NO321538B1 - Todimensjonal vevd duk for a utforme en struktur med tredimensjonal form. - Google Patents

Abstract

En vevd preform for et forsterket komposittmateriale som kan være vevd flatt og foldet i en form når fibrene ved foldingen er vevd for å kompensere for folding.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en todimensjonal vevd duk for å utforme en struktur som har en tredimensjonal form, ifølge kravinnledningen.

Bruken av forsterkede komposittmaterialer til å produsere strukturelle komponenter er nå utbredt, især for anvendelser hvor deres ønskede karakteristika er søkt, at de er lette, sterke, seige, termisk bestandige, selvunderstøttende og adapterbare til å bli dannet og formet. Slike komponenter er for eksempel brukt i aeronautisk, rom-, satelitt-, batteri-, rekreasjons- (som i racer båter og biler), og andre anvendelser.

Slike komponenter består typisk av et forsterkningsmateriale innlagt i matrisematerialer. Forsterkningskomponenten kan være laget av materialer så som glass, karbon, keramikk, aramid (for eksempel "Kevlar"), polyetylen, og/eller andre materialer som utviser ønskede fysiske, termiske, kjemiske og/eller andre egenskaper, hvorav den viktigste er stor styrke mot feiling på grunn av stress. Gjennom bruk av slike forsterkningsmaterialer, som til slutt blir et bestanddelselement av den komplette komponent, blir de ønskede karakteristikker av forsterkningsmaterialet, så som meget høy styrke, overført til den fullførte komposittkomponent. Bestanddel- forsterkningsmaterialet kan typisk være vevd, strikket eller på annen måte orientert til ønsket konfigurasjon og form for forsterkningsreformer. Vanligvis blir spesielt oppmerksomhet gitt for å sikre den optimale bruk av de egenskaper for hvilke bestanddelsmaterialet er valgt. Vanligvis blir slike forsterkningsfiberemner kombinert med matrisematerialer for å danne ønskede særlige komponenter eller for å produsere arbeidslager den endelige produksjon av ferdige komponenter.

Etter at den ønskede forsterkningsfiberemne er konstruert, kan matrisematerialet bli innført til å tre inn i fiberemnet, slik at forsterkningskomponenten blir omgitt av matrisematerialet, og matrisematerialet fyller tomrommene mellom bestanddels-elementene av forsterkningsfiberemnet. Matrisematerialet kan være hvilket som helst av en variant av materialer, så som epoksy, polyester, vinyl-ester, keramikk, karbon og/eller andre materialer, som også utviser ønskede fysiske, termiske, kjemiske og/eller andre egenskaper. Materialer valgt for bruk som matrise kan være eller ikke være de samme som forsterkningsfiberemnet, og kan ha eller ikke ha sammenliknbare fysiske, kjemiske, termiske eller andre egenskaper. Typisk vil det imidlertid ikke være av samme materiale eller ha sammenliknbare fysiske, kjemiske, termiske og andre egenskaper, siden et vanlig mål som er søkt ved bruk av kompositter for det første er å oppnå en kombinasjon av karakteristikker i det ferdige produkt som ikke kan oppnås gjennom bruk av et bestanddelsmateriale alene. Således kombinert, kan fiberemnet og matrisematerialet så bli herdet og stabilisert i samme operasjon ved termosetting eller andre kjente metoder, og så utsatt for andre operasjoner frem mot produksjon av den ønskede komponent. Det er viktig å bemerke at dette punkt, at etter å være således herdet, er de nå faste masser av matrisematerialet normalt sterkt festet til forsterkningsmaterialet (for eksempel forsterkning av fiberemnet). Som et resultat, vil stress på den ferdige komponent, spesielt via dens matrisemateriale som virker som et klebemiddel mellom fibrene bli effektivt overført til og båret av bestanddelsmaterialet av den forsterkende fiberemne. Det er ofte ønskelig å produsere komponenter i konfigurasjoner som er andre enn slike enkle geometriske former så som plater, luker, rektangulære eller kvadratiske faste stoffer osv. En måte å gjøre dette på er å kombinere slike fundamentale geometriske former til de ønskede, mer kompliserte former. I en slik typisk kombinasjon er laget for å sammenføye sterkningsfiberemner laget som beskrevet ovenfor i en vinkel (typisk en rett vinkel) i forhold til hverandre. Vanlige hensikter for slik vinkelanordning av sammenføyde forsterkningsformer er å skape en ønsket form for å danne en forsterkningsfiberemne som omfatter en eller flere vegger eller "T"-krysninger for eksempel, eller for å styrke den resulterende kombinasjon av forsterkningsfiberemner og komposittstrukturen som produseres mot avbøyning eller feiling etter å være utsatt for ytre krefter, så som trykk eller strekk. I alle fall, en beslektet betraktning er å lage hver skjøt mellom komponentene så sterk som mulig. Gitt den ønskede meget store styrke av forsterkningsfiberemnets bestanddeler i seg selv, blir svekkelse av skjøten effektivt et "svakt ledd" i den strukturelle "kjede".

