一種立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法
2023-07-25 10:59:16
一種立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法
【專利摘要】本發明公開了一種立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，利用超聲波設備產生的超聲振動，將預先排列好的鋼針，Z向植入到纖維布鋪層中，待鋼針植入完畢之後，將Z向鋼針置換成纖維或纖維棒，形成三維立體織物。本發明立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，對纖維布鋪層進行Z向鋼針的超聲植入，Z向鋼針為Z向置換纖維預設通道，形成三維立體織物，解決了平面大尺寸、高厚度立體織物的成型難題，工藝操作過程所需的人力少、成本低、使用方便、工時少，能有效提高生產效率。
【專利說明】一種立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於三維複合材料預製體製造【技術領域】，具體為超聲波鋼針植入技術在Z向間距可設計的立體織製備中的應用，即立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法。
【背景技術】
[0002]複合材料具有質量輕、強度高、抗燒蝕性等特點，已廣泛應用於航空、航天等尖端領域。三維結構編織複合材料具有厚度方向和橫向的全方位增強，大幅度提高材料的抗層間剪切強，且具備異形複雜構件的成型能力，因此在航空、航天、軍事及民用等領域有著廣泛的應用。目前製備三維立體複合材料預製體的工藝有三維編織、縫合、細編穿刺，Z-p in工藝等。
[0003]三維編織技術織造出的三維編織物可以達到任意厚度，並且有纖維通過厚度方向，從而使三維編織複合材料是一個不分層的整體結構，纖維在空間相互交織，形成整體網狀結構，具有較好的層間性能、抗衝擊性能和其它一些優良性能，克服了傳統層合複合材料的一些致命缺點；同時可直接織造成各種異型件，避免了後加工造成的纖維損傷，提高了複合材料的損傷容限。
[0004]縫合工藝在織物的厚度上有很大限制，目前厚度大於40mm，且纖維體積含量要求大於50 %的預製體，縫合工藝較難實現，且材料的面內性能損傷比較嚴重。
[0005]目前的細編穿刺工藝能夠成型厚度較高的織物，首先將一定數量的細長鋼針按照一定的行距和列距排列成一個整體陣列，然後將預先織造的纖維布置於等間距排布的Z向鋼針矩陣的頂端，利用鋼針矩陣頂部的模板，驅動纖維布下移。纖維布穿過鋼針後，被推至鋼針的下端實施加壓密實，待達到一定高度後，再由Z向纖維逐一取代Z向鋼針，形成整體穿刺織物。
[0006]但是細編穿刺工藝織物的平面尺寸方面有很大限制，且需要的人力、設備工裝較多，工藝成本很高；成型大尺寸構件時，鋼針矩陣的尺寸及穩定性不易控制，工藝進行難度較大。
[0007]Z-pin工藝主要用於增強鋪層預浸料或者泡沫夾層複合材料，在固化前的預浸料或泡沫夾層厚度方向直接嵌入剛性的短棒，這種短棒通常稱為Z-pin。Z-pin可以用金屬(不鏽鋼、鋁合金等)或非金屬(碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維等)。
[0008]隨著國防事業對複合材料的需求逐漸向大尺寸、整體成型轉變，如何在保證三維立體織物性能的前提下實現織物的低成本、高效率生產成型，成為亟待解決的問題。
【發明內容】
[0009]為了克服現有技術中細編穿刺工藝織物在平面尺寸方面的限制，且需要的人力、設備工裝較多，工藝成本很高，成型大尺寸構件時，鋼針矩陣的尺寸及穩定性不易控制，工藝進行難度較大等缺陷，本發明的目的是提供一種立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法。
[0010]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案如下:
[0011]一種立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，利用超聲波設備產生的超聲振動，將預先排列好的鋼針，Z向植入到纖維布鋪層中，待鋼針植入完畢之後，將Z向鋼針置換成纖維或纖維棒，形成三維立體織物。
