Waarom zijn veelassige koolstofvezel warp-gebreide stoffen de nieuwe favoriet van de ‘lage-altitude-economie’ geworden?

Welke nieuwe eisen stelt de ontwikkeling van de lage-altitude-economie aan materialen?

Voor drones en eVTOL’s betekent ‘lichtheid’ niet eenvoudigweg gewichtsvermindering.

Het verminderen van het gewicht van een vliegtuig kan het energieverbruik tijdens de vlucht verlagen, de vluchtduur verlengen en de laadcapaciteit vergroten. Daarom is het minimaliseren van het structurele gewicht, terwijl structurele veiligheid en stijfheid worden gegarandeerd, altijd een belangrijke uitdaging geweest bij het ontwerp van lage-altitude-vliegtuigen.

Tegelijkertijd moeten lage-altitude-vliegtuigen ook omgaan met complexe belastingsomstandigheden.

Het romp-, arm-, vleugel-, propeller- en verbindingstructuur ondergaat tijdens de vlucht diverse belastingen, waaronder trekkracht, drukkracht, buiging, torsie en trilling.

Dit betekent dat het ideale constructiemateriaal niet alleen hoge sterkte en stijfheid moet bezitten, maar ook specifiek kan worden ontworpen om rekening te houden met de richting van de krachten die op verschillende delen van de constructie inwerken.

Dit is precies waar de voordelen van meervoudig-axiale koolstofvezel warp-gebreide stoffen liggen.

Wat is een meervoudig-axiale koolstofvezel warp-gebreide stof?

In tegenstelling tot gangbare 0°/90° koolstofvezel vlak- en twillweefsels interlacen meervoudig-axiale warp-gebreide stoffen de vezels niet eenvoudigweg.

Het maakt het mogelijk koolstofvezels in verschillende richtingen te plaatsen, zoals:

combinaties van 0°, ±45° en 90°, onder andere.

Vezels in verschillende richtingen dragen belastingen in verschillende richtingen, en de warp-gebreide garens bevestigen vervolgens de afzonderlijke vezellaagjes om een geheel te vormen.

Deze structuur maakt het mogelijk de vezeloriëntatie van het materiaal beter af te stemmen op de werkelijke spanningsomstandigheden waaraan het product wordt blootgesteld.

Eenvoudig gezegd:

waar steeds een kracht in een bepaalde richting moet worden weerstaan, kunnen meer vezels in die richting worden geplaatst.

Dit maakt meerassige, geweven koolstofvezelstoffen bijzonder geschikt voor de constructies van vliegtuigen en lage-vliegtuigen, die hoge eisen stellen aan zowel structurele prestaties als gewicht.

Waarom is het bijzonder geschikt voor drones?

1. Multidirectionele belastingdraagvermogen om complexe belastingsvereisten te vervullen

Drones ondergaan krachten niet alleen uit één richting.

Bijvoorbeeld tijdens de vlucht worden de armen tegelijkertijd belast door krachten zoals buiging, torsie en trilling.

Indien uitsluitend unidirectionele vezellagen worden gebruikt, is het moeilijk om aan de mechanische vereisten in verschillende richtingen te voldoen.

In tegenstelling thereto maken meerassige structuren een rationeler mechanisch ontwerp mogelijk via de combinatie van vezels die onder verschillende hoeken zijn georiënteerd, zoals 0°, ±45° en 90°.

Specifiek:

0°-vezels dragen voornamelijk longitudinale trek- en drukbelastingen;

±45°-vezels versterken de weerstand van de constructie tegen schuif- en torsielasten;

terwijl 90°-vezels dragen bij aan een verbeterde zijdelingse stabiliteit.

Door vezels onder verschillende hoeken te combineren, kan een meer rationeel constructief dragend ontwerp worden bereikt.

2. Uitstekende voordelen op het gebied van gewichtsreductie

Voor vliegtuigen kan zelfs een geringe vermindering van het constructiegewicht tastbare prestatievoordelen opleveren.

Koolstofvezel heeft van nature een hoge specifieke sterkte en specifieke stijfheid, wat aanzienlijke voordelen biedt voor het realiseren van een lichtgewicht constructie.

Bovendien maken meervoudig-georiënteerde warp-knitted weefsels het mogelijk om de vezeloriëntatie af te stemmen op de belastingskenmerken van het product, waardoor onnodige materiaallaagdikten kunnen worden verminderd zonder in te boeten op de vereiste constructieprestaties.

