CN113246585B - 制作泡沫夹芯预成型体的打孔针、穿纱针、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料结构件用泡沫夹芯预成型体的制备工艺技术领域，更具体地，涉及一种制作泡沫夹芯预成型体的打孔针、穿纱针、系统及方法。本发明提供的一种用于制作泡沫夹芯预成型体的打孔针，其为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的打孔部，所述夹持部为截面为多边形的柱状结构，以便于夹持；所述打孔部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或齿轮状。本发明利用该打孔针，并且将打孔和缝合分两步完成，能够有效避免缝合过程中，纤维与实体泡沫摩擦而导致的起毛、断纱等现象，从而达到提高生产效率的目的。且能够避免在树脂真空导入时，避免通孔部分的树脂含量过高的问题。

Description

制作泡沫夹芯预成型体的打孔针、穿纱针、系统及方法

技术领域

本发明属于复合材料结构件用泡沫夹芯预成型体的制备工艺技术领域，更具体地，涉及一种制作泡沫夹芯预成型体的打孔针、穿纱针、系统及方法，更具体地，涉及一种制作高抗压、抗剪结构泡沫夹芯预成型体的打孔针、打孔装置及缝合方法。

背景技术

传统夹芯结构是由上下两层薄而刚的面板和中间一层轻而厚的芯材粘接而成的轻质高强结构，中间粘接较厚的芯材使得上下面板远离中性面，大大增加了结构的截面惯性矩，充分发挥了面板的抗弯性能。夹芯结构在整体结构重量微小增加的情况下，能够大幅度提高结构的弯曲性能。夹芯结构在承受平压载荷时，泡沫芯材承担主要载荷；夹芯结构承受弯曲载荷时，上下面板承受拉压载荷，而泡沫芯材主要承受剪切作用力；在侧压载荷下，主要体现面板的面内压缩性能，面板和泡沫芯材的结界面合力以及泡沫芯材的综合性能。

由于泡沫夹芯复合材料结构的特殊性，使其具有很好的力学性能，同时泡沫芯材具有诸多功能特性，因此，泡沫夹芯复合材料能够实现结构功能一体化的要求。结构方面，根据层合板理论，复合材料的弯曲刚度与其整体厚度密切相关，由于泡沫夹芯结构上下面板之间存在厚尺寸的泡沫芯材，增大了结构的截面惯性矩，从而大幅度提高结构的弯曲刚度。传统的复合材料层合板要达到高的刚度要求，必须要增加材料的使用量，这无疑大幅度增加了整体结构的重量，而泡沫夹芯结构在整体重量基本保持不变的情况下，大幅度提高力学性能，实现轻质高强的设计要求。功能方面，泡沫芯材通常具有良好的保温、隔热、隔音和优良的电绝缘性等。

由于泡沫夹芯复合材料具有以上良好的结构功能特性，已广泛应用于航空航天、风力发电叶片、高速列车、建筑、医疗设备等领域。然而对于传统的泡沫夹芯结构而言，其面板和泡沫芯材间是通过粘结剂或夹芯结构成型过程中的树脂粘接而成的，其界面的结合强度一般比较低，并且泡沫型芯本身具有压缩强度也很低。这样，大大限制了泡沫夹芯结构的应用范围，如很低的平压强度和模量；在弯曲或剪切载荷下，容易出现面板和泡沫型芯界面脱粘破坏和泡沫型芯剪切破坏等破坏模式；在冲击载荷作用下，容易出现面板和泡沫型芯界面的分层破坏，从而降低结构的冲击损伤容限。

虽然，专利文献CN106494022A公开了一种点阵增强泡沫夹芯预成型体及其制备方法和应用，采用纱线将上下层纤维和泡沫链式缝合，提高了真空导入模塑工艺过冲中预成型体的抗冲刷能力，且铺层纤维不会变形，然而该种方法采用机械化缝合，即在针头前端穿纱，通过机械力插入型芯泡沫导入纱线，由于纱线与型芯泡沫间的机械摩擦，经常出现纱线起毛、断纱等情况，一旦出现断纱就要重新穿纱，导致生产效率低，穿入型芯泡沫中纱线的松紧程度不一等，同时，由于穿刺形成的实体圆孔较大，在复合材料成型工艺中，不可避免地导致局部含胶量高等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种制作泡沫夹芯预成型体的打孔针、穿纱针、系统及方法，通过对打孔针、穿纱针的结构进行重新设计，并对打孔系统和打孔方法进行调整，将打孔和缝合分两步完成，以解决现有泡沫夹芯预成型体打孔穿刺过程中纤维起毛、断纱、生产效率不高以及圆孔部位树脂含量过高等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种泡沫夹芯预成型体，其包括第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层和纱线，所述泡沫芯材位于所述第一蒙布层和第二蒙布层之间，形成夹芯结构，所述纱线穿过所述夹芯结构，并将所述第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层连接起来。

