具有缝合的结构图像的纤维复合材料的制作方法

1.本公开涉及复合材料和通过缝合制造复合材料的方法。


背景技术：

2.本部分中的陈述仅提供了与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
3.用于车辆部件的复合材料提供了针对特定用途/载荷条件定制结构属性的优点。各种复合材料制造过程可生产解决大小约束、载荷吸收和制造浪费问题的零件。例如，复合材料预成型件中的纤维可被定向成根据在操作中预期发生载荷的方向来吸收和分布载荷。然而，使用这些复合材料来定制车辆部件是具有挑战性的，因为存在在多种方向上延伸的单独纤维，所述单独纤维进一步嵌入另一种单独的基质材料中。
4.本公开解决了与用复合材料制造的零件的定制有关的挑战。


技术实现要素：

5.本部分提供了对本公开的总体概述并且不是对其全部范围或其所有特征的全面公开。
6.在一种形式中，一种制造复合材料预成型件的方法包括将多个结构纤维铺设到基板上，以及用线以指定缝合图案将所述多个结构纤维缝合在一起。呈指定缝合图案的线(1)将结构纤维彼此紧固，以使得结构纤维在复合材料预成型件内提供定制的载荷路径，并且(2)在复合材料预成型件的外表面上呈现可见图像。
7.在可单独地或以任何组合实施的上述方法的变型中：所述可见图像是几何图案、彩色图案、文本和图形中的至少一个；所述多个结构纤维铺设成多个层，呈所述指定缝合图案的所述线在所述多个层中的最外层附近呈现所述可见图像；将树脂浸渍在所述复合材料预成型件和所述线内，并且所述树脂随后固化；所述可见图像通过所述固化的树脂可见；将所述复合材料预成型件成形为车辆部件；所述可见图像在所述车辆部件的a级表面上可见；所述缝合图案包括结构载荷路径和图像图案，所述线根据所述结构载荷路径缝合以将所述结构纤维彼此紧固，并且然后根据所述图像图案缝合所述线以呈现所述可见图像；所述缝合图案包括以指定次序布置的多个缝合位置，并且所述线根据所述指定次序穿过所述缝合位置中的每一个；所述缝合位置被布置成将所述结构纤维彼此紧固并且当所述线以所述指定次序穿过所述缝合位置中的每一个时呈现所述可见图像；所述结构纤维包括碳材料；所述线是聚酯和玻璃中的一个；所述线是发光的；所述结构纤维用所述线缝合到基板。
8.在另一种形式中，一种复合材料部件包括：多个结构纤维，所述多个结构纤维布置在基板上；至少一个线，所述至少一个线将所述多个结构纤维紧固到所述基板；以及聚合物基质，所述聚合物基质浸渍所述结构纤维。所述线被布置成呈现通过所述聚合物基质可见的可见图像。
9.在可单独地或组合地实施的复合材料部件的变型中：可见图像是重复的几何图案、彩色图案、文本或图形中的至少一个；所述线根据缝合图案布置，并且呈所述缝合图案
的所述线(1)将所述结构纤维彼此紧固并且(2)在所述复合材料预成型件的外表面上呈现所述可见图像；所述缝合图案包括以指定次序布置的多个缝合位置，并且所述线根据所述指定次序穿过以呈现所述可见图像；所述结构纤维包括碳材料；所述可见图像在由所述复合材料预成型件形成的车辆部件的a级表面上可见。
10.根据本文中提供的描述，另外的适用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅意图用于说明目的，而不意在限制本公开的范围。
附图说明
11.为了可很好地理解本公开，现在将参考附图通过举例的方式描述本公开的各种形式，在附图中：
12.图1是根据本公开的由复合材料预成型件形成的车辆部件的透视图；
13.图2是根据本公开的用线缝合的多个纤维的放大视图；
14.图3是根据本公开的根据指定图案缝合的线的放大视图；
15.图4是根据本公开的具有呈现纹理化图像的线的复合材料预成型件的一部分的图像；
16.图5是根据本公开的具有呈现图形图像的线的另一复合材料预成型件；
