TW585943B - Minimum distortion 3D woven preforms - Google Patents

Description

585943 五、發明說明（1) 本發明係有關於一種強化複合材料之織造預製胚，其 係可被平坦織造再摺成其最終形狀，而不會在纖維中產生 不良變形者。 使用強化複合材料來製成結構性部件於今已相當普 遍，尤其是在所需特性為較輕、堅固、堅韌、耐熱、能自 撑、及可被成形等用途的產品中。該等部件乃被使用於例 如航空、太空、衛星、電池、修復（如賽船或赛車等）以及 其它的用途中。 通常該等部件含有強化材料加入於基質材料中。該等 補強成分係可由例如玻璃、碳、陶究、芳族聚醯胺(例如 “KEVLAR”）、聚乙烯，及/或其它具有所需物性、埶性、化 性及/或其它性質的材料所製成，而最主要乃須具備對抗應 力破壞的同5金度。由於使用該等強化材料一其最後會變成 所完成部件之一構成元素一故該等強化材料的所須特性， 例如非常高的強度’將會賦加於所完成的複合部件中。該 專成分補強材料’典型係可被織造、針織、或者定向成該 強化預製胚的所須構造和形狀。通常對該等所選擇之成分 補強材料的性質皆會特別注意，以確保其特性的最佳利 強化預製胚會與基質材料結合來形成所需的 料，或形成半製品原料以供最後來製成完成部件。 入二=Γ預製胚已被製成後，基質材料乃可被加 胚中’因此典型地該強化預製胚會被包納於該 土、才科中，且該基質材科將會填 成元素間的空_。該等基㈣係可為 五、發明說明（2) 之任一者，例如環氧樹脂、 及/或其它材料等，它們亦且/ ,稀基醋、陶莞、碳、 及/或其它性質。被選用來作、2的物性、熱性、化性、 於該強化預制狀、 為土負的材料係可相同或不同 执性式i 、，並可具有或不具有能相較的物性、化性、 :二它性質。但，通常’它們不會是為相同的材料， ，可相較的物質、化性、熱性或其它性質，因為一般 使用複合物的最大目的，係為能在完成製品中達到各種特 =組合，而該組合特性並非單獨使用一種構成材料所可 &传者。在結合之後’該補強預製胚與基質材料乃可藉執 定形或其它習知方法來被固化，並在同—操作中被穩定 ^匕’然後接受其它的操作處理來製成所需的部件。要請注 意’在其被烘烤固化之後，該基質材料的固化質塊通常會 非常牢固地黏附於該補強材料（即該強化預製胚^因此， 作用在完成部件上的應力，尤別是通過形如纖維間之黏劑 的基質材料者，將會有效地傳導至該等強化預製胚的構成 材料，並由它們所分擔承受。 時常地，乃需將該等部件製成有異於單純形狀，例如 (就其本身而言）平板、片狀、矩形或方形固體等以外之複 雜造型。一種可如此做的方法係將該等基本形狀組合成所 需之更複雜的形式。一種典型的組合方式係將如上所述之 強化預製胚等互相以一角度（典型為一直角）連接而來形 成。一般該等以角度排列來連接強化預製胚的目的，係為 造成一種所需的形狀，以形成一強化預製胚，其含有例如 一或多個端壁或“T”形交叉部，或來增強該強化預製胚與複 585943 五、發明說明（3) 合結構的結合’俾當其被曝露於外力例如壓力或張力下 時，將能產生對變形或破壞的抗力。於任何情況中，皆須 考慮使該等組構成分之間的接合儘可能地強固。若僅予該 強化預製胚成分本身非常南的強度’則該接合處的脆弱將 會在一結構“鏈”中有效地變成一 “弱鍵’’。

