一种立体织物制备中超声波植入钢针的方法
【专利摘要】本发明公开了一种立体织物制备中超声波植入钢针的方法，利用超声波设备产生的超声振动，将预先排列好的钢针，Z向植入到纤维布铺层中，待钢针植入完毕之后，将Z向钢针置换成纤维或纤维棒，形成三维立体织物。本发明立体织物制备中超声波植入钢针的方法，对纤维布铺层进行Z向钢针的超声植入，Z向钢针为Z向置换纤维预设通道，形成三维立体织物，解决了平面大尺寸、高厚度立体织物的成型难题，工艺操作过程所需的人力少、成本低、使用方便、工时少，能有效提高生产效率。
【专利说明】一种立体织物制备中超声波植入钢针的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于三维复合材料预制体制造【技术领域】，具体为超声波钢针植入技术在Z向间距可设计的立体织制备中的应用，即立体织物制备中超声波植入钢针的方法。
【背景技术】
[0002]复合材料具有质量轻、强度高、抗烧蚀性等特点，已广泛应用于航空、航天等尖端领域。三维结构编织复合材料具有厚度方向和横向的全方位增强，大幅度提高材料的抗层间剪切强，且具备异形复杂构件的成型能力，因此在航空、航天、军事及民用等领域有着广泛的应用。目前制备三维立体复合材料预制体的工艺有三维编织、缝合、细编穿刺，Z-p in工艺等。
[0003]三维编织技术织造出的三维编织物可以达到任意厚度，并且有纤维通过厚度方向，从而使三维编织复合材料是一个不分层的整体结构，纤维在空间相互交织，形成整体网状结构，具有较好的层间性能、抗冲击性能和其它一些优良性能，克服了传统层合复合材料的一些致命缺点；同时可直接织造成各种异型件，避免了后加工造成的纤维损伤，提高了复合材料的损伤容限。
[0004]缝合工艺在织物的厚度上有很大限制，目前厚度大于40mm，且纤维体积含量要求大于50 %的预制体，缝合工艺较难实现，且材料的面内性能损伤比较严重。
[0005]目前的细编穿刺工艺能够成型厚度较高的织物，首先将一定数量的细长钢针按照一定的行距和列距排列成一个整体阵列，然后将预先织造的纤维布置于等间距排布的Z向钢针矩阵的顶端，利用钢针矩阵顶部的模板，驱动纤维布下移。纤维布穿过钢针后，被推至钢针的下端实施加压密实，待达到一定高度后，再由Z向纤维逐一取代Z向钢针，形成整体穿刺织物。
[0006]但是细编穿刺工艺织物的平面尺寸方面有很大限制，且需要的人力、设备工装较多，工艺成本很高；成型大尺寸构件时，钢针矩阵的尺寸及稳定性不易控制，工艺进行难度较大。
[0007]Z-pin工艺主要用于增强铺层预浸料或者泡沫夹层复合材料，在固化前的预浸料或泡沫夹层厚度方向直接嵌入刚性的短棒，这种短棒通常称为Z-pin。Z-pin可以用金属(不锈钢、铝合金等)或非金属(碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维等)。
[0008]随着国防事业对复合材料的需求逐渐向大尺寸、整体成型转变，如何在保证三维立体织物性能的前提下实现织物的低成本、高效率生产成型，成为亟待解决的问题。
【发明内容】
[0009]为了克服现有技术中细编穿刺工艺织物在平面尺寸方面的限制，且需要的人力、设备工装较多，工艺成本很高，成型大尺寸构件时，钢针矩阵的尺寸及稳定性不易控制，工艺进行难度较大等缺陷，本发明的目的是提供一种立体织物制备中超声波植入钢针的方法。
[0010]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下:
[0011]一种立体织物制备中超声波植入钢针的方法，利用超声波设备产生的超声振动，将预先排列好的钢针，Z向植入到纤维布铺层中，待钢针植入完毕之后，将Z向钢针置换成纤维或纤维棒，形成三维立体织物。
[0012]上述方法要预先对钢针排列，上述钢针位置、钢针Z向间距、钢针排列外形尺寸可根据对所得立体织物的需求设计。根据立体织物的外形尺寸及Z向纤维间距设计钢针直径，钢针长度取决于织物厚度，钢针具体的排列方法、及其直径和长度的具体选择均可参照现有技术。
[0013]上述纤维布铺层是具有一定层密度的，具体密度根据实践需要确定。
