复合芯及其制造方法

复合芯及其制造方法
【专利摘要】公开了复合芯及其制造方法。一种用复合材料包绕多个芯棒的方法可以包括：以某旋转速度旋转每个芯棒；以某平移速度平移每个芯棒；将每个芯棒背对背定位，使得在前芯棒的后部面接近在后芯棒的前部面；以及用复合材料以螺旋取向顺序地包绕每个芯棒。
【专利说明】复合芯及其制造方法

【技术领域】
[0001]本公开涉及一种制造复合芯的系统和方法。

【背景技术】
[0002]常规地，可以利用通过抵着复合层按压芯棒而在多个复合层中产生褶皱图案的手工过程来制造诸如复合蜂窝芯的复合结构。例如，美国专利第5，567，500号中描述的方法使用了这种过程。相邻复合层的几何形状共同形成蜂窝芯的单元(cell)。这种过程是劳动密集型的，其会使蜂窝芯产品非常昂贵。此外，这种制造方法会产生对于各种结构实施而言并非最佳的蜂窝芯。
[0003]因此，存在对改进的用于制造复合芯的系统和方法的需求。

【专利附图】

【附图说明】
[0004]在所附权利要求中陈述了本公开的系统和方法的被认为是其特点的新颖特征。然而，通过在结合附图阅读时参照以下详细描述，将更好地理解系统和方法本身以及优选的使用模式、连同其另外的目的和优点，附图中:
[0005]图1是根据本申请的复合芯的说明性实施例的立体图；
[0006]图2是图1的复合芯的沿着图1的线2-2截取的部分的放大截面视图；
[0007]图3至图SB是图1的芯的一部分的说明性纤维构型的程式化俯视平面视图；
[0008]图8C和图9是图1的芯的如图2中指示的部分的某些实施例的放大截面视图；
[0009]图10是根据本申请的复合芯的作为对图2的说明性实施例的替选的说明性实施例的截面视图；
[0010]图11是本申请的编织的衬套的程式化侧面正视图，其示出了根据本申请的用于制造衬套的方法的一个具体实施例；
[0011]图12是图11的置于芯棒上的衬套的程式化侧面正视图，其进一步示出了图11的制造衬套的方法；
[0012]图13是本申请的编织到芯棒上的衬套的程式化侧面正视图，其示出了根据本申请的用于制造衬套的方法的一个具体实施例；
[0013]图14是本申请的利用细丝缠绕过程制造的复合芯管的说明性实施例的程式化俯视平面视图，其示出了根据本申请的用于制造复合芯管的一种具体方法；
[0014]图15是本申请的利用纤维铺放过程制造的复合芯管的说明性实施例的程式化俯视平面视图，其示出了本申请的用于制造复合芯管的方法的一个特定实施例；
[0015]图16是根据本申请的用于制造本申请的复合芯管的替代方法的程式化立体图；
[0016]图17是用于将多个复合芯管处理成本申请的复合芯所组装的多个芯棒和复合芯管的程式化分解截面视图；
[0017]图18是示出了用于将多个复合芯管处理成本申请的复合芯的方法的一个具体实施例的程式化截面视图；
[0018]图19是用于将多个复合芯管处理成本申请的复合芯所组装的多个可膨胀芯棒和复合芯管的程式化分解截面视图；
[0019]图20是示出了用于将可膨胀芯棒中的多个复合芯管处理成本申请的复合芯的方法的一个具体实施例的程式化截面视图；
[0020]图21是根据本申请的复合夹层结构的说明性实施例的程式化侧面正视图；
[0021]图22是图21的复合夹层结构的程式化俯视平面视图；
[0022]图23是图21的复合夹层结构的沿着图22中的线23_23截取的截面视图；
[0023]图24是图1的芯的一部分的说明性纤维构型的程式化俯视平面视图；
[0024]图25是根据一个示例实施例的用于包绕用于生产复合芯的芯棒的系统的示意图；
[0025]图26是根据一个示例实施例的用于包绕用于生产复合芯的芯棒的系统的示意图；以及
[0026]图27是根据示例实施例的计算机系统的示意图。

【具体实施方式】
[0027]以下描述了本公开的系统和方法的说明性实施例。为了清楚起见，本说明书中可能并未对实际实施方式的所有特征进行描述。当然要理解的是，在任何这种实际实施例的开发中，必须做出很多特定于实现的决定来实现开发者的特定目的，例如遵从系统相关约束和商业相关约束，这在各个应用之间是不同的。此外，将会理解，这样的开发努力可能是复杂的和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言却仍然只是常规任务。
[0028]在本说明书中，由于在附图中描绘了装置，因此可能提到各部件之间的空间关系和部件的各方面的空间取向。然而，在完成本公开的阅读之后，本领域的技术人员将会认识至IJ，本文中所描述的装置、构件、设备等可以定位在任意期望的取向。从而，由于本文中所描述的装置可以在任意期望方向取向，所以用以描述各部件之间的空间关系或者用以描述这些部件的多个方面的空间取向的诸如“之上”、“之下”、“上”、“下”等措辞的使用应当分别被理解为描述部件之间的相对关系或这些部件的多个方面的空间取向。
[0029]存在对用于在复合夹层结构中使用的改进的芯的需求。
[0030]因此，本申请的目的是提供一种用于在复合夹层结构中使用的改进的芯。
[0031]该目的和其它目的是通过包括多个管的复合芯来实现的，所述多个管中的每个包括以单个糖果条纹图案缠绕的单束或分离束的纤维。所述多个管中的相邻管沿着相邻管的侧部彼此相邻地布置。通过多种方式将树脂引入预制件中，所述多种方式包括真空辅助的树脂传递模塑、树脂膜熔渗或丝束预浸。
