復(fù)合織物的三維（3-D）編織可以生產(chǎn)復(fù)雜的單件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且重量輕。

與傳統(tǒng)的二維（2-D）織物相比，3D織造減輕了重量，消除了二維織物經(jīng)常發(fā)生的分層，降低了裂縫風(fēng)險(xiǎn)，并縮短了生產(chǎn)時(shí)間。3-D織物還可提供直接和間接的制造和運(yùn)營成本降低。

什么是3D編織？

大多數(shù)織物是以兩個(gè)維度編織的 - X軸（長度）和Y軸（寬度）。三維機(jī)織織物包括穿過厚度或Z軸編織。這產(chǎn)生了復(fù)雜的單件結(jié)構(gòu)。

織機(jī)是織造織物的主要工具?？棛C(jī)幾乎與文明本身一樣古老，是織造二維織物的理想機(jī)器，包括織帶，帶子，皮帶和膠帶。但是，如果沒有大量的工具，它們就無法編織3D織物。

1991年，Bally Ribbon Mills（BRM）獲得了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的一份研究合同，該合同使該公司開始開發(fā)三維編織所需的技術(shù)。通過研究和最終建造第一臺全自動三維偏壓織機(jī)獲得的經(jīng)驗(yàn)，為BRM開發(fā)其他三維機(jī)織復(fù)合材料提供了知識和經(jīng)驗(yàn)，包括：正交板，熱保護(hù)系統(tǒng)，近凈形和復(fù)雜用于航空航天，汽車，建筑，軍事和安全行業(yè)的凈形預(yù)制件。

三維編織的好處

三維編織是一種新興技術(shù)，與二維復(fù)合材料生產(chǎn)和更傳統(tǒng)的建筑材料（如鋼和鋁）相比，具有多種優(yōu)勢。主要優(yōu)點(diǎn)包括減輕重量，消除分層，降低裂縫風(fēng)險(xiǎn)，縮短生產(chǎn)時(shí)間和降低成本。

減重

三維編織復(fù)合材料比金屬結(jié)構(gòu)輕得多。這與航空航天業(yè)尤其相關(guān)。從飛機(jī)上節(jié)省的每磅重量估計(jì)可以使該飛機(jī)的運(yùn)營商在該飛機(jī)的使用壽命期間節(jié)省大約100萬美元的運(yùn)營費(fèi)用，主要是燃料費(fèi)用。在飛機(jī)設(shè)計(jì)中智能地利用三維編織復(fù)合結(jié)構(gòu)可以將飛機(jī)重量減少多達(dá)30％，從而節(jié)省大量的運(yùn)營成本。

消除分層

當(dāng)兩層或更多層的2-D編織復(fù)合材料彼此分開或分層時(shí)發(fā)生分層。分層破壞了零件的強(qiáng)度和可靠性，必須更換零件以防止損壞和嚴(yán)重的安全問題。分層是二維層壓復(fù)合材料損壞的主要原因。

3-D編織產(chǎn)生近凈形復(fù)合結(jié)構(gòu)，其通過其紗線完全互連，而不是2-D復(fù)合材料，其包括人工粘合在一起的許多不同材料層。這意味著三維機(jī)織復(fù)合材料不存在分層風(fēng)險(xiǎn)，確保它們保持強(qiáng)度和可靠性。

降低裂縫風(fēng)險(xiǎn)

2-D層壓復(fù)合材料易于開裂，特別是在具有彎曲的結(jié)構(gòu)中，例如T形結(jié)構(gòu)。由于層中的曲率限制，許多2-D形狀在接頭和交叉點(diǎn)處具有相當(dāng)大的間隙。這些空間和口袋通常填充樹脂，樹脂可能會破裂。

即使是復(fù)雜形狀的三維編織復(fù)合材料也沒有空口袋，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)完整性沿著所有三個(gè)軸延伸。因此，三維機(jī)織復(fù)合材料的裂縫率遠(yuǎn)低于二維層壓復(fù)合材料。

降低生產(chǎn)時(shí)間

二維復(fù)合材料生產(chǎn)是一個(gè)漫長而精確的過程。許多2-D材料層是單獨(dú)或以較大的形式編織的，然后切割成一定尺寸。然后用某些樹脂預(yù)浸漬這些層，使它們成為所謂的“預(yù)浸料”材料。然后將這些材料堆疊并在稱為合股的過程中成形為必要的形式。合股通常是手工完成的，而且價(jià)格昂貴且非常耗時(shí)。然后通過注入另外的樹脂將這些層層壓在一起形狀 - 一些工藝和結(jié)構(gòu)甚至需要在層壓之前將材料層縫合在一起。最后，將結(jié)構(gòu)設(shè)定一段時(shí)間，在此期間樹脂固化。

