专利名称：树脂浸制多取向复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料。具体而言，本发明涉及具有多个树脂浸制丝带的复合材料。
背景技术：
丝绕和复合材料在制造应用中是金属和其它材料的理想替代物。复合材料具有强度高、重量轻、容易成形的优点。复合材料包括纤维，典型为碳，所述纤维用可固化树脂浸制。复合材料经常如同织物可褶皱(drapable)，允许未固化复合树脂形成为不同的形状。一旦复合材料具有所需的形状，树脂固化并硬化以产生刚性结构。
尽管复合材料具有许多正面特性，复合材料总的成本使得它们的应用不切实际。不同的因素影响复合材料的成本。一个因素是为了形成复合结构所需的制造步骤的数目。通常制造复合材料和将复合材料形成为所需的形状需要多种机器和较多的劳力。例如，产生复合材料的一种方法是将纤维编织为复合材料片。编织较大的碳纤维层需要昂贵的机器并可能是非常耗时的过程。
此外，用树脂浸制复合材料给所述过程增加了额外的步骤。这些额外的步骤可能涉及将整个复合材料片用树脂浸制，这在均匀地将树脂施加到较大的复合材料片时产生了困难。此外，这些浸制过程经常在不同的地点通过不同的制造商来执行，增加了各步骤商的制造和运输成本。结果，终端用户的复合材料总价格可能很高。
复合材料另外的一个缺点是当组装复合结构时所需要的大量的劳力。经常地，需要多层复合金属以形成一个结构，需要复合材料的不同取向。在许多当前的过程中，复合材料的各独立层被设置并通过手取向安置到外形或者其它成形结构上。对复合材料片进行设置和取向的过程对已经很昂贵和耗时的制造过程增加了额外的开支和时间。
当前的复合材料的另外一个问题是树脂浸制的复合材料的处理。在许多应用中，树脂被制造以具有较低的粘性以允许树脂在各纤维材料之间流动。树脂可以在环境温度的情况下以液体形式提供。虽然较低粘性树脂允许更好地渗透到复合材料中，较低粘性液体树脂产生了不利的处理特征。此外，较低粘性的树脂不能有效地保持复合层的安置。这样，纤维可能在被处理或者传输时分离和分开。同样，较低粘性树脂可以在固化的过程中从复合材料的特定部分流动离开，使得一些区域上树脂不足。
因此，本领域中需要消除复合制造过程中的成本问题的便宜的复合树脂。提供浸制了在环境温度为固体或者半固体树脂的复合材料对本领域也是一个进步。提供能可多层制造并具有多层纤维取向的复合材料也是本领域的一种进步。
提供能够在制造复合材料时通过产生较大部分的复合结构而在形成复合结构中消除人工装配步骤的过程也是另外一种进步。此外，提供一种防止树脂非受控地传输到与材料相接触的物体或者流出未固化复合材料的复合材料也将是一种进步。提供一种用于将复合材料形成为所需的外形的具有所需的粘性和褶皱特性的复合材料在本领域中也是一种进步。
发明内容
本发明的装置和方法针对现有技术中所存在的问题而研发，尤其响应现有技术中可获得的气囊系统(airbag system)还不能解决的问题。这样，本发明的总体目的是提供一种能够成形并能够迅速制造的便宜的复合材料。
复合材料可以包括多个被缠绕的丝带层以限定复合片。复合带可以由任意数目的纤维制成，例如碳纤维。丝带用树脂浸制，所述树脂在环境温度是固体或者半固态。环境温度可以包括制造装备中的温度。固态或者半固态树脂可以被加热到粘性状态以浸制丝带。
丝带层可以具有基本彼此平行的丝带。丝带层可以被安置在彼此之上，交替的丝带层具有交叉的取向。相邻的丝带的交叉取向可以基本彼此垂直。额外的丝带层可以被添加以在复合材料片上限定另外的丝带层。
复合材料可以缠绕到具有不同形状的芯轴上。芯轴可以是滚筒形或者更为复杂的曲线形状。在一个缠绕应用中，复合材料可以成螺旋形缠绕到芯轴上。所述缠绕可以通过丝绕机来实现，所述丝绕机具有细丝施加部分，所述部分具有树脂分配装置。
丝带可以至少是0.5英寸宽。另外的实施例可以包括至少大约1英寸宽的丝带，同时另外的丝带可以不小于大约0.5英寸宽。独立的带的宽度和取向在整个材料片上也可以变化。
通常，用于制造复合材料的过程可以包括从细丝分配装置将丝带供给到芯轴上。当丝带从细丝分配装置供给时，丝带用在环境温度中固态或者半固态的树脂浸制。然后，丝带以可选的取向并且以可选的层数安置在芯轴上。复合层可以围绕可移除垫板(blacking)以防止半固态或者固态树脂传输到与所述材料相接触的物体。所述垫板可以在复合材料被施加到模型(form)上时被移除。
丝带的多层和取向可以根据可选部分或者部件的加载需要而位于复合材料中，所述复合材料是预成形件。预成形件是由复合材料所形成的部分，所述部分的特征在缠绕的过程中产生，这样消除了复合材料的多层的叠布问题。所述部分的不同位置中的不同特征可以通过变化丝带的取向和层数来产生。
预成形件可以通过确定复合部件用的载荷要求而制造。所述载荷要求基于设计和部件的用途。接着，为了达到载荷要求所需的丝带的层数和取向被识别。然后，产生制造控制计划。最后，根据制造控制计划缠绕丝带，将丝带安置在部件的载荷要求的取向和层中。
