三維編織機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

中國紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100025

1 編織技術(shù)由來已久

編織技術(shù)由來已久，有證據(jù)表明，早在公元前4000年就有繩索的使用記載，人們把頭發(fā)分成三股并將其互相交叉編織在一起，這就是最簡單的手工編織。模仿編辮子的機(jī)器被稱為編織機(jī)，由簡單到復(fù)雜，逐步發(fā)展。由于三維編織設(shè)備自動化水平較低，目前，我國的編織產(chǎn)業(yè)主要集中在二維編織的繩、帶、纜等方面，三維編織設(shè)備已成為制約三維編織技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的瓶頸。

2 編織機(jī)的分類與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

三維編織機(jī)主要分為三類：步進(jìn)式、角導(dǎo)輪式、機(jī)械臂式，每類編織機(jī)各有特點(diǎn)，適用的預(yù)制件的形狀和結(jié)構(gòu)不同。

2.1 步進(jìn)式三維編織機(jī)

步進(jìn)式三維編織機(jī)是由二維編織發(fā)展而來，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低，通用性較高，但設(shè)備擴(kuò)展后卡紗現(xiàn)象嚴(yán)重，且需要將編織紗一個90°的旋轉(zhuǎn)動作拆分成縱、橫兩步完成，編織效率低。

1971年General Electric 的研究人員最早提出用縱、橫步進(jìn)法代替角導(dǎo)輪的編織工藝方法，并開發(fā)出了適用于該方法的“omni.weave”編織機(jī)；1982年Floretlne 對“omni.weave”編織機(jī)進(jìn)一步完善，申請了名為“Magnaweave”的編織設(shè)備專利[1]，其編織底盤如圖1所示；為應(yīng)對航空航天部門大尺寸三維編織部件的需求，1985年，美國Atlantic Research 公司研制生產(chǎn)一臺64×194 的大型三維編織機(jī)，這臺編織機(jī)一直處于嚴(yán)格保密狀態(tài)[2]；為應(yīng)對較長部件的需求，1989年，北卡州立大學(xué)研制了一種適用于步進(jìn)式編織機(jī)使用的攜紗裝置，在編織過程中連續(xù)喂紗[3]，至此步進(jìn)式三維編織機(jī)已相當(dāng)完善。

最近幾年，美國 ALBANY 公司將縱橫步進(jìn)的編織機(jī)設(shè)計為圓形，用于編織各類管件織物，其攜紗量為1000根編織紗[4]，如圖2所示。雖然外形和結(jié)構(gòu)上有很大差異，但步進(jìn)式的基本原理是一致的。

國內(nèi)三維編織起步較晚，但發(fā)展迅速，像東華大學(xué)、中國紡織科學(xué)研究院有限公司、天津工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京玻璃纖維研究院等都做了大量研究工作。1996年天津工業(yè)大學(xué)研制出一臺三維編織機(jī)，編織紗2 萬根，周紗2 萬根，共計可掛紗線4 萬根，如圖3所示。但所研制設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通用性差，即每臺設(shè)備只能編織一種預(yù)制件，不能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

2.2 旋轉(zhuǎn)式三維編織機(jī)

2000年，Laourine 等對角導(dǎo)輪式編織機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明的Herzog 旋轉(zhuǎn)式三維編織機(jī)[5-6]，通過離合裝置控制攜紗器的啟動和停止，可根據(jù)編織工藝設(shè)置紗線器是否參與編織或者那段時間參與編織，如圖4所示；2002年，Mungalov 等在此基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)換裝置，使得相鄰角輪間允許兩個攜紗器同時通過而不發(fā)生沖突，圖5為 3TEX公司據(jù)此生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)式三維編織機(jī)的樣機(jī)[7]。

2009年，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)AFML 實(shí)驗(yàn)室和德國亞琛工業(yè)大學(xué)ITA 研究所合作發(fā)明的六角形三維編織機(jī)[8-10]，如圖6所示。其旋轉(zhuǎn)角度為60 的倍數(shù)，如60°、120°、180°，可以根據(jù)工藝選擇所需的旋轉(zhuǎn)角度，可兼容的工藝種類進(jìn)一步提高，且攜紗器密度增加了，為后續(xù)的設(shè)備大型化奠定了基礎(chǔ)。

國內(nèi)柏瑞鼎研制的旋轉(zhuǎn)式三維編織機(jī)，其編織機(jī)為模塊化設(shè)計，可根據(jù)需求，與用戶共同搭建適合用戶生產(chǎn)的、可方便重組、可擴(kuò)展的三維編織平臺，包括矩形及其組合形狀三維編織平臺，以及圓形三維編織平臺,如圖7所示。但不同形狀織物編織前的設(shè)備重組耗時耗力，延長了編織物的生產(chǎn)周期。

2.3 機(jī)械臂式三維編織機(jī)

中國紡織科學(xué)研究院有限公司針對目前我國三維編織裝備相對落后的狀態(tài)，組織了專門的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，研制開發(fā)出機(jī)械臂式三維編織機(jī)的驗(yàn)證機(jī)。其目標(biāo)是在同一臺設(shè)備上，根據(jù)產(chǎn)品需求輸入不同的編織工藝參數(shù)，可高效實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的三維編織預(yù)制件的編織。

其中最為關(guān)鍵的是模塊化設(shè)計和零傳動設(shè)計。該設(shè)計結(jié)構(gòu)中,每一個攜紗器可通過編織工藝指令，到達(dá)設(shè)備上任意指定位置，以豐富攜紗器的運(yùn)行軌跡。這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以解決齒輪傳動關(guān)系所帶來的問題，使三維編織設(shè)備的大型或超大型化能夠得以實(shí)現(xiàn)，從而為編織大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維編織預(yù)制件的織造創(chuàng)造條件。

2.4 各類編織機(jī)對比

步進(jìn)式三維編織機(jī)結(jié)構(gòu)緊密，但運(yùn)行必須是整行整列的移動形式，不適用于變截面、異性、分支等結(jié)構(gòu)，且自動化水平低，效率低。

旋轉(zhuǎn)式三維編織機(jī)多為一個驅(qū)動帶動多個角導(dǎo)輪運(yùn)動，導(dǎo)致攜紗器的運(yùn)行單一，且攜紗器的分布密度較低。雖然離合器裝置的加入增加了角導(dǎo)輪的選用自由度，六角形角導(dǎo)輪的設(shè)計增加了角導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)角度的可選擇性，但依然沒能從本質(zhì)上改變其運(yùn)行方式受限的問題。

機(jī)械臂式三維編織機(jī)每個攜紗器都被單獨(dú)驅(qū)動，且驅(qū)動攜紗器的單元之間不存在傳動關(guān)系，每一個攜紗器通過編織工藝指令，可以到達(dá)設(shè)備上任意指定位置，但其攜紗器的分布密度較步進(jìn)式三維編織機(jī)低很多。

3 新型三維編織機(jī)的發(fā)展方向

三維編織機(jī)作為獲取三維編織預(yù)制件的重要工具，隨著新工藝的發(fā)展和應(yīng)用的深入，對三維編織機(jī)的發(fā)展提出以下需求：

（1）自動化，可自動實(shí)現(xiàn)增紗和減紗操作，可自動編織異性結(jié)構(gòu)件；

（2）喂紗連續(xù)化，實(shí)現(xiàn)較大長度預(yù)制件的編織；

（3）進(jìn)一步減小攜紗器驅(qū)動的尺寸，提高攜紗器的分布密度；

（4）人機(jī)交互，無線控制，并實(shí)時監(jiān)測編織機(jī)的狀態(tài)。