优选地，所述纱线与所述夹芯结构所在平面的夹角为45～90°。

按照本发明的另一个方面，提供了一种用于制备所述的泡沫夹芯预成型体的打孔针，其为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的打孔部，所述夹持部为截面为多边形的柱状结构，以便于夹持；所述打孔部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或齿轮状。

优选地，所述夹持部的截面为四边形。

优选地，所述打孔部的截面为三角星形、四角星形、五角星形或六角星形；所述打孔部的截面最大尺寸与所述夹持部的尺寸相同。

优选地，所述打孔针其打孔部椎体结构的锥度为5～15°。

按照本发明的另一个方面，提供了一种与所述打孔针相配合的穿纱针，其为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的穿纱部，所述夹持部的结构尺寸与所述打孔针的夹持部其结构尺寸相同；所述穿纱部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或齿轮状，该椎体结构与所述打孔针的椎体结构尺寸和形状相同；且所述穿纱部尖端设置有穿纱孔，用于供纱线穿入；所述穿纱孔上部设置有凹槽，用于使具有渐开线线型的钩针沿切向将纱线从所述穿纱孔中勾出。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的打孔针与所述的穿纱针制备所述的泡沫夹芯预成型体的系统，其包括夹芯结构推送单元、打孔单元和穿纱单元，其中：

所述夹芯结构推送单元用于通过传送装置将第一蒙布层、泡沫芯材以及第二蒙布层形成的夹芯结构推送至打孔单元；

所述打孔单元用于利用所述的打孔针对所述夹芯结构进行打孔，得到打孔后的夹芯结构；

所述穿纱单元用于对所述打孔后的夹芯结构在对准的孔处、利用如权利要求7所述的穿纱针进行穿纱，得到穿入纱线后的夹芯结构，加工成型后即得到所述泡沫夹芯预成型体。

优选地，所述打孔单元包含打孔针盘和连接机构，所述打孔针盘包括若干个直梳状打孔针排，每一个所述直梳状打孔针排包含一排固定连接在直梳梳柄下的所述打孔针，每一个打孔针排通过所述连接机构与所述打孔针盘活动连接，以使各打孔针排在所述打孔针盘上均具有前、后、左和右四个方向上的移动自由度。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的系统制备所述泡沫夹芯预成型体的方法，包括如下步骤：

(1)利用所述的打孔针对所述夹芯结构进行打孔，得到打孔后的夹芯结构；

(2)利用所述的穿纱针对所述打孔后的夹芯结构进行穿纱，得到穿入纱线后的夹芯结构；加工成型后得到所述泡沫夹芯预成型体

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于打孔和缝合分步完成，能够有效避免缝合过程中，纤维与实体泡沫摩擦而导致的起毛、断纱等现象，从而达到提高生产效率的目的。并且由于本发明特殊结构的打孔针，相对于现有技术打孔形成的圆柱形通孔，本发明特殊截面结构的通孔，在后段工序中比如在树脂真空导入时，通孔部分的树脂含量大大降低。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种泡沫夹芯预成型体，其包括第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层和纱线，所述泡沫芯材位于所述第一蒙布层和第二蒙布层之间，形成夹芯结构，所述纱线穿过所述夹芯结构，并将所述第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层连接起来。

(2)本发明提供的一种用于制作泡沫夹芯预成型体的打孔针，其为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的打孔部，所述夹持部为截面为多边形的柱状结构，以便于夹持；所述打孔部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或齿轮状。多角星形或齿轮状的截面形状使得在泡沫型芯层上打孔后并非形成完整的孔洞，而是在孔内部四周均布着多个三角形泡沫凸起。这样，在下一步穿纱时，只要穿刺纱线的针的结构与打孔针结构类似，并且装配方向一致时，就可以大大减少纱线与型芯泡沫的挤压摩擦，从而有效解决起毛、断纱的可能，极大地提高了生产效率；同时，由于多个向内的三角形泡沫凸起，大大减小了树脂填充量，有效的避免了打孔部位树脂含量过高的问题。