一交叉構造之例乃被揭於第6,103,337號美國專利 中，其内容併此附送。此參考資料中係揭述一種將二補強 板接合成一 T形的有效手段。

以往亦有其它各種不同的建議曾被提供來完成該等接 合。曾有建議各自分開地來製成並固化一板片元件及一斜 角的硬化元件，而使後者具有單一的板片接觸面，或在一 端分叉來形成二岔開的共平面板片接觸面。該二構件嗣會 被使用熱固性黏劑或其它黏著材料，來將該硬化元件的板 片接觸面黏接於另一構件的接觸面而接合在一起。但，當 有拉力施加於該固化板片或該複合結構表面時，在不可接 受之很低值的拉力即會產生“剝離，，力，而將該硬化元件由 介面處與該板片分開，因為接合的有效強度應為該基質材 料的強度，而非該黏劑的強度。 在該等構件的介面使用金屬螺栓或鉚釘係不可接受 的，因為該等添加物至少會部份地破壞及弱化複合結構本 身的整體性、增加重量，並在該等元件與周圍材料之間造 成熱膨係數的差異。 /、匕解决6亥問題的方法，亦曾有根據將高強度纖維穿 過接合區域的概念’藉由將一構件縫接於另一者，而依賴 6 五、發明說明（4) 縫線來將該等補強纖維引入並穿過接合部位的方法。此等 技術之一曾被示於苐4,33 1，495號美國專利，及其方法的分 割案美國寻利第4,256,790號中。該等專利揭露接面會被形 成於第一與第二複合面板之間，其係由黏接的纖維合股來 製成。該第一板片會在一端分叉，而以習知的方式來形成 二岔開的共平面板片接觸面，並藉未固化的撓性複合縫線 穿過該二板片來連接於第二板片。該等板片及縫線嗣會被 “共固化”，即同時一起來固化。 另一種改善接合強度的方法係被揭述於第5,429,853 號美國專利中。 雖該等習知技術已被開發來改善強化複合物的結構整 體性，並已獲得成功，特別是在第6，1()3,337號美國專利案 中，但仍有需要經由另一種不同於使用黏劑或機械式接合 的方式，來改良或解決該問題。就此，也許有辦法能藉特 殊機具來創造一種織造的三維（“3D”)結構。但是，其昂貴 的費用乃是值得考慮的，而且亦很少會希望一織造機具 僅月b製出簡單的結構。 另一種方式亦可能織造出一種二維（“2D，，)結構，並將 其摺成形狀。但是，其通常在該預製胚被摺彎時，將會造 成扭曲的部份。此等扭曲變形係由於在織造時之纖維長度 和匕們在該預製胚被彎摺時應有的長度不同所致。此將會 在該等織造時纖維長度太短的區域造成波紋，而在纖維長 度太長的區域造成皺摺。該等變形會造成不良的表面異 书，而減少該部件的強度和硬挺度。雖其可藉功割和調整 五、發明說明（5) 來減輕，但實不希望有該等程序，因此方法乃是人力密集 的操作，或亦可能損及該預製胚的整體性。 汝上所述，可被處理成纖維補強的複合部件之3 D預製 胚乃是較佳的，因為它們具有比2D疊層複合物更佳的強 度ϋ亥等預製胚在需要該複合物來承受非平面之負載的情 況下將會特別有用。 因此，對一 3D預製胚乃有一種須求，即提供一種可擇 方式及/或改良方法來造成31)預製胚及/或強化複合物杜 構。 。 緣是，本發明的主要目的係在於提供一種31)預製胚， 其係為既有之預製胚及/或以往所用之強化複合結構的變 化及/或改良設計。 、本發明之另一目的係提供一種該等3D預製胚，其係可 被摺成形狀’ Μ會使構成該預製胚的纖維扭曲變形者。 本發明之又一目的係在提供一種3D預製胚，其乃特別 適用於製成T形強化複合物。 這些及其它的目的和優點等，將可藉提供一 3D織造預 製胚而來達成’其可被織成平坦狀，然後在注入樹脂之前 被指成其最終形狀，而不會在纖維巾產生不良的扭曲變 形。此係藉在織造時調整纖維的長度，俾使其在某些區域 中較短’但在其它區域則較長，而來達成。當該預製胚被 摺成形狀時’該等纖維將會被均等化，而在該摺化物中形 成平滑順暢的移轉區。該技術雖係特別適用於製成τ形織 造預製胚，但亦可使用於各種不同形狀。又，雖係以織造 五、發明說明（6) 的預製胚來說明，但其亦可應用於非織造物例如編織或針 織結合物，此乃為專業人士所可輕易得知。 圖式之簡單說明： 要瞭解本發明如何達成其目的和優點等，乃可配合所 附圖式來參閱以下之說明；其中： σ 第iawb圖係被作為—強化複合物之預製胚的織造 物在被織造及彎摺時之各側剖視圖，· 第2A與2B圖係併用本發明的技術來製成之作為一強 化複合物預製胚的織造物在被織造及被彎摺時之各侧剖視 圖； 第3A與3B圖係併用本發明的技術來製成之織造物在 織造及彎摺時之各側剖視圖，乃示出許多的緯紗纖維； 第4A與4B圖係併用本發明的技術來製成之不同結構 的織造物在織造及彎摺時之各側剖視圖。 現請詳細參閱各圖式，其中相同的部份會以相同標號 來表示，在第1A圖中係示出一織造物10包含填充或緯紗纖 維12A、B、C(供說明之用）及紗纖維14等。如前所述，該 等織物係可由各種材料來製成，但，碳或碳基纖維通常會 被使用於航空用途中。

