织造具有整体式侧壁的衬底的方法

专利名称：织造具有整体式侧壁的衬底的方法
技术领域：
本发明涉及用于强化复合结构的整体式编织预成型件，其可以被编织成平滑的， 然后再折叠成它们最终的三维形状，其最终形状具有在至少一个方向上整体式侧壁。
背景技术：
如今，使用强化复合材料生产结构组件已非常普遍，尤其是在追求它们质轻、坚 固、强韧、耐热、自支撑的期望性能以及它们形成和成形适应性的应用中使用普遍。这种组 件用在例如航空、宇航和卫星工业中，以及用于例如赛艇等娱乐用途和无数其他的应用。典 型的组件包括包埋在基质材料中的强化材料。强化组件可由例如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰 胺、聚乙烯的材料和/或其他表现出所需的物理学、热学、化学性质和/或其他性质的材料 制成，所述性质中最主要的是抵抗应力疲劳的良好的强度。通过使用这种最终变为成品组 件的构成元件的强化材料，强化材料的期望特性——例如很高的强度——会赋予成品复合 组件。构件强化材料通常由编织、针织或以其他方式定向成强化预成型件所需的构型和形 状。通常，特别要注意确保对因此而选定这些构件强化材料的性能的最佳利用。通常，将这 种强化预成型件与基质材料进行组合，从而形成所需的成品组件或生产用于最终生产成品 组件的工作储备料。在已经构造了所需的预成型件后，可以引入基质材料，并将其与预成型件进行组 合，由此强化预成型件变成包围在基质材料中，使得基质材料填充强化预成型件的构成元 件之间的空隙区域。基质材料可以是范围广泛的例如环氧树脂、聚酯、乙烯酯类、陶瓷、碳的 材料和/或同样表现出所需的物理学、热学、化学性质和/或其他性质的其他材料中的任意 一种材料。选择用作基质的这些材料可以与强化预成型件的材料相同或不同，也可以具有 类似或不相类似的物理学、化学、热学性质或其他性质。但是通常，其与强化预成型件不是 相同的材料，或不具有类似的物理学、化学、热学性质或其他性质，因为使用复合材料的常 见目的首先是使成品具有组合性能，而这种组合性能不能通过单独使用一种构成材料来获 得。组合在一起后，强化预成型件和基质材料就可通过热固或其他已知方法以相同的操作 硬化和稳定化，然后为了生产所需组件而进行其他操作。重要的是要注意，在硬化之后，基 质材料的固化的主体通常很牢固地粘结于强化材料(例如强化预成型件)。因此，成品组件 上的应力、特别是通过其作为纤维之间的粘结剂的基质材料作用在成品组件上的应力可被 有效地传递至增强强化预成型件的构成材料，并由该构成材料来承受。通常，期望生产呈一定构型而非简单几何形状的组件，例如板状、片状、矩形或正方形固体等。特别感兴趣的是由具有在两个方向上的整体式的侧壁的平滑衬底构成的构 型。整体式侧壁可在硬质外层应用中作为常规硬化件来使用，其中衬底用作外层。在每个 这些应用中，重要的是使构成组件、即硬化件和基底平台或面板部分之间的各接合部尽可 能地坚固。假定强化预成型件构件本身具有期望的很高的强度，则弱接合部实际上就成为 结构“链”中的“薄弱环节”。过去已经使用了很多方法用于接合复合材料组件或强化预成型件以生产强化复 合结构或外层硬化面板。已经提出使用独立增粘纤维层或预浸渍制品来形成带有侧壁的衬 底结构。当使用增粘纤维时，能够在得到层压预成型件之后进行树脂传递模塑成型；如果使 用预浸渍制品来形成最终的形状，所得到的预成型件能够进行真空膨胀并硬化。但是，对层 压预成型件施加载荷、特别是通过厚度施加载荷会导致预成型件分层或侧壁与平滑衬底分 罔。还一直采用在这种组件的界面处使用金属螺栓或铆钉，但并不令人满意，因为这 种附加物至少部分地破坏和削弱的复合材料结构本身的整体性、增加了重量、并使这些元 件与周围材料之间的热膨胀系数产生差异。解决这一问题的其他方法一直是基于这样的理念通过采用将一个组件缝合到另 一个组件并依赖缝合线将高强度纤维引入和穿过接合部位的方法而引入这种强化纤维横 穿接合区域。在美国专利No. 4，331，495及其方法的分案美国专利No. 4，256，790中披露这 种一种方法。这些专利公开了在第一和第二复合材料面板之间由粘结剂粘合的纤维复合 层制成接合部。第一面板以现有技术的方式在一端处分叉从而形成两个发散的、共面的面 板接触表面，通过将未硬化的柔性复合材料纱线穿过两个面板缝合而将它们接合到第二面 板。