3D плетеные ткани
3D плетеные ткани — это ткани, в которых пряжа проходит через оплетку во всех трех направлениях, образованную путем переплетения трех ортогональных наборов пряжи . [1] Волокнистая структура трехмерных плетеных тканей обеспечивает высокую прочность, жесткость и структурную целостность, что делает их пригодными для широкого спектра применений. 3D-ткани могут быть изготовлены с помощью ткацких , трикотажных и неткацких процессов.
История
[ редактировать ]Трехмерное плетение — один из старейших и наиболее важных текстильных процессов, преобразующих небольшие натуральные волокна в более функциональные формы. Ткани, используемые для 3D-плетения, такие как веревка , использовались с 4000 г. до н.э.
В 1748 году в Англии были инициированы патенты на первые 3D-плетельные машины. Большинство 3D- плетельных машин того времени были разработаны путем модификации 2D-плетельных машин. В 1767 году в Германии появились первые плетельные машины, производившие двухмерные ткани, свойства которых отличались от трехмерных тканей. В 1960-х годах правительство США, а также промышленные и академические исследователи разработали 3D-плетельные машины для использования в производстве преформ из композитных материалов, таких как композиты из углеродного волокна . [2]
Характеристики
[ редактировать ]3D-плетения демонстрируют улучшенные механические и структурные свойства. Важной характеристикой 3D-косичек является их способность формировать разнообразные сложные формы; непосредственное изготовление сложных фигурных форм позволяет исключить процесс резки для образования стыков, нахлестов и стыков. 3D плетеные ткани обладают высокой устойчивостью к скручиванию и структурной целостностью. [3]
Технологии производства
[ редактировать ]В нижней части машины находится гусеничная пластина. Пакеты, в которые подаются осевые нити, располагаются под направляющей. Бобины установлены на водиле, которое с помощью роговых шестерен перемещается по гусеничной плите. С этих бобин подается плетеная пряжа. Относительное движение плетеных нитей и осевой пряжи определяет рисунок и структуру косы. [3] Процесс 3D-плетения представляет собой незначительную модификацию процесса 2D-плетения, при котором к движущимся плетеным нитям добавляются стоячие концы. Ниже обсуждаются наиболее важные техники 3D-плетения. [4]
Круговое плетение и переплетение
[ редактировать ]При круговом плетении бобины (с противоположными направлениями вращения) движутся по двум концентрическим орбитам. Две орбиты взаимодействуют, образуя дефазированные синусоидальные колебания, которые определяют рисунок нити и точку пересечения. В этой точке пересечения бобины меняют свое направление, образуя верхнюю и внутреннюю сторону косы. Как правило, в процессе кругового плетения получаются косы с вращательной симметрией . Процесс переплетения следует тому же принципу, что и процесс кругового плетения, но единственная модификация заключается в том, что точка пересечения расположена в центре. [4]
Четырехэтапный процесс плетения
[ редактировать ]В этом процессе бобины движутся по осям X и Y, которые взаимно перпендикулярны друг другу. На каждом этапе бобины перемещаются к соседней точке пересечения по обеим осям и в обоих направлениях и останавливаются на определенный интервал времени. Базовое расположение поля оплетки достигается минимум за четыре шага. Этот метод позволяет получить косы постоянного сечения. [4]
Двухэтапный процесс плетения
[ редактировать ]В двухэтапном процессе плетения бобины движутся непрерывно, без остановки. Они перемещаются по направляющей пластине через всю конструкцию и вокруг стоячих концов, так что движение бобин происходит быстрее по сравнению с четырехэтапным процессом плетения. Бобины могут двигаться только в двух направлениях, поэтому этот процесс называется двухэтапным плетением. [4]
3D ротационное плетение
[ редактировать ]Процесс 3D-ротационного плетения состоит из опорных пластин с роговыми шестернями расположенными на них и подвижными бобинами. Переключатели служат для контроля положения нитей и роговых шестерен. [4]
Применение 3D плетеных тканей
[ редактировать ]Плетеные 3D-ткани нашли применение в таких областях, как медицина, аэрокосмическая промышленность , автомобили, компоненты поездов и армированные шланги. [5] Первоначальная разработка плетеных 3D-тканей пришла из композитной и медицинской промышленности. Плетеные 3D-ткани могут быть изготовлены в самых разных поперечных сечениях, а их практически сложные формы позволили создавать очень специализированные продукты для обеих отраслей. [6] В вертолетах типичные конструктивные компоненты, такие как балки, сэндвич-конструкции, рамы и панели, изготавливаются с использованием плетеных 3D-профилей. Аналогичным образом 3D-ткани используются для изготовления сложных балочных конструкций и панелей пола в легковых автомобилях. Для конструкций поездов различные компоненты, изготовленные из плетеных 3D-профилей, включают панель крыши, внутренние компоненты, боковые панели и конструкции кузова.
В медицине
[ редактировать ]В медицинской промышленности плетеные 3D-ткани находят применение в стент-графтах , раздвоенных стентах, протезах рук и ног , а также плетеных шовных материалах . Первоначально хирурги использовали две отдельные процедуры установки имплантатов для лечения бифуркационного стеноза, что занимало много времени. С появлением 3D-плетеной ткани для лечения бифуркационного стеноза стали изготавливать множественные дендритные круговые косы, что является гибким и менее трудоемким методом. С помощью нескольких трубчатых плетеных структур можно изготавливать различные сердечно-сосудистые имплантаты. [7]
В производстве армированных композитов
[ редактировать ]Плетение — это уникальная технология производства композитных материалов в больших объемах и при этом с низкой себестоимостью. [8] Используя 3D-плетеную ткань в качестве армирования, можно недорого изготавливать сложные формы. 3D-плетеные армированные композиты также обладают высокой устойчивостью к расслоению . [9]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ М, Субраманиан Сентил Каннан и Кумаравел С (2008). «Комплексный взгляд на трехмерные ткани». Индийский текстильный журнал.
- ^ Бранскомб, Дэвид, Дэвид Бил и Ройалл Бротон (2013). «Новые направления в плетении». Журнал инженерных волокон и тканей (JEFF) 8.2: 1-24.
- ^ Jump up to: а б Ду, Г.-В. и Ф.К. Ко (1993). «Геометрия элементарной ячейки трехмерных плетеных структур». Журнал армированных пластмасс и композитов 12.7: 752-68.
- ^ Jump up to: а б с д и Вульфхорст, Буркхард; Томас Грис и Дитер Фейт (2006). «Текстильная технология: плетение и машины» . Текстильные технологии . Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG: 188–204 . дои : 10.3139/9783446433472.007 . ISBN 978-3-446-22963-1 .
- ^ Дрекслер.К (1999). «3-D композиты, армированные текстилем, для транспортной отрасли». 3-D текстильное армирование из композитных материалов. 43-66.
- ^ Тонг, Лиён, Адриан П. Муриц и Майкл К. Баннистер (2002). 3D-полимерные композиты, армированные волокном.137-146.
- ^ Шрайбер, Ф., Ф. К. Ко, Х. Дж. Ян, Э. Амальрик и Т. Грис (2009). Учеб. 17-й Международной конференции по композитным материалам, Великобритания, Эдинбург.
- ^ Бранскомб, Дэвид, Дэвид Бил и Ройалл Бротон. (2013). («Новые направления в плетении») («Журнал инженерных волокон и тканей 8.2.»)
- ^ Муриц, Ап, Мк Баннистер, Пи Джей Фальзон и Х Леонг (1999). («Обзор применения современных трехмерных волокнистых текстильных композитов») Композиты, часть A: Прикладная наука и производство 30.12: 1445-461.