Плетеные преформы из углеродного волокна для сложной геометрии: оплетение, трубчатые структуры и эффективность чистой формы

Введение

Большинство деталей из углеродного волокна до сих пор изготавливаются резкой плоской ткани и однонаправленной (UD) ленты на 2D-слои и укладкой их в 3D-форму. Этот подход хорошо работает для панелей и обшивок, но дает сбой, как только деталь изгибается, разветвляется или требует отверстия, не ослабляющего конструкцию. Резаные кромки создают отходы, обрывы слоев создают концентраторы напряжений, а непрерывность волокна вокруг радиуса с плоским листом невозможна. Плетеные преформы решают эти проблемы на уровне архитектуры волокна: армирование осаждается непосредственно на форму, которую оно будет усиливать.

Плетеничные машины переплетают жгуты углеродного волокна вокруг оправки или сердечника, производя трубчатый преформ чистой формы, чей угол плетения, число жгутов и покрытие можно настраивать под нагрузку. Тот же процесс может оплести преформ вокруг сложной оправки — рамы, ребра, фитинга — интегрируя армирование точно там, где оно нужно детали. В этой статье рассматривается, как изготавливаются плетеные преформы, где оплетение и трубчатые структуры дают эффективность чистой формы и как полученная архитектура волокна сравнивается с обычными укладками.

Как изготавливаются плетеные преформы

Плетеничная машина несет катушки жгута углеродного волокна на каретках, движущихся по круговой схеме, чередуя верх и низ, чтобы получить переплетенную трубчатую плетенку. Два ключевых параметра определяют преформ. Угол плетения — угол между волокнами и осью оправки — задается отношением скорости вращения кареток к скорости вытяжки, и он контролирует баланс осевой и кольцевой прочности в конечной детали. Коэффициент покрытия — насколько полно плетеный слой покрывает оправку — зависит от ширины жгута, числа жгутов и угла плетения, и определяет, сколько слоев нужно для полного покрытия.

На практике важны два режима производства. В трубчатом плетении оправка — это прямой или конический стержень, труба или балка, и плетенка осаждается вдоль ее длины. В оплетении оправка имеет сложную форму — Т-образное соединение, ребристую панель, фитинг — и плетенка повторяет ее изменяющееся поперечное сечение. Оплетение может непрерывно осаждать армирование через элементы, которые иначе потребовали бы десятков вручную резаных слоев, и делает это с волокнами уже в правильной ориентации.

Оплетение: армирование точно там, где нужно

Оплетение — самый веский аргумент за плетеные преформы в структурных деталях. Один оплетенный слой повторяет радиус, ребро жесткости или бобышку без резки, вытачек или складок. Там, где обычная укладка требует маленьких, вручную размещенных заплат вокруг отверстия или пересечения рамы, оплетенный преформ несет непрерывное волокно через всю особенность, что означает отсутствие концентраторов напряжений на резаных кромках и слабых мест от обломанных слоев.

Практический эффект — резкое сокращение отходов и труда. Преформы чистой формы устраняют отходы раскроя ткани, которые в сложных деталях могут достигать 30-40% закупленного материала. Они также устраняют труд резки слоев, подсчета слоев и размещения запчаток. Для ребра или рамы один оплетенный преформ может заменить стопку из двадцати и более отдельно резаных слоев, и преформ можно изготовить за минуты на автоматической плетеничной машине, работающей без присмотра.

Трубчатые структуры: непрерывные волокна вокруг отверстий и соединений

Трубчатые плетеные преформы блистают везде, где деталь по сути является полой балкой или сетью балок: карданные валы, стойки, рамы велосипедов и автомобилей, мачты антенн, шпангоуты фюзеляжа. Плетенка оборачивает волокно непрерывно вокруг окружности, поэтому кольцевая прочность исходит из непрерывных путей жгутов, а не из стыковых соединений обернутой ткани. Вокруг вырезов и точек ветвления плетеные жгуты обтекают особенность и воссоединяются, сохраняя пути нагрузки, которые резаная ткань прервала бы.

Плетеные трубы также естественно справляются с конусностью и изменением сечения. Угол плетения можно менять по длине, варьируя скорость натяжки, позволяя одному преформу иметь более крутой угол на сильно нагруженном конце и более пологий на слабо нагруженном. Этот непрерывный, постепенный переход невозможен при намотке с постоянным углом и очень дорог при приближении укладкой ткани.

Угол плетения, покрытие и механическое поведение

Угол плетения — главный регулятор свойств ламината. При углах плетения около ±30° волокна лежат в основном вдоль оси, давая высокую осевую жесткость; при углах около ±60° они оборачиваются в основном вокруг окружности, давая высокую кольцевую прочность и сопротивление кручению. Поскольку одна трубчатая плетенка естественно производит сбалансированный ламинат ±θ, деталь симметрична по построению, что снижает коробление и деформацию по сравнению с несбалансированными ручными укладками.

Компромисс с обычными материалами — потеря чистой однонаправленной жесткости: плетеные волокна всегда отклонены от оси на угол плетения, поэтому плетеная деталь не лучший выбор там, где нагрузка чисто осевая. На практике плетеные преформы часто сочетают с осевыми жгутами, вставленными вдоль плетенки, создавая трехосную плетенку, которая восстанавливает осевую жесткость, сохраняя поврежденную стойкость переплетенной структуры. Приведенная ниже таблица сравнивает типичные архитектуры волокна.