随后使面板与纱线“共同硬化”，即同时硬化。但是，这种方法需要多步骤构造预成型 件，并需要向预成型件引入另外的纱线或纤维。美国专利No. 6，103，337提出了一种交叉构型的示例，通过参引将其公开内容结 合在本文中。该参考文献公开了 一种用于将强化预成型件与预成型件面板接合在一起以形 成三维强化预成型件的方法。两个独立的预成型件在接合部处通过纱或线形式的强化纤维 彼此接合。一旦两个预成型件被接合或缝合在一起，就可将基质材料引入预成型件。但是， 这种方法需要单独织造或构造预成型件，并在其后以单独的步骤将它们缝合在一起。预成 型件不是连续或整体地织造在一起的。另外，需要其他纱线或纤维来连接预成型件。美国专利No. 5，429，853中提出了另一种方法以改进接合部的强度。但是，因为单 独构造的不同元件通过在其间用另外的纱线或纤维缝合而接合在一起，所以该方法与上述 方法相似。尽管现有技术已经在探索改进强化复合物的结构一体性并取得了一定的成功，但 仍然需要对其加以改进并期望通过不同于使用粘结剂或机械地联接单独的面板和硬化件 元件的方法来解决此问题。为此，一种方法可以是通过在专门的机器上造出机织三维结构。 三维织物一般由沿彼此垂直的方向延伸的纤维构成，这些纤维沿X、Y、Z轴方向延伸。但其 费用相当昂贵，而且很少希望编织机专用于织造单一类型的结构。另一种方法是编织二维结构再将其折叠成一定形状，使得面板整体变坚挺，即纱 线连续交织在平面基底或面板部分与硬化件之间。但是，这通常会在折叠预成型件时导致 预成型件扭曲变形。发生变形是因为所织入纤维的长度不同于预成型件被折叠时纤维应有
6的长度。这导致在所织入纤维长度过短的区域产生凹窝和波纹，而在纤维长度过长的区域 产生褶皱。这种变形产生不希望的表面异常，并降低了组件的强度和刚度。尽管这可以通 过裁切和缝合褶来消除，但这种工艺步骤并非期望的，因为其劳动强度高或另外地会破坏 预成型件的整体性。美国专利No. 6，446，675通过在织造过程中调整纤维长度使得某些区域一些纤维 过短而某些区域一些纤维过长而解决了折叠二维编织预成型件时产生的变形问题，以参引 的方式将其公开内容结合在本文中。折叠预成型件时，纤维的长度变得相同，从而提供了平 稳过渡的折叠。但是，这种编织预成型件只能在一个平行于纤维经向的方向上进行强化或硬化。美国专利No. 6，019，138提出了另一用于构造硬化面板的方法，其公开了用于制 造带有在经向和纬向上都强化的增强硬化件的硬化面板。如所公开的，该方法通过覆编织 (over weaving)或简单地向预成型件的面板部分织入凸起点而在两个方向上实现强化。使 用这种方法将限制能够实现的硬化件高度。此外，该方法需要使用三支纱线织造预成型件。 将硬化件缚至预成型件的面板部分的第三支纱线仅被周期性地编织在另两根纱线之间。因 此，硬化件与面板部分不是完全成整体地织造的，这导致其接头弱于完全整体织造的接头。因此，需要整体制造的预成型件，该整体织造的预成型件具有能够在一道工序中 使用常规织机而不经任何特别改动制造出的在两个或更多方向上的侧壁。本申请中引用或指明的任何文献并非对该文献可作为对于本发明的现有技术而 得到的认可。

发明内容
根据本发明，提供了一种成整体织造的带有在至少一个方向上的侧壁或至少一个 侧壁的三维预成型件。该预成型件可以包括至少两层编织织物，其中各层由经向和纬向纤 维构成。一层的纤维可与另一层的纤维交织，从而形成交织区域。侧壁通过裁剪出最顶层的一部分然后将该部分向上折叠使得其垂直于或横向于 预成型件由此形成壁而形成。当折叠发生在最顶层与另一层交织的交织区域处时，侧壁可 看做是整体式侧壁，因为其与预成型件的下层是成整体的，即下层的纤维织入侧壁中。当不 在各层交织的区域折叠时，那么该“非整体式”侧壁没有成整体地结合到预成型件中，而是 如果需要可以移动到其他位置。侧壁可包括一层或多层织物。一个方向上的纤维，例如纬向纤维可与另一个方向的纤维如经向纤维在不同的层 之间交织。例如，在三层预成型件中，第一层的纬向纤维可与第三层的经向纤维交织，而第 二层的经向纤维可与第三层的纬向纤维交织。这使得能够形成彼此垂直的侧壁。在一种实 施方式中，一个方向例如经向上的整体式侧壁是连续的，而垂直方向例如纬向上的侧壁则 是不连续的。侧壁可定向成使得它们围绕或圈定预成型件的称作隔腔的很小区域。这些隔腔的 尺寸和形状可以是不同的，这取决于形成预成型件的整体式侧壁的位置和/或取决于定向 非整体式侧壁的位置。隔腔形状的示例包括多边形，例如正方形、矩形、六角形等。此外，预 成型件的隔腔可呈多于一种隔腔形状，例如可以是正方形和矩形的组合。在优选的实施方式中，预成型件可包括矩形形状的隔腔。这种类型的预成型件可
