創新產品：熱塑性格子織物

復合材料推廣使用的一個長期障礙，尤其在汽車行業，是需要大批量生產和比現有許多復合材料制造工藝更低的成本。美國名為WEAV3D Inc.的初創公司正在力圖利用其連續的熱塑性復合材料格子結構（圖1）來解決這些問題，該結構采用自動化織造工藝制造，其目的是實現經濟高效和無廢料的生產，而且如WEAV3D公司預測，它將能實現大批量生產。

圖1 熱塑性格子織物 （來源：WEAV3D Inc.）

從概念到商業化

WEAV3D 公司的創始人和首席執行官Christopher Oberste在2014年獲得博士學位的時候，就為他的技術萌發了最初的概念。他在聚合物和纖維工程方面的研究以及在北美GKN Aerospace公司的實習激發了他對熱塑性塑料和高產量工藝（如壓縮成型和航空復合材料）的興趣。這導致了他開始研發用于熱塑性復合材料格子結構的高速自動化織造工藝。在他的博士生導師Ben Wang的幫助和支持下，Oberste從佐治亞研究聯盟和國家科學基金會（NSF）的創新公司計劃獲得了撥款，用來研發和商業化他的想法。

在隨后的兩年里，Oberste通過佐治亞理工學院的一個合作項目開展其技術商業化研究。到2017年，在獲得另一筆資助后，Oberste和聯合創始人、前美國海岸警衛隊直升機飛行員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在航空航天領域的背景，最初的計劃是將WEAV3D的熱塑性復合材料用作航空航天部件中的增強結構。然而，他們多次聽說，創業公司進入航空航天領域的道路非常艱難，尤其是采用新的制造工藝。新工藝投入應用的時間非常長，而且成本非常昂貴。

在與其他行業的公司交談后，Oberste和他的團隊決定將重點轉向汽車和建筑市場。他說，“我們意識到在汽車領域存在著巨大的需求而未獲滿足，因為汽車行業對減重有著迫切的需求，但他們對價格也很敏感。他們告訴我們，現有的大多數復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。”從那時起，Oberste開始發展他的技術，欲使之成為以較低成本生產大批量復合材料制件的可行性解決方案。

其結果是誕生了WEAV3D?工藝（圖2）。該工藝采用單向的纖維增強預浸帶織成一種稱為“塑料之筋”（Rebar For Plastics?）的格子結構，然后采用常規的模塑工藝成型為最終的結構器件。Oberste說，基于仿真模型，這種方法能夠生產與鋼或鋁金屬性能相當的汽車部件，但制件的重量更輕，生產成本比采用有機片材、自動鋪帶或手糊工藝成型的復合材料制件低30%~75%。

圖2 自動化和量產化的WEAV3D織造工藝

WEAV3D工藝

WEAV3D工藝過程從熱塑性單向帶開始。據Oberste介紹，該工藝可以使用任何類型的熱塑性塑料和增強纖維。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）。在汽車和建筑領域中最適用的熱塑性塑料是PP、PC、 PET或PA。在某些WEAV3D格子結構中，還可使用不飽和聚酯和乙烯基酯等熱固性樹脂。在增強纖維方面，玻璃纖維和碳纖維是最常用的。他說，其團隊還對導電金屬帶進行了一些研究，并正在研究埋有光學纖維的帶子。

WEAV3D的標準型中試機器可以織造25 mm寬的帶子，據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。在現用的機器上，可以織成最寬為1.5 m的格子織物，厚度可達5層，長度可為用途所需的任何長度。

該公司2017年11月的專利申請書將WEAV3D制造系統描述為“一種連續制造具有可控織物形狀的機織復合材料的機器”（圖3）。單向預浸帶從裝在機器上的筒子退出，穿入一排獨立可控的送經頭。每個送經頭送出多條帶子，形成一個經向梭口，供緯向帶穿過。一個插入器將緯向單向帶穿過經向梭口，形成復合材料格子織物。然后，格子織物被拉過紅外光源下方，隨后穿過一對壓輥之間，在各交接點把帶層粘合和固結。根據客戶要求，最終格子結構可以平片形式或卷材形式供貨。WEAV3D公司還可做成預制體，供應給客戶。