Et eksempel på en kryssende konfigurasjon er fremsatt i US 6 103 337 som beskriver en effektiv anordning for å sammenføye to forsterkende plater til en T-form.

Forskjellige andre forslag har vært gjort tidligere for å lage slike sammen-føyninger. Det har vært foreslått å utforme og herde et panelelement og vinklet avstivningselement separat fra hverandre, hvor sistnevnte har en enkel panelkontakt-overflate eller er todelt ved en ende for å danne to avvikende, plane kontaktoverflater i samme plan. De to komponentene blir så sammenføyde ved en klebende binding av panelkontaktoverflatene av avstivningselementene til en kontaktoverflate på andre komponenter ved bruk av et varmeherdende klebemiddel eller annet klebemateriale. Imidlertid, når strekk blir tilført det herdede panel eller overflaten komposittstrukturen, kan belastninger ved uakseptable lavere verdier resultere i rivekrefter som skiller avstivningselementet fra panelet ved deres grensesnitt, siden den effektive styrke av skjøten er styrken av matrisematerialet og ikke av klebemiddelet.

Bruk av metallbolter eller nagler ved grensesnittet av slike komponenter er uakseptable på grunn av at slike tillegg i det minste delvis ødelegger og svekker integriteten av selv komposittstrukturene, øke vekten, og innfører forskjeller i termiske utvidelseskoeffisienter som mellom slike elementer og de omliggende materialer.

Andre tilnærminger for å løse dette problemet har vært basert på det konsept å innføre høystyrkefibre over skjøtområder gjennom bruken av slike metoder som stikking av komponentene til den andre og å gjøre bruk av stikkingstrådene til å innføre slike forsterkningsfibre inn i og på tvers av skjøtstedet. En slik tilnærming er vist i US patent nr. 4 331 495 og dens metode-/divisjonsmotstykke, US patent nr. 4 256 790. Disse patentene beskriver sammenføyninger som har vært utført mellom første og andre komposittpaneler laget av vevde/bundne fiberplater. Det første panelet er todelt på en ende for å danne to divergerende panelkontaktoverflater i samme plan på samme måte som i tidligere teknikk, som er sammenføyd med det andre panelet ved stikning av uherdede, fleksible komposittråder gjennom begge panelene. Panelene og trådene har så vært "ko-herdet", det vil si herdet samtidig.

En annen fremgangsmåte for å forbedre sammenføyningsstyrken er fremsatt i US 5 429 853. Mens tidligere teknikk har søkt å forbedre den strukturelle integritet av den forsterkede kompositt og har oppnådd suksess, spesielt i tilfelle med US 6 103 337, eksisterer et ønske for å forbedre på dette og å adressere problemet gjennom en annen tilnærming fra bruken av klebemidler eller mekanisk kopling. I denne sammenheng, kan tilnærmingen være å skape en vevd tredimensjonal (3D) struktur med spesialiserte maskiner. Kostnadene involvert er imidlertid betydelige, og det er sjelden ønskelig å ha en vevemaskin dirigert til å skape en enkelt struktur.

En annen tilnærming ville være å veve et todimensjonalt (2D) struktur å folde den til form. Dette resulterer imidlertid typisk i deler som forvrenges når fiberemnet blir foldet. Forvrengingen oppstår fordi lengden av fibrene som er vevd er forskjellig fra de skulle være når fiberemnet foldes. Dette forårsaker fordypninger og bølger i området hvor de som vevde fiberlengdene er for korte, og bulker i områder hvor fiberlengdene er for lange. Disse forvrengningene forårsaker uønskede overflateunormalheter, og reduserer styrken og stivheten av komponenten. Skjønt disse kan forbedres ved kutting og snitting, er en slik prosedyre uønsket siden den er arbeidskrevende og eller kan kompromittere integriteten av fiberemnet.

Som nevnt ovenfor, er 3D fiberemner som kan prosesseres til fiberforsterkede komposittkomponenter ønskelig fordi de gir øket styrke i forhold til 2D laminerte kompositter. Disse fiberemnene er spesielt nyttige i applikasjoner som krever at komposittmaterialet bærer belastninger utenfor planet.

Følgelig, er det et behov for en 3D fiberemne som gir en alternativ tilnærming og/eller en forbedret fremgangsmåte for å skape 3D fiberemner og/eller forsterkede komposittstrukturer.

Det er derfor et hovedmål for oppfinnelsen å frembringe en 3D fiberemne som er av en konstruksjon som er et alternativ til og/eller en forbedring på eksisterende fiberemner og/eller forsterkede komposittstrukturer som hittil er tilgjengelige.

