复合织物的三维(3-D)编织可以生产复杂的单件结构,其结构坚固且重量轻。 

与传统的二维(2-D)织物相比,3D织造减轻了重量,消除了二维织物经常发生的分层,降低了裂缝风险,并缩短了生产时间。3-D织物还可提供直接和间接的制造和运营成本降低。

什么是3D编织?

大多数织物是以两个维度编织的 - X轴(长度)和Y轴(宽度)。三维机织织物包括穿过厚度或Z轴编织。这产生了复杂的单件结构。

织机是织造织物的主要工具。织机几乎与文明本身一样古老,是织造二维织物的理想机器,包括织带,带子,皮带和胶带。但是,如果没有大量的工具,它们就无法编织3D织物。

1991年,Bally Ribbon Mills(BRM)获得了美国空军研究实验室的一份研究合同,该合同使该公司开始开发三维编织所需的技术。通过研究和最终建造第一台全自动三维偏压织机获得的经验,为BRM开发其他三维机织复合材料提供了知识和经验,包括:正交板,热保护系统,近净形和复杂用于航空航天,汽车,建筑,军事和安全行业的净形预制件。

三维编织的好处

三维编织是一种新兴技术,与二维复合材料生产和更传统的建筑材料(如钢和铝)相比,具有多种优势。主要优点包括减轻重量,消除分层,降低裂缝风险,缩短生产时间和降低成本。

减重

三维编织复合材料比金属结构轻得多。这与航空航天业尤其相关。从飞机上节省的每磅重量估计可以使该飞机的运营商在该飞机的使用寿命期间节省大约100万美元的运营费用,主要是燃料费用。在飞机设计中智能地利用三维编织复合结构可以将飞机重量减少多达30%,从而节省大量的运营成本。

消除分层

当两层或更多层的2-D编织复合材料彼此分开或分层时发生分层。分层破坏了零件的强度和可靠性,必须更换零件以防止损坏和严重的安全问题。分层是二维层压复合材料损坏的主要原因。

3-D编织产生近净形复合结构,其通过其纱线完全互连,而不是2-D复合材料,其包括人工粘合在一起的许多不同材料层。这意味着三维机织复合材料不存在分层风险,确保它们保持强度和可靠性。

降低裂缝风险

2-D层压复合材料易于开裂,特别是在具有弯曲的结构中,例如T形结构。由于层中的曲率限制,许多2-D形状在接头和交叉点处具有相当大的间隙。这些空间和口袋通常填充树脂,树脂可能会破裂。

即使是复杂形状的三维编织复合材料也没有空口袋,因为它们的结构完整性沿着所有三个轴延伸。因此,三维机织复合材料的裂缝率远低于二维层压复合材料。

降低生产时间

二维复合材料生产是一个漫长而精确的过程。许多2-D材料层是单独或以较大的形式编织的,然后切割成一定尺寸。然后用某些树脂预浸渍这些层,使它们成为所谓的“预浸料”材料。然后将这些材料堆叠并在称为合股的过程中成形为必要的形式。合股通常是手工完成的,而且价格昂贵且非常耗时。然后通过注入另外的树脂将这些层层压在一起形状 - 一些工艺和结构甚至需要在层压之前将材料层缝合在一起。最后,将结构设定一段时间,在此期间树脂固化。

在结构适当固化后,需要进一步加工以形成成品。所需的二次加工工艺可包括切削,刮削,砂磨,去毛刺和钻孔。

相比之下,复合结构的3-D编织更简单,更快速且更具成本效益。与2-D织机类似,3-D织机沿X和Y轴编织纬纱和经纱。3-D织机的不同之处在于,织物不是沿着Y轴延续,而是垂直构建 - 纬纱和经纱不仅在一个平面上编织在一起,而且一个平面与下一个平面编织在一起。

除了设计需要高技能设计工程师的3-D编织外,3-D编织工艺是完全自动化的,可形成净形状或近净形状部件。尽管3-D编织工艺的复杂性增加,但这大大缩短了制造时间。

通过在3-D中编织整个结构,可以完全消除缓慢且昂贵的合股工艺 - 制造2-D层压复合结构的最长和最昂贵的部分 - 显着加速生产并降低成本。

成本

利用三维编织复合结构代替传统金属或二维层压复合材料,可以通过制造工艺和产品的使用寿命节省成本。自动化3-D编织技术和近净形状能力可降低直接人工和二次加工成本。

节省运营成本可节省间接成本,例如减少燃料。此外,由于3-D编织复合材料比2-D层压复合材料更坚固,更有弹性,更不容易破损,因此可以更换频繁,降低更换和维护成本。

三维编织应用的例子

由于飞机发动机制造中涉及的高温和复杂的几何形状,在飞机发动机中使用聚合物复合材料长期以来一直是一个挑战。然而,聚合物复合材料是理想的,因为如上所述,航空工业一直在寻求降低飞机重量和提高燃料效率。在大型发动机部件中用碳纤维复合材料代替传统的钛部件有助于减轻重量,因为这些复合部件比金属中的同类部件轻得多。此外,复合发动机部件降低了飞机发动机的噪音水平。

3D编织在推进航空隔热技术方面特别成功。热保护系统(TPS)是太空探索车辆中的关键任务组件。改变纱线类型,密度,厚度和宽度以及树脂类型的能力允许创建完全可定制的TPS以满足特定的任务需求。例如,石英压缩垫由BRM编织用于Orion胶囊,以确保在发射期间的结构强度和重新进入期间的耐热性。此外,美国国家航空航天局的极端进入环境技术(HEEET)计划正在为极端条目开发碳TPS,旨在能够在土星或金星的挑战环境中生存。这两项技术都是通过广泛的额外研究来开发的,

除了厚板和发动机部件外,三维编织部件在将两个结构连接在一起时也能很好地发挥作用。由于3-D编织的性质,强度和支撑在所有3个维度上都被转换,因此使得连接能够增强沿着连接在一起的子结构的载荷路径的强度。这些用于连接的3-D编织形状可以定制,以适应结构本身的结构,以及连接的子组件。

取代传统的金属或二维复合材料可以带来好处

利用三维编织复合结构代替传统金属或二维层压复合材料,可以通过制造工艺和产品的使用寿命节省成本。