(3)本发明提供的泡沫夹芯预成型体的制备中将打孔和穿纱分步进行，且配合本发明提出的特定结构特点的打孔针，可以避免传统方法中打孔和穿纱同步进行导致的起毛、断纱、生产效率不高以及圆孔部位树脂含量过高等问题。

(4)本发明提出的泡沫夹芯预成型体制备中采用的包含特定打孔针的梳子式打孔针排，根据需要可以装配1排或多排，每个针排可以长孔独立地前、后、左和右四个自由度的调节，因此在打孔时可根据需要调整打孔针阵列的行距，调控打孔密度，从而获得具有不同纤维柱含量的泡沫夹芯预成型体。

附图说明

图1是本发明一些实施例中制作泡沫预成型体的打孔针结构示意图；

图2是图1所示打孔针其打孔部的截面示意图；

图3是本发明一些实施例中与制作泡沫预成型体的打孔针排示意图；

图4是本发明一些实施例中与制作泡沫预成型体的打孔针相配合的穿纱针的结构示意图；其内容(a)为穿纱针的正视图；内容(b)为穿纱针的侧视图；

图5是本发明一些实施例中泡沫夹芯预成型体的制备系统示意图；

图6是本发明一些实施例中制作得到的泡沫夹芯预成型体的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种泡沫夹芯预成型体，其包括第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层和纱线，所述泡沫芯材位于所述第一蒙布层和第二蒙布层之间，形成夹芯结构，所述纱线穿过所述夹芯结构，并将所述第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层连接起来。

一些实施例中，通过首先采用打孔针对该夹芯结构进行逐个打孔，然后采用穿纱针将纱线穿入打好的孔洞中，所述纱线与所述夹芯结构所在平面的夹角可以为45～90°，根据应用需求自行选择。穿过所述夹芯结构的纱线可以是连续的一根纱线，也可以每一个孔洞中具有一根独立的纱线。

一些实施例中，所述第一蒙布层和第二蒙布层各自独立地为玻璃纤维、碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维等各种编织形式的织物；所述泡沫芯材为聚氨酯泡沫、PVC泡沫或PET泡沫等，其中泡沫芯材的厚度为10-100cm。

在现有的制备泡沫夹芯预成型体方法中，部分现有技术直接将纺织针刺技术应用于此，即通过将穿有纱线的打孔针扎入由第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层构成的夹芯结构的之间，即在针头前端穿纱，通过机械力插入型芯泡沫导入纱线，由于纱线与型芯泡沫间的机械摩擦，经常出现纱线起毛、断纱等情况，一旦出现断纱就要重新穿纱，导致生产效率低，穿入型芯泡沫中纱线的松紧程度不一等，同时，由于穿刺形成的实体圆孔较大，在复合材料成型工艺中，不可避免地导致局部含胶量高等问题。

为此，本发明提供了一种全新的泡沫夹芯预成型体制备思路，即将打孔和穿纱分为两个步骤，分步进行，而且提出一种具有特定的截面结构的打孔针，能够很好地解决上述纱线起毛、断纱、局部含胶量过高等问题。

具体来说，本发明提供的用于制备泡沫夹芯预成型体的打孔针，如图1所示，其为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的打孔部，所述夹持部截面为多边性的柱状结构，优选截面为四边形，以便于夹持；所述打孔部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或，比如三角星形、四角星形、五角星形、六角星形等，甚至是锯齿状的齿轮截面形状，这样使得该打孔针在夹芯结构上打孔后并非形成截面为规则圆形的孔洞，而是在孔内部四周均匀布设有多个三角形或近似三角形的泡沫凸起，这样，在下一步穿纱时，只要穿刺纱线的针的结构与打孔针结构类似，并且装配方向一致时，就可以大大减少纱线与型芯泡沫的挤压摩擦，从而有效解决起毛、断纱的可能，极大地提高了生产效率；同时，由于多个向内的三角形泡沫凸起，大大减小了树脂填充量，有效的避免了打孔部位树脂含量过高的问题。