本发明的这些特征将从下述说明以及所附权利要求中变得完全显而易见，或者可以通过实施本发明而了解到。
为了更加清楚说明本发明的特征和优点，下面将参照附图对本发明进行详细说明。但是本发明不限于所显示的实施例，其中图1A-H是制造复合材料的过程的俯视图；图2是在本发明的范围中制造的复合材料的俯视图；
图3是图2的复合材料片的横截面视图；图4是本发明的范围之内的丝绕机缠绕复合材料片的俯视图；图5是多层复合材料的横截面透视图；图6是预成形制造过程流程图。
具体实施例方式
下面将参照图1-7来说明本发明的优选的实施例，其中相似的附图标记指示相同或者功能相似的部件。如图中所示，本发明具有多种不同的结构。这样，下述本发明的更详细的说明不是为了限制本发明的范围，而指示代表本发明的优选实施例。
本发明与现有技术中的复合材料相比具有几个优点。所述复合材料相对便宜并具有可控的制造过程。复合材料也具有理想的褶皱和粘性性能以允许很容易地将未固化复合材料形成为所需形状或者模型。在单线制造过程中，复合材料也提供了可变的复合材料特征。
现在参照图1A-H，说明了用于制造复合材料片的过程。图1H中完整显示的一片复合材料100使用以交替取向安置的多层丝带110而制造。在一个实施例中，丝带110包括多股不同的纤维材料。所述材料可以包括碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉尔(Kevlar)、金刚砂或者其它纤维性材料。这样的纤维材料的组合将产生能够最佳显示组合的纤维材料的材料特征的丝带110。
通常，丝带110中纤维的数目增加将对应丝带110宽度或者厚度的增加。固定数目纤维股的丝带110的宽度和厚度将通过一系列随动杆或者张力控制装置来控制处理带110。限制的杆或者张力控制装置可以展开丝带110以产生较宽的更薄的丝带110。
丝带110将通过不同的丝带110布置程序而被缠绕为复合材料100。图1A-H说明了通过丝绕或者分层过程所产生的复合材料。
图1的复合材料可以包括安置在彼此之上的多层丝带110。独立的层可以包括基本平行的多个丝带110，所述多个丝带中独立的带110以一定的分开的距离相对彼此安置。在图1A-H中，各图表示丝带110的层的布置。
图1A描述了包括两个丝带110a的层沿第一取向安置在表面120之上，所述表面120可以是芯轴、滚筒、工作台或者其它表面。在图1A中，第一取向被显示为垂直的。但是，此取向只是出于说明的目的。第一层的两个平行丝带110a被安置在水平的分开的距离116上。在复合材料100中，如图1A所示，垂直丝带110a具有等于三个丝带110的宽度的水平分开距离116。在这样的实施例中，三层左右安置的丝带110可能需要形成完整的一片复合材料100。
一旦丝带110a的第一层被安置在表面120上，丝带110b的第二层被安置在丝带110a的第一层上。第二层的丝带110b也基本彼此平行并以垂直分开的距离124安置。丝带110b的第二层的垂直分开距离124可以等于丝带110a的第一层的水平分开距离116。可选地，垂直分开距离124可以与水平分开距离116不同。但是，当垂直分开距离124和水平分开距离116相同，各取向中相同数目的层数可以用于产生均匀的一片复合材料100。
另外，丝带110的任意层的分开的距离可以在单层的范围内变化。例如，一层可以包括四个丝带(未示出)，三个分开的距离分开四个丝带。三个分开的距离每个可以在丝带的单层范围之内而不同。这样的实施例在额外的丝带需要来强化复合材料部分或者在预成形应用中(将在后面说明)时是有利的。
独立于丝带110a、110b的分开距离116、124，丝带110b的第二层被安置在丝带110a的第一层上。丝带110b的第二层被安置在丝带110a的第一层上，这样丝带110b的第二层与丝带110a的第一层具有相交取向。丝带110a的第一层和丝带110b的第二层的相交取向可以具有较宽范围的相对角度。
在图1B中，第一层的丝带110a与第二层的丝带110b的相对角度以90度偏移。但是，丝带110的交替层之间的不同相对角度也是可能的。在一个实施例中，丝带110的层的相对角度使得来自第二层的单个丝带110b与来自一片复合材料100的第一层的丝带110a的主要部分相交和相重叠。
例如，图1B说明了单个丝带110b与第一层的所有的丝带110a相交的相交角度。但是，如果丝带110a、110b的两层之间的相对相交角度大约是10度或者更小，那么第二层的单个丝带110b可以只相交第一层的单丝带110a。
现在参照图1C，丝带110c的第三层被安置在丝带110b的第二层的顶部。丝带110c的第三层以交叉取向被安置在丝带110b的第二层的顶部上。丝带110c的第三层的取向可以基本等于丝带110a的第一层的取向。但是，第三层的丝带110c可以被安置在与第一层的丝带110a相邻的表面120上的位置上，如图1C中所示。
