CN114102906B - 一种带微孔纤维束成型系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带微孔纤维束成型系统和方法，包括储纱架、涂覆装置、成孔装置、收卷装置，储纱架、涂覆装置、成孔装置、收卷装置在纤维束成型的路径上依次设置，储纱架上包括储纱盘，涂覆装置能够在纤维束表面涂覆树脂或膜状材料，成孔装置包括多自由度机头、成孔底板，多自由度机头包括多个成孔针、针板座和脱针板。本发明成型系统具有制备多种形状、不同尺寸微孔的功能，以展宽纤维束为基础，形成的微孔效果好、形态保持完整、间距可调可控、纤维连续性好，降低了纤维的损伤，可用于快速成型高性能纤维预制体。

Description

一种带微孔纤维束成型系统和方法

技术领域

本发明属于先进复合材料技术领域，涉及一种带微孔纤维束成型系统和方法。

背景技术

立体织物近年来广泛收到青睐，目前在航空、航天、舰船、汽车、体育等领域得到广泛应用。目前，在国内外立体织物专利中，多数采用纤维或其制品直接成型，形成具有一定层间连接的预制体。通常情况下，立体织物层间纤维通过介质二次引入或者编织过程中根据交织规律形成层间连接，存在着平面纤维损伤大、效率低等问题，一定程度影响了预制体的应用。相比于层合板织物，虽然现有成型工艺解决了层合板层间性能差的问题，但多数以牺牲平面性能为代价，同时成型效率相对较低。带微孔纤维束可在纤维束上提供一定大小、间距的孔隙，通过特殊编织工艺，可将纤维束微孔层层叠合，形成通道，进而可快速引入厚度方向纤维，不但可降低纤维损伤，同时有利用成型异形部件，并可显著提升生产效率。

通过分析国内外专利可知，鲜有在纤维束状态下成型间距、大小、形状可控孔道的成型方法报道。其中，专利《具有通过受控纤维铺放生产的孔图案的复合材料层压板》提供了成型孔图案的方法。但该方法是采用设定、控制纤维束间距的方法实现孔图案，属于纤维束间形成孔隙，通常情况下形成的孔隙为多边形。虽然可成型孔隙，但该方法是通过两个方向纤维层相互叠加形成孔隙，造成相邻两个同方向纤维层之间存在“无纤维”区域，因此在成型方法、形状、成型效率等方面受限。且需采用具有一定粘度的树脂层或预浸料成型，应用领域受限。

此外，在预制体行业，常见的成孔方法多为成型后对预制体采用机械切割的形式进行成孔，且此类多为大尺寸孔径，如根据部件需求，成型一定尺寸的孔洞。而以预制体增强的复合材料成孔，也多为复合后机加而成，如螺纹孔、转配孔等。两种成孔方式，均为破坏式成孔，其加工孔的位置纤维基本全部断裂，造成材料平面性能损伤较大。且成型方法均为后加工成型。

发明内容

本发明针对现有复合材料对立体织物发展的需求，及现在立体织物成型的局限，提供了一种带微孔纤维束成型系统和方法，该方法制备的纤维束通过特定的编织工艺，可用于制备厚度方向带有特定通道的立体织物，并可以根据材料需求快速在通道内引入Z向纤维。

本发明所采用的技术方案是：

一种带微孔纤维束成型系统，包括储纱架、涂覆装置、成孔装置、收卷装置，所述储纱架、涂覆装置、成孔装置、收卷装置在纤维束成型的路径上依次设置，所述储纱架上包括储纱盘，

所述涂覆装置能够在纤维束表面涂覆树脂或膜状材料，所述成孔装置包括多自由度机头、成孔底板，所述多自由度机头包括多个成孔针、针板座和脱针板，所述针板座位于脱针板上方且二者之间能够相对运动，所述脱针板和成孔底板上开设有多个与所述多个成孔针对应的针孔，所述成孔底板位于脱针板的下方，所述多个成孔针的上端与针板座连接、下端与所述脱针板和成孔底板上的针孔位置对应。