圖3 第一代WEAV3D制造系統（來源：WEAV3D Inc.）

Oberste說，WEAV3D工藝的一個最重要的優點是格子結構針對不同用途的極大可調性。這包括在同一格子織物中混用不同的材料，以及調節格子結構的密度或預浸帶之間的距離。

圖4的織物中就混用了碳纖維/聚丙烯預浸帶、玻璃纖維/聚丙烯預浸帶和銅帶。“我們可以根據最終產品的要求優化格子結構，同時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.）

他還強調，他們關注的重點是大批量生產。具體的產量取決于用途。 Oberste估計，格子織物用于增強汽車門板時，WEAV3D的機器每年可以生產20萬件到50萬件格子織物。

格子織物的應用

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

用于增強塑料時，WEAV3D產品還表現出更高的力學性能。Oberste說，將WEAV3D格子織物與現有的短纖維增強塑料或長纖維復合材料相結合，可以顯著提高最終產品的強度、剛度和韌性。提高的程度因使用的具體材料和制件的設計而大不相同。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，從而減輕了質量。

WEAV3D格子織物不僅僅限于增強塑料制件。它已成功地應用于聚合物混凝土結構中，而且還正在進行用它增強硅酸鹽水泥混凝土的研究。

無論是聚合物還是水泥，WEAV3D技術的一個決定性特征是，為格子織物選擇的預浸帶與被增強的基體材料形成了粘結，可防止分層并提高最終制件的強度和剛度。這種粘結對基體材料和格子開口之間的機械聯鎖起到加強作用。

首個商業用途：增強混凝土溝槽

在最初的幾年里，這家初創公司的重點一直是研發一種特別適合于汽車行業的制造方法和材料，同時Oberste還考慮如何將該技術應用于商用飛機內飾件、無人駕駛飛機、鐵路、貨物運輸和海上用途。

然而，該公司2020年11月宣布的WEAV3D首次商業應用，卻是從建筑市場開始，在一種聚合物混凝土溝槽中使用了玻璃纖維/PET格子增強材料。這種聚合物混凝土溝槽系統由美國Oldcastle基礎設施公司制造。

Oldcastle的溝槽系統用于城市地區、火車站或工業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行增強。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地增強溝槽的排水孔。而WEAV3D格子織物避免了這一問題。Oberste說： “因為我們可以根據用途的要求優化格子，所以我們能夠調整格子的幾何形狀。”

此外，Oberste說，該項目最具挑戰性的條件之一是要選擇一種熱塑性預浸帶材料，該材料可以與聚合物混凝土形成粘結，而不是像鋼筋籠那樣僅僅依靠機械聯鎖。WEAV3D選擇的聚對苯二甲酸乙二醇酯在兩種材料之間形成了真正的粘結界面，這有助于應力傳遞并降低斷裂的可能性。“即使發生斷裂，斷裂也不太可能通過結構傳播，因為它必須克服粘結界面。”

在此用途中，WEAV3D格子織物被制成形狀如U形槽的預制體（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，然后進行固化和脫模，制成最終的增強混凝土結構。

圖5 U形槽預制體（來源：WEAV3D Inc.）

在建筑領域，WEAV3D計劃將其格子織物擴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和結構工程公司Entuitive的聯合提案中，WEAV3D獲得了加拿大國家科學和工程研究委員會的一項撥款，以開展研究，評估WEAV3D格子增強材料在傳統波特蘭水泥基混凝土中的作用。其目標是開發可用于非住宅建筑板材和外立面增強的格子織物。

下一代WEAV3D

在NSF的撥款資助下，為滿足汽車制造需求而設計的下一代WEAV3D機器正在研發之中。Oberste說，它可能在2022年上線。新系統的改進旨在將當前系統的生產速度提高三倍，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，Oberste和他的團隊已經開始與美國和歐洲的一級供應商和汽車行業的原始設備制造商討論使用WEAV3D產品來增強塑料板的問題，用途范圍從汽車內部件到皮卡車尾門。Oberste說：“其中一個目標是使WEAV3D格子織物作為模制塑料部件的結構骨架，以提高其強度和剛度，并取代設計人員目前所依賴的金屬支架和加強件。”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點。