[0012]上述方法要預先對鋼針排列，上述鋼針位置、鋼針Z向間距、鋼針排列外形尺寸可根據對所得立體織物的需求設計。根據立體織物的外形尺寸及Z向纖維間距設計鋼針直徑，鋼針長度取決於織物厚度，鋼針具體的排列方法、及其直徑和長度的具體選擇均可參照現有技術。
[0013]上述纖維布鋪層是具有一定層密度的，具體密度根據實踐需要確定。
[0014]上述超聲波設備產生的超聲振動能夠順利地一步一步將鋼針植入到碳布層中，無需對鋼針施加額外壓力，提高了鋼針植入時的垂直度。
[0015]鋼針植入時，為了將植入時產生的纖維布冗餘向織物邊緣展開，避免中部形成皺褶缺陷，優選鋼針採用由纖維布鋪層中心向周邊植入的方式。
[0016]上述方法與現有技術中細編穿刺方向完全相反，可實現大尺寸複合材料的製備，且需要的人力、設備工裝很少，工藝成本很低，成型大尺寸構件時，鋼針矩陣的尺寸及穩定性易控制，操作容易方便。
[0017]所述的超聲波設備包括順序連接的超聲發生器、換能器和超聲波工作頭，其中，超聲波工作頭為長條形、且豎直向下設置，超聲波工作頭的底部為平面結構。
[0018]作為現有技術超聲發生器包括改變換能器振幅的變幅杆。
[0019]上述方法通過調整超聲發生器產生的振幅和頻率，通過超聲波工作頭傳遞到鋼針頂部，將鋼針植入到立體織物內。
[0020]超聲頻率範圍為30kHz?60kHz，振幅範圍一般為30 μπι?100 μπι，根據鋼針直徑的大小，選擇不同的頻率和振幅範圍，優選低頻率高振幅，因為鋼針直徑越大，植入式的阻力就越高，所需要設置的振幅就越高。
[0021]超聲波工作頭的形狀可為圓柱體或長方體或其它形狀。超聲波工作頭的底部為工作面，其形狀可根據織物的平面形狀設計為矩形、圓形等，工作面的尺寸根據超聲波發生器產生的振幅和一次性植入的鋼針數量來選擇。
[0022]所述的超聲波設備還包括支架、橫嚮導軌、線性滑塊、粗調夾具和可伸縮調節杆；所述橫嚮導軌設在支架上、且有相互平行的兩根以上，相對的兩根橫嚮導軌之間設有過渡杆；過渡杆能相對橫嚮導軌移動，以控制工作頭一個方向的運動；線性滑塊設在過渡杆上，控制工作頭另外一個方向的移動；所述粗調夾具豎直向下設置、並連在線性滑塊上；所述可伸縮調節杆豎直向下設置、並連接在粗調夾具的底部；所述可伸縮調節杆的底部與換能器連接。
[0023]過渡杆相對橫嚮導軌移動時，帶動超聲波工作頭完成X方向的移動；線性滑塊在過渡杆上移動時，帶動超聲波工作頭完成Y方向的移動。
[0024]上述通過粗調夾具調整可伸縮調節杆的長度，從而調節超聲波工作頭距離鋼針的距離，使超聲波工作頭在超聲發生器的作用下，能將鋼針植入立體織物中。粗調夾具的的Z向移動可手工或通過現有的機械設備來控制。
[0025]線性滑塊可準確控制粗調夾具的X和Y向運動，從而帶動超聲波工作頭的X和Y向運動。
[0026]所述的超聲波設備還包括上夾盤和下夾盤，所設上夾盤設在可伸縮調節杆底部，所述下夾盤通過螺杆連在上夾盤底部，所述換能器設在下夾盤內，超聲波工作頭穿過下夾盤底部連接在換能器的底部。上述改進結構穩定，超聲波工作頭在工作時不會產生平面方向的偏移量。
[0027]所述纖維布鋪層滿足層密度要求，在鋼針植入之前，預先對纖維布鋪層進行加壓密實；在鋼針植入過程中，通過保持加壓狀態，使Z向纖維布層達到層密度要求。這樣能進一步保證所得立體織物的質量。
[0028]層密度要求根據實際需要確定。
[0029]上述鋼針的導向性藉助於模板來控制，模板為層狀結構，當鋼針頂部與模板頂部齊平時，拆除一頂層模板，繼續進行鋼針植入，依次類推；鋼針植入完畢後，在纖維布鋪層頂部預留一個模板，並在纖維布鋪層底部的針尖位置置入一層模板，並採取工裝夾具對織物上下模板進行夾緊，控制厚度方向所需尺寸，然後將夾緊後的織物移動到換線桌上進行Z向纖維或者纖維棒的置換，置換結束後，拆除工裝夾具及上下模板，形成三維立體織物。
[0030]厚度方向所需尺寸取決與實踐需要。
[0031]本申請鋼針針尖穿透纖維布鋪層的整個厚度方向，鋼針植入後，針尖位於維布鋪層的底部。
[0032]換線桌及向纖維或者纖維棒的置換參照現有技術。
[0033]優選，鋼針每次植入深度為10mm。這樣能更進一步保證鋼針植入的穩定性。
[0034]優選，鋼針的長度超出纖維布鋪層Z向厚度60mm?120mm。這樣可進一步保證鋼針的穿透性和所得織物的質量。
