創(chuàng)新產(chǎn)品：熱塑性格子織物

復(fù)合材料推廣使用的一個(gè)長(zhǎng)期障礙，尤其在汽車行業(yè)，是需要大批量生產(chǎn)和比現(xiàn)有許多復(fù)合材料制造工藝更低的成本。美國(guó)名為WEAV3D Inc.的初創(chuàng)公司正在力圖利用其連續(xù)的熱塑性復(fù)合材料格子結(jié)構(gòu)（圖1）來解決這些問題，該結(jié)構(gòu)采用自動(dòng)化織造工藝制造，其目的是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效和無廢料的生產(chǎn)，而且如WEAV3D公司預(yù)測(cè)，它將能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

圖1 熱塑性格子織物 （來源：WEAV3D Inc.）

從概念到商業(yè)化

WEAV3D 公司的創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官Christopher Oberste在2014年獲得博士學(xué)位的時(shí)候，就為他的技術(shù)萌發(fā)了最初的概念。他在聚合物和纖維工程方面的研究以及在北美GKN Aerospace公司的實(shí)習(xí)激發(fā)了他對(duì)熱塑性塑料和高產(chǎn)量工藝（如壓縮成型和航空復(fù)合材料）的興趣。這導(dǎo)致了他開始研發(fā)用于熱塑性復(fù)合材料格子結(jié)構(gòu)的高速自動(dòng)化織造工藝。在他的博士生導(dǎo)師Ben Wang的幫助和支持下，Oberste從佐治亞研究聯(lián)盟和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的創(chuàng)新公司計(jì)劃獲得了撥款，用來研發(fā)和商業(yè)化他的想法。

在隨后的兩年里，Oberste通過佐治亞理工學(xué)院的一個(gè)合作項(xiàng)目開展其技術(shù)商業(yè)化研究。到2017年，在獲得另一筆資助后，Oberste和聯(lián)合創(chuàng)始人、前美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)直升機(jī)飛行員Lewis Motion成立了WEAV3D公司。如今，該公司雇用了3名全職員工和4名兼職員工。

鑒于Oberste和Motion在航空航天領(lǐng)域的背景，最初的計(jì)劃是將WEAV3D的熱塑性復(fù)合材料用作航空航天部件中的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。然而，他們多次聽說，創(chuàng)業(yè)公司進(jìn)入航空航天領(lǐng)域的道路非常艱難，尤其是采用新的制造工藝。新工藝投入應(yīng)用的時(shí)間非常長(zhǎng)，而且成本非常昂貴。

在與其他行業(yè)的公司交談后，Oberste和他的團(tuán)隊(duì)決定將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向汽車和建筑市場(chǎng)。他說，“我們意識(shí)到在汽車領(lǐng)域存在著巨大的需求而未獲滿足，因?yàn)槠囆袠I(yè)對(duì)減重有著迫切的需求，但他們對(duì)價(jià)格也很敏感。他們告訴我們，現(xiàn)有的大多數(shù)復(fù)合材料制造工藝無法以他們想要的成本提供他們所需的用量?！睆哪菚r(shí)起，Oberste開始發(fā)展他的技術(shù)，欲使之成為以較低成本生產(chǎn)大批量復(fù)合材料制件的可行性解決方案。

其結(jié)果是誕生了WEAV3D?工藝（圖2）。該工藝采用單向的纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶織成一種稱為“塑料之筋”（Rebar For Plastics?）的格子結(jié)構(gòu)，然后采用常規(guī)的模塑工藝成型為最終的結(jié)構(gòu)器件。Oberste說，基于仿真模型，這種方法能夠生產(chǎn)與鋼或鋁金屬性能相當(dāng)?shù)钠嚥考?，但制件的重量更輕，生產(chǎn)成本比采用有機(jī)片材、自動(dòng)鋪帶或手糊工藝成型的復(fù)合材料制件低30%~75%。

圖2 自動(dòng)化和量產(chǎn)化的WEAV3D織造工藝

WEAV3D工藝

WEAV3D工藝過程從熱塑性單向帶開始。據(jù)Oberste介紹，該工藝可以使用任何類型的熱塑性塑料和增強(qiáng)纖維。適用的熱塑性塑料包括PP（聚丙烯）、PC（聚碳酸酯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PC/ABS、TPU（熱塑性聚氨酯）、PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）、PA（聚酰胺）、PPA（聚己二酸丙二醇酯）、PAEK（聚芳醚酮）和PEEK（聚醚醚酮）。在汽車和建筑領(lǐng)域中最適用的熱塑性塑料是PP、PC、 PET或PA。在某些WEAV3D格子結(jié)構(gòu)中，還可使用不飽和聚酯和乙烯基酯等熱固性樹脂。在增強(qiáng)纖維方面，玻璃纖維和碳纖維是最常用的。他說，其團(tuán)隊(duì)還對(duì)導(dǎo)電金屬帶進(jìn)行了一些研究，并正在研究埋有光學(xué)纖維的帶子。

