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工艺·浅谈三维编织技术

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浅谈三维编织技术



   

◆ ◆ ◆ ◆


   

01

     

简介

     三维编织技术是对二维编织技术的扩展。与二维编织相比,三维编织增加了纱线和纱线系统的数目,以形成更多的纱线交织。三维编织物的一般定义为:在纬编针织机上采用收放针、握持横列、楔形编织或多层编织等方式,编织出具有三维结构的成型或片状织物,如弯管、球体、箱体、汽车坐垫或间隔织物等,可用作产业用复合材料的骨架。三维编织物通常由行列式编织机或旋转式编织机织造,不同的三维编织工艺和机械都是为了适应各种三维编织物的应用需求而发展起来的。


 

图1. 二维编织物和三维编织物


 

       三维整体编织技术在工艺上突出的特点是具有编织变截面或异形截面织物的能力,运用编织工艺和设备上的技术特点,通过改变编织底盘中携纱器的阵列形状和每个携纱器所载纱线的细度及其运动形式,能够按零件的形状和尺寸大小直接编织出三维预制件,进而保证零件整体结构性能。


02

     

主要工艺方法

1.变截面编织工艺

     变截面三维编织技术主要运用编织工艺及其设备上的技术特点,通过编织过程中改变参与编织纱线的数量或细度,而不影响后续的编织进程,进而实现变截面预制件的整体编织[1]


 
2.异形截面编织工艺
     所谓的异形截面编织主要是区别于常规的矩形截面编织。异形编织工艺主要编织各种由矩形截面组成的复杂形状的预制件,如T形、工字形截面等预制件。

 
3.四步法编织工艺
     四步法编织也称为行列式编织,编织纱线以行和列的方式排列成一个矩阵,每一根编织纱线由一个携纱器单独控制,携纱器沿行和列作交替运动,形成具有一定尺寸和形状的整体预成型体[2],见图2。       
     用四步法编织工艺制备的预成型体内包含四种空间倾斜分布的编织纱线,称为三维四向编织结构。在编织的过程中,可以在长度、宽度、厚度方向上加入纱线,形成三维五向、三维六向和三维七向编织结构。

 

图2. 四步法编织纱线的运动


 
4.二步法编织工艺
     此法采用两组基本纱线。一组是固定不动的纱(实心圆点),另一组是编织纱线(空心圆圈),见图3。固定不动的纱线沿立体编织物的成形方向(轴向)在结构中基本呈一条直线,并按其主体编织物的横截面形状分布,而编织纱线以一定的式样在固定不动的纱线之间运动,靠其张力束紧固定不动的纱线,以稳定三维编织物的横截面形状。二步法形成的结构与四步法形成的结构相比,其差别在于该结构对轴向纱线有较大的依赖性。

 

图3. 二步法编织过程的纱线运动


 


03

     

三维编织的优缺点

优点:
(1)异型件一次编织整体成型,实现了人们“直接对材料进行设计的构想”;
(2)结构不分层、层间强度高、综合力学性能好。

 
缺点:
(1)生产成本高,人力物力消耗大;
(2)编织速度慢;
(3)制件尺寸受到限制。


04

     

三维编织的典型应用

     RTM-三维编织复合材料是一种性能优异的结构材料,是采用编织的方法先将纤维做成预制件,然后采用RTM 工艺将低粘度的树脂注入到已铺好预制件的模具中,最后进行固化。由于RTM工艺对制件不施加外力,而是借助注射压力将液态树脂注 入密封的模腔,因此不会改变织物的原结构,是成型编织复合材料最为理想的工艺之一[3]。RTM/三维编织复合材料解决了传统的层合板复合材料具有一些难以克服的弱点,如厚度方向的刚度和强度低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限水平低等,促进了其在航空、航天领域的应用。
     图4为双轴向纬编织物增强的复合材料头盔。该产品采用一层双轴向纬编织物一次变形铺敷成型,不需要裁剪,与RTM技术结合制成净尺寸的头盔,具有精度高、性能好、工艺简单、成本低等特点。

 

图4. RTM成型的复合材料头盔


 
    
    Freshman公司的尼日利亚裔美国设计师Assemblywoman开发了一款可以实现不同编织结构的三维织机3DWeaver。该设备采用分层编织的方法,第一层编织好后通过导纱部件保持张力,逐层编织。研发者还为不同结构开发了编程软件,可以将任何形状进行分层处理和编织。初步研发的编织结构包括蜂窝状、0°~90°倾斜型、“之”字型等。这些材料在医用、建筑、汽车、航空和体育用品等方面有着广泛的应用前景。见图5。

 

图5. 3DWeaver织制的蜂窝状结构

和“之”字型结构


 
  
  德国德累斯顿科技大学(Nanotechnology)纺织机械和高性能材料技术研究所开发的一种三维结构纤维增强体编织新技术,该技术能够编织T、X和U型三维结构,有助于汽车和机械轻量化。见图6。

 

图6. T型三维结构的编织纤维增强体


 


 
参考文献:
[1] 三维整体编织技术的研究现状 -宋一帆
[2] 三维编织工艺及机械的研究现状与趋势 -李政宁
[3]  RTM-三维编织技术的发展及应用 -赵大鹏
来源:北京市碳纤维工程技术研究中心

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首次发布时间:2024-07-18
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