[0032]本申请的另一个目的允许缠绕角变化以提供最优的芯剪切和压缩强度。可以使缠绕角间隔开以减小所使用的材料的量并提供具有多个小孔的多孔芯壁。
[0033]该目的和其它目的是通过包括多个管的复合芯来实现的，所述多个管均包括以聚合物基体设置的多根纤维。所述多个管中的相邻管沿着相邻管的侧部粘合地彼此结合或熔渗。
[0034]在本申请的另一方面中，提供了一种制造复合芯的方法。该方法包括步骤:提供多个管，所述多个管中的每个包括以聚合物基体设置的多根纤维，或者随后用聚合物基体熔渗，以及沿着相邻管的侧部粘合地结合所述多个管中的相邻管。
[0035]在本申请的又一方面中，提供了一种复合夹层结构。该复合夹层结构包括第一外皮、芯以及第一粘合层，该第一粘合层粘合地结合、熔渗或附接至第一外皮以及芯的第一面。芯包括多个管，所述多个管均包括以聚合物基体设置的多根纤维，使得所述多个管中的相邻管沿着相邻管的侧部粘合地彼此结合或附接。
[0036]本申请描述了一种具有敞开单元(open-celled)的复合芯以及一种制造复合芯的方法。该芯包括以二维阵列设置的多个管(即，中空的圆柱结构)，使得相邻管粘合地彼此结合。所述管中的每个包括以聚合物基体设置的多根强化纤维。在一个实施例中，所述管中的至少一个管包括以聚合物基体设置的多根编织纤维。在另一个实施例中，所述管中的至少一个管包括以聚合物基体设置的大致以螺旋形形状形成的多根纤维。管可以采用许多不同的横截面构型，例如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形等。此外，芯可以包括管状的组合。例如，芯可以包括八边形形状的管和正方形形状的管在几何图案方面的组合。
[0037]图1描绘了根据本申请的具有敞开单元的复合芯101的第一说明性实施例。芯101包括以二维阵列布置的多个管103。注意，为了清楚起见，图1中仅标记了两个管103。每个管103均限定了延伸穿过该管的通道或“单元”105。如以下将更详细地讨论的，芯101可以包括任意适当的数目、尺寸、横截面形状和构造的管103。
[0038]图2描绘了芯101的沿着图1中的线2-2截取的部分的截面视图。每个管103均包括以聚合物基体设置的多根强化纤维。例如，管103可以包括这样的纤维，所述纤维包括碳、石墨、玻璃、聚芳酰胺(即“芳族聚酰胺”)材料、聚芳酰胺材料的变体(例如，诸如弗吉尼亚州里士满的E.1.du Pont de Nemours and Company的Ke"V丨ar@的聚对苯二甲酰胺)等中的一个或更多个。然而，本申请的范围涵盖具有任意适当的材料或材料的组合的纤维。聚合物基体可以包括任意适当的热塑树脂或热固树脂。示例性树脂包括环氧树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯酯、酚醛树脂、聚醚醚铜(PEEK )、聚醚酮(PEK )、聚苯硫醚(PPS)等。
[0039]管103的纤维可以沿一个或更多个方向取向，并且可以是编织的或非编织的。图3至图SB中示出了管103的纤维布置的示例性实施例。图3描绘了图1中指示的管103的一部分的一个说明性实施例。在示出的实施例中，管103包括沿第一方向延伸的多根纤维301 (为了清楚起见，仅标记了一根)以及沿第二方向延伸的多根纤维303 (为了清楚起见，仅标记了一根)。应理解，替选地管103可以仅包括沿单个方向布置的纤维301，例如单轴或螺旋纤维构型。应注意，纤维301和303被描绘为纤维中心线。纤维301和303以双轴纤维构型取向。纤维301与纤维303交叠。在一个实施例中，纤维301围绕纤维303被编排(weave)ο在另一实施例中，纤维301围绕纤维303被编排并且纤维303围绕纤维301被编排。在又一实施例中，第一层(ply)包括纤维301并且第二层包括纤维303，使得第二层铺叠在第一层上。替选地，第一层包括纤维301和纤维303中的一根或更多根，而第二层包括不存在于第一层中的纤维301和纤维303。此外，本申请的范围设想纤维301中的两根或更多根作为单根纤维的一部分，或者纤维303中的两根或更多根作为单根纤维的一部分。
[0040]图4描绘了图1中指示的管103的部分的替选的说明性实施例。在示出的实施例中，管103呈现出三轴纤维构型，该构型除纤维301和纤维303以外还包括沿第三方向延伸的多根纤维401(为了清楚起见，仅标记了一根)。注意，纤维301、纤维303以及纤维401被描绘为纤维中心线。纤维401与纤维301和纤维303交叠。在一个实施例中，纤维301围绕纤维303和纤维401被编排。在另一实施例中，纤维301和纤维303围绕纤维401被编排。在一个实施例中，纤维301围绕纤维303和纤维401被编排，而纤维303围绕纤维301和纤维401被编排。
[0041]替选地，在另一实施例中，第一层包括纤维301，第二层包括纤维401，并且第三层包括纤维303，使得第二层设置在第一层与第三层之间。然而，应注意，本申请的范围涵盖第一层、第二层以及第三层的任意适当的布置。此外，本申请的范围涵盖具有纤维301、纤维303以及纤维401的任意适当组合的第一层、第二层以及第三层。此外，如图3的实施例那样，本申请的范围设想纤维301中的两根或更多根作为单根纤维的一部分或者纤维303中的两根或更多根作为单根纤维的一部分。
