多軸向經編技術的現狀與發展

蔣高明 顧璐英

針對國內外多軸向技術蓬勃發展的現象,通過對多軸向經編織物生產設備、織物結構及其應用等方面進行調查研究,闡述了多軸向經編技術的應用與發展現狀,提出了今后發展和壯大我國多軸向經編業的各項策略。

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.

多軸向經編技術是一種新型、高效的預定向編織技術,在國外已得到廣泛推廣和應用,在國內正處于起步階段,其進一步發展是業內人士關注的焦點。目前,多軸向經編技術的相關產品正逐漸滲透于國民經濟的各行各業,表現出巨大的發展潛力,擁有廣闊的市場前景。

1多軸向經編織物生產設備

經編設備的技術水平、質量和制造成本與經編工業的發展息息相關。自1981年世界上第一臺Copcentra多軸向經編機在Liba(利巴)問世以來,先進的工業國家對它的生產和加工技術等開展廣泛研究,并取得了一定的成果。德國Karl Mayer(卡爾?邁耶)公司和Liba公司作為世界上先進的經編機械生產商,其在多軸向經編機領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編機,該機器在編織多軸向織物時, 織得的布面清晰,但因鋪線最多只能 4 層, 而且機器結構復雜,機速只有400 r/min,生產效率低,現已淘汰。隨著科學技術日新月異的發展,多軸向經編機不斷推陳出新,現今常用的多軸向經編機主要有Karl Mayer公司的Malimo Multiaxial系列和Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC系列,兩公司的機器在生產和設計方面各有千秋。

1.1Karl Mayer公司Malimo Multiaxial型

Karl Mayer的Malimo Multiaxial型設備技術含量高,導紗梳櫛穩定性的提高以及襯緯紗架的合理設計,使得機器的速度可達 1 400 r/min,相應的產量達到 240 m/h。

成圈系統(圖 1)采用ST導紗片(針),有利于拉緊布面,也利于梳理和分開襯經紗,防止編織時刺傷纖維層。編織點的巧妙設計使得機器在對玻璃纖維進行生產時磨損少,結構堅固,適合襯入較厚的紗層。

該機的襯緯系統由伺服電機獨立傳動,進行襯緯紗之間的相互連接同時形成所需要的軌跡,襯緯紗的角度可在 -45°到 +45°之間變化,標準配置是 6 層,±45°/0°/90°,一層短切氈(機后),一層非織造布(機前)。積極式的襯緯方式,使得布邊損耗較傳統機器(尤其是高速機器)少。

同時,該機在生產碳纖維產品時,使用了帶有單紗張力補償裝置的特殊筒子架,緯紗引入織物時保證紗線平行而幾乎無損傷,張力較均勻。隨著技術的進一步提高,該機的產品范圍進一步擴大,可以生產各種工藝底布,用于風輪葉片、車船部件、高壓容器和運動裝備等。

為了加快玻璃纖維復合材料市場的不斷發展以及滿足企業對馬里莫經編機的大量需求,Karl Mayer推出了Multiaxial系列的新一代多軸向經編機Malitronic。該機設計新穎、合理,生產效率、操作性能和織物品質達到前所未有的水平,深受各國青睞。

1.2Liba公司Copcentra MAX 3 CNC型

Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC型機器的所有功能均為電腦控制;織針機件以外的所有運動均由伺服電機驅動;織物的各種變化,尤其是鋪層角度的調整,均由中央電腦控制。在鋪緯方式方面,兩公司的機器略有不同。Liba機器的鋪緯是由鋪緯滑軌運動、傳輸鏈運動、鋪緯小車運動三 者的合成(圖 2),只需改變三者的速度就能比較方便地改變鋪緯角度。而Karl Mayer機器是通過傳輸鏈運動和鋪緯小車運動的合成來形成所需的角度,在角度變換時還需對導軌進行機械操作,比較費時。

此外,Liba機器每一紗層的運動完全可以通過程序設計在 -20°到 +20°之間變化,這與Karl Mayer的 -45°到 +45°相比有所改進,機器的標準傳送架可以生產 2 個 45°襯緯和 1 個 90°襯緯,也可按需要進行長度延伸,延伸后的傳送架最多可襯入 7 層襯緯紗、1 層襯經紗、1 層纖維網。

同時,Liba機器還采用了其獨特的移動復合針系統(圖3),使得復合針除了在垂直方向上下運動外,還在水平方向(即織物喂入方向)運動,從而減小了編織過程中織針的負荷,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效率,改善了織物的質量。