WEAV3D的標(biāo)準(zhǔn)型中試機(jī)器可以織造25 mm寬的帶子，據(jù)稱還可以通過使用適配器來織造 5 mm寬的帶子，通過重新組配來織造更寬的帶子。在現(xiàn)用的機(jī)器上，可以織成最寬為1.5 m的格子織物，厚度可達(dá)5層，長(zhǎng)度可為用途所需的任何長(zhǎng)度。

該公司2017年11月的專利申請(qǐng)書將WEAV3D制造系統(tǒng)描述為“一種連續(xù)制造具有可控織物形狀的機(jī)織復(fù)合材料的機(jī)器”（圖3）。單向預(yù)浸帶從裝在機(jī)器上的筒子退出，穿入一排獨(dú)立可控的送經(jīng)頭。每個(gè)送經(jīng)頭送出多條帶子，形成一個(gè)經(jīng)向梭口，供緯向帶穿過。一個(gè)插入器將緯向單向帶穿過經(jīng)向梭口，形成復(fù)合材料格子織物。然后，格子織物被拉過紅外光源下方，隨后穿過一對(duì)壓輥之間，在各交接點(diǎn)把帶層粘合和固結(jié)。根據(jù)客戶要求，最終格子結(jié)構(gòu)可以平片形式或卷材形式供貨。WEAV3D公司還可做成預(yù)制體，供應(yīng)給客戶。

圖3 第一代WEAV3D制造系統(tǒng)（來源：WEAV3D Inc.）

Oberste說，WEAV3D工藝的一個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)是格子結(jié)構(gòu)針對(duì)不同用途的極大可調(diào)性。這包括在同一格子織物中混用不同的材料，以及調(diào)節(jié)格子結(jié)構(gòu)的密度或預(yù)浸帶之間的距離。

圖4的織物中就混用了碳纖維/聚丙烯預(yù)浸帶、玻璃纖維/聚丙烯預(yù)浸帶和銅帶?！拔覀兛梢愿鶕?jù)最終產(chǎn)品的要求優(yōu)化格子結(jié)構(gòu)，同時(shí)最大程度地降低總成本。”

圖4 混用不同材料的格子織物（WEAV3D Inc.）

他還強(qiáng)調(diào)，他們關(guān)注的重點(diǎn)是大批量生產(chǎn)。具體的產(chǎn)量取決于用途。 Oberste估計(jì)，格子織物用于增強(qiáng)汽車門板時(shí)，WEAV3D的機(jī)器每年可以生產(chǎn)20萬件到50萬件格子織物。

格子織物的應(yīng)用

這種格子織物交付給客戶后，可經(jīng)壓塑、熱成型或注射疊塑形成最終的汽車復(fù)合材料器件。Oberste說，WEAV3D工藝可以適應(yīng)不同程度的復(fù)雜形狀。針對(duì)不同復(fù)雜程度的制件，可采用不同的成型方法。

用于增強(qiáng)塑料時(shí)，WEAV3D產(chǎn)品還表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能。Oberste說，將WEAV3D格子織物與現(xiàn)有的短纖維增強(qiáng)塑料或長(zhǎng)纖維復(fù)合材料相結(jié)合，可以顯著提高最終產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度和韌性。提高的程度因使用的具體材料和制件的設(shè)計(jì)而大不相同。在某些用途中，性能的提高可使制件厚度或所需的肋條大大減少，從而減輕了質(zhì)量。

WEAV3D格子織物不僅僅限于增強(qiáng)塑料制件。它已成功地應(yīng)用于聚合物混凝土結(jié)構(gòu)中，而且還正在進(jìn)行用它增強(qiáng)硅酸鹽水泥混凝土的研究。

無論是聚合物還是水泥，WEAV3D技術(shù)的一個(gè)決定性特征是，為格子織物選擇的預(yù)浸帶與被增強(qiáng)的基體材料形成了粘結(jié)，可防止分層并提高最終制件的強(qiáng)度和剛度。這種粘結(jié)對(duì)基體材料和格子開口之間的機(jī)械聯(lián)鎖起到加強(qiáng)作用。

