CN113882090B - 基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法及装置，属于三维复合材料预制体技术领域，其方法主要分为以下步骤：步骤一，两层二维复合材料预制体的缝合；步骤二，三维复合材料预制体的制备。其装置包括移动装置、缝合头和缝合头运动装置。本发明的制备方法可以得到层间断裂韧性好、层间连接强度高的三维复合材料预制体，本发明的装置简单有效，可以实现大型预制体的制备。

Description

基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法及装置
技术领域
本发明属于三维复合材料预制体技术领域，具体涉及一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法及装置。
背景技术
三维复合材料因为具有高比强度、耐腐蚀、抗疲劳等优异的性能而被广泛应用于军工、航天、汽车等领域。
传统的三维复合材料形成方法是将二维复合材料按制品结构裁剪出对应的形状并按照某种角度铺设出层叠状的层合板预制品，然后将其固化成型得到三维制品，但是其在垂直纤维方向上主要凭借树脂基体进行粘结和传递载荷，因此力学性能较弱、层间强度低、冲击韧性差、易发生分层破坏。除此之外还有z-pin层间增强、三维编织等方法。z-pin层间增强技术是在预制件厚度方向上嵌入高强度的纤维或金属等刚性短棒，该方法虽然能够显著提高层合板的抗分层韧性，但是同时也会对纤维造成波动与损伤。三维编织技术工艺较为繁琐，并且由于设备的限制，目前仅能实现小型预制体的加工。
因此如何提供一种三维复合材料预制体制备方法及装置，能够制备大型预制体的同时显著增强三维复合材料预制体的层间断裂韧性和层间连接强度是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够制备大型预制体，并且显著增强三维复合材料预制体的层间断裂韧性和层间连接强度的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法及装置。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：两层二维复合材料预制体的缝合：带有缝合线的引线针在曲柄摇杆机构的驱动下以一定角度穿过二维复合材料预制体，并继续运动至一定位置处再次穿过预制体后沿原路返回，在引线针返回的过程中，由于缝合线和预制体之间的摩擦力导致缝合线积聚形成线圈；当线圈的形态到达最佳时，挡线针钩取线圈；引线针继续以一定角度穿过上一次形成的线圈，并从线圈处通孔中穿过后继续运动至一定位置处再次穿过预制体后沿原路返回，形成新线圈，与此同时，挡线针钩取新线圈，在挡线针和引线针的作用下，线圈被锁结，完成一个缝合周期；在经历上述多个缝合周期之后，便会形成连续的单边链式缝合线迹，在完成一条缝合线迹之后，引线针和挡线针向右侧移动一定距离，继续进行缝合工作，直至最右侧的线迹缝合完成；
步骤二：三维复合材料预制体的制备：将多个已经缝好的两层复合材料预制体叠在一起，继续按照上述方法进行缝合，缝合完成之后继续叠加多个已经缝好的两层复合材料预制体进行缝合，重复该步骤，直至得到一定层数的三维复合材料预制体。
优选地，步骤一中所述引线针为弯月形针，针头处带有通孔。
优选地，步骤一中引线针向前移动距离为10-20mm，两条线迹之间的距离为7-15mm。
优选地，步骤二中最终得到的三维复合材料预制体层数为6-30层。
优选地，只用一根缝合线便可完成一条所述缝合线迹。
本发明的另一目的通过以下技术方案实现：
一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备装置，包括移动装置、缝合头和缝合头运动装置，所述缝合头包括机架和安装于机架上的曲柄摇杆机构、凸轮机构、引线针和挡线针，所述引线针由曲柄摇杆机构传动，所述挡线针由凸轮机构传动，所述缝合头运动装置包括缝合头运动轨道和安装于缝合头运动轨道两端的齿轮，所述移动装置包括移动架，安装于移动架上的齿条和安装于移动架底部的移动车轮，所述缝合头的机架与缝合头运动轨道滑动连接，沿着缝合头运动轨道做周期运动，所述缝合头运动轨道通过两端的齿轮与移动装置的齿条相连，移动装置带动缝合头运动装置和缝合头移动至工作位置。
优选地，所述移动装置的齿条与缝合头运动装置的缝合头运动轨道垂直，所述缝合头运动装置可以在移动装置上进行上下运动。
优选地，所述曲柄摇杆机构由电机驱动，该曲柄摇杆机构的摇杆与引线针同轴安装，带动引线针在竖直平面内往复摆动。