一些优选实施例中，该打孔针截面为如图2所示的四角星形，其结构类似筷子的形状，锥度5～15°(视型芯泡沫的密度不同而不同)，上段是方头，便于夹持，下段是沿轴向均匀4个V型槽，V型槽最大开口尺寸与方头边长相等，使得在泡沫型芯层上打孔后并非形成完整的孔洞，而是在孔内部四周均布着4个三角形泡沫凸起。这样，在下一步穿纱时，只要穿刺纱线的针的结构与打孔针结构类似，并且装配方向一致时，就可以大大减少纱线与型芯泡沫的挤压摩擦，从而有效解决起毛、断纱的可能，极大地提高了生产效率；同时，由于4个向内的三角形泡沫凸起，孔相对截面积变小，将该泡沫夹芯预成型体进行具体应用而灌注树脂时，大大减小了树脂填充量，有效的避免了打孔部位树脂含量过高的问题。

本发明的打孔针在打孔时其下段打孔部首先与由第一蒙布层、泡沫芯材和第二蒙布层逐层叠加构成的夹芯结构相接触，一些实施例中所述打孔部的截面形状为多角星形或锯齿状。多角星形锯齿状的打孔针针尖截面使得对该夹芯结构进行打孔后，获得的孔其外周为多角星形或锯齿形，这样待下一步将纱线穿入该多角星形或锯齿状孔通道时，相对于传统的圆形或方形等光滑孔通道，能够增大纱线与该孔通道的摩擦力，而不容易从孔通道中脱离，进而确保制备得到的泡沫夹芯预成型体能够禁受搬运、碰撞等运输或其他的操作，确保纱线能够很好地稳定在该预成型体结构中，进而确保该成型体较高的抗压强度和抗剪切强度等。

本发明提出的用于制作泡沫夹芯预成型体的打孔针，由于其特定的椎体结构以及截面形状，其打出的孔外周为多角星形或锯齿形。一些实施例中，该打孔针打出的孔其外周所在的圆形的直径为2-4mm，打出的孔其最大的径向尺寸为1.5mm左右，一般单股纱线的直径为0.5-0.8mm左右。

本发明还提供了一种与上述打孔针相配合的穿纱针，如图4内容(a)和内容(b)所示，该穿纱针与打孔针尺寸形状基本相同，其也为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的穿纱部，所述夹持部的结构尺寸与所述打孔针的夹持部其结构尺寸相同；所述穿纱部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或齿轮状，该椎体结构与所述打孔针的椎体结构尺寸和形状相同；且所述穿纱部尖端设置有穿纱孔，用于供纱线穿入；所述穿纱孔上部设置有凹槽，用于使具有渐开线线型的钩针沿切向将纱线从所述穿纱孔中勾出。纱线被钩针勾出后留在孔内，而钩针退出进行下一个孔的穿纱操作。

本发明还提供了一种利用上述打孔针进行泡沫夹芯预成型体的制备系统，如图5所示，其包括夹芯结构推送单元①、打孔单元②、穿纱单元③以及成型单元④，所述夹芯结构推送单元用于通过传送装置将第一蒙布层、泡沫芯材以及第二蒙布层形成的夹芯结构推送至打孔单元。所述夹芯结构推送单元用于通过传送装置将第一蒙布层、泡沫芯材以及第二蒙布层形成的夹芯结构推送至打孔单元；打孔单元用于利用所述的打孔针对所述夹芯结构进行打孔，得到打孔后的夹芯结构；穿纱单元用于对所述打孔后的夹芯结构在对准的孔处、利用所述的穿纱针进行穿纱，得到穿入纱线后的夹芯结构，加工成型后即得到所述泡沫夹芯预成型体。

一些实施例中，所述打孔单元包含打孔针盘和连接机构，所述打孔针盘包括若干个直梳状打孔针排，如图3所示，每一个所述直梳状打孔针排包含一排固定连接在直梳梳柄2下的所述打孔针1，每一个打孔针排通过所述连接机构与所述打孔针盘活动连接，以使各打孔针排在所述打孔针盘上均具有前、后、左和右四个方向上的移动自由度，从而可以调控打孔行间距，以调控制备得到的泡沫夹芯预成型板的抗压强度和抗剪切强度。打孔部用于对所述夹芯结构进行打孔，得到打孔后的夹芯结构。所述穿纱部用于对打孔后的夹芯结构进行穿纱，使纱线依次穿过所述夹芯结构的孔通道，使纱线穿过所述夹芯结构，并将所述第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层连接起来，得到穿纱后的夹芯结构；如图6所示，对穿纱后的夹芯结构进行切割、打包、包装后即得到本发明所述的泡沫夹芯预成型体。

