用于編織3d織物的方法和裝置、其3d織物物品及它們的用圖
【技術領域】
[0001]本發明總體上屬于紡織領域。具體地，本發明涉及用于編織3D織物的方法和裝置、其3D織物物品以及用這種3D織物物品增強的復合材料。
[0002]背景
[0003]多年以來，已經發展了許多織物形成方法以生產例如T、L、P1、H、I和U的異形截面梁，其或直接地或間接地用于制造3D(三維)織物增強的復合材料。稱為異形梁狀預成形物的這種3D織物增強旨在主要用于承載結構的應用。這些預成形物和本文即將描述其它新的類型此后共同稱為3D織物物品。與異形梁類似的3D織物物品基本上由兩部分組成:(i) “垂直”部分，此后稱為腹板(web)，以及(ii)“水平”部分，此后稱為翼緣(flange)。由于“T”或“L”或“+”形截面中的每一個具有一個腹板和一個翼緣，因此，最簡單的異形梁狀3D織物物品是通過“T”或“L”或“+”形截面來例示。不同于異形梁的其它3D織物物品可以在結構和形式上更復雜，除了不一定只包括腹板和/或翼緣，或者甚至包括平面的/線性的腹板和翼緣外。
[0004]在本文公開的本發明的上下文中，被認為是相關的用于引用來奠定背景的現有技術中的一些包括，例如涉及通過縫合/連接不同織物或褶皺/彎曲合適地形成的織物的某些部分/區段間接生產異形梁狀3D織物物品的US5429853、US4331495、US6103337、US4786541和US4379798，以及涉及通過特定的成熟工藝直接生產異形梁狀3D織物物品的US5021281、US5783279、US5121530、US4779429、US4686134、US6019138 和 TO91/06421。所有這些已知的方法代表了解決令人關注但嚴重的一系列問題的多年來所花費的努力，該一系列問題在下面通過示例被描述以使用適當的角度表現現有3D織物物品的缺點。
[0005]迄今為止，還不能以組合的方式制造例如包括紗線/麻線/絲線/粗紗/纖維帶等(此后，只稱為紗線)的簡單的單壁/層“T”形截面梁狀的具有例如下面的性能和功能的相關特征的3D織物物品:
[0006].結構上完整的單壁/層腹板，其包括相對于梁狀3D織物的長度方向在+/_θ°偏斜定向上的紗線以承受剪切力/扭轉力；
[0007].結構上完整的單壁/層翼緣，其包括相對于梁狀3D織物的長度方向在0°/90°方向上的紗線以承受拉伸力/壓縮力；
[0008].腹板和翼緣的各自的組成紗線的相互的全厚度(through-thickness)連接，該腹板和翼緣在其結合部處彼此相交并與彼此結合以抵抗分離或分層。
[0009]換句話說，還不可能制造這樣的異形梁狀3D織物物品，即，其中該異形梁狀3D織物物品的腹板具有例如編結結構，且翼緣具有例如編織結構，并且腹板和翼緣在它們的厚度方向上，即，在腹板與翼緣在它們的結合部處彼此相交的平面相互地彼此互連。同樣，還不可能制造這樣的異形梁狀3D織物物品，S卩，其中該異形梁狀3D織物物品的腹板具有編織結構，翼緣具有編結結構，并且腹板-翼緣通過相互穿過彼此的厚度方向的各自的相應的組成紗線彼此互連。
[0010]為了能夠生產相比于目前可能的具有相對較高的機械性能和改進的功能，且重要的是以成本有效的方式實際上可用的材料的抗分層復合材料，組合不同織物的建筑結構，即，由單獨的織物形成工藝，例如交織(即通過編織而被編織的)和纏結(即通過編結而被編織的)形成的纖維/紗線的特色結構是必要的，因為這些織物具有結構上完整的構造且將這些織物作為腹板/翼緣的使用使其穩定并牢固，并且因此，3D織物物品是自支撐的，以用于使令人滿意的另外的加工能夠實現并從而獲得較好的復合材料部件。沒有結構完整性/具有結構完整性差的紡織品預成形物容易塌縮，使得其與基體的操作和浸漬困難，而且導致造成損害性能的纖維未對準、不當的纖維分布、纖維斷裂等。
[0011]更加重要的是，腹板和翼緣的交叉的結合部通過其各自的紗線以腹板和翼緣的相互全厚度連接的方式很好的結合是必要的。3D織物物品的這樣的相互全厚度的整體的結合部將會自然地統一并抵抗分層/分離，并且從而提高了最終復合材料的機械性能和可靠性。
