3D ТКАНЫЕ ЗАГОТОВКИ С КАНАЛАМИ
3D WOVEN BLANKS WITH CHANNELS

Данная патентная заявка относится к трехмерной (3D) заготовке с каналами, проходящими по всей толщине заготовки, которую можно использовать в таких применениях, как формирование заготовок с легкой массой и повышенной толщиной.
Описание уровня техники
Перевивочное (барежевое) переплетение представляет собой вид переплетения, в котором две нити основы перекручивают вокруг нитей утка для обеспечения прочной, но при этом прозрачной/ажурной ткани. Традиционную ткань перевивочного переплетения - однослойную тканую структуру - изготавливают, оборачивая нити основы вокруг каждой второй из нитей утка. Применяют разнообразные механические средства, например, переносящие с помощью механического исполнительного механизма одну из нитей основы в горизонтальном направлении на другую сторону от соседней с ней нити основы; применяют поворотное устройство, которое на длительное время скручивает одно направление, а затем скручивает другое направление, и т.д. Традиционное перевивочное переплетение действует таким образом, чтобы поддерживать две нити закрепленными очень близко друг к другу, чтобы либо изготовить прозрачную ткань (такую как «газ»), либо зафиксировать на месте концы соседних нитей.
Перевивочное переплетение (также называемое газовым переплетением или перекрестным переплетением) представляет собой переплетение, в котором две нити основы перекручивают вокруг нитей утка, чтобы получить прочную, но в то же время прозрачную/ажурную ткань. Стандартную нить основы соединяют попарно с каркасной нитью, или нитью «полуремизки»; эти скрученные нити основы сильно сжимают нить утка, что повышает износостойкость ткани. Перевивочное переплетение дает прозрачную ткань почти без раздвижки или смещения нитей.
Ткань перевивочного переплетения позволяет свободно проходить через нее свету и воздуху, поэтому такие ткани применяют в любых областях, где необходима ткань прозрачного, ажурного переплетения, которая не будет сминаться или раздвигаться (когда нити смещаются по отношению к полученной при тканье однородности, нарушая однородность переплетения). Если для достижения такого же эффекта ткань получают посредством очень рыхлого простого плоского переплетения при движении утка взад и вперед, то ткань будет иметь тенденцию к этому смятию/сдвигу/смещению.
Имитации перевивочного переплетения, известные также как ткани с суррогатным перевивочным переплетением, представляют собой разновидности переплетения обычной конструкции, которые производят эффект, сходный с внешним видом газовых или барежевых тканей, без необходимости монтажа полуремизки для перевивочных переплетений. Эти виды тканей обычно получают в сочетании с полотняным, саржевым, сатиновым или другими простыми однослойными видами переплетения, или даже с жаккардовой конфигурацией, получая ткани с полосками, которые очень напоминают истинные ткани перевивочного переплетения. Это переплетение называют также имитацией газового переплетения.
Данное переплетение представляет собой однослойное переплетение, организующее нити в группы одинаковых или неодинаковых размеров. Нити, участвующие в полотняном переплетении, перемежаются с нитями, свободно протянутыми с лицевой или изнаночной стороны ткани. Концы нитей из каждой индивидуальной группы можно протянуть в один и тот же зазор между соседними зубьями берда; это собирает совместно в пучки концы свободно протянутых нитей и приводит к образованию небольшого зазора или отверстия между группами нитей в ткани, создавая вид, подобный газовому или барежевому переплетению, и, соответственно, называется «имитацией перевивочного переплетения».
Ткани, имитирующие перевивочное переплетение, можно в общем определить как ткани, в которых группы из трех или большего количества нитей основы или утка переплетены таким образом, что нити каждой группы легко могут сходиться в одну группу, в то время как от соседних групп они отделены благодаря тому, что последняя нить одной группы и первая нить следующей группы переплетены в прямо противоположном порядке. Такое пересечение предотвращает объединение двух соседних нитей и вызывает появление отверстия в этой точке. Такие однослойные тканые материалы можно изготовить из волокон или нитей из любых хорошо известных пригодных для тканья материалов, например, стекла или хлопка, и они представляют собой хорошо известные предметы торговли.
Фиг. 1А иллюстрирует пример структуры 1000 однослойной ткани уровня техники, имитирующей перевивочное переплетение, в которой как нити основы, так и нити утка сгруппированы в группы из трех нитей каждая. Как показано на Фиг. 1А, данная ткань содержит две разновидности рисунков имитации перевивочного переплетения, т.е. 3×3 рисунок I имитации перевивочного переплетения и 3×3 рисунок II имитации перевивочного переплетения. 3×3 рисунок I имитации перевивочного переплетения образован группой из трех нитей a1-a3 утка и группой из трех нитей b1-b3 основы, а 3×3 рисунок II имитации перевивочного переплетения образован группой из трех нитей a1-a3 утка и группой из трех нитей b4-b6 основы. Группа из нитей a1-a3 утка включает первую крайнюю нить a1, центральную нить а2 и вторую крайнюю нить a3. Группа из нитей b1-b3 основы включает первую крайнюю нить b1, центральную нить b1 и вторую крайнюю нить b3. Подобным образом, группа из нитей b4-b6 основы включает первую крайнюю нить b4, центральную нить b5 и вторую крайнюю нить b6.
