專利名稱：織造具有整體式側(cè)壁的襯底的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于強化復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體式編織預(yù)成型件，其可以被編織成平滑的， 然后再折疊成它們最終的三維形狀，其最終形狀具有在至少一個方向上整體式側(cè)壁。
背景技術(shù)：
如今，使用強化復(fù)合材料生產(chǎn)結(jié)構(gòu)組件已非常普遍，尤其是在追求它們質(zhì)輕、堅 固、強韌、耐熱、自支撐的期望性能以及它們形成和成形適應(yīng)性的應(yīng)用中使用普遍。這種組 件用在例如航空、宇航和衛(wèi)星工業(yè)中，以及用于例如賽艇等娛樂用途和無數(shù)其他的應(yīng)用。典 型的組件包括包埋在基質(zhì)材料中的強化材料。強化組件可由例如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰 胺、聚乙烯的材料和/或其他表現(xiàn)出所需的物理學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性質(zhì)和/或其他性質(zhì)的材料 制成，所述性質(zhì)中最主要的是抵抗應(yīng)力疲勞的良好的強度。通過使用這種最終變?yōu)槌善方M 件的構(gòu)成元件的強化材料，強化材料的期望特性——例如很高的強度——會賦予成品復(fù)合 組件。構(gòu)件強化材料通常由編織、針織或以其他方式定向成強化預(yù)成型件所需的構(gòu)型和形 狀。通常，特別要注意確保對因此而選定這些構(gòu)件強化材料的性能的最佳利用。通常，將這 種強化預(yù)成型件與基質(zhì)材料進(jìn)行組合，從而形成所需的成品組件或生產(chǎn)用于最終生產(chǎn)成品 組件的工作儲備料。在已經(jīng)構(gòu)造了所需的預(yù)成型件后，可以引入基質(zhì)材料，并將其與預(yù)成型件進(jìn)行組 合，由此強化預(yù)成型件變成包圍在基質(zhì)材料中，使得基質(zhì)材料填充強化預(yù)成型件的構(gòu)成元 件之間的空隙區(qū)域?；|(zhì)材料可以是范圍廣泛的例如環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯酯類、陶瓷、碳的 材料和/或同樣表現(xiàn)出所需的物理學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性質(zhì)和/或其他性質(zhì)的其他材料中的任意 一種材料。選擇用作基質(zhì)的這些材料可以與強化預(yù)成型件的材料相同或不同，也可以具有 類似或不相類似的物理學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)或其他性質(zhì)。但是通常，其與強化預(yù)成型件不是 相同的材料，或不具有類似的物理學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)或其他性質(zhì)，因為使用復(fù)合材料的常 見目的首先是使成品具有組合性能，而這種組合性能不能通過單獨使用一種構(gòu)成材料來獲 得。組合在一起后，強化預(yù)成型件和基質(zhì)材料就可通過熱固或其他已知方法以相同的操作 硬化和穩(wěn)定化，然后為了生產(chǎn)所需組件而進(jìn)行其他操作。重要的是要注意，在硬化之后，基 質(zhì)材料的固化的主體通常很牢固地粘結(jié)于強化材料(例如強化預(yù)成型件)。因此，成品組件 上的應(yīng)力、特別是通過其作為纖維之間的粘結(jié)劑的基質(zhì)材料作用在成品組件上的應(yīng)力可被 有效地傳遞至增強強化預(yù)成型件的構(gòu)成材料，并由該構(gòu)成材料來承受。通常，期望生產(chǎn)呈一定構(gòu)型而非簡單幾何形狀的組件，例如板狀、片狀、矩形或正方形固體等。特別感興趣的是由具有在兩個方向上的整體式的側(cè)壁的平滑襯底構(gòu)成的構(gòu) 型。整體式側(cè)壁可在硬質(zhì)外層應(yīng)用中作為常規(guī)硬化件來使用，其中襯底用作外層。在每個 這些應(yīng)用中，重要的是使構(gòu)成組件、即硬化件和基底平臺或面板部分之間的各接合部盡可 能地堅固。假定強化預(yù)成型件構(gòu)件本身具有期望的很高的強度，則弱接合部實際上就成為 結(jié)構(gòu)“鏈”中的“薄弱環(huán)節(jié)”。過去已經(jīng)使用了很多方法用于接合復(fù)合材料組件或強化預(yù)成型件以生產(chǎn)強化復(fù) 合結(jié)構(gòu)或外層硬化面板。已經(jīng)提出使用獨立增粘纖維層或預(yù)浸漬制品來形成帶有側(cè)壁的襯 底結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用增粘纖維時，能夠在得到層壓預(yù)成型件之后進(jìn)行樹脂傳遞模塑成型；如果使 用預(yù)浸漬制品來形成最終的形狀，所得到的預(yù)成型件能夠進(jìn)行真空膨脹并硬化。但是，對層 壓預(yù)成型件施加載荷、特別是通過厚度施加載荷會導(dǎo)致預(yù)成型件分層或側(cè)壁與平滑襯底分 罔。還一直采用在這種組件的界面處使用金屬螺栓或鉚釘，但并不令人滿意，因為這 種附加物至少部分地破壞和削弱的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的整體性、增加了重量、并使這些元 件與周圍材料之間的熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生差異。解決這一問題的其他方法一直是基于這樣的理念通過采用將一個組件縫合到另 一個組件并依賴縫合線將高強度纖維引入和穿過接合部位的方法而引入這種強化纖維橫 穿接合區(qū)域。