优选地，所述凸轮机构由电机驱动，带动挡线针在竖直平面内上下移动。
优选地，所述缝合头在气缸的驱动下沿缝合头轨道做往复移动。
优选地，所述齿轮在电机的驱动下带动缝合头轨道沿齿条上下移动。
优选地，所述移动车轮在电机的驱动下带着移动架移动。
由于采用上述技术方案，本发明公开了一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法及装置，具有以下有益效果：1、使用本发明的方法可以得到层间断裂韧性好、层间连接强度高的三维复合材料预制体；2、使用本申请的装置可以在预制体表面移动，进而实现对大型预制体的制备。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，在附图中：
图1是本发明三维复合材料预制体制备方法中形成线圈的过程示意图。
图2是本发明三维复合材料预制体制备方法中钩取线圈的过程示意图。
图3是本发明三维复合材料预制体制备方法中锁结线圈的过程示意图。
图4是本发明三维复合材料预制体制备方法中二维预制体缝合完成后线迹分布及挡线针和引线针位置关系示意图。
图5是本发明三维复合材料预制体制备方法中多层二维预制体缝合示意图。
图6是本发明三维复合材料预制体制备装置中缝合头的结构示意图。
图7是本发明三维复合材料预制体制备装置的结构示意图。
图中：
1、引线针 2、挡线针
3、线圈 4、二维复合材料预制体
5、新线圈 6、缝合线迹
7、两层复合材料预制体 8、移动装置
9、缝合头 10、缝合头运动装置
11、曲柄摇杆机构 12、凸轮机构
13、机架 14、齿轮
15、齿条 16、移动车轮
17、移动架 18、缝合头运动轨道
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。
如图1至图7所示，本发明的一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备装置，包括移动装置8、缝合头9和缝合头运动装置10，缝合头9包括机架13和安装于机架13上的曲柄摇杆机构11、凸轮机构12、引线针1和挡线针2，引线针1由曲柄摇杆机构11传动，挡线针2由凸轮机构12传动，缝合头运动装置10包括缝合头运动轨道18和安装于缝合头运动轨道18两端的齿轮14，移动装置8包括移动架17，安装于移动架17上的齿条15和安装于移动架17底部的移动车轮16，缝合头9的机架13与缝合头运动轨道18滑动连接，缝合头9在气缸的驱动下沿着缝合头运动轨道18做周期往复运动，缝合头运动轨道18通过两端的齿轮14与移动装置8的齿条15相连，移动装置8带动缝合头运动装置10和缝合头9移动至工作位置，移动装置8的齿条15与缝合头运动装置10的缝合头运动轨道18垂直，齿轮14在电机的驱动下带动缝合头轨道18沿齿条15上下移动，即缝合头运动装置10可以在移动装置8上进行上下运动，曲柄摇杆机构11由电机驱动，该曲柄摇杆机构11的摇杆与引线针1同轴安装，带动引线针1在竖直平面内往复摆动；凸轮机构12由电机驱动，带动挡线针2在竖直平面内上下移动，移动车轮16在电机的驱动下带着移动架17移动。
一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：两层二维复合材料预制体的缝合：缝合头9在移动车轮16的带动下到达二维复合材料预制体4的缝合区域，接着在齿轮14的作用下向下运动至二维复合材料预制体4表面一定距离处，带有缝合线的引线针1在曲柄摇杆机构11的驱动下以一定角度穿过二维复合材料预制体4，并继续向前运动至一定位置处再次穿过二维复合材料预制体4后沿原路返回，在引线针1返回的过程中，由于缝合线和二维复合材料预制体4之间的摩擦力导致缝合线积聚形成线圈3；当线圈3的形态到达最佳时，挡线针2钩取线圈3；带有缝合线的引线针1继续以一定角度穿过上一次形成的线圈3，并从线圈3处通孔中穿过后继续运动至一定位置处再次穿过二维复合材料预制体4后沿原路返回，形成新线圈5，与此同时，挡线针2钩取新线圈5，在挡线针2和引线针1的作用下，线圈3被锁结，完成一个缝合周期；在经历上述多个缝合周期之后，便会形成连续的单边链式缝合线迹6，在完成一条缝合线迹6之后，缝合头9在气缸的驱动下沿着缝合头运动轨道10向右侧移动一段距离，继续进行缝合工作，直至最右侧的线迹缝合完成；
步骤二：三维复合材料预制体的制备：将多个已经缝好的两层复合材料预制体7叠在一起，继续按照上述方法进行缝合，缝合完成之后继续叠加多个已经缝好的两层复合材料预制体7进行缝合，重复该步骤，直至得到一定层数的三维复合材料预制体。