[0042]图5描绘了图1中指示的管103的一部分的一个具体的说明性构型。在本实施例中，沿第一方向延伸的多根纤维501 (为了清楚起见，仅标记了一根)以及沿第二方向延伸的多根纤维503 (为了清楚起见，仅标记了一根)围绕彼此被编排，使得在纤维501的相邻纤维之间以及在纤维503的相邻纤维之间仅存在小的间隙(例如，间隙505)。一旦管103被固化(即，聚合物基体已硬化或者交联)，则聚合物基体基本上填充这些间隙。因此，禁止流体通过该间隙。
[0043]在图6中示出的替选实施例中，纤维可以间隔开以使聚合物基体没有填充纤维之间的间隙。在示出的实施例中，管103包括沿第一方向延伸的多根纤维601(为了清楚起见，仅标记了一根)以及沿第二方向延伸的多根纤维603 (为了清楚起见，仅标记了一根)，使得在纤维601的相邻纤维之间以及在纤维603的相邻纤维之间存在比图5的间隙更大的间隙(例如，间隙605)。甚至在管103被固化之后，聚合物基体也没有完全填充间隙。因此，流体可以通过间隙。
[0044]应注意，管103的某些纤维在尺寸或材料方面可以不同于管103的其它纤维。此夕卜，某些纤维可以仅围绕某些其它纤维被编排或者可以围绕两根或更多根纤维的组被编排。例如，在图7的实施例中，图1中指示的管103的部分包括沿第一方向延伸的多根纤维701 (为了清楚起见，仅标记了一根)、沿第一方向延伸的多根纤维703 (为了清楚起见，仅标记了一根)、以及沿第二方向延伸的多根纤维705 (为了清楚起见，仅标记了一根)。注意，纤维703小于纤维701或纤维705。在一个实现方式中，纤维703包括与纤维701和纤维705的材料不同的材料。应注意，本申请的范围涵盖管103的任意数目的纤维材料的组合。还应注意，在某些实施例中，并非管103的所有纤维各自围绕彼此被编排。
[0045]应注意，图6的实施例还可以被修改成具有图7的构型，其中相邻纤维之间存在更大的间隙。还应注意，管103中的一个或更多个管可以包括例如在图5至图8B中示出的具有编排织物、编织衬套、平织或编织物的形式的编排材料。此外，图5至图SB的实施例中的任意实施例可以呈现出三轴构型。
[0046]图8A和图8B描绘了图1中指示的管103的部分的一个具体的说明性构型。在本实施例中，沿第一方向和第二方向延伸的多根纤维801 (为了清楚起见，仅标记了一根)利用一个或更多个可移除带803而围绕彼此被编排。可移除带803被配置成在后固化操作中被移除，从而产生间隙805。例如，可移除带803可以包括可溶性材料以使得受到水的冲洗将会溶解并移除带803，从而产生间隙805 (如图SB中所示)。可以引入各种构型和量的可移除带803，从而产生所选择的编排图案。具有多根纤维801的可移除带803的构型可以被选择性地选择以产生间隙805，并且针对芯101的单元105之间的所选择的流率被配置。
[0047]如图2中所示，管103的相邻侧粘合地彼此结合或附接以形成芯101。图8C和图9描绘了芯101的图2中指示的部分的放大视图。在图8C的实施例中，管103之间的粘合性结合是通过相邻管103的聚合物基体而形成的。换句话说，一个管103的聚合物基体直接结合至相邻管103的聚合物基体。一个管103中的纤维与相邻管103的纤维交联，将关于图24进一步对其进行描述。替选地，如图9中所描绘的，通过设置在管103之间的粘合层901来提供管103之间的粘合性结合。
[0048]返回图2，管103呈现出任何期望的横截面高度H。例如，芯101可以包括具有大约六毫米的高度H的管103，或者可以包括具有大约50毫米的高度H的管103。然而，本申请的范围不限于这些示例性高度H。而是，芯101可以包括具有任何期望尺寸(例如高度H)的管103。此外，芯101可以包括不同尺寸的管103。换句话说，芯103可以包括具有与一个或更多个其它管103不同的尺寸的一个或更多个管103。例如，芯101可以包括具有不同高度H的管103。
[0049]图1和图2中示出的实施例的管103呈现出六边形横截面形状。然而，本申请的范围不限于此。反而，本申请的芯可以包括具有适于芯的实现的任意形状的管。例如，如图10中所示，芯1001包括多个矩形管1003。注意，为了清楚起见，图10中仅标记了两个管1003。如在先前的实施例中，相邻管1003粘合地彼此结合或附接。管1003的其它方面大致对应于上面所讨论的以及在图1至图9中示出的管103的方面。
[0050]可以使用任意适当的方法来生产本申请的芯，诸如芯101 (图1和图2中示出)和芯1001 (图10中示出)。应注意，尽管以下讨论的以及附图中图示的具体的制造实施例针对芯101的制造，但是实施例同样适用于芯1001或在本申请的范围内所涵盖的任何其它芯的制造。
[0051]在图11中示出的一个实施例中，通过使用编织机1105编织纤维1103的衬套1101(为了清楚起见，仅标记了一个)来制造管103 (图1和图2中示出)。例如，如以上所讨论的，衬套1101可以包括双轴布置的纤维1103或三轴布置的纤维1103。纤维1103可以包括干纤维或诸如涂覆有热塑树脂的纤维的树脂涂覆纤维。如图12中所示，衬套1101在衬套已经被编织之后置于芯棒1201上。注意，在示出的实施例中，芯棒1201呈现出与单元105(参见图1或图2)对应的尺寸和形状。如以下将更详细地讨论的，芯棒1201和衬套1101随后与其它芯棒和衬套组装，以形成芯101 (图1中示出)。