Как показано на Фиг. 1А, в ходе тканья 3×3 рисунка I имитации перевивочного переплетения, как первую крайнюю нить b1 основы, так и вторую крайнюю нить b3 основы пропускают под первой крайней нитью a1 утка, затем над центральной нитью а2 утка, и наконец - под второй крайней нитью a3 утка. Центральная нить b2 основы проходит над всеми тремя нитями a1-a3 утка. В ходе тканья 3×3 рисунка II имитации перевивочного переплетения, как первую крайнюю нить b4 основы, так и вторую крайнюю нить b6 основы пропускают над первой крайней нитью a1 утка, затем под центральной нитью а2 утка, и, наконец, над второй крайней нитью а3 утка. Центральная нить b5 основы проходит под всеми тремя нитями a1-a3 утка.
Фиг. 1В иллюстрирует взаимное переплетение нитей в другом примере однослойной структуры, имитирующей перевивочное переплетение, в которой как нити основы, так и нити утка также сгруппированы в группы по три нити каждая. Как показано на Фиг. 1В, имеются участки, где все нити утка перекрещиваются с двумя нитями основы, как показано кружком. В пределах группировок из трех нитей основы нити утка действительно перекрещиваются с парой нитей основы, но не все нити утка перекрещиваются одновременно.
Фиг. 1С иллюстрирует другой пример однослойной структуры ткани, имитирующей перевивочное переплетение. Эта имитация перевивочного переплетения является другой версией полотняного переплетения, в которой случайные нити основы, с правильными интервалами, но обычно через несколько нитей, отклоняются от чередующегося переплетения вниз-вверх, а вместо этого переплетаются через каждые две или большее количество нитей. С такой же частотой это происходит и в направлении утка; результатом является ткань с увеличенной толщиной и более шероховатой поверхностью.
Фиг. 2 иллюстрирует другой пример однослойной структуры 2000 ткани, имитирующей перевивочное переплетение, в которой как нити основы, так и нити утка сгруппированы в группы по четыре нити в каждой. Как показано на Фиг. 2, эта ткань содержит два вида рисунка имитации перевивочного переплетения, то есть 4×4 рисунок I имитации перевивочного переплетения и 4×4 рисунок II имитации перевивочного переплетения. 4×4 рисунок I имитации перевивочного переплетения сформирован группой из четырех нитей c1-c4 утка и группой из четырех нитей d1-d4 основы, а 4×4 рисунок II имитации перевивочного переплетения прерывается группой из четырех нитей c1-c4 утка и группой из четырех нитей d5-d8 основы. Подобным образом, группа из четырех нитей с5-с6 утка и группа из четырех нитей d1-d4 основы формируют 4×4 рисунок II имитации перевивочного переплетения, а группа из четырех нитей с5-с8 утка и группа из четырех нитей d5-d8 основы формируют 4×4 рисунок I имитации перевивочного переплетения.
Группа из нитей c1-c4 утка включает первую крайнюю нить c1, две центральных нити с2 и с3 и вторую крайнюю нить с4. Подобным образом, группа из нитей с5-с8 утка включает первую крайнюю нить с5, две центральных нити с6 и с7 и вторую крайнюю нить с8. Группа из нитей d1-d4 основы включает первую крайнюю нить d1, две центральных нити d2 и d3 и вторую крайнюю нить d4. Подобным образом, группа из нитей d5-d8 основы включает первую крайнюю нить d5, две центральных нити d6 и d7 и вторую крайнюю нить d8.
Фиг. 3А-3Н иллюстрируют сечения в направлении нитей d1-d8 основы, соответственно, в однослойной структуре 2000 ткани, имитирующей перевивочное переплетение, изображенной на Фиг. 2. Как показано на Фиг. 3A-3D, в ходе тканья 4×4 рисунка I имитации перевивочного переплетения, как первую крайнюю нить d1 основы, так и вторую крайнюю нить d4 основы пропускают под первой крайней нитью c1 утка, затем над всеми центральными нитями с2 и с3 утка и, наконец, под второй крайней нитью с4 утка. Две центральные нити d2 и d3 основы пропускают над всеми четырьмя нитями c1-c4 утка. В ходе тканья 4×4 рисунка II имитации перевивочного переплетения на лицевой стороне 4×4 рисунка I имитации перевивочного переплетения, как первую крайнюю нить d1 основы, так и вторую крайнюю нить d4 основы пропускают над первой крайней нитью с5 утка, затем под центральными нитями с6 и с7 утка и, наконец, над второй крайней нитью с8 утка. Две центральные нити d2 и d3 основы пропускают под всеми четырьмя нитями с5-с8 утка.