[0012]目前還沒有出現用于實際地、有效地且經濟地生產具有上述特色織物建筑構造或結構構造的3D織物物品的任何可用的方法。上面飲用的現有技術一直主要地設計成生產具有或多或少的規則的/ 一致的/同類的構造和形式的長形結構。這些現有的方法未提供生產具有完全不同的腹板和翼緣的結構構造的3D織物物品的可能性。此外，這些方法未提供包括不同織物構造的組合的腹板或翼緣或腹板和翼緣兩者。此外，根據其僅生產特定的或少數種類的形式/形狀和尺寸，這些方法是有限的。因此，這些現有的方法在設計需要寬且深的性能和功能特征的復雜3D織物物品方面未提供大的范圍。這些方法由于其仍然是工業上不符合要求的且無吸引力的事實被證明是無效的。
[0013]間接或縫合方法允許膠合和縫合不同的2D片狀織物，并且因此能夠在異形梁狀制品的生產中組合不同的結構上完整的織物構造。但是，沒有腹板和翼緣的相互的全厚度的連接。直接的或特殊的3D織物形成工藝提供了腹板和翼緣的全厚度連接以及具有相對地不同的織物構造的腹板和翼緣，但是不生產結構上完整的腹板(或翼緣)。在下面討論這兩種方法，因為這兩種方法都不能夠設計在3D織物物品中的所需的性能和功能特征。此外，如將注意的是，這兩種方法實際上是復雜且效率低的。因此，現在需要合適的新的解決方案以解決手頭的問題，并且通過本文公開的本發明使得其是可用的。
[0014]縫合/連接/裝訂不同平面織物片材(其通過使用合適的工藝已經被事先制造或預生產)用于生產異形梁狀3D織物物品的方法是間接的并由US5429853、US4331495、US6103337和US4786541來例示。通過這種“縫合”方法，產生的異形梁的腹板和翼緣的組成紗線不在腹板-翼緣結合處相交和在它們各自的相互厚度方向上穿過。由于不同的織物片材是彎的/彎曲的/折疊的/成一定角度的，因此，沒有腹板和翼緣的交叉使組裝和縫合能夠用于截面的形狀形成。當其它的織物帶應用于橋接腹板-翼緣的分離的部分時，由于折疊的/彎的織物片材的使用，因此，在腹板-翼緣結合部處紗線的相互的全厚度的交叉的不存在在該結合部處形成空的/空洞的“三角”空間。由于在腹板和翼緣的相互厚度方向之間的紗線的不連續，因此，使得結合部不牢固。包括這種3D織物物品的復合材料分層，即因為開裂和分離而失效。因此，縫合的/聯接的材料往往是不可靠的，并且因此在高性能應用中是不能使用的。
[0015]在縫合方法上的改進體現在US4379798中，其中，3D織物使用選擇性地內置的連接的和斷開的部分或區段來生產。斷開部分可以隨后以需要的方向彎曲/折疊，以用于形成并獲得最終形狀。但是，如與縫合的/聯接的材料一樣，這種材料也不會形成以相互的全厚度的方式相交的腹板和翼緣。因此，彎曲的/折疊的部分需要通過使用其它紡織材料的另外的連接和橋接以抵抗在力/載荷下的結構失效。但是，由于在腹板-翼緣結合部處形成的空的/空洞的“三角”空間，相對地被折疊地部分的這種連接和橋接失效，從而使得結構不牢固、易于分層且因此不可靠。
[0016]與縫合方法相關聯的一些其它弊端包括:(a)用于縫合和構成織物之間的材料的纖維性能的不匹配，(b)用于縫合的纖維材料與用于制作復合材料的基體不相容，(C)相對松散、不穩且不牢固的結合部使得結構不可靠并且難以處理和預測性能反應，(d)由于因操作和縫合動作產生的纖維斷裂引起的較低的可靠性，(e)由處理和縫合動作產生的纖維位移和方向不重合，(f)是勞動密集和耗費時間的，(g)導致纖維浪費的產生，其不利地影響環境，(h)是昂貴的，而沒有提供真正的優勢，以及(i)不適合于形成具有復雜形狀的3D織物物品O
[0017]此外，為了使能夠縫合，腹板和翼緣的厚度必須保持相對小，這進而直接地使獲得的異形材料在機械性能方面相對減弱(由于相對少量的纖維)并且因此不適合用于耐用的應用。在任何情況下，縫合/聯接兩個織物不會克服由腹板和翼緣之間在它們的結合部處的相互的全厚度連接的缺乏引起的分層的基本問題。