Et videre mål for oppfinnelsen er å frembringe en slik 3D fiberemne som kan

foldes til form uten forvrengning av fibrene som utgjør fiberemnet.

Enda et videre mål for oppfinnelsen er å frembringe en 3D fiberemne som er spesielt nyttig til å utforme T-formede forsterkede kompositter.

Disse og andre mål og fordeler er oppnådd ved å ordne en 3D vevd fiberemne som kan veves flatt og så foldes til sin endelige form før impregnering av plast uten å produsere en uønsket forvrengning i fibrene. Dette er oppnådd ved å justere lengden av fibrene under veving slik at noen er for korte i noen områder og for lange i andre. Fibrene blir så utjevnet når fiberemnet foldes til form, og frembringer en glatt overgang i folden. Denne teknikken, skjønt den er spesiell for å utforme T-formede vevde fiberemner, kan benyttes med forskjellige former. Også, skjønt det er henvist til vevde fiberemner, vil dens anvendbarhet til ikke-vevde, så som flettede eller stikkbundne, for eksempel være åpenbare for fagfolk innen fagområdet.

Ovennevnte mål og fordeler oppnås med duken ifølge foreliggende oppfinnelse slik den er definert med de i kravene anførte trekk.

Oppfinnelsen beskrives i det følgende i sammenheng med tegningen hvor figur IA og IB viser respektive sideriss i snitt av en vevd duk som vevet, og som foldet ved bruk som i en fiberemne for en forsterket kompositt, figur 2A og 2B er respektive sideriss i snitt for en vevd duk som vevd og foldet, for bruk som en fiberemne for en forsterket kompositt, omfattende opplysningene i den foreliggende oppfinnelse, figur 3A og 3B er respektive sideriss i snitt av en vevd duk som foldet, og illustrerer flere veftfibre med forskjellige lengder, omfattende opplysningene i den foreliggende oppfinnelse, og figur 4A og 4B er respektive sideriss i snitt av en vevd duk som foldet, som har forskjellig konfigurasjon, omfattende opplysningene i den foreliggende oppfinnelse.

Det henvises nå til tegningene i mer detalj, hvor like deler blir likt nummerert. På figur IA er det vist en vevd duk 10 omfattende fyll- eller veftfibre 12A, B og C (for illustrasjonsformål) og renningsfibre 14. Som nevnt ovenfor, kan dukene lages av en variasjon av materialer, imidlertid med karbon- eller karbonbaserte fibre typisk benyttet i aeronautiske anvendelser.

Det som er vist på figur IA og IB kan anses som konvensjonelle tilnærminger for å skape en vevd fiberemne som kan foldes til form. I denne sammenheng, er et rom 16 anordnet i den vevde duk, hvor de nedre fire rekker av renningsfibrene 14 er fraværende fra veven. Dette tillater også at de nærliggende områder av bena 18 og 20 av duken 10 kan foldes perpendikulært til duken 10 som vist på figur IB.

Problemet som blir resultatet, er imidlertid at, siden lengden av veftfibrene 12A, B og C er den samme når de veves flatt og når foldet, etter folding, forårsaker dette fordypninger eller bølger i områdene 22 og 24 hvor fibrene 12B er for korte og bulker i områdene 26 og 28 hvor veftfibrene 12C er for lange. Fordypningene eller bølgene i områdene 22 og 24 oppstår fordi veftfibrene 12B som er for korte etter folding forårsaker at renningsfibrene trekkes nedover. I området 26 og 28, siden veftfibrene 12C er for lange etter folding, bulker de utover. Det foregående resulterer i uønskede overflater, unormaliteter, og reduserer styrken og stivheten av komponenten.

Det henvises nå til figurene 2A og 2B, hvor like deler er likt nummerert. Som man kan se på figur 2A, er veftfibrene 12B' vist bare for illustrasjonsformål. På grunn av forskjeller i lengden av fibrene som er vevd, (vist på figur 2A) som foldet som (vist på figur 2B), er lengdene vevd for korte i området 30 og for lange i området 32. Disse forskjellene i lengder blir utjevnet når fiberemnet foldes til form, slik at de ønskede lengder blir oppnådd. Figur 2B viser den typiske fiberbane for en fiberemne, som når foldet, har et "pi" tverrsnitt. Fibrene 12B' er med hensikt vevd i en bane som gjør den for korte i områdene 30 og for lange i områdene 32. Dette forårsaker en tilstramning i det korte området, som når foldet til "pi"-formen, forårsaker en inntrekning av det lange området slik at lengden av fiberen 12B' på begge sider blir lik og korrekt i det foldede området, og unngår de forvrengninger og bulker som diskutert ovenfor.