进一步地，还包括第一牵引装置、第二牵引装置和第三牵引装置。

进一步地，所述第一牵引装置位于所述储纱架与涂覆装置之间，所述第二牵引装置位于涂覆装置与成孔装置之间，所述第三牵引装置位于成孔装置与收卷装置之间。

进一步地，所述第一牵引装置、第二牵引装置和第三牵引装置均包括上下两个对辊。

进一步地，所述树脂为光敏树脂或热塑性树脂。

进一步地，所述成孔针的截面为圆形、椭圆形、方形或三角形。

进一步地，所述成孔装置还包括激光源，所述激光源用于成孔针穿过纤维束时，提供能量引发树脂或膜状材料固化，进而确保针孔形状的保留。

进一步地，所述纤维束为展宽纤维束，包括干态纤维束、半干态纤维(如预浸料)和湿态纤维束。

进一步地，所述针孔的直径大于成孔针的直径。

根据上述的带微孔纤维束成型系统的纤维束成型方法，包括以下步骤：

步骤1：将需要成型微孔的纤维进行展宽处理，得到具有预定宽度的展宽纤维束，并收卷至储纱架上的储纱盘；

步骤2：将储纱架上的展宽纤维束引入至第一牵引装置，在第一牵引装置和第二牵引装置的对辊的牵引和挤压下，涂覆装置将需要涂覆的材料均匀涂覆在展宽纤维束表面，其中，引入第一牵引装置中的展宽纤维束为一层或同方向多层，涂覆装置控制展宽纤维束表面涂覆材料用量，确保展宽纤维束涂覆后厚度无明显变化；

步骤3：被涂覆后的展宽纤维束在第三牵引装置作用下，经过成孔装置，展宽纤维束被送至脱针板和成孔底板之间，成孔针向下运动依次穿过脱针板上的针孔和展宽纤维束并进入成孔底板的针孔，从而在展宽纤维束上成孔，其中，成孔位置分布于展宽纤维束内部和/或分布于展宽纤维束边缘，在成孔针退出展宽纤维束前，激光源提供能量引发树脂或膜状材料固化，进而确保针孔形状的保留，树脂或膜状材料固化后，脱针板下移压实展宽纤维束，此时成孔针上移脱离展宽纤维束，进而形成预定形状的针孔，展宽纤维束在牵引装置作用下向前运动过程中，多自由度机头沿垂直于展宽纤维束方向运动，并穿过展宽纤维束，进入成孔底板，该过程展宽纤维束间歇时运动，与多自由度机头垂直运动频率吻合；

步骤4：在第三牵引装置作用下，已经形成具有预定形状、间距、数量孔隙的展宽纤维束被牵引至收卷装置，进而得到具有一定长度的带微孔展宽纤维束。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的展宽纤维束成孔方法，通过牵引、成孔等步骤，达到了在纤维束层面成型间距、形状可控的微孔目的，为新型立体织物的研制提供了技术支撑；

(2)本发明成孔装置包括多自由度机头、成孔底板，多自由度机头包括多个成孔针、针板座和脱针板，针板座位于脱针板上方且二者之间能够相对运动，脱针板和成孔底板上开设有多个与多个成孔针对应的针孔，成孔底板位于脱针板的下方，多个成孔针的上端与针板座连接、下端与脱针板和成孔底板上的针孔位置对应，通过专门设计的多自由度机头，能够使得系统具有制备多种形状、不同尺寸微孔的功能，以展宽纤维束为基础，形成的微孔效果好、形态保持完整、间距可调可控、纤维连续性好，降低了纤维的损伤，可用于成型带微孔预制体。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明展宽纤维束示意图。

图2是带微孔纤维束成型系统的结构示意图。

图3是涂覆装置结构示意图。

图4是成孔装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图2-4，一种带微孔纤维束成型系统，包括储纱架1、涂覆装置4、成孔装置6、收卷装置8，所述储纱架1、涂覆装置4、成孔装置6、收卷装置8在纤维束成型的路径上依次设置，所述储纱架1上包括储纱盘2，

所述涂覆装置4能够在纤维束表面涂覆树脂或膜状材料，结合图4，所述成孔装置6包括多自由度机头61、成孔底板64，所述多自由度机头61包括多个成孔针62、针板座65和脱针板63，所述针板座65位于脱针板63上方且二者之间能够相对运动，所述脱针板63和成孔底板64上开设有多个与所述多个成孔针62对应的针孔，所述成孔底板64位于脱针板63的下方，所述多个成孔针62的上端与针板座65连接、下端与所述脱针板63和成孔底板64上的针孔位置对应，脱针板63用于成孔后保证若干根成孔针62可同步退出纤维束，并保证纤维束的平整度。