17.图6是根据本公开的具有呈现另一图形图像的线的另一复合材料预成型件；
18.图7是根据本公开的具有呈现彩色层的线的另一复合材料预成型件；并且
19.图8是根据本公开的用于成形复合材料预成型件的示例过程的框图。
20.本文中描述的附图仅用于说明目的，而并非意在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
21.以下描述本质上仅仅是示例性的并且不意图限制本公开、应用或用途。应理解，贯穿附图，对应的附图标记指示相同或对应的零件和特征。
22.参考图1，车辆部件20由复合材料预成型件形成。车辆部件20具有对车辆的用户可见的外表面22，即“a级”表面22。呈图1的形式的示例性车辆部件20是用于车辆的发动机的支架，并且车辆部件20可以是可由复合材料预成型件形成的任何合适的部件，诸如发动机罩或车门饰板等。车辆部件20包括在a级表面22上对用户可见的可见图像24，诸如文本或图形。可见图像24向用户呈现信息和/或美学图像，诸如关于车辆的徽标或识别信息。
23.车辆部件20由针对指定的零件/部件结构属性选择和设计的复合材料形成。在一种形式中，复合材料包括通常在聚合物基质内的碳纤维，所述碳纤维吸收并引导施加到车辆部件20的载荷。在另一种形式中，复合材料包括形成暴露可见图像24的平滑表面的透明聚合物。在另一种形式中，选择具有特定载荷吸收和弹性变形属性的复合材料。无论复合材料满足何种结构设计要求，本公开的教示都提供了结构零件/部件和美学上呈现给车辆观察者的可见图像24。因此，本文的新颖教示提供了满足结构载荷要求同时还呈现有意的可见图像24的双功能复合材料零件。
24.图2示出了形成车辆部件20的复合材料预成型件30。形成车辆部件20的复合材料预成型件30在纤维铺放过程中制造。然而，应当理解，也可使用其他纤维过程(诸如纤维缠绕)来形成复合材料预成型件30。根据本公开的一种方法，如下面更详细地描述的，将结构
纤维32的层放置在基板34上，线36将结构纤维缝合到基板34，并且随后将聚合物树脂浸渍到结构纤维32的层中。在将线36缝合到结构纤维以形成复合材料预成型件30之后，可例如使用树脂传递成型(rtm)过程来灌注或注射树脂，其中将复合材料预成型件30放置到具有所述部件的最终形状的模子或模具中。在另一种形式中，纤维可用树脂预浸渍，用纤维铺放(或其他)过程定位，并且然后缝合在一起以形成复合材料预成型件30。然后将该复合材料预成型件30放置到模子或模具中并模压成型。形成复合材料预成型件30的这些和其他变型，包括预浸渍的复合材料层的手糊，无论是单向的还是编织的，都应被解释为落入本公开的范围内。
25.在一个变型中，纤维(或预浸渍纤维)在整个复合材料预成型件30中铺设到指定厚度，从而允许在整个部件20中的局部厚度变化以定制部件20的载荷路径或载荷承载能力。当聚合物树脂固化成基质38时，结构纤维32紧固在固化基质38内。线36将结构纤维32紧固到基板34，直到基质38固化为止。
26.在图2中示出的形式中，纤维32是铺设到基板34上并且然后用线36缝合到基板34的一束碳纤维。在一些制造过程中，所述一束纤维32被称为“丝束”或“丝束纤维”。应当理解，碳纤维仅仅是示例性的，并且可采用其他类型的纤维材料，诸如玻璃、和硼等，同时保持在本公开的范围内。在图中未示出的另一种形式中，结构纤维32是铺设在基板34上的单个纤维(而不是束或丝束)。纤维32在复合材料预成型件30内提供定制的载荷路径，从而吸收和分布在使用期间施加到部件20的载荷。基板34是支撑材料，线36将纤维32固持到所述支撑材料，直到基质38固化为止。在一种形式中，纤维32以如图所示的s形图案布置，沿着基板34向上伸长，并且然后转向以沿着基板34向下延伸，并且以此种蛇形方式连续地铺设。将纤维32布置成一个或多个层，并且将纤维32中的一个层放置在先前放置的纤维32的层上，直到在复合材料预成型件30上达到指定厚度为止。在一种形式中，将纤维32铺设成四层，每一层纤维32用线36紧固到基板34。图2的线36是连续的，并且在本公开的范围内的是，线36包括多个不连续的线，所述多个不连续的线在连接时将纤维32紧固到基板34。
