多軸向經(jīng)編技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

蔣高明 顧璐英

針對(duì)國(guó)內(nèi)外多軸向技術(shù)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)象,通過對(duì)多軸向經(jīng)編織物生產(chǎn)設(shè)備、織物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用等方面進(jìn)行調(diào)查研究,闡述了多軸向經(jīng)編技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀,提出了今后發(fā)展和壯大我國(guó)多軸向經(jīng)編業(yè)的各項(xiàng)策略。

For the booming phenomenon of the multi-axial technology at home and abroad, some investigation was done on the production equipment of multi-axial warp-knitted fabrics, the fabric structure and its application. Based on these, the application and development status was stated, and the strategy concerning the development and growth of China' s multi-axial warp-knitted industry was also pointed out.

多軸向經(jīng)編技術(shù)是一種新型、高效的預(yù)定向編織技術(shù),在國(guó)外已得到廣泛推廣和應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)正處于起步階段,其進(jìn)一步發(fā)展是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。目前,多軸向經(jīng)編技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品正逐漸滲透于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè),表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

1多軸向經(jīng)編織物生產(chǎn)設(shè)備

經(jīng)編設(shè)備的技術(shù)水平、質(zhì)量和制造成本與經(jīng)編工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。自1981年世界上第一臺(tái)Copcentra多軸向經(jīng)編機(jī)在Liba(利巴)問世以來,先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家對(duì)它的生產(chǎn)和加工技術(shù)等開展廣泛研究,并取得了一定的成果。德國(guó)Karl Mayer(卡爾?邁耶)公司和Liba公司作為世界上先進(jìn)的經(jīng)編機(jī)械生產(chǎn)商,其在多軸向經(jīng)編機(jī)領(lǐng)域的研究處于世界前列。早前,Karl Mayer公司曾推出RS2DS型拉舍爾多軸向襯緯經(jīng)編機(jī),該機(jī)器在編織多軸向織物時(shí), 織得的布面清晰,但因鋪線最多只能 4 層, 而且機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機(jī)速只有400 r/min,生產(chǎn)效率低,現(xiàn)已淘汰。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展,多軸向經(jīng)編機(jī)不斷推陳出新,現(xiàn)今常用的多軸向經(jīng)編機(jī)主要有Karl Mayer公司的Malimo Multiaxial系列和Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC系列,兩公司的機(jī)器在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)方面各有千秋。

1.1Karl Mayer公司Malimo Multiaxial型

Karl Mayer的Malimo Multiaxial型設(shè)備技術(shù)含量高,導(dǎo)紗梳櫛穩(wěn)定性的提高以及襯緯紗架的合理設(shè)計(jì),使得機(jī)器的速度可達(dá) 1 400 r/min,相應(yīng)的產(chǎn)量達(dá)到 240 m/h。

成圈系統(tǒng)(圖 1)采用ST導(dǎo)紗片(針),有利于拉緊布面,也利于梳理和分開襯經(jīng)紗,防止編織時(shí)刺傷纖維層。編織點(diǎn)的巧妙設(shè)計(jì)使得機(jī)器在對(duì)玻璃纖維進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)磨損少,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,適合襯入較厚的紗層。

該機(jī)的襯緯系統(tǒng)由伺服電機(jī)獨(dú)立傳動(dòng),進(jìn)行襯緯紗之間的相互連接同時(shí)形成所需要的軌跡,襯緯紗的角度可在 -45°到 +45°之間變化,標(biāo)準(zhǔn)配置是 6 層,±45°/0°/90°,一層短切氈(機(jī)后),一層非織造布(機(jī)前)。積極式的襯緯方式,使得布邊損耗較傳統(tǒng)機(jī)器(尤其是高速機(jī)器)少。

