典型三維織物產(chǎn)品成型概述

李 磊 容治軍 李 鑒 仇普霞

北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司,北京 102100

先進(jìn)復(fù)合材料多采用三維織物作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu),這是因?yàn)橄噍^于短切纖維增強(qiáng)體和二維織物增強(qiáng)體,三維織物增強(qiáng)體可顯著提升復(fù)合材料的層間力學(xué)性能。1950—1995年,有關(guān)三維平板織物與裝備的研究主要有:Gustav[1]設(shè)計(jì)了一種由滑輪控制綜框的裝置,并利用它制備出具有5層經(jīng)紗的平板織物;Miller等[2]通過改變傳統(tǒng)提花機(jī)的提綜位置,制備出“Π”字形三維織物;Ruzand等[3]通過改造多綜框設(shè)備,制備出“工”字形三維織物;Mood等[4]將提花織機(jī)與鉤針機(jī)構(gòu)相配合,制備出多向三維織物。此外,研究人員還就三維圓柱、圓筒形織物及其裝備展開了研究,如布羅徹設(shè)計(jì)了一種圓筒形織物纏繞設(shè)備[5];Rheaume[6]設(shè)計(jì)了圓筒形和實(shí)芯圓柱織物的三維成型結(jié)構(gòu);Yoshiharu等[7]設(shè)計(jì)了一種實(shí)芯圓柱織物的織造設(shè)備。

隨著紡織復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,三維織物的幾何結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜。于是,針對復(fù)合材料不同的應(yīng)用、性能及功能要求,衍生出了多種三維織物成型技術(shù)以及專用生產(chǎn)裝備[8],[9]80,[10]。本文將選取不同三維成型工藝制備的典型產(chǎn)品,結(jié)合三維織物的特點(diǎn),對成型工藝和成型裝備進(jìn)行介紹。

1 三維機(jī)織物

三維機(jī)織物是將至少2個(gè)系統(tǒng)的紗線相互接結(jié)而形成的具有一定厚度的機(jī)織物,其經(jīng)紗屈曲并與相鄰或間隔的緯紗層進(jìn)行接結(jié),形成層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)(也稱2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu),圖1)[11]。三維機(jī)織物可用于制備板形、圓筒形、封閉式及異形殼體或?qū)嶓w結(jié)構(gòu)預(yù)成型體。板形織物可在多綜眼多劍桿織機(jī)或提花織機(jī)上制備;具有曲面或異形結(jié)構(gòu)的織物則需借助模具制備,即利用成型裝置控制多個(gè)系統(tǒng)的紗線在模具周圍規(guī)律分布,實(shí)現(xiàn)隨形近凈尺寸制備。

圖1 2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)

1.1 渦扇葉片織物

渦扇是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件,其葉片形狀近似平板(圖2)[12]。渦扇葉片織物的特點(diǎn)包括:①織物厚度從葉根至葉身連續(xù)減小,寬度從葉根至葉身連續(xù)變大,故織造時(shí)需連續(xù)變化尺寸(圖3);②具備柔性變形的能力,滿足采用樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝加工時(shí),織物需彎曲變形為掠形型面的要求;③密度應(yīng)分布均勻,確保重心和質(zhì)心一致;④葉根應(yīng)能承受較高的離心載荷,葉身抗沖擊性能要求高,以滿足旋轉(zhuǎn)工況需要[13]。

圖2 渦扇葉片

圖3 葉片等厚線分布

Bruno等[14]在提花織機(jī)(圖4)上沿水平方向制備出了葉片織物。在該提花織機(jī)上,每根經(jīng)紗被單獨(dú)控制,經(jīng)紗與緯紗形成圖5所示的交織結(jié)構(gòu)。所得織物中,經(jīng)紗屈曲角度小,且經(jīng)緯紗交織點(diǎn)少,故由該織物制成的葉身整體具有良好的變形能力。此外,該提花織機(jī)配備的電子打緯系統(tǒng)可確?？椢锝?jīng)密和緯密一致。葉根和葉身的中部區(qū)域使用1 800～7 200 tex的碳纖維粗紗織造,葉身邊緣使用900 tex的碳纖維粗紗織造。織造過程中,提花機(jī)會拆分碳纖維粗紗,并將拆分后的粗紗向葉片邊緣區(qū)域偏移,使織物截面變薄變寬。織造時(shí),控制葉根經(jīng)緯紗體積比在80∶20～50∶50,葉身經(jīng)緯紗體積比在30∶70～50∶50,可改善葉根和葉身的力學(xué)性能。