7包括至少三层编织织物，其中每层均包括经向和纬向纤维。在纬向方向上，第一层的纤维可 与第三层的纤维在选定的地方交织，而在经向方向上，第二层的纤维可与第三层的纤维在 选定的地方交织。可选择地，层间经向和纬向纤维的交织可以互换，其中经向方向上的纤维 在第一层和第三层之间交织，纬向方向上的纤维在第二层和第三层之间交织。交织区域标 识出可以将折叠层以形成整体式侧壁的地方。第一层与第三层，以及第二层与第三层可以 在多于一个交织区域处交织，即可沿预成型件的经向或纬向方向在多于一个地方交织。由 第一层和第三层形成的整体式侧壁与由第二层和第三层形成的整体式侧壁优选彼此垂直。 在特别的实施方式中，一个方向例如纬向上的整体式侧壁是连续的，而另一个方向例如经 向方向上的整体式侧壁是不连续的。在另一实施方式中，预成型件可包括六角形形状的隔腔。这种类型的预成型件可 包括至少两层编织织物，其中每层均包括纬向和经向方向的纤维。在纬向方向上，第一层的 纤维可与第二层的纤维交织，以在选定位置处形成交织区域，而在经向方向上，第一层和第 二层的纤维不交织。经向和纬向纤维的层间交织或不交织可以互换，其中经向方向上的纤 维在第一层和第二层之间交织，纬向方向上的纤维在层之间不交织。在交织区域，整体式侧 壁沿经向方向形成并成为形成六角形隔腔的一对相对的侧壁。还形成有来自第一层的非整 体式侧壁，其以一定角度、优选60°附接于整体式侧壁。选定的用于交织层的部位标识出可 以折叠层以形成整体式侧壁的位置。此外，可以形成来自第一层的非整体式侧壁，其变成不 是在纬向或经向方向延伸的壁。本发明的另一方面是一种用于形成具有侧壁的编织三维预成型件的方法。该方法 包括提供两层或更多层的编织织物，其中来自其中一层织物的多个纤维与来自另一层织物 的多个纤维交织。交织可发生于经纬两个方向的纤维上，并且可发生在多对织物层之间。在 形成这些层之后，对最顶层进行裁剪以形成分离的部分，它们可以向上折叠从而形成侧壁。 可选择地，然后裁剪当前被看作最顶层的第二层以形成附加侧壁。重复这些直至形成所需 数量和定向的侧壁。在一种具体实施方式
中，本发明为一种形成具有一个或多个整体式侧 壁的三维预成型件的方法，其中侧壁形成矩形形状的隔腔。在另一实施方式中，本发明为一 种形成带有侧壁的三维预成型件的方法，其中侧壁形成六角形形状的隔腔。表现本发明特征的多个创新技术特征尤其在本公开所附并形成本公开一部分的 权利要求中被指出。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过其使用所实现的具体目标， 请参考所附说明部分，其中在附图中示出了本发明的优选实施方式，附图中对应的组件由 相同的附图标记指示。因此，本发明的一个目的是不在本发明中包含任何已知产品、制造该产品的步骤 或使用该产品的方法，使得申请人保留此权利，并由此表明对任何现有产品、步骤或方法免 责。此外还应注意，本发明不打算在其范围内包含任何不符合美国专利商标局(美国专利 法第35卷第112条第1款)或欧洲专利局(欧洲专利法第83条)的规定和授权要求的产 品、制造该产品的步骤或使用该产品的方法，使得申请人保留此权利，并由此表明对任何上 述产品、制造该产品的步骤或使用该产品的方法免责。需要注意，本公开中并且特别是权利要求书和/或权项中，例如“包括”等术语可
具有美国专利法所赋予的意义，例如它们可意指“包含”等。并且例如“主要由......构成”
具有美国专利法所赋予它们的意义，例如，它们允许未明确引述的组成要素，但排除现有技
8术已有的或影响本发明实质性或创新性特征的组成要素。公开这些以及其他实施方式，其从以下详细描述中显而易见并由以下详细描述所涵盖。


可结合附图最佳地理解以下详细描述，以下详细描述并非意将本发明仅限制于所 述的具体实施方式