[0052]应注意，如图13中所示，衬套1101可以直接编织到芯棒1201上。在这种实施例中，纤维1103在编织衬套1101之前仅以摩擦的方式紧固至芯棒1201。在编织衬套1101时，编织机1105可以如箭头1301所示沿着芯棒1201前进。作为编织机1105沿着芯棒1201前进是替代或附加，芯棒1201可以如箭头1303所示关于编织机1105前进。
[0053]在图14中示出的另一实施例中，使用细丝缠绕过程制造管103 (在图1和图2中示出)。从细丝缠绕机1403延伸的连续的树脂浸溃纤维1401围绕芯棒1405缠绕。树脂可以为热固树脂或者热塑树脂，并且在固化管103时变为管103的聚合物基体。可以以多种过程进行材料铺放过程；然而，优选的是，芯棒1405轴向地移动，同时纤维1401的线轴如箭头1407所示围绕芯棒1405旋转。替选地，材料的一个线轴或多个线轴可以围绕芯棒旋转。推断出材料分配机构对于芯棒的相对运动。在纤维1401通过细丝缠绕机1403被缠绕到芯棒1405上时，形成螺旋状图案。纤维1401的一层或更多层1409沿关于芯棒1405的期望的取向缠绕到芯棒1405上，以形成管103。纤维1401围绕芯棒1405缠绕的角度可以沿芯棒1405的长度而变化，以定制芯的强度。例如，纤维1401的角度可以在材料铺放过程期间动态地改变，以定制芯的压缩强度。注意，在示出的实施例中，芯棒1405呈现出与单元105(参见图1或图2)对应的尺寸和形状。然而，还应注意，本申请不限于细丝缠绕机1403或芯棒1405的具体示出的构型。如以下将更详细地讨论的，芯棒1405以及已被细丝缠绕到芯棒1405上的一层或更多层1409随后与其它芯棒和层组装以形成芯101 (在图1中示出)。还应理解，在切割层1409和芯棒1405时，材料可能具有松开的趋势。可以使用可能为粘合或纤维状的材料带以防止纤维1401在切割层1409和芯棒1405时散开。可以使用具有单向纤维的粘合材料以将纤维1401绑缚在芯棒1405上并保持与基部(base)材料兼容。
[0054]在图15中示出的又一实施例中，使用纤维铺放过程来制造管103 (图1和图2中示出)。具有大约1000根纤维的连续的树脂浸溃束1501 (为了清楚起见，仅标记了一个)通过纤维铺放机1505被施加至芯棒1503。应理解，束1501也可以为完整束的一部分；例如，束1501可以为具有500根纤维的半束。代替束1501，可以使用切成规定宽度的纤维带。预切割的纤维带可以被称作“纵切带(slit tape)”。相比于纤维束，纵切带允许用户更紧密地控制宽度尺寸。举几个例子来说，纵切带的示例性规定宽度包括“1/8”和“1/4”。树脂可以为热固树脂或者热塑树脂，并且在固化管103时变成管103的聚合物基体。在纤维铺放过程期间，芯棒1503轴向地移动，同时束1501如箭头1507所示围绕芯棒1503旋转。在束1501通过纤维铺放机1505施加至芯棒1503时，形成螺旋状图案。束1501的一层或更多层1509沿关于芯棒1503的期望取向缠绕到芯棒1503上以形成管103。应理解，可以使用具有不同材料的多于一个的束1501。注意，在示出的实施例中，芯棒1503呈现出与单元105 (参见图1和图2)对应的尺寸和形状。然而，还应注意，本申请不限于纤维铺放机1505或芯棒1503的具体示出的构型。如以下将更详细地讨论的，芯棒1503以及已被纤维铺放到芯棒1503上的一层或更多层1509随后与其它芯棒和层组装，以形成芯101 (在图1中示出)。
[0055]重要的是，注意如图1中最佳地示出的相邻管103在相邻管103彼此接触的情况下定位成使得第一管103中的纤维与相邻管103中的纤维交联，如图8C中所示。参照作为说明性实施例的图24，纤维2401表示为虚线，以澄清纤维2401是来自于与如图1中所示的另一管103的另一纤维2403相邻的管103。应理解，纤维2401和2403可以是实际的单独纤维，或者是关于诸如束1501中的纤维的多根纤维的中心线。在图24中示出的示例中，管103是通过以如图14和图15中所示的角度围绕芯棒(例如芯棒1405和1503)缠绕纤维而产生的。纤维2401和2403各自围绕不同的芯棒但却以类似的取向缠绕。然而，如图18中所示，当芯棒在模具中放置在一起时，纤维2401和2403以交联方式彼此定向。例如，当纤维2401和2403均以相同的方向和相同的45度角围绕芯棒缠绕时，则相邻管103的纤维2401和2403实际上具有彼此90度的交联取向。应当理解的是，具有类似取向的缠绕纤维的多个芯棒在没有改变芯棒的取向的情况下相邻地组装，以在相邻管103中产生纤维的交联。在固化之后，交联的纤维2401和2403向芯101提供强度。应当理解到，相邻管103的纤维2401和2403可以围绕芯棒以多个取向缠绕；例如，纤维2401和2403可以以30度取向围绕芯棒缠绕，以使纤维2401和2403以相对于彼此120度的取向交联。还应当理解，纤维2401和2403可以以多种图案编织而非缠绕到芯棒上；然而，相邻管103的纤维2401和2403在处理期间变得进一步交联。关于图17至图20描述了一种处理多个相邻管103以形成芯101的示例性方法。