在美國專利No. 4，331，495及其方法的分案美國專利No. 4，256，790中披露這 種一種方法。這些專利公開了在第一和第二復(fù)合材料面板之間由粘結(jié)劑粘合的纖維復(fù)合 層制成接合部。第一面板以現(xiàn)有技術(shù)的方式在一端處分叉從而形成兩個發(fā)散的、共面的面 板接觸表面，通過將未硬化的柔性復(fù)合材料紗線穿過兩個面板縫合而將它們接合到第二面 板。隨后使面板與紗線“共同硬化”，即同時硬化。但是，這種方法需要多步驟構(gòu)造預(yù)成型 件，并需要向預(yù)成型件引入另外的紗線或纖維。美國專利No. 6，103，337提出了一種交叉構(gòu)型的示例，通過參引將其公開內(nèi)容結(jié) 合在本文中。該參考文獻(xiàn)公開了 一種用于將強化預(yù)成型件與預(yù)成型件面板接合在一起以形 成三維強化預(yù)成型件的方法。兩個獨立的預(yù)成型件在接合部處通過紗或線形式的強化纖維 彼此接合。一旦兩個預(yù)成型件被接合或縫合在一起，就可將基質(zhì)材料引入預(yù)成型件。但是， 這種方法需要單獨織造或構(gòu)造預(yù)成型件，并在其后以單獨的步驟將它們縫合在一起。預(yù)成 型件不是連續(xù)或整體地織造在一起的。另外，需要其他紗線或纖維來連接預(yù)成型件。美國專利No. 5，429，853中提出了另一種方法以改進(jìn)接合部的強度。但是，因為單 獨構(gòu)造的不同元件通過在其間用另外的紗線或纖維縫合而接合在一起，所以該方法與上述 方法相似。盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)在探索改進(jìn)強化復(fù)合物的結(jié)構(gòu)一體性并取得了一定的成功，但 仍然需要對其加以改進(jìn)并期望通過不同于使用粘結(jié)劑或機械地聯(lián)接單獨的面板和硬化件 元件的方法來解決此問題。為此，一種方法可以是通過在專門的機器上造出機織三維結(jié)構(gòu)。 三維織物一般由沿彼此垂直的方向延伸的纖維構(gòu)成，這些纖維沿X、Y、Z軸方向延伸。但其 費用相當(dāng)昂貴，而且很少希望編織機專用于織造單一類型的結(jié)構(gòu)。另一種方法是編織二維結(jié)構(gòu)再將其折疊成一定形狀，使得面板整體變堅挺，即紗 線連續(xù)交織在平面基底或面板部分與硬化件之間。但是，這通常會在折疊預(yù)成型件時導(dǎo)致 預(yù)成型件扭曲變形。發(fā)生變形是因為所織入纖維的長度不同于預(yù)成型件被折疊時纖維應(yīng)有
6的長度。這導(dǎo)致在所織入纖維長度過短的區(qū)域產(chǎn)生凹窩和波紋，而在纖維長度過長的區(qū)域 產(chǎn)生褶皺。這種變形產(chǎn)生不希望的表面異常，并降低了組件的強度和剛度。盡管這可以通 過裁切和縫合褶來消除，但這種工藝步驟并非期望的，因為其勞動強度高或另外地會破壞 預(yù)成型件的整體性。美國專利No. 6，446，675通過在織造過程中調(diào)整纖維長度使得某些區(qū)域一些纖維 過短而某些區(qū)域一些纖維過長而解決了折疊二維編織預(yù)成型件時產(chǎn)生的變形問題，以參引 的方式將其公開內(nèi)容結(jié)合在本文中。折疊預(yù)成型件時，纖維的長度變得相同，從而提供了平 穩(wěn)過渡的折疊。但是，這種編織預(yù)成型件只能在一個平行于纖維經(jīng)向的方向上進(jìn)行強化或硬化。美國專利No. 6，019，138提出了另一用于構(gòu)造硬化面板的方法，其公開了用于制 造帶有在經(jīng)向和緯向上都強化的增強硬化件的硬化面板。如所公開的，該方法通過覆編織 (over weaving)或簡單地向預(yù)成型件的面板部分織入凸起點而在兩個方向上實現(xiàn)強化。使 用這種方法將限制能夠?qū)崿F(xiàn)的硬化件高度。此外，該方法需要使用三支紗線織造預(yù)成型件。 將硬化件縛至預(yù)成型件的面板部分的第三支紗線僅被周期性地編織在另兩根紗線之間。因 此，硬化件與面板部分不是完全成整體地織造的，這導(dǎo)致其接頭弱于完全整體織造的接頭。因此，需要整體制造的預(yù)成型件，該整體織造的預(yù)成型件具有能夠在一道工序中 使用常規(guī)織機而不經(jīng)任何特別改動制造出的在兩個或更多方向上的側(cè)壁。本申請中引用或指明的任何文獻(xiàn)并非對該文獻(xiàn)可作為對于本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)而 得到的認(rèn)可。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種成整體織造的帶有在至少一個方向上的側(cè)壁或至少一個 側(cè)壁的三維預(yù)成型件。該預(yù)成型件可以包括至少兩層編織織物，其中各層由經(jīng)向和緯向纖 維構(gòu)成。一層的纖維可與另一層的纖維交織，從而形成交織區(qū)域。側(cè)壁通過裁剪出最頂層的一部分然后將該部分向上折疊使得其垂直于或橫向于 預(yù)成型件由此形成壁而形成。當(dāng)折疊發(fā)生在最頂層與另一層交織的交織區(qū)域處時，側(cè)壁可 看做是整體式側(cè)壁，因為其與預(yù)成型件的下層是成整體的，即下層的纖維織入側(cè)壁中。當(dāng)不 在各層交織的區(qū)域折疊時，那么該“非整體式”側(cè)壁沒有成整體地結(jié)合到預(yù)成型件中，而是 如果需要可以移動到其他位置。側(cè)壁可包括一層或多層織物。一個方向上的纖維，例如緯向纖維可與另一個方向的纖維如經(jīng)向纖維在不同的層 之間交織。例如，在三層預(yù)成型件中，第一層的緯向纖維可與第三層的經(jīng)向纖維交織，而第 二層的經(jīng)向纖維可與第三層的緯向纖維交織。這使得能夠形成彼此垂直的側(cè)壁。在一種實 施方式中，一個方向例如經(jīng)向上的整體式側(cè)壁是連續(xù)的，而垂直方向例如緯向上的側(cè)壁則 是不連續(xù)的。側(cè)壁可定向成使得它們圍繞或圈定預(yù)成型件的稱作隔腔的很小區(qū)域。這些隔腔的 尺寸和形狀可以是不同的，這取決于形成預(yù)成型件的整體式側(cè)壁的位置和/或取決于定向 非整體式側(cè)壁的位置。隔腔形狀的示例包括多邊形，例如正方形、矩形、六角形等。此外，預(yù) 成型件的隔腔可呈多于一種隔腔形狀，例如可以是正方形和矩形的組合。在優(yōu)選的實施方式中，預(yù)成型件可包括矩形形狀的隔腔。這種類型的預(yù)成型件可
