TWI601861B - 隅角配件預製物及其製造方法 - Google Patents

Description

隅角配件預製物及其製造方法

所有的專利、專利申請案、文件、參考文獻、製造商指南、詳細說明、產品說明書、以及用於任何在此提及之產品的產品規格書在此列入參考文獻，且可於本發明之實施中使用。

發明領域

本發明一般係關於織品預製物，特別係指關於用於強化複合材料的織品預製物。更精確地，本發明係關於隅角配件預製物，該隅角配件預製物可以連續性纖維強化物於其隅角處塑形成為彎曲或直角形狀。

發明背景

目前廣泛地使用強化複合材料而產生結構組件，特別是在他們輕量、高強度及韌性、耐熱性的所欲特性之應用，以及可以形成與塑型之能力，可用於很大的優勢。例如，此等組件用於航空、航太、衛星、高性能娛樂產品以及其他應用。

通常，此等組件由嵌入基體材料的強化物材料構成。該強化物組件可由諸如玻璃、炭、陶瓷、醯胺、聚酯之材料，且/或其他可表現出所欲物理、溫度、化學且/或其他特性之材料製成，其中最主要的是相對於壓力失效的強大力量。

透過使用最終地成為完成組件之組成元件的此等強化 物材料，該強化物材料諸如極高強度的所欲特性，給予完成的複合組件。強化物材料通常組成物可為織品、針織物或用於強化物預製物之其他導向的所欲組態與形狀。通常注意力特別專注於確保最佳化使用之特性，為此特性已選擇特性組成強化物材料。通常此等強化物預製物與基體材料結合，以形成所欲成品組件或產生用於該成品組件的最大產量之工作儲備料。

在已經建構所欲強化物預製物後，可將基體材料引導並進入預製物，因此通常該強化物預製物會變成被包裝在基體材料內，且該基體材料填滿介於該強化物預製物組成元件之間的間隙區域。該基體材料可為任何廣泛種類之材料，諸如環氧化物、聚酯、乙烯酸酯、陶瓷、炭且/或其他材料，此材料亦表現出所欲物理、溫度、化學且/或其他特性。選擇來使用作為基底的材料可或可不具有可比擬的物理、化學溫度或其他特性。然而，由於一開始尋求使用複合材料之一常見目標，是為了到達成品當中的特性之組合，透過使用一單獨組成材料無法獲得這些特性，通常他們將不會具有同樣材料或具有可比擬的物理、溫度、化學且/或其他特性。如此結合後，可接著硬化且藉由熱固化或其他已知方法，以相同操作標準化該強化物預製物與基體材料，且接著該強化物預製物與基體材料經受朝向生產所欲組件的其他操作。可顯著的注意到，在如此被硬化之後，此時，基體材料之將被固化的塊狀，一般會非常強力的黏著於強化物材料上(例如：強化物預製物)。因此， 完成組件上的壓力，特別是經由其作為介於纖維之間之黏膠的基體材料，可有效地轉移至強化物預製物之組成材料上，且由強化物預製物之組成材料承擔。該強化物預製物中的任何破損或不連續限制了預製物轉移與承擔施加至成品組件的能力。

通常，需要生產之組件係組配為除了此等簡單幾何形狀之組件，例如：盤體、片狀、矩形或方形立體等等。一種做到這樣的方式為結合此等基本的幾何形狀，成為所欲之更複雜形態。一種此等通常的結合為以相對於彼此一角度(通常地為直角)，將如上述所製成之強化物預製物連結。用於此等角度設置的連結強化物預製物之通常目的為產生一所欲形狀，以形成包括一或多個端壁、或例如T型交叉的強化物預製物，或加強強化物預製物與複合結構的結果組合，其生產對抗撓曲或在開始暴露於諸如壓力或拉力之外部力量後的破損。鑒於強化物預製物組成物本身所欲極高強度，接合點的弱點有效地變成一結構「鍊」中的「弱鍵結」。

此交叉組態之一範例於美國專利第6,103,337號中闡述，其揭露在此併入參考文獻。此文獻闡述了一種用以將兩個強化盤體連結成為T型態之有效的方法。此可藉由將第一強化平板連接至相對放置於第一平板邊緣的一第二強化平板而實現。