首個(gè)商業(yè)用途：增強(qiáng)混凝土溝槽

在最初的幾年里，這家初創(chuàng)公司的重點(diǎn)一直是研發(fā)一種特別適合于汽車行業(yè)的制造方法和材料，同時(shí)Oberste還考慮如何將該技術(shù)應(yīng)用于商用飛機(jī)內(nèi)飾件、無人駕駛飛機(jī)、鐵路、貨物運(yùn)輸和海上用途。

然而，該公司2020年11月宣布的WEAV3D首次商業(yè)應(yīng)用，卻是從建筑市場(chǎng)開始，在一種聚合物混凝土溝槽中使用了玻璃纖維/PET格子增強(qiáng)材料。這種聚合物混凝土溝槽系統(tǒng)由美國(guó)Oldcastle基礎(chǔ)設(shè)施公司制造。

Oldcastle的溝槽系統(tǒng)用于城市地區(qū)、火車站或工業(yè)工廠的公用電纜布線，它必須能夠承受16 000磅的車輛荷載。以前，這種溝槽采用嵌入混凝土中的定制鋼絲籠進(jìn)行增強(qiáng)。然而，這些鋼絲籠的定制成本很高，而且由于Oldcastle制造不同尺寸的溝槽，因此鋼絲籠的尺寸并不能總是恰當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)溝槽的排水孔。而WEAV3D格子織物避免了這一問題。Oberste說： “因?yàn)槲覀兛梢愿鶕?jù)用途的要求優(yōu)化格子，所以我們能夠調(diào)整格子的幾何形狀?！?/p>

此外，Oberste說，該項(xiàng)目最具挑戰(zhàn)性的條件之一是要選擇一種熱塑性預(yù)浸帶材料，該材料可以與聚合物混凝土形成粘結(jié)，而不是像鋼筋籠那樣僅僅依靠機(jī)械聯(lián)鎖。WEAV3D選擇的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯在兩種材料之間形成了真正的粘結(jié)界面，這有助于應(yīng)力傳遞并降低斷裂的可能性?！凹词拱l(fā)生斷裂，斷裂也不太可能通過結(jié)構(gòu)傳播，因?yàn)樗仨毧朔辰Y(jié)界面?！?/p>

在此用途中，WEAV3D格子織物被制成形狀如U形槽的預(yù)制體（圖5），Oldcastle公司將其置入澆注模中，在其上面澆注聚合物混凝土，然后進(jìn)行固化和脫模，制成最終的增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)。

圖5 U形槽預(yù)制體（來源：WEAV3D Inc.）

在建筑領(lǐng)域，WEAV3D計(jì)劃將其格子織物擴(kuò)展到其他聚合物混凝土用途，如外殼和蓋子。2020年10月，在與加拿大西安大略大學(xué)和結(jié)構(gòu)工程公司Entuitive的聯(lián)合提案中，WEAV3D獲得了加拿大國(guó)家科學(xué)和工程研究委員會(huì)的一項(xiàng)撥款，以開展研究，評(píng)估WEAV3D格子增強(qiáng)材料在傳統(tǒng)波特蘭水泥基混凝土中的作用。其目標(biāo)是開發(fā)可用于非住宅建筑板材和外立面增強(qiáng)的格子織物。

下一代WEAV3D

在NSF的撥款資助下，為滿足汽車制造需求而設(shè)計(jì)的下一代WEAV3D機(jī)器正在研發(fā)之中。Oberste說，它可能在2022年上線。新系統(tǒng)的改進(jìn)旨在將當(dāng)前系統(tǒng)的生產(chǎn)速度提高三倍，包括用更高效的超聲波焊接代替紅外加熱器和壓輥。

與此同時(shí)，Oberste和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始與美國(guó)和歐洲的一級(jí)供應(yīng)商和汽車行業(yè)的原始設(shè)備制造商討論使用WEAV3D產(chǎn)品來增強(qiáng)塑料板的問題，用途范圍從汽車內(nèi)部件到皮卡車尾門。Oberste說：“其中一個(gè)目標(biāo)是使WEAV3D格子織物作為模制塑料部件的結(jié)構(gòu)骨架，以提高其強(qiáng)度和剛度，并取代設(shè)計(jì)人員目前所依賴的金屬支架和加強(qiáng)件。”WEAV3D還致力于汽車車身板和其他部件的示范制品，以展示這種材料的優(yōu)點(diǎn)。