7包括至少三層編織織物，其中每層均包括經(jīng)向和緯向纖維。在緯向方向上，第一層的纖維可 與第三層的纖維在選定的地方交織，而在經(jīng)向方向上，第二層的纖維可與第三層的纖維在 選定的地方交織?？蛇x擇地，層間經(jīng)向和緯向纖維的交織可以互換，其中經(jīng)向方向上的纖維 在第一層和第三層之間交織，緯向方向上的纖維在第二層和第三層之間交織。交織區(qū)域標(biāo) 識出可以將折疊層以形成整體式側(cè)壁的地方。第一層與第三層，以及第二層與第三層可以 在多于一個交織區(qū)域處交織，即可沿預(yù)成型件的經(jīng)向或緯向方向在多于一個地方交織。由 第一層和第三層形成的整體式側(cè)壁與由第二層和第三層形成的整體式側(cè)壁優(yōu)選彼此垂直。 在特別的實施方式中，一個方向例如緯向上的整體式側(cè)壁是連續(xù)的，而另一個方向例如經(jīng) 向方向上的整體式側(cè)壁是不連續(xù)的。在另一實施方式中，預(yù)成型件可包括六角形形狀的隔腔。這種類型的預(yù)成型件可 包括至少兩層編織織物，其中每層均包括緯向和經(jīng)向方向的纖維。在緯向方向上，第一層的 纖維可與第二層的纖維交織，以在選定位置處形成交織區(qū)域，而在經(jīng)向方向上，第一層和第 二層的纖維不交織。經(jīng)向和緯向纖維的層間交織或不交織可以互換，其中經(jīng)向方向上的纖 維在第一層和第二層之間交織，緯向方向上的纖維在層之間不交織。在交織區(qū)域，整體式側(cè) 壁沿經(jīng)向方向形成并成為形成六角形隔腔的一對相對的側(cè)壁。還形成有來自第一層的非整 體式側(cè)壁，其以一定角度、優(yōu)選60°附接于整體式側(cè)壁。選定的用于交織層的部位標(biāo)識出可 以折疊層以形成整體式側(cè)壁的位置。此外，可以形成來自第一層的非整體式側(cè)壁，其變成不 是在緯向或經(jīng)向方向延伸的壁。本發(fā)明的另一方面是一種用于形成具有側(cè)壁的編織三維預(yù)成型件的方法。該方法 包括提供兩層或更多層的編織織物，其中來自其中一層織物的多個纖維與來自另一層織物 的多個纖維交織。交織可發(fā)生于經(jīng)緯兩個方向的纖維上，并且可發(fā)生在多對織物層之間。在 形成這些層之后，對最頂層進(jìn)行裁剪以形成分離的部分，它們可以向上折疊從而形成側(cè)壁。 可選擇地，然后裁剪當(dāng)前被看作最頂層的第二層以形成附加側(cè)壁。重復(fù)這些直至形成所需 數(shù)量和定向的側(cè)壁。在一種具體實施方式
中，本發(fā)明為一種形成具有一個或多個整體式側(cè) 壁的三維預(yù)成型件的方法，其中側(cè)壁形成矩形形狀的隔腔。在另一實施方式中，本發(fā)明為一 種形成帶有側(cè)壁的三維預(yù)成型件的方法，其中側(cè)壁形成六角形形狀的隔腔。表現(xiàn)本發(fā)明特征的多個創(chuàng)新技術(shù)特征尤其在本公開所附并形成本公開一部分的 權(quán)利要求中被指出。為了更好地理解本發(fā)明、其操作優(yōu)點和通過其使用所實現(xiàn)的具體目標(biāo)， 請參考所附說明部分，其中在附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，附圖中對應(yīng)的組件由 相同的附圖標(biāo)記指示。因此，本發(fā)明的一個目的是不在本發(fā)明中包含任何已知產(chǎn)品、制造該產(chǎn)品的步驟 或使用該產(chǎn)品的方法，使得申請人保留此權(quán)利，并由此表明對任何現(xiàn)有產(chǎn)品、步驟或方法免 責(zé)。此外還應(yīng)注意，本發(fā)明不打算在其范圍內(nèi)包含任何不符合美國專利商標(biāo)局(美國專利 法第35卷第112條第1款)或歐洲專利局(歐洲專利法第83條)的規(guī)定和授權(quán)要求的產(chǎn) 品、制造該產(chǎn)品的步驟或使用該產(chǎn)品的方法，使得申請人保留此權(quán)利，并由此表明對任何上 述產(chǎn)品、制造該產(chǎn)品的步驟或使用該產(chǎn)品的方法免責(zé)。需要注意，本公開中并且特別是權(quán)利要求書和/或權(quán)項中，例如“包括”等術(shù)語可
具有美國專利法所賦予的意義，例如它們可意指“包含”等。并且例如“主要由......構(gòu)成”
具有美國專利法所賦予它們的意義，例如，它們允許未明確引述的組成要素，但排除現(xiàn)有技
8術(shù)已有的或影響本發(fā)明實質(zhì)性或創(chuàng)新性特征的組成要素。公開這些以及其他實施方式，其從以下詳細(xì)描述中顯而易見并由以下詳細(xì)描述所涵蓋。


可結(jié)合附圖最佳地理解以下詳細(xì)描述，以下詳細(xì)描述并非意將本發(fā)明僅限制于所 述的具體實施方式