27.如上面所阐述的，线36将结构纤维32紧固到基板34。在图2的形式中，线36以无序布置附接到基板34，使得线36将纤维32紧固到基板34，但不会产生有意的美学图案。因此，形成有图2的纤维32和线36的复合材料预成型件30可用于缺少对车辆的用户可见的a级表面22的部件20。如本文所使用的，线36是柔性材料，诸如聚酯或玻璃，但是在特定应用容许的情况下也可能是其他材料。
28.参考图3，示出了具有用线46以指定缝合图案48缝合到基板44的多个结构纤维42的复合材料预成型件40。呈缝合图案48的线46将结构纤维42彼此紧固，并且在复合材料预成型件的外表面上呈现可见图像24(图1)。可见图像24在形成有复合材料预成型件40的部件20的a级表面22上可见。如上所述，多个结构纤维42铺设成多个层，并且呈指定缝合图案48的线46在多个层中的最外层附近呈现可见图像24。在图3的形式中，线46形成可见图像24，并且在本公开的范围内，结构纤维42可有助于可见图像24，诸如具有彩色纤维42，和/或纤维42的布置和对准以形成图案。
29.缝合图案48包括以指定次序布置以形成可见图像24的多个缝合位置50。基于例如在算法上离散成多个点的可见图像24的模型而确定缝合位置50，所述多个点当由线46以指定次序穿过时形成可见图像24。缝合装置(诸如，由计算机控制的机动化针)将线46紧固到
缝合位置50中的第一个，然后紧固到缝合位置50中的第二个，并且然后以指定次序顺序地紧固到缝合位置50中的每一个。在一种形式中，为每个缝合位置50指派一对二维笛卡尔坐标点，并且缝合装置可在二维笛卡尔平面内移动到指派给缝合位置50的坐标点，所述坐标点存储在控制缝合装置的计算机的存储器中。坐标点以合适的格式(诸如，cad模型)提供给计算机。然后，缝合装置将线46紧固到基板44并移动到连续缝合位置50。在将线46缝合到多个缝合位置50中的最终缝合位置50时，线46形成可见图像24。缝合位置50以缝合图案48布置，以将结构纤维42彼此紧固，并且当线46以指定次序穿过缝合位置50中的每一个时呈现可见图像24。
30.在一种形式中，缝合图案48包括结构载荷路径和图像图案。结构载荷路径包括多个缝合位置50，当线46穿过所述缝合位置时，所述多个缝合位置将结构纤维42紧固到基板，使得结构纤维42沿着指定方向引导载荷，从而改善对施加到车辆部件20的载荷的吸收。图像图案包括多个缝合位置50，当线46穿过所述多个缝合位置时，所述多个缝合位置形成可见图像24，但在另一种形式中可能不会将结构纤维42彼此紧固。缝合装置根据结构载荷路径缝合线46以紧固结构纤维42，并且然后根据图像图案缝合线46以呈现可见图像24。替代地，在另一种形式中，缝合图案48的缝合位置既紧固结构纤维42，又以穿过缝合位置50的单个连续线形成可见图像24。
31.在根据预定缝合图案48缝合线46时，将聚合物树脂施加到或者浸渍结构纤维42和线46，如上所述。在一种形式中，聚合物树脂固化成透明或半透明的基质52，并且使可见图像24透过透明或半透明的基质52可见。因此，当复合材料预成型件40形成为车辆部件20时，可见图像24透过基质52对于a级表面22可见。聚合物树脂是固化成透明或半透明基质52的合适树脂，诸如环氧树脂。
32.可见图像24是几何图案、彩色图案、文本或图形中的至少一个。在图4中示出的形式中，复合材料预成型件60的可见图像24是几何图案62。几何图案62是类似于锻造碳纤维片材模具的纹理化图案，并且几何图案62可能是任何合适的图案。因此，部件20在美学上类似于诸如锻造碳等材料，同时维持复合材料的材料特性。