在結(jié)構(gòu)適當(dāng)固化后，需要進(jìn)一步加工以形成成品。所需的二次加工工藝可包括切削，刮削，砂磨，去毛刺和鉆孔。

相比之下，復(fù)合結(jié)構(gòu)的3-D編織更簡單，更快速且更具成本效益。與2-D織機(jī)類似，3-D織機(jī)沿X和Y軸編織緯紗和經(jīng)紗。3-D織機(jī)的不同之處在于，織物不是沿著Y軸延續(xù)，而是垂直構(gòu)建 - 緯紗和經(jīng)紗不僅在一個(gè)平面上編織在一起，而且一個(gè)平面與下一個(gè)平面編織在一起。

除了設(shè)計(jì)需要高技能設(shè)計(jì)工程師的3-D編織外，3-D編織工藝是完全自動化的，可形成凈形狀或近凈形狀部件。盡管3-D編織工藝的復(fù)雜性增加，但這大大縮短了制造時(shí)間。

通過在3-D中編織整個(gè)結(jié)構(gòu)，可以完全消除緩慢且昂貴的合股工藝 - 制造2-D層壓復(fù)合結(jié)構(gòu)的最長和最昂貴的部分 - 顯著加速生產(chǎn)并降低成本。

成本

利用三維編織復(fù)合結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬或二維層壓復(fù)合材料，可以通過制造工藝和產(chǎn)品的使用壽命節(jié)省成本。自動化3-D編織技術(shù)和近凈形狀能力可降低直接人工和二次加工成本。

節(jié)省運(yùn)營成本可節(jié)省間接成本，例如減少燃料。此外，由于3-D編織復(fù)合材料比2-D層壓復(fù)合材料更堅(jiān)固，更有彈性，更不容易破損，因此可以更換頻繁，降低更換和維護(hù)成本。

三維編織應(yīng)用的例子

由于飛機(jī)發(fā)動機(jī)制造中涉及的高溫和復(fù)雜的幾何形狀，在飛機(jī)發(fā)動機(jī)中使用聚合物復(fù)合材料長期以來一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。然而，聚合物復(fù)合材料是理想的，因?yàn)槿缟纤?，航空工業(yè)一直在尋求降低飛機(jī)重量和提高燃料效率。在大型發(fā)動機(jī)部件中用碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈦部件有助于減輕重量，因?yàn)檫@些復(fù)合部件比金屬中的同類部件輕得多。此外，復(fù)合發(fā)動機(jī)部件降低了飛機(jī)發(fā)動機(jī)的噪音水平。

3D編織在推進(jìn)航空隔熱技術(shù)方面特別成功。熱保護(hù)系統(tǒng)（TPS）是太空探索車輛中的關(guān)鍵任務(wù)組件。改變紗線類型，密度，厚度和寬度以及樹脂類型的能力允許創(chuàng)建完全可定制的TPS以滿足特定的任務(wù)需求。例如，石英壓縮墊由BRM編織用于Orion膠囊，以確保在發(fā)射期間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重新進(jìn)入期間的耐熱性。此外，美國國家航空航天局的極端進(jìn)入環(huán)境技術(shù)（HEEET）計(jì)劃正在為極端條目開發(fā)碳TPS，旨在能夠在土星或金星的挑戰(zhàn)環(huán)境中生存。這兩項(xiàng)技術(shù)都是通過廣泛的額外研究來開發(fā)的，

除了厚板和發(fā)動機(jī)部件外，三維編織部件在將兩個(gè)結(jié)構(gòu)連接在一起時(shí)也能很好地發(fā)揮作用。由于3-D編織的性質(zhì)，強(qiáng)度和支撐在所有3個(gè)維度上都被轉(zhuǎn)換，因此使得連接能夠增強(qiáng)沿著連接在一起的子結(jié)構(gòu)的載荷路徑的強(qiáng)度。這些用于連接的3-D編織形狀可以定制，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)，以及連接的子組件。

取代傳統(tǒng)的金屬或二維復(fù)合材料可以帶來好處

利用三維編織復(fù)合結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬或二維層壓復(fù)合材料，可以通過制造工藝和產(chǎn)品的使用壽命節(jié)省成本。