Архитектура волокна	Непрерывность волокна вокруг элементов	Осевая жесткость	Отходы обрезки	Труд укладки
Укладка тканой ткани	Прерывается на резаных кромках	Умеренная	20-40% обрезков	Высокий (резка, укладка, заплатки)
Укладка однонаправленной ленты	Прерывается на слоях	Наивысшая	Умеренный	Высокий (AFP или вручную)
Двухосный плетеный преформ	Непрерывная вокруг элементов	Умеренная	Почти ноль (чистая форма)	Низкий (прогон плетенки)
Трехосный плетеный преформ	Непрерывная плюс осевые жгуты	Высокая	Почти ноль (чистая форма)	Низкий (прогон плетенки)

Поскольку плетеные жгуты переплетаются, а не просто пересекаются, плетеные ламинаты также лучше сопротивляются расслоению, чем нетканые или UD-ламинаты: переплетение по толщине действует как механический замок между слоями.

Где плетеные преформы дают эффективность чистой формы

Экономический случай для плетеных преформ сильнее всего в трех ситуациях. Во-первых, сложная геометрия с отверстиями, вырезами и соединениями, где доминируют отходы ткани и труд заплаток. Во-вторых, длинные трубчатые детали, где важны кольцевая прочность и сопротивление кручению, и где намотка с постоянным углом растратила бы свободу проектирования. В-третьих, среднесерийное производство, где автоматизация плетеничной машины окупается больше, чем стоимость настройки сложной оснастки.

• Структурные рамы и ребра: оплетенные преформы заменяют стопки резаных вручную слоев вокруг пересечений рамы.
• Карданные валы и стропила: непрерывные кольцевые волокна дают сопротивление кручению и потере устойчивости, которого не может дать обернутая ткань.
• Полые балки с конусностью: переменный угол плетения вдоль длины настраивает жесткость там, где нужно.
• Детали с требованиями к молниезащите и удару: переплетенные жгуты улучшают поврежденостойкость и легче соплетаются с металлическими или полимерными волокнами для проводимости.

Для низкообъемных деталей стоимость настройки плетеничной оснастки и минимальное количество катушек волокна могут быть барьером, поэтому плетеные преформы наиболее конкурентоспособны при средних объемах и для сложных форм.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между плетением и намоткой волокна?

Намотка волокна укладывает один или два жгута по спиральным схемам под натяжением, обычно без переплетения, и меняет угол, перемещая головку подачи. Плетение переплетает несколько жгутов с многих кареток одновременно, что запирает волокна вместе и позволяет быстро менять угол и оплетать сложные неосесимметричные оправки. Плетение может следовать за изменяющимся сечением; намотка лучше всего на простых, в основном выпуклых поверхностях.

Можно ли делать плетеные преформы из препрегового жгута?

Да, но сухое плетение гораздо распространеннее. Сухие жгуты плетутся в преформ, а затем пропитываются смолой на более позднем этапе — обычно вакуумной инфузией, RTM или инфузией смоляной пленки. Плетение препрегового жгута возможно для мелких деталей, но дорого и редко оправдано, поскольку смола также делает преформ жестким и труднее плетется.

Как контролируется угол плетения во время производства?

Угол плетения задается соотношением между скоростью вращения кареток и линейной скоростью натяжки оправки. Увеличение скорости натяжки вытягивает плетенку длиннее и положе (меньший угол); замедление делает плетенку круче (больший угол). Современные плетеничные машины варьируют скорость натяжки вдоль длины, поэтому один преформ может иметь зоны с разным углом плетения.

Имеют ли плетеные ламинаты более низкую объемную долю волокна, чем UD-ламинаты?

В целом да. Переплетение и изгиб в местах пересечения жгутов ограничивают плотность упаковки волокон, поэтому плетеные ламинаты обычно достигают объемной доли волокна около 50-60%, тогда как UD-ламинаты могут достигать 60-65% и выше. Это реальный компромисс, и одна из причин, почему плетеные преформы часто гибридизируют с осевыми жгутами или однонаправленными слоями там, где требуется максимальная жесткость.

Заключение

Плетеные преформы переносят армирование с раскройного стола на саму архитектуру волокна. Оплетение осаждает непрерывное углеродное волокно точно там, где его требует сложная геометрия, устраняя отходы обрезки, труд заплаток и концентраторы напряжений от резаных кромок. Трубчатые плетенки дают кольцевую непрерывность и переменные углы плетения, которые невозможны при укладке ткани и намотке с постоянным углом. Компромиссы — умеренная потеря осевой жесткости и объемной доли волокна — управляются трехосными плетенками и гибридизацией, а экономия материала, труда и времени оснастки немедленна.

Создаете ли вы прототип плетеного карданного вала или котируете программу оплетенной рамы, качество сырого жгута определяет качество плетенки. Изучите наши углеродные ткани и препреги со стабильными свойствами на растяжение и химией шлихты или свяжитесь с нашей инженерной командой, чтобы выбрать спецификации жгута для вашей программы плетения.