[0056]替选地，可以使用手动的手铺叠(hand-layup)方法来制造管103 (图1和图2中示出)。例如，如图16中所示，具有期望纤维取向的一层或更多层1601被施加到芯棒1603上以形成管103。所述一层或更多层1601可以包括编排的干纤维、非编排的干纤维、树脂浸溃的编排的纤维或树脂浸溃的非编排的纤维。注意，在示出的实施例中，芯棒1603呈现出与单元105 (参见图1或图2)对应的尺寸和形状。然而，还应注意，本申请不限于一层或更多层1601或芯棒1603的具体示出的构型。如以下将更详细地讨论的，芯棒1603以及已被施加到芯棒1603上的一层或更多层1601随后与其它芯棒和层组装，以形成芯101 (图1中示出)。
[0057]如图17中所示，多个芯棒1701 (与芯棒1201、1405、1503、1603等对应)和管103组装在一起以形成芯101 (参见图1)的基础。注意，所述多个芯棒1701和管103可以包括具有任意适当的构型的任意适当数目的芯棒1701和管103以形成芯101。在图18中示出的一个实施例中，在模具1801中所述多个芯棒1701和管130组装在一起。注意，模具1801不限于图18中描绘的构型，而是可以采用任意适当的构型。模具1801的内表面1803具有芯101的外表面107 (参见图1)的形式。
[0058]在一个实施例中，管103包括在将芯棒1701和管103组装到模具1801中之前被固化的热固聚合物基体。在这种实施例中，粘合层901 (图9中示出)在将芯棒1701和管103组装到模具1801中之前被施加在相邻管103之间。在另一个实施例中，管103包括热塑性聚合物基体或包括在将芯棒1701和管103组装到模具1801中之前未被固化的热固聚合物基体。在这种实施例中，粘合层901可以在将芯棒1701和管103组装到模具1801中之前被施加在相邻管103之间，但是并不需要如此。
[0059]如果在管103中使用利用聚合树脂预浸溃的纤维，则在芯棒1701和管103已经组装到模具1801中之后向管103施加热以及在某些实施例中施加压力。如果管103在组装到模具1801中之前未被固化，则所施加的热会固化管103。如果粘合层901用于粘合地结合相邻管103，则所施加的热熔化并固化粘合层901。
[0060]在一个实施例中，如果在管103中使用干纤维，则经由一个或更多个端口 1805、1807围绕干纤维引入热塑性或热固性聚合树脂。聚合树脂变为管103的聚合物基体。可以使用诸如树脂传递模塑、空间辅助的树脂传递模塑等的过程来实现围绕干纤维引入聚合树月旨。对管103施加热以及在某些实施例中施加压力以固化聚合树脂。
[0061]在相邻管103粘合地彼此结合以形成芯101之后，从管103移除芯棒1701。在一个实施例中，芯棒1701仅从管103退出。然而，在其它实施例中，芯棒1701例如通过热或溶剂被溶解。在一个实施例中，芯棒1701为水溶性的，并且因此使用水来溶解芯棒1701。在芯棒1701为可溶性的实施例中，芯棒可以保持芯，以在芯的加工期间帮助稳定芯。芯棒也可以在加工之后保持在芯内，并且在芯的处理和固化期间保持至外皮，以在处理和固化期间稳定芯。随后，芯棒可以用水来溶解，或者通过类似的方式移除。应当理解到，芯棒还可以由若干层构成，所述若干层包括通过芯保持的外侧可溶性材料、以及在芯被处理之后移除的内侧金属材料。
[0062]图19和图20表示用来产生芯101的芯棒1901的另一说明性实施例。可以使用可膨胀芯棒1901，使得管103形成在用于芯101的形成的可膨胀芯棒1901上。可膨胀芯棒1901优选地由受热时体积膨胀的材料或将触发体积膨胀的任何其它的催化剂构成。如图19中所示，具有管103的可膨胀芯棒1901随后在处于其预膨胀状态时以所选择的图案被堆叠和布置。可膨胀芯棒1901优选地限定在模具1801中，使得可膨胀芯棒1901的体积膨胀迫使管103形成特定的形状和图案。图19和图20中示出的图案仅仅为可膨胀芯棒1901可以布置成的各种形状和图案的示例。例如，可以直接相邻地、在上方、在下方堆叠芯棒1901，以使管103形成为正方形形状。可膨胀芯棒1901的一个示例性优点在于可以根据单个大小的芯棒来制造各种芯101形状。另外，将纤维缠绕到圆芯棒上相比缠绕到多面芯棒上更简单。
[0063]本申请的范围涵盖具有本申请的芯的复合夹层结构。例如，图21和图22分别示出了根据本申请的复合夹层结构2101的侧面正视图和俯视平面视图。如图23中所示，图23是复合夹层结构2101的一部分的截面视图，复合夹层结构2101包括设置在上外皮2303与下外皮2305之间的芯2301。上外皮2303通过第一粘合层2309粘合地结合至芯2301的上部面2307。下外皮2305通过第二粘合层2313粘合地结合至下部面2311。应注意，在各个实施例中，可以省去上外皮2303和下外皮2305之一。
[0064]在一个实施例中，粘合层2309、2313基本上分别仅在芯2301与外皮2303、2305之间延伸。换句话说，在芯2301的敞开单元2315上省去粘合层2309、2313。在一个实施例中，这种构型是通过借助网状过程将粘合剂集中在芯的边缘表面上来实现的。
[0065]现在参照图25，示出了被配置用于用复合材料包绕芯棒的系统2501。芯棒2505为本文中进一步讨论的诸如芯棒1405和1503的芯棒的示例。系统2501是用于通过使用用于制造诸如图1中示出的复合芯101的复合芯的复合材料包绕多个芯棒2505的有效且具成本效益的工具。