[0014]上述超声波设备产生的超声振动能够顺利地一步一步将钢针植入到碳布层中，无需对钢针施加额外压力，提高了钢针植入时的垂直度。
[0015]钢针植入时，为了将植入时产生的纤维布冗余向织物边缘展开，避免中部形成皱褶缺陷，优选钢针采用由纤维布铺层中心向周边植入的方式。
[0016]上述方法与现有技术中细编穿刺方向完全相反，可实现大尺寸复合材料的制备，且需要的人力、设备工装很少，工艺成本很低，成型大尺寸构件时，钢针矩阵的尺寸及稳定性易控制，操作容易方便。
[0017]所述的超声波设备包括顺序连接的超声发生器、换能器和超声波工作头，其中，超声波工作头为长条形、且竖直向下设置，超声波工作头的底部为平面结构。
[0018]作为现有技术超声发生器包括改变换能器振幅的变幅杆。
[0019]上述方法通过调整超声发生器产生的振幅和频率，通过超声波工作头传递到钢针顶部，将钢针植入到立体织物内。
[0020]超声频率范围为30kHz?60kHz，振幅范围一般为30 μπι?100 μπι，根据钢针直径的大小，选择不同的频率和振幅范围，优选低频率高振幅，因为钢针直径越大，植入式的阻力就越高，所需要设置的振幅就越高。
[0021]超声波工作头的形状可为圆柱体或长方体或其它形状。超声波工作头的底部为工作面，其形状可根据织物的平面形状设计为矩形、圆形等，工作面的尺寸根据超声波发生器产生的振幅和一次性植入的钢针数量来选择。
[0022]所述的超声波设备还包括支架、横向导轨、线性滑块、粗调夹具和可伸缩调节杆；所述横向导轨设在支架上、且有相互平行的两根以上，相对的两根横向导轨之间设有过渡杆；过渡杆能相对横向导轨移动，以控制工作头一个方向的运动；线性滑块设在过渡杆上，控制工作头另外一个方向的移动；所述粗调夹具竖直向下设置、并连在线性滑块上；所述可伸缩调节杆竖直向下设置、并连接在粗调夹具的底部；所述可伸缩调节杆的底部与换能器连接。
[0023]过渡杆相对横向导轨移动时，带动超声波工作头完成X方向的移动；线性滑块在过渡杆上移动时，带动超声波工作头完成Y方向的移动。
[0024]上述通过粗调夹具调整可伸缩调节杆的长度，从而调节超声波工作头距离钢针的距离，使超声波工作头在超声发生器的作用下，能将钢针植入立体织物中。粗调夹具的的Z向移动可手工或通过现有的机械设备来控制。
[0025]线性滑块可准确控制粗调夹具的X和Y向运动，从而带动超声波工作头的X和Y向运动。
[0026]所述的超声波设备还包括上夹盘和下夹盘，所设上夹盘设在可伸缩调节杆底部，所述下夹盘通过螺杆连在上夹盘底部，所述换能器设在下夹盘内，超声波工作头穿过下夹盘底部连接在换能器的底部。上述改进结构稳定，超声波工作头在工作时不会产生平面方向的偏移量。
[0027]所述纤维布铺层满足层密度要求，在钢针植入之前，预先对纤维布铺层进行加压密实；在钢针植入过程中，通过保持加压状态，使Z向纤维布层达到层密度要求。这样能进一步保证所得立体织物的质量。
[0028]层密度要求根据实际需要确定。
[0029]上述钢针的导向性借助于模板来控制，模板为层状结构，当钢针顶部与模板顶部齐平时，拆除一顶层模板，继续进行钢针植入，依次类推；钢针植入完毕后，在纤维布铺层顶部预留一个模板，并在纤维布铺层底部的针尖位置置入一层模板，并采取工装夹具对织物上下模板进行夹紧，控制厚度方向所需尺寸，然后将夹紧后的织物移动到换线桌上进行Z向纤维或者纤维棒的置换，置换结束后，拆除工装夹具及上下模板，形成三维立体织物。
[0030]厚度方向所需尺寸取决与实践需要。
[0031]本申请钢针针尖穿透纤维布铺层的整个厚度方向，钢针植入后，针尖位于维布铺层的底部。
[0032]换线桌及向纤维或者纤维棒的置换参照现有技术。
[0033]优选，钢针每次植入深度为10mm。这样能更进一步保证钢针植入的稳定性。
[0034]优选，钢针的长度超出纤维布铺层Z向厚度60mm?120mm。这样可进一步保证钢针的穿透性和所得织物的质量。
[0035]上述Z向为纤维布铺层的厚度方向。
[0036]本发明未提及的技术均参照现有技术。