在第1A與1B圖中所示者乃可被視為一種傳統上用來 製成可被彎摺成型之織造預胚的習知方式。其中，有一空 間16會被設在該織造物中，該處之最下方的四排經紗纖維 14會由該組織中空缺。此將可容許該織造物1〇的鄰接部份 或腳18及20等，能被垂直於該織造物丨〇而來彎摺，如第1B 585943 五、發明說明 圖所示。 但，其會產生的問題即，由於該等緯紗纖維12A、B、 c在當被平坦地織造與被彎摺時其長度皆為相同，故當被 彎時，將會在區域22與24處造成波紋，因該處的纖維i2B 太短’並會在區域26及28處產生皺褶，因於該處的緯紗纖 維12C太長。在區域22與24處會產生波紋，係由於緯紗纖 維12B太短’因此在’彎摺時會將經紗纖維往下拉所致。而 在區域26與28處，由於緯紗纖維12C在彎摺時太長，故它 們將會往外皺褶。上述結果將會產生不良的表面異常現 象，並會減低該部件的強度和硬挺度。 現请參閱第2 A與2B圖，相同的部份係以類似標號來表 示。如第2A圖所示，緯紗纖維12B，係被示出以供說明。由 於該纖維的長度在織造時（如第2A圖所示）與被彎摺時（如 第2B圖所示）並不相同，即該等纖維的長度會被織成在區域 3〇中太短，而在區域32中太長。該等長度的差異於當該預 _ 製胚被摺成定形時則會被均等化，因此將可得到所需的長 度。第2B圖係示出一預製胚的典型纖維路徑，其在彎摺 時，會具有一 “π (pi)”截面。該纖維12B，係被刻意地織於一 路徑中，而使其在區域30處太短，但在區域32處太長。此 將會在被彎摺成“π”狀時，於該較短部份造成緊繃，而在較 長部份造成拉伸’因此該纖維12Β，在兩侧的長度將會相 等且在彎摺部份中長度正好，而得避免如上所述的變形 和皺褶。 當然第2Α與2Β圖僅為說明基本概念而示出單一纖維 10 585943 五、發明說明 的使用方式。其中沿该預製胚的長度將會有許多的纖 維等，具有該類似的纖維路徑。x，其亦會有更多的緯紗 纖維被以相同的方式來織成，而依據它們在該織物中的位 置來形成不同的所需長度，如後所述。 現請參閱第3A與3B圖，其中乃分別示出該織造物1〇 在織造時，及在彎摺成—π狀預製胚時的剖視圖。該預製 胚的形狀僅供說明之用，因如專業人士所知本發明係可被 實施成許多造型。 如所示，該π預製胚的織造物10之頂部34乃包含多層 的經紗纖維14，以及緯紗或填充纖維等概示為12，。該兀預 製胚的腳部36與38等，亦同樣地含有多層經紗纖維14及緯 紗纖維12。該織造物10乃如同前述各例，來被織成所需的 織造圖案紋路（例如緞紋等）以適用於該目的。同樣地，如 同上一例中，本發明係被用來消除變形與皺褶，其係通常 在由平面織造變成彎摺狀況時將會發生者。 如第3Α圖所示，依據它們在該織物中的位置，將可決 定该纖維路徑。例如，纖維4〇等係在該空間16的兩側形成 等長。纖維42等在第3 Α圖的左側會太長，而在右側會太 短。同樣地，纖維44等在左側會太短，而在右側會太長。 因為如此，故當其腳部36與38如第3B圖所示地朝下彎 指時’該等纖維的長度將會以如第2八與28圖所述的相同方 式來被均等化。請注意，該等腳部36與38之間的空間以及 貝。P 3 4 4係為了說明之故而被誇張放大。 現請參閱第4A與4B圖，乃示出一用來製造一 T形預製 11 585943 五、發明說明 胚50的構造。第4A圖係織造時的織造物，而第4]3圖為被摺 彎時的織造物。