[0018]由US5021281、US5783279、US5121530、US4779429、US4686134、US6019138和W091/06421例示的直接生產方法也未提供符合要求且可靠的3D織物增強材料。這是因為這些工藝具有下面的重大缺點中的一個或多個:
[0019].腹板不包括在+/-θ°方向上的結構上完整的紗線中的一個或多個壁/層。
[0020].翼緣不包括在0°/90°方向上的結構上完整的紗線中的一個或多個壁/層。
[0021 ].結構上完整的翼緣和結構上完整的腹板的紗線不穿過彼此的厚度方向。
[0022]?翼緣壁/層超過一層厚。
[0023].翼緣不是由多個單獨的/分開的壁/層組成的。
[0024].翼緣不是用在+/_θ°方向上的紗線制成。
[0025].腹板不是用在0°/90°方向上的紗線制成。
[0026].腹板和翼緣沿著外部縱向邊緣側沒有逐漸減少。
[0027].腹板-翼緣結合部的縱向內部角不是倒角的/倒圓的。
[0028].腹板不是由不同構造或定向的紗線的組合構成。
[0029].翼緣不是由不同構造或定向的紗線的組合構成。
[0030].腹板和/或翼緣不具有變化的高度和寬度，以及非平面和非對稱的結構。
[0031].不具有腹板和翼緣的3D織物物品是不可生產的。
[0032].具有彎曲形狀的3D織物物品是不可生產的。
[0033].這些工藝不能處理準備好的或預生產的織物以及制成合適的織物的紗線和結合預生產的和剛生產的織物以形成3D織物物品。
[0034]如可以注意到的，這些直接的工藝不同于先前描述的間接的或縫合工藝，因為這些直接的工藝不使用結構上完整的任何準備好的或預生產的合適的織物來生產所需的3D織物物品。這些工藝不能通過使用給定構造的合適的預生產織物以及通過結合在過程中所使用的紗線產生的相對不同的織物構造來形成結構上完整的腹板和翼緣的互相相交的結合部。這些方面將在所述現有技術的下面的介紹中變得清晰。
[0035]文獻US5021281公開了異形梁狀3D織物物品，其中，經紗接結紗線(C)在相對于指定的I形梁輪廓的腹板段的縱向方向的兩個偏斜角(即，+/_θ°偏斜角)方向上被合并。但是，這些紗線(C)不以任何方式在結構上連接例如如在編織織物中發生的交織至彼此，而是使用綜線(第5列，第40-44行和圖9)從經軸架線性地抽出并且以所需的傾斜捕獲在上部翼緣和下部翼緣(Α和B)(第3列，第15-17行)之間的平面(第4列，第27-28行)中。此外，在翼緣部分中相對于異形材料的縱向方向在0°或90°方向的紗線不以任何方式(第5列，第18行)如在編織中發生地一樣交織，而是使用如其中描述的其它接結紗線(Cl和C2)(第5列，第20-22行)在相應的翼緣的厚度方向上堆疊并結合。
[0036]由于在所設計的方法中沒有用于相互結合這些紗線(C)的結構，因此，在腹板部分中的+/_θ°偏斜紗線(C)存在，而沒有以任何方式的結構上的互相連接，即紗線(C)既不交織(即沒有編織)也不纏繞(即沒有編結)也不相互打環(即沒有針織)。由于在這些紗線(C)之間卻反任何相互的結構上的連接性/完整性，因此，腹板部分保留為兩個分離的片材，并且因此是不穩定并傾向于容易受到干擾和損壞。此外，所生產的腹板部分是類似格子一樣的開放結構。用紗線填充不足以形成實心的/未分開的織物平面。紗線的缺乏使得腹板類似于桁架結構，如其中可以在圖8和圖9中注意到的。因此，具有相對少量紗線并且不具有任何結構完整性的腹板在處理/進一步加工期間既不能符合性能也不能抵抗扭曲，例如基體浸漬以及相關的隨之發生的損害。事實上，這種柔軟的腹板在其自身重量下以及上部翼緣的重量下將趨向于塌縮。因此，意識到這種紡織結構在尺寸穩定性和強度/剛度方面是不符合要求的，熱熔(即熱塑性)纖維的包含物已經被建議(第4列，第4-12行)與用于穩定性的纖維聯接/結合。
[0037]當異形材料的橫截面被認為是T形而不是所示出的I形時，所描述的工藝和材料的這些缺點變得非常地自我清晰。因為將沒有翼緣，在腹板的+/_θ°偏斜角方向的紗線(C)上的上部彎曲(根據圖8和圖9)不可以以任何方式實現和支撐，并且因此無法支撐以保持+/_θ°偏斜紗線，借此腹板的紗線將立即塌縮。明顯地，這種方法具有非常有限的適用性和實用性的范圍。
