چرا پارچه‌های بافت‌شدهٔ کربنی چندمحوری به نوآوری محبوب جدید اقتصاد «ارتفاع پایین» تبدیل شده‌اند؟

توسعهٔ اقتصاد ارتفاع پایین چه نیازهای جدیدی را بر روی مواد تحمیل می‌کند؟

برای پهپادها و هواپیماهای الکتریکی عمودی‌پرواز (eVTOL)، «سبکی» به معنای سادهٔ کاهش وزن نیست.

کاهش وزن یک هواگرد می‌تواند مصرف انرژی در حین پرواز را کاهش دهد، مدت زمان پرواز را افزایش دهد و ظرفیت بار مفید را بالا ببرد. بنابراین، حداقل‌سازی وزن سازه در عین حفظ ایمنی و صلبیت سازه همواره یکی از چالش‌های اصلی در طراحی هواگردهای ارتفاع پایین بوده است.

در عین حال، هواگردهای ارتفاع پایین باید با شرایط بارگذاری پیچیده‌ای نیز سازگار باشند.

بدنه، بازوهای پروازی، بال‌ها، پروانه‌ها و سازه‌های اتصال در حین پرواز تحت انواع مختلفی از بارها قرار می‌گیرند، از جمله کشش، فشار، خمش، پیچش و ارتعاش.

این بدان معناست که مادهٔ سازه‌ای ایده‌آل نه‌تنها باید دارای استحکام و سختی بالا باشد، بلکه باید قابلیت طراحی اختصاصی برای تحمل جهت نیروهای واردشده بر بخش‌های مختلف سازه را نیز داشته باشد.

این دقیقاً جایی است که مزایای پارچه‌های بافت‌شدهٔ توری‌ای الیاف کربنی چندمحوری در آن نهفته است.

پارچهٔ بافت‌شدهٔ توری‌ای الیاف کربنی چندمحوری چیست؟

برخلاف بافتهای رایج صاف و شانه‌ای الیاف کربنی با زوایای ۰° و ۹۰°، پارچه‌های بافت‌شدهٔ توری‌ای چندمحوری به‌سادگی الیاف را با هم بافنده نمی‌شوند.

این امکان را فراهم می‌کند که الیاف کربنی در جهت‌های مختلفی قرار گیرند، مانند:

ترکیبی از زوایای ۰°، ±۴۵° و ۹۰° و سایر زوایا.

الیاف در جهت‌های مختلف، بارها را در جهت‌های متفاوتی تحمل می‌کنند و نخ‌های بافت‌شدهٔ توری‌ای لایه‌های جداگانهٔ الیاف را به‌هم متصل می‌کنند تا یک کل یکپارچه تشکیل دهند.

این ساختار امکان می‌دهد جهت‌گیری الیاف در ماده به‌طور بهتری با شرایط تنش واقعی که محصول تجربه می‌کند، هم‌راستا شود.

به‌عبارت ساده:

هرجا نیرویی در جهت خاصی باید تحمل شود، می‌توان الیاف بیشتری را در آن جهت چید.

این امر بافت‌های الیاف کربنی بافته‌شده با روش تورفتگی چندمحوری را به‌ویژه برای سازه‌های هواپیماها و وسایل نقلیه پروازی در ارتفاع پایین مناسب می‌سازد، زیرا این سازه‌ها هم‌زمان نیازمند عملکرد سازه‌ای بالا و وزن کم هستند.

چرا این بافت‌ها به‌ویژه برای پهپادها مناسب‌اند؟

۱. تحمل بار در جهات متعدد برای پاسخگویی به نیازهای پیچیدهٔ بارگذاری

پهپادها تنها تحت تأثیر نیروهای واردشده از یک جهت نیستند.

برای مثال، در حین پرواز، بازوهای پهپاد هم‌زمان تحت تأثیر بارهای خمشی، پیچشی و ارتعاشی قرار می‌گیرند.

اگر تنها از چیدمان الیاف تک‌جهته استفاده شود، تأمین نیازهای مکانیکی در جهات مختلف دشوار خواهد بود.

در مقابل، ساختارهای چندمحوری امکان طراحی مکانیکی منطقی‌تری را از طریق ترکیب الیاف با زوایای مختلف — مانند ۰°، ±۴۵° و ۹۰° — فراهم می‌کنند.

به‌طور خاص:

الیاف ۰° عمدتاً بارهای کششی و فشاری طولی را تحمل می‌کنند؛

الیاف ±۴۵° افزایش مقاومت سازه در برابر بارهای برشی و پیچشی؛

درعین‌حال الیاف ۹۰ درجه‌ای به بهبود پایداری جانبی کمک می‌کنند.

با ترکیب الیاف در زوایای مختلف، طراحی باربر سازه‌ای منطقی‌تری حاصل می‌شود.

۲. مزایای برجسته در کاهش وزن

برای هواپیماها، حتی کاهش جزئی در وزن سازه می‌تواند بهبود عملکردی قابل‌مشاهده‌ای ایجاد کند.

الیاف کربنی به‌طور ذاتی دارای استحکام ویژه و سختی ویژه بالایی هستند و مزایای قابل‌توجهی در دستیابی به سبک‌سازی سازه‌ای فراهم می‌کنند.

علاوه‌براین، بافته‌های بافت‌شده‌ی عرضی چندمحور امکان طراحی جهت‌گیری الیاف را بر اساس ویژگی‌های بار محصول فراهم می‌کنند؛ بنابراین بدون اینکه الزامات عملکردی سازه نادیده گرفته شوند، لایه‌بندی غیرضروری مواد کاهش می‌یابد.