，附图中；图1A-1C示出预成型件的不同编织纹样，图IA示出贯穿整个厚度成角度互锁的结 构，图IB示出贯穿整个厚度正交的结构，图IC示出层间互锁的结构；图2A-2B示出具有整体式侧壁的基础预成型件，图2A示出根据本发明一种实施方 式的具有连续纵向整体式侧壁和不连续横向整体式侧壁从而形成矩形隔腔的基础预成型 件，图2B示出根据本发明可选实施方式的基础预成型件，其具有连续纵向整体式侧壁和不 连续横向整体式侧壁从而形成矩形隔腔；图3示出根据本发明一种实施方式的基础预成型件，其具有用于形成六角形隔腔 的不连续横向整体式侧壁和不连续非整体式侧壁；图4A-4D示出整体式侧壁的形成，图4A示出包括四层织物的基础预成型件的侧视 图，图4B示出最顶层纤维如何与第三层纤维交织从而形成交织区域，图4C示出如何对最顶 层进行裁剪从而形成多个最顶层的分离的部分，图4D示出如何能够在交织区域处折叠最 顶层的分离的部分从而形成整体式侧壁；图5A-5C示出非整体式侧壁的形成，图5A示出包括四层织物的基础预成型件的侧 视图，图5B示出如何对最顶层进行裁剪从而形成多个最顶层的分离的部分，图5C示出如何 能够折叠最顶层的分离的部分从而形成非整体式侧壁；图6A-6C示出根据本发明一种实施方式的基础预成型件的形成，该基础预成型件 具有连续纵向整体式侧壁和不连续横向整体式侧壁，从而形成矩形隔腔，图6A示出在经向 与纬纱之间具有交织区域的基础预成型件的俯视图以及如何裁剪最顶层从而形成分离的 部分，图6B示出如何折叠分离部分从而形成纵向整体式侧壁以及如何裁剪第二层从而形 成分离的部分，图6C示出如何能够折叠最顶层的分离的部分从而形成横向整体式侧壁；图7A-7C示出根据本发明可选实施方式的基础预成型件的形成，该基础预成型件 具有连续纵向整体式侧壁和不连续横向整体式侧壁从而形成矩形隔腔。图7A示出在经向 与纬纱之间具有交织区域的基础预成型件的俯视图以及如何裁剪最顶层从而形成分离的 部分，图7B示出如何折叠分离的部分从而形成纵向整体式侧壁以及如何裁剪第二层从而 形成分离的部分，图7C示出如何能够折叠最顶层的分离的部分从而形成横向整体式侧壁；图8A-8C示出根据本发明一种实施方式的基础预成型件的形成，该基础预成型件 具有用于形成六角形隔腔的不连续横向整体式侧壁和不连续非整体式侧壁，图8A示出在 经向纤维之间具有交织区域的基础预成型件的俯视图以及如何裁剪最顶层从而形成分离 的部分，图8B示出如何折叠分离的部分从而形成横向的整体和非整体式侧壁，图8C示出如 何移动非整体式侧壁并将其与整体式侧壁接合从而形成六角形隔腔。
具体实施例方式在下文，相同的附图标记在附图中自始至终指示相同或相应的部件。另外，在下文 中，应当理解，使用例如“前”、“后”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”等术语是方便用词，而不能 理解为限制性术语。此外，术语“纤维”和“纱线”通篇可交替使用且具有相同的意思。同 样，术语“垂直”和“横向”通篇可交替使用且具有相同的意思。本发明涉及具有设置在至少一个方向上的侧壁或至少一个侧壁的三维预成型件。 侧壁可以是预成型件的整体式部件，使得纤维交织在预成型件基底或衬底与侧壁之间，从 而将这些组件锁合在一起。与现有技术相比，这样能有利地生产出强度高得多的接头，其原 因在于组件之间不再有弱结合层，从而消除了潜在的分层，并提高了损伤容限。预成型件由 一片材料构成，因此省去了全部与裁剪用于层叠表层和侧壁的层有关的时间。另外，不需要 增粘剂，这样也能节省时间和成本，并且还消除了潜在的与原料树脂的相容性问题。该预成 型件首先织造成基底织物形式的平滑的预成型件。然后将基底织物折叠成带有衬底部分 的三维预成型件，衬底部分具有在至少一个方向上的侧壁，例如横向或纵向侧壁，但可选择 地，该衬底部分具有在多个方向上的侧壁，例如横向和纵向侧壁。可通过采用传统技术—— 例如树脂传递模塑法或化学蒸汽渗透法——引入基质材料而将所得到的编织预成型件加 工成复合材料组件。该预成型件可用于现有技术中已知的多种用途，例如用于需要质轻、坚固、强韧、 耐热、自支撑的材料和具有形成和成形适应性的材料的结构性组件。同时，预成型件可用于 这样的用途侧壁可在硬化表层的应用中作为常规硬化件使用而衬底部分充当表层。该预成型件可采用提花织机或综框织机和捕线梭子(capture shuttle)用经纱和 纬纱织造而成。然而，任何传统的织造技术都可用来织造该预成型件。