同時(shí),該機(jī)在生產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品時(shí),使用了帶有單紗張力補(bǔ)償裝置的特殊筒子架,緯紗引入織物時(shí)保證紗線平行而幾乎無損傷,張力較均勻。隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高,該機(jī)的產(chǎn)品范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,可以生產(chǎn)各種工藝底布,用于風(fēng)輪葉片、車船部件、高壓容器和運(yùn)動(dòng)裝備等。

為了加快玻璃纖維復(fù)合材料市場(chǎng)的不斷發(fā)展以及滿足企業(yè)對(duì)馬里莫經(jīng)編機(jī)的大量需求,Karl Mayer推出了Multiaxial系列的新一代多軸向經(jīng)編機(jī)Malitronic。該機(jī)設(shè)計(jì)新穎、合理,生產(chǎn)效率、操作性能和織物品質(zhì)達(dá)到前所未有的水平,深受各國(guó)青睞。

1.2Liba公司Copcentra MAX 3 CNC型

Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC型機(jī)器的所有功能均為電腦控制;織針機(jī)件以外的所有運(yùn)動(dòng)均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng);織物的各種變化,尤其是鋪層角度的調(diào)整,均由中央電腦控制。在鋪緯方式方面,兩公司的機(jī)器略有不同。Liba機(jī)器的鋪緯是由鋪緯滑軌運(yùn)動(dòng)、傳輸鏈運(yùn)動(dòng)、鋪緯小車運(yùn)動(dòng)三 者的合成(圖 2),只需改變?nèi)叩乃俣染湍鼙容^方便地改變鋪緯角度。而Karl Mayer機(jī)器是通過傳輸鏈運(yùn)動(dòng)和鋪緯小車運(yùn)動(dòng)的合成來形成所需的角度,在角度變換時(shí)還需對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行機(jī)械操作,比較費(fèi)時(shí)。

此外,Liba機(jī)器每一紗層的運(yùn)動(dòng)完全可以通過程序設(shè)計(jì)在 -20°到 +20°之間變化,這與Karl Mayer的 -45°到 +45°相比有所改進(jìn),機(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)傳送架可以生產(chǎn) 2 個(gè) 45°襯緯和 1 個(gè) 90°襯緯,也可按需要進(jìn)行長(zhǎng)度延伸,延伸后的傳送架最多可襯入 7 層襯緯紗、1 層襯經(jīng)紗、1 層纖維網(wǎng)。

同時(shí),Liba機(jī)器還采用了其獨(dú)特的移動(dòng)復(fù)合針系統(tǒng)(圖3),使得復(fù)合針除了在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)外,還在水平方向(即織物喂入方向)運(yùn)動(dòng),從而減小了編織過程中織針的負(fù)荷,減少了織針與紗線的摩擦,減少了穿刺造成孔洞的可能性,在很大程度上提高了織物的生產(chǎn)效率,改善了織物的質(zhì)量。

據(jù)報(bào)道,Liba公司已成功推出了用于碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)的Copcentra MAX 5 CNC Carbon機(jī)型。由于碳纖維在織造過程中易產(chǎn)生具有導(dǎo)電性的碳粉,會(huì)導(dǎo)致機(jī)器及生產(chǎn)環(huán)境中的帶電設(shè)備爆炸等危險(xiǎn)情況發(fā)生,因此該類多軸向經(jīng)編機(jī)帶有特殊的密封裝置。在生產(chǎn)過程中,碳纖維增強(qiáng)紗線的鋪緯角度可以在 -45°、90°、+45°、0°等角度之間變化,鋪緯層數(shù)和原料規(guī)格也可以自由選擇,織物品種較豐富。

1.3國(guó)內(nèi)多軸向經(jīng)編機(jī)