Daarom is deze aanpak niet eenvoudigweg een kwestie van ‘zwaardere materialen vervangen door lichtere’, maar eerder een methode om een lichtgewicht constructie te realiseren via optimalisatie van de vezeloriëntatie.

Waarom trekt veelrichtings-waarpgeweven stof meer aandacht dan traditionele stoffen?

Naast hun mechanische eigenschappen bieden multi-axiale waarpgeweven stoffen nog een belangrijk voordeel: efficiëntie bij het leggen van lagen.

Bij traditionele composietproductieprocessen moeten vezels die in verschillende richtingen zijn georiënteerd vaak afzonderlijk worden gesneden en gelegd, voordat ze volgens de ontwerpvereisten in meerdere lagen worden gestapeld.

Multi-axiale waarpgeweven stoffen daarentegen maken het mogelijk om vezels met meerdere oriëntaties van tevoren te combineren tot één geïntegreerd materiaal. Dat betekent dat, bij bepaalde constructies, het aantal stapelslagen kan worden verminderd, waardoor de efficiëntie van het plaatsen van materialen verbetert.

Dit is met name belangrijk voor de toekomstige massaproductie van lage-altitude-vliegtuigen.

Dit komt doordat, naarmate drones zich verplaatsen van ‘kleinschalige maatwerkproductie’ naar ‘massaproductie’, materialen niet alleen aan prestatievereisten moeten voldoen, maar ook rekening moeten houden met:

productie-efficiëntie, materiaalgebruik, processtabiliteit en productiekosten.

Bijgevolg ligt de waarde van meervoudig-axiale warp-knitted weefsels niet alleen in hun ‘materiaalprestaties’, maar ook in hun ‘productie-efficiëntie’.

Waar zouden koolstofvezel meervoudig-axiale warp-knitted weefsels in de toekomst nog meer kunnen worden toegepast?

Naarmate de lage-altitude-economie zich blijft ontwikkelen, de toepassing toepassing van meervoudig-axiale koolstofvezelmaterialen is niet beperkt tot afzonderlijke onderdelen.

Toekomstige gebieden om in de gaten te houden zijn:

1. UAV-rompstructuren

Gebruikt in rompschalen, dragende structuren en andere onderdelen om gewichtsreductie en structurele versterking te bereiken.

2. UAV-armen

Door vezels in verschillende richtingen te combineren, wordt de buig- en torsiestijfheid van de armen verbeterd.

3. Vleugels en vleugelconstructies

De vezeloriëntatie is ontworpen op basis van de belastingskenmerken van verschillende gebieden van de vleugel om structurele optimalisatie te bereiken.

4. eVTOL-romp en interne dragende constructies

Voldoet aan de uitgebreide eisen van grote vliegtuigen op het gebied van hoge sterkte, lichtgewicht constructie en structurele stabiliteit.

5. Rotoren en andere composietcomponenten

De vezelopstelling wordt ontworpen volgens specifieke belastingsrichtingen om materiaaloplossingen te bieden voor complexe composietstructuren.

Weinuo: Levering van koolstofvezelmateriaal voor lage-altitude-vliegtuigen

Als leverancier van koolstofvezelcomposieten biedt Weinuo een reeks producten inclusief koolstofvezel geweven stoffen , unidirectionele versterkingsstoffen, prepregs, multi-axiale warp-knitted stoffen, koolstofvezelpanelen en CNC-gefrezen onderdelen, en beschikt over uitgebreide verwerkingsmogelijkheden die zich uitstrekken van grondstoffen tot halfafgewerkte producten.

Met name is de productielijn voor koolstofvezel multiaxiale weefselgeweven stoffen in staat om materiaaloplossingen met verschillende vezeloriëntaties en combinaties van grammoor te leveren, om aan de diverse structurele ontwerpvereisten van klanten te voldoen.

In het licht van de snel groeiende lage-altitude-economie komt materiaalinnovatie steeds meer op als een belangrijke drijfveer voor het verlichten van vliegtuigen.

In de toekomst zullen koolstofvezel multiaxiale weefselgeweven stoffen waarschijnlijk één van de sleutelmaterialen worden die meer lage-altitude-vliegtuigen in staat stellen ‘met een lichtere last de lucht in te gaan’.