该预成型件可由任 何能被织造的纤维构成，并且可以是合成或天然材质的，如碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻璃 纤维、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯。纤维被织入各层中，其中预成型件的各层可具有 任何编织纹样，如平纹、斜纹、缎纹，层间可以是层叠(ply-to-ply)、正交或成一定角度互锁 的。例如，在图IA所示的贯穿整个厚度成角度互锁的结构中，经纱1以一定角度穿过预成 型件的整个厚度，该角度由纬纱2的投梭(pick)或纬纱密度(spacing)限定。在图IB所 示的贯穿整个厚度正交的结构中，经纱1在纬纱2的相邻投梭或列之间穿过预成型件的整 个厚度，因此贯穿整个厚度的组件多少与织物的表面正交。这种类型的结构通常包括经纱 “填充物”，其不用织造只是在两层纬纱之间穿过。在图IC所示的层间互锁的结构中，经纱1 仅穿过预成型件整个厚度的一部分，从而将两层或更多层锁合在一起。经纱通常成一定角 度，与成角度互锁结构类似，但也可是正交的。例如，可将预成型件的层1锁合到层2，将层 2锁合到层3，依此类推。根据本发明的一种实施方式，本发明包括带有在纵向和横向方向上的一个或多个 整体式侧壁的三维预成型件，其中侧壁如图2A所示形成矩形隔腔。该预成型件最初包括六 层编织织物，其中顶层形成有两排在纵向方向(经向)上的连续整体式侧壁12，第二层形成 有四排在横向方向(纬向)上的不连续整体式侧壁13;由此，所示预成型件11包括连续整 体式侧壁12、不连续整体式侧壁13、以及包括剩余四层的衬底。在图2B所示的可选实施方式中，预成型件最初包括六层编织织物，其中顶层形成 有三排在纵向方向(经向)上的连续整体式侧壁16，第二层形成有五排在横向方向(纬向)上的不连续整体式侧壁17。最终，所示预成型件15包括连续整体式侧壁16、不连续整体式 侧壁17、以及包括剩余四层的衬底。因此，图2A和2B所示实施方式的变型可包括·形成预成型件的层数，优选三层或更多层 连续或不连续侧壁的数目·连续和不连续侧壁的方向，即纵向或横向·交织的层·连续非整体式侧壁的存在·不连续非整体式侧壁的存在·连续和不连续非整体式侧壁二者的存在·纵向和横向侧壁的位置根据另一实施方式，本发明包括带有在纵向方向上的整体式侧壁和在对角方向上 的非整体式侧壁的三维预成型件，其中侧壁如图3所示形成六角形隔腔。该预成型件21最 初包括两层编织织物，其中顶层形成有五排在纵向方向(经向)上的非连续整体式侧壁22 和四排在对角方向上的不连续非整体式侧壁23，该对角方向介于纵向方向与横向方向之 间。因此，预成型件21的衬底包括一层织物。移动对角侧壁并将其与纵向侧壁紧固在一起， 从而形成六角形隔腔。侧壁在0°、+60°、-60°方向上延伸，这在侧壁用作硬化件的情况 下是有利的。这种设计可被看作准各向同性构型，因为无论施加哪个方向的力，面内刚度是 相同的。因此，图3所示实施方式的变型包括·形成预成型件的层数，优选两层或更多层·隔腔的形状，其可包括任何多边形·不连续整体式侧壁的数目·不连续整体式侧壁的方向，即经向或纬向·连续整体式侧壁的存在·不连续非整体式侧壁的数目·连续非整体式侧壁的存在·非整体式侧壁的定向当然，本发明还可包括图1A-1C、图2A-2B和图3所示的预成型件的组合，例如可 以包括连续和非连续的整体式侧壁，它们与非整体式侧壁组合从而形成不同尺寸的各种形 状，例如矩形、正方形和六角形。如上所述，折叠部位位于各层之间纱线交织从而形成交织区域的位置处。纬向侧 壁由经向交织各层的纤维形成，而经向侧壁由纬向交织各层的纤维形成。例如，图4A示出 预成型件31的横截面，其包括四层织物(32、33、34和35)。圆圈36代表经向上的纤维(朝 向观察者)，而条纹线37代表纬向上的纤维。图4B示出顶层的纬向纤维与第三层的纤维交 织。交织部位形成交织区域38，其标志着最顶层将在该处进行折叠以形成整体式侧壁。图 4C示出必需裁剪39最顶层，以便形成能够向上折叠从而形成侧壁的该层的分离的部分40。 图4D示出折叠最顶层的分离的部分40并形成整体式侧壁41。侧壁与预成型件的其它层中 的至少一层——即第三层34——成整体。