，附圖中；圖1A-1C示出預(yù)成型件的不同編織紋樣，圖IA示出貫穿整個厚度成角度互鎖的結(jié) 構(gòu)，圖IB示出貫穿整個厚度正交的結(jié)構(gòu)，圖IC示出層間互鎖的結(jié)構(gòu)；圖2A-2B示出具有整體式側(cè)壁的基礎(chǔ)預(yù)成型件，圖2A示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方 式的具有連續(xù)縱向整體式側(cè)壁和不連續(xù)橫向整體式側(cè)壁從而形成矩形隔腔的基礎(chǔ)預(yù)成型 件，圖2B示出根據(jù)本發(fā)明可選實施方式的基礎(chǔ)預(yù)成型件，其具有連續(xù)縱向整體式側(cè)壁和不 連續(xù)橫向整體式側(cè)壁從而形成矩形隔腔；圖3示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的基礎(chǔ)預(yù)成型件，其具有用于形成六角形隔腔 的不連續(xù)橫向整體式側(cè)壁和不連續(xù)非整體式側(cè)壁；圖4A-4D示出整體式側(cè)壁的形成，圖4A示出包括四層織物的基礎(chǔ)預(yù)成型件的側(cè)視 圖，圖4B示出最頂層纖維如何與第三層纖維交織從而形成交織區(qū)域，圖4C示出如何對最頂 層進(jìn)行裁剪從而形成多個最頂層的分離的部分，圖4D示出如何能夠在交織區(qū)域處折疊最 頂層的分離的部分從而形成整體式側(cè)壁；圖5A-5C示出非整體式側(cè)壁的形成，圖5A示出包括四層織物的基礎(chǔ)預(yù)成型件的側(cè) 視圖，圖5B示出如何對最頂層進(jìn)行裁剪從而形成多個最頂層的分離的部分，圖5C示出如何 能夠折疊最頂層的分離的部分從而形成非整體式側(cè)壁；圖6A-6C示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的基礎(chǔ)預(yù)成型件的形成，該基礎(chǔ)預(yù)成型件 具有連續(xù)縱向整體式側(cè)壁和不連續(xù)橫向整體式側(cè)壁，從而形成矩形隔腔，圖6A示出在經(jīng)向 與緯紗之間具有交織區(qū)域的基礎(chǔ)預(yù)成型件的俯視圖以及如何裁剪最頂層從而形成分離的 部分，圖6B示出如何折疊分離部分從而形成縱向整體式側(cè)壁以及如何裁剪第二層從而形 成分離的部分，圖6C示出如何能夠折疊最頂層的分離的部分從而形成橫向整體式側(cè)壁；圖7A-7C示出根據(jù)本發(fā)明可選實施方式的基礎(chǔ)預(yù)成型件的形成，該基礎(chǔ)預(yù)成型件 具有連續(xù)縱向整體式側(cè)壁和不連續(xù)橫向整體式側(cè)壁從而形成矩形隔腔。圖7A示出在經(jīng)向 與緯紗之間具有交織區(qū)域的基礎(chǔ)預(yù)成型件的俯視圖以及如何裁剪最頂層從而形成分離的 部分，圖7B示出如何折疊分離的部分從而形成縱向整體式側(cè)壁以及如何裁剪第二層從而 形成分離的部分，圖7C示出如何能夠折疊最頂層的分離的部分從而形成橫向整體式側(cè)壁；圖8A-8C示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的基礎(chǔ)預(yù)成型件的形成，該基礎(chǔ)預(yù)成型件 具有用于形成六角形隔腔的不連續(xù)橫向整體式側(cè)壁和不連續(xù)非整體式側(cè)壁，圖8A示出在 經(jīng)向纖維之間具有交織區(qū)域的基礎(chǔ)預(yù)成型件的俯視圖以及如何裁剪最頂層從而形成分離 的部分，圖8B示出如何折疊分離的部分從而形成橫向的整體和非整體式側(cè)壁，圖8C示出如 何移動非整體式側(cè)壁并將其與整體式側(cè)壁接合從而形成六角形隔腔。
具體實施例方式在下文，相同的附圖標(biāo)記在附圖中自始至終指示相同或相應(yīng)的部件。另外，在下文 中，應(yīng)當(dāng)理解，使用例如“前”、“后”、“左”、“右”、“橫向”、“縱向”等術(shù)語是方便用詞，而不能 理解為限制性術(shù)語。此外，術(shù)語“纖維”和“紗線”通篇可交替使用且具有相同的意思。同 樣，術(shù)語“垂直”和“橫向”通篇可交替使用且具有相同的意思。本發(fā)明涉及具有設(shè)置在至少一個方向上的側(cè)壁或至少一個側(cè)壁的三維預(yù)成型件。 側(cè)壁可以是預(yù)成型件的整體式部件，使得纖維交織在預(yù)成型件基底或襯底與側(cè)壁之間，從 而將這些組件鎖合在一起。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這樣能有利地生產(chǎn)出強度高得多的接頭，其原 因在于組件之間不再有弱結(jié)合層，從而消除了潛在的分層，并提高了損傷容限。預(yù)成型件由 一片材料構(gòu)成，因此省去了全部與裁剪用于層疊表層和側(cè)壁的層有關(guān)的時間。另外，不需要 增粘劑，這樣也能節(jié)省時間和成本，并且還消除了潛在的與原料樹脂的相容性問題。該預(yù)成 型件首先織造成基底織物形式的平滑的預(yù)成型件。然后將基底織物折疊成帶有襯底部分 的三維預(yù)成型件，襯底部分具有在至少一個方向上的側(cè)壁，例如橫向或縱向側(cè)壁，但可選擇 地，該襯底部分具有在多個方向上的側(cè)壁，例如橫向和縱向側(cè)壁?？赏ㄟ^采用傳統(tǒng)技術(shù)—— 例如樹脂傳遞模塑法或化學(xué)蒸汽滲透法——引入基質(zhì)材料而將所得到的編織預(yù)成型件加 工成復(fù)合材料組件。該預(yù)成型件可用于現(xiàn)有技術(shù)中已知的多種用途，例如用于需要質(zhì)輕、堅固、強韌、 耐熱、自支撐的材料和具有形成和成形適應(yīng)性的材料的結(jié)構(gòu)性組件。同時，預(yù)成型件可用于 這樣的用途側(cè)壁可在硬化表層的應(yīng)用中作為常規(guī)硬化件使用而襯底部分充當(dāng)表層。該預(yù)成型件可采用提花織機或綜框織機和捕線梭子(capture shuttle)用經(jīng)紗和 緯紗織造而成。然而，任何傳統(tǒng)的織造技術(shù)都可用來織造該預(yù)成型件。該預(yù)成型件可由任 何能被織造的纖維構(gòu)成，并且可以是合成或天然材質(zhì)的，如碳、尼龍、人造纖維、聚酯、玻璃 纖維、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯。纖維被織入各層中，其中預(yù)成型件的各層可具有 任何編織紋樣，如平紋、斜紋、緞紋，層間可以是層疊(ply-to-ply)、正交或成一定角度互鎖 的。例如，在圖IA所示的貫穿整個厚度成角度互鎖的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗1以一定角度穿過預(yù)成 型件的整個厚度，該角度由緯紗2的投梭(pick)或緯紗密度(spacing)限定。在圖IB所 示的貫穿整個厚度正交的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗1在緯紗2的相鄰?fù)端蠡蛄兄g穿過預(yù)成型件的整 個厚度，因此貫穿整個厚度的組件多少與織物的表面正交。這種類型的結(jié)構(gòu)通常包括經(jīng)紗 “填充物”，其不用織造只是在兩層緯紗之間穿過。在圖IC所示的層間互鎖的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗1 僅穿過預(yù)成型件整個厚度的一部分，從而將兩層或更多層鎖合在一起。經(jīng)紗通常成一定角 度，與成角度互鎖結(jié)構(gòu)類似，但也可是正交的。例如，可將預(yù)成型件的層1鎖合到層2，將層 2鎖合到層3，依此類推。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，本發(fā)明包括帶有在縱向和橫向方向上的一個或多個 整體式側(cè)壁的三維預(yù)成型件，其中側(cè)壁如圖2A所示形成矩形隔腔。該預(yù)成型件最初包括六 層編織織物，其中頂層形成有兩排在縱向方向(經(jīng)向)上的連續(xù)整體式側(cè)壁12，第二層形成 有四排在橫向方向(緯向)上的不連續(xù)整體式側(cè)壁13;由此，所示預(yù)成型件11包括連續(xù)整 體式側(cè)壁12、不連續(xù)整體式側(cè)壁13、以及包括剩余四層的襯底。在圖2B所示的可選實施方式中，預(yù)成型件最初包括六層編織織物，其中頂層形成 有三排在縱向方向(經(jīng)向)上的連續(xù)整體式側(cè)壁16，第二層形成有五排在橫向方向(緯向)上的不連續(xù)整體式側(cè)壁17。最終，所示預(yù)成型件15包括連續(xù)整體式側(cè)壁16、不連續(xù)整體式 側(cè)壁17、以及包括剩余四層的襯底。因此，圖2A和2B所示實施方式的變型可包括·形成預(yù)成型件的層數(shù)，優(yōu)選三層或更多層 連續(xù)或不連續(xù)側(cè)壁的數(shù)目·連續(xù)和不連續(xù)側(cè)壁的方向，即縱向或橫向·交織的層·連續(xù)非整體式側(cè)壁的存在·不連續(xù)非整體式側(cè)壁的存在·連續(xù)和不連續(xù)非整體式側(cè)壁二者的存在·縱向和橫向側(cè)壁的位置根據(jù)另一實施方式，本發(fā)明包括帶有在縱向方向上的整體式側(cè)壁和在對角方向上 的非整體式側(cè)壁的三維預(yù)成型件，其中側(cè)壁如圖3所示形成六角形隔腔。該預(yù)成型件21最 初包括兩層編織織物，其中頂層形成有五排在縱向方向(經(jīng)向)上的非連續(xù)整體式側(cè)壁22 和四排在對角方向上的不連續(xù)非整體式側(cè)壁23，該對角方向介于縱向方向與橫向方向之 間。因此，預(yù)成型件21的襯底包括一層織物。移動對角側(cè)壁并將其與縱向側(cè)壁緊固在一起， 從而形成六角形隔腔。側(cè)壁在0°、+60°、-60°方向上延伸，這在側(cè)壁用作硬化件的情況 下是有利的。這種設(shè)計可被看作準(zhǔn)各向同性構(gòu)型，因為無論施加哪個方向的力，面內(nèi)剛度是 相同的。因此，圖3所示實施方式的變型包括·形成預(yù)成型件的層數(shù)，優(yōu)選兩層或更多層·隔腔的形狀，其可包括任何多邊形·不連續(xù)整體式側(cè)壁的數(shù)目·不連續(xù)整體式側(cè)壁的方向，即經(jīng)向或緯向·連續(xù)整體式側(cè)壁的存在·不連續(xù)非整體式側(cè)壁的數(shù)目·連續(xù)非整體式側(cè)壁的存在·非整體式側(cè)壁的定向當(dāng)然，本發(fā)明還可包括圖1A-1C、圖2A-2B和圖3所示的預(yù)成型件的組合，例如可 以包括連續(xù)和非連續(xù)的整體式側(cè)壁，它們與非整體式側(cè)壁組合從而形成不同尺寸的各種形 狀，例如矩形、正方形和六角形。如上所述，折疊部位位于各層之間紗線交織從而形成交織區(qū)域的位置處。緯向側(cè) 壁由經(jīng)向交織各層的纖維形成，而經(jīng)向側(cè)壁由緯向交織各層的纖維形成。例如，圖4A示出 預(yù)成型件31的橫截面，其包括四層織物(32、33、34和35)。圓圈36代表經(jīng)向上的纖維(朝 向觀察者)，而條紋線37代表緯向上的纖維。圖4B示出頂層的緯向纖維與第三層的纖維交 織。交織部位形成交織區(qū)域38，其標(biāo)志著最頂層將在該處進(jìn)行折疊以形成整體式側(cè)壁。圖 4C示出必需裁剪39最頂層，以便形成能夠向上折疊從而形成側(cè)壁的該層的分離的部分40。 圖4D示出折疊最頂層的分離的部分40并形成整體式側(cè)壁41。側(cè)壁與預(yù)成型件的其它層中 的至少一層——即第三層34——成整體。
