1.2.3 缝合方法

缝合法基本原理是利用成熟的缝纫工艺将二维平面织物加工成三维预制体，将得到的预制体经树脂浸渍后最终形成制件。缝合生产工艺简单，成本较低，被各国认定是一种有潜力的加工技术。图1-18所示为缝合编织的3种纤维排布形式。此编织法在分层上仅有几排纤维束互相交织，并且由于受到缝合工艺的限定，仅被应用在加工垂直方向的缝合，对于曲面预制体的加工仍有局限性，且对预制体的厚度有一定的限制。

图1-18 缝合编织的纤维排布

图1-19为机缝示意图，缝合使原来纤维的排列受到影响，造成面内纤维损伤，复合材料中出现不连续点，引起局部应力集中。

德国LIBA公司研制的多轴向缝编机可平行铺放6层或6层以上的纱线，这些纱线由缝编纱捆绑在一起，形成具有一定厚度的织物，如图1-20所示。

Wilkens发明了一种多轴向缝合织物及相应设备，由经纱、纬纱、斜向纱线及缝合纱线组成，依次将0°方向经纱、45°方向纱线、-45°方向纱线和90°方向纬纱叠加布置，最后通过缝合纱线将经纱、纬纱和斜向纱线缝合在一起，组成多轴向织物。织物结构如图1-21所示，织造设备示意图如图1-22所示。

图1-19 机缝示意图

图1-20 缝合路径示意图

图1-21 多轴向缝合织物结构图

图1-22 多轴向缝合设备示意图

a）斜向纤维牵引机构 b）缝合设备主体

Wunner基于上述多轴向缝合织物，优化设计了一种多轴向织机（见图1-23），由四组纱线机构组成，分别是斜向纱线系统、纬纱系统、经纱系统和缝合纱线系统（见图1-23a），所有的纤维层均由缝合纱线锁紧，完成多轴织物的织造。

图1-23 多轴向织机示意图

a）缝合纱线系统 b）设备主体

该多轴向纱线缝合成形方法还可以实现复杂结构复合材料预制体的成形，通过多向纤维的设计组合，将不同区域进行依次缝合成形，最后整体缝合实现复杂结构预制体的织造成形，如图1-24所示。

图1-24 复杂结构复合材料预制体的多轴向缝合成形流程

美国国家航空航天局（NASA）和波音公司均已经开发了该多轴向缝合结构复合材料构件，例如飞机机翼的复杂蒙皮结构，如图1-25所示，由2～20层不等的纤维层缝合而成，该结构复合材料具有较高的损伤容限。

图1-25 机翼蒙皮

20世纪80年代末，NASA就提出了为期14年的先进复合材料技术研究计划。自此，美国开始大力发展缝纫设备，1992年波音公司将机械技术和缝合技术结合起来，设计制造出了由多台计算机控制的多针头缝合机。德国KSL公司也已研究出了多种型号的三维缝合设备，并提出了机器人纺织复合材料缝合的思想，已经研制出KL500、KL502等型号的缝合机器人单元。此外，德国ALTIN Naehtechnik也开发了缝合机器人，可以织造高模量纤维三维立体织物，如图1-26所示。

图1-26 德国ALTIN Naehtechnik缝合机器人