侧壁还可以不与预成型件成整体。图5A示出包括四层织物(52、53、54和55)的 预成型件51的横截面。圆圈代表经向上的纤维56(朝向观察者)，而条纹线代表纬向上的 纤维57。如图5B所示，在最顶层进行裁剪58，以便形成该层能够向上折叠的分离的部分 59。图5C示出折叠最顶层的分离的部分并形成侧壁60，其不与预成型件成整体，因此能够 移动。在变型实施方式中，预成型件可包括包含与衬底成整体地织造的两片材料的整体 式侧壁。可在两个织造片材之间放置附加材料，以增加侧壁的厚度或提供在不同于由织造 工艺所提供的方向上的强化。例如，织物可以是斜裁的，可以位于侧壁织造部分之间，以产 生具有0°和90°强化(来自整体织造部分)和士45°强化(来自斜切织物)的侧壁。斜 裁层织物可使用经向和纬向纤维或经纱和纬纱织造而成，或者它们可以是非纺织的、针织 的或未编织的纤维或纱线阵列。阵列中的纱线彼此平行。与侧壁的定向相比阵列可定向成 从0°到90°。与预成型件相同，斜裁织物可包括任何能编织的纤维，并且可以为合成或天 然材质的，如碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻璃纤维、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯。织物 中的纤维可沿任何编织纹样行进，如平纹、斜纹、缎纹，层间可以是层叠、正交或成一定角度 互锁的。可将本领域已知的技术应用于保持侧壁层叠在一起。这种技术包括缝合、T成型 (例如，参见美国专利No. 6，103，337，通过参引将其结合在本文中)等。本发明还涉及形成带有侧壁的编织三维预成型件的方法。该方法包括，提供两层 或更多层的编织织物，其中来自其中一层织物的多根纤维与来自另一层织物的多根纤维交 织。可以有多对交织层。然后通过从最顶层开始裁剪然后折叠预成型件的层的一些部分而 形成侧壁。对于其它层而言可重复进行裁剪和折叠。侧壁可由一层或多层织物构成。可通过裁剪和向上折叠最顶层的多个部分而形成 由一层织物构成的侧壁(例如，参见图7B-7C)。如果折叠发生在交织区域，那么得到的单层 侧壁是整体式侧壁；否则，侧壁是非整体式的。可通过裁剪最顶层的相邻两部分并将它们折 叠在一起而形成由两层织物构成的侧壁。再者，如果折叠发生在交织区域，那么所得到的双 层侧壁就成整体地结合到预成型件的衬底中；如果折叠不发生在交织区域，那么侧壁不是 成整体地结合到衬底中。两层以上的侧壁可通过将非整体式侧壁移动到一起而形成。衬底通常为多层构造。可选择地，预成型件可以为混合构造，并包括多于一种材 料，例如玻璃纤维和碳纤维混合侧壁。例如，图6A-6C示出了图2A所示的实施方式中预成型件是如何交织的以及侧壁是 如何形成的。图6A示出了形成侧壁之前的编织预成型件的俯视图。在纬向上纤维在第一 层与第三层之间的交织区域71处(用“X”表示)交织，在经向上纤维在第二层与第三层 之间的交织区域72处(用“ + ”表示)交织。为了形成预成型件11，在最顶层进行纵向裁剪 73 (用虚线表示)，以形成能够抬起并进行折叠的分离的部分74。图6B示出该纵向裁剪使 得能够折叠所述分离的部分从而形成纵向侧壁12。因为是在层相互交织的交织区域71处 发生折叠，所述这些侧壁与预成型件成整体。现在在当前的最顶层中进行横向裁剪75，以形 成分离的部分76，这样该层能被抬起并进行折叠。图6C示出该横向裁剪使得能够折叠该最 顶层的分离的部分从而能够形成横向侧壁13。所得到的预成型件11与图2A所示的实施方 式相同。重要的是，图6A-6C所示的预成型件可包括较大预成型件的仅仅一小部分，其中，
12层间交织并形成侧壁的纹样在经纬方向上重复。图7A-7C示出了图2B所示的实施方式中预成型件是如何交织的以及侧壁是如何 形成的。图7A示出了形成侧壁之前的预成型件15的俯视图。在纬向上纤维在第一层与第 三层之间的交织区域81处(用“X”表示)交织，在经向上纤维在第二层与第三层之间的 交织区域82处(用“ + ”表示)交织82。在最顶层中进行纵向裁剪83，以形成能够折叠的 分离的部分84。图7B示出折叠最顶层的分离的部分从而形成与预成型件成整体的纵向侧 壁16。现在在当前的最顶层中进行横向裁剪85，以形成能被提前并进行折叠的分离的部分 86。图7C示出了该横向裁剪使得能够折叠该最顶层折叠从而能够形成横向侧壁17。所得 到的预成型件15与图2B所示的实施方式相同。注意，图7A-7C所示的预成型件可代表较 大预成型件的仅仅一小部分，其中，层之间交织并形成侧壁的纹样在经纬方向上重复。