多軸向經(jīng)編機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步較晚,1996年由原天津紡織工學(xué)院與武進(jìn)紡織機(jī)械廠協(xié)作,研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)圓型多軸向經(jīng)編機(jī),類似于Karl Mayer的RS2DS型經(jīng)編機(jī),由于速度太低,未能得到推廣。2008年,常州潤(rùn)源經(jīng)編機(jī)械有限公司成功研發(fā)了第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)智能化控制的 RCD – 1型多軸向經(jīng)編機(jī),該設(shè)備集電腦控制的多軸向鋪緯技術(shù)、多連桿式可移動(dòng)(織針坯布隨動(dòng))成圈技術(shù)、織物恒張力收卷技術(shù)、多速電子送經(jīng)技術(shù)等于一體。最高機(jī)速可達(dá) 1 000 r/min,其鋪緯方式與Liba機(jī)器相似,鋪緯角度變化范圍為 -20°到 +20°,已接近國(guó)外先進(jìn)鋪緯水平。它的誕生極大地推動(dòng)了我國(guó)對(duì)多軸向生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā),同時(shí)也為多軸向經(jīng)編織物的生產(chǎn)和研究提供了先進(jìn)的手段。然而,鑒于我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)相對(duì)落后,機(jī)械加工能力普遍不高,仍需大量進(jìn)口國(guó)外先進(jìn)的經(jīng)編設(shè)備。

2多軸向經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

2.1多軸向經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)

多軸向經(jīng)編(Multi – axial Warp – Knitted,簡(jiǎn)稱為MWK)織物是可以在 0°、90°和θ方向(θ在-20°～+20° 之間變化)襯入襯經(jīng)、襯緯和軸向增強(qiáng)紗線,最多可達(dá) 8 層(7 層緯紗、1 層經(jīng)紗),再加纖網(wǎng),然后通過經(jīng)編組織(編鏈、經(jīng)平、編鏈+經(jīng)平)將多層紗線綁縛在一起而形成的一種多層織物。圖 4 為一種典型的四軸向經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)圖,從圖 4 可以看出,4 組襯紗的襯入次序和方向依次為:90°/0°/-30°/+30°,綁縛組織采用經(jīng)平組織。

在多軸向經(jīng)編織物的形成過程中,用于編織的紗線在成圈機(jī)構(gòu)的作用下,穿過整個(gè)織物,在厚度方向?qū)⑺蓄A(yù)先鋪設(shè)好的承載紗精確地束縛在一起(圖 5)?？椢锟v向、橫向、斜向的穩(wěn)定性和強(qiáng)度可分別由襯經(jīng)紗、襯緯紗和在-20°到 +20°之間可變角度的軸向紗提供。

2.2多軸向經(jīng)編織物應(yīng)用

由于增強(qiáng)紗線在多軸向經(jīng)編織物中是以一定角度平行、伸直、無卷曲地襯入,而不像機(jī)織物中經(jīng)緯紗相互交織而呈波浪狀,從而能夠充分發(fā)揮增強(qiáng)紗線的力學(xué)性能。實(shí)踐證明,多軸向經(jīng)編織物特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)賦予其諸多優(yōu)勢(shì),如織物的抗拉強(qiáng)力高、彈性模量高、懸垂性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗撕裂性能好、原料的適應(yīng)性好、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等。近年來,多軸向經(jīng)編織物常作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料,廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、航空航天、船艇制造、建筑工程等許多領(lǐng)域。