側(cè)壁還可以不與預(yù)成型件成整體。圖5A示出包括四層織物(52、53、54和55)的 預(yù)成型件51的橫截面。圓圈代表經(jīng)向上的纖維56(朝向觀察者)，而條紋線代表緯向上的 纖維57。如圖5B所示，在最頂層進(jìn)行裁剪58，以便形成該層能夠向上折疊的分離的部分 59。圖5C示出折疊最頂層的分離的部分并形成側(cè)壁60，其不與預(yù)成型件成整體，因此能夠 移動。在變型實施方式中，預(yù)成型件可包括包含與襯底成整體地織造的兩片材料的整體 式側(cè)壁?？稍趦蓚€織造片材之間放置附加材料，以增加側(cè)壁的厚度或提供在不同于由織造 工藝所提供的方向上的強化。例如，織物可以是斜裁的，可以位于側(cè)壁織造部分之間，以產(chǎn) 生具有0°和90°強化(來自整體織造部分)和士45°強化(來自斜切織物)的側(cè)壁。斜 裁層織物可使用經(jīng)向和緯向纖維或經(jīng)紗和緯紗織造而成，或者它們可以是非紡織的、針織 的或未編織的纖維或紗線陣列。陣列中的紗線彼此平行。與側(cè)壁的定向相比陣列可定向成 從0°到90°。與預(yù)成型件相同，斜裁織物可包括任何能編織的纖維，并且可以為合成或天 然材質(zhì)的，如碳、尼龍、人造纖維、聚酯、玻璃纖維、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯。織物 中的纖維可沿任何編織紋樣行進(jìn)，如平紋、斜紋、緞紋，層間可以是層疊、正交或成一定角度 互鎖的?？蓪⒈绢I(lǐng)域已知的技術(shù)應(yīng)用于保持側(cè)壁層疊在一起。這種技術(shù)包括縫合、T成型 (例如，參見美國專利No. 6，103，337，通過參引將其結(jié)合在本文中)等。本發(fā)明還涉及形成帶有側(cè)壁的編織三維預(yù)成型件的方法。該方法包括，提供兩層 或更多層的編織織物，其中來自其中一層織物的多根纖維與來自另一層織物的多根纖維交 織?？梢杂卸鄬豢棇印Ｈ缓笸ㄟ^從最頂層開始裁剪然后折疊預(yù)成型件的層的一些部分而 形成側(cè)壁。對于其它層而言可重復(fù)進(jìn)行裁剪和折疊。側(cè)壁可由一層或多層織物構(gòu)成?？赏ㄟ^裁剪和向上折疊最頂層的多個部分而形成 由一層織物構(gòu)成的側(cè)壁(例如，參見圖7B-7C)。如果折疊發(fā)生在交織區(qū)域，那么得到的單層 側(cè)壁是整體式側(cè)壁；否則，側(cè)壁是非整體式的?？赏ㄟ^裁剪最頂層的相鄰兩部分并將它們折 疊在一起而形成由兩層織物構(gòu)成的側(cè)壁。再者，如果折疊發(fā)生在交織區(qū)域，那么所得到的雙 層側(cè)壁就成整體地結(jié)合到預(yù)成型件的襯底中；如果折疊不發(fā)生在交織區(qū)域，那么側(cè)壁不是 成整體地結(jié)合到襯底中。兩層以上的側(cè)壁可通過將非整體式側(cè)壁移動到一起而形成。襯底通常為多層構(gòu)造?？蛇x擇地，預(yù)成型件可以為混合構(gòu)造，并包括多于一種材 料，例如玻璃纖維和碳纖維混合側(cè)壁。例如，圖6A-6C示出了圖2A所示的實施方式中預(yù)成型件是如何交織的以及側(cè)壁是 如何形成的。圖6A示出了形成側(cè)壁之前的編織預(yù)成型件的俯視圖。在緯向上纖維在第一 層與第三層之間的交織區(qū)域71處(用“X”表示)交織，在經(jīng)向上纖維在第二層與第三層 之間的交織區(qū)域72處(用“ + ”表示)交織。為了形成預(yù)成型件11，在最頂層進(jìn)行縱向裁剪 73 (用虛線表示)，以形成能夠抬起并進(jìn)行折疊的分離的部分74。圖6B示出該縱向裁剪使 得能夠折疊所述分離的部分從而形成縱向側(cè)壁12。因為是在層相互交織的交織區(qū)域71處 發(fā)生折疊，所述這些側(cè)壁與預(yù)成型件成整體?，F(xiàn)在在當(dāng)前的最頂層中進(jìn)行橫向裁剪75，以形 成分離的部分76，這樣該層能被抬起并進(jìn)行折疊。圖6C示出該橫向裁剪使得能夠折疊該最 頂層的分離的部分從而能夠形成橫向側(cè)壁13。所得到的預(yù)成型件11與圖2A所示的實施方 式相同。重要的是，圖6A-6C所示的預(yù)成型件可包括較大預(yù)成型件的僅僅一小部分，其中，
12層間交織并形成側(cè)壁的紋樣在經(jīng)緯方向上重復(fù)。圖7A-7C示出了圖2B所示的實施方式中預(yù)成型件是如何交織的以及側(cè)壁是如何 形成的。圖7A示出了形成側(cè)壁之前的預(yù)成型件15的俯視圖。在緯向上纖維在第一層與第 三層之間的交織區(qū)域81處(用“X”表示)交織，在經(jīng)向上纖維在第二層與第三層之間的 交織區(qū)域82處(用“ + ”表示)交織82。在最頂層中進(jìn)行縱向裁剪83，以形成能夠折疊的 分離的部分84。圖7B示出折疊最頂層的分離的部分從而形成與預(yù)成型件成整體的縱向側(cè) 壁16?，F(xiàn)在在當(dāng)前的最頂層中進(jìn)行橫向裁剪85，以形成能被提前并進(jìn)行折疊的分離的部分 86。圖7C示出了該橫向裁剪使得能夠折疊該最頂層折疊從而能夠形成橫向側(cè)壁17。所得 到的預(yù)成型件15與圖2B所示的實施方式相同。注意，圖7A-7C所示的預(yù)成型件可代表較 大預(yù)成型件的僅僅一小部分，其中，層之間交織并形成側(cè)壁的紋樣在經(jīng)緯方向上重復(fù)。作為進(jìn)一步的示例，圖8A-8C示出了圖3所示的實施方式中預(yù)成型件21是如何交 織的。圖8A示出了形成側(cè)壁之前的預(yù)成型件21的俯視圖。在經(jīng)向上(用“ + ”表示)纖維 在第一層和第二層之間的部位91處交織。在最頂層中進(jìn)行縱向裁剪92和橫向裁剪93—— 用虛線表示，以在圖8A指示的部位處形成分離的部分94。圖8B示出了折疊最頂層從而形 成橫向側(cè)壁。這些形成在最頂層與第二層交織的部位處的側(cè)壁將形成整體式側(cè)壁22 (也用 粗線表示)，而形成在層與層不互相交織的部位處的側(cè)壁將成為非整體式側(cè)壁23。重要的 是請注意，圖8A-8C代表整個預(yù)成型件的僅僅一小部分，并且交織層紋樣在經(jīng)緯方向上重 復(fù)。因此，圖8B示出了拐角上的側(cè)壁是整體式的。圖8C示出了如何能夠移動非整體式側(cè) 壁以接合整體式側(cè)壁并形成六角形隔腔。非整體式側(cè)壁能夠通過已知的方法接合到整體式 側(cè)壁，這些方法有例如T成型、簇絨和縫合。