相似地，丝带110d的第四层可以与丝带110b的第二层相同的取向安置在丝带110c的第三层上。丝带的后续层110e、110f、110g、110h可以交替的取向而彼此安置以形成一片复合材料100，如图1H所示。
图1A、C、E、G和图B、D、F和H显示了具有与原先安置的丝带110相邻安置具有相似的相交角度的丝带110的后续层。但是，丝带110的后续层不需要与原先安置的丝带110的层相邻。后续的丝带110可以与原先安置的丝带110相重叠。可选地，后续丝带110在原先被安置的丝带110之间具有间隙。
尽管后续的丝带110之间的间隙可以变化，对后续的丝带110来说可以是优选的以顺序的方式与原先安置的丝带110基本对齐，诸如图1C中所示。此实施例防止在复合材料100的层中形成开口或者窗口。
此外，图1A-H所示的对齐提供了丝带110的均匀分布。通过在单层或者层之间内对丝带110提供均匀的分开距离，可以提供基本均匀厚度的复合材料100。在图1A-H中所示的实施例中，复合材料100的厚度等于两个丝带110的厚度。这是因为任何给定的表面截面120只被两个丝带110以不同的取向来覆盖。
这通过图1B中所示的重叠位置122而更加容易理解。重叠位置122通过与第一层的丝带110a重叠的第二层的丝带110b而产生。此重叠位置122的厚度等于包括重叠位置122的两个丝带110a、110b的厚度。通过观察后续图1C-H，可以看出没有丝带110c-h被安置在重叠位置122之上。对于此实施例，任何其它给定部分的复合材料100也是这样的，每个复合材料100部分包括两个具有不同纤维取向的丝带110。
除了图1所示之外，可以实现对复合材料100结构的多种变化。例如，单层中的丝带110的取向可以沿着复合材料100的长度而变化。在图1A中，第一层的两个丝带110a显示为彼此平行。但是，第一层的两个丝带110a相对彼此可以具有任何数量的角向取向，例如如果一个丝带110垂直，第二带30度偏移。相似地，其它层中的丝带110可以与前述的相同的方式来变化。
此外，图1A-H中的垂直丝带110a和水平丝带110b的说明只是丝带110与复合材料100的可能的取向的一个实施例。丝带110可以具有多个其它的取向、厚度和层数，这依赖于复合材料所需的结构。
本复合材料100的另外的特征是在一片复合材料100被制造之前浸制树脂的丝带110的使用。独立的丝带110可以预先以在环境温度中是固态或者半固态的树脂浸制。在一个实施例中，树脂可以在达到大约120°F的温度上保持固态。此树脂可以包括不同的环氧树脂和硬化剂，注入在大约160°F变为固态的酚醛塑料和双酚。
但是，在环境温度上是固态或者半固态的现在可获得的不同的其它的环氧树脂也是适于复合材料100的应用。通常，树脂必须被选择，这样树脂在复合材料100将被处理和组装的环境条件下保持固态或者半固态。温度范围可以包括通常在制造设备中常见的温度，在所述设备中，周围的温度在大约50到110°F之间，优选地在大约70°F。
此外，必须选择树脂，使当复合材料100与比周围环境温度高的制造装备中的零件相接触时树脂保持固态或者半固态。例如，工具、模型或组件表面会由于摩擦、发散的热或者其它的因素导致温度增加。
在传输和运送的过程中树脂必须保持在固态或者半固态。材料经常在没有温度调节系统的卡车或者运输容器中运送。卡车和运送容器中的温度可以超过100°F。如果树脂在传输和传送的过程中变成粘性液体，树脂将流出所述材料，使得一些部分没有适当的树脂。因此，必须选择树脂，使树脂在相对较高的温度保持固态或者半固态。
通过提供在较大范围的环境温度上保持固态和半固态的树脂，在纤维内浸制的树脂将基本保持均匀。均匀浸制的树脂将防止在复合材料100内产生由于不足量的树脂所导致的弱化部分的产生。
为了将丝带110注入固态或者半固态的树脂，树脂必须以其可以很容易浸制到丝带110的状态被放置。在一个应用中，在环境温度中为固态或者半固态的树脂被加热到液态或者粘性液态。被加热的粘性树脂然后可以浸制在独立的丝带110中。在液体树脂被浸制到丝带110中，树脂冷却到固态或者半固态。
丝带110可以包括多个混合在一起以产生通常更大的丝带110的更小的丝带。或者是较大的丝带110或者是组成较大的丝带110的较小的丝带被浸制。在每个时刻最小化被浸制的纤维数是有利的。通过最小化纤维数目，各纤维可以很容易地并均匀地用加热的树脂浸制。
在丝带110被形成为复合树脂层110之前将独立的丝带110用树脂浸制提供了几个制造和设计的优点。一个优点就是能够消除浸制完整的一片复合材料100或者将被缠绕的一片复合材料100涂以树脂的步骤。浸制整个复合材料片经常需要较大的液体树脂池。而液体树脂池需要使用大量没有被使用的树脂并可能容纳污染物。同样，将复合材料片浸入到液体树脂池中不允许注入复合材料100的树脂的量受到控制。