據報道,Liba公司已成功推出了用于碳纖維產品生產的Copcentra MAX 5 CNC Carbon機型。由于碳纖維在織造過程中易產生具有導電性的碳粉,會導致機器及生產環境中的帶電設備爆炸等危險情況發生,因此該類多軸向經編機帶有特殊的密封裝置。在生產過程中,碳纖維增強紗線的鋪緯角度可以在 -45°、90°、+45°、0°等角度之間變化,鋪緯層數和原料規格也可以自由選擇,織物品種較豐富。

1.3國內多軸向經編機

多軸向經編機的生產技術在國內起步較晚,1996年由原天津紡織工學院與武進紡織機械廠協作,研制成功國內第一臺圓型多軸向經編機,類似于Karl Mayer的RS2DS型經編機,由于速度太低,未能得到推廣。2008年,常州潤源經編機械有限公司成功研發了第一臺國產智能化控制的 RCD – 1型多軸向經編機,該設備集電腦控制的多軸向鋪緯技術、多連桿式可移動(織針坯布隨動)成圈技術、織物恒張力收卷技術、多速電子送經技術等于一體。最高機速可達 1 000 r/min,其鋪緯方式與Liba機器相似,鋪緯角度變化范圍為 -20°到 +20°,已接近國外先進鋪緯水平。它的誕生極大地推動了我國對多軸向生產設備的研發,同時也為多軸向經編織物的生產和研究提供了先進的手段。然而,鑒于我國基礎工業相對落后,機械加工能力普遍不高,仍需大量進口國外先進的經編設備。

2多軸向經編織物結構及其應用

2.1多軸向經編織物結構

多軸向經編(Multi – axial Warp – Knitted,簡稱為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、襯緯和軸向增強紗線,最多可達 8 層(7 層緯紗、1 層經紗),再加纖網,然后通過經編組織(編鏈、經平、編鏈+經平)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編織物結構圖,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°,綁縛組織采用經平組織。

在多軸向經編織物的形成過程中,用于編織的紗線在成圈機構的作用下,穿過整個織物,在厚度方向將所有預先鋪設好的承載紗精確地束縛在一起(圖 5)。織物縱向、橫向、斜向的穩定性和強度可分別由襯經紗、襯緯紗和在-20°到 +20°之間可變角度的軸向紗提供。

2.2多軸向經編織物應用

由于增強紗線在多軸向經編織物中是以一定角度平行、伸直、無卷曲地襯入,而不像機織物中經緯紗相互交織而呈波浪狀,從而能夠充分發揮增強紗線的力學性能。實踐證明,多軸向經編織物特有的結構特點賦予其諸多優勢,如織物的抗拉強力高、彈性模量高、懸垂性好、可設計性強、抗撕裂性能好、原料的適應性好、生產成本低、生產效率高等。近年來,多軸向經編織物常作為復合材料的增強材料,廣泛應用于風力發電、航空航天、船艇制造、建筑工程等許多領域。

2.2.1風力發電

多軸向經編增強材料因其獨特的性能越來越多地被用于制造風力發電葉片(圖 6)。通常,在葉片蒙皮設計時,可根據受力的不同來選擇織物結構(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來承受由扭矩產生的剪切力。在Karl Mayer機號為9F(針/25mm)的Multiaxial型機器上生產的一種三軸向織物,襯紗均采用 3 000 dtex玻璃纖維紗,襯入順序為 +45°/ -45°/0°,成圈紗采用 76 dtex/24f的高強滌綸紗,并通過經平組織將它們綁縛起來。隨后可將該織物與新型的復合成型工藝,如RTM、VARTM等工藝結合起來制成高性能多軸向經編復合材料,用于風力發電葉片的生產。目前,風力發電葉片正朝著大型化、輕量化、高性能、低成本方向發展,世界上發達國家制造的葉片長度已達到 60 多米,加長型的風力發電葉片需要高強、高模、輕質型的材料,而多軸向經編織物正是迎合了這一需求,且能完全符合大型葉片對蒙皮材料的各項性能要求,因此具有很大的發展前景。

2.2.2航空航天

航空航天工業是纖維增強復合材料最新進入的領域,也一直是多軸向經編織物重要的應用領域。早在1992年,碳纖維多軸向經編增強材料就已成功運用于空客A320上,與以往使用的金屬材料相比較,使用這種纖維復合材料能使機身重量減輕約 20%。另外,利用該增強復合材料還可以將具有不同形狀的構件組合在一起,預制成有限的幾個外形復雜的組合構件,在空客A320上只需要組裝 96 個這樣的組合構件,而同樣的鋁制結構則需要 2 072 個。

