Warum sind mehrachsiale Kohlefasergewebe mit Kettenwirktechnik zur neuen Lieblingsmaterial der ‚Niedrighöhenwirtschaft‘ geworden?

Welche neuen Anforderungen stellt die Entwicklung der Niedrighöhenwirtschaft an Werkstoffe?

Bei Drohnen und eVTOLs bedeutet ‚Leichtigkeit‘ nicht einfach nur Gewichtsreduktion.

Die Reduzierung des Gewichts eines Flugzeugs kann den Energieverbrauch während des Flugs senken, die Flugdauer verlängern und die Nutzlastkapazität erhöhen. Daher stellt die Minimierung des Strukturgewichts bei gleichzeitiger Gewährleistung von struktureller Sicherheit und Steifigkeit stets eine zentrale Herausforderung beim Entwurf von Niedrighöhenflugzeugen dar.

Gleichzeitig müssen Niedrighöhenflugzeuge auch komplexen Lastbedingungen standhalten.

Rumpf, Arme, Tragflächen, Propeller und Verbindungsstrukturen sind während des Flugs verschiedenen Belastungen ausgesetzt, darunter Zug-, Druck-, Biege-, Torsions- und Vibrationslasten.

Dies bedeutet, dass das ideale Strukturmaterial nicht nur über hohe Festigkeit und Steifigkeit verfügen muss, sondern zudem gezielt so ausgelegt werden kann, dass es die Richtung der auf verschiedene Strukturbereiche wirkenden Kräfte berücksichtigt.

Genau hier liegen die Vorteile mehrachsiger Kohlenstofffasergewebe mit Kettenstichstruktur.

Was ist ein mehrachsiges Kohlenstofffasergewebe mit Kettenstichstruktur?

Im Gegensatz zu gängigen 0°/90°-Kohlefasergewebe in Leinwand- und Köperbindung verflechten mehrachsiale Wirkgewebe die Fasern nicht einfach miteinander.

Sie ermöglichen es, Kohlefasern in verschiedenen Orientierungen anzuordnen, beispielsweise:

kombinationen aus 0°, ±45° und 90°, unter anderem.

Fasern in unterschiedlichen Orientierungen übernehmen Lasten in verschiedenen Richtungen; die wargewirkten Garne fixieren dann die einzelnen Faserschichten zu einer einheitlichen Struktur.

Diese Struktur ermöglicht eine bessere Ausrichtung der Faserorientierung des Materials an den tatsächlichen Spannungszuständen, denen das Produkt ausgesetzt ist.

Einfach ausgedrückt:

wo immer eine Kraft in einer bestimmten Richtung aufgenommen werden muss, können dort mehr Fasern in genau dieser Richtung angeordnet werden.

Dies macht mehrachsiale Wirkgewebe aus Kohlefaser besonders gut geeignet für die Strukturen von Flugzeugen und Niedrigfluggeräten, die hohe Anforderungen sowohl an strukturelle Leistung als auch an Gewicht stellen.

Warum eignet es sich besonders gut für Drohnen?

1. Mehrachsige Lastaufnahme, um komplexe Lastanforderungen zu erfüllen

Drohnen sind nicht nur einseitigen Kräften ausgesetzt.

Beispielsweise wirken während des Flugs auf die Arme gleichzeitig Belastungen wie Biegung, Torsion und Vibration.

Bei ausschließlicher Verwendung einachsiger Faserverläufe ist es schwierig, die mechanischen Anforderungen in verschiedenen Richtungen zu erfüllen.

Im Gegensatz dazu ermöglichen mehrachsige Strukturen durch Kombination von Fasern mit unterschiedlichen Orientierungswinkeln – beispielsweise 0°, ±45° und 90° – eine rationellere mechanische Konstruktion.

Insbesondere:

0°-Fasern übernehmen vorwiegend Längszug- und -drucklasten;

±45°-Fasern steigern den Widerstand der Struktur gegen Scher- und Torsionslasten;

während 90°-Fasern hilft, die Seitenstabilität zu verbessern.

Durch die Kombination von Fasern in verschiedenen Winkeln kann ein rationaleres, lasttragendes Strukturdesign erreicht werden.

2. Hervorragende Vorteile bei der Gewichtsreduzierung

Bei Flugzeugen führt bereits eine geringfügige Reduzierung des Strukturgewichts zu messbaren Leistungsvorteilen.

Kohlenstofffaser weist von Natur aus eine hohe spezifische Festigkeit und eine hohe spezifische Steifigkeit auf und bietet somit deutliche Vorteile bei der Erzielung einer leichten Struktur.

Darüber hinaus ermöglichen mehrachsiale Wirkwaren, die Faserausrichtung entsprechend den Lasteigenschaften des Produkts zu gestalten, wodurch unnötige Materialschichten reduziert werden, ohne die strukturellen Leistungsanforderungen zu beeinträchtigen.

