Proč se víceosé uhlíkové vláknové tkaniny vyráběné technikou warp-knitting staly novým oblíbencem ‚ekonomiky nízkých nadmořských výšek‘?

Jaké nové požadavky klade rozvoj nízkovýškové ekonomiky na materiály?

U dronů a eVTOLů neznamená ‚lehkost‘ pouze snížení hmotnosti.

Snížení hmotnosti letounu může snížit spotřebu energie během letu, prodloužit dobu letu a zvýšit nosnost. Minimalizace konstrukční hmotnosti při zároveň zajištěné konstrukční bezpečnosti a tuhosti je proto vždy klíčovou výzvou při návrhu nízkovýškových letounů.

Současně musí nízkovýškové letouny zvládat i složité podmínky zatížení.

Trup, křídla, vrtule a spojovací konstrukce jsou během letu vystaveny různým typům zatížení, včetně tahového, tlakového, ohybového, kroutivého a vibrací.

To znamená, že ideální konstrukční materiál musí nejen vykazovat vysokou pevnost a tuhost, ale musí být také schopen specifického návrhu tak, aby odpovídal směru sil působících na jednotlivé části konstrukce.

Právě zde leží výhody víceosých válcových tkanin z uhlíkových vláken.

Co je víceosá válcová tkanina z uhlíkových vláken?

Na rozdíl od běžných plochých a křížových tkanin z uhlíkových vláken s orientací 0°/90° víceosé válcové tkaniny nezachycují vlákna pouze prostým propletením.

Umožňují uložit uhlíková vlákna v různých orientacích, například:

kombinacemi 0°, ±45° a 90°, mezi jinými.

Vlákna v různých orientacích přenášejí zatížení v různých směrech a válcové nitě pak zajistí jednotlivé vrstvy vláken tak, aby vytvořily jednotný celek.

Tato struktura umožňuje lépe zarovnat orientaci vláken materiálu s reálnými podmínkami namáhání, kterým je výrobek vystaven.

Jednoduše řečeno:

kdekoli je třeba odolat síle v určitém směru, lze v tomto směru umístit více vláken.

To také činí víceosé warp-knitted uhlíkové vláknové látky zvláště vhodnými pro konstrukce letadel a letadel nízkého letu, která mají vysoké požadavky jak na konstrukční výkon, tak na hmotnost.

Proč jsou zvláště vhodné pro drony?

1. Vícesměrné zatížení pro splnění složitých požadavků na zatížení

Drony nejsou vystaveny silám pouze z jednoho směru.

Například během letu jsou ramena současně zatížena silami, jako je ohyb, krut a vibrace.

Použitím pouze jednosměrných vláknových uspořádání je obtížné splnit mechanické požadavky v různých směrech.

Naopak víceosé struktury umožňují racionálnější mechanický návrh prostřednictvím kombinace vláken orientovaných pod různými úhly, například 0°, ±45° a 90°.

Konkrétně:

vláknové směry 0° převážně přenášejí podélné tahové a tlakové síly;

vláknové směry ±45° zvýšit odolnost konstrukce proti smykovým a torzním zatížením;

zatímco vlákna pod úhlem 90° pomáhají zlepšit boční stabilitu.

Kombinací vláken pod různými úhly lze dosáhnout racionálnějšího nosného konstrukčního návrhu.

2. Vynikající výhody při snižování hmotnosti

U letadel i nepatrné snížení konstrukční hmotnosti přináší měřitelné výkonnostní výhody.

Uhlíková vlákna mají z povahy vysokou měrnou pevnost a měrnou tuhost, čímž nabízejí významné výhody při dosahování lehkých konstrukcí.

Navíc umožňují víceosé tkací tkaniny navrhnout orientaci vláken podle zatěžovacích charakteristik výrobku, čímž se snižuje zbytečné vrstvení materiálu při zachování požadovaných konstrukčních vlastností.