[0035]上述Z向為纖維布鋪層的厚度方向。
[0036]本發明未提及的技術均參照現有技術。
[0037]本發明立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，對纖維布鋪層進行Z向鋼針的超聲植入，Z向鋼針為Z向置換纖維預設通道，形成三維立體織物，解決了平面大尺寸、高厚度立體織物的成型難題，工藝操作過程所需的人力少、成本低、使用方便、工時少，能有效提高生產效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1為本發明立體織物製備中超聲波植入鋼針的示意圖。
[0039]圖2為本發明超聲波設備結構示意圖。
[0040]圖3為【具體實施方式】中鋼針植入順序示意圖。
[0041]圖中，I為換能器、2為超聲波工作頭、3為支架、4為橫嚮導軌、5為線性滑塊、6為粗調夾具、7為可伸縮調節杆、8為上夾盤、9為下夾盤、10為螺杆，11為過渡杆，12為纖維布鋪層、13為鋼針排列、14為模板。
【具體實施方式】
[0042]為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。
[0043]超聲波鋼針植入工藝的工藝流程為:①碳布鋪層②加壓密實③超聲植入鋼針④Z向置換。具體步驟為:
[0044]①將符合層密度要求的碳布裁剪完畢後進行鋪層，並預先進行加壓密實，使之達到層密度要求；
[0045]②將滿足層密度要求的纖維布鋪層放置於穿刺設備操作平臺上，並採用加壓設備進行加壓；
[0046]③待織物厚度達到工藝要求範圍後，進行鋼針(鋼針的長度超出纖維布鋪層Z向厚度80_)排列，然後調整超聲波發生器的振幅和頻率，從而控制超聲波工作頭的水平和Z向運動，按照從中心到周邊的順序，進行超聲波鋼針植入，每次植入深度約10mm，Z向鋼針為Z向纖維或者纖維棒置換提供通道；
[0047]④將Z向鋼針置換成纖維或者纖維棒，以形成三維整體織物。
[0048]如圖2所示，超聲波設備包括順序連接的超聲發生器、換能器和超聲波工作頭，其中，超聲波工作頭為長條形、且豎直向下設置，超聲波工作頭的底部為平面結構；
[0049]上述超聲波設備還包括支架、橫嚮導軌、線性滑塊、粗調夾具、可伸縮調節杆、上夾盤和下夾盤；所述橫嚮導軌設在支架上、且有相互平行的兩根以上，相對的兩根橫嚮導軌之間設有過渡杆；過渡杆能相對橫嚮導軌移動，以控制工作頭一個方向的運動；線性滑塊設在過渡杆上，控制工作頭另外一個方向的移動；所述粗調夾具豎直向下設置、並連在線性滑塊上；所述可伸縮調節杆豎直向下設置、並連接在粗調夾具的底部；所設上夾盤設在可伸縮調節杆底部，所述下夾盤通過螺杆連在上夾盤底部，所述換能器設在下夾盤內，超聲波工作頭穿過下夾盤底部連接在換能器的底部。
[0050]鋼針的導向性藉助於模板來控制，模板為層狀結構，當鋼針頂部與模板頂部齊平時，拆除一頂層模板，繼續進行鋼針植入，依次類推；鋼針植入完畢後，在纖維布鋪層頂部預留一個模板，並在纖維布鋪層底部的針尖位置置入一層模板，並採取工裝夾具對織物上下模板進行夾緊，控制厚度方向所需尺寸，然後將夾緊後的織物移動到換線桌上進行Z向纖維或者纖維棒的置換，置換結束後，拆除工裝夾具及上下模板，形成三維立體織物。
[0051 ] 纖維布規格MT300-3K碳纖維布，層密度25_26層/cm ;所得立體織物大小為2mX Im,厚度為120mm ;超聲波發生器的頻率為35.7kHz，振幅為最大振幅的30 %，最大振幅為100 μπι;鋼針直徑為1.1mm,程矩形排列，針間距為2.4mm ;超聲波工作頭的底部為18 X 25mm的矩形。
[0052]Z-pin增強工藝首先將滿足一定層密度要求的纖維布放置於操作平臺，待設備對纖維布鋪層進行加壓密實後，在纖維布上表面排布設計好的鋼針，圖1中的鋼針矩陣由鋼針和模板共同組成。待鋼針排布完畢後，對鋼針排列的外形尺寸進行收緊，使外形尺寸、間距控制在工藝要求範圍之內。採用加壓設備，再次對底部的纖維布鋪層進行加壓並處於保壓狀態。
[0053]超聲波工作頭按照如圖2所示安裝完畢後，按照圖3所示，對排列好的鋼針採取從中間區域A向兩邊B、C區域植入的方式進行鋼針植入。為了提高植入的垂直度，採取分次分區域植入法，每次植入深度為10mm。當鋼針頂部植入到模板頂部時，拆除一層模板，繼續進行鋼針植入。鋼針植入完畢後，頂部預留一層模板，並在底部針尖位置置入一層模板，採取工裝夾具對織物上下模板進行夾緊，控制厚度方向尺寸在工藝要求範圍之內。將夾緊後的織物移動到換線桌上進行Z向纖維或者纖維棒的置換，拆除工裝夾具，形成三維立體織物。
