Dlaczego wieloosiowe tkaniny z włókna węglowego wykonane techniką dziania warpowego stały się nową ulubienicą «gospodarki niskiego pułapu»?

Jakie nowe wymagania stawia rozwój gospodarki niskiego pułapu materiałom?

W przypadku dronów i eVTOLi «lekkość» nie oznacza po prostu zmniejszenia masy.

Zmniejszanie masy statku powietrznego pozwala obniżyć zużycie energii podczas lotu, wydłużyć czas lotu oraz zwiększyć nośność. W związku z tym minimalizowanie masy konstrukcji przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa i sztywności strukturalnej zawsze stanowiło kluczowe wyzwanie w projektowaniu statków powietrznych poruszających się na niskich wysokościach.

Jednocześnie statki powietrzne poruszające się na niskich wysokościach muszą radzić sobie również ze złożonymi warunkami obciążenia.

Płat, ramy, skrzydła, śmigła oraz elementy łączące są podczas lotu narażone na różnorodne obciążenia, w tym rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie oraz drgania.

Oznacza to, że idealny materiał konstrukcyjny nie tylko musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością i sztywnością, lecz także musi umożliwiać dostosowanie jego właściwości do kierunku sił działających na poszczególne elementy konstrukcji.

Dokładnie w tym obszarze przejawiają się zalety wieloosiowych tkanin dzianych z włókien węglowych.

Czym jest wieloosiowa tkanina dziana z włókien węglowych?

W przeciwieństwie do typowych tkanin z włókien węglowych o układzie 0°/90° – płaskich i skośnych – wieloosiowe tkaniny dzianinowe nie opierają się jedynie na przepuszczaniu włókien przez siebie.

Umożliwiają one ułożenie włókien węglowych w różnych kierunkach, takich jak:

kombinacje kierunków 0°, ±45° oraz 90°, a także inne.

Włókna ułożone w różnych kierunkach przenoszą obciążenia w różnych kierunkach, a nici dzianinowe zapewniają wzajemne połączenie poszczególnych warstw włókien, tworząc spójną całość.

Taka struktura umożliwia lepsze dopasowanie orientacji włókien materiału do rzeczywistych warunków naprężeń występujących w produkcie.

Prościej mówiąc:

tam, gdzie siła musi być przenoszona w określonym kierunku, można umieścić więcej włókien w tym właśnie kierunku.

Dzięki temu wieloosiowe tkaniny dzianinowe z włókien węglowych są szczególnie odpowiednie do konstrukcji samolotów i pojazdów latających na niskich wysokościach, które stawiają wysokie wymagania zarówno co do wydajności konstrukcyjnej, jak i masy.

Dlaczego są szczególnie odpowiednie do dronów?

1. Nośność w wielu kierunkach, aby spełnić złożone wymagania obciążeniowe

Drony nie są narażone wyłącznie na siły działające w jednym kierunku.

Na przykład podczas lotu ramiona są jednoczesnymi poddawane obciążeniom takim jak zginanie, skręcanie i drgania.

Zastosowanie wyłącznie warstw włókien ułożonych w jednym kierunku utrudnia spełnienie wymagań mechanicznych w różnych kierunkach.

W przeciwieństwie do tego struktury wieloosiowe umożliwiają bardziej racjonalne zaprojektowanie właściwości mechanicznych poprzez połączenie włókien ułożonych pod różnymi kątami, np. 0°, ±45° i 90°.

W szczególności:

włókna 0° głównie przenoszą rozciągające i ściskające obciążenia wzdłużne;

włókna ±45° zwiększają odporność konstrukcji na obciążenia ścinające i skręcające;

podczas gdy włókna 90° pomóc w poprawie stabilności bocznej.

Łącząc włókna pod różnymi kątami, można osiągnąć bardziej racjonalny projekt nośny konstrukcji.

2. Wybitne zalety w zakresie redukcji masy

W przypadku samolotów nawet niewielka redukcja masy konstrukcyjnej przekłada się na rzeczywiste korzyści w zakresie wydajności.

Włókno węglowe charakteryzuje się z natury wysoką wytrzymałością właściwą i sztywnością właściwą, co daje istotne zalety przy realizacji lekkich konstrukcji.

Ponadto wieloosiowe tkaniny dzianinowe pozwalają zaprojektować orientację włókien zgodnie z charakterystyką obciążeń danego produktu, co pozwala zmniejszyć niepotrzebną warstwowość materiału przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dotyczących wydajności konstrukcyjnej.