其中，步骤一中的引线针1为弯月形针，针头处带有通孔；步骤一中引线针1向前移动距离为10-20mm，两条线迹之间的距离为7-15mm；步骤二中最终得到的三维复合材料预制体层数为6-30层。
本发明只用一根缝合线便可完成一条所述缝合线迹。
以上对本发明的实例进行了详细说明，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，凡依本发明范围所作的变化与改进等，均仍属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：两层二维复合材料预制体的缝合：带有缝合线的引线针在曲柄摇杆机构的驱动下以一定角度穿过二维复合材料预制体，并继续运动至一定位置处再次穿过预制体后沿原路返回，在引线针返回的过程中，由于缝合线和预制体之间的摩擦力导致缝合线积聚形成线圈；当线圈的形态到达最佳时，挡线针钩取线圈；引线针继续以一定角度穿过上一次形成的线圈，并从线圈处通孔中穿过后继续运动至一定位置处再次穿过二维复合材料预制体后沿原路返回，形成新线圈，与此同时，挡线针钩取新线圈，在挡线针和引线针的作用下，线圈被锁结，完成一个缝合周期；在经历多个上述缝合周期之后，便会形成连续的单边链式缝合线迹，在完成一条缝合线迹之后，引线针和挡线针向右侧移动一定距离，继续进行缝合工作，直至最右侧的线迹缝合完成；
步骤二：三维复合材料预制体的制备：将多个已经缝好的两层复合材料预制体叠在一起，继续按照上述方法进行缝合，缝合完成之后继续叠加多个已经缝好的两层复合材料预制体进行缝合，重复该步骤，直至得到一定层数的三维复合材料预制体。
2.根据权利要求1所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法，其特征在于：步骤一中所述引线针为弯月形针，针头处带有通孔。
3.根据权利要求1所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法，其特征在于：步骤一中引线针向前移动距离为10-20mm，两条线迹之间的距离为7-15mm。
4.根据权利要求1所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法，其特征在于：步骤二中最终得到的三维复合材料预制体层数为6-30层。
5.根据权利要求1所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备方法，其特征在于：只用一根缝合线便可完成一条所述缝合线迹。
6.一种应用于权利要求1至5任一权利要求的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备装置，其特征在于：包括移动装置、缝合头和缝合头运动装置，所述缝合头包括机架和安装于机架上的曲柄摇杆机构、凸轮机构、引线针和挡线针，所述引线针由曲柄摇杆机构传动，所述挡线针由凸轮机构传动，所述缝合头运动装置包括缝合头运动轨道和安装于缝合头运动轨道两端的齿轮，所述移动装置包括移动架，安装于移动架上的齿条和安装于移动架底部的移动车轮，所述缝合头的机架与缝合头运动轨道滑动连接，沿着缝合头运动轨道做周期运动，所述缝合头运动轨道通过两端的齿轮与移动装置的齿条相连，移动装置带动缝合头运动装置和缝合头移动至工作位置。
7.根据权利要求6所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备装置，其特征在于：所述移动装置的齿条与缝合头运动装置的缝合头运动轨道垂直，所述缝合头运动装置可以在移动装置上进行上下运动。
8.根据权利要求6所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备装置，其特征在于：所述曲柄摇杆机构由电机驱动，该曲柄摇杆机构的摇杆与引线针同轴安装，带动引线针在竖直平面内往复摆动。
9.根据权利要求6所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备装置，其特征在于：所述凸轮机构由电机驱动，带动挡线针在竖直平面内上下移动。
10.根据权利要求6所述的基于单边缝合工艺的三维复合材料预制体制备装置，其特征在于：所述缝合头在气缸的驱动下沿缝合头轨道做往复移动；所述齿轮在电机的驱动下带动缝合头轨道沿齿条上下移动；所述移动车轮在电机的驱动下带着移动架移动。
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