使用。
·缝合：用于增韧干纤维预成型件，但由于在插入过程中出现严重的微观结构缺陷(这反过来降低了复合材料的面内特性)，因此目前尚未使用。
·三维(3D)纺织/3D针织/3D编织预成型件，这通常采用液态模制方法。然而，由于在制造过程中引起的3D预成型件内的纤维未对准，因此这些预成型件限于特定的几何形状并且不容易应用于集成的飞机接头。
图2显示了表征常规纱、缝合和z-销增韧的复合材料的Ashby图，并突出显示了间隙，其中面内特性测量为开孔压缩(OHC)强度为模式I层间断裂韧性(Gic)的函数。图2显示，与纱相比，贯穿厚度方法显著增加了模式I断裂韧性，并且使用z销可以增加高达1400％。然而，由于在 其制造过程中引起的微观结构缺陷，因此贯穿厚度增强降低了OHC强度和其他面内特性方面的损伤容限。另一方面，作为夹层施加的纱显示出较低的OHC降低，其中在向纤维预成型件施加纱期间对纤维引起较少的破坏。然而，Gic的有效改善很差。因此，表示通常未实现的性能的间隙是使用连续贯穿增强材料获得高模式I断裂韧性而不降低损伤容限和面内特性。
因此，所需要的是连续贯穿复合材料并且不会降低面内特性的贯穿厚度技术。本发明满足了这种需要。
发明内容
本公开描述了复合制品(300a、300b、300c、300d)，包括纤维束(304)；和多个与片(302)组合的销(308)。多个销(308)穿过纤维束(304)之间的不同空间(306)，并且一个或多个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)上。销(308)形成减少复合制品(300a、300b、300c、300d)中裂缝的传播的物理屏障。树脂通常与片(302)和销(308)组合。
复合制品可以以许多方式实施。实施例包括但不限于以下实施例中的一个或任何组合。
1.复合制品(300e)，其中纤维束(340a、340b、340c、340d)设置在多个片(336a、336b、336c、336d)或层(338a、338b、338c、338d)中，空间(342)穿过多个层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)，并且空间(342)由不同层(338a、338b、338c、338d)或不同片(336a、336b、336c、336d)中纤维束(340a、340b、340c、340d)界定。
2.复合制品(300a、300b、300c、300d)，其中销(308)具有彼此不同的机械性能。
3.复合制品(300a、300b、300c、300d)，其中销(308)各自填充纤维束(304)之间的空间(306)的体积的至少90％。
4.复合制品(300a、300b、300c、300d)，其中至少一个纤维束(304)包括未变形的(undistorted)纤维束(612)，并且至少一个销(308)结合到未变形的纤维束(612)的表面(616)。
5.复合制品(300a、300b、300c、300d)，其中至少一个纤维束(304)包括未磨损的(unfrayed)纤维(614)，并且至少一个销(308)结合到未磨损的纤维(614)的表面(618)。
6.复合制品(300c)，其中至少一个销(308c)是圆柱形的。
7.复合制品(300b)，其中至少一个销(308b)沿其长度L具有不均匀或不规则的横截面(330)。
8.复合制品(300b)，其中至少一个销(308b)在片之间较宽。
9.复合制品，其中一个或多个销(308)结合到树脂和纤维束。
10.复合制品，其中一个或多个销(308)从锚固件(602)在空间(306)之间拉出。
11.复合制品(300a)，其中至少一个销(308a)不延伸穿过所有片(302)。
12.复合制品(300b)，其中至少一个销(308c)延伸穿过所有片(302)。
13.复合制品(300a、300b、300c、300d)，其中纤维束(304)各自具有至少2mm的直径并且包括至少1000根纤维，和/或空间(306)各自具有至少2mm的直径，和/或片(302)各自具有在2-10mm范围内的厚度，和/或销(308)各自具有在2-5mm范围内的厚度，和/或销(308)各自具有在1-3mm范围内的长度，和/或复合制品(300a、300b、300c、300d)具有在10mm-1米范围内的总厚度。
14.一种包含复合制品(300a、300b、300c、300d)的接头。
本公开还描述了集成飞机结构(1200)，其包括蒙皮(1004)，加强件(1006)和在蒙皮(skin)(1004)和加强件(1006)之间的界面区域(1008)。界面区域(1208)包括复合制品(300a、300b、300c、300d)，其包括多个片(302)，每个片包括纤维束(304)；和多个销(308)。
本公开还描述了一种制造复合制品(300a、300b、300c、300d)的方法，其包括(a)提供多个纤维束(304)(其可以布置在片中)和纤维束(304)之间或者由纤维束(304)界定的空间(306)；以及(b)在多个空间(306)中沉积材料(322)，以形成多个销(308)，每个销穿过不同空间(306)。在一个实施例中，该方法包括(i)将材料(322)从出口(450)沉积到基层上并进入一个空间(306)，同时使出口(450)和基层相对于彼此移动，首先在x-y平面上然后在z方向上，以在基层上形成锚固件(602)；(ii)使出口(450)和基层相对于彼此移动而没有从出口(450)进料材 料(322)，从而拉出锚固件(602)的一部分以形成销(308)；(iii)从出口(450)释放销(308)并使出口(450)和基层相对于彼此移动，使得出口(450)位于下一个空间(306)的上方；(iv)重复步骤(i)-(iii)以产生多个销(308)。
在一个或多个实施例中，该方法还包括重复步骤(a)和(b)，使得在沉积每个片(302)之后，逐片(302)地将材料(322)沉积在空间(306)中，其中沉积在下一片(302)中的空间(306)中的至少一些材料(322)与沉积在前一片(302)中的空间(306)中的材料(322)对齐并连接，以形成延伸穿过多个片(302)的销(308)。
在一个或多个实施例中，该方法还包括重复步骤(a)以获得沉积在彼此上部的多个片(302)；并且在重复步骤之后，执行步骤(b)以形成延伸穿过至少一些片(302)的销(308)。
在又另外的实施例中，该方法还包括在形成销(308)之后在后处理步骤中加热销(308)和片(302)，以增加销(308)与纤维束(304)的结合。替代地，在其他实施例中，该方法包括使用增材制造技术沉积材料(322)，其中在使用增材制造技术沉积材料(322)期间，销(308)结合到纤维束(304)。
附图说明
现在参考附图，其中相同的附图标记始终表示相应的部件：
图1示出了T形接头中的高应力集中区域。
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特性方面)的间隙。
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F、图3G和图3I是包括增材制造的z销的示例性复合制品的横截面示意图，其中图3A示出了其中销不延伸穿过所有层的实施例，图3B示出了其中销在层之间具有较厚的横截面的实施例，图3C示出了其中销具有均匀厚度(光滑壁)的复合制品的一个实施例，图3D示出了复合制品的一个实施例，其中销主要在层之间具有增厚部分，该增厚部分沿垂直轴线具有可变直径，图3E示出了可用于如本文所述的复合制品的连续z销形态。图3F示出了其中空间由不同层中的纤维束限定的实施例，图3G是图3F的顶视图，图3H示出了与复合材料组合的树脂，图3I示出了包括接合到层之间的销的层的实施例。
图4示出了用于制造本文所述复合制品的示例性3D打印机。
图5是示出制造包括本文描述的z-销的示例性复合制品的方法的流程图。
图6A示出了根据本文描述的一个或多个实施例的片中的不连续z-销形态。
图6B和图6C示出了根据本文所述的示例性实施例的单个销层和从干纤维平织上的锚固件拉出的销，其中图6C是图6B的近视图。
图7A示出了用于控制3D打印机以制造文中描述的销的输入计算机辅助设计(CAD)，图7B和图7C示出了使用图7A的CAD文件分别在230℃和260℃的喷嘴温度下制造的所得打印销，图7D是表示图7B和图7C所示的制造销的尺寸的表格。
图8A示出了使用示例性3D打印方法在一系列打印设置(来自打印喷嘴的材料的进料速率，以毫米/秒，mm/s)下打印的热塑性细丝的拉伸强度的变化。
图8B示出了使用示例性3D打印方法在一系列打印设置(来自打印喷嘴的材料的进料速率)下打印的热塑性细丝的工程应变的变化。
图9A是示出根据一个或多个实施例的用于制造连续z销的工艺参数的表格。
图9B是示出根据一个或多个实施例的用于制造不连续z销的工艺参数的表格。
图10示出了包括如本文描述的复合制品的集成飞机结构。
图11是用于控制打印机以制造根据本公开实施例的包括销的复合制品的示例计算机硬件环境。
具体实施方式
在以下描述中，参考附图，该附图形成其一部分，并且通过图示的方式示出了若干实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构改变。
技术说明
实施例结构
图3A、图3B、图3C和图3D示出了复合制品(300a、300b、300c、300d)，其包括多个片(302)或层(302a)，每个片或层包括由空间(306)(例如，孔306a)隔开的纤维束(304)。复合制品(300a、300b、300c、300d)还包括一个或多个销(308)，其中每个销(308)穿过纤维束(304)之间的不同空间(306)，并且每个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)(x-y或z方向的任一侧)。销(308)延伸穿过纤维束(304)之间的空间(306)并超出每个层或片(302)，以形成柱或物理屏障(312)，防止或抑制分层裂缝(102)(例如，层间，层内和/或跨层裂缝)在复合制品(300)中和在复合制品(300)中的任何方向上的传播。
图3A示出了复合制品(300a、300b、300c、300d)的一个实施例，其中销(308)延伸穿过并超出包括纤维束(304)的层(301)或片(302)的高度并具有均匀厚度，该厚度通常是空间(306)的厚度。在该示例性实施例中，销(308)不贯穿整个厚度，而是仅存在于所有层(302a)或片(302)的子集中。在这种形式中，销(308)被认为是位于片(302)中的不连续销(308a)。不连续的销允许定制复合材料的韧性以使重量最小化(例如，销仅放置在需要增加韧性的地方)。
图3B示出了复合制品(300b)的一个实施例，其中销(308)具有主要位于片(302)或层(301)之间的增厚部分(314)(例如玉米穗轴结构(corn on cob structure))。在一个或多个实施例中，与光滑的圆柱形壁相反，这种粗糙的或“玉米穗轴”类型的表面结构可用于实现优异的机械互锁。在图3B的实施例中，销(308)在每个单独片(302)的高度之上和之下延伸，以在多个纤维层的整个厚度上形成贯穿厚度的销。在这种形式中，销308被认为是位于片(302)中的连续销(308b)。
图3C示出了复合制品(300c)的一个实施例，其中销(308)具有均匀的厚度(光滑壁)并且在每个单独片(302)或层(301)的高度之上和之下延伸，以在多个层(301)或片(302)的整个厚度上形成贯穿厚度的销(308c)。
图3D示出了复合制品(300d)的一个实施例，其中销(308)具有主要位于层(301)或片(302)之间的增厚部分(316)，该增厚部分沿垂直轴(318)具有可变直径。销(308)不贯穿整个厚度位仅存在于所有层(301)或片(302)的子集中。
图3E示出了可以被控制以形成销(308)的几何特征，包括销(308)的高度H、平均直径D和表面均匀性(330)。在一个或多个实施例中，表 面(330)形成为波纹表面(320)或不均匀/不规则表面(332)。在其他实施例中，表面(330)是光滑表面(334)。尽管未示出，但是也可以控制每个销的拉丝性(例如，粘度和/或直径)。
图3F和图3G示出了其中复合制品(300e)中的片(302)或层(301)包括多个或堆叠(360)的片(336a、336b、336c、336d)或层(338a、338b、338c、338d)的实施例，每个片或层具有不同取向(370)的(例如，单向)纤维束(340a、340b、340c、340d)。在这种情况下，通过多个层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)形成空间(342)或孔(344)并且空间(342)或孔(344)由不同片(336a、336b、336c、336d)或不同层(338a、338b、338c、338d)中的纤维束(340a、340b、340c、340d)界定、限定或成壁。
位于不同平面(346)中的片(336a、336b、336c、336d)包括对齐或相对于彼此以不同角度定向的纤维束(340a、340b、340c、340d)，以限定孔(344)或空间(342)。在其中片(302)包括垫(600)的一个实施例中(例如，如图6B中所示)，每个层(301)或片(302)中的纤维束(304)彼此成90度并且是编织在一起。然而，在其他实施例中，纤维束(340a、340b、340c、340d)可以相对于彼此以任何角度(例如，45度)定向。在一个或多个实施例中，销的高度H是多少层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)限定孔(344)或空间(342)的壁的函数。在一个或多个实施例中，纤维束(340a、340b、340c、340d)之间的空间(342)位于纤维束(340a，340c)之间的中间层(338b)中。
图3H示出了复合制品(300f)，其包括与片(302)和销(308)组合的树脂(348)，示出了在最外纤维层(301d)或最外层(302e)的上方和下方延伸并到达树脂表面348的一个或多个销(308)。
图3I示出了复合制品(300g)，其中材料层(350)沉积在片(302)或层(301)的任一侧上，使得销(308)可以接合到在片(302)或层(301)的任一侧上的材料层(350)。在一个或多个实施例中，层(350)可包括用于制造销(308)的相同材料(322)(例如，热塑性材料)。在一个或多个实施例中，层(350)包括一个或多个锚固件(602)或较厚的沉积部分，其中锚固件或较厚的沉积部分被定义为用于销(308)的基底、基座和/或来源，用于向销(308)提供材料(322)和/或一旦形成销(308)就向销(308)提供一些东西以粘住。在一个或多个其他实施例中，层(350)包括包含材料细丝(322)的网络或网。
示例制造方法
图4示出了示例性3D打印机400，其包括挤出喷嘴(402)，进料器(404)和熔化器(406)，其用于将材料(322)供给到纤维束之间的孔或空间(306)中，以在z方向上制造销(z销)；和平台(410)(例如，印刷床或基座)，其用于在销(308)形成时支撑片(302)或基层(408)。示例打印机400包括但不限于台式融合沉积建模(FDM)3D打印机。在一个或多个实施例中，使用软件来控制3D打印机。移动平台(410)和/或喷嘴(402)，使得喷嘴(402)和片(302)或基层(408)可在x-y平面(412)中相对于彼此移动并沿z方向(414)垂直向上或向下移动。在一个或多个其他实施例中，打印机具有带有两个末端执行器(或双末端执行器)的机器人头部，其中一个末端执行器用于沉积包括纤维束(304)的层(301)或片(302)(或者在层(301)的表面上的叠层)，并且另一个末端执行器用于沉积材料(322)的珠子以构建销(308)。
图5是说明使用增材制造沉积(additive manufacturing deposition)制造复合制品(300a、300b、300c、300d)的工艺流程的流程图。
框500表示沉积或提供层(301)(例如，纤维床或织物层或纤维部分)或包括由空间(306)(例如，孔)隔开的纤维束(304)的片(302)。在一个或多个实施例中，使用增材制造沉积技术沉积片(302)或层(301)。在示例性实施例中，纤维束(304)包括多束纤维。在一个或多个实施例中，纤维包含选自玻璃纤维、凯夫拉(kevlar)、碳和热塑性材料中的至少一种材料。
框502表示在多个空间(306)中沉积材料(322)，以形成多个销(308)，每个销穿过不同空间(306)。在一个或多个实施例中，使用增材制造沉积技术沉积材料(322)，以形成延伸穿过多个空间(306)中的每一个并在其内的销(308)。在一个或多个实施例中，销(308)在空间(306)之间从锚固件(602)被拉出，如图6B所示。在一个或多个实施例中，锚固件(602)被定义为用于销(308)的基底、基座和/或来源，用于向销(308)提供材料(322)和/或一旦形成销(308)就向销(308)提供一些东西以粘住。
例如，材料(322)的沉积包括(i)将材料(322)从出口(450)(例如，喷嘴(402))沉积到基层(408)上并进入一个空间(306)中，同时使出口(450)和基层(408)相对于彼此移动，首先在x-y平面(412)中然后在z方向(414)上移动，以在基层上形成锚固件(602)；(ii)使出口(450)和基层(408)相对于彼此移动而没有从出口(450)进料材料(322)，从而拉出锚固件(602)的一部分以产生销(308)；(iii)从出口(450)释放销(308)或拉出材料并使出口(450)和基层(408)相对于彼此移动，使得出口(450)位于下一个空间(306)上方；以及(iv)重复步骤(i)-(iii)以产生多个销(308)。在各种实施例中，基层是材料片(302)或层(322)。
用于销(308)的材料(322)的实施例包括至少一种适于使用增材制造进行沉积的材料，例如聚合物。示例性聚合物包括但不限于热塑性材料，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)、UltemTM或如前所述热塑性材料的混合形式，含有改性剂和/或内含物，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。
在一个或多个实施例中，销(308)(例如，z-销)的图案被印刷以适应孔间距和层(301)或片(302)的面积，如图6A所示。图6A示出了包括编织(例如，碳)纤维垫(600)的片(302)，其包括具有间距(650)和间距(306)(例如，孔(306b))的不连续的z销(308a)。垫(600)包括编织在一起的正交(例如碳)纤维束(650、652)，如图6B所示。此外，层(301)或片(302)可以通过销(308)的图案小心地放置使销(308)穿过孔，从而最小化纤维束(304)中纤维的断裂。在一些实施例中，其中纤维束(304)中纤维(604)的断裂在销(308)插入时发生，与传统的制造方法相比，纤维断裂量减少，在传统的制造方法中，硬销阵列被迫通过一叠预浸料片。
销(308)可以通过控制销直径D和间距被制造成具有任何横截面，来产生一系列图案。针直径D通常大于0.7mm，喷嘴(402)的直径不小于0.4mm。表1中示出了可以制造的各种销图案或配置的实施例。
表1
销配置 “销”直径(mm) 销间距(mm)
1 0.7 5.6
2 0.9 7.6
3 1.1 9.6
4 0.7 4.1
5 0.9 5.9
6 1.1 7.4
7 0.7 3.4
8 0.9 5
9 1.1 6.2
在一些实施例中，销的横截面具有与层(301)或片(302)中的平均孔面积相似的尺寸。例如，销(308)可以填充空间(306)的体积的至少90％。在其他实施例中，销(308)的横截面与空间(306)的形状互补，例如，以提供与由纤维(604)形成的侧壁(606)的更大接触并且产生与销(308)更大的表面接触。例如，如果空间(306)是正方形，则销(308)的横截面也可以是正方形，使得销(308)与纤维(604)的接触面积最大化。在一个或多个示例性应用中，孔空间(306)的几何形状对于渗透性(影响预成型件的树脂填充时间的参数)和微裂缝的风险(较大的孔或空间(306)导致较高的微裂缝风险)是至关重要的。在这些情况下，可以定制销(308)的横截面以获得所需的渗透性并减少整个复合材料的微裂缝。在更进一步的实施例中，定制销(308)的横截面以通过不均匀的几何形状提供表面区域并且产生(力)裂缝的曲折路径，从而增加复合材料的韧性。
图6B和图6C示出了一个实施例，其中当销(308)作为增材制造沉积工艺的一部分/在其期间沉积时，销(308)结合到纤维束(304)。当沉积时，销(308)可以以液态或粘性状态结合到纤维(604)，使得销(308)的部分(608)在纤维表面(610)的缺陷内并因此结合到纤维(604)。例如，销(308)可以在受到沉积材料(322)的表面张力和销(308)中的材料(322)的熔化温度的各种受控强度水平下结合到纤维(604)。在一个或多个实施例中，需要将销(308)连接到纤维束(304)的侧壁(606)以充当沿着纤维束(304)裂缝传播的“障碍”。
如下面进一步讨论的，可以在每个销(308)的沉积期间仔细地定制3D打印参数(例如，材料(322)进料速率、流速和喷嘴(402)温度)，从而提供局部控制销(308)的材料特性的能力。
用于销(308)的材料(322)可以以各种形状沉积，例如，作为一系列材料(322)的液滴或珠子。
可以重复框500的步骤以形成或获得彼此堆叠的多个层(301)或片(302)，然后执行框502的步骤，以在沉积了所有多个层(301)或片(302)之后，形成延伸穿过空间(306)并穿过至少一些/多个片(302)或层(301)的销(308)。该实施例可用于制造与加强件对接的蒙皮(1004)，其中在接口处或在蒙皮(1004)和加强件(1006)之间的界面区域(1008)中定位用于销(308)的材料(322)液滴之前，堆叠蒙皮(1004)中的片(302)。
框504表示任选地重复框500-502的步骤，以沉积多个层(301)或片(302)。用于每个销(308)的材料(322)在每个层(301)或片(302)，纤维束(304)的一个片(302)或层(301)之后沉积，并且至少一些沉积在下一层(301)或片(302)中的空间(306)中的材料(322)与沉积在前一层(301)或片(302)中的空间(306)中的材料(322)对齐并连接以形成延伸穿过多个层(301)或片(302)的销(308)。
在参考图3B所示的一个示例性实施例中，该过程如下进行。材料(322a)(例如，热塑性材料)的首次沉积选择性地定位或放置在纤维束(304a)的片(302a)或层(301a)中的纤维束(304a)之间的空间(306c)或间隙处或其中。将纤维束(304b)的下一片(302b)或下一层(301b)放置在纤维束(304a)的前一片(302a)或前一层(301a)上。然后，在与材料(322a)首次沉积对齐的位置处，材料(322b)的第二次沉积选择性地定位在纤维束(304b)的下一片(302b)中的纤维束(304b)之间的空间(306d)处或其中。然后将材料(322a)的首次沉积连接到材料(322b)的第二次沉积。重复该过程以构建预成型件，其中每片(302a、302b)之间的材料(322a、322b)的连接形成包括材料(322a)首次沉积和材料(322b)第二次沉积的销(308)或柱。在一些情况下，销(308a)仅延伸穿过一个或多个层(301)，或者以不连续的形式延伸穿过预成型件的厚度。在其他情况下，销(308b)以连续的形式穿过厚度连接穿过预成型件的所有路径。尽管参考图3B说明了该实施例，但是该技术可以用在许多实施例中(例如，如图3A、图3C、图3D、图3F、图3H和图3I所示)。此外，尽管通过孔隙空间(306c，306d)由单个片(302a、302b)中的纤维束(304a，304b)限定或界定示出了该实施例，但是在其中空间(342)由不同层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)中的纤维束(340a、340b、340c、340d)限定的实施例中，材料(322a)的首次沉积和材料(322b) 的第二次沉积可以沉积在不同的片(336a、336b、336c、336d)上，如图3F和图3G所示。
框506表示在框500-504的增材制造沉积步骤之后的任选的后处理步骤。在一些实施例中，后处理包括加热销(308)和片(302)(以及层中的纤维束(304))(例如，使用热风枪或烤箱)以熔化或软化销(308)并促进或增加销(308)与纤维束的结合(例如，在三维中)并促进销(308)填充孔或空间(306)。
框508表示任选地将销(308)和纤维束的片(302)或层(301)与树脂组合。在一些实施例中，销(308)还在最外纤维层(301d)或片(302)的上方和下方延伸，并且可能延伸到树脂表面(348b)，如图3H所示。
框510表示最终结果，复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)包括多个纤维束(304)；和一个或多个销(308)(例如，销(308)阵列)。一个或多个销(308)穿过由纤维束(304)之间/界定的不同空间(306)。
可以执行方法步骤500-510，使得复合制品以多种方式实施。实施例包括但不限于以下实施例中的一个或任何组合。
1.复合制品(300a-d)，其中纤维束(304)设置在多个片(302)或层(301)中，并且一个或多个销(308)穿过片(302)或层(301)中纤维束(304)之间的不同空间(306)。
2.复合制品(300e)，其中纤维束(340a、340b、340c、340d)设置在多个片(336a、336b、336c、336d)或层(338a、338b、338c、338d)中，空间(342)穿过多个层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)，并且空间(342)由不同层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)中纤维束(340a、340b、340c、340d)界定，成壁或限定，例如，如图3F和图3G所示。纤维束(340a、340b、340c、340d)的不同取向(370)在纤维束(340a、340b、340c、340d)之间产生空间(342)。
3.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中纤维束(304)是纺织的，例如，以形成如图6B所示的纤维垫或织物。
4.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中纤维束(304)被布置成编织物(例如，缝合织物或编织织物)。
5.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中纤维束(304)包括或被布置在包括纱线的编织物中，并且销(308)穿过纱线之间或纤维束(304)之间的空间(306)，纱线穿过片(302)中的空间(306)之间的空间。
6.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中纤维束(304)被布置在非卷曲织物中。
7.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中纤维束(304)以规则狭缝被布置在单向带中(包括其间具有间隙的平行纤维束(304))。
8.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中纤维束(304)被布置在多轴增强件中。
9.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中每个层(301)或片(302)中，或不同层(301a，301b)或片(302a、302b)中在z方向上的销(308)具有彼此不同的机械性能(例如，在销(308)连接复合材料的位置处)。
10.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中一个或多个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)上。
11.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中销(308)各自填充纤维束(304)之间的空间(306)体积的至少90％、至少95％或至少98％。
12.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中z-销308a通过诸如尼龙线的线(620)连接，如图6A所示。
13.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中至少一个纤维束(304)包括未变形的纤维束(612)。在一个或多个实施例中，至少一个销(308)结合到未变形的纤维束(612)的表面(616)上，如图6B所示。在一个或多个实施例中，未变形指的是当销被迫穿过层区域而不是纤维束之间的空间时没有发生变形。在一个或多个实施例中，未变形的定义为与销沉积在孔空间中之前相比纤维束没有进一步变形。
14.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中至少一个纤维束(304)包括未磨损的纤维(614)。在各种实施例中，至少一个销(308)结合到未磨损的纤维(614)的表面(618)上。在一个或多个实施例中，未磨损是指当销被迫穿过层区域而不是纤维束之间的空间时没 有发生磨损。在一个或多个实施例中，未磨损的定义为与销沉积在孔空间中之前相比纤维束没有磨损。
15.复合制品(300c)，其中至少一个销(308c)是圆柱形的。
16.复合制品(300b)，其中至少一个销(308b)沿其长度L具有不均匀或不规则的横截面(330)。
17.复合制品(300b)，其中至少一个销(308b)在层之间较宽。
18.复合制品，其中，在销的每个高度处，存在不均匀的横截面，作为它们仅是限定销的壁的一对纤维的函数。因此，在一个横截面中，销可以具有沙漏形状，但是在与沙漏形平面成90度的横截面中，该形状通常可以是椭圆形或圆形。
19.复合制品(300f)，其中一个或多个销(308)在最外纤维层(301d)或片(302e)的上方和下方延伸并延伸到树脂表面(348b)。
20.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中一个或多个销(308)结合到树脂(348)和纤维束(304)上。
21.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f)，其中一个或多个销(308)从锚固件(602)在空间(306)之间拉出。
22.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中材料层(350)沉积在片(302)或层(301)的任一侧上，使得销(308)可以接合到片(302)或纤维层(301)的任一侧上的材料层(350)。
23.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中材料层(350)沉积在片(302)或层(301)的任一侧上，使得销(308)可以接合到片(302)或纤维层(301)的任一侧上的材料层(350)，并且层(350)包括一个或多个自此拉出销(308)的锚固件(602)。锚固件被定义为用于销(308)的基底、基座和/或来源，用于向销(308)提供材料(322)和/或一旦形成销(308)就向销(308)提供一些东西以粘住。
24.复合制品(300a)，其中至少一个销(308a)不延伸穿过所有片(302)。
25.复合制品(300b)，其中至少一个销(308c)延伸穿过所有片(302)。
26.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)均匀地分布在复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)中。
27.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)是不均匀的。例如，销(308)可以在一些区域中具有较高浓度，而在其它区域中不具有(例如，在接头界面处具有较高浓度并且远离界面具有较低浓度)。
28.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中纤维束(304)各自具有至少2mm的直径D1并且包括至少1000根纤维(参见图3C、图3D、图3E、图3H)。
29.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中空间(306)各自具有至少2mm的直径或宽度D2(参见图3C、图3D、图3E、图3H)。
30.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中片(302)各自具有在2-10mm范围内的厚度T(参见图3C、图3D、图3E、图3H)。
31.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)各自具有在2-5mm范围内的厚度或直径D(参见图3C、图3D、图3E、图3H)。
32.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)各自具有在1-3mm范围内的长度或高度H(参见图3C、图3D、图3E、图3H)。
33.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)具有在10mm-1m范围内的总厚度T3(参见图3C、图3D、图3E、图3H)。
34.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)包括作为“珠子(bead)”沉积的热塑性材料，并且热塑性材料的表面张力驱动分子从外表面向内拉到核心。
35.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)包含至少一种选自聚酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚苯基砜的热塑性材料。
36.复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)包括热塑性材料的混合物。
37.一种包括复合制品的集成飞机结构(1000)或接头，该接头或结构包括蒙皮(1004)，加强件(1006)和在蒙皮(1004)和加强件(1006) 之间的界面区域(1008)，其中界面区域(1008)包括复合制品(300a、300b、300c、300d)，其包括纤维束(304)；多个销(308)，其中每个销(308)穿过纤维束(304)之间的空间(306)，以及
每个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)上；与片(302)和销(308)组合的树脂(1010)；并且其中销(308)形成物理屏障(312)，减少复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)中裂缝(102)的传播。界面区域(1008)包括一部分蒙皮(1004)，一部分加强件(1006)和/或蒙皮(1004)和加强件(1006)之间的层。
实例研究
3D打印销(308)的实施例在图7A-图7D中示出。在这种情况下，销(308)使用230℃和260℃的印刷温度制造。该图确定了直径D，销(308)的间距(650)和销的长度L分别为0.9mm、3.0mm和5.0mm。在其他实施例中，所制造的销(308)的实现直径D、间距(650)和长度L分别为约1.1mm、2.8mm和4.9mm。然而，其他尺寸也是可能的，例如，如上所述。
控制材料特性
在一个或多个实施例中，使用本文所述的增材制造方法来控制和/或改变增材制造或印刷的z销(308)的材料特性。
图8A和图9B示出了增材制造沉积条件(喷嘴温度)如何改变用于z销(308)的材料的材料特性。已经包括拉伸强度和工程应变的变化作为示例，然而，通过控制有影响的打印机输入(例如进料速率、热塑性材料流速和喷嘴温度)，也可以通过增材制造工艺来控制其他材料特性。
图9A是示出对于本文所述的使用连续z销(308c)的任何实施例，用于制造连续z销(308b)(至少一个销(308)延伸穿过所有层)的示例工艺参数的表。
图9B是示出对于本文所述的使用不连续z销(308a)的任何实施例，用于制造不连续z销(308a)(即，至少一个销(308)不延伸穿过所有片)的示例工艺参数的表。
在各种实施例中，复合制品(300a、300b、300c、300d)包括以下的任何组合：
控制印刷参数有助于产生高性能夹层技术，其包括具有针对特定系统应用的定制特性的层压复合材料。传统的组装技术只能在整个架构的单一设置下进行处理，因此不能如本文所述的示例性实施例所提供的那样基于位置改变材料特性。
实施例应用
在一个或多个实施例中，本文描述的z-销网络用于增韧在飞机上使用的复合材料，特别是在高应力集中区域，在其中经历模式I或模式II层间负载，例如在集成飞机结构(IAS)中。目前，集成飞机结构由紧固件连接，紧固件提供冗余源，以鼓励由于复合材料的不良断裂韧性而导致的脆性环氧树脂的可预测的失效。然而，使用紧固件的主要问题是它们引起的重量增加，因为部件通常比必要的厚度更厚以解决来自紧固件孔的高应力集中。另外，由于螺栓和紧固件引起的复合材料失效在孔处局部起始，但随后趋向于沿厚度方向传播。通过提高断裂韧性并提供用于更可预测的失效的手段，可以使用本文所述的复合制品更有效地连接IAS。更具体地，本文所述的示例性实施例通过减少用于连接复合材料部件的紧固件的数量或通过最小化当机械连接时应用于部件厚度的安全系数来改善模式I和模式II断裂韧性并提供需要解决稳定复合材料失效的方法。
图10示出了集成飞机结构1000(T形接头1002)，其包括蒙皮(1004)，加强件1006(例如，刀片或顶帽加强件)，以及蒙皮(1004)和加强件(1006)之间的界面区域1008。界面区域(1008)包括如本文所述的复合制品(300a、300b、300c、300d)，其包括多个片(302)，每个层包括纤维束(304)；和多个销(308)，其中每个销(308)穿过纤维束(304)之间的不同空间(306)，并且每个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)上。销(308)形成物理屏障，减少复合制品(300a、300b、300c、300d)中裂缝的传播。在各种实施例中，复合制品(300a、300b、300c、300d)还包括与片(302)和销(308)组合的树脂(1010)，使得销(308)穿过孔空间(306)结合到树脂(1010)和纤维束(304)的表面并锚固到锚固件(602)。
界面区域(1008)可包括一部分蒙皮(1004)，一部分加强件(1006)，和/或蒙皮(1004)与加强件(1006)之间的层。在各种实施例中，销(308)仅是支撑构件接触复合材料的位置。可以包括复合制品的其他结构包括但不限于板。在一些实施例中，销(308)仅位于板的边缘上以增加周边强度。销(308)的选择性定位(例如，仅在界面区域或周边)通过仅包括需要增韧的销来实现重量减轻。在一个或多个实施例中，最靠近蒙皮(1002)的销(308)的顶部T5(参见图3E)位于距周边或蒙皮(1002)和加强件(1006)之间的界面1052多达10cm的距离1050处。
然而，根据本发明实施例的z-销结构可用于需要改善复合材料的损伤容限的任何应用(例如，结构或半结构部件)。
优点和改进
用于增韧液体模塑制造的复合材料的常规技术包括使用热塑性纱。然而，与贯穿厚度增韧技术相比，热塑性纱具有层特定性并且仅提供适度的改进。此外，由于制造过程中引起的制造限制和/或微结构缺陷，不采用传统的增韧技术。
本文提出的示例性增韧方法包括制造z-销的新方法和在由多孔平纹纤维垫制成的液体模塑复合材料中使用z-销的新方法。本文提出的新制造方法的一个目标是使微结构缺陷最小化。常规方法不提供在碳束周围放置连续的贯穿厚度的增韧机制，其主要目的是使微结构缺陷最小化，以使终端复合材料保持其面内特性。此外，传统的金属z销是单独制造的，然后通过一堆干纤维垫/预浸料层进行物理强制(例如，钉入)，而不是在孔间距之间印刷销以确保纤维断裂最小化，如使用本文所述的示例性实施例可实现的。另外，就发明人所知，传统的z销由碳纤维/BMI或金属制成，而不是热塑性或高延展性材料，如使用本文所述的示例性方法可实现的。
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。
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，例如随机存取存储器(RAM)1106。通常，计算机1102在存储在存储器1106中的操作系统1108的控制下操作，并且与用户/其他计算机接口以接受输入和命令(例如，模拟或数字信号)并通过输入/输出(I/O)模块1110呈现结果。计算机程序应用1112访问和操纵存储在计算机1102的存储器1106中的数据。.操作系统1108和计算机程序1112包括指令，当由计算机1102读取和执行时，使得计算机1102执行文中描述的操作。在一个实施例中，实现操作系统1108和计算机程序1112的指令有形地体现在存储器1106中，从而使得一个或多个计算机程序产品或制品能够执行本文所述的打印方法(例如，如图5所示)。这样，文中使用的术语“制 品”，“程序存储设备”和“计算机程序产品”旨在涵盖可从任何计算机可读设备或介质访问的计算机程序。
本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对该配置进行许多修改。例如，本领域技术人员将认识到，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。
条款1.一种复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其包括：
多个纤维束(304)；多个销(308)，其中：
每个销(308)穿过由纤维束(304)界定的不同空间(306)，以及
每个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)上；
与片(302)和销(308)组合的树脂(1010)；以及
其中销(308)形成减少在复合制品(300a、300b、300c、300d)中裂缝(102)的传播的物理屏障(312)。
条款2.根据条款1所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中销(308)具有彼此不同的机械性能。
条款3.根据条款1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中至少一个销(308c)是圆柱形的。
条款4.根据条款1-3所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中至少一个销(308b)沿其长度L具有不均匀或不规则的横截面(330)。
条款5.一种集成飞机结构(1000)，其包括：
蒙皮(1004)，加强件(1006)和在蒙皮(1004)与加强件(1006)之间的界面区域(1008)，其中：
界面区域(1008)包括复合制品(300a、300b、300c、300d)，其包括：
纤维束(304)；
多个销(308)，其中：
每个销(308)穿过纤维束(304)之间的空间(306)，以及
每个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)上；
与片(302)和销(308)组合的树脂(1010)；以及
其中销(308)形成减少在复合制品(300a、300b、300c、300d)中裂缝(102)的传播的物理屏障(312)；以及
所述界面区域(1008)包括一部分蒙皮(1004)，一部分加强件(1006)，和/或蒙皮(1004)和加强件(1006)之间的层。
结论
这结束了对本公开的优选实施例的描述。出于说明和描述的目的，已经呈现了优选实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本公开限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。意图是权利的范围不受该详细描述的限制，而是受所附权利要求的限制。

Claims (18)

1.一种复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，包括：
多个纤维束(304)；多个销(308)，其中：
每个所述销(308)穿过由所述纤维束(304)界定的不同空间(306)，并且
每个所述销(308)结合到至少一个所述纤维束(304)的表面(310)；
树脂(1010)，与片(302)和所述销(308)组合；并且
其中所述销(308)形成减少在所述复合制品(300a、300b、300c、300d)中裂缝(102)的传播的物理屏障(312)。
2.根据权利要求1所述的复合制品(300e)，其中所述纤维束(340a、340b、340c、340d)设置在多个片(336a、336b、336c、336d)或层(338a、338b、338c、338d)中，空间(342)穿过多个层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)，并且所述空间(342)由不同层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)中的纤维束(340a、340b、340c、340d)界定。
3.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中所述销(308)各自填充所述纤维束(304)之间的所述空间(306)的体积的至少90％。
4.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中至少一个所述纤维束(304)包括未变形的纤维束(612)以及结合到所述未变形的纤维束(612)的表面(616)的至少一个所述销(308)。
5.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中至少一个所述纤维束(304)包括未磨损的纤维(614)以及结合到所述未磨损的纤维(614)的表面(618)的至少一个所述销(308)。
6.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中至少一个所述销(308b)在所述片之间较宽。
7.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中所述销(308)结合到所述树脂(348)和所述纤维束(304)。
8.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中每个所述销(308)在所述空间(306)之间从锚固件(602)拉出。
9.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300c、300d、300e、300f、300g)，其中所述纤维束(304)设置在片(302)中并且至少一个所述销(308a)不延伸穿过所有所述片(302)。
10.根据权利要求1或2所述的复合制品(300b、300c、300d、300e、300f、300g)，其中所述纤维束(304)设置在片(302)中并且至少一个所述销(308c)延伸穿过所有所述片(302)。
11.根据权利要求1或2所述的复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)，还包括沉积在所述片(302)的任一侧上的材料(322)的层(350)，其中所述销(308)接合到所述片(302)的任一侧上的材料(322)的层(350)。
12.一种制造复合制品(300a、300b、300c、300d、300e、300f、300g)的方法，包括：
(a)提供多个纤维束(304)和由所述纤维束(304)界定的空间(306)；以及
(b)在多个所述空间(306)中沉积材料(322)，以形成多个销(308)，每个所述销(308)穿过不同的一个所述空间(306)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述纤维束设置在一个或多个片中，所述方法还包括：
重复步骤(a)和(b)，使得在沉积每个片(302)之后，逐片(302)地将所述材料(322)沉积在空间(306)中，其中沉积在下一片(302)中的空间(306)中的至少一些材料(322)与沉积在前一片(302)中的空间(306)中的材料(322)对齐并连接，以形成延伸穿过多个所述片(302)的所述销(308)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述纤维束设置在一个或多个片中，所述方法还包括：
重复步骤(a)以获得沉积在彼此上部的多个片(302)；以及
在重复步骤之后，执行步骤(b)以形成延伸穿过至少一些所述片(302)的所述销(308)。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述纤维束设置在一个或多个片中，所述方法还包括在形成销(308)之后，在后处理步骤中加热所述销(308)和所述片(302)，以增加所述销(308)与所述纤维束(304)的结合。
16.根据权利要求12或13所述的方法，还包括使用增材制造技术沉积所述材料(322)，其中在使用所述增材制造技术沉积所述材料(322)期间，所述销(308)结合到所述纤维束(304)。
17.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述材料(322)的沉积包括：
(i)将所述材料(322)从出口(450)沉积到基层(408)上并进入一个所述空间(306)中，同时使所述出口(450)和所述基层(408)相对于彼此移动，首先在x-y平面(412)上移动然后在z方向(414)上移动，以在所述基层(408)上形成锚固件(602)；
(ii)使所述出口(450)和所述基层(408)相对于彼此移动而没有从所述出口(450)进料所述材料(322)，从而拉出所述锚固件(602)的一部分以形成所述销(308)；
(iii)从所述出口(450)释放所述销(308)并使所述出口(450)和所述基层(408)相对于彼此移动，使得所述出口(450)位于下一个所述空间(306)的上方；以及
(iv)重复步骤(i)-(iii)以产生多个所述销(308)。
18.根据权利要求12-17所述的方法，其中：
所述纤维束设置在一个或多个片中，
所述纤维束(304)各自具有至少2mm的直径并且包括至少1000个纤维，所述纤维包括选自热塑性材料、玻璃纤维、凯夫拉和碳的至少一种材料(322)，
所述空间(306)各自具有至少2mm的直径，
所述片(302)各自具有2-10mm范围内的厚度，
所述销(308)各自具有2-5mm范围内的厚度，并包括选自聚酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚苯砜及它们的混合物的至少一种热塑性材料，
所述销(308)各自具有1-3mm范围内的长度，
所述复合制品(300a、300b、300c、300d)具有在10mm-1m范围内的总厚度，并且
所述纤维束(304)包括选自玻璃纤维、凯夫拉和碳的至少一种材料。
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