Как показано на Фиг. 3Е-3Н, в ходе тканья 4×4 рисунка II имитации перевивочного переплетения, как первую крайнюю нить d5 основы, так и вторую крайнюю нить d8 основы пропускают над первой крайней нитью c1 утка, затем под всеми центральными нитями с2 и с3 утка и, наконец, над второй крайней нитью с4 утка. Две центральные нити d6 и d7 основы пропускают под всеми четырьмя нитями c1-c4 утка. В ходе тканья 4×4 рисунка I имитации перевивочного переплетения на лицевой стороне 4×4 рисунка II имитации перевивочного переплетения, как первую крайнюю нить d5 основы, так и вторую крайнюю нить d8 основы пропускают под первой крайней нитью с5 утка, затем над центральными нитями с6 и с7 утка, и, наконец, под второй крайней нитью с8 утка. Две центральные нити d6 и d7 основы пропускают над всеми четырьмя нитями с5-с8 утка.
Сущность изобретения
Трехмерную (3D) тканую заготовку с большими каналами в направлениях основы и утка можно использовать саму по себе или как часть структуры композита, требующего малой массы при повышенной толщине по отношению к другим 3D или слоистым структурам заготовок. Для 3D тканых заготовок, плотность которых будет увеличена посредством химической инфильтрации из паровой фазы (ХИП), более крупные по размеру каналы внутри заготовки могут также обеспечить многочисленные, большие проходы для прохождения паров химических веществ через заготовку. Кроме того, 3D переплетение, которое создает каналы, может также создать заготовку с высокой толщиной и низким объемом волокон, плотность которой можно увеличить, а можно и не увеличивать. Такое строение могло бы быть полезным, если заготовка выполняет функцию легкого по массе тепло- или электроизолятора между двумя поверхностями. В изобретении предложена 3D тканая заготовка с каналами. В 3D тканой версии нити основы объединены в группы, и нити утка объединяют в группы. Это создает каналы, проходящие по толщине заготовки. Эти каналы созданы путем фиксирования на месте нитей основы и утка посредством уникальной последовательности рисунков 3D переплетения, с использованием концепции, сходной с переплетением в однослойной имитации перевивочного переплетения. Это переплетение отличается от рисунка традиционного однослойного перевивочного переплетения, которое получают путем использования механического устройства, перекручивающего одну из нитей основы вокруг другой нити основы по мере того, как они пересекают нить утка, чтобы зафиксировать положение всех этих нитей. При тканье однослойных заготовок для композитов механические устройства для получения перевивочного переплетения традиционного стиля обычно используют для кромок этих однослойных тканых заготовок, где требуется плотное переплетение, чтобы предотвратить соскальзывание нитей с их положения.
В одном из аспектов данного описания трехмерная (3D) тканая заготовка может включать множество групп нитей основы и множество групп нитей утка, при этом нити основы переплетены с нитями утка с образованием имитации структуры перевивочного переплетения, содержащей множество слоев 3D тканой заготовки. Первая группа нитей основы в конкретном слое может включать первый комплект с по меньшей мере одной центральной нитью основы, которая связывает нити утка в данном конкретном слое с нитями утка в последующем слое, и по меньшей мере двумя первыми крайними нитями основы, по одной с каждой стороны первого комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью основы. Вторая группа нитей основы в данном конкретном слое может включать второй комплект с по меньшей мере одной центральной нитью основы, которая связывает нити утка в данном конкретном слое с нитями утка в предшествующем слое, и по меньшей мере двумя вторыми крайними нитями основы, по одной с каждой стороны второго комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью основы, таким образом, что в многослойной заготовке образованы сквозные каналы по всей ее толщине.
Данная 3D тканая заготовка может включать, в первой группе нитей утка в данном конкретном слое, первый комплект с по меньшей мере одной центральной нитью утка, которая связывает нити основы в данном конкретном слое с нитями основы в последующем слое, и по меньшей мере двумя первыми крайними нитями утка, по одной с каждой стороны первого комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью утка. Также в данном конкретном слое может быть включена вторая группа нитей утка, которая может включать второй комплект с по меньшей мере одной центральной нитью утка, которая связывает нити основы в данном конкретном слое с нитями основы в предшествующем слое, и по меньшей мере двумя вторыми крайними нитями утка, по одной с каждой стороны второго комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью утка. В данном конкретном слое первые и вторые крайние нити основы могут быть пропущены над первым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью утка и под вторым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью утка. В данном конкретном слое первые и вторые крайние нити утка могут быть пропущены над первым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью основы и под вторым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью основы.