該T形的頂部係由二腳部52與54所構成。該丁形的底部 則包含56部份。如同先前各例，該預製胚會被織成一所需 圖案紋路而可適用於該目的，但其緯紗纖維58等會被修 正，而可賦具本發明的優點《其中，纖維58在頂部會太長， 而在底部會太短。纖維60在頂部會太短，而在底部會太長。 纖維62則在頂部與底部係為等長。 如於第4B圖中所示，纖維58與6〇將會由於太長與太短 的纖維路徑，而會如同先前所述地運作。它們會被用來互 相連接腳部52與54。纖維62等則會使各腳部^和“等來與 底部56互相連接。 、所有本發明的預製胚在被響摺成型之後，則它們將可 被注入或塗覆-樹脂，而來造成所須形狀的複合結構。 故藉著本發明，其目的和優點將可被達成，且雖較佳 實施例等已被揭露並詳述如上，惟其範圍不應受此所限， 而應由所附申請專利範圍來決定。

12 585943 五、發明說明（ίο) 元件標號對照 10.. .織造物 12A、B、B，、C...緯紗纖維 14…經紗纖維 16…空間 18、20…腳 22、24...產生波紋區域 26、28...產生皺褶區域 34.. .頂部 36、38··.腳部 4〇、42、44."纖維 50···預製胚 52、54···腳部 56…底部 58、60、62···緯紗纖維 13

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第091114864號專利申請案申請專利範圍修正本 修正曰期：92年11月 1· -種用來製成一具有三維形狀之結構物的二維織造 物，該織造物包含： ' ' 該織造物的第一部份； 该織造物的第二部份，可相對於該第一部份 摺； 多數的紗線，將該第—與第二部份互相連接； -紗線路徑，其係、由_通過該第__部分而達至該第 二部分之料來界定，料料純具有—部份的紗線 係被織成比該路徑更短H部份的紗線會被織成比 該路捏更長，以使得當該第二部份相對於第—部份變指 時’將會使該較短織造的紗線部分沿該紗線路徑來拉入 忒較長織造的紗線部份，而可補償其彎摺。 2.如申請專利範圍第】項之織造物，其中該織造物係包括 經紗與緯紗，而該等連接紗線係為緯紗。 3·如申請專利範圍第1項之織造物，其中該織造物係被織 成平坦狀，而該第—與第二部份可彼此相對移動， 生三維形狀。 4·如申請專利範圍第3項之織造物，其中該第一及第二邱 份可移動而產生一呈π⑽形或τ形之三維形狀。―。 5·如申請專利範圍第4項之織造物，其中該織造物係呈— 用來強化一複合材料的預製胚形狀。 6·如申請專利範圍第】項之織造物，其中該織造物在 585943 六、申請專利範圍 一與第二部份具有多數的織造層，並有多數紗線路徑位 在該第一與第二部份的不同織造層之間。

   15 修正補充 敗11. $

   第2A圖 ‘在織造時 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 S

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