技术领域

本发明涉及一种复合材料三维织造成形方法， 属于纺织与制造的交叉 领域。

背景技术

三维织造技术被称之为目前国际上最先进的复 合材料制作技术之一。 三维织造是通过长短纤维相互交织而获得的三 维无缝合的完整结构,其工 艺特点是能制造出规则形状及异形实心体并可 以使结构件具有多功能性， 即织造多层整体构件。

80年代初， Quadrax Advanced Materials公司的 R.Florentine博士提出 四步法加工工艺， 1988年， 杜邦的 Popper和 McConnell开发了两步法加 工工艺， 对三维编织的工艺理论体系进行了完善。 三维编织纤维在三维空 间中相互交织交叉在一起， 不但在平面内相互交织而且在厚度方向亦相互 交织， 从而形成了一个不分层的整体结构， 提高了编织件整体性能。 此项 技术的发展促进了多向增强复合材料在航空工 业中的应用， 受到各国研究 所及公司的极大关注。 然而， 三维编织技术更多地只用于加工截面尺寸变 化较小的预型件， 对于复杂形状的预型件需通过在编织过程中改 变纤维排 布或数量， 使得加工工序复杂化， 不易于自动化控制。

中国专利号 ZL200820078572.1的专利 ,公开了一种三维全五向编织预 型件及其编织设备。 在三维五向编织结构的编织束的交叉路径形成 的空隙 内， 沿编织轴线方向添加有轴向束， 改善了所编织材料的轴向性能。 但是 该方法提到了具体编织的方向路径， 依然采用三维立体方向来编织， 并沿 着行方向轨道和列方向轨道进行编织， 所编织预型件的形状尺寸受到一定 限制， 同时， 所编织的材料缺乏很强的承载性和整体性能。

特别近年来， 随着我国航空航天、 国防军工等工业的快速发展， 对复 合材料三维编织技术要求越来越高， 传统预型件的三维编织技术在加工复 杂大结构件上均存在困难， 因此各国的研究趋势是不断改进和开拓编织工 艺， 在保证预型件整体性能的基础上提高编织的适 应性， 促进三维编织技 术在复杂截面尺寸变化较大、 大尺寸结构件上的应用。

发明内容

针对现有技术存在着织造零件形状筒单、 尺寸小、 致密度低、 浸渍后 空隙多的不足及缺陷， 本发明的目的是提供一种复合材料三维织造成 形方 法， 旨在扩大传统三维织造材料的范围， 制造大型复杂的结构零件， 并提 高普通三维织造零件的抗冲击力及承载力， 满足复合材料制备主承力构件 的结构性能要求。

一种复合材料三维织造成形方法， 该方法包括如下步骤：

a)根据零件结构性能及外形尺寸特点， 在 CAD模型中分层， 并进行 单层的网格填充路径优化；

b)根据零件特点要求， 按照预设规则、 间隔将织造导向柱布置在可控 数字化编排模板上；

c)导向套沿 Z向穿过空心导向柱外翻后固定在可控数字化� �板上； d)结合零件的性能要求， 选取相应材料的丝材作为编制加工的原材 料， 该丝线缠绕织造导向柱进行该层图案的织造， 并将导向套锁紧； e)当一个层厚织造完成后， 可控数字化编排模板下降一个层厚， 带动 导向套向外露出预设距离， 形成新的一层编排模板， 为下一层的织造做 准备工作；

f)按照步骤 e层层织造， 直到完成整个零件的织造；

g)从模板上拆卸零件并沿导向套进行整体零件� ��缝制；

h)浸渍到树脂中， 形成复合材料零部件的制造。

所述可控数字化编排模板能够根据零件的结构 形状特点， 按照预设规 贝 形状排列成不同形式的导向柱， 形成各种不同的编排模板。

所述导向套为中空结构， 外部光滑， 内部形状根据所织造零件的结构 特点来确定， 所述内部形状为螺纹形状或锯齿形状； 导向套为多根单独的 丝线组成。

所述选取的丝材为复合材料， 具体为碳纤维、 金属丝、 芳纶纤维或聚 乙烯纤维。

本发明与现有技术相比， 具有以下优点：

1) 将快速原形技术与织造技术有机结合起来， 实现了复杂功能零部件 的三维织造。

2) 复合材料制备和零部件成形一体化， 实现大型、 复杂结构功能部件 的制造。

3) 本织造方法具有多孔道的浸渍通道， 能够进一步加强复杂结构零件 的致密度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细 说明；

图 1 为三维织造功能部件方法流程图；

图 2 为可控数字化编排模板上织造导向柱的工作过 程示意图； 图 3 分层截面为正六边形的 X方向绕线方式；

图 4分层截面为正六边形的 Y方向绕线方式。 附图标记：

1一导向套外层 2—导向套内层 3—导向柱

4一固定装置 5—张紧装置 6—线轴

具体实施方式

为了清楚地表达出本发明一种复合材料三维织 造成形方法步骤特点， 以下列举一个截面为正六边形的筒单六棱柱的 织造方法。

根据零件特点，将织造导向柱 3按 3mm的间距密集排列在模板上， 以 组成 60x60mm的可控数字化编排模板； 根据零件性能要求， 织造出若干 外部光滑， 内部有螺纹状的中空导向套； 导向套沿 Z向穿过空心导向柱 3 外翻后固定在可控数字化模板上， 其中， 导向套内层 2紧贴中空导向柱 3 内壁， 带有螺纹的导向套外层 1包裹在中空导向柱 3的外壁， 套在导向柱 3外壁底端的导向套利用固定装置 4固定， 导向柱 3内侧的导向套通过张 紧装置 5来锁紧，并随着导向柱 3的慢慢移动，从线轴 6源源不断的上线。

选取碳纤维作为织造丝线， 按照图 3的织造路径， 缠绕织造导向柱 3 , 锁紧导向套， 完成图案的织造； 选取玻璃纤维作为织造丝线， 再按照图 4 的织造路径， 缠绕织造导向柱 3 , 锁紧导向套， 完成图案的织造； 当完成 上述织造后， 可控数字化编排模板下降一个层厚， 带动导向套向外露出一 段距离， 形成新的一层编排模板， 为下一层的织造做准备工作。

丝线不断反复上述运动步骤直至完成整个零件 的织造过程； 最后拆卸 零件沿导向套进行整体缝制并在树脂中浸渍零 件， 形成所需的复合材料功 能零件。

在本实施例中， 虽然仅以正六边形相垂直的两方向织造为例介 绍了该 三维织造方法， 其实际零部件织造中， 织造方向可呈一定角度， 不限于图 中所示方向。 同时， 本实施例的织造路径并不限于以上两种， 还有各种在 二维平面上的动作形式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前 提下，还可以做出若干改进、 润饰或变化， 这些改进、 润饰或变化也应视为本发明的保护范围。