[0054]上述立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，對纖維布鋪層進行Z向鋼針的超聲植入，Z向鋼針為Z向置換纖維預設通道，形成三維立體織物，解決了平面大尺寸、高厚度立體織物成型難題，工藝操作過程所需的人力少、成本低、使用方便、工時少，能有效提高生產效率，且鋼針Z向植入即穩定又準確。
【權利要求】
1.一種立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:利用超聲波設備產生的超聲振動，將預先排列好的鋼針Z向植入到纖維布鋪層中，待鋼針植入完畢之後，將Z向鋼針置換成纖維或纖維棒，形成三維立體織物。
2.如權利要求1所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:所述的超聲波設備包括順序連接的超聲發生器、換能器和超聲波工作頭，其中，超聲波工作頭為長條形、且豎直向下設置，超聲波工作頭的底部為平面結構。
3.如權利要求2所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:所述的超聲波設備還包括支架、橫嚮導軌、線性滑塊、粗調夾具和可伸縮調節杆；所述橫嚮導軌設在支架上、且有相互平行的兩根以上，相對的兩根橫嚮導軌之間設有過渡杆；過渡杆能相對橫嚮導軌移動，以控制工作頭一個方向的運動；線性滑塊設在過渡杆上，控制工作頭另外一個方向的移動；所述粗調夾具豎直向下設置、並連在線性滑塊上；所述可伸縮調節杆豎直向下設置、並連接在粗調夾具的底部；所述可伸縮調節杆的底部與換能器連接。
4.如權利要求3所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:所述的超聲波設備還包括上夾盤和下夾盤，所設上夾盤設在可伸縮調節杆底部，所述下夾盤通過螺杆連在上夾盤底部，所述換能器設在下夾盤內，超聲波工作頭穿過下夾盤底部連接在換能器的底部。
5.如權利要求1-4任意一項所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:纖維布鋪層滿足層密度要求，在鋼針植入之前，預先對纖維布鋪層進行加壓密實；在鋼針植入過程中，通過保持加壓狀態，使Z向纖維布層達到層密度要求。
6.如權利要求1-4任意一項所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:鋼針的導向性藉助於模板來控制，模板為層狀結構，當鋼針頂部與模板頂部齊平時，拆除一頂層模板，繼續進行鋼針植入，依次類推；鋼針植入完畢後，在纖維布鋪層頂部預留一個模板，並在纖維布鋪層底部的針尖位置置入一層模板，並採取工裝夾具對織物上下模板進行夾緊，控制厚度方向所需尺寸，然後將夾緊後的織物移動到換線桌上進行Z向纖維或者纖維棒的置換，置換結束後，拆除工裝夾具及上下模板，形成三維立體織物。
7.如權利要求1-4任意一項所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:鋼針每次植入深度為10mm。
8.如權利要求1-4任意一項所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:鋼針採用由纖維布鋪層中心向周邊植入的方式。
9.如權利要求1-4任意一項所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:鋼針的長度超出纖維布鋪層Z向厚度60mm?100mm。
10.如權利要求1-4任意一項所述的立體織物製備中超聲波植入鋼針的方法，其特徵在於:超聲振動的頻率為30kHz?60kHz，振幅為30 μπι?100 μm。
【文檔編號】B29B11/00GK104476696SQ201410741142
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月8日 優先權日:2014年12月8日
【發明者】董偉鋒, 朱晶晶, 李小虎, 胡方田, 蔣軒 申請人:中材科技股份有限公司