在它们被缠绕到一片复合材料100之前将丝带110用树脂浸制允许在不同的丝带110层之间施加充分量的树脂。在丝带110的组装过程中，独立的丝带110层通常安置在彼此之上，如图1A-H所示。
例如，在图1A和1B中，丝带110b的第二层被安置在丝带110a的第一层之上。通过将两层丝带110a、110b彼此安置，产生了重叠的位置122。如果丝带110a、110b没有以树脂预先浸制，不充分或者无效量的树脂可以存在于两层的丝带110a、110b之间。但是，以树脂预先浸制的丝带110将在重叠的位置122中具有有效和充分量的树脂。有效量的树脂是能够在不同层之间提供有效和充分量的树脂。通过在不同层之间具有有效和充分量的树脂，将形成更强和更均匀的复合树脂100。
将丝带110以在环境温度上固态或者半固态的树脂预先浸制的另外的一个优点是固态或者半固态树脂的粘性特性。树脂的粘性将允许独立的丝带110彼此粘接。如图1A-H中所示，一层复合树脂100包括多个可选的安置的独立丝带110。用于浸制丝带110的树脂的粘性允许丝带110彼此粘接在一起，以形成可以很容易控制的一片复合材料100。
此外，独立的丝带110包括更小量的纤维。使用粘性的树脂防止独立的丝带110分为多个纤维。这样，通常较大的一片复合材料100可以在不需要编织、缝纫或者其它将一片复合材料100保持在一起而形成。
固态或者半固态的粘性当将复合材料110安置到将固化的外形上时也提供了优点。典型地，复合材料100通过将未固化一片复合材料100放置到一个模型上而限定一个形状。当复合材料100被固化时，复合材料100将保持其被连接的模型的形状。粘性允许复合材料100连接至模型，不需要任何连接机构以将复合材料100固定至模型。
另外，由固态或者半固态的树脂产生的复合材料110的粘性使复合材料100很容易连接至复合材料100的其他件。通常，复合结构通过将复合材料100的多个件连接在一起而形成。树脂的粘性允许复合材料100的单独的部件彼此粘接，这样在固化的过程中保持适当的接触。
复合材料100的粘性量将依赖于所使用的固态或者半固态树脂的类型。粘性可以是复合材料100中的树脂的温度的函数。优选地，复合材料100的粘性优选地足以在垂直或者反向的表面上保持其自重。
为了提供粘性复合材料的运输和处理上的方便性，如图2所示的可移除的背衬130(backing)可以是塑料或者在粘性树脂和其它物体之间产生缓冲的相似的材料类型。可移除背衬130可以安置在复合材料100的两侧上，以防止粘性树脂粘接到复合材料100所接触的物体上。同样，可移除背衬130防止树脂传输到周围的物体上。
可移除背衬130和粘性当将复合材料100施加到一个外形上时提供了有用的特征组合。当将复合材料施加到模型上，可移除背衬130的一个侧面可以被移除以暴露粘性复合材料100。然后复合材料100可以通过具有剩余的可移除背衬130的复合材料侧来处理。被暴露的粘性复合材料100然后可以通过挤压到相对侧面的可移除背衬130上而粘接到模型上。一旦复合材料100在位，可移除背衬130的第二侧面可以从复合材料100剥离。
现在参照图3，显示了图2的一片复合材料100的横截面视图。横截面视图显示了形成一片复合材料100的多层丝带110a-h。复合材料100具有等于两个丝带110厚度的均匀厚度。均匀的厚度产生了具有顶部层212和底部层216的复合材料100。顶部层212和底部层216由多层的丝带110所形成。
多层丝带110的相对定位和长度提供了显著的强度的优点。复合材料100通过将具有较高拉伸强度的纤维和具有较高压缩和弯曲阻力的树脂相组合而获得强度。同时树脂可以承受基本的张力，优选地纤维而不是树脂加载张力。一种优化设计的复合材料100将被构造，这样纤维基本加载张力，树脂基本加载压缩和剪切力。这样没有优化地加载或者纤维或者树脂的复合材料100的特征可以被避免。
最好避免的复合材料100的一个特征是顶部层212和底部层216之间的过渡发生的位置。丝带110g从上层212过渡到下层216被称为卷边部分220。
例如，第七层的丝带110g在图3中进行了说明。在图3中从右观察到左，第七层的丝带110g被安置在复合材料100的顶层212上。第七层的丝带110g被安置在其它层的三个丝带110b、110d、110f的顶部上。然后第七层的丝带110g在第八层的丝带110h之下卷边。当在在第八层的丝带110h之下卷边后，第七层的丝带110g从底部层216过渡到顶层212。丝带110g从顶层212过渡到底部层216然后回到顶层212的位置在各过渡位置产生了两个卷边部分220。
卷边部分220将空穴224引入到丝带110在顶层212和底层216之间过渡的复合材料100中。被浸制到丝带110中的树脂可以用树脂填充空穴224。这样，当丝带110被加载有张力，张力的一部分将被传输到填充树脂的空穴224。由于丝带110的树脂典型地强于树脂，填充树脂的空穴224可能减小材料100的强度。