作为进一步的示例，图8A-8C示出了图3所示的实施方式中预成型件21是如何交 织的。图8A示出了形成侧壁之前的预成型件21的俯视图。在经向上(用“ + ”表示)纤维 在第一层和第二层之间的部位91处交织。在最顶层中进行纵向裁剪92和横向裁剪93—— 用虚线表示，以在图8A指示的部位处形成分离的部分94。图8B示出了折叠最顶层从而形 成横向侧壁。这些形成在最顶层与第二层交织的部位处的侧壁将形成整体式侧壁22 (也用 粗线表示)，而形成在层与层不互相交织的部位处的侧壁将成为非整体式侧壁23。重要的 是请注意，图8A-8C代表整个预成型件的仅仅一小部分，并且交织层纹样在经纬方向上重 复。因此，图8B示出了拐角上的侧壁是整体式的。图8C示出了如何能够移动非整体式侧 壁以接合整体式侧壁并形成六角形隔腔。非整体式侧壁能够通过已知的方法接合到整体式 侧壁，这些方法有例如T成型、簇绒和缝合。在基底织物折叠成整体织造的带有侧壁的三维预成型件后，此时可可通过采用传 统技术——例如树脂传递模塑法或化学蒸汽渗透法——引入基质材料而形成复合材料硬 化面板或组件，基质材料例如是环氧树脂、聚酯、乙烯酯类、陶瓷、碳和/或其他同样表现出 所需的物理学、热学、化学性质和/或其他性质的材料。由此可见，基底织物可被设计并成形为带有在至少一个方向上的整体式侧壁的三 维编织预成型件。尽管已经在此详细描述了本发明的优选实施方式及其变型，但应当理解，本发明 并不局限于该确切的实施方式和变型，并且本领域技术人员在不偏离本发明的由所附权利 要求限定的精神和范围的情况下可以实现其他的变型和变化。
权利要求
一种成整体地织造的带有在至少一个方向上的至少一个侧壁的三维预成型件，所述预成型件由编织基底织物构成，所述基底织物包括两层或更多层，其中所述层包括在第一方向上的纤维和在与所述第一方向垂直的第二方向上的纤维；具有至少一个交织区域，所述至少一个交织区域包括顶层的在第一方向上的纤维与第二层的在第一方向上的纤维交织；具有在第二方向上并形成在第一交织区域处的至少一个第一整体式侧壁，其中，所述第一整体式侧壁是通过折叠外露的所述顶层的位于所述第一交织区域的第一侧上的第一部分而形成的；并且其中，所述第一整体式侧壁包括来自所述顶层和所述第二层的纤维。
2.根据权利要求1所述的预成型件，所述第一整体式侧壁是通过将外露的所述顶层的 位于第一交织区域的第一侧上的第一部分与外露的所述顶层的位于所述第一交织区域的 第二侧上的第二部分折叠到一起而形成的。
3.根据权利要求1所述的预成型件，包括形成在第二交织区域处的在所述第一方向上 的第二整体式侧壁，其中，所述第二整体式侧壁垂直于所述第一整体式侧壁，并且其中，所 述第二交织区域包括次顶层的在所述第二方向上的纤维与第三层的在所述第二方向上的 纤维交织。
4.根据权利要求1或3所述的预成型件，包括形成在多个交织区域处的在所述第一方 向和/或所述第二方向上的多个整体式侧壁。
5.根据权利要求4所述的预成型件，其中，所述整体式侧壁以连续的或不连续的方式 横过所述预成型件。
6.根据权利要求4所述的预成型件，其中，所述预成型件包括连续整体式侧壁和不连 续整体式侧壁的组合。
7.根据权利要求5或6所述的预成型件，其中，所述不连续整体式侧壁是对齐的。
8.根据权利要求5或6所述的预成型件，其中，所述不连续整体式侧壁是交错的。
9.根据权利要求4所述的预成型件，其中，所述侧壁形成隔腔。
10.根据权利要求4所述的预成型件，其中，所述侧壁形成多个隔腔。
11.根据权利要求10所述的预成型件，其中，所述多个隔腔是矩形的。
12.根据权利要求10所述的预成型件，其中，所述多个隔腔的尺寸和形状不同。
13.根据权利要求1所述的预成型件，其中，所述预成型件还包括不是形成在交织区域 处的非整体式侧壁，其中，所述整体式侧壁是通过折叠外露层的相邻部分而形成的，并且其 中，所述非整体式侧壁是连续的或不连续的。
14.根据权利要求13所述的预成型件，其中，所述非整体式侧壁是通过将外露层的两 个相邻部分折叠到一起而形成的。
15.根据权利要求13所述的预成型件，其中，所述预成型件包括连续非整体式侧壁与 不连续非整体式侧壁的组合。
16.根据权利要求13所述的预成型件，其中，所述非整体式侧壁通过一定技术而被接 合于所述整体式侧壁，所述技术选自于包括缝合、T成型和簇绒的群组。
