用于制造由复合材料制成的部件的方法与流程

本发明涉及一种用于制造复合材料部件的方法，该复合材料部件特别是航空或可再生能源领域的部件，例如是承受各种机械应力的叶片的翼梁。

背景技术：

1、技术背景包括文献wo-a1-2021/123652、ep-a1-3 553 280、cn-a1-111 469 601、us-a1-2020/071863、us-a1-5,100,713和de-a1-10 2018 212442。

2、这种叶片可用于涡轮机(例如风扇叶片、具有可变或固定桨距的导管式或非导管式旋转(转子)叶片)，或用于风力涡轮。

3、参照图1，这种叶片2包括表皮4，表皮形成叶片2的与空气接触的空气动力表面。表皮4形成叶片的压力侧面和吸入侧面，压力侧表面和吸入侧表面由前缘6和后缘8连接。叶片在根部9和头部10之间沿着纵向轴线a延伸。

4、有利地，这些叶片由复合材料(特别是碳纤维或线)制成，以减轻这些叶片的重量。

5、叶片2还包括翼梁12以加强叶片并将叶片附接到发动机。翼梁12在表皮4的压力侧表面和吸入侧表面之间在叶片的大部分跨距上延伸。

6、这种类型的翼梁承受各种机械应力，特别是沿纵向轴线的拉伸力、沿垂直于纵向轴线的轴线的弯曲力和围绕纵向轴线的扭转力。

7、翼梁可以由任何类型的材料制成。然而，复合材料还具有能够根据施加到部件(在这种情况下是叶片)上的力来对线或纤维进行定向的优点。

8、这种类型的部件通常由单向堆叠的预浸渍线或长碳纤维制成，在压实和聚合之前，这些预浸渍的线或长碳纤维被放置在模具中，其连续的折叠方向不同。替代地，这种部件可以由二维织物的堆叠制成，使得对于相同数量的折叠，能够获得更大的厚度。

9、然而，随着部件厚度的增加，折叠层数也会增加。然而，两个层之间的交界部完全由树脂构成，因此是机械薄弱区域。

10、已知当待制造部件的厚度很大时，使用三维(3d)织造方法。通过使各层交织，3d织物能够保证厚部件的机械完整性。

11、这种用于对复合材料部件进行3d织造的方法包括织造被称为“原始”部件的第一部件，然后通过注射树脂并使树脂聚合，例如使用树脂转移模制(rtm)方法，来加固该第一部件。然后将得到的部件加工成所需的最终几何形状。原材料是通过对股线或经线、和股线或纬线进行织造而形成的。股线或经线在纵向方向上(在织造方向上)定向，并在竖直方向上延伸遍及多个叠加层。股线或纬线在横向方向上定向。厚度粘合或“互锁”是通过在纬股之间进行经股的布线来进行的。

12、然而，由于织造方法的原因，在织造平面中只能有线或纤维。这样，最终部件仅包括这两个方向上的纤维，即，彼此垂直定向的纤维。

13、为了使由复合材料制成的结构部件的强度达到最佳，纤维必须尽可能沿着与所施加的力相同的方向定向。这意味着经线方向(在织造方向上)完全适合于拉伸力和/或弯曲力。然而，这两个方向(经线方向和纬线方向)，并不是增强部件抵抗扭转力的最佳方向。

14、这种强度要求纤维环绕整个部件，这在3d织造时在技术上是不可行的。

15、另一种已知的以特定角度铺设纤维的技术是编织。通常，被称为心轴的支撑件被放置在编织机的中心，编织机通过沿着心轴前进，以期望的定向铺设不同的纤维，以形成抵抗扭转的部件。支撑件可以是中空的，由泡沫制成，或者由使得支撑件能够在编织物被加固后被移除的材料制成。

16、尽管可以在编织物中添加与部件的纵向轴线呈0°的纤维，但是这种部件在拉伸和/或弯曲时的机械强度远低于由3d织造物制成的部件。因此，对于承受高的扭转应力的部件，这种技术可能是理想的，但是一旦力是多重的并且拉伸/弯曲不再可以忽略，这种技术就不再适用。