Tento přístup tedy není pouze otázkou ‚nahrazení těžších materiálů lehčími‘, ale spíše metodou dosažení lehkých konstrukcí optimalizací orientace vláken.

Proč přitahují více pozornosti tkaniny s vícesměrovým vázáním než tradiční tkaniny?

Kromě svých mechanických vlastností nabízejí víceosé tkaniny s vázáním ještě jednu významnou výhodu: efektivitu uložení.

V tradičních postupech výroby kompozitů se vlákna orientovaná v různých směrech často musí řezat a ukládat odděleně, než jsou podle návrhových požadavků složena do několika vrstev.

Víceosé tkaniny s vázáním však umožňují předem spojit vlákna orientovaná v několika směrech do jediného, integrovaného materiálu. To znamená, že u některých konstrukcí lze snížit počet kroků uložení a tím zvýšit efektivitu umísťování materiálu.

To je zvláště důležité pro budoucí sériovou výrobu letadel pro nízkou nadmořskou výšku.

Je to proto, že při přechodu bezpilotních letounů od ‚malosériové individualizace‘ k ‚sériové výrobě‘ musí materiály splňovat nejen požadavky na výkon, ale také zohledňovat:

výrobní účinnost, využití materiálu, stabilita procesu a výrobní náklady.

Hodnota víceosých tkacích tkanin tedy spočívá nejen v jejich „materiálovém výkonu“, ale také v jejich „výrobní účinnosti“.

Kde by se víceosé uhlíkové vláknové tkaniny mohly v budoucnu používat ještě jinde?

Vzhledem k dalšímu rozvoji ekonomiky nízkých letových hladin použití uplatnění víceosých uhlíkových materiálů není omezeno na jednotlivé komponenty.

Oblasti, na které stojí za to v budoucnu dávat pozor, zahrnují:

1. Trupy bezpilotních letounů (UAV)

Používají se u plášťů trupu, nosných konstrukcí a dalších komponentů za účelem snížení hmotnosti a posílení konstrukce.

2. Ramena bezpilotních letounů (UAV)

Kombinací vláken orientovaných v různých směrech se zvyšuje odolnost ramen proti ohybu a krutu.

3. Křídla a konstrukce křídel

Směr uspořádání vláken je navržen podle charakteristik zatížení různých oblastí křídla za účelem dosažení strukturální optimalizace.

4. Trup eVTOL a vnitřní nosné konstrukce

Splňuje komplexní požadavky velkých letadel na vysokou pevnost, lehkou konstrukci a strukturální stabilitu.

5. Vrtule a další kompozitní součásti

Návrh uspořádání vláken podle konkrétních směrů zatížení za účelem poskytnutí materiálových řešení pro složité kompozitní konstrukce.

Weinuo: Dodává uhlíková vlákna pro letadla nízkého letu

Jako dodavatel kompozitů z uhlíkových vláken nabízí Weinuo širokou škálu produkty včetně tkané uhlíkové vláknové látky jednosměrných vyztužujících tkanin, předimpregnovaných materiálů (prepregů), víceosých tkacích tkanin, desek z uhlíkových vláken a součástí opracovaných na CNC strojích a disponuje komplexními zpracovatelskými kapacitami sahajícími od surovin až po polohotové výrobky.

Zejména výrobní linka pro víceosé vázání uhlíkových vláken umožňuje poskytovat materiálová řešení s různými orientacemi vláken a kombinacemi gramáže, aby byly splněny rozmanité požadavky zákazníků na konstrukční návrh.

Před obrazem rychle se rozvíjející ekonomiky nízkých letových hladin se inovace materiálů stává klíčovým faktorem při snižování hmotnosti letadel.

V budoucnu se víceosé vázané tkaniny z uhlíkových vláken pravděpodobně stanou jedním z klíčových materiálů, které umožní většímu množství letadel nízkých letových hladin „vzlétnout s menší zátěží“.