33.用合适的方法确定用于形成几何图案62的缝合图案48，例如通过将期望的形状或图案在算法上离散化为多个点，所述多个点当连接时形成几何图案62。如上所述，用于形成几何图案62的缝合图案48可将复合材料预成型件60的纤维彼此紧固，并且在单个缝合过程中形成可见图像24。几何图案62通过复合材料预成型件60的外透明表面可见，而不会突出外表面。
34.在图5中示出的形式中，复合材料预成型件70的可见图像24是图形72。图形72是在部件20的a级表面22上可见的绘图或图片。图形72可能是缝合到复合材料预成型件70中的特定绘图，诸如徽标。图形72通过复合材料预成型件80的外透明表面可见，而不会突出外表面。
35.用合适的方法确定用于形成图形72的缝合图案48，例如通过将图形72在算法上离散化为多个点，所述多个点当连接时形成图形72。用于形成图形72的缝合图案48包括：结构载荷路径74，所述结构载荷路径将复合材料预成型件70的纤维彼此紧固；以及图像图案76，所述图像图案缝合到经紧固的纤维上以形成图形72。
36.在图6中示出的形式中，复合材料预成型件80的可见图像24包括文本82。文本82可
包括字母数字字符、标点符号和其他字符。文本82可包括关于安装有车辆部件20的车辆的信息，诸如品牌、型号、装饰水平、序列号或其他识别信息。文本82通过复合材料预成型件80的外透明表面可见，而不会突出外表面。
37.用合适的方法确定用于形成文本82的缝合图案48，例如通过将文本82在算法上离散化为多个点，所述多个点当连接时形成文本82。可见图像24可包括文本82和一个或多个图形84，诸如图6中示出的徽标。用于形成文本82和图形84的缝合图案48包括：结构载荷路径86，所述结构载荷路径将复合材料预成型件80的纤维彼此紧固；以及图像图案88，所述图像图案缝合到经紧固的纤维上以形成文本82和图形84。
38.在图7中示出的形式中，复合材料预成型件90的可见图像24是彩色图案92。结构纤维难以染成特定颜色，并且要向复合材料预成型件90的外表面提供颜色，线被染色成特定颜色。缝合图案48被确定成使得经染色的线作为基本上连续的层可见。可见图像24可包括多个彩色线，每个线被染色以形成彩色图案92的不同颜色。图7示出了两种颜色的线，第一彩色线94和第二彩色线96，在图中表示为两种不同的阴影图案。复合材料预成型件90的表面的特定区域上的彩色线94、96中的每一个的量确定在该区域中的可见图像24中显示的最终颜色。例如，不同量的蓝色线94和紫色线96形成彩色图案92的在全蓝色图案与全紫色图案之间的特定色调。因此，可在利用不同量的彩色线94、96在彩色图案92中形成不同色调的颜色。
39.用合适的方法确定用于形成彩色图案92的缝合图案48，例如通过选择缝合位置50使得彩色线94、96覆盖结构纤维的最外层的指定部分。用于形成彩色图案92的缝合图案48将复合材料预成型件90的纤维彼此紧固，并且在单个缝合过程中形成可见图像24。
40.在另一种形式中，彩色线94、96中的至少一个是发光的。“发光”线以诸如荧光或电致发光等方式发出光。荧光线吸收来自外部光源(诸如，太阳)的光并发出可见光。电致发光线将来自电源(诸如，电池)的电力转换成发出的可见光。当可见图像24由发光线94、96形成时，可见图像24照亮，从而在昏暗或无光的环境中向车辆的用户呈现可见图像24。
41.图8是用于利用复合材料预成型件40制造车辆部件20的示例过程100的框图。过程100在框105中开始，其中将结构纤维42铺设到基板44上。如上所述，结构纤维42以蛇形方式铺设成一个或多个层。
42.接着，在框110中，根据指定缝合图案48用线46将结构纤维42缝合到基板44。缝合图案48包括多个缝合位置50，当通过线46连接时，所述多个缝合位置将结构纤维42彼此紧固并呈现可见图像24。在将结构纤维42缝合到基板44后，形成复合材料预成型件40。
