3D ткачество

3D-ткачество

Компания ООО “Карбонтекс” занимается разработкой и производством 3D-армированных преформ на специализированных ткацких комплексах собственной разработки по технологии 3D-ткачества. Трехмерное ткачество (3D-ткачество) — новая технология для получения цельнотканой объёмно-армированной преформы за один технологический процесс. Преформа — армирующая заготовка частично или полностью соответствующая конечной форме композиционного изделия из нее. Технология 3D-ткачества позволяет проектировать преформу с заданным процентным содержанием волокон в каждой из систем армирования и в объеме самого изделия.

Специализированный ткацкий комплекс ООО “Карбонтекс” КТ-6250

Автоматизированный процесс 3D-ткачества позволяет изготавливать простые и сложные интегральные преформы с сохранением целостности армирования при переходе от одного структурного элемента к другому с учетом траектории направления всех отдельных волокон. Нити непрерывны даже в случае сложно-профильных изделий.

Благодаря программируемости и прогнозируемости технологического процесса формирования преформы, при необходимости могут меняться ее геометрические размеры, параметры и масштабы. Размеры крупногабаритных преформ зависят от габаритов самого станка. Автоматизация производственного процесса 3D-ткачества сокращает цикл производства изделий, обеспечивает стабильность размеров и внутренней армирующей структуры преформ, что позволяет изготавливать серийные изделия с максимальной повторяемостью. Отсутствие ручного труда при создании преформы снижает трудозатраты и время производства композитных материалов. Технологический процесс настроен таким образом, чтобы травмируемость волокна в процессе была минимальной с целью сохранения физико-механических свойств.

Продольное сечение образца 3D-преформы, изготовленные на производственном участке ООО “Карбонтекс”

3D-преформа и композит на ее основе производства компании ООО “Карбонтекс”

Композиты из 3d-преформ

Композиты из 3D-преформ как и традиционные состоят из матрицы и наполнителя. Наполнители армированы в трех (может достигать пяти) направлениях по всему объему преформы. Пространственно-армированная структура композитов устраняет главные недостатки композитов со слоистой структурой: расслоение и межслоевой сдвиг, возникающие в процессе эксплуатации.

3D-модель слоистого композита, изготовленного из двумерных тканей и 3D-модель слоев

Разрез композита на основе ортогональной преформы

Модель структуры армирования ортогональной преформы

Пространственное армирование композитов останавливает распространение дефектов по объему изделия, повышая прочность и срок эксплуатации. Трехмерное армирование впервые применялось в композитах с нестандартными температурными нагрузками, где вероятность расслоения повышалась из-за воздействия высоких температур на матрицу.

Пространственное армирование базируется на двух основных идеях. Первая — создание пространственной связи на основе искривления части или всех волокон одного из направлений систем двух нитей, например искривление основных нитей. Вторая — введение волокон в третьем направлении и образование системы трех нитей в цилиндрической или прямоугольной системе координат. Волокна взаимно ортогональны или находятся под углом в одной из армирующих плоскостей.

Преимущества композита на основе 3D-цельнотканой армирующей преформы

СЛОЖНОПРОФИЛЬНОСТЬ

возможно изготовление интегральных силовых элементов летательных аппаратов и сложных объемных структур из армирующих волокон;
силовые конструкции с пространственной топологией;
сложные цельнотканые трехмерные изделия с вертикальными или наклонными краями;
повышенная прочность конструкции в узловых зонах. В местах пересечения ребер сохраняется целостность армирования при переходе от одного структурного элемента к другому со сквозным усилением в узловых зонах.

Конструкционная многослойная тканая 3D-преформа фрагмента интегральной панели летательного аппарата, разработанная и изготовленная компанией ООО “Карбонтекс»

3D-преформа кессонной конструкции крыла летательного аппарата, разработанная и изготовленная ООО “Карбонтекс»

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПКМ НА ОСНОВЕ 3D-ПРЕФОРМ

не подвержены расслоению и межслоевому сдвигу в процессе эксплуатационных нагрузок по объему всего изделия в любом направлении
позволяют избежать риск образования трещин, так как они встречают препятствие в третьем направлении армирования и не распространяются дальше нескольких ячеек
высокая межслоевая прочность и жесткость на изгиб
механическая прочная связь между структурными элементами, обеспечивающая монолитность конструкции
распределение механической нагрузки по объему изделия за счет пространственной армирующей структуры.

Характер разрушения цельнотканого композитного ламината, разрушение не распространяется по слоям композита

АРМИРОВАНИЕ

единая взаимосвязанная армирующая структура по всему объему, обеспечивающая монолитность изделия;
трехмерный армирующий каркас по осям Х-У-Z усиливает и укрепляет внутренние механизмы передачи силовых нагрузок внутри будущего композита, равномерно распределяя нагрузки по всему объему изделия;
в специальных зонах можно изменить структуру армирования, варьируя жесткость и прочность этих зон;
равномерное армирование обеспечивает постоянство физико-механических характеристик (сопротивление материала нагрузке) и повышенную прочность в узловых зонах;
3D-ткачество позволяет создавать преформы, имеющие от двух до пяти направлений армирования.

2 направления армирования

3 направления с ортогональной системой армирования

3 направления с диагональной продольной системой армирования

4 направления армирования

5 направлений армирования

ВОЛОКНА

возможность комбинации разных типов армирующих нитей в одной 3D-преформе.

ПРОГРАММИРУЕМОСТЬ

автоматизация производства
дизайн и структура способны подстраиваться под любые инженерные разработки и конструкции;
варьируемый профиль изделий позволяет создавать участки без армирования, где непрерывные нити будут обтекать зоны свободные от армирования (например, отверстия под валы и подшипники);
в зависимости от конечных свойств будущего изделия подбираются схемы переплетения волокон, обеспечивающих армирующую структуру внутри преформы;
при проектировании определяется необходимая плотность нитей, как по всему объему так и в каждой системе армирования.

Продольный срез однослойного композита

Продольный срез двухслойного композита

Продольный срез четырехслойного композита

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПКМ

процесс обработки ПКМ на основе 3-D преформ на фрезерных станках и станках ЧПУ менее дефектный по сравнению со слоистыми ПКМ;
механическую обработку проводят с учетом направления армирующих волокон внутри изделия;
ПКМ на основе объемно-армирующих структур являются квазиизотропным композитным материалом пригодным для механической обработки, в том числе для получения резьбовых элементов.

Пример обработки углеродного композита на фрезерном станке с ЧПУ для получения несущей рамы квадрокоптера производства ООО “Карбонтекс”