[0066]系统2501可以包括控制器2507，控制器2507被配置成控制系统2501内的一个或更多个功能并使所述一个或更多个功能同步。漏斗2503被配置成容纳并选择性地部署(cbploy)芯棒2505。传输件2509可以将芯棒2505平移至线性馈送马达2511，线性馈送马达2511被配置成将芯棒2505平移至角度驱动器2513。角度驱动器2513被配置成以控制器2507控制的速率旋转芯棒。此外，角度驱动器2513被配置成使背靠背的芯棒的几何形状对准，并且确保后部芯棒的前表面以重复的过程靠近前部芯棒的后表面对接。
[0067]在每个芯棒2505离开角度驱动器2513时，材料馈送头2515将来自材料分配机2517的复合材料的单元2527a至2527d以规定的角度和材料间隔进行分配。在示出的实施例中，每个单元2527a至2527d可以代表各种各样的复合材料形式。例如，如关于图14描述的，每个单元2527a至2527d可以为连续的树脂浸溃纤维1401。如关于图15描述的，在另一示例中，每个单元2527a至2527d可以为具有大约100根纤维的连续的树脂浸溃束1501。在另一示例中，举几个例子来说，每个单元2527a至2527d可以为具有例如“1/8”和“1/4”的规定宽度的预切割的纤维带，其也可以被称作“纵切带”。
[0068]在操作期间，控制器2507可以通过将材料馈送头2515移动至期望的馈送角Al来选择性地改变馈送角Al。此外，控制器2507可以选择性地改变线性馈送马达2511和角度驱动器2513将每个芯棒2505传送至下述区域的轴向速度和旋转速度:在背靠背线性移动过程中围绕每个芯棒2505包绕复合材料。此外，由于材料馈送头2515可以选择性地调节每个单元2527a至2527d之间的间隔，因此系统2501可以选择性地被配置成以根据芯101的期望构型的各种材料间隔和取向用复合材料包绕芯棒2505。
[0069]另外简略地参照图26，系统2601为系统2501的另一示例实施例。除本文中指出的之外，系统2601基本上类似于系统2501。系统2601被配置用于在产生芯101的固体通道或“封闭单元”几何形状的这种过程中用复合材料的宽幅织物(tooadgood) 2603包绕每个芯棒2505。即，复合材料的宽幅织物2603具有宽度W1，选择该宽度Wl以在围绕芯棒2505包绕时防止宽幅织物2603之间的间隙或空间。此外，当围绕芯棒2505包绕宽幅织物2603时，形成了连续缝2605 ;然而，缝2605不是材料中的间隙或空间，而是缝2605代表具有定制宽度Wl的螺旋包绕的宽幅织物2603的邻接部。与之相比，如关于图14和图15所描述的，用复合材料对芯棒进行的在材料中产生间隙或空间或产生“敞开单元”几何形状的包绕，在某些实现方式中会具有不期望的属性。例如，“敞开单元”实施例可能受到下述限制:束或纵条的宽度必须一致，从而导致对于给定的间隔和角度仅具有固定整数的均匀宽度束，以及间隙必须具有均匀的宽度。对于给定的间隙和角度，这种结果仅具有固定整数的材料。包绕束或纵条的角度不会无限地变化，并且仍然保持特定的束或纵条数目、宽度或和间隔。此外，由于芯/外皮界面处的不充分的粘结结合表面区域，在某些面板实现中“敞开单元”几何形状芯会是不期望的。此外，对于给定的芯棒几何形状而言，对于给定的包绕角存在将满足芯管的构造的有限数目的束或纵条宽度和间隙组合。
[0070]仍然参照图26，宽幅织物2603的公称宽度Wl可以是通过用芯棒2505的外表面的周长乘以包绕角Al的余弦来计算的。利用宽幅织物2603包绕芯棒2505而没有材料间隙的一个潜在的优点在于:在仅调整宽幅织物2603的宽度Wl的情况下，可以针对芯实现来定制角度Al。此外，宽幅织物2603可以从更宽的大块原料卷来切割，使得宽度Wl的定制仅成为调整切割工具以提供特定于实现的宽度的事情。定制角度Al允许用户通过沿产生所述物理特性的方向定向纤维来调节(tailor)芯的物理特性。宽幅织物2603可以从材料卷2617拉出。在一个实施例中，卷2607上的复合材料之前已经被切割成期望宽度Wl的宽幅织物2603。在另一实施例中，在芯棒2505的旋转拉动承受张力的宽幅织物2603时，切割器在材料馈送头2651以规定的角度指引宽幅织物2603之前将复合材料切割成期望宽度Wl。
[0071]通过利用系统2601包绕宽幅织物复合材料而产生的“封闭单元”几何形状芯使得能够使用更薄更轻的复合材料，从而产生了具有很低密度的芯。此外，相比通过“敞开单元”几何形状芯可实现的刚度和强度，“封闭单元”几何形状芯可具有更大的刚度和强度。此外，“封闭单元”几何形状芯完全是能够充分调节的。
[0072]系统2601还可以被配置成多次包绕2505以产生多层复合材料层。在这样的实施例中，可以改变纤维取向、包绕角和/或包绕方向以产生所调节的机械特性和物理特性。
[0073]在操作期间，控制器2507可以通过将材料馈送头2615移动至期望馈送角Al来选择性地改变馈送角Al。此外，控制器2507可以选择性地改变线性馈送马达2511和角度驱动器2513将每个芯棒2505传送至围绕每个芯棒2505包绕宽幅织物2603的区域的轴向速度和旋转速度，使得连续缝2605代表螺旋包绕的宽幅织物2603的邻接部，该宽幅织物2603具有定制的宽度W1，使得螺旋包绕的宽幅织物2603的相邻部分之间不存在间隙或空间。