在基底織物折疊成整體織造的帶有側(cè)壁的三維預(yù)成型件后，此時可可通過采用傳 統(tǒng)技術(shù)——例如樹脂傳遞模塑法或化學(xué)蒸汽滲透法——引入基質(zhì)材料而形成復(fù)合材料硬 化面板或組件，基質(zhì)材料例如是環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯酯類、陶瓷、碳和/或其他同樣表現(xiàn)出 所需的物理學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性質(zhì)和/或其他性質(zhì)的材料。由此可見，基底織物可被設(shè)計并成形為帶有在至少一個方向上的整體式側(cè)壁的三 維編織預(yù)成型件。盡管已經(jīng)在此詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式及其變型，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明 并不局限于該確切的實施方式和變型，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的由所附權(quán)利 要求限定的精神和范圍的情況下可以實現(xiàn)其他的變型和變化。
權(quán)利要求
一種成整體地織造的帶有在至少一個方向上的至少一個側(cè)壁的三維預(yù)成型件，所述預(yù)成型件由編織基底織物構(gòu)成，所述基底織物包括兩層或更多層，其中所述層包括在第一方向上的纖維和在與所述第一方向垂直的第二方向上的纖維；具有至少一個交織區(qū)域，所述至少一個交織區(qū)域包括頂層的在第一方向上的纖維與第二層的在第一方向上的纖維交織；具有在第二方向上并形成在第一交織區(qū)域處的至少一個第一整體式側(cè)壁，其中，所述第一整體式側(cè)壁是通過折疊外露的所述頂層的位于所述第一交織區(qū)域的第一側(cè)上的第一部分而形成的；并且其中，所述第一整體式側(cè)壁包括來自所述頂層和所述第二層的纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)成型件，所述第一整體式側(cè)壁是通過將外露的所述頂層的 位于第一交織區(qū)域的第一側(cè)上的第一部分與外露的所述頂層的位于所述第一交織區(qū)域的 第二側(cè)上的第二部分折疊到一起而形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)成型件，包括形成在第二交織區(qū)域處的在所述第一方向上 的第二整體式側(cè)壁，其中，所述第二整體式側(cè)壁垂直于所述第一整體式側(cè)壁，并且其中，所 述第二交織區(qū)域包括次頂層的在所述第二方向上的纖維與第三層的在所述第二方向上的 纖維交織。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的預(yù)成型件，包括形成在多個交織區(qū)域處的在所述第一方 向和/或所述第二方向上的多個整體式側(cè)壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的預(yù)成型件，其中，所述整體式側(cè)壁以連續(xù)的或不連續(xù)的方式 橫過所述預(yù)成型件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的預(yù)成型件，其中，所述預(yù)成型件包括連續(xù)整體式側(cè)壁和不連 續(xù)整體式側(cè)壁的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的預(yù)成型件，其中，所述不連續(xù)整體式側(cè)壁是對齊的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的預(yù)成型件，其中，所述不連續(xù)整體式側(cè)壁是交錯的。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的預(yù)成型件，其中，所述側(cè)壁形成隔腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的預(yù)成型件，其中，所述側(cè)壁形成多個隔腔。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的預(yù)成型件，其中，所述多個隔腔是矩形的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的預(yù)成型件，其中，所述多個隔腔的尺寸和形狀不同。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)成型件，其中，所述預(yù)成型件還包括不是形成在交織區(qū)域 處的非整體式側(cè)壁，其中，所述整體式側(cè)壁是通過折疊外露層的相鄰部分而形成的，并且其 中，所述非整體式側(cè)壁是連續(xù)的或不連續(xù)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的預(yù)成型件，其中，所述非整體式側(cè)壁是通過將外露層的兩 個相鄰部分折疊到一起而形成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的預(yù)成型件，其中，所述預(yù)成型件包括連續(xù)非整體式側(cè)壁與 不連續(xù)非整體式側(cè)壁的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的預(yù)成型件，其中，所述非整體式側(cè)壁通過一定技術(shù)而被接 合于所述整體式側(cè)壁，所述技術(shù)選自于包括縫合、T成型和簇絨的群組。