虽然卷边部分220可以将空穴224引入到复合材料100中，可选量的卷边部分220对复合材料100提供了一定的优点。卷边部分220允许顶层212和底层216的丝带110交织。如果复合材料100只包括没有卷边部分220的两层丝带110，那么复合材料100的强度将等于将两层保持在一起的树脂的强度。但是，卷边部分220的可选使用允许顶层212和底层216通过丝带110连接在一起。
此处公开的复合材料100提供了最小数目的卷边部分220。可以从图3中看出，第七层的丝带110g基本用两个小的卷边部分220被安置在顶层212之上。通过提供位于复合材料100的单层之上通常较长的丝带110部分，丝带110上的张力载荷将被安置在丝带110的垂直的纤维之上。
现在回头参照图2，对复合材料100的检查显示了大量的丝带110具有垂直的纤维部分，而没有卷边部分，所述卷边部分的宽度至少是丝带110的三倍。此外，可选的丝带110没有卷边部分220。尽管丝带110的长度对宽度的比值只是为了说明的目的，其也的确在最大化丝带110的垂直部分中显示了复合材料100的优点，同时仍然利用了最小数目的卷边部分220。
用于制造复合材料100的方法可以包括丝绕以及布置独立的丝带110。现在参照图4，说明了丝绕机310。丝带缠绕机310被提供以将丝带110施加到芯轴316或者其它相似的结构。丝绕机310包括芯轴316、细丝施加部分320以及传输系统330。
丝绕机310被构造以将纤维326线轴缠绕到芯轴316上以形成一片复合材料100。丝绕机310也包括提供树脂以在丝带328被缠绕到芯轴316上之前将丝带328用树脂浸制。如前所述，树脂源318可以连接到加热单元322以将树脂加热到液体状态，这样树脂被注入到丝带328中。
丝带328被缠绕到芯轴316上。芯轴316可以是较大的旋转滚筒或者其它相似的装置，所述装置允许施加被预先浸制树脂的丝带328。在一个实施例中，芯轴316被构造以围绕轴线324旋转，这样芯轴316从细丝施加部分320抽出丝带328。
细丝施加部分320可以包括一个或者多个细丝源，例如细丝线轴326，以提供纤维源以产生丝带328。线轴326可以提供纤维带源以产生丝带328，或者可选的线轴326可以提供混合为单个较大的丝带328的多个更小的丝带。
细丝施加部分320可以被构造以相对芯轴316平动。平动可以通过将细丝施加部分320连接到传输系统330而实现。在一个实施例中，传输系统320可以是轨道332，细丝施加部分320设置在轨道332上。普通技术人员将认识到多个其它系统可以被提供以允许细丝施加部分320相对芯轴316平动。
线轴326可以连接到细丝施加部分320，这样线轴326与细丝施加部分320一起平动。但是，线轴326可以位于静止装置上，线轴326从静止的位置供给发生平动的细丝施加部分320。虽然线轴326连接到细丝施加部分320可以提供更为简单的供给机构，被保持在线轴326上的纤维量可能被限制到较小的量。这样，在较大的一片复合材料100的丝绕应用中，在没有连接到细丝施加部分320的线轴326上提供较大量的纤维是有利的。
细丝施加部分320相对芯轴316的运动可以是自动或者手工运动控制系统。运动控制系统可以控制细丝施加部分320的过渡运动以及丝带328被施加到芯轴316上的角度。虽然手工和自动系统是可能的，自动系统可能对较大的复合材料片316是最实用的。
细丝施加部分320可以包括多个随动杆(未示出)，所述随动杆控制丝带328的特征。例如，随动杆可以使丝带328受拉以改变丝带328的宽度。单个丝带328可以在施加到芯轴316之前通过多个随动杆供给。
控制丝带328的宽度在一片复合材料100的缠绕中提供了几个优点。通过将丝带328变宽，丝带328的厚度可以被减小，通过提供较窄的丝带328，厚度可以增加。这样，丝带328的厚度可以通过随动杆或者其它相似的装置而使得丝带328变宽。
提供通常较宽的丝带328的另外的优点是需要产生一片复合材料100的制造时间减小。一片复合材料100通过围绕芯轴316缠绕丝带328而形成直到芯轴316基本被覆盖。通过使用较宽的丝带328，需要覆盖芯轴316的旋转数可以被减小。在一个实施例中，丝带328宽度可以是0.5-1.0。但是，其它的实施例可以使用宽度小于0.5英寸或者宽度大于1英寸的丝带328。
施加丝带328也可以通过丝带缠绕头336来进行控制。丝绕头336可以被构造以控制丝带328被施加到芯轴316上的角度。丝绕头336能够变化丝带328的角度，同时缠绕单层丝带328。丝绕头336可以包括随动杆以及用于用树脂浸制丝带328的树脂施加系统。
丝绕机310的变化控制系统允许对一片复合材料100较大程度上的控制。这样，单个机器可以被用于产生多个复合材料100的实施例。