為了做出此等接合點，於過去已經有許多提案。形成且硬化與彼此分離的一平板元件以及一角度補強元件，後 者具有單一平板接觸表面，或於一端分叉，以形成兩個發散共平面平板接觸表面。該兩組件接著使用熱固性黏膠或其他黏著材料，藉由將該補強元件之該平板接觸表面黏著地接合至其他組件的一接觸表面而連結。然而，當施加張力至硬化後平板或複合結構的表皮時，處於無法接受低數值之負載導致一剝離力，此剝離力將補強元件從該平板於他們的中介面處分離，由於連接處有效的強度為黏膠的強度而非基體或強化物材料的強度。

在此等組件的中介面使用金屬螺栓或鉚釘是不可接受的，因為此等添加物至少部分地銷毀或弱化組成他們複合結構本身的完整性、增加重量、且於此等元件與周圍材料之間引入了不同的溫度膨脹係數。

其他解決此問題的方式為基於跨過接點區域引入高強度纖維的概念，透過使用此等方法做為縫合組件其中之一者至其他組件，且依靠縫線將此等強化纖維引入且跨越接合點關頭。一種此等方式顯示於美國專利第4,331,495號，以及其方法分割對應案美國專利第4,256,790中。此等專利揭露，在第一與第二複合平板之間，已經製造由黏著地接合積層纖維而成的接合點。該第一平板於一端為分岔，以習知技藝的方式形成兩分散共平面平板接觸表面，藉由穿過兩者平板之未硬化彈性複合線的縫線，將此接觸平面連接至第二平板。該平板與縫線接著被同步地硬化或「共硬化」。於美國專利第5,429,853號中闡述另一種改進先前之連接強度的方法。

雖然習知技術已經尋求改善之後強化複合材料之結構完整體，且已經達成成功，尤其是在美國專利第6,103,337號的案例中，存在一個需求需要改善，或透過一種與其他使用黏膠或機械式耦接不同之方式來處理問題。就此方面而言，可能藉由特殊化的機器，產生一編織三維(3D)結構的一種方式。然而，涉及於此的花費是相當可觀的，且具有所欲導向產生單一結構的梭織機為罕有的。不管此事實，是需要可加工成為纖維強化複合組件之3D預製物的，因為相對於傳統二維複合層板，他們提供增進的強度。此等預製物在需要乘載非平面負載複合物之應用特別有用。然而，以上討論之習知技術預製物在他們的承受高非平面外負載的能力、於一自動織機加工中被編織的能力，且於某些案例中，提供預製物部分之厚度的能力已經受到限制。

另一種方式將會是編織一二維(2D)結構且將其摺疊成為一3D形狀。早期嘗試摺疊2D預製物成為3D預製物形狀，當預製物折疊時通常導致扭曲部件。因為在預製物摺疊時，所編織纖維的長度與他們所應長度是不同的，所以出現扭曲。此導致區域中的凹陷以及波紋，此區域中該所編織纖維的長度是太短的，且區域中的彎曲處纖維長度是太長的。揭露於美國專利第6,874,543號中，一3D預製物的範例編織架構，此可能導致區域中的波紋或波腹，此區域預製物為摺疊的，其全部內容在此併入參考文獻。

一種解決在折疊後扭曲問題的方式，揭露於美國專利第6,446,675號，其全部內容在此併入參考文獻。此文獻提 供用於可摺疊成為稱為一T型或Pi型之3D結構的一種2D結構，因為預製物的折疊部分可以生產一或二個腿部或突緣(分別用於T型與Pi型)其中之一者，一般垂直於基底或基材。此藉由於編織期間調整纖維的長度而達成，以避免先前提及於摺疊之側的凹陷或彎曲。於編織過程中，於折疊之區域中某些纖維會編織的太長，其他的會編織的太短。在預製物折疊後，此短與長纖維接著長度被均等化，於摺疊處產生了一平滑的轉折。

摺疊預製物的優點為介於待強化平板與強化平板之間接點的強度。因為他們編織在一起，平板共享強化物材料，且於最終複合與基體材料中，產生一單一的結構。介於一體地編織強化突緣或腿部的與基材或基底之間接合點不再是弱鍵結。

然而頻繁地，需要強化複雜的形狀諸如彎曲或銳角。折疊的T或Pi型強化需要腿部的打摺，以調節一彎曲或直角表面。當一預製物的突緣材料呈現一彎曲或直角形狀，彎曲表面的長度必要地從曲度的內側至外側改變。當曲度的外側、彎曲時有較長半徑之表面之弧長度增加，同時於曲度的內側弧長度減少。通常折疊預製物的腿部無法如需求改變長度，以調節一彎曲或直角表面。為了調節一彎曲或直角表面，腿部必須打摺，亦即必須切斷他們以允許腿部與改變弧長一致。