43.接着，在框115中，将复合材料预成型件40成型为车辆部件20的形状。在一种形式中，车辆部件20是发动机支架，并且复合材料预成型件40被成型为发动机支架的形状。复合材料预成型件40被成型为使得可见图像24在车辆部件的a级表面上可见。
44.接着，在框120中，将树脂施加到预成型件40。树脂是渗透通过结构纤维42的聚合物。在另一种形式中，已经用树脂浸渍结构纤维42，并且从过程100中省略框120。
45.接着，在框125中，将树脂固化成透明或半透明基质52。在固化后，使可见图像24透过基质52对部件20的a级表面可见。基质52将结构纤维42、基板44和线46紧固在适当位置，并且部件20的制造完成。在框125之后，过程100结束。
46.除非本文另有明确指示，否则指示机械/热属性、组成百分比、尺寸和/或公差或其
他特性的所有数值在描述本公开的范围时应理解为由词语“约”或“大约”修饰。出于各种原因期望进行这种修饰，所述原因包括：工业实践；材料、制造和组装公差；以及测试能力。
47.如本文所使用，短语a、b和c中的至少一个应被解释为使用非排他性逻辑“或”表示逻辑(a或b或c)，并且不应被解释为表示“a中的至少一个、b中的至少一个以及c中的至少一个”。
48.本技术中所描述的设备和方法可由专用计算机部分地或完全地实施，所述专用计算机通过将通用计算机配置成执行计算机程序中体现的一种或多种特定功能来创建。功能框、流程图组成部分和上文描述的其他要素用作软件规范，所述软件规范可通过技术人员或程序员的常规工作来转译成计算机程序。
49.本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且因此，不脱离本公开的实质的变型意在在本公开的范围内。不应将此类变型视为脱离本公开的精神和范围。
50.根据本发明，一种制造复合材料预成型件的方法，所述方法包括：将多个结构纤维铺设到基板上；以及用线以指定缝合图案将所述多个结构纤维缝合在一起，其中呈所述指定缝合图案的所述线(1)将所述结构纤维彼此紧固，使得所述结构纤维在所述复合材料预成型件内提供定制的载荷路径，并且(2)在所述复合材料预成型件的外表面上呈现可见图像。
51.在本发明的一个方面，所述可见图像是几何图案、彩色图案、文本或图形中的至少一个。
52.在本发明的一个方面，所述方法包括将所述多个结构纤维铺设成多个层，其中呈所述指定缝合图案的所述线在所述多个层中的最外层附近呈现所述可见图像。
53.在本发明的一个方面，所述方法包括将树脂浸渍在所述复合材料预成型件和所述线内，并且随后使所述树脂固化。
54.在本发明的一个方面，所述可见图像透过所述固化的树脂可见。
55.在本发明的一个方面，所述方法包括将所述复合材料预成型件成形为车辆部件。
56.在本发明的一个方面，所述可见图像在所述车辆部件的a级表面上可见。
57.在本发明的一个方面，所述缝合图案包括结构载荷路径和图像图案，所述方法还包括根据所述结构载荷路径缝合所述线以将所述结构纤维彼此紧固，并且然后根据所述图像图案缝合所述线以呈现所述可见图像。
58.在本发明的一个方面，所述缝合图案包括以指定次序布置的多个缝合位置，并且所述方法还包括根据所述指定次序使所述线穿过所述缝合位置中的每一个。
59.在本发明的一个方面，所述缝合位置被布置成将所述结构纤维彼此紧固，并且当所述线以所述指定次序穿过所述缝合位置中的每一个时呈现所述可见图像。
60.在本发明的一个方面，所述结构纤维包括碳材料。
61.在本发明的一个方面，所述线是聚酯和玻璃中的一个。
62.在本发明的一个方面，所述线是发光的。
63.在本发明的一个方面，所述方法包括用所述线将所述结构纤维缝合到基板。