W związku z tym podejście to nie ogranicza się jedynie do ‚zastępowania cięższych materiałów lżejszymi’, lecz stanowi metodę osiągania lekkich konstrukcji poprzez optymalizację orientacji włókien.

Dlaczego tkaniny dzianinowe wielokierunkowe przyciągają większą uwagę niż tradycyjne tkaniny?

Oprócz właściwości mechanicznych wieloosiowe tkaniny dzianinowe zapewniają jeszcze jedną istotną zaletę: wydajność układania.

W tradycyjnych procesach wytwarzania kompozytów włókna ułożone w różnych kierunkach często wymagają osobnego cięcia i układania, zanim zostaną ułożone w wielu warstwach zgodnie z wymaganiami projektowymi.

Wieloosiowe tkaniny dzianinowe umożliwiają jednak połączenie włókien ułożonych w wielu kierunkach w jeden, zintegrowany materiał już na etapie wytwarzania. Oznacza to, że w niektórych konstrukcjach liczbę etapów układania można zmniejszyć, co poprawia wydajność umieszczania materiału.

Jest to szczególnie ważne dla przyszłej masowej produkcji statków powietrznych latających na niskich wysokościach.

Dzieje się tak dlatego, że w miarę jak drony przechodzą od „małoskalowej personalizacji” do „masowej produkcji”, materiały muszą nie tylko spełniać wymagania dotyczące wydajności, ale także uwzględniać:

wydajność produkcji, wykorzystanie materiału, stabilność procesu oraz koszty produkcji.

W związku z tym wartość wieloosiowych tkanin dzianych wzdłużnie leży nie tylko w ich «właściwościach materiałowych», ale także w ich «efektywności produkcyjnej».

Gdzie jeszcze w przyszłości mogą być stosowane wieloosiowe tkaniny dziane wzdłużnie z włókna węglowego?

W miarę dalszego rozwoju gospodarki niskiego pułapu zastosowanie zastosowanie wieloosiowych materiałów z włókna węglowego nie ogranicza się do poszczególnych komponentów.

Obszary wymagające szczególnej uwagi w przyszłości obejmują:

1. Konstrukcje kadłubów dronów (UAV)

Stosowane w powłokach kadłubów, konstrukcjach nośnych oraz innych komponentach w celu redukcji masy i wzmocnienia struktury.

2. Ramy dronów (UAV)

Poprzez połączenie włókien ułożonych w różnych kierunkach zwiększana jest odporność ram na zginanie i skręcanie.

3. Skrzydła i konstrukcje skrzydeł

Orientacja włókien jest zaprojektowana zgodnie z charakterystyką obciążeń różnych obszarów skrzydła w celu osiągnięcia optymalizacji konstrukcyjnej.

4. Kadłub eVTOL i wewnętrzne konstrukcje nośne

Spełnienie kompleksowych wymagań dużych statków powietrznych dotyczących wysokiej wytrzymałości, lekkiej konstrukcji oraz stabilności strukturalnej.

5. Wirniki i inne komponenty kompozytowe

Projektowanie układów włókien zgodnie ze specyficznymi kierunkami obciążeń w celu zapewnienia rozwiązań materiałowych dla złożonych konstrukcji kompozytowych.

Weinuo: Dostarczanie materiałów z włókna węglowego do statków powietrznych niskiego pułapu

Jako dostawca kompozytów z włókna węglowego Weinuo oferuje szereg produkty w tym tkaniny z włókna węglowego tkanin jednokierunkowych do wzmacniania, prepregrów, wieloosiowych tkanin dzianych, paneli z włókna węglowego oraz komponentów frezowanych CNC oraz dysponuje kompleksowymi możliwościami przetwarzania obejmującymi cały zakres od surowców po półfabrykaty.

W szczególności linia produkcyjna wieloosiowych, dzianych wzdłużnie materiałów z włókna węglowego umożliwia dostarczanie rozwiązań materiałowych o różnym ułożeniu włókien oraz różnych kombinacjach gramatury, aby spełnić zróżnicowane wymagania klientów dotyczące konstrukcji.

Wobec szybko rozwijającej się gospodarki niskich pułapów innowacje materiałowe stają się kluczowym czynnikiem przyspieszającym proces lekkowania statków powietrznych.

W przyszłości wieloosiowe, dziane wzdłużnie tkaniny z włókna węglowego mogą stać się jednym z kluczowych materiałów umożliwiających większej liczbie statków powietrznych latających na niskich pułapach „wzlatywanie z mniejszym obciążeniem”.