Другим аспектом данного описания является трехмерная (3D) тканая заготовка, включающая множество групп нитей основы и множество групп нитей утка, причем нити основы переплетены с нитями утка с образованием имитации структуры перевивочного переплетения, содержащей множество слоев 3D тканой заготовки. Первая группа нитей утка в конкретном слое может включать первый комплект с по меньшей мере одной центральной нитью утка, которая связывает нити основы в данном конкретном слое с нитями основы в последующем слое, и по меньшей мере двумя первыми крайними нитями утка, по одной с каждой стороны первого комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью утка. Вторая группа нитей утка в данном конкретном слое может включать второй комплект с по меньшей мере одной центральной нитью утка, которая связывает нити основы в данном конкретном слое с нитями основы в предшествующем слое, а также по меньшей мере двумя вторыми крайними нитями утка, по одной с каждой стороны второго комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью утка, таким образом, что в многослойной заготовке сформированы сквозные каналы, проходящие по всей ее толщине.
В этом втором аспекте 3D тканой заготовки первая группа нитей основы в данном конкретном слое может включать первый комплект с по меньшей мере одной центральной нитью основы, которая связывает нити утка в данном конкретном слое с нитями утка в последующем слое, а также по меньшей мере двумя первыми крайними нитями основы, по одной с каждой стороны первого комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью основы. Вторая группа нитей основы в данном конкретном слое может включать второй комплект с по меньшей мере одной центральной нитью основы, которая связывает нити утка в данном конкретном слое с нитями утка в предшествующем слое, и по меньшей мере двумя вторыми крайними нитями основы, по одной с каждой стороны второго комплекта с по меньшей мере одной центральной нитью основы. В данном конкретном слое первые и вторые крайние нити утка могут быть пропущены над первым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью основы и под вторым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью основы. В данном конкретном слое первые и вторые крайние нити основы могут быть пропущены над первым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью утка и под вторым комплектом с по меньшей мере одной центральной нитью утка.
Следует отметить, что в данном описании, а особенно в формуле изобретения и/или параграфах, такие термины как «содержит», «содержащийся», «содержащий» и т.п. могут иметь значение, приписанное им в Патентном законе США; например, они могут означать «включает», «включенный», «включающий» и т.п.
В последующем описании термины «нитки», «волокна», «жгуты» и «нити» используют взаимозаменяемо. «Нитки», «волокна», «жгуты» и «нити», как эти термины используют в тексте данного описания, могут относиться к одноволоконным нитям, многоволоконной пряже, крученой пряже, мультиволоконным жгутам, текстурированным нитям, жгутам с оплеткой, нитям с покрытием, двухкомпонентным нитям, а также нитям, изготовленным из обработанных методом разрыва при натяжении (stretch broken) волокон, из любых материалов, известных специалистам.
Вышеприведенные и другие объекты, отличительные особенности и преимущества различных примеров воплощения, приведенные в данном описании, станут более понятными из последующего подробного описания примеров воплощения, рассматриваемого в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1А иллюстрирует пример структуры однослойной ткани существующего уровня техники, имитирующей перевивочное переплетение, в которой как нити основы, так и нити утка сгруппированы по три.
Фиг. 1В иллюстрирует другой пример структуры однослойной ткани существующего уровня техники, имитирующей перевивочное переплетение, в которой как нити основы, так и нити утка сгруппированы по три.
Фиг. 1С иллюстрирует другой пример структуры однослойной ткани существующего уровня техники, имитирующей перевивочное переплетение.
Фиг. 2 иллюстрирует другой пример структуры однослойной ткани существующего уровня техники, имитирующей перевивочное переплетение, в которой как нити основы, так и нити утка сгруппированы по четыре.
Фиг 3А-3Н иллюстрируют сечения в направлении вдоль нитей основы в структуре однослойной ткани, имитирующей перевивочное переплетение, изображенной на Фиг. 2.
Фиг. 4А иллюстрирует вид сверху примера 3D тканой заготовки с каналами по данному изобретению.
Фиг. 4В иллюстрирует наклонный вид 3D тканой заготовки с каналами.
Фиг. 5А-5Н иллюстрируют сечения вдоль нитей основы в 3D тканой заготовке по данному изобретению.
Фиг. 6 иллюстрирует схемы, применяемые для формирования верхней части 3D тканой заготовки с каналами по данному изобретению.
Фиг. 7 иллюстрирует другие примеры 3D тканых заготовок по данному изобретению.
Подробное описание изобретения
Фиг. 4А иллюстрирует вид сверху примера 3D тканой заготовки с каналами по данному изобретению. Фиг. 4В иллюстрирует наклонный вид 3D тканой заготовки с каналами. Как показано на Фиг. 4А-4В, 3D тканая заготовка с каналами по данному изобретению включает многослойную структуру ткани, имитирующую перевивочное переплетение, в которой как нити основы, так и нити утка сгруппированы по четыре.