圖4 提花機(jī)示意

1、2、3—經(jīng)紗,—緯紗,A1～A6—緯紗列。

1.2 天線罩機(jī)織物

天線罩為封頂圓錐殼體(圖6),是高超音速飛行器承載燒蝕和透波的關(guān)鍵部件[15-16]。天線罩機(jī)織物的特點(diǎn)包括:①織物一體化成型;②小端為圓球形,由織造實(shí)現(xiàn),其經(jīng)紗和緯紗需按一定規(guī)律排列;③連續(xù)變尺寸結(jié)構(gòu),罩體直徑從小端到罩身底部連續(xù)增大,天線罩小端厚度大于罩身厚度。

圖6 石英陶瓷天線罩

朱建勛等[17]在成型模具上整體制備出了罩體小端和罩身。其先控制經(jīng)紗在模具頂端按“井”字形交織,形成一個(gè)方形封頂(圖7);再以2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)控制緯紗環(huán)向纏繞,實(shí)現(xiàn)方形封頂逐漸向圓形封頂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變(圖8)。成型制備過程中,經(jīng)紗層通過合股和并層實(shí)現(xiàn)了小端厚度向罩身厚度的轉(zhuǎn)變;罩身制備過程中,不斷加入的經(jīng)紗實(shí)現(xiàn)了罩身直徑的增大,且經(jīng)紗加紗位置的均勻分布有利于保證罩身經(jīng)密均勻一致。程付榮[18]將模具小端朝下,經(jīng)紗均勻沿模具周向排布并與緯紗進(jìn)行交織,制得了天線罩。王躍存等[19]利用基于回轉(zhuǎn)體裝備設(shè)計(jì)的織機(jī),將模具小端豎直朝上,也制得了天線罩(圖9)。

圖7 方形封頂

圖8 圓形封頂

圖9 基于回轉(zhuǎn)體裝備設(shè)計(jì)的織機(jī)織造示意

2 三維編織物

三維編織技術(shù)能從織物長度、寬度和厚度3個(gè)方向上控制紗線的貫穿,并形成一種相互交織的三維編織結(jié)構(gòu)(圖10)[20-21]。三維編織物具有優(yōu)秀的隨形能力,可生產(chǎn)板形、圓筒形、封閉式及異形殼體或?qū)嶓w結(jié)構(gòu)預(yù)成型體。根據(jù)編織的紗線運(yùn)動方式,三維編織技術(shù)可分為角輪式(圖11)和行列式(圖12)2種。角輪式編織設(shè)備具有編織成型快速的優(yōu)勢,行列式編織設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、通用性好等特點(diǎn)。

圖10 三維編織結(jié)構(gòu)

圖11 角輪式

圖12 行列式

2.1 工字梁編織物

工字梁是一種具有規(guī)則型面的板狀型材。工字梁編織物的特點(diǎn)包括:①長度較長;②具有90°的拐角型面。

考慮織物長度、型面結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)效率等因素發(fā)現(xiàn),角輪式編織機(jī)更適宜生產(chǎn)工字梁編織物。其編織紗的長度可基于紗管的纏繞量自行控制;紗線在工字形面內(nèi)的交織通過角輪的排布實(shí)現(xiàn)[22-23],如圖13中綠色區(qū)域所示,角輪每次順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、撥盤每次旋轉(zhuǎn)180°,可控制2組編織紗線按紅色和藍(lán)色2條軌跡運(yùn)動。角輪式編織機(jī)可按行列式排布,如德國Herzog公司研制的面式編織機(jī)[9]81(圖14);也可按圓筒形排布,如3Tex公司設(shè)計(jì)的環(huán)形編織機(jī)[24](圖15)?；趯禽喤挪己托D(zhuǎn)角度的設(shè)計(jì),可編織出各種復(fù)雜形狀的預(yù)成型件。

圖13 角輪運(yùn)動軌跡

圖14 面式編織機(jī)

2.2 噴管編織物

噴管為異形圓筒結(jié)構(gòu)(圖16),是火箭發(fā)動機(jī)的一個(gè)重要部件[25]。噴管編織物的特點(diǎn)包括:①噴管法蘭段、喉部和擴(kuò)張段為尺寸連續(xù)變化的異形結(jié)構(gòu);②噴管需承受較大的載荷,故法蘭段和喉部結(jié)構(gòu)需進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)。