通常，該切斷處為沿著曲度的局部半徑，但亦可使用其他非半徑切斷以調節長度中的改變。為了允許用於一彎 曲預製物的內側上之減少長度，將腿部切斷，且切割邊緣允許重疊或移除多餘的材料。類似地，為了調節曲度的內側上增加之長度，切斷腿部，導致腿部的切割邊緣有一個三角形間隙。於其他實施例中，打摺破壞了每一腿部中強化物材料中的連續性。將腿部打摺為一3D的T型或Pi型預製物可能嚴重地降低預製物的負載乘載能力，因為打摺涉及切斷在隅角處提供主要負載路徑之纖維。

發明概要

據此，存在一個用於編織隅角預製物或配件之需求，其可使用一傳統梭織機編織，且提供用於隅角配件的所有三個平面中之強化纖維。

因此，本發明的目的為提供一隅角配件，與一種形成具有將所有側連接的連續紗而不需要打摺的一隅角配件之方法。

本發明的另一目的為提供一隅角配件，以及一種形成具有將所有側連接的連續紗一隅角配件之方法，該隅角配件由一扁平織布料形成。

本發明的一種態樣為一隅角配件預製物，包括一編織基底與一或多個突緣或腿部一體地與基底編織。該預製物在該腿部或突緣內包括特別地設計區域，其具有未編織的連續經紗。該腿部或突緣的該未編織區域提供一樞紐，其允許該預製物的突緣沿著一隅角摺疊。在摺疊之後，透過該腿部或突緣的編織部分將多餘的未編織經紗往回拉，以在 隅角生產帶有連續經紗強化物之一預製物。

本發明的更進一步態樣為一種形成一隅角配件預製物的方法，包括將一基底或基材與一或多個從基底延伸之突緣或腿部一體地編織的步驟。扁平織預製物包括腿部或突緣內特別地設計區域，其具有未編織的連續經紗。未編織區域提供一樞紐，其允許預製物的突緣在隅角處摺疊。在摺疊後，透過該腿部或突緣的編織部分將多餘的未編織經紗往回拉，以在隅角生產帶有連續經紗強化物之一預製物。

一旦隅角配件創建後，隅角配件可接著以任何以之方式被製造成為一複合物，或併入一較大預製物或結構，其接著被製造成為一複合物。

在發明中特性化之新穎眾多特徵，係於附件的申請專利範圍中特別地指出，且形成此揭露的一部分。為了更佳的理解發明，藉由使用發明所獲得之運作優點以及特定目的，可參考附加之描述內容，其中發明的較佳實施例在附加的圖式中例示，圖式中對應組件藉由同樣元件標號標示。

圖式簡單說明

為了更完整的理解本發明，可參考以下詳細說明中元件標號與附加圖式，其中：第1圖為根據本發明一態樣之編織隅角配件預製物的剖視圖；第2圖為根據本發明一態樣之編織隅角配件預製物的概要側視圖，顯示經紗和緯紗的路徑； 第3圖例示涉及生產根據本發明一態樣之隅角配件預製物的方法之步驟；第4圖根據本發明一態樣生產之一實際隅角配件預製物的照片；以及第5圖例示涉及生產根據本發明一態樣之隅角配件預製物的方法之步驟。

較佳實施例之詳細說明

現在翻至圖式，第1圖為根據本發明一示範性實施例形成一Pi型預製物100之剖面圖。預製物100為一扁平織預製物，其可使用習於此技藝者所知的任何編織圖案於一傳統梭織機編織，平紋編織是較佳的圖形。預製物100可使用二或多層經紗或纖維15編織，以及一或多層緯紗或纖維15編織。由於根據顯示於第1圖中的實施例的預製物是扁平織，緯紗18沿著預製物的寬度穿越。

如從顯示於第1圖的示範性實施例中可見，經紗15、25可以被設置為，例如六層。例如，底部五層形成預製物的基底10，同時頂層可用以形成預製物100之一或多個腿部20的突緣。於一扁平織預製物中，在與頂層經紗25交織之前，緯紗18透過基底10中的某些或所有的底層經紗15而編織。注意在預製物100的中央，緯紗18沒有與一些經紗25編織在一起，因而產生一U型環30，其將腿部或突緣20分離。例如，如第1圖所顯示，可藉由將U型環30其中一側最頂層以箭頭所示方向的提起而形成突緣或腿部20。預製物本身可根據 任何揭露於美國專利第6,874,543號以及第7,712,488號的方法編織，其全部內容在此併入參考文獻。