Det er klart at figur 2A og 2B bare illustrerer grunnkonseptet og viser bruken av et enkelt fiber 12B. Det ville være mange fibre langs lengden av fiberemnet som ville ha samme fiberbane. Det ville også være ytterligere veftfibre vevd på liknende måte til å frembringe de forskjellige lengder som er nødvendige avhengige av deres posisjon i veven, som skal diskuteres.

Det henvises nå til figur 3A og 3B hvor et vist, hhv. duk 10 som vevd og som foldet får en pi-formet fiberemne. Fiberemnets form er bare for illustrasjonsformål, siden den foreliggende oppfinnelse kan implementeres med hensyn til mange former, som vil være åpenbart for fagfolk i teknikken.

Som vist, omfatter toppområdene 34 av duken 10 av pi-fiberemnet, lag av renningsfibre 14 og veft- eller fyllfibre generelt betegnet 12'. Benområdene 36 og 38 av pi-fiberemnet omfatter likeledes lag av renningsfibre 14 og veftfibre 12. Duken 10, som ville være i de tidligere eksempler, er vevd i et ønsket vevemønster (f.eks. sateng osv.), egnet for formålet. Også som i det forutgående eksempel, er oppfinnelsen rettet mot eliminering av forvrengninger og bulker som normalt vil oppstå når man går fra en flat vev til en foldet situasjon.

Slik det kan ses på figur 3A, avhengig av deres posisjon i veven, vil dette bestemme fibrenes lengde. For eksempel, veftfibre 40 er av lik lengde på begge sider av rommet 16, fibrene 42 er for lange på venstre siden av figur 3A, og for korte på høyre siden. Likeledes, er fibrene 44 for korte på venstre siden og for lange på høyre siden.

På grunn av dette, bør de lange beinområdene 36 og 38 holdes ned som vist på figur 3B, blir fiberlengdene utjevnet på samme måte som diskutert i forbindelse med figur 2A og 2B. Merk at rommet mellom beinområdene 36 og 38 og toppområdet 34 er overdrevet for å illustrasjonsformål.

Det henvises nå til figur 4A og 4B, hvor det er vist et utlegg for å lage en T-formet fiberemne 50. Figur 4A er av som vevd duk med figur 4B som foldet duk.

Toppområdet av T er laget av to beinområder 52 og 54. Bunnen av T omfatter området 56. Som vist i tidligere eksempler, er fiberemnet vevd i et ønsket mønster som egner seg for formålet, imidlertid med modifikasjoner av veftfibrene 58 for å implementere fordelen med den foreliggende oppfinnelse. I denne sammenheng, er fibre 58 for lang på toppen og for kort på bunnen. Fiberen 60 er for kort på toppen og for lang på bunnen. Fibrene 62 er av lik lengde både topp og bunn.

Som vist på figur 4B, virker fibrene 58 og 60 som tidligere beskrevet på grunn av de for lange og for korte fiberbaner. De tjener til å sammenkople områdene 52 og 54. Fibrene 62 tjener til å sammenkople områdene 52 og 54 med områdene 56.

Som i tilfelle med alle fiberemner ifølge den foreliggende oppfinnelse, så snart de er foldet til form, kan de så bli impregnert eller belagt med en plast for å skape komposittstrukturen til ønsket form.

Claims (6)

1. Todimensjonal vevd duk for å utforme en struktur som har en tredimensjonal form, omfattende et første område (10, 34) av duken; et annet område (18, 20,36,38) av duken som kan foldes i forhold til det første området; flere garn (40-44) som sammenbinder de første og andre områdene; en garnbane som er dannet ved at et garn (12B) forløper fra det første området (10, 34) til det andre området (18, 20,36,38), karakterisert ved at garnbanen har et garnområde (30) som er vevd kortere enn banen og et garnområde (32) som er vevd lenger enn banen slik at garnområdet som er vevd kortere vil trekke i det garnområdet som er vevd lengre langs garnbanen for å kompensere for foldingen etter at det andre området er foldet i forhold til det første området.

2. Duk ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter renningsgarn (14) og veftgarn (12) og at sammenbindingsgarnene er veftgarn.

3. Duk ifølge krav 1, karakterisert ved at duken er vevd flat og at de første og andre områder kan beveges i forhold til hverandre for å skape en tredimensjonal form.

4. Duk ifølge krav 3, karakterisert ved at første og andre området kan beveges for å frembringe en tredimensjonal form som har pi-form eller T-form.

5. Duk ifølge krav 4, karakterisert ved at duken foreligger i form av en fiberemne for å forsterke et komposittmateriale.

6. Duk ifølge krav 1, karakterisert ved at duken har flere vevde lag i de første og andre områder og at flere garnbaner foreligger mellom forskjellige lag av de vevde lagene med første og andre områder.