Чому багатовісні тканини з вуглецевого волокна, виготовлені методом варп-трикотажу, стали новим улюбленцем «економіки низької висоти»?

Які нові вимоги до матеріалів ставить розвиток економіки низької висоти?

Для дронів та eVTOL-літальних апаратів «легкість» — це не просто зменшення маси.

Зменшення маси літального апарату дозволяє знизити енергоспоживання під час польоту, подовжити тривалість польоту та збільшити вантажопідйомність. Отже, мінімізація конструктивної маси при одночасному забезпеченні структурної безпеки й жорсткості завжди була ключовим викликом у проектуванні літальних апаратів низької висоти.

Одночасно літальні апарати низької висоти мають також витримувати складні умови навантаження.

Фюзеляж, