CN112469551B - 用于制造由复合材料制成的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法。方法包括通过以下操作预先制造可选地预浸渍的纤维结构：‑对准和并置纤维(F)，而在返回元件(R)之间拉伸纤维，并使它们保持彼此隔开，从而得到第一层(C1)，‑在所述第一层(C1)上叠置以与第一个相同的方式得到的第二层(C2)，其中所述纤维(F)与第一层(C1)的纤维平行并与其隔开，‑重复叠置操作直到得到期望的厚度，‑通过符合其性质的方法硬化构成基质(M)的材料。

Description

用于制造由复合材料制成的部件的方法
技术领域
本发明的目的是一种用于制造包含纤维增强的热塑性或热固性基质的复合材料制成的部件的方法，以及由此得到的复合部件。
背景技术
应注意，术语“纤维”应理解为是指增强纤维能存在的所有形式，即，但非限制性地，为增强纤维股线或帘线。
由复合材料制成的部件的热塑性或热固性基质，其中嵌入有增强纤维，构成了薄弱点，且其通常含有树脂，因为它具有远低于纤维的特定强度。复合部件的断裂方式通常是粘结纤维的树脂断裂。
因此，正确设计复合部件会考虑到这种现象，并通过将拉伸力或压缩力纯粹施加到纤维上来促进力的传递，从而不会对树脂施加应力。因此，在设计和制造由复合材料制成的部件时，会试图使纤维定向为沿力的方向或沿相似方向。
此外，为了优化待制造的部件的机械强度，还需要防止纤维起褶或不成直线，因此会试图实现完美的纤维平直度。
通常通过张紧纤维，例如通过在两个返回装置之间拉伸，来获得该平直度。这就是通常怎样实施将预浸渍纤维绕两个远隔的轴缠绕以形成绞线(skein)，如图1所示。
但是，尽管纤维在几次缠绕后仍保持完全平直，其在大量缠绕后是不同的，因为观察到纤维的丰度(abundance)，这导致轴的水平上的厚度增加，中间部分的横向膨胀，轴间空间的填充，这个区域中与纤维折叠关联，因此纤维不再是直线的。
从GB 2082541中已知制造包含增强纤维的复合板，所述增强纤维缠绕在模板上布置的固定点周围，此外，这些纤维中有一些在横向条的下方和上方相继交替通过，这确保了要制造的板的张力和厚度体积。尽管横向条允许纤维被拉紧，但这种拉力不能使纤维完全平直，因为纤维也要在模板的固定点上缠绕数次，如图1中的绞线。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于制造包括纤维增强的热塑性或热固性基质的复合材料制成的部件的方法，其通过优化所述部件内的纤维的定向并且特别是平直来解决上述缺点。
本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法能自动化，因为知道由复合材料制成的部件的生产仍然需要太多人为干预，这在经济上是不利的。
根据本发明的包含纤维增强的热塑性或热固性基质的复合材料制成的部件的制造方法，其中纤维缠绕在返回元件之间并张紧，其特征在于，所述方法包括通过以下操作预先制造无论是否预浸渍的纤维的结构：
-对准和并置纤维，而在返回元件之间拉伸这些纤维，并使它们保持彼此隔开，以得到第一层，
-在所述第一层上叠置以与第一层相同的方式得到的第二层，其中纤维与第一层的纤维平行并与其保持间隔开，
-重复叠置操作，直到得到期望厚度，
-通过特定于其性质的方法来硬化构成基质的材料。
应注意，术语“硬化”以一般方式使用，例如，非限制性地，可为聚合，用于热塑性股线或通过回流沉积的线的冷却，喷射中沉积的粘合剂的溶剂的蒸发，在纤维上喷水以使纤维的润滑迁移到纤维的相交处并产生轻微的整体凝聚力。
因此，每个纤维都保持完全平直，不会影响相邻纤维的张力。
已知在仅以牵引/压缩方式工作的结构中，压缩由于屈曲总是首要问题。根据本发明，分离纤维的方式允许通过增加在这种网孔结构中得到的“基本束”的惰性(inertia)来增加其抗压缩屈曲性。
应注意，有利地，这些返回元件能在复合材料制成的部件内，并且因此它们能嵌入基质中。
根据本发明的方法的另一特征，为了使纤维重新平行化，执行绕返回元件的分隔空匝(dead turn)。
空匝包括绕返回元件的全转，而不是简单圈。
根据本发明的方法的另一额外特征，通过在其中插入元件来产生不同层之间的距离。
根据本发明的方法的另一具体实施方式，插入的元件包括以自动(robotic)方式沉积的间隔件。
根据本发明的方法的另一具体实施方式，夹层元件包括通过增材制造方法沉积的间隔件。
根据另一具体实施方式，这些层被叠置而通过由增材制造方法得到的间隔件来保持其间相对于相邻层的距离。
根据本发明的方法的一种具体实施方式，通过插入在不同于与其接触的所述一层或多层的纤维的方向上延伸的一层对准并且并置的纤维，这些层被叠置而保持其间相对于相邻层的距离。
根据本发明的方法的另一额外特征，通过第二树脂进行相交纤维的焊接。
这种焊接，通过该第二树脂的沉积，在一种操作中，非限制性地为模制，浇铸，浸渍，允许增加对构成要制成的网孔的股线的屈曲的抵抗。
根据本发明的方法的另一额外特征，纤维预先被热塑性或热固性材料单独覆盖以形成护套，该护套的厚度能够在并置和/或叠置的纤维之间产生距离。
根据本发明的方法的变型，保持平行并成对隔开的若干纤维被热塑性或热固性材料覆盖以形成护套，该护套的厚度能够确保并置和/或叠置的纤维之间的距离。
附图说明
本发明的用于制造由复合材料制成的部件的方法的效果和特征通过参照附图的以下说明将更清楚，其代表非限制性的相同实施例。
附图中：
图1示出了阐述现有技术的纤维缠绕的示意图；
图2示出了通过根据本发明的制造方法做出的复合材料制成的部件的一部分的横截面的示意图；
图3示出了相同制造方法的变型的示意图；
图4示出了相同制造方法的另一变型的示意图；
图5示出了根据相同方法的变型做出的复合材料制成的部件的相同示意图；
图6示出了制造复合材料制成的部件期间的相同方法的步骤的立体图。
具体实施方式
图1示出了用于制造由复合材料制成的部件的常规方法的步骤。因此，该方法包括通过在两个轴A和B上缠绕预浸渍的纤维F来制成绞线E。虽然理论上纤维拉伸于两个轴之间，但实际上观察到在A轴和B轴的水平上厚度增加，特别是在中间部分C中的横向膨胀以及在轴A和B之间的空间D的填充，与纤维F在该区域中的折叠相关联。因此，这样的方法不允许实现期望的目的，即纤维F是成直线的，以便不仅能够在牵引力下而且能够在压缩力下受力。
如已经提到的，术语“纤维”应理解为是指增强纤维能存在的所有形式，即，但非限制性地，为增强纤维股线或帘线。
现在参见图2，可以看到通过根据本发明的方法制成的部件P的一部分的横截面。
该部件P包括嵌入有增强纤维F的基质M。根据本发明的方法包括布置纤维F以使得它们保持对准，彼此平行并且特别是完全成直线。
为了实现该目的，纤维对准并且并置以形成一层，该层又被另一层覆盖。
应注意，术语“层”和“叠加”不是限制性的，它们不涉及强制性的定向，它们是为了易于理解而使用的。
在图1中，示出的复合部件的部分包括分别为四个纤维F的三个叠加层C1，C2和C3。
层C1是通过在未示出的返回装置之间拉伸四根纤维F同时使它们彼此隔开而得到的。
层C2是在层C1的顶部上做出，与层C1相距一定距离，并且以相同的方式，即通过在返回装置之间张紧纤维F而制成，并且对于层C3也是如此。
根据该实施例，两个连续层之间的距离是通过特定于每一层的返回装置得到的。
在构造这样的纤维F结构后，通过各种已知的方式将其嵌入基质M中，例如，非限制性地，浸渍，模制，浇铸，注入，喷涂。
现在参见图3，可见根据本发明的方法的一种变型，不通过特定于每一层的返回装置，而是通过在它们每个之间沉积间隔元件E，能实现保持两个连续层之间的距离。
间隔装置E可为不同类型，可包括，非限制性地，沿着与层C1，C2和C3的那些或树脂的那些不同而与组成基质M的那些相同的方向布置的纤维。
应注意，出于使根据本发明的制造方法自动化的目的，间隔元件E有利地能通过增材制造方法沉积于每层之间。
参见图4时，可以看到根据本发明的方法实施的另一变型，其中支撑纤维F的相同层C1，C2或C3的间隔元件E的特定位置允许这些层C1，C2或C3中的每一个成形以使他们例如具有弯曲的形状。
在示出的实施方式中，应注意，间隔元件E能由纤维组成，而其他间隔元件E’既设置在层C1，C2或C3之间，也设置在间隔件E之间。
图5示出了根据本发明的方法的另一实施变型。在该变型中，使用了涂覆有热塑性或热固性材料的F纤维或更具体地是股线，以便在它们的每一个周围形成具有选定厚度的护套G。
在制造该层C1，C2和C3时，护套G允许保持相同层的纤维F之间的距离，但也保持两个连续层的纤维之间的距离。
根据该变型，由于通过护套G得以保持纤维之间的距离，那么仅剩下要确保纤维的张力。
也可提供平行布置并且彼此两两规则地间隔开的若干纤维，整体由形成间隔装置的单个护套包围。
图6示出了在关联基质M的操作之前的、由复合材料制成的部件V的纤维结构F。
该部件V的制造类似于图4所示的方法。
部件V由平行的壁L和N的交点构成，其中壁L是平坦的，而壁N是围绕垂直于壁L的纵轴弯曲的。
壁L由层C1，C2…Cn的叠加组成，层C1，C2…Cn分别由并置的纤维F形成，通过它们在返回装置R(在这种情况下为销)上的张力而彼此保持间隔开，而在每个层C1，C2…Cn之间插入有纤维F的层C’1，C’2…C’n，层C’1，C’2…C’n彼此间隔开，在未示出的返回装置拉伸，允许通过逐渐偏移来执行壁N的弯曲成形。
不管根据本发明的方法的实施模式如何，都实现了期望的目标，即纤维的平直，其允许最佳的拉伸和压缩强度。
另一方面，根据本发明的方法是完全可自动化的，这构成了本发明的另一个目的。

Claims (11)

1.一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中所述纤维缠绕在返回元件之间并张紧，其中，所述方法包括通过以下操作预先制造无论是否预浸渍的纤维结构：
-对准、并置并保持所述纤维(F)按照第一方向彼此间隔开，同时在返回元件(R)之间拉伸所述纤维，从而得到第一层(C1)，
-按照与所述第一方向垂直的第二方向，在所述第一层(C1)顶部上叠置以与第一层相同的方式得到的第二层(C2)，其中所述第二层(C2)的所述纤维(F)与所述第一层(C1)的纤维平行并与其间隔开，
-重复所述叠置的操作，直到得到期望的厚度，
-通过特定于其性质的方法来硬化构成所述基质(M)的材料。
2.如权利要求1所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中执行绕所述返回元件(R)的分隔空匝以便使所述纤维(F)重新平行化。
3.如权利要求1或2所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中通过在其中插入元件(E,E’)来产生不同层之间的距离。
4.如权利要求3所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中被插入的元件包括以自动方式沉积的间隔件。
5.如权利要求3所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中被插入的元件包括通过增材制造方法沉积的间隔件。
6.如权利要求1所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中借助于由增材制造方法得到的间隔件保持所述层之间相对于相邻层的距离，所述层被叠置。
7.如权利要求1所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中通过插入在不同于与其接触的一层或多层的纤维的方向上延伸的一层对准并且并置的纤维，所述层被通过保持其间相对于相邻层的距离而叠置。
8.如权利要求7所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中借助于第二树脂进行相交纤维的焊接。
9.如权利要求1所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中所述纤维预先单独被热塑性或热固性材料覆盖以形成护套，所述护套的厚度能在并置和/或叠置的纤维之间产生距离。
10.如权利要求1所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法，其中所述纤维布置成多个在一起，保持平行并成对间隔开，并且被热塑性或热固性材料覆盖以形成护套，所述护套的厚度能在并置和/或叠置的纤维之间产生距离。
11.复合材料制成的部件，其中所述部件通过如权利要求1-10中任一项所述的一种用于制造包含用纤维(F)增强的热塑性或热固性基质(M)的复合材料制成的部件的方法得到。
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