根據顯示於第2圖中的示範性實施例，本發明係基於編織具有特別地設計區域28的一預製物100，特別設計區域28具有未編織進入預製物100的連續經紗15’。換句話說，除了區域28，在腿部或突緣20的所有區域內緯紗18一體的與經紗25編織，在未編織區域28內的經紗15’提供一樞紐，其允許預製物的突緣或腿部20在隅角處摺疊。

如第2圖中顯示，預製物100中央內的V型部為經紗15’並未與緯紗18編織的區域，且此區域28生產了允許突緣20在隅角處摺的樞紐。V形部的形狀基於突緣或腿部20必須旋轉的角度或是隅角的形狀而決定，預製物必須配合在隅角內。例如，若預製物100用以生產一結構，此結構不必配合一直角隅角，而是配合具有一大於90度角度的隅角內，此等預製物內的V形部將會窄於具有90度曲度的預製物。類似地，若隅角的角度小於90度，那麼隅角配件預製物的V型部將會較具有直角形狀的預製物來的寬。習於此技藝者可以設想使用沿著預製物的突緣或腿部生產未編織區域之同樣的技術，根據曲線的形狀藉由改變邊緣區域可生產一平滑的曲度。例如，一使用多個V型部形成預製物200的範例顯示於第5圖中。

下一個形成隅角配件預製物100的步驟例如為第3圖所示，沿著箭頭方向摺疊該預製物。例如，如第3圖中顯示，在摺疊後，透過腿部或突緣20的編織部將多餘的未編織經 紗15以箭頭的方向拉回，以在隅角生產帶有連續經紗25強化物的預製物100。第3圖為一編織Pi型預製物的概要，該預製物包括於上述示範性實施例中描述的隅角特徵。然而，值得注意的是，顯示於第1至3及5圖中的結構僅用為例示用途，實際預製物可包含一、二、三或更多腿部或突緣20，亦即剖面線形狀不必為Pi，且本方法可用以生產其他諸如T或L型的形狀。

範例

例如，顯示於第4圖中，已經編織一原型預製物100以驗證此方式。預製物使用碳纖維編織，然而此發明可應用至使用適用於目的之任何材料的製成的纖維，據此並不限於在此提及的材料，例如該強化物組件可由諸如尼龍、嫘縈、玻璃、碳、陶瓷、醯胺、聚酯且/或其他可表現出所欲物理、溫度、化學且/或其他特性之材料製成。本發明可應用至幾乎任何其他纖維，此纖維包括但不限於可以拉伸斷之纖維，例如：拉伸斷碳纖維、玻璃、陶瓷、以及不可被拉伸斷或不需要被拉伸斷的纖維，例如藉由潘佩聯營公司所生產的Discotex®，當編織進入一織物結構時，其允許織物結構於其強化方向拉伸，准許由簡單預製物開始形狀來形成複雜形狀。

預製物100在傳統的梭織機上使用一平紋織法圖形編織。選擇此圖形是因為相較於其他諸如斜紋或緞面的常見圖形，平紋包括更多的捲曲，且在一單層纖維中對於纖維轉移過程呈現了最困難的挑戰。然而，如先前提及，任何 編織圖形可用以生產預製物100。

本發明在此已經主要地描述對於隅角配件預製物之形成。應用此等隅角配件預製物時，可用於需要強化一個設備的兩個或多個區域的接點狀況下。例如於航太工業中，通常需要加強介於表皮材料與一實例之間的接點，在此實例中縱向與橫向補強件兩者支撐表皮。

最終預製物可浸漬於一基體材料，諸如，例如環氧樹脂、雙馬來酰亞胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳，使用諸如樹脂傳遞成型或化學氣相滲透的樹脂浸漬的方法，因而形成一個三維複合結構。

雖然本發明的較佳實施例及其變化已經在此詳細描述，可以理解本發明並不限於此等實施例及其變化，且亦可由習於此技藝者在不脫離如附加之申請專利範圍所界定的本發明的精神及範圍內完成其它的變化與改變。