17.根据权利要求16所述的预成型件，其中，所述非整体式侧壁相对于整体式侧壁、其 他非整体式侧壁或二者的结合成角度。
18.根据权利要求17所述的预成型件，其中，所述侧壁形成隔腔。
19.根据权利要求18所述的预成型件，其中，所述隔腔是多边形形状的。
20.根据权利要求19所述的预成型件，其中，所述多边形形状为六角形。
21.根据权利要求1所述的预成型件，其中，所述预成型件包括合成材质或天然材质的纤维。
22.根据权利要求21所述的预成型件，其中，所述纤维选自于包括碳、尼龙、人造纤维、 聚酯、玻璃纤维、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的群组。
23.根据权利要求1所述的预成型件，其中，所述层包括具有一定编织纹样的织物并且 层与层之间层叠、正交或成角度互锁，所述编织纹样选自于包括平纹编织、斜纹、锻纹的群组。
24.根据权利要求1或13所述的预成型件，其中，在包含所述侧壁的部分之间放置材料。
25.根据权利要求24所述的预成型件，其中，所述材料是斜裁的织物。
26.根据权利要求25所述的预成型件，其中，所述斜裁织物包含合成材料或天然材料。
27.根据权利要求26所述的预成型件，其中，所述材料选自于包括碳、尼龙、人造纤维、 聚酯、玻璃纤维、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的群组。
28.根据权利要求26所述的预成型件，其中，所述斜裁织物的纤维能够沿着一定的编 织纹样行进，并且所述斜裁织物的层与层之间层叠、正交或成一定角度互锁，所述编织纹样 选自于包括平纹、斜纹、锻纹的群组。
29.根据权利要求1或13所述的预成型件，其中，包含所述侧壁的所述部分通过一定技 术而被保持在一起，所述技术选自于包括缝合、T成型和簇绒的群组。
30.根据权利要求24所述的预成型件，其中，包含所述侧壁的所述部分和置于所述部 分之间的材料通过一定技术而被保持在一起，所述技术选自于包括缝合、T成型和簇绒的群 组。
31.一种形成如权利要求1所述的预成型件的方法，包括(i)准备包括两层或更多层的基底织物，其中，所述层包括在第一方向上的纤维和在与 所述第一方向垂直的第二方向上的纤维，并且其中，顶层的在第一方向上的纤维与第二层 的在第一方向上的纤维在第一交织区域处交织；( )沿第二方向裁剪所述顶层，使得所述顶层的位于所述第一交织区域的第一侧上的 第一部分能够远离所述预成型件折叠，并且所述顶层的位于所述第一交织区域的第二侧上 的第二部分能够朝向所述预成型件折叠；(iii)折叠所述第一部分，使得所述部分垂直于所述基底织物，从而形成所述整体式侧壁。
32.—种成整体地织造的带有在至少一个方向上的至少一个侧壁的三维预成型件，所 述预成型件由编织基底织物构成，所述基底织物包括两层或更多层，其中所述层包括在第一方向上的纤维和在与所述第一方向垂直的第二方向上的纤维； 具有至少一个交织区域，所述至少一个交织区域包括第一层的在所述第一方向上的纤 维与第二层的在所述第二方向上的纤维交织；具有在所述第二方向上并形成在第一交织区域的至少一个整体式侧壁，其中，整体式 侧壁是通过裁剪并将所述第一层的位于所述第一交织区域的第一侧上的第一部分与所述第一层的位于所述第一交织区域的第二侧上的第二部分折叠到一起而形成的；具有形成在两个交织区域之间的至少一个不连续非整体式侧壁，使得所述不连续非整 体式侧壁被裁剪并相对于所述整体式侧壁折叠成形成六角形隔腔。
全文摘要
本发明总体涉及一种成整体地织造的带有在至少一个方向上的至少一个侧壁(12)的三维预成型件及其形成方法，所述预成型件由包括两层或更多层的编织基底织物构造而成。在第一方向上的多个纤维(1)在至少顶层与第二层之间交织，使得顶层可相对于其他层折叠并通过折叠形成整体式侧壁(12)。多个纤维还可以在次顶层与第二层之间交织，使得次顶层可相对于其他层折叠，通过折叠形成与第一整体式侧壁(12)垂直的第二整体式侧壁(13)。预成型件能够可选择地包括由最顶层的折叠部分形成的多个非整体式侧壁。
文档编号D03D25/00GK101925698SQ200880125251
公开日2010年12月22日 申请日期2008年12月16日 优先权日2007年12月21日
发明者强纳森·葛林 申请人:阿尔巴尼复合物工程股份有限公司