[發明專利]纖維復合材料部件的設計和有效制造方法

有效

• 申請號: 201980077325.0
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號: CN113165280B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發明（設計）人: E·艾斯科維茨;J·S·珀金斯;R·里斯;E·戴維森;S·軒尼詩
• 申請（專利權）人: 阿里斯復合材料有限公司
• 主分類號: B29C70/30
• 分類號: B29C70/30;B29C70/54
• 代理公司: 深圳市沈合專利代理事務所(特殊普通合伙) 44373
• 代理人: 沈祖鋒

一種設計纖維復合材料部件的方法，其可以在部件性能和制造效率之間進行權衡，從而為所需使用案例提供“優化”的設計。在一些實施例中，該方法包括生成理想纖維圖，其中，整個預期部件中的纖維的朝向與整個部件中的預期載荷條件一致，然后通過各種制造約束來修改理想纖維圖，以生成工藝補償的預制件圖。

相關申請

本發明要求2018年10月26日申請的，申請號為62/751,040的美國專利申請的優先權，在此通過引用結合于此。

技術領域

本發明涉及纖維復合材料和由其制成的部件，并且，更具體地，涉及設計和有效制造此種部件的方法。

背景技術

在設計由正交各向異性材料，例如纖維增強聚合物(FRP)制成的部件時，需要優化部件中的纖維路徑。也就是說，對于給定的部件幾何形狀，當部件中的纖維在預期的荷載條件下與整個部件各處的主應力方向一致時，FRP部件將表現出最佳的機械性能。這是因為FRP材料在纖維方向上的性能是最理想的。

在制造過程中，利用現有方法優化纖維的布置通常是不可能且不實際的。具體地，通常用于制造此類部件的帶條或織物內的纖維被固定在一個(帶條)或兩個(織物)方向上，所以任何的這種定向“優化”僅限于將帶條/織物的連續層偏移標準偏移量，例如+/-30°或45°的增量等。

但是，即便可以如上所述真正地優化纖維布局，纖維的放置和對齊也會花費大量時間。對于FRP部件的大規模生產，制造效率是一個重要的考慮因素。因此，對纖維進行定向優化即便是可能的，但是，至少利用任何現有技術來實現是不切實際的。

發明內容

本發明提供了一種設計和制造FRP部件的方法，本方法可在部件性能和制造效率之間進行權衡，從而為所需的使用案例提供“優化”設計。

根據本教導的一些實施例包括：(1)生成理想纖維圖，其中，整個預期部件內的纖維朝向與整個部件的預期荷載條件一致；以及(2)根據需要，應用各種制造約束來修改理想纖維圖，以產生“工藝補償的預制件圖”。

理想纖維圖可能指定了包括彎曲路徑等的纖維方向和路徑。但是，當在大多數現有的制造工藝中使用帶條或織物時，不可能在整個模具中再現這種彎曲的纖維路徑。本發明人公開了用于制造纖維復合材料部件的方法，在本方法中使用“預制件”或預制件組合(“預制件裝料”)，而不是帶條或織物。預制件是樹脂浸漬的纖維束，其具有與模具相適配的尺寸和形狀，并增加了之前沒有的功能，沿預期部件的預期應力方向對齊。通過對絲束預浸料給料段進行上膠、(可選)彎曲和切割來制造預制件。

相對于帶條或織物，預制件大大提高了與荷載條件相一致的能力。但是，即使在使用預制件的情況下，生成平滑的彎曲以精確地跟隨部件內的應力等值線也將花費大量時間，另外，如果沒有精密的設備可能也無法實現。利用一個或兩個離散/銳利角度形成的彎曲來代替這種平滑的彎曲(例如，比較圖11A和圖11B)，這增加了可制造性，并減少了制造時間。此外，根據部件的幾何形狀，可能需要許多不同的彎曲半徑以精確地與理想纖維圖相符合。因而，通過減少獨特彎曲半徑的數量來減少工藝差異，也可提高生產率。

因此，應用與預制件的制造和/或制造工藝(在示例性實施例中為壓縮成型)相關的某些約束，其包含了上述問題以及其他制造“現實”，可提高制造效率。因此，在需要的時候，對理想纖維圖進行改變，以生成工藝補償的預制件圖，以用具有指定尺寸、形狀和朝向的預制件來代替理想纖維圖中的理想纖維方向。預制件的朝向和形狀可能會偏離預測的應力等值線，從而偏離最佳的纖維路徑。越偏離理想纖維路徑，部件性能(例如機械強度等)受到的影響越大。