[0074]再次参照图25，系统2501还可以包括压实件2521，该压实件2521被配置成按压或压实复合材料，使得在复合材料被切割之后复合材料不会散开。在操作期间，压实件2523可以包括沿方向2523行进并以与芯棒2505相同的速度旋转的衬垫。当用复合材料包绕芯棒2505时，压实件2523的衬垫可以压抵在后部部分和前部部分附近的外表面，以在这些部分处压实未固化的复合材料。压实件2523随后向后移动以与下一包绕的芯棒对准。在一个实施例中，在芯棒的前部部分被包绕的情况下，前部衬垫在支承芯棒的同时通过旋转和平移芯棒来压实芯棒。随后在后部部分被完全包绕之后，后部衬垫压实包绕的芯棒的后部部分。随后，切割器2525切割相邻的芯棒2505之间的复合材料。应当理解，可以在切割复合材料之前使用一个或更多个支承装置来支承一个或更多个包绕的芯棒。
[0075]应当理解，切割器2525可以采用各种各样的构型。例如，列举两个实施例，切割器可以为尖缘或激光器。在另一实施例中，切割器2525还将芯棒2505切割成更小的芯棒。
[0076]作为压实件2521的替代方案，可以使用绑缚装置来围绕所包绕的复合材料的每个端部包绕材料带，所述材料带用于防止在复合材料被切割之后复合材料散开。
[0077]在通过切割器2525切割复合材料之后，堆叠装置2527可以将每个包绕的芯棒平移至期望位置。在一个实施例中，堆叠装置2527将每个包绕的芯棒与其它包绕的芯棒堆叠在工具中，使得所述多个包绕的芯棒可以被固化以形成诸如芯101的复合芯。在另一实施例中，堆叠装置2527传输用于附加的包绕步骤的包绕的芯棒。在这种实施例中，包绕的芯棒被倒置，使得随后的包绕沿与第一包绕相反的方向施加复合材料。在另一实施例中，堆叠装置2527在受控的环境下传输包绕的芯棒以进行打包和储存，使得包绕的芯棒可以在稍后的期望时间被固化。在另一实施例中，堆叠装置2527传输包绕的芯棒，从而在复合材料没有与另一包绕的芯棒接触的情况下对复合材料进行固化。例如，在这种实施例中，所固化的单个管构件随后可以通过粘合剂结合至另一固化的管构件。
[0078]系统2501还可以包括成像机2519，成像机2519被配置成提供可以检测包绕复合材料中的缺陷的质量控制图像。成像机2519可以与堆叠装置2527通信以使可以移除并分隔有缺陷的包绕的芯棒。
[0079]现在还参照图27，示意性地示出了计算机系统2701。系统2701被配置用于执行与系统2501和2601的操作有关的一个或更多个功能。此外，任何处理和分析均可以通过计算机系统2701部分地或完全地执行。计算机系统2701可以与其它计算机系统部分地或完全地成一体。在一个示例中，计算机系统2701为控制器2507的实施例。
[0080]系统2701可以包括输入/输出(I/O)接口 2703、分析引擎2705以及数据库2707。替代实施例可以根据需要组合或分配输入/输出(I/o)接口 2703、分析引擎2705以及数据库2707。系统2701的实施例可以包括一个或更多个计算机，所述一个或更多个计算机包括被配置用于执行本文中所描述的任务的一个或更多个处理器和存储器。这例如可以包括具有中央处理单元(CPU)和非易失性存储器的计算机，该非易失性存储器存储用于指示CPU执行本文中所描述的任务中的至少一些任务的软件指令。这例如还可以包括经由计算机网络通信的两个或更多个计算机，其中，所述计算机中的一个或更多个计算机包括CPU和非易失性存储器，并且计算机的非易失性存储器中的一个或更多个非易失性存储器储存用于指示任何CPU执行文中描述的任何任务的软件指令。因此，虽然在独立的机器方面描述了示例实施例时，但是应理解，该描述是非限制性的，并且本描述同样适用于涉及执行在一个或更多个机器之间以任何方式分配的任务的所述一个或更多个机器的多种其它布置。还应理解，这种机器并非必须专用于执行文中所描述的任务，而是可以为还适于执行其它任务的例如计算机工作站的多用途机器。
[0081]I/O接口 2703可以在外部用户、系统以及系统2701的数据源和部件之间提供通信链路。I/o接口 2703可以被配置用于允许一个或更多个用户经由任何已知的输入装置向系统2701输入信息。示例可以包括键盘、鼠标、触摸屏和/或任何其它期望的输入装置。I/O接口 2703可以被配置用于允许一个或更多个用户经由任何已知的输出装置接收从系统2701输出的信息。示例可以包括显示监视器、打印机和/或任何其它期望的输出装置。I/O接口 2703可以被配置用于允许其它系统与系统2701通信。例如，I/O接口 2703可被配置用于允许与一个或更多个远程数据源通信。例如，I/O接口 2703可以允许一个或更多个远程数据源访问信息、输入信息和/或远程地指示系统2701执行文中所描述的任务中的一个或更多个任务。
[0082]数据库2707提供了用于系统2701的持久性数据存储。尽管主要使用术语“数据库”，但是存储器或其它适当的数据存储装置可以提供数据库2707的功能。在替选实施例中，数据库2707可以与系统2701成一体或分离的，并且可以在一个或更多个计算机上运行。数据库2707优选地提供了对于适于支持系统2501和2601的操作的包括各种数据的任何信息的非易失性数据存储。分析引擎2705可以包括一个或更多个处理器、存储器和软件部件的各种组合。