100‧‧‧預製物

200‧‧‧預製物

10‧‧‧基底

15‧‧‧經紗

15'‧‧‧經紗

18‧‧‧緯紗

20‧‧‧腿部

25‧‧‧經紗

28‧‧‧區域

30‧‧‧U型環

第1圖為根據本發明一態樣之編織隅角配件預製物的剖視圖；第2圖為根據本發明一態樣之編織隅角配件預製物的概要側視圖，顯示經紗和緯紗的路徑；第3圖例示涉及生產根據本發明一態樣之隅角配件預製物的方法之步驟；第4圖根據本發明一態樣生產之一實際隅角配件預製物的照片；以及第5圖例示涉及生產根據本發明一態樣之隅角配件預 製物的方法之步驟。

100‧‧‧預製物

10‧‧‧基底

15‧‧‧經紗

18‧‧‧緯紗

20‧‧‧腿部

25‧‧‧經紗

30‧‧‧U型環

Claims (24)

1. 一種隅角配件預製物包含：二層或多層經紗或纖維，係與一或多層緯紗或纖維交織；一基底層，包含該交織的經、緯紗或纖維；以及一個或多個從該基底層延伸的突緣或腿部，其中該一個或多個突緣或腿部與該基底層一體地編織，其中該一個或多個突緣或腿部在一隅角處摺疊，以及其中該一個或多個突緣或腿部各包含一個部分，該部分具有在該隅角處未經編織之連續經紗或纖維強化物，該部分允許該一個或多個突緣或腿部在該隅角處摺疊。
2. 如申請專利範圍第1項之預製物，其中該預製物為扁平織。
3. 如申請專利範圍第1項之預製物更包含：一U型環，將從該基底層延伸的二或多個突緣或腿部分離。
4. 如申請專利範圍第1項之預製物，其中該一個或多個突緣或腿部以等於、小於或大於90度的一角度摺疊。
5. 如申請專利範圍第1項之預製物，其中摺疊該一個或多個突緣或腿部，以形成一平滑曲度。
6. 如申請專利範圍第1項之預製物，其中該預製物為Pi、T或L形狀。
7. 如申請專利範圍第1項之預製物，其中該經、緯纖維或紗，係由 選自於由玻璃、碳、陶瓷、醯胺、聚酯、尼龍以及嫘縈所組成之群組的材料製成。
8. 如申請專利範圍第1項之預製物，其中該經纖維及/或緯纖維為拉伸斷裂碳纖維、玻璃或陶瓷。
9. 一種三維纖維強化複合材料結構，包含如申請專利範圍第1項之預製物。
10. 如申請專利範圍第9項之複合結構，更包含一基體材料。
11. 如申請專利範圍第10項之複合結構，其中該基體材料選自於由環氧樹脂、雙馬來醯亞胺、聚酯，乙烯基酯、陶瓷以及碳所組成之群組。
12. 一種形成一隅角配件預製物的方法，包含以下步驟：以一層或多層的緯紗或纖維編織二層或多層經紗或纖維，以形成一基底層以及從該基底層延伸之一或多個突緣或腿部，其中該一個或多個突緣或腿部與該基底層一體地編織；以及於該一個或多個突緣或腿部之各者中在一隅角處提供至少一部分，在該至少一部分上連續經紗或纖維強化物未與該緯紗或纖維編織，該部分允許該一個或多個突緣或腿部在隅角處摺疊。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，更包含以下步驟：於一隅角處摺疊該一或多個突緣或腿部。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，更包含以下步驟：透過該腿部或突緣的編織部將該未編織經紗往回拉，以在隅角處生產一帶有連續經紗強化物的預製物。
15. 如申請專利範圍第12項之方法，在此於一傳統梭織機上編織該預製物。
16. 如申請專利範圍第12項之方法，更包含以下步驟：產生一U形環，將從該基底層延伸之該二個或多個突緣或腿部分離。
17. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該一個或多個突緣或腿部以等於、小於或大於90度的一角度摺疊。
18. 如申請專利範圍第13項之方法，其中摺疊該一個或多個突緣或腿部，以形成一平滑曲度。
19. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該預製物為Pi、T或L形狀。
20. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該經與緯纖維或紗，係由選自於玻璃、碳、陶瓷、醯胺、聚酯、尼龍與嫘縈所組成之群組的材料製成。
21. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該經纖維且/或緯纖維為拉伸斷碳纖維、玻璃或陶瓷。
22. 一種形成三維纖維強化複合材料結構之方法，包含如申請專利範 圍第12項之方法。
23. 如申請專利範圍第22項之方法，更包含以下步驟：至少部分地浸漬該預製物於一基體材料中。
24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該基體材料係選自於由環氧樹脂、雙馬來醯亞胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷及碳所組成之群組。