復合織物的三維（3-D）編織可以生產復雜的單件結構，其結構堅固且重量輕。

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

什么是3D編織？

大多數織物是以兩個維度編織的 - X軸（長度）和Y軸（寬度）。三維機織織物包括穿過厚度或Z軸編織。這產生了復雜的單件結構。

織機是織造織物的主要工具?？棛C幾乎與文明本身一樣古老，是織造二維織物的理想機器，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驗室的一份研究合同，該合同使該公司開始開發(fā)三維編織所需的技術。通過研究和最終建造第一臺全自動三維偏壓織機獲得的經驗，為BRM開發(fā)其他三維機織復合材料提供了知識和經驗，包括：正交板，熱保護系統(tǒng)，近凈形和復雜用于航空航天，汽車，建筑，軍事和安全行業(yè)的凈形預制件。

三維編織的好處

三維編織是一種新興技術，與二維復合材料生產和更傳統(tǒng)的建筑材料（如鋼和鋁）相比，具有多種優(yōu)勢。主要優(yōu)點包括減輕重量，消除分層，降低裂縫風險，縮短生產時間和降低成本。

減重

三維編織復合材料比金屬結構輕得多。這與航空航天業(yè)尤其相關。從飛機上節(jié)省的每磅重量估計可以使該飛機的運營商在該飛機的使用壽命期間節(jié)省大約100萬美元的運營費用，主要是燃料費用。在飛機設計中智能地利用三維編織復合結構可以將飛機重量減少多達30％，從而節(jié)省大量的運營成本。

消除分層

當兩層或更多層的2-D編織復合材料彼此分開或分層時發(fā)生分層。分層破壞了零件的強度和可靠性，必須更換零件以防止損壞和嚴重的安全問題。分層是二維層壓復合材料損壞的主要原因。

3-D編織產生近凈形復合結構，其通過其紗線完全互連，而不是2-D復合材料，其包括人工粘合在一起的許多不同材料層。這意味著三維機織復合材料不存在分層風險，確保它們保持強度和可靠性。

降低裂縫風險

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

即使是復雜形狀的三維編織復合材料也沒有空口袋，因為它們的結構完整性沿著所有三個軸延伸。因此，三維機織復合材料的裂縫率遠低于二維層壓復合材料。

降低生產時間

二維復合材料生產是一個漫長而精確的過程。許多2-D材料層是單獨或以較大的形式編織的，然后切割成一定尺寸。然后用某些樹脂預浸漬這些層，使它們成為所謂的“預浸料”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，而且價格昂貴且非常耗時。然后通過注入另外的樹脂將這些層層壓在一起形狀 - 一些工藝和結構甚至需要在層壓之前將材料層縫合在一起。最后，將結構設定一段時間，在此期間樹脂固化。

在結構適當固化后，需要進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，復合結構的3-D編織更簡單，更快速且更具成本效益。與2-D織機類似，3-D織機沿X和Y軸編織緯紗和經紗。3-D織機的不同之處在于，織物不是沿著Y軸延續(xù)，而是垂直構建 - 緯紗和經紗不僅在一個平面上編織在一起，而且一個平面與下一個平面編織在一起。

除了設計需要高技能設計工程師的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編織工藝的復雜性增加，但這大大縮短了制造時間。

通過在3-D中編織整個結構，可以完全消除緩慢且昂貴的合股工藝 - 制造2-D層壓復合結構的最長和最昂貴的部分 - 顯著加速生產并降低成本。

成本

利用三維編織復合結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬或二維層壓復合材料，可以通過制造工藝和產品的使用壽命節(jié)省成本。自動化3-D編織技術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編織復合材料比2-D層壓復合材料更堅固，更有彈性，更不容易破損，因此可以更換頻繁，降低更換和維護成本。

三維編織應用的例子

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

3D編織在推進航空隔熱技術方面特別成功。熱保護系統(tǒng)（TPS）是太空探索車輛中的關鍵任務組件。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)射期間的結構強度和重新進入期間的耐熱性。此外，美國國家航空航天局的極端進入環(huán)境技術（HEEET）計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。這兩項技術都是通過廣泛的額外研究來開發(fā)的，

除了厚板和發(fā)動機部件外，三維編織部件在將兩個結構連接在一起時也能很好地發(fā)揮作用。由于3-D編織的性質，強度和支撐在所有3個維度上都被轉換，因此使得連接能夠增強沿著連接在一起的子結構的載荷路徑的強度。這些用于連接的3-D編織形狀可以定制，以適應結構本身的結構，以及連接的子組件。

取代傳統(tǒng)的金屬或二維復合材料可以帶來好處

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