3D тканая заготовка может включать два вида рисунков 3D имитации перевивочного переплетения, то есть рисунок I 3D имитации перевивочного переплетения И рисунок II 3D имитации перевивочного переплетения. Фиг. 5A-5D изображают пример рисунка I 3D имитации перевивочного переплетения, а Фиг. 5Е-5Н изображают пример рисунка II 3D имитации перевивочного переплетения. Как рисунок I, так и рисунок II 3D имитации перевивочного переплетения образованы группой из четырех нитей основы и группой из четырех нитей утка во множестве слоев. Каждая группа из четырех нитей основы включает первую крайнюю нить основы, две центральных нити основы и вторую крайнюю нить основы, при этом крайние нити находятся на противоположных сторонах от центральных нитей. Подобным образом, каждая группа из четырех нитей утка включает первую крайнюю нить утка, две центральных нити утка и вторую крайнюю нить утка, при этом крайние нити находятся на противоположных сторонах от центральных нитей.
Проиллюстрирован и описан рисунок имитации перевивочного переплетения 4×4 (4 нити основы в каждой группе и 4 нити утка в каждой группе). Однако следует понимать, что в группах нитей основы и нитей утка не обязательно должно быть равное количество нитей. Более того, не обязательно иметь 4 нити в группе при условии, что в каждой группе нитей основы и утка имеется по меньшей мере одна центральная нить и по меньшей мере одна крайняя нить с каждой стороны от центральной нити.
В рисунках I 4×4 3D имитации перевивочного переплетения, приведенных на Фиг. 5A-5D, в конкретном слое, например, в слое n, имеется две центральные нити основы в группе нитей основы, которые попеременно пропускают над всеми четырьмя нитями в группе нитей утка в том же слое n, а затем под всеми четырьмя нитями в группе нитей утка в следующем слое n+1, который находится под данным конкретным слоем n в направлении по толщине.
В рисунках II 3D имитации перевивочного переплетения, показанных на Фиг. 5Е-5Н, имеется две центральные нити основы в группе нитей основы в конкретном слое, например, слое n, которые попеременно пропускают под всеми четырьмя нитями в группе нитей основы в том же слое n, а затем пропускают над всеми четырьмя нитями в группе нитей основы в верхнем слое n-1, который находится над данным конкретным слоем n в направлении по толщине ткани.
Более подробно, Фиг. 5А-5Н иллюстрируют сечения по двум группам нитей основы в 3D тканой заготовке, структура которой имеет, например, 12 слоев. Как показано на Фиг. 5А-5Н, в первом слое 3D заготовки эти две группы нитей основы включают нити 11-14 основы первой группы основы и нити 15-18 основы второй группы основы. Также проиллюстрированы нити 21-24 и 25-28 основы из первой и второй групп основы второго слоя. Этот рисунок продолжается до нитей 111-114; 115-118 основы из первой и второй групп (нитей) основы одиннадцатого слоя и нитей 121-124 и 125-128 из первой и второй групп (нитей) основы двенадцатого слоя.
Фиг. 5А-5Н изображают также две группы из 4 нитей утка каждая, которые включают нити 54, 69, 78 и 93 утка в первой группе нитей утка и нити 49, 63, 73 и 87 утка во второй группе нитей утка на первом слое 3D тканой заготовки, а также две группы из 4 нитей утка, которые включают нити 56, 67, 80 и 91 утка в первой группе нитей утка и нити 52, 71, 76 и 95 утка во второй группе нитей утка, на втором слое. Объединение нитей утка в группы продолжается сходным образом до двух групп из нитей 58, 65, 82 и 89 утка в первой группе нитей и нитей 59, 64, 83 и 88 утка во второй группе нитей утка в десятом слое; нитей 60, 62, 84 и 86 утка в первой группе нитей утка и нитей 51, 61,75 и 85 утка во второй группе нитей утка в одиннадцатом слое.
При последующем обсуждении термин «последующий слой» применяют лишь для удобства обсуждения. Однако «последующий слой», при использовании этого выражения в данном описании, означает «другой слой», и не обязательно слой, расположенный в 3D заготовке ниже или глубже, чем конкретный слой. Действительно, «последующий слой» может находиться в 3D заготовке выше, или на большей высоте, чем данный конкретный слой. Термин «предыдущий слой» применяют только для описания слоя, находящегося в направлении, противоположном «последующему слою».