缠绕过程可以通过将丝带328的端部连接到芯轴316上的位置而实现，诸如端部340。丝带328可以通过粘胶带或者通过预注入的丝带328的粘性而被连接到芯轴316。将丝带328的端部连接到芯轴316的端部340对于确定缠绕过程的开始和结束点是有用的。但是，丝带328的端部可以被连接到芯轴316上的任何位置。
在使用可移除背衬130的复合材料100中，可移除背衬130将在将丝带328连接到芯轴316之前首先被安装到芯轴316上。在此实施例中，丝带328的端部将连接到可移除背衬130。通过将丝带328缠绕到可移除背衬130上，一片复合材料100可以用覆盖可移除背衬130的复合材料100的一侧从芯轴316移除。
一旦丝带328被连接到芯轴316，芯轴316可以被旋转以从细丝施加部分320抽出丝带328。当丝带328从细丝施加部分320取出，传输系统330相对芯轴316平移。通过变化芯轴316的旋转速度以及传输系统330的传输速度，其中丝带328被施加到芯轴316的方式可以被控制。
芯轴316的旋转控制以及传输系统330的平移可以确定分开的距离、丝带328的角度、不同的丝带层的相交角度以及不同层之间的相对定位。复合材料100的这些特征可以在整个一片复合材料100之上保持恒定，或者可以在单片复合材料100上改变。
例如，丝带328可以在初始缠绕通过芯轴316的过程中以第一角度或者取向被安置。丝带328的角度然后可以在围绕芯轴316通过的中心缠绕的过程中被改变到第二角度。丝带328的角度然后可以返回到在丝带328围绕芯轴316的初始旋转的过程中的角度。
在单次通过芯轴316的过程中改变其角度的丝带328的能力是可能的，这部分是由于复合材料100的粘性的缘故。树脂的粘性将允许丝带328粘接到芯轴316并保持其中其被安置到芯轴316上的角度。此外，当角度突然改变，丝带328的粘性将防止原先被安置的丝带328部分符合丝带328的新的角度。
相似地，丝带328之间的分开的距离在复合材料100的制造过程中以与预丝带328的角度相似的方式可以变化。此外，丝带328的角度以及丝带328的分开的距离可以根据层而不同。
现在参照图5，显示了多层复合材料410的一部分。多层复合材料410横过其长度具有变化数目的层数。多层复合材料410可以与通过手工以不同层安置的复合材料相似。但是，图2所示复合材料100在单一缠绕过程中在多层部分中缠绕，并在其长度上具有变化数量的层。
变化数量的层数可以在不同的取向中和不同的位置中通过施加多层丝带而实现。所述取向和层数在芯轴316上的丝绕过程中可以控制，如上所述。例如，丝绕机310可以缠绕包括两组在不同的取向中安置的丝带组，如图2中所示。在第一层416被形成之后，第二层420部分可以被安置在第一层416的被选择的顶部上，如图5所示。
在一个实施例中，第二层420的丝带的纤维的取向与第一层416中的丝带的取向是不同的取向。取向中的不同对第二层420是理想的，以接收不同方向中的载荷，这对第一层416中的纤维而言是有利的。接着，第三层432将被放置到第二层420上以在另外的方向中接收载荷。
此外，顶层436可以被安置在复合材料410的整个部分上。顶层436可以作用以在单层部分和多层部分410之间提供均匀的过渡。此外，第三层416、420、432中的丝带和纤维的角度和方向可以基本是在相似的方向上。复合材料410中的层数将依赖于所需的应用。使用具有不同取向的丝带的多层允许复合材料410对特定的组件进行设计，而不必要手工地安置多层复合材料。
一个在整个复合材料410上具有不同取向的多层复合材料410的应用是制造预成形件。预成形件是至少一部分结构在一片复合材料100的制造过程中被制造的复合部件或者部分。通过产生具有准备固化部件的层数和取向的复合材料件，可以避免手工放置多层复合材料的过程。
现在，大多数复合材料在没有看到复合材料制造的最后结果情况下被制造。典型地，制造通常的具有不同厚度、强度特征以及纤维取向的复合材料。从通常供给的复合材料，通过以所需的形状和层数安置多层被制造的复合材料而制造。手工安置复合材料的过程将给整个部分增加成本。
为了避免手工安置复合材料以形成部件，多层复合材料可以在复合材料被制造时彼此产生。为了实现这个目的，部件或者部分的设计必须在复合材料被形成之前而得知。现在参照图6，显示了产生所示出的预成形的步骤的流程图。
首先，最终产品或者部件的载荷需求被确定510。所需要的载荷依赖于应用和将被放置到部件上的载荷。所述部分可以需要厚度增加的部分以接收较大的载荷或者可能产生在复合材料被制造时不能产生的用于连接其它不同部件的位置。
一旦得知了这些载荷要求，丝带的层数和取向将被确定以达到部件520的规范。这些设计考虑可以通过参考图5来说明。多层复合材料410可以是对右侧424的载荷要求大于左侧426的载荷要求的预成形件。