[0038]如文獻US5021281中提到的，I形梁輪廓的翼緣未交織(第5列，第18行)。因此并且其中在相關的附圖中表示的，翼緣中的每一個由三組紗線(11&-14&、15&-18&、(:1和1113-14b、15b-18b、C2)組成，紗線中的每一個在其相應的方向上(長度、寬度和厚度)線性地行進。這種非交織構造技術上不同于由兩組交織的紗線(經紗和瑋線)組成的常規的編織材料。由于紗線(lla_14a和15a-18a)，以及紗線(llb-14b和15b-18b)沒有憑借交織被鎖定在適當的位置，因此翼緣的結構趨向于不穩定/非剛性，因為其組成紗線是容易移動的。因此，這種結構沒有為翼緣提供必要的結構穩定性/剛性。
[0039]除了根據US5021281的方法的上述限制，該方法的另一個重要缺點是其不生產這樣的異形梁狀3D織物物品，S卩，在腹板或翼緣或腹板和翼緣(基于型材的截面)的縱向邊緣處的3D織物物品的表面具有錐度以防止在該邊緣處的應力集中。同樣，該方法不生產具有倒角或倒圓角部的異形梁狀3D織物物品，其中腹板和翼緣的表面會合以阻止在這些角部處的應力集中。
[0040]此外，上述方法不生產異形梁狀3D織物物品，其中腹板部分具有在0°/90度方向上的腹板的組成紗線并且翼緣部分具有在+/_θ°偏斜方向上的翼緣的組成紗線。此外，該方法既不生產具有0° /90°和+/-θ°定向的紗線的組合的腹板，也不生產具有0° /90°和+/-θ°定向的紗線的組合的翼緣。此外，這種方法不生產多個單獨/分離的腹板和翼緣，除集成的層以夕卜。此外，這種方法不可以加工狐貍在其腹板或翼緣中任何準備好的或預生產的織物。
[0041]文獻W091/06421提出了具有腹板部分和翼緣部分的異形梁狀預成形物。其中參考圖1，在翼緣部分(I)中，包括平行連續的纖維或絲線(4Α/4Β和10)至少兩個重疊層相對地處于相互的直角方向上，其中外層的纖維(4Α)相對于預成形物的縱向軸線(3)90°定向。在腹板部分(2)中，平行連續的纖維或細絲(5Α和5Β)中的至少兩層相對地處于相互相對的傾斜角定向(‘對角線地’)上，在相對于預成形物的縱向軸的30°到80°之間。這些傾斜紗線不以任何方式交纏或結合，借此腹板的兩層保持分離。組成腹板(2)的傾斜的或成一定角度定向的纖維(5Α和5Β)僅圍繞翼緣部分(I)的外層的90°定向的纖維(4Α)彎曲/“打環”。
[0042]顯然，組成翼緣(I)的纖維的層(4Α/4Β和10)都不以任何方式單獨結合。同樣，組成腹板(2)的層(5Α和5Β)都不以任何方式單獨結合。在翼緣(I)和腹板(2)之間的唯一結構連接是圍繞外部纖維(4Α)彎曲或“打環”的纖維(5Α和5Β)的連接。因此，在所提供的預成形物中，在單獨層中的所有的組成纖維在它們各自定向的方向上行進。在任何組成的層內沒有通過交織或相互套結或纏繞所涉及的纖維的結構上的完整性。實際上，本文陳述的相應的相關工藝，即針織、編織和編結是為了降低纖維的軸向強度和剛度，并且因此是不合適的。然而，有趣的是，所生產的預成形物被稱為“編織”預成形物(第7頁)！由于預成形物其本身沒有結構上的完整性，因此，組成纖維易于分層、失去定向并且損失纖維分布和線性度。例如在拉擠成型工藝期間，甚至在制作成復合材料之前，這樣的預成形物自然地會容易碎裂和塌縮。
[0043]如現在可以理解的，根據W091/06421的預成形物也具有關于US5021281的3D織物物品討論的缺點。在任何情況下，這種方法也不可以處理在其腹板或翼緣中的任何預生產的織物。