64.根据本发明，提供了一种复合材料部件，其具有：多个结构纤维，所述多个结构纤维布置在基板上；至少一个线，所述至少一个线将所述多个结构纤维紧固到所述基板；以及聚合物基质，所述聚合物基质浸渍所述结构纤维，其中所述线被布置成呈现透过所述聚合
物基质可见的可见图像。
65.根据实施例，所述可见图像是重复的几何图案、彩色图案、文本或图形中的至少一个。
66.根据实施例，所述线根据缝合图案布置，并且呈所述缝合图案的所述线(1)将所述结构纤维彼此紧固，并且(2)在所述复合材料部件的外表面上呈现所述可见图像。
67.根据实施例，所述缝合图案包括以指定次序布置的多个缝合位置，并且所述线根据所述指定次序穿过以呈现所述可见图像。
68.根据实施例，所述结构纤维包括碳材料。
69.根据实施例，所述可见图像在所述复合材料部件的a级表面上可见。

技术特征：
1.一种制造复合材料预成型件的方法，所述方法包括：将多个结构纤维铺设到基板上；以及用线以指定缝合图案将所述多个结构纤维缝合在一起，其中呈所述指定缝合图案的所述线(1)将所述结构纤维彼此紧固，使得所述结构纤维在所述复合材料预成型件内提供定制的载荷路径，并且(2)在所述复合材料预成型件的外表面上呈现可见图像。2.如权利要求1所述的方法，其中所述可见图像是几何图案、彩色图案、文本和图形中的至少一个。3.如权利要求1所述的方法，其还包括将所述多个结构纤维铺设成多个层，其中呈所述指定缝合图案的所述线在所述多个层中的最外层附近呈现所述可见图像。4.如权利要求1所述的方法，其还包括将树脂浸渍在所述复合材料预成型件和所述线内，并且随后使所述树脂固化。5.如权利要求4所述的方法，其中所述可见图像透过所述固化的树脂可见。6.如权利要求1所述的方法，其还包括将所述复合材料预成型件成形为车辆部件。7.如权利要求6所述的方法，其中所述可见图像在所述车辆部件的a级表面上可见。8.如权利要求1所述的方法，其中所述缝合图案包括结构载荷路径和图像图案，所述方法还包括根据所述结构载荷路径缝合所述线以将所述结构纤维彼此紧固，并且然后根据所述图像图案缝合所述线以呈现所述可见图像。9.如权利要求1所述的方法，其中所述缝合图案包括以指定次序布置的多个缝合位置，并且所述方法还包括根据所述指定次序使所述线穿过所述缝合位置中的每一个。10.如权利要求9所述的方法，其中所述缝合位置被布置成将所述结构纤维彼此紧固，并且当所述线以所述指定次序穿过所述缝合位置中的每一个时呈现所述可见图像。11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述结构纤维包括碳材料。12.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述线是聚酯和玻璃中的一个。13.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述线是发光的。14.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其还包括用所述线将所述结构纤维缝合到基板。15.一种复合材料部件，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的方法制造的复合材料预成型件。

技术总结
本公开提供了“具有缝合的结构图像的纤维复合材料”。将多个结构纤维铺设到基板上。用线以指定缝合图案将所述多个结构纤维缝合在一起，以形成复合材料预成型件。呈所述指定缝合图案的所述线将所述结构纤维彼此紧固，使得所述结构纤维在所述复合材料预成型件内提供定制的载荷路径，并且在所述复合材料预成型件的外表面上呈现可见图像。外表面上呈现可见图像。外表面上呈现可见图像。


技术研发人员：斯科特
受保护的技术使用者：福特全球技术公司
技术研发日：2023.01.16
技术公布日：2023/7/26