现在参照图6，一旦层数和纤维的取向被确定，制造控制计划可以被产生530以制造预成形件。制造控制计划描述丝绕机310将被如何操作以产生所需的层数和纤维取向。制造控制计划可以包括对应的细丝施加部分320的位置和速度的芯轴316的旋转速度。此控制计划可以是机器操作工的文字计划或者可以是与自动丝绕机310接口的计算机程序。
一旦制造控制计划被建立，丝带被缠绕到芯轴316上，在所述芯轴上多层和纤维取向产生预成形540。多层复合层410然后可以被切割为准备施加到外形和固化的部分的形状中。
在本申请中可以预见，设计预成形件的自动过程可以被建立。自动过程可能需要与载荷要求相关的数字介质中的部件或者部分的设计参数，诸如有限元分析程序。然后计算机程序可以确定复合材料的类型、丝带的宽度以及树脂的类型。接着，复合材料的层数和层数的取向可以对所述部分建立。
然后计算机程序可以确定与丝绕机交互的制造控制计划以制造预成形件。自动过程然后控制丝绕机的操作参数。尽管任一步骤可以用手工的过程来替换。自动过程将通常更加有效并且成本有效。
此应用中所描述的复合材料可以具有用于制造不同的复合部分的多个实施例。通常，复合材料可以描述为多层丝带，所述丝带在环境温度上被注入固态或者半固态树脂。不同的丝带层相对彼此具有交叉的取向。所述树脂阿卡一提供允许复合材料很容易粘接到外形并将丝带保持在一起的粘接量。
尽管对本发明的一些实施例进行了说明，普通技术人员可以理解在不背离本发明的精神和原则的情况下可以对本发明进行修改和变化，其范围由所附权利要求书所限定。
权利要求
1.一种复合材料，包括多个丝带，其中各丝带被用在环境温度下是固态或者半固态的树脂浸制，复合材料具有多层基本平行的丝带，其中交替层与相邻的层具有相交的取向，这样丝带形成复合材料片。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，丝带是碳纤维。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，还包括位于复合材料片上的额外的丝带层。
4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于，丝带的额外层的丝带基本单向。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，丝带层的交叉取向产生多个重叠位置。
6.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，有效量的树脂存在于重叠位置中。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，各个丝带用基本相似量的树脂浸制。
8.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述材料通过将丝带缠绕到芯轴上而产生。
9.根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述芯轴是滚筒。
10.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，丝带的交叉取向根据层而具有不同的角度。
11.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述带至少大约1英寸宽。
12.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述带不大于0.5英寸宽。
13.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述材料是粘性的。
14.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，丝带层基本垂直于相邻的丝带层。
15.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，复合材料片在凝固时基本是固体。
16.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，还包括通过非液体树脂连接到至少复合材料的一侧的可移除背衬。
17.一种复合材料片，包括多个丝带，其中各个丝带被用在环境温度上是固态或者半固态的树脂浸制，多个丝带被缠绕到复合材料片上，这样丝带的交替层与相邻的丝带层具有相交的取向，这样丝带形成复合材料片。
18.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，所述丝带被缠绕到芯轴上。
19.根据权利要求18所述的复合材料片，其特征在于，所述芯轴是滚筒。
20.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，丝带被成螺旋形地缠绕。