Как показано на Фиг. 5А и 5D, в первой группе нитей основы имеются 4 нити: нити 11, 14 основы, по одной с каждой стороны от центральных нитей 12, 13. В ходе тканья рисунка I 3D имитации перевивочного переплетения первую крайнюю нить 11 основы и вторую крайнюю нить 14 основы пропускают под первой крайней нитью 54 утка первой группы нитей утка первого слоя, затем над всеми центральными нитями 69 и 78 утка, и, наконец, под второй крайней нитью 93 утка в группе нитей утка. После этого крайние нити 11, 14 основы пропускают над первой крайней нитью 49 утка первого слоя, затем под всеми центральными нитями 63 и 73 утка, и, наконец, над второй крайней нитью 87 утка. Таким образом, крайние нити 11, 14 основы попеременно проходят «над/под» для создания последующих столбцов из нитей утка.
Как показано на Фиг. 5В и 5С, две центральные нити основы 12 и 13 группы 11-14 нитей основы в первом слое пропускают над всеми четырьмя нитями 54, 69, 78 и 93 утка первого слоя и под четырьмя нитями 52, 71, 76 и 95 утка второго слоя. Таким образом, первый слой и второй слой связывают друг с другом.
Подобным образом, первую крайнюю нить 21 основы и вторую крайнюю нить 24 основы группы 21-24 нитей основы во втором слое пропускают под первой крайней нитью 56 утка первой группы нитей утка второго слоя, затем над центральными нитями 67 и 80 утка и под второй крайней нитью 91 утка. И первую крайнюю нить 21 основы, и вторую крайнюю нить 24 основы пропускают над первой крайней нитью 52 утка второй группы нитей утка второго слоя, затем под центральными нитями 71 и 76 утка, и, наконец, над второй крайней нитью 95 утка.
Две центральные нити 22 и 23 основы группы 21-24 нитей основы во втором слое пропускают над всеми четырьмя нитями 56, 67, 80 и 91 утка второго слоя и под всеми четырьмя нитями 53, 70, 77 и 94 утка в третьем слое. Таким образом, второй слой и третий слой связывают друг с другом.
Как показано на Фиг 5Е и 5Н, во второй группе нитей основы имеется 4 нити: крайние нити 15, 18 основы, по одной с каждой стороны от центральных нитей 16, 17. В ходе тканья рисунка II 3D имитации перевивочного переплетения первую крайнюю нить 15 основы и вторую крайнюю нить 18 основы пропускают над первой крайней нитью 54 утка первой группы нитей утка первого слоя, затем под всеми центральными нитями 69 и 78 утка и, наконец, над второй крайней нитью 93 утка в группе нитей утка. И крайние нити 15, 18 основы затем пропускают под первой крайней нитью 49 утка первого слоя, затем над всеми центральными нитями 63 и 73 утка и, наконец, под второй крайней нитью 87 утка. Таким образом, крайние нити 15, 18 основы попеременно проходят «над/под», для создания последующих столбцов из нитей утка.
Как показано на Фиг. 5F и 5G, две центральные нити 16 и 17 основы из группы 15-18 нитей основы в первом слое пропускают под всеми четырьмя нитями 54, 69, 78 и 93 утка в первом слое и над четырьмя нитями 50, 72, 74 и 76 утка в слое, расположенном выше первого слоя. Таким образом, первый слой и слой, расположенный над ним, связывают друг с другом.
Подобным образом, первую крайнюю нить 25 основы и вторую крайнюю нить 28 основы из группы нитей 25-28 основы во втором слое пропускают над первой крайней нитью 56 утка из первой группы нитей утка второго слоя, затем под центральными нитями 67 и 80 утка и над второй крайней нитью 91 утка. И первую крайнюю нить 25 основы, и вторую крайнюю нить 28 основы пропускают под первой крайней нитью 52 утка из второй группы нитей утка второго слоя, затем над центральными нитями 71 и 76 утка и, наконец, под второй крайней нитью 95 утка.
Две центральные нити 26 и 27 основы из группы нитей 25-28 основы во втором слое пропускают под всеми четырьмя нитями 56, 67, 80 и 91 утка во втором слое и над всеми четырьмя нитями 49, 63, 73 и 87 утка в первом слое. Таким образом, второй слой и первый слой связывают друг с другом.
Следовательно, как показано на Фиг. 5А-5Н, нить 11 основы и нить 21 основы могут контактировать друг с другом, но контакт нити 93 утка и нити 49 утка друг с другом исключен. Фактически, исключен контакт друг с другом всех нитей утка в столбцах, содержащих нити 45 и 54. В результате образуются каналы по толщине слоев ткани.
Подобным образом, из 4 нитей утка в группах конкретного слоя, n, две центральные нити утка переплетают с нитями основы в конкретном слое попеременно, сначала пропуская их под всеми четырьмя нитями в группе нитей основы в том же слое n, а затем пропуская их над всеми четырьмя нитями в группе нитей основы в верхнем слое n-1, который находится над данным конкретным слоем n в направлении по толщине.