2.2.1風(fēng)力發(fā)電

多軸向經(jīng)編增強(qiáng)材料因其獨(dú)特的性能越來越多地被用于制造風(fēng)力發(fā)電葉片(圖 6)。通常,在葉片蒙皮設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)受力的不同來選擇織物結(jié)構(gòu)(單軸向、雙軸向、多軸向)。多軸向織物主要是用在葉片根部,利用 40 多層織物的合理鋪設(shè)來承受由扭矩產(chǎn)生的剪切力。在Karl Mayer機(jī)號(hào)為9F(針/25mm)的Multiaxial型機(jī)器上生產(chǎn)的一種三軸向織物,襯紗均采用 3 000 dtex玻璃纖維紗,襯入順序?yàn)?+45°/ -45°/0°,成圈紗采用 76 dtex/24f的高強(qiáng)滌綸紗,并通過經(jīng)平組織將它們綁縛起來。隨后可將該織物與新型的復(fù)合成型工藝,如RTM、VARTM等工藝結(jié)合起來制成高性能多軸向經(jīng)編復(fù)合材料,用于風(fēng)力發(fā)電葉片的生產(chǎn)。目前,風(fēng)力發(fā)電葉片正朝著大型化、輕量化、高性能、低成本方向發(fā)展,世界上發(fā)達(dá)國(guó)家制造的葉片長(zhǎng)度已達(dá)到 60 多米,加長(zhǎng)型的風(fēng)力發(fā)電葉片需要高強(qiáng)、高模、輕質(zhì)型的材料,而多軸向經(jīng)編織物正是迎合了這一需求,且能完全符合大型葉片對(duì)蒙皮材料的各項(xiàng)性能要求,因此具有很大的發(fā)展前景。

2.2.2航空航天

航空航天工業(yè)是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最新進(jìn)入的領(lǐng)域,也一直是多軸向經(jīng)編織物重要的應(yīng)用領(lǐng)域。早在1992年,碳纖維多軸向經(jīng)編增強(qiáng)材料就已成功運(yùn)用于空客A320上,與以往使用的金屬材料相比較,使用這種纖維復(fù)合材料能使機(jī)身重量減輕約 20%。另外,利用該增強(qiáng)復(fù)合材料還可以將具有不同形狀的構(gòu)件組合在一起,預(yù)制成有限的幾個(gè)外形復(fù)雜的組合構(gòu)件,在空客A320上只需要組裝 96 個(gè)這樣的組合構(gòu)件,而同樣的鋁制結(jié)構(gòu)則需要 2 072 個(gè)。

2.2.3船艇制造

用于船艇制造的多軸向經(jīng)編織物通常以玻璃纖維、碳纖維、芳綸等為原料,同時(shí)結(jié)合新型的成型和復(fù)合技術(shù),這樣形成的產(chǎn)品除了可減少紗線的使用量以及減輕船體重量外,還可以減少合成樹脂的用量、縮短浸漬時(shí)間等。Karl Mayer Malimo(卡爾邁耶馬利莫)公司曾聯(lián)合德累斯頓大學(xué)和開姆尼茨Saxon紡織研究所采用玻璃纖維多軸向經(jīng)編織物作為骨架材料,開發(fā)了一艘尺寸為 4 090 mm × 730 mm × 320 mm、船體厚度只有 2 ～ 3 mm、重量?jī)H為 27 kg的輕質(zhì)高強(qiáng)的玻璃鋼船?？梢哉f,用玻璃纖維多軸向經(jīng)編織物生產(chǎn)的船只與其它材質(zhì)船只相比具有更多優(yōu)點(diǎn),它質(zhì)量輕、船速快、節(jié)油、抗碰撞和抗風(fēng)浪性能好,耐腐蝕以及抗老化性好。用強(qiáng)度相同的多軸向經(jīng)編織物替代機(jī)織物生產(chǎn)游艇,可節(jié)省 30% 的玻璃纖維,使游艇生產(chǎn)者獲得相當(dāng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。多軸向經(jīng)編織物在船艇制造上的大量應(yīng)用,無疑給多軸向經(jīng)編增強(qiáng)材料的生產(chǎn)企業(yè)帶來了無限的商機(jī)。

2.2.4建筑工程

近年來,多軸向經(jīng)編織物正越來越多地用在增強(qiáng)混凝土上,用于重建和修復(fù)建筑物。在馬利莫7F機(jī)器上可以生產(chǎn)這種增強(qiáng)織物,常用的是四軸向織物,在其縱向(0°)、橫向(90°)和斜向(±45°)都有增強(qiáng)紗線。增強(qiáng)的具體方法是在混凝土立柱的整個(gè)長(zhǎng)度方向上包覆一層該多軸向經(jīng)編增強(qiáng)織物,這樣可以恢復(fù)其穩(wěn)定性,同時(shí)還能夠抵御扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,如圖 7 所示。