[0044]文獻US5783279也詳述了異形梁狀3D織物材料，該異形梁狀3D織物材料通過將組成腹板(200)的紗線(202和203)與組成上部翼緣和下部翼緣(101和102)的紗線連鎖來生產，其中如圖4和圖5所示(第6列第50-53行)。這種3D織物物品的生產涉及(a)通過憑借力通過使用楔狀模型(30)抽出腹板紗線(202和203)，模型(30)將兩個翼緣擴張或分隔成需要的距離，如圖16a所示(第9列第11-25行)，或者(b)通過抽出特定長度的腹板紗線(202和203)并且在縱向空間間隔處在超出上部凸緣的表皮上方凸起的一些列的圈中鉤連這些紗線并且將其保持在所需的高度(圖16b)，這最終將有助于生產所需高度的腹板，來接合上部翼緣和下部翼緣之間的腹板紗線(202和203)。隨后，隨著織物生產的進行，兩個翼緣(101和102)在鉤連的腹板紗線(202和203)(第9列第35-59行)上滑開。還表明了直接地生產3D織物物品(即，不需要必須分離翼緣)的一個可選的方式(第9列第63行至第10列第3行)，其中提出了一些部件的重新布置。
[0045]在任何情況下，根據上述方法生產的3D織物物品具有組成在上部翼緣和下部翼緣之間曲折的腹板(200)的紗線(202和203)。該紗線與翼緣的紗線連鎖。組成腹板的這些紗線本身不相互結合成交織的結構，類似編結的結構，并且因此，這種3D織物物品也是不穩定的并不能支撐自身。這種3D織物物品將傾向于塌縮，且因此容易變得畸形和受到損壞。由于，如其中可以在圖4-圖8中注意的，縱向紗線(103和104)以及橫向紗線(105和106)在它們各自的方向上線性地行進，而沒有與編織的定義相關聯的紗線特色的交織，因此，這種3D織物物品的翼緣在技術上不交織/編織。(該結構與US5021281的結構相同。)如果翼緣在這種情況下真的被編織，那么技術上其編織圖案不同于平紋編織或任何其它編織。通過這種方法可生產的腹板還是類似于桁架結構的相對的格子狀的開放式結構，借此，足夠的紗線的缺乏使其在性能上直接地下降。此外，在腹板紗線(202和203)上滑動翼緣(101和102)以將翼緣分開成需要的距離將自然地造成所涉及的紗線的相互磨損，這進而將造成對所涉及的紗線的損害，并且因此又導致更低的性能。這樣的動作也將造成結構的變形并且因此造成性能和可靠性的相應降低。
[0046]此外，結合US 5 O 212 81的3 D織物物品討論的其它缺點同樣很好的適用于根據US5783279的3D織物物品。再一次，這種方法也可以處理在其腹板或翼緣中的任何預生產或準備好的織物。
[0047]文獻US5121530也詳述了用于生產異形梁狀3D織物物品(3)的方法。由于編織工藝的最重要的操作，即梭口形成根本不存在，因此，該方法在技術上也不編織。在這種方法中，所涉及的紗線(Y)在所需的不同定向上以層積或堆積/堆疊的方式(即逐層地)連續地且線性地重復放置，而不以任何技術上確定的編織圖案交織/編織，以達到所需的壁厚。所涉及的紗線放置在預先布置的最終被移除的管狀導引銷(G)之間，并且在其位置中處于循環形式的所選紗線(Y)被合并以達到與所放置的線性紗線結合從而獲得最終需要的產品。(這些生產步驟在技術上不遵從編織的原理。)雖然所生產的結構是在前面嘗試上的改進，但是除了具有前面提出的其它缺點，其在腹板和翼緣中仍然具有同類的結構。在任何情況下，腹板不包括+/_θ°定向的紗線。再一次，這種方法也不可以處理在其腹板或翼緣中的任何準備好或預生產的織物。
[0048]文獻US4779429也提供了生產異形梁狀3D織物物品的方法，該3D織物物品的結構或多或少類似于在上面的US5121530中所示的3D織物物品的結構，但是僅由于織針在生產中被使用，因此3D織物物品的結構被認為是針織的。在它們各自的組中平行于彼此布置的兩個相互垂直組的織針在它們各自的方向上通過預布置組的紗線(14)在所需的部分中交替拉動并放置紗線以形成異形梁狀3D織物物品的截面形狀。除了具有前面提出的其它缺點，所形成的結構在腹板和翼緣中依然具有同類的結構。在任何情況下，腹板不包括+/_θ°定向的紗線。再一次，這種方法也不可以處理在其腹板或翼緣中的任何準備好的或預生產的織物。
[0049]文獻US4686134也提供了通過用合適的試劑例如樹脂或類似物(3)浸漬或覆蓋芯織物(2)并固化芯織物(這幫助保持給定的形狀)而生產的異形梁狀材料(I)。如所表示(第5列第15-21行)的，芯織物(2)的腹板和翼緣通過編結多組紗線(4-6)被結合并形成。盡管紗線(6)縱向地延伸;但是紗線(4和5)傾斜地延伸從而以60°彼此相交(第5列第22-30行圖