[0037]本发明立体织物制备中超声波植入钢针的方法，对纤维布铺层进行Z向钢针的超声植入，Z向钢针为Z向置换纤维预设通道，形成三维立体织物，解决了平面大尺寸、高厚度立体织物的成型难题，工艺操作过程所需的人力少、成本低、使用方便、工时少，能有效提高生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明立体织物制备中超声波植入钢针的示意图。
[0039]图2为本发明超声波设备结构示意图。
[0040]图3为【具体实施方式】中钢针植入顺序示意图。
[0041]图中，I为换能器、2为超声波工作头、3为支架、4为横向导轨、5为线性滑块、6为粗调夹具、7为可伸缩调节杆、8为上夹盘、9为下夹盘、10为螺杆，11为过渡杆，12为纤维布铺层、13为钢针排列、14为模板。
【具体实施方式】
[0042]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0043]超声波钢针植入工艺的工艺流程为:①碳布铺层②加压密实③超声植入钢针④Z向置换。具体步骤为:
[0044]①将符合层密度要求的碳布裁剪完毕后进行铺层，并预先进行加压密实，使之达到层密度要求；
[0045]②将满足层密度要求的纤维布铺层放置于穿刺设备操作平台上，并采用加压设备进行加压；
[0046]③待织物厚度达到工艺要求范围后，进行钢针(钢针的长度超出纤维布铺层Z向厚度80_)排列，然后调整超声波发生器的振幅和频率，从而控制超声波工作头的水平和Z向运动，按照从中心到周边的顺序，进行超声波钢针植入，每次植入深度约10mm，Z向钢针为Z向纤维或者纤维棒置换提供通道；
[0047]④将Z向钢针置换成纤维或者纤维棒，以形成三维整体织物。
[0048]如图2所示，超声波设备包括顺序连接的超声发生器、换能器和超声波工作头，其中，超声波工作头为长条形、且竖直向下设置，超声波工作头的底部为平面结构；
[0049]上述超声波设备还包括支架、横向导轨、线性滑块、粗调夹具、可伸缩调节杆、上夹盘和下夹盘；所述横向导轨设在支架上、且有相互平行的两根以上，相对的两根横向导轨之间设有过渡杆；过渡杆能相对横向导轨移动，以控制工作头一个方向的运动；线性滑块设在过渡杆上，控制工作头另外一个方向的移动；所述粗调夹具竖直向下设置、并连在线性滑块上；所述可伸缩调节杆竖直向下设置、并连接在粗调夹具的底部；所设上夹盘设在可伸缩调节杆底部，所述下夹盘通过螺杆连在上夹盘底部，所述换能器设在下夹盘内，超声波工作头穿过下夹盘底部连接在换能器的底部。
[0050]钢针的导向性借助于模板来控制，模板为层状结构，当钢针顶部与模板顶部齐平时，拆除一顶层模板，继续进行钢针植入，依次类推；钢针植入完毕后，在纤维布铺层顶部预留一个模板，并在纤维布铺层底部的针尖位置置入一层模板，并采取工装夹具对织物上下模板进行夹紧，控制厚度方向所需尺寸，然后将夹紧后的织物移动到换线桌上进行Z向纤维或者纤维棒的置换，置换结束后，拆除工装夹具及上下模板，形成三维立体织物。
[0051 ] 纤维布规格MT300-3K碳纤维布，层密度25_26层/cm ;所得立体织物大小为2mX Im,厚度为120mm ;超声波发生器的频率为35.7kHz，振幅为最大振幅的30 %，最大振幅为100 μπι;钢针直径为1.1mm,程矩形排列，针间距为2.4mm ;超声波工作头的底部为18 X 25mm的矩形。
[0052]Z-pin增强工艺首先将满足一定层密度要求的纤维布放置于操作平台，待设备对纤维布铺层进行加压密实后，在纤维布上表面排布设计好的钢针，图1中的钢针矩阵由钢针和模板共同组成。待钢针排布完毕后，对钢针排列的外形尺寸进行收紧，使外形尺寸、间距控制在工艺要求范围之内。采用加压设备，再次对底部的纤维布铺层进行加压并处于保压状态。
[0053]超声波工作头按照如图2所示安装完毕后，按照图3所示，对排列好的钢针采取从中间区域A向两边B、C区域植入的方式进行钢针植入。为了提高植入的垂直度，采取分次分区域植入法，每次植入深度为10mm。当钢针顶部植入到模板顶部时，拆除一层模板，继续进行钢针植入。钢针植入完毕后，顶部预留一层模板，并在底部针尖位置置入一层模板，采取工装夹具对织物上下模板进行夹紧，控制厚度方向尺寸在工艺要求范围之内。将夹紧后的织物移动到换线桌上进行Z向纤维或者纤维棒的置换，拆除工装夹具，形成三维立体织物。