Dieser Ansatz ist daher nicht bloß eine Frage des ‚Austauschs schwererer Materialien durch leichtere‘, sondern vielmehr eine Methode zur strukturellen Gewichtsreduzierung durch Optimierung der Faserausrichtung.

Warum erregt Gewirke mit mehrdimensionaler Kettfädenanordnung stärkere Aufmerksamkeit als herkömmliche Gewebe?

Neben ihren mechanischen Eigenschaften bieten mehrachsiale Wirkwaren einen weiteren wesentlichen Vorteil: die Effizienz der Laminierung.

Bei herkömmlichen Verbundwerkstoff-Herstellungsverfahren müssen Fasern mit unterschiedlicher Orientierung häufig einzeln geschnitten und separat platziert werden, bevor sie gemäß den Konstruktionsanforderungen in mehreren Schichten gestapelt werden.

Mehrachsiale Wirkwaren hingegen ermöglichen es, Fasern mit verschiedener Orientierung bereits im Vorfeld zu einem einzigen, integrierten Material zu kombinieren. Dadurch kann bei bestimmten Strukturen die Anzahl der Laminierschritte reduziert werden, was die Effizienz der Materialplatzierung verbessert.

Dies ist besonders wichtig für die zukünftige Serienfertigung von Fluggeräten für niedrige Höhen.

Denn wenn Drohnen vom Modell ‚kleinserielle Individualfertigung‘ zur ‚Serienfertigung‘ übergehen, müssen Werkstoffe nicht nur die Leistungsanforderungen erfüllen, sondern auch folgende Aspekte berücksichtigen:

fertigungseffizienz, Materialausnutzung, Prozessstabilität und Herstellungskosten.

Folglich liegt der Wert mehrachsiger Gewirke nicht nur in ihrer ‚Materialleistung‘, sondern auch in ihrer ‚Fertigungseffizienz‘.

Wo könnten mehrachsige Kohlenstofffaser-Gewirke künftig noch eingesetzt werden?

Mit der weiteren Entwicklung der Niedrigflughöhenwirtschaft anwendung ist der Einsatz mehrachsiger Kohlenstofffasermaterialien nicht auf einzelne Komponenten beschränkt.

Zu beobachtende Bereiche in Zukunft umfassen:

1. UAV-Rumpfstrukturen

Eingesetzt in Rumpfhüllen, tragenden Strukturen und anderen Komponenten zur Gewichtsreduktion und strukturellen Verstärkung.

2. UAV-Arme

Durch die Kombination von Fasern mit unterschiedlichen Orientierungen wird die Biege- und Torsionsfestigkeit der Arme erhöht.

3. Flügel und Flügelstrukturen

Die Faserausrichtung ist entsprechend den Lastcharakteristika verschiedener Bereiche des Flügels ausgelegt, um eine strukturelle Optimierung zu erreichen.

4. eVTOL-Rumpf und innere tragende Strukturen

Erfüllt die umfassenden Anforderungen großer Flugzeuge an hohe Festigkeit, Leichtbau und strukturelle Stabilität.

5. Rotoren und andere Verbundbauteile

Entwurf von Faserverläufen entsprechend spezifischen Lastrichtungen, um Materiallösungen für komplexe Verbundstrukturen bereitzustellen.

Weinuo: Bereitstellung von Kohlenstofffasermaterialien für Luftfahrzeuge im Niedrigaltitudenbereich

Als Lieferant von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen bietet Weinuo eine Reihe von produkte einschließlich kohlefaser-Gewebe einachsigen Verstärkungsgeweben, Prepregs, mehrachsigen Wirkwaren, Kohlenstofffaserplatten und CNC-gefrästen Komponenten und verfügt über umfassende Verarbeitungskapazitäten – von Rohmaterialien bis hin zu Halbfertigprodukten.

Insbesondere ist die Produktionslinie für kohlenstofffaserverstärkte mehrachsiale Wirkware in der Lage, Materiallösungen mit unterschiedlichen Faserausrichtungen und Grammaturkombinationen bereitzustellen, um die vielfältigen konstruktiven Anforderungen der Kunden zu erfüllen.

Angesichts der rasch wachsenden Niedrigaltitudenwirtschaft entwickelt sich Materialinnovation zunehmend zu einem zentralen Treiber für die Gewichtsreduktion von Luftfahrzeugen.

In Zukunft könnten kohlenstofffaserverstärkte mehrachsiale Wirkwaren möglicherweise zu einem der Schlüsselmaterialien werden, die es noch mehr Niedrigaltitudenluftfahrzeugen ermöglichen, ‚mit geringerem Gewicht abzuheben‘.