2.2.3船艇制造

用于船艇制造的多軸向經編織物通常以玻璃纖維、碳纖維、芳綸等為原料,同時結合新型的成型和復合技術,這樣形成的產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、縮短浸漬時間等。Karl Mayer Malimo(卡爾邁耶馬利莫)公司曾聯合德累斯頓大學和開姆尼茨Saxon紡織研究所采用玻璃纖維多軸向經編織物作為骨架材料,開發了一艘尺寸為 4 090 mm × 730 mm × 320 mm、船體厚度只有 2 ～ 3 mm、重量僅為 27 kg的輕質高強的玻璃鋼船。可以說,用玻璃纖維多軸向經編織物生產的船只與其它材質船只相比具有更多優點,它質量輕、船速快、節油、抗碰撞和抗風浪性能好,耐腐蝕以及抗老化性好。用強度相同的多軸向經編織物替代機織物生產游艇,可節省 30% 的玻璃纖維,使游艇生產者獲得相當顯著的經濟效益。多軸向經編織物在船艇制造上的大量應用,無疑給多軸向經編增強材料的生產企業帶來了無限的商機。

2.2.4建筑工程

近年來,多軸向經編織物正越來越多地用在增強混凝土上,用于重建和修復建筑物。在馬利莫7F機器上可以生產這種增強織物,常用的是四軸向織物,在其縱向(0°)、橫向(90°)和斜向(±45°)都有增強紗線。增強的具體方法是在混凝土立柱的整個長度方向上包覆一層該多軸向經編增強織物,這樣可以恢復其穩定性,同時還能夠抵御扭轉應力和彎曲應力,如圖 7 所示。

2.2.5其他應用

近年來,多軸向經編增強材料還大量應用于交通運輸中的火車機車殼體、車用夾芯板;軍用工程中的防彈服、防彈頭盔;體育運動器材中的滑雪板、沖浪板等。

3多軸向經編技術發展策略

多軸向經編技術在產業用紡織品領域是一個相對較新的發展方向,目前正處于急速上升階段,具有良好的發展前景。然而,我國的多軸向經編技術尚處于起步階段,為了盡快趕上或接近世界先進水平,需要采取一系列發展策略。

(1)制定合理規劃

我國多軸向經編技術基礎相對薄弱,發展該技術是一項長期而艱巨的任務,需要科研機構和企業統籌兼顧,制定合理的發展規劃,切忌急于求成,盲目隨從。近年來,隨著航空航天事業的蓬勃發展,對各種新型增強材料的需求日益增多,碳纖維低密度、高強度、高模量、耐高溫的性能特點使其成為制造航空航天器材的理想材料之一。為此,我國應從實際情況出發,制定相應的政策措施,不斷加強對碳纖維多軸向經編增強復合材料的研究,進一步推動我國多軸向經編技術在航空航天領域中的應用。

(2)引進先進設備

積極引進國外先進的多軸向設備;消化、吸收國外一流的機械設計和制造技術;加強研發投入,生產出具有高附加值、高技術含量多軸向生產設備。由于目前國產的多軸向經編機大都只適用于滌綸、玻璃纖維的生產,用于碳纖維產品生產的多軸向經編機在國內幾乎是空白。因此,國內的各科研機構和企業應加強合作,不斷消化和吸收國外先進的碳纖維多軸向生產設備的各項技術,研制出具有自主知識產權的碳纖維多軸向經編機,從而不斷提升我國多軸向經編裝備的整體水平。

(3)加強技術交流

多軸向經編技術在國外已比較成熟,應用領域也比較廣泛,而在國內才剛剛開始,因此國內的專業人士應積極參加國內外各種展會和技術交流會,收集更多的信息,力求運用最新、最佳的技術手段來發展和壯大我國的多軸向經編業。

(4)培養優秀人才

多軸向經編技術融合了紡織、材料、力學等多門學科知識,因此高等院校應有計劃地培養出具有多學科技能的交叉型、復合型人才,為我國多軸向經編技術的發展注入新的活力。

4結語

隨著國民經濟的不斷發展,各領域對材料性能要求的不斷提高,多軸向技術正逐漸成為滿足紡織復合材料質量輕、強度高、效益好的一種新型的制造技術,表現出無限的發展潛力。目前,在我國這一技術還不成熟,但是我們堅信,在科學技術快速發展的浪潮下,在經編業內人士的共同努力下,我國多軸向經編技術必將朝著更科學、更經濟、更實用的方向發展。

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