Например, как показано на Фиг. 5А-5Н, в первой группе из четырех нитей 54, 69, 78 и 93 утка, крайние нити 54, 93 утка пропускают над первой крайней нитью 11 основы, под всеми центральными нитями 12, 13 основы, а затем над второй крайней нитью 14 основы в первой группе нитей основы первого слоя, а затем крайние нити 54, 93 утка пропускают под первой крайней нитью 15 основы, над всеми центральными нитями 16, 17 основы, а затем под второй крайней нитью 18 основы во второй группе нитей основы первого слоя.
Как показано на Фиг. 5А-5Н, в первой группе из четырех нитей 54, 69, 78 и 93 утка центральные нити 69, 78 утка пропускают под всеми нитями 11-14 основы в первой группе нитей основы, а затем над всеми нитями 15-18 основы во второй группе нитей основы.
Во второй группе нитей 49, 63, 73 и 87 утка крайние нити 49, 87 утка пропускают под крайней нитью 11 основы, над всеми центральными нитями 12, 13 основы, а затем под второй крайней нитью 14 основы, затем крайние нити 49, 87 утка пропускают над первой крайней нитью 15 основы, под центральными нитями 26, 27 основы второй группы из нитей основы во втором слое, а затем под второй крайней нитью 18 основы второй группы из нитей основы первого слоя. Впоследствии крайние нити утка в каждой группе чередуются подобным же образом.
Центральные нити 63, 73 утка второй группы нитей 49, 63, 73 и 87 утка пропускают под первой крайней нитью 15 основы второй группы нитей основы в первом слое, затем под нитями 26, 27 основы второй группы нитей основы во втором слое, а затем под второй крайней нитью 18 основы второй группы нитей основы в первом слое. Таким образом, первый слой и второй слой связывают друг с другом.
Подобным образом, как показано на Фиг. 5А-5Н, в первой группе четырех нитей 56, 67, 80 и 91 утка второго слоя крайние нити 56, 91 утка пропускают над первой крайней нитью 21 основы, под всеми центральными нитями 22, 23 основы, а затем над второй крайней нитью 24 основы в первой группе нитей основы второго слоя, а затем крайние нити 56, 91 утка пропускают под первой крайней нитью 25 основы, над всеми центральными нитями 26, 27 основы и затем под второй крайней нитью 28 основы во второй группе нитей основы второго слоя.
Как показано на Фиг. 5А-5Н, в первой группе четырех нитей 56, 67, 80 и 91 утка центральные нити 67, 80 утка пропускают под всеми нитями 21-24 основы в первой группе нитей основы, а затем над всеми нитями 25-28 основы во второй группе нитей основы.
Во второй группе 52, 71, 76 и 95 нитей утка крайние нити 52, 95 утка пропускают под крайней нитью 21 основы, над всеми центральными нитями 22, 23 основы, а затем под второй крайней нитью 24 основы; затем крайние нити 52, 95 утка пропускают над первой крайней нитью 25 основы, под центральными нитями 36, 37 основы второй группы нитей основы в третьем слое, а затем под второй крайней нитью 28 второй группы нитей основы второго слоя. Впоследствии крайние нити утка в каждой группе чередуются подобным же образом.
Центральные нити 71, 76 утка второй группы нитей 52, 71, 76 и 95 утка пропускают под первой крайней нитью 25 основы второй группы нитей основы во втором слое, а затем под нитями 36, 37 основы второй группы нитей основы в третьем слое, и затем под второй крайней нитью 28 основы второй группы нитей основы во втором слое. Таким образом, второй слой и третий слой связывают друг с другом.
Фиг. 6 иллюстрирует схемы, применяемые для создания верхней части 3D тканой заготовки с каналами. Рисунок переплетения, показанный на Фиг. 6, работает таким образом, что позволяет некоторым столбцам из нитей (основы и утка) отклоняться друг от друга (4 и 5; 8 и 1), в то время как другие могут компактно объединяться (1 и 4; 5 и 8). Схемы 2, 3, 6 и 7 используют для того, чтобы связать один слой со следующим.
Жесткость сделанных из волокна нитей, в сочетании с конкретным ходом переплетения сверху и снизу, приводит к естественному отталкиванию некоторых нитей и притяжению других нитей. Это приводит к такому группированию нитей в каждом из направлений, которое является благоприятным для некоторых применений. В результате применения более жестких нитей получают более значительные расстояния между нитями, что приводит к более крупным по размеру каналам.
Определенный выбор группировки нитей основы в бердо может сделать сформированные проходы или каналы менее или более выраженными. Подобным образом, определенные схемы расположения натяжного устройства также могут сделать сформированные проходы или каналы менее или более выраженными. Наиболее выраженные результаты получают при расположении нитей в зазоре между двумя соседними зубьями берда как в Схемах 1-4; как в Схемах 5-8; и меньшем натяжении между столбцами нитей утка - 1-4 и опять-таки 5-8.
Таким образом, в 3D тканой заготовке по данному изобретению ажурное переплетение получают лишь путем использования схемы смещения нитей вверх и вниз, которое можно получить на ткацком станке и без применения дополнительных механических приводов.