进一步地，还包括第一牵引装置3、第二牵引装置5和第三牵引装置7。

进一步地，所述第一牵引装置3位于所述储纱架1与涂覆装置4之间，所述第二牵引装置5位于涂覆装置4与成孔装置6之间，所述第三牵引装置7位于成孔装置6与收卷装置8之间。

进一步地，所述第一牵引装置3、第二牵引装置5和第三牵引装置7均包括上下两个对辊，可根据工艺需求，调整对辊压力及牵引速度。

进一步地，所述树脂为光敏树脂或热塑性树脂。

进一步地，所述成孔针62的截面为圆形、椭圆形、方形或三角形。

进一步地，所述成孔装置6还包括激光源，所述激光源用于成孔针62穿过纤维束时，提供能量引发树脂或膜状材料固化，进而确保针孔形状的保留。

进一步地，所述纤维束为展宽纤维束，包括干态纤维束、半干态纤维(如预浸料)和湿态纤维束。

进一步地，所述针孔的直径大于成孔针62的直径。

根据上述的带微孔纤维束成型系统的纤维束成型方法，包括以下步骤：

步骤1：将需要成型微孔的纤维进行展宽处理，得到具有预定宽度的展宽纤维束，并收卷至储纱架1上的储纱盘2；

步骤2：将储纱架1上的展宽纤维束引入至第一牵引装置3，在第一牵引装置3和第二牵引装置5的对辊的牵引和挤压下，涂覆装置4将需要涂覆的材料均匀涂覆在展宽纤维束表面，其中，引入第一牵引装置中的展宽纤维束可以为一层或同方向多层，涂覆装置4控制展宽纤维束表面涂覆材料用量，确保展宽纤维束涂覆后厚度无明显变化；根据需要可将树脂等材料雾化处理，以确保在展宽纤维束上均匀分布；

步骤3：被涂覆后的展宽纤维束在第三牵引装置7作用下，经过成孔装置，展宽纤维束被送至脱针板63和成孔底板64之间，成孔针62向下运动依次穿过脱针板63上的针孔和展宽纤维束并进入成孔底板64的针孔，从而在展宽纤维束上成孔，其中，成孔位置可分布于展宽纤维束内部(即形成完整形状的孔)，也可分布于展宽纤维束边缘(即形成半孔或小半孔的非完整形状的孔)，在成孔针62退出展宽纤维束前，激光源提供能量引发树脂或膜状材料固化，进而确保针孔形状的保留，树脂或膜状材料固化后，脱针板63下移压实展宽纤维束，此时成孔针62上移脱离展宽纤维束，进而形成预定形状的针孔，展宽纤维束在牵引装置作用下向前运动过程中，多自由度机头61沿垂直于展宽纤维束方向运动，并穿过展宽纤维束，进入成孔底板64，该过程展宽纤维束间歇时运动，与多自由度机头61垂直运动频率吻合；

步骤4：在第三牵引装置7作用下，已经形成具有预定形状、间距、数量孔隙的展宽纤维束被牵引至收卷装置8，进而得到具有一定长度的带微孔展宽纤维束(如图1所示)。

实施例1

带微孔纤维束宽度为20mm，微孔直径大小为1mm，微孔形状为圆形，微孔间距为2mm×2mm。

具体实施步骤

(1)将20mm宽纤维束储纱盘装入纱架；

(2)将纤维束依次通过多道牵引装置，并连接在收卷装置上；

(3)选取直径为1mm、截面为圆形的成孔针，并固定在多自由度机头上；共9列针；

(4)在涂覆装置中装入光敏树脂，并调节树脂出胶量；

(5)在多自由机头作用下，9根成孔针同时刺入含有光敏树脂的展宽纤维束，并进入底部孔径为1.2mm的成孔底板；

(6)在激光源作用下，对成孔针处的纤维进行光固化；

(7)脱针板63下移，同时成孔针62退出展宽纤维束，形成第一排针孔；

(8)重复步骤(5)-(7)，直至完成所有长度展宽纤维束成孔。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带微孔纤维束成型系统，其特征在于，包括储纱架（1）、涂覆装置（4）、成孔装置（6）、收卷装置（8），所述储纱架（1）、涂覆装置（4）、成孔装置（6）、收卷装置（8）在纤维束成型的路径上依次设置，所述储纱架（1）上包括储纱盘（2），