2.2.5其他應(yīng)用

近年來,多軸向經(jīng)編增強(qiáng)材料還大量應(yīng)用于交通運(yùn)輸中的火車機(jī)車殼體、車用夾芯板;軍用工程中的防彈服、防彈頭盔;體育運(yùn)動(dòng)器材中的滑雪板、沖浪板等。

3多軸向經(jīng)編技術(shù)發(fā)展策略

多軸向經(jīng)編技術(shù)在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域是一個(gè)相對(duì)較新的發(fā)展方向,目前正處于急速上升階段,具有良好的發(fā)展前景。然而,我國(guó)的多軸向經(jīng)編技術(shù)尚處于起步階段,為了盡快趕上或接近世界先進(jìn)水平,需要采取一系列發(fā)展策略。

(1)制定合理規(guī)劃

我國(guó)多軸向經(jīng)編技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,發(fā)展該技術(shù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù),需要科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)統(tǒng)籌兼顧,制定合理的發(fā)展規(guī)劃,切忌急于求成,盲目隨從。近年來,隨著航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展,對(duì)各種新型增強(qiáng)材料的需求日益增多,碳纖維低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫的性能特點(diǎn)使其成為制造航空航天器材的理想材料之一。為此,我國(guó)應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā),制定相應(yīng)的政策措施,不斷加強(qiáng)對(duì)碳纖維多軸向經(jīng)編增強(qiáng)復(fù)合材料的研究,進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)多軸向經(jīng)編技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。

(2)引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備

積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的多軸向設(shè)備;消化、吸收國(guó)外一流的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù);加強(qiáng)研發(fā)投入,生產(chǎn)出具有高附加值、高技術(shù)含量多軸向生產(chǎn)設(shè)備。由于目前國(guó)產(chǎn)的多軸向經(jīng)編機(jī)大都只適用于滌綸、玻璃纖維的生產(chǎn),用于碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)的多軸向經(jīng)編機(jī)在國(guó)內(nèi)幾乎是空白。因此,國(guó)內(nèi)的各科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)合作,不斷消化和吸收國(guó)外先進(jìn)的碳纖維多軸向生產(chǎn)設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù),研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳纖維多軸向經(jīng)編機(jī),從而不斷提升我國(guó)多軸向經(jīng)編裝備的整體水平。

(3)加強(qiáng)技術(shù)交流

多軸向經(jīng)編技術(shù)在國(guó)外已比較成熟,應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛,而在國(guó)內(nèi)才剛剛開始,因此國(guó)內(nèi)的專業(yè)人士應(yīng)積極參加國(guó)內(nèi)外各種展會(huì)和技術(shù)交流會(huì),收集更多的信息,力求運(yùn)用最新、最佳的技術(shù)手段來發(fā)展和壯大我國(guó)的多軸向經(jīng)編業(yè)。

(4)培養(yǎng)優(yōu)秀人才

多軸向經(jīng)編技術(shù)融合了紡織、材料、力學(xué)等多門學(xué)科知識(shí),因此高等院校應(yīng)有計(jì)劃地培養(yǎng)出具有多學(xué)科技能的交叉型、復(fù)合型人才,為我國(guó)多軸向經(jīng)編技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。

4結(jié)語

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,各領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芤蟮牟粩嗵岣?多軸向技術(shù)正逐漸成為滿足紡織復(fù)合材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、效益好的一種新型的制造技術(shù),表現(xiàn)出無限的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?在我國(guó)這一技術(shù)還不成熟,但是我們堅(jiān)信,在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的浪潮下,在經(jīng)編業(yè)內(nèi)人士的共同努力下,我國(guó)多軸向經(jīng)編技術(shù)必將朝著更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用的方向發(fā)展。

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