Фиг. 7 иллюстрирует другие примеры 3D тканых заготовок. Для организации столбцов в направлении основы/утка можно использовать различные толщины (слои) и расстояния.
3D имитация рисунка перевивочного переплетения обладает следующими характеристиками и отличительными особенностями:
- дает 3D тканые заготовки с большей толщиной при более низкой массе волокна, при такой же толщине, как у обычной 3D или слоистой структуры. Например, 3D заготовка с традиционным объемом волокна (ОВ) обладает некоторой толщиной и некоторой массой, а обладающая такой же толщиной заготовка с открытыми каналами, описанная в данном изобретении, имеет массу меньше, чем масса 3D заготовки с традиционным объемом волокна;
- создает сквозные каналы по толщине для протока текучей среды, либо в ходе переработки заготовки в композит, либо в качестве «каналов охлаждения», если заготовку или композит используют как часть другой сборки, требующей отвода тепла;
- изменяет расстояние между каналами путем изменения числа сгруппированных друг с другом нитей основы; изменяет размеры каналов в направлении оси Z (по толщине);
- дает меньшее «смятие», сдвиг или смещение нитей;
- имеет по меньшей мере 3 нити основы и утка в группе;
- более жесткие нити основы и/или утка увеличивают силу отталкивания между группами нитей, создавая таким образом более крупные каналы в направлении x или y (z - направление по толщине);
- изменяет натяжение между группировками нитей, с изменением размера каналов в направлении нити основы;
- группировку осуществляют в обоих направлениях плоскости x-y, что приводит к получению «прямоугольных каналов и каналов других многогранных форм»;
- нити основы и/или утка переплетаются от одного слоя к следующему слою, расположенному ниже, или связывают многочисленные слои посредством одной нити.
После того, как сформирована желаемая структура 3D тканой заготовки, эту структуру можно пропитать материалом матрицы с образованием композита. Структура оказывается заключенной в материал матрицы, и материал матрицы заполняет некоторые (или все) внутренние объемы между элементами, составляющими данную структуру. Материал матрицы может быть любым из широкого разнообразия материалов, например, эпоксидной смолой, сложным полиэфиром, виниловым сложным эфиром, керамикой, углеродом и/или другими материалами, которые также проявляют желаемые физические, термические, химические и/или другие свойства. Материалы, выбранные для использования в качестве матрицы, могут быть, а могут и не быть теми же материалами, что и материалы, составляющие данную структуру; и они могут иметь, а могут и не иметь сопоставимые физические, химические, термические или другие свойства. Обычно, однако, они не являются теми же материалами, или не обладают сопоставимыми физическими, химическими, термическими или другими свойствами, поскольку, как правило, целью использования композитов является получение в конечном продукте комбинации характеристик, которые невозможно получить при использовании лишь одного из составляющих его материалов. После такого объединения структуру и материал матрицы можно затем отвердить и стабилизировать в ходе одной и той же операции путем термического отверждения или при обработке другими известными способами, а затем их подвергают другим операциям с целью получения желаемого компонента. После проведения такого отверждения отвержденные массы материала матрицы соединяются с данной структурой. В результате, в частности с помощью материала матрицы, действующего как адгезив между волокнами, нагрузку на конечный компонент можно эффективно перенести на материал, составляющий данную структуру, и ограничить этим материалом. Кроме того, если при добавлении материала матрицы с целью формирования композита применяют химическую инфильтрацию из паровой фазы (ХИП), то некоторые или все каналы, сформированные в субстрате, могут оставаться открытыми и не содержать материал смолы.
Следует понимать, что нити в направлении основы и утка могут быть из одинакового материала или различных материалов и/или иметь одинаковые или разные размеры. Например, нити основы и нити утка могут быть выполнены из углерода, нейлона, вискозы, стекловолокна, хлопка, керамики, арамида, сложного полиэфира, металла, полиэтилена и/или других материалов, которые проявляют желаемые физические, термические, химические или другие свойства.
Следует понимать, что для создания каналов многоугольной формы можно использовать другие 3D имитации перевивочного переплетения, и что количество слоев нитей основы составляет по меньшей мере два или более. Также следует понимать, что в некоторых примерах воплощения все каналы проходят по всей толщине заготовки. В других примерах воплощения большинство каналов проходят по всей толщине заготовки. То есть, при желаемом рисунке, не все каналы обязательно проходят по всей толщине заготовки.
Также следует понимать, что к одной или обеим внешним поверхностям 3D тканой заготовки или к одной или обеим внешним поверхностям композита могут быть присоединены другие структуры в виде отдельной «пленки», такими методами, как например стежковая (термокомпрессионная) сварка, штифтовое соединение, Т-формирование (см. патент США 6103337), механическое соединение болтами, применение соответствующих адгезивов или другие способы, известные специалистам.