[0054]上述立体织物制备中超声波植入钢针的方法，对纤维布铺层进行Z向钢针的超声植入，Z向钢针为Z向置换纤维预设通道，形成三维立体织物，解决了平面大尺寸、高厚度立体织物成型难题，工艺操作过程所需的人力少、成本低、使用方便、工时少，能有效提高生产效率，且钢针Z向植入即稳定又准确。
【权利要求】
1.一种立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:利用超声波设备产生的超声振动，将预先排列好的钢针Z向植入到纤维布铺层中，待钢针植入完毕之后，将Z向钢针置换成纤维或纤维棒，形成三维立体织物。
2.如权利要求1所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:所述的超声波设备包括顺序连接的超声发生器、换能器和超声波工作头，其中，超声波工作头为长条形、且竖直向下设置，超声波工作头的底部为平面结构。
3.如权利要求2所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:所述的超声波设备还包括支架、横向导轨、线性滑块、粗调夹具和可伸缩调节杆；所述横向导轨设在支架上、且有相互平行的两根以上，相对的两根横向导轨之间设有过渡杆；过渡杆能相对横向导轨移动，以控制工作头一个方向的运动；线性滑块设在过渡杆上，控制工作头另外一个方向的移动；所述粗调夹具竖直向下设置、并连在线性滑块上；所述可伸缩调节杆竖直向下设置、并连接在粗调夹具的底部；所述可伸缩调节杆的底部与换能器连接。
4.如权利要求3所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:所述的超声波设备还包括上夹盘和下夹盘，所设上夹盘设在可伸缩调节杆底部，所述下夹盘通过螺杆连在上夹盘底部，所述换能器设在下夹盘内，超声波工作头穿过下夹盘底部连接在换能器的底部。
5.如权利要求1-4任意一项所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:纤维布铺层满足层密度要求，在钢针植入之前，预先对纤维布铺层进行加压密实；在钢针植入过程中，通过保持加压状态，使Z向纤维布层达到层密度要求。
6.如权利要求1-4任意一项所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:钢针的导向性借助于模板来控制，模板为层状结构，当钢针顶部与模板顶部齐平时，拆除一顶层模板，继续进行钢针植入，依次类推；钢针植入完毕后，在纤维布铺层顶部预留一个模板，并在纤维布铺层底部的针尖位置置入一层模板，并采取工装夹具对织物上下模板进行夹紧，控制厚度方向所需尺寸，然后将夹紧后的织物移动到换线桌上进行Z向纤维或者纤维棒的置换，置换结束后，拆除工装夹具及上下模板，形成三维立体织物。
7.如权利要求1-4任意一项所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:钢针每次植入深度为10mm。
8.如权利要求1-4任意一项所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:钢针采用由纤维布铺层中心向周边植入的方式。
9.如权利要求1-4任意一项所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:钢针的长度超出纤维布铺层Z向厚度60mm?100mm。
10.如权利要求1-4任意一项所述的立体织物制备中超声波植入钢针的方法，其特征在于:超声振动的频率为30kHz?60kHz，振幅为30 μπι?100 μm。
【文档编号】B29B11/00GK104476696SQ201410741142
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】董伟锋, 朱晶晶, 李小虎, 胡方田, 蒋轩 申请人:中材科技股份有限公司