21.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，交叉取向的角度根据可选的部件的载荷需要而被选择。
22.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，还包括多个在单向方向中缠绕到复合材料片上的多个丝带。
23.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，所述材料根据预定部件的设计来缠绕。
24.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，所述材料是预成形件。
25.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，所述丝带是碳纤维。
26.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，所述丝带的交叉取向具有至少三个取向。
27.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，丝带的宽度在所述片上变化。
28.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，在丝带被缠绕时所述丝带用树脂浸制。
29.根据权利要求17所述的复合材料片，其特征在于，所述树脂被加热以将树脂浸制到丝带中。
30.一种制造复合材料的方法，包括将第一丝带用在环境温度下是固态或者半固态的树脂预先浸制；以第一角度缠绕第一丝带；将第二丝带用在环境温度下是固态或者半固态的树脂预先浸制；在第二方向中缠绕第二丝带，其中第二角度具有与第一角度交叉的方向，这样第一丝带和第二丝带形成复合材料。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，第一角度和第二角度的交叉取向基本垂直。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，复合材料被缠绕到旋转轴上。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，丝带的取向通过丝绕机的细丝施加部分进行控制。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述施加部分用树脂浸制丝带。
35.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，第一丝带和第二丝带具有多个重叠位置。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，有效量的树脂存在于重叠位置中。
37.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，第一丝带和第二丝带用基本相同量的树脂浸制。
38.一种制造复合材料的方法，包括确定部件的载荷要求；识别满足部件的载荷要求的层数和丝带的取向；产生制造控制计划；以及将多个丝带缠绕到芯轴上，其中多个丝带用在环境温度下固态或者半固态的树脂预先浸制，所述多个丝带根据制造控制计划来缠绕，这样丝带的层数和取向为所述部件产生一个预成形件。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，丝带被缠绕到具有至少三个不同的丝带取向的多层中。
40.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括从复合材料切割预成形件。
41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，还包括在形状限定模型上固化预成形件。
42.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，多个预成形件被同时缠绕。
43.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，预成形件被缠绕在复合材料片中。
全文摘要
公开了由多个丝带(110)所构成的复合材料(100)。丝带可以用固体或者半固体树脂浸制。丝带(110)在多个取向中缠绕以形成一层复合材料(100)。此外，复合材料(100)可以在整个复合材料(100)层中具有变化数目的层数和纤维取向。在另外的实施例中，需要多层和纤维取向的复合成分可以基本在丝绕过程中制造。
文档编号D04H3/12GK1662696SQ03814458
公开日2005年8月31日 申请日期2003年6月16日 优先权日2002年6月20日
发明者拉里·阿什顿, 克雷格·辛普森, 雷克斯·凯, 特罗伊·怀特, 迈克·奥尔曼 申请人:岩山复合有限公司