3-D编织复合织物的益处

由Mark Harries,Bally Ribbon Mills

复合织物的三维(3-D)编织可以生产较强轻质的复合物,单件式结构。与传统的二维(2-D)织物相比,3-D编织减轻了重量,消除了经常用2-D织物经历的分层,降低裂纹风险,降低生产时间。 3-D面料还提供直接和间接的制造和运营成本降低。

什么是3-D编织?
大多数织物在两个维度中编织 - X轴(长度)和Y轴(宽度)。 3-D编织织物包括通过厚度或Z轴编织。这产生复杂的单件式结构。
织机是编织织物的主要工具。几乎和文明本身一样古老,织机是编织2-D面料的理想机器,包括织带,带子,皮带和磁带。但是,它们不能在没有大量工具的情况下编织3-D织物。
1991年,Bally Ribbon Mills(BRM)从美国空军研究实验室获得了一项研究合同,该研究实验室启动了公司开发了3-D编织所需技术的道路。从研究和最终构建第一个全自动三维偏置织机的经验使BRM提供了开发其他3-D编织复合材料的知识和经验,包括:正交板,热保护系统,近净形状和复杂净形造型为航空航天,汽车,建筑,军事和安全行业进行预制件。

3-D编织的好处
3-D织造是一种新兴技术,提供各种优势,与二维复合生产和更传统的建筑材料,如钢铁和铝。关键益处包括减轻重量,消除分层,降低裂缝风险,降低的生产时间和降低成本。
减重
3-D编织复合材料比金属结构更轻。这与航空航天行业特别相关。从飞机节省的每磅重量估计,储蓄飞机的操作员大约100万美元的运营费用,主要是燃料,在该飞机的一生中。飞机设计中的3-D编织复合结构的智能利用可以将飞机的重量减少到30%,导致相当大的运营成本节省。

消除分层
当两层或更多层的2-D编织复合材料分开或彼此分解时,发生分层。分层削弱了部分的强度和可靠性,必须更换,以防止损坏和严重的安全问题。分层是2-D层压复合材料损坏的主要原因。
3-D编织产生近净形状的复合结构,其由其纱线完全互连,而不是2-D复合材料,其包括在一起的各种不同的材料层。这意味着在3-D编织复合材料中没有分层的风险,确保它们保持强度和可靠性。
减少裂缝风险
2-D层叠复合材料容易发生开裂,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形状在关节和交叉点中具有相当大的间隙。这些空间和口袋通常填充有树脂,可以破裂。
如图3-D编织复合材料,即使是复杂的形状,也没有空袋,因为它们的结构完整性沿着所有三个轴延伸。因此,3-D编织复合材料中的裂缝率远低于2-D层压复合材料。

降低生产时间
2-D复合生产是一种漫长而精确的过程。许多层的2-D材料是单独的或更大的格式编织,然后切割成尺寸。然后将这些层预浸渍有某些树脂,使它们称为“预浸料”材料。然后将这些材料堆叠并成形为在称为Plying的过程中的必需形式中。 Plying经常用手做,昂贵,非常耗时。然后通过输注额外的树脂将这些层层叠在一起 - 一些过程和结构甚至要求在层压之前将材料层缝合在一起。最后,该结构设定为一段时间,在此期间树脂固化。
在结构适当地固化之后,需要进一步加工以形成成品。所需的二次加工过程可包括切割,刮擦,打磨,去毛刺和钻孔。
相比之下,复合结构的3-D编织更简单,更快,更具成本效率。类似于2-D织机,3-D织机沿X和Y轴编织纬纱和经纱。 3-D织机的差异是,代替沿y轴继续的织物,它自身构建垂直 - 纬纱和经纱不仅在一个平面上编织在一起,但是一个平面与下一个平面一起编织在一起。
除了设计3-D编织之外,这需要高技能设计工程师,3-D编织过程是完全自动化的,并导致净形状或近网状部件。尽管3-D编织过程的复杂性增加,但这显着降低了制造时间。
通过在3-D中编织整个结构,慢且昂贵的Plying Process - 制造2-D层压复合结构的最长和最昂贵的部分 - 完全消除,显着超速生产和降低成本。

成本
利用3-D编织复合结构代替传统的金属或2-D层压复合材料,可以通过制造过程和产品的操作寿命提供成本节约。自动化3-D编织技术和近净形状能力可降低直接劳动和二次加工成本。
间接成本节约来自运营成本节省,例如减少燃料。另外,由于3-D编织复合材料更强,更具弹性,并且不太容易发生于2-D层叠复合材料,因此它们可以更少地更换,降低更换和维护成本。
3-D编织应用的示例
由于飞机发动机制造所涉及的高温和复杂的几何形状,在飞机发动机内使用的聚合物复合材料长期以来一直是挑战。尽管如此,聚合物复合材料是理想的,因为如上所述,航空工业不断寻求降低飞机重量并提高燃料效率。用大型发动机部件中的碳纤维复合材料取代传统的钛组件,以减少重量,因为这些复合部件比金属中的可比成分明显轻。此外,复合发动机部件减少了飞机发动机的噪声水平。
3D编织在推进航空热屏蔽技术方面是特别成功的。热保护系统(TPS)是太空勘探车中的任务关键组件。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TP以适应特定的任务需求。例如,石英压缩焊盘已经通过BRM为ORION胶囊编织,以确保在重新进入期间发射和耐热性期间的结构强度。此外,NASA用于极端进入环境技术(HEEET)计划的热屏幕正在开发用于极端条目的碳TPS,旨在能够幸存在土星或金星的挑战环境中。这两种技术都是通过广泛的额外研究制定的,但都依赖于3-D编织的基本原理和优势。
除了厚的面板和发动机部件外,3D编织组件还在将两个结构连接在一起。由于3-D编织的性质,强度和支撑在所有3尺寸中被翻译,因此连接加入以沿着连接在一起的子结构的负载路径来加强强度。用于连接的这些3-D编织形状可以根据结构本身的架构以及所连接的子组件来定制以适应结构本身的架构。
更换传统的金属或2-D复合材料提供了好处
利用三维编织复合结构代替传统的金属或2-D层压复合材料,可以通过制造过程和产品的操作寿命提供成本节约。