荊云娟等[26]利用環(huán)向排布的行列式編織機(jī)(圖17)生產(chǎn)了噴管編織物,其以“四步法”控制紗線在9臺相鄰編織機(jī)中的運(yùn)動軌跡(圖18)。噴管整體采用三維四向結(jié)構(gòu)進(jìn)行編織,以擴(kuò)張段端為基準(zhǔn)位,向法蘭段方向編織,并在擴(kuò)張段至喉部的尺寸縮小區(qū)域?qū)嵤p紗操作,在喉部至法蘭段的尺寸擴(kuò)大區(qū)域?qū)嵤┘蛹啿僮?實(shí)現(xiàn)變尺寸編織。另外,在法蘭段,通過在織物的軸向和厚度方向上引入紗線(圖19),提高法蘭段軸向抗剪切強(qiáng)度;在喉襯處,通過環(huán)向纏繞紗線參與收縮變形區(qū)域成型(圖20),提高喉部對氣流載荷的承受力。

圖17 行列式編織機(jī)示意

圖18 “四步法”編織紗運(yùn)動軌跡

圖19 法向增強(qiáng)

圖20 環(huán)向增強(qiáng)

3 三維針刺織物

三維針刺技術(shù)是利用刺針將網(wǎng)胎中的纖維刺入織物厚度方向,形成一種層層連接的整體結(jié)構(gòu)的(圖21),其是一種低成本的加工成型方式[27]。片狀原材料按設(shè)計(jì)尺寸裁剪后,按序逐層鋪放,再進(jìn)行針刺即獲得三維針刺織物,其具有良好的近凈尺寸成型能力,可生產(chǎn)板形、圓筒形、封閉式及異形殼體或?qū)嶓w結(jié)構(gòu)預(yù)成型體。三維針刺設(shè)備可制備大尺寸預(yù)成型體,且設(shè)備自動化水平較高。例如:基于傳統(tǒng)平板針刺機(jī)改進(jìn)得到的平板或圓筒形針刺設(shè)備[28],生產(chǎn)快速,但受產(chǎn)品型面限制,能生產(chǎn)的產(chǎn)品種類較單一;基于六軸機(jī)械手開發(fā)的針刺平臺,適應(yīng)性強(qiáng),可滿足復(fù)雜型面的加工[29-30],能搭載氣動和電動2種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的針刺執(zhí)行器[31-32],但機(jī)械手軌跡路徑和針刺執(zhí)行器工作姿態(tài)優(yōu)化較復(fù)雜。

圖21 三維針刺織物結(jié)構(gòu)示意

3.1 剎車片針刺織物

剎車片是飛機(jī)、列車和汽車等交通工具的制動部件(圖22)[33]。剎車片針刺織物的特點(diǎn)包括:①呈環(huán)形平板結(jié)構(gòu);②環(huán)向需承受較大的剪切載荷;③針刺時(shí),針刺點(diǎn)應(yīng)分布均勻。

圖22 碳纖維剎車片

繆云良[34]使用扇形裁剪布(圖23)制備了剎車片針刺織物。其通過在布料上多角度裁剪扇形布片,并按圓形鋪層,然后利用刺針對拼接口進(jìn)行固定,以防整體針刺產(chǎn)生偏移。多向扇形裁剪可提高織物中環(huán)向纖維的分布量,改善織物的均一性。鋪層時(shí),每塊布片以固定角α在環(huán)向形成偏移(圖24)。設(shè)備方面,利用Peter發(fā)明的設(shè)備可控制針板沿環(huán)向往復(fù)運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)均勻的環(huán)形針刺(圖25)[35];還可利用傳送帶控制剎車片通過針板區(qū)域,實(shí)現(xiàn)均勻的平板針刺(圖26)[36]。

圖23 扇形布片的裁剪

圖24 鋪層偏移

圖25 環(huán)形針刺

圖26 平板針刺

3.2 天線罩針刺織物

天線罩為封頂殼體結(jié)構(gòu)。針刺成型是一種低成本的生產(chǎn)方式。天線罩針刺織物的特點(diǎn)包括:①罩體變尺寸區(qū)域需進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì);②基于機(jī)械手針刺平臺制備天線罩針刺織物時(shí),需對機(jī)械手軌跡路徑進(jìn)行規(guī)劃,確保針刺點(diǎn)分布均勻一致[37]。

繆云良[38]在織物模具上通過多個(gè)單元疊層并仿形針刺,制備出了天線罩,其每個(gè)單元由機(jī)織布層、連續(xù)纖維層和網(wǎng)胎層構(gòu)成。陳小明等[39]基于天線罩?jǐn)?shù)字模型,在CATIA軟件上生成針刺點(diǎn)和輔助點(diǎn),計(jì)算出機(jī)器人末端姿態(tài)和歐拉角,并將所有針刺點(diǎn)信息傳送給機(jī)器人,最后機(jī)器人按照針刺點(diǎn)信息進(jìn)行針刺。陳利等[40]還公開了一種搭載電動針刺執(zhí)行器的六軸機(jī)械手平臺(圖27)。