[0083]由于可以以对受益于本文中的教示的本领域技术人员而言显而易见的不同但等同的方式修改和实施所述系统和方法，因此本文中公开的具体实施例仅是说明性的。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文中所描述的系统2701进行变型、附加或删减。系统2701的部件可以是一体的或分离的。此外，系统2701的操作可以通过更多的、更少的、或其它的部件来执行。
[0084]此外，除了如在所附权利要求中描述的以外，并非意在限制本文中所示出的构造或设计的细节。从而很明显地，可以改变或修改以上公开的具体实施例并且所有这样的变化被认为在本公开的范围和精神之内。因此，如在所附权利要求中阐述了本文中所寻求的保护。
[0085]为了有助于专利局和关于本申请所发布的任何专利的任何读者理解所附权利要求， 申请人:希望注明，除非具体权利要求中明确使用了措辞“用于……的装置”或“用于……的步骤”，否则 申请人:不期望任何所附权利要求引用申请日存在的35U.S.C.§ 112的第6段。
【权利要求】
1.一种用复合材料包绕多个芯棒的方法，所述方法包括: 以某旋转速度旋转每个芯棒； 以某平移速度平移每个芯棒； 将每个芯棒背靠背定位，使得在前芯棒的后部面接近在后芯棒的前部面；以及 用所述复合材料以螺旋取向顺序地包绕每个芯棒。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括: 切割大致位于所述在前芯棒的所述后部面与所述在后芯棒的所述前部面之间的所述复合材料。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括: 将所述在前芯棒和所述在后芯棒的几何形状对准。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述几何形状为六边形形状。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述几何形状为圆周面。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在切割所述复合材 料之前压实在每个芯棒的端部附近的所述复合材料，以防止所述复合材料散开。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在切割所述复合材料之前绑缚在每个芯棒的所述端部附近的所述复合材料，以防止所述复合材料散开。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括: 堆叠每个被包绕的芯棒。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，利用激光切割器来进行切割所述复合材料的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，利用机械切割器来进行切割所述复合材料的步骤。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，用所述复合材料以螺旋取向顺序地包绕每个芯棒的步骤包括通过每个芯棒的所述旋转和平移从馈送头拉出所述复合材料。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，用所述复合材料以螺旋取向顺序地包绕每个芯棒的步骤包括相对于所述多个芯棒的平移轴以某包绕角选择性地定位馈送头。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料为具有特定宽度的宽幅织物，使得在螺旋包绕的宽幅织物的相邻边缘之间没有间隙的情况下包绕每个芯棒。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料为纤维束。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料为复合材料的纵切带。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料为纤维和未固化树脂的组合。
17.一种用于用复合材料包绕多个芯棒的系统，所述系统包括: 线性馈送马达，以期望的平移速度平移每个芯棒； 角度驱动器，用于以期望的旋转速度旋转每个芯棒； 控制器，用于选择性地控制所述期望的平移速度和所述期望的旋转速度； 材料馈送头，被配置成在每个芯棒旋转并平移时释放所述复合材料，以从所述材料馈送头拉出所述复合材料。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制器被配置成选择性地定位所述材料馈送头，使得所述复合材料以期望的包绕角被包绕到每个芯棒上。
19.根据权利要求17所述的系统，还包括: 压实装置，被配置成压实所述复合材料，以防止当在相邻芯棒之间切割所述复合材料之后所述复合材料散开。
20.根据权利要求17所述的系统，还包括: 切割器，被配置成切 大致位于在前芯棒与在后芯棒的邻接部附近的所述复合材料。
【文档编号】B29C53/64GK104044262SQ201410096454
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】保罗·K·奥尔德罗伊德, 小詹姆斯·D·赫思科克, 马克·E·托勒, 菲利普·A·肯德里克 申请人:贝尔直升机德事隆公司