所述涂覆装置（4）能够在纤维束表面涂覆树脂或膜状材料，所述成孔装置（6）包括多自由度机头（61）、成孔底板（64），所述多自由度机头（61）包括多个成孔针（62）、针板座（65）和脱针板（63），所述针板座（65）位于脱针板（63）上方且二者之间能够相对运动，所述脱针板（63）和成孔底板（64）上开设有多个与所述多个成孔针（62）对应的针孔，所述成孔底板（64）位于脱针板（63）的下方，所述多个成孔针（62）的上端与针板座（65）连接、下端与所述脱针板（63）和成孔底板（64）上的针孔位置对应；

所述成孔装置（6）还包括激光源，所述激光源用于成孔针（62）穿过纤维束时，提供能量引发树脂或膜状材料固化，进而确保针孔形状的保留。

2.根据权利要求1所述的带微孔纤维束成型系统，其特征在于，还包括第一牵引装置（3）、第二牵引装置（5）和第三牵引装置（7）。

3.根据权利要求2所述的带微孔纤维束成型系统，其特征在于，所述第一牵引装置（3）位于所述储纱架（1）与涂覆装置（4）之间，所述第二牵引装置（5）位于涂覆装置（4）与成孔装置（6）之间，所述第三牵引装置（7）位于成孔装置（6）与收卷装置（8）之间。

4.根据权利要求3所述的带微孔纤维束成型系统，其特征在于，所述第一牵引装置（3）、第二牵引装置（5）和第三牵引装置（7）均包括上下两个对辊。

5.根据权利要求1所述的带微孔纤维束成型系统，其特征在于，所述树脂为光敏树脂或热塑性树脂。

6.根据权利要求1所述的带微孔纤维束成型系统，其特征在于，所述成孔针（62）的截面为圆形、椭圆形、方形或三角形。

7.根据权利要求1所述的带微孔纤维束成型系统，其特征在于，所述纤维束为展宽纤维束，包括干态纤维束、半干态纤维和湿态纤维束。

8.根据权利要求7所述的带微孔纤维束成型系统，其特征在于，所述针孔的直径大于成孔针（62）的直径。

9.根据权利要求7或8所述的带微孔纤维束成型系统的纤维束成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将需要成型微孔的纤维进行展宽处理，得到具有预定宽度的展宽纤维束，并收卷至储纱架（1）上的储纱盘（2）；

步骤2：将储纱架（1）上的展宽纤维束引入至第一牵引装置（3），在第一牵引装置（3）和第二牵引装置（5）的对辊的牵引和挤压下，涂覆装置（4）将需要涂覆的材料均匀涂覆在展宽纤维束表面，其中，引入第一牵引装置（3）中的展宽纤维束为一层或同方向多层，涂覆装置（4）控制展宽纤维束表面涂覆材料用量，确保展宽纤维束涂覆后厚度无明显变化；

步骤3：被涂覆后的展宽纤维束在第三牵引装置（7）作用下，经过成孔装置，展宽纤维束被送至脱针板（63）和成孔底板（64）之间，成孔针（62）向下运动依次穿过脱针板（63）上的针孔和展宽纤维束并进入成孔底板（64）的针孔，从而在展宽纤维束上成孔，其中，成孔位置分布于展宽纤维束内部和/或分布于展宽纤维束边缘，在成孔针（62）退出展宽纤维束前，激光源提供能量引发树脂或膜状材料固化，进而确保针孔形状的保留，树脂或膜状材料固化后，脱针板（63）下移压实展宽纤维束，此时成孔针（62）上移脱离展宽纤维束，进而形成预定形状的针孔，展宽纤维束在牵引装置作用下向前运动过程中，多自由度机头（61）沿垂直于展宽纤维束方向运动，并穿过展宽纤维束，进入成孔底板（64），该过程展宽纤维束间歇时运动，与多自由度机头（61）垂直运动频率吻合；

步骤4：在第三牵引装置（7）作用下，已经形成具有预定形状、间距、数量孔隙的展宽纤维束被牵引至收卷装置（8），进而得到具有一定长度的带微孔展宽纤维束。