一些实施例中，用于连接打孔针盘和打孔针阵列的连接机构为长孔连接，且长孔上设置有调整标尺，便于调节打孔针至合适的位置进行打孔。

一些实施例中，所述夹芯结构推送部包含用于传送泡沫芯材的传送带、用于传送第一蒙布层的第一推送滚以及用于传送第二蒙布层的第二推送滚，也可以为其它传送装置，只要能够将第一蒙布层、泡沫芯材以及第二蒙布层形成的夹芯结构推送至打孔部即可。

本发明所述打孔单元和穿纱单元可以通过现有技术中气动、电动等机械控制方式实现其打孔和穿纱的上下往复运动，完成所述打孔和穿纱过程。

本发明采用上述制备系统进行泡沫夹芯预成型体的加工和生产，其打孔和穿纱分步进行，在对打孔后的夹芯结构进行穿纱时，需要注意精准定位，可采用常用的定位机构，确保穿纱于相应的孔通道中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种与打孔针相配合的穿纱针，其特征在于，所述打孔针为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的打孔部，所述夹持部为截面为多边形的柱状结构，以便于夹持；所述打孔部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或齿轮状；

所述穿纱针为实心柱状结构，其包括上段的夹持部与下段的穿纱部，所述夹持部的结构尺寸与所述打孔针的夹持部其结构尺寸相同；所述穿纱部为自上而下直径逐渐变小的椎体结构，其截面为多角星形或齿轮状，该椎体结构与所述打孔针的椎体结构尺寸和形状相同；且所述穿纱部尖端设置有穿纱孔，用于供纱线穿入；所述穿纱孔上部设置有凹槽，用于使具有渐开线线型的钩针沿切向将纱线从所述穿纱孔中勾出。

2.如权利要求1所述的穿纱针，其特征在于，所述夹持部的截面为四边形。

3.如权利要求1所述的穿纱针，其特征在于，所述打孔部的截面为三角星形、四角星形、五角星形或六角星形；所述打孔部的截面最大尺寸与所述夹持部的尺寸相同。

4.如权利要求1所述的穿纱针，其特征在于，所述打孔针其打孔部椎体结构的锥度为5～15°。

5.一种利用如权利要求1至4任一项所述的穿纱针制备泡沫夹芯预成型体的系统，所述泡沫夹芯预成型体包括第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层和纱线，所述泡沫芯材位于所述第一蒙布层和第二蒙布层之间，形成夹芯结构，所述纱线穿过所述夹芯结构，并将所述第一蒙布层、泡沫芯材、第二蒙布层连接起来；其特征在于，该系统包括夹芯结构推送单元、打孔单元和穿纱单元，其中：

所述夹芯结构推送单元用于通过传送装置将第一蒙布层、泡沫芯材以及第二蒙布层形成的夹芯结构推送至打孔单元；

所述打孔单元用于利用所述的打孔针对所述夹芯结构进行打孔，得到打孔后的夹芯结构；

所述穿纱单元用于对所述打孔后的夹芯结构在对准的孔处、利用所述的穿纱针进行穿纱，得到穿入纱线后的夹芯结构，加工成型后即得到所述泡沫夹芯预成型体。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述打孔单元包含打孔针盘和连接机构，所述打孔针盘包括若干个直梳状打孔针排，每一个所述直梳状打孔针排包含一排固定连接在直梳梳柄下的所述打孔针，每一个打孔针排通过所述连接机构与所述打孔针盘活动连接，以使各打孔针排在所述打孔针盘上均具有前、后、左和右四个方向上的移动自由度。

7.一种利用如权利要求5或6所述的系统制备所述泡沫夹芯预成型体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用所述的打孔针对所述夹芯结构进行打孔，得到打孔后的夹芯结构；

(2)利用所述的穿纱针对所述打孔后的夹芯结构进行穿纱，得到穿入纱线后的夹芯结构；加工成型后得到所述泡沫夹芯预成型体。

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