درنتیجه، این رویکرد صرفاً «جایگزینی مواد سنگین‌تر با مواد سبک‌تر» نیست، بلکه روشی برای دستیابی به سبک‌سازی سازه‌ای ازطریق بهینه‌سازی جهت‌گیری الیاف است.

چرا پارچه‌های بافت‌شدهٔ چندجهتهٔ اُرِی‌نتال بیشتر از پارچه‌های سنتی مورد توجه قرار می‌گیرند؟

علاوه بر خواص مکانیکی‌شان، پارچه‌های بافت‌شدهٔ چندمحور اُرِی‌نتال مزیت مهم دیگری نیز ارائه می‌دهند: کارایی در مرحلهٔ چیدمان لایه‌ها.

در فرآیندهای سنتی ساخت مواد مرکب، الیاف جهت‌دار در جهات مختلف اغلب باید به‌صورت جداگانه برش داده شده و چیده شوند، سپس بر اساس نیازهای طراحی در چند لایه روی هم قرار گیرند.

اما پارچه‌های بافت‌شدهٔ چندمحور اُرِی‌نتال امکان ترکیب الیاف جهت‌دار در جهات متعدد را در قالب یک مادهٔ یکپارچه و پیش‌ساخته فراهم می‌کنند. این بدان معناست که در ساختارهای خاصی، تعداد مراحل چیدمان لایه‌ها کاهش می‌یابد و در نتیجه کارایی در قراردادن ماده بهبود می‌یابد.

این امر به‌ویژه برای تولید انبوه آیری‌پلان‌های کم‌ارتفاع در آینده حائز اهمیت است.

زیرا با انتقال پهپادها از «سفارشی‌سازی مقیاس کوچک» به «تولید انبوه»، مواد نه‌تنها باید الزامات عملکردی را برآورده کنند، بلکه باید موارد زیر را نیز در نظر بگیرند:

کارایی تولید، استفاده از مواد، پایداری فرآیند و هزینه‌های ساخت.

در نتیجه، ارزش بافت‌های چندمحوری بافته‌شده با نخ‌های طولی تنها در «عملکرد ماده» آن‌ها نیست، بلکه در «کارایی ساخت» نیز نهفته است.

در آینده جای دیگری که ممکن است بافت‌های چندمحوری الیاف کربنی به کار روند کجاست؟

با ادامه توسعه اقتصاد ارتفاع پایین، کاربرد کاربرد مواد کربنی چندمحوری تنها به اجزای جداگانه محدود نمی‌شود.

حوزه‌هایی که در آینده باید زیر نظر گرفته شوند عبارتند از:

۱. سازه‌های بدنه پهپاد

در پوسته‌های بدنه، سازه‌های تحمل‌کننده بار و سایر اجزا به‌کار می‌روند تا کاهش وزن و تقویت سازه حاصل شود.

۲. بازوهای پهپاد

با ترکیب الیافی که در جهات مختلف جهت‌گیری شده‌اند، مقاومت بازوها در برابر خمش و پیچش افزایش می‌یابد.

۳. بال‌ها و سازه‌های بال

جهت‌گیری الیاف بر اساس ویژگی‌های بار در نواحی مختلف بال طراحی شده تا بهینه‌سازی سازه‌ای حاصل شود.

۴. بدنه و سازه‌های داخلی تحمل‌کننده بار هواپیماهای eVTOL

برآورده‌کردن الزامات جامع هواپیماهای بزرگ از نظر استحکام بالا، سبک‌وزن‌بودن و پایداری سازه‌ای.

۵. پروانه‌ها و سایر اجزای کامپوزیتی

طراحی چیدمان الیاف متناسب با جهت‌های خاص بار برای ارائه راه‌حل‌های موادی برای سازه‌های کامپوزیتی پیچیده.

وِینو: تأمین‌کننده مواد فیبر کربنی برای هواپیماهای ارتفاع پایین

به‌عنوان تأمین‌کننده مواد کامپوزیتی فیبر کربنی، وِینو مجموعه‌ای از محصولات شامل پارچه‌های بافته‌شده از الیاف کربن پارچه‌های تقویت‌شده تک‌جهته، پرپرگ‌ها، پارچه‌های بافت‌شده طولی چندمحوری، تخته‌های فیبر کربنی و قطعات ماشین‌کاری‌شده توسط دستگاه‌های CNC را ارائه می‌دهد و قابلیت‌های فرآورشی جامعی از مواد اولیه تا محصولات نیمه‌تمام دارد.

به‌ویژه، خط تولید بافت‌بافتی چندمحوری الیاف کربنی قادر است راه‌حل‌های مادی با جهت‌گیری‌های مختلف الیاف و ترکیبات مختلف گرمایشی را ارائه دهد تا نیازهای متنوع طراحی ساختاری مشتریان را برآورده سازد.

در برابر اقتصاد پروازهای کم‌ارتفاع که به‌سرعت در حال توسعه است، نوآوری در مواد به‌عنوان یک عامل کلیدی در سبک‌سازی هواپیماها ظهور کرده است.

در آینده، پارچه‌های بافت‌بافتی چندمحوری الیاف کربنی احتمالاً یکی از مواد کلیدی خواهند شد که امکان پرواز بیشتر هواپیماهای کم‌ارتفاع را با بار سبک‌تر فراهم می‌کنند.