圖27 六軸機(jī)械手針刺平臺

4 三維縫合織物

三維縫合技術(shù)是采用縫合線,在厚度方向上將多層二維材料貫穿縫合,形成整體結(jié)構(gòu)的。三維縫合可分為單邊縫合和雙邊縫合2種方式。單邊縫合使用縫針只在織物的一側(cè)進(jìn)行縫合操作,如單邊鎖式結(jié)構(gòu)(OSS)縫合和簇絨縫合(圖28);雙邊縫合使用縫針在織物的兩側(cè)進(jìn)行縫合操作,如改進(jìn)的鎖式縫合(圖29)。三維縫合織物可設(shè)計(jì)性強(qiáng),適宜生產(chǎn)復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,且受產(chǎn)品尺寸影響較小[41]。薄型三維縫合織物可使用搭載縫合執(zhí)行器的機(jī)械臂進(jìn)行生產(chǎn),自動化水平高;高密度厚型平面結(jié)構(gòu)三維縫合織物可利用專用設(shè)備自動化生產(chǎn);高密度厚型曲面結(jié)構(gòu)三維縫合織物需借助工裝模具進(jìn)行生產(chǎn)。

圖28 單邊縫合

圖29 改進(jìn)的鎖式縫合結(jié)構(gòu)

4.1 加筋縫合織物

加筋壁板為平面板狀結(jié)構(gòu)(圖30),是一種典型的加筋縫合織物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件[42]。加筋縫合織物的特點(diǎn)包括:①尺寸較大;②加筋板和加筋壁需單獨(dú)成型,并在連接區(qū)域縫合形成整體結(jié)構(gòu)。

圖30 加筋壁板(T型)

圖31 3D自動縫合機(jī)械手(KSL公司)

宦華松等[43]先分別對加筋壁和加筋板進(jìn)行單獨(dú)制備,再利用OSS縫合或簇絨縫合方式將加筋板和加筋壁縫合在一起,最后在中部空穴區(qū)域進(jìn)行填充。德國KSL公司的3D自動縫合機(jī)械手(圖32)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)OSS縫合和簇絨縫合,機(jī)械手末端可抓取縫合執(zhí)行器和刀具,按三維軟件規(guī)劃的路徑進(jìn)行縫合和切割作業(yè)[44]。

圖32 U形板材

4.2 U形縫合織物

U形板材為曲面板狀結(jié)構(gòu)(圖32),也是一種典型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。U形縫合織物的特點(diǎn)包括:①長度較長;②具有“U”形曲面結(jié)構(gòu);③可高密度近凈尺寸成型。

王曉旭等[45]設(shè)計(jì)了一種可拆卸格柵模具(圖33),其通過在芯模上隨形裁剪、鋪敷多層碳纖維布,再利用格柵條將織物整體壓實(shí),最后逐個(gè)拆卸內(nèi)外側(cè)的格柵條進(jìn)行縫合,即得U形縫合織物。此法可用于異形結(jié)構(gòu)件的縫合與制備,可避免平板織物因彎曲而出現(xiàn)纖維斷裂。

圖33 U形可拆卸格柵模具

5 結(jié)語

隨著三維織物在樹脂、陶瓷和金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用的不斷拓展,三維織物的外形結(jié)構(gòu)和成型方式也變得越發(fā)復(fù)雜。從型面隨形能力方面考量,三維針刺和三維縫合工藝更適宜復(fù)雜型面產(chǎn)品的成型與制備;從力學(xué)性能方面考量,三維編織和三維機(jī)織工藝更適宜剪切強(qiáng)度要求高的產(chǎn)品的成型與制備?？傊?三維織物成型工藝的研發(fā)應(yīng)綜合考慮幾何尺寸、復(fù)合工藝、產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率等因素。今后,可從以下方面對三維織物成型工藝展開深層次研究:

(1)研發(fā)更為簡單便捷的新型三維織物成型工藝,或針對產(chǎn)品需求采取組合工藝,簡化復(fù)雜產(chǎn)品的成型工藝。

(2)研發(fā)適用性強(qiáng)且自動化、智能化程度高的裝備,實(shí)現(xiàn)三維織物低成本的工程化制備。