17、此外，这种编织技术不能生产实心部件。因此，部件体积的一部分填充了对部件强度没有贡献的材料，当整体尺寸对部件至关重要时，这是有问题的。

18、本发明的目的是提出一种用于生产针对耦合拉伸力、弯曲力和扭转力进行优化的部件的方案。

技术实现思路

1、为此，本发明涉及一种用于制造复合材料部件的方法，该方法包括：

2、-对具有纵向轴线的结构进行三维织造，和

3、-围绕被织造的结构以相对于纵向轴线呈至少一个预定角度来编织至少一层编织线。

4、本发明使得能够结合用于使复合材料纤维成形的两种方法的优点：三维织造和编织方法。3d织物是承受拉伸弯曲应力的厚部件的理想选择。编织物使得能够提供增强部件抵抗扭转的周向纤维。通过结合这两种方法，可以获得抵抗拉伸、弯曲以及扭转的部件，例如纵向翼梁。

5、有利地，本发明使得能够获得包括由复合材料制成的纤维或线的部件，纤维或线沿着部件的主要方向，在这种情况下沿着部件的纵向轴线，并且也围绕该部件。

6、有利地，编织厚度及其精确定向被定义为部件必须响应的拉伸力/弯曲力和扭转力之间的比率的函数。

7、优选地，织造线或纤维和/或编织线或纤维由碳或玻璃制成。

8、有利地，沿着纵向轴线围绕织造结构的预定编织角度介于15°至75°之间，优选地介于45°至75°之间。

9、有利地，该制造方法包括在编织步骤之前对织造结构进行树脂转移模制以对织造结构进行加固的步骤。

10、有利地，该制造方法包括在编织步骤之后的树脂转移模制步骤，以将部件形成其最终形状。

11、在一个实施例中，编织包括对至少两个层进行编织，使得能够获得部件的目标厚度。在这种情况下，编织层的编织线的预定角度从一个编织层到另一个编织层可以是不同的。

12、此外，在对层进行编织期间，预定角度可以有利地沿纵向轴线变化，从而使得能够获得预定的机械性能。优选地，沿纵向轴线的角度可以在15°至75°之间变化，甚至更优选地在45°至75°之间变化。例如，围绕一部段的预定织造角度可以大于围绕另一部段的预定织造角度，使得纤维尽可能接近部件的周向方向。调整纤维定向的优点是，部件的局部刚度能够根据其必须支撑的负载而被优化，从而使部件具有更高的质量性能。这样，编织物的不同定向意味着机械性能可以被局部优化。

13、在与前述实施例兼容的另一实施例中，该结构由经线和第一纬线形成，并且该结构包括由经线和不同于第一纬线的第二纬线形成的区域。有利地，第二纬线比第一纬线细，并且第二纬线的数量小于第一纬线的数量，从而限制经线的收缩，并形成从机械角度来看实际上是单向的区域，从而增加该区域中部件在经线方向上的刚度。

14、根据本发明的方法可以包括以下特征中的一个或多个，这些特征可以彼此独立地或彼此组合地考虑：

15、-沿纵向轴线的角度介于15°至75°之间，优选地介于45°至75°之间，

16、-沿纵向轴线的角度在15°至75°之间变化，优选地在45°至75°之间变化，

17、-编织在织造结构上并围绕织造结构进行，

18、-编织直接围绕织造结构进行，

19、-角度不为零，

20、-编织线相对于织造结构的纵向轴线倾斜。

21、本发明还涉及通过根据本发明的方法制造的复合材料部件。因此，这种部件包括形成部件芯部的织造纤维结构和形成部件外部轮廓并围绕织造纤维结构延伸的编织纤维表皮。

22、这种类型的部件具有非常好的拉伸、弯曲和扭转强度。

23、优选地，该部件是用于涡轮机叶片的复合材料翼梁。