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的預(yù)成型件，其中，所述非整體式側(cè)壁相對于整體式側(cè)壁、其 他非整體式側(cè)壁或二者的結(jié)合成角度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的預(yù)成型件，其中，所述側(cè)壁形成隔腔。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的預(yù)成型件，其中，所述隔腔是多邊形形狀的。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的預(yù)成型件，其中，所述多邊形形狀為六角形。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)成型件，其中，所述預(yù)成型件包括合成材質(zhì)或天然材質(zhì)的纖維。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的預(yù)成型件，其中，所述纖維選自于包括碳、尼龍、人造纖維、 聚酯、玻璃纖維、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的群組。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)成型件，其中，所述層包括具有一定編織紋樣的織物并且 層與層之間層疊、正交或成角度互鎖，所述編織紋樣選自于包括平紋編織、斜紋、鍛紋的群組。
24.根據(jù)權(quán)利要求1或13所述的預(yù)成型件，其中，在包含所述側(cè)壁的部分之間放置材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的預(yù)成型件，其中，所述材料是斜裁的織物。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的預(yù)成型件，其中，所述斜裁織物包含合成材料或天然材料。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的預(yù)成型件，其中，所述材料選自于包括碳、尼龍、人造纖維、 聚酯、玻璃纖維、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的群組。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的預(yù)成型件，其中，所述斜裁織物的纖維能夠沿著一定的編 織紋樣行進(jìn)，并且所述斜裁織物的層與層之間層疊、正交或成一定角度互鎖，所述編織紋樣 選自于包括平紋、斜紋、鍛紋的群組。
29.根據(jù)權(quán)利要求1或13所述的預(yù)成型件，其中，包含所述側(cè)壁的所述部分通過一定技 術(shù)而被保持在一起，所述技術(shù)選自于包括縫合、T成型和簇絨的群組。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的預(yù)成型件，其中，包含所述側(cè)壁的所述部分和置于所述部 分之間的材料通過一定技術(shù)而被保持在一起，所述技術(shù)選自于包括縫合、T成型和簇絨的群 組。
31.一種形成如權(quán)利要求1所述的預(yù)成型件的方法，包括(i)準(zhǔn)備包括兩層或更多層的基底織物，其中，所述層包括在第一方向上的纖維和在與 所述第一方向垂直的第二方向上的纖維，并且其中，頂層的在第一方向上的纖維與第二層 的在第一方向上的纖維在第一交織區(qū)域處交織；( )沿第二方向裁剪所述頂層，使得所述頂層的位于所述第一交織區(qū)域的第一側(cè)上的 第一部分能夠遠(yuǎn)離所述預(yù)成型件折疊，并且所述頂層的位于所述第一交織區(qū)域的第二側(cè)上 的第二部分能夠朝向所述預(yù)成型件折疊；(iii)折疊所述第一部分，使得所述部分垂直于所述基底織物，從而形成所述整體式側(cè)壁。
32.—種成整體地織造的帶有在至少一個方向上的至少一個側(cè)壁的三維預(yù)成型件，所 述預(yù)成型件由編織基底織物構(gòu)成，所述基底織物包括兩層或更多層，其中所述層包括在第一方向上的纖維和在與所述第一方向垂直的第二方向上的纖維； 具有至少一個交織區(qū)域，所述至少一個交織區(qū)域包括第一層的在所述第一方向上的纖 維與第二層的在所述第二方向上的纖維交織；具有在所述第二方向上并形成在第一交織區(qū)域的至少一個整體式側(cè)壁，其中，整體式 側(cè)壁是通過裁剪并將所述第一層的位于所述第一交織區(qū)域的第一側(cè)上的第一部分與所述第一層的位于所述第一交織區(qū)域的第二側(cè)上的第二部分折疊到一起而形成的；具有形成在兩個交織區(qū)域之間的至少一個不連續(xù)非整體式側(cè)壁，使得所述不連續(xù)非整 體式側(cè)壁被裁剪并相對于所述整體式側(cè)壁折疊成形成六角形隔腔。
全文摘要
本發(fā)明總體涉及一種成整體地織造的帶有在至少一個方向上的至少一個側(cè)壁(12)的三維預(yù)成型件及其形成方法，所述預(yù)成型件由包括兩層或更多層的編織基底織物構(gòu)造而成。在第一方向上的多個纖維(1)在至少頂層與第二層之間交織，使得頂層可相對于其他層折疊并通過折疊形成整體式側(cè)壁(12)。多個纖維還可以在次頂層與第二層之間交織，使得次頂層可相對于其他層折疊，通過折疊形成與第一整體式側(cè)壁(12)垂直的第二整體式側(cè)壁(13)。預(yù)成型件能夠可選擇地包括由最頂層的折疊部分形成的多個非整體式側(cè)壁。
文檔編號D03D25/00GK101925698SQ200880125251
公開日2010年12月22日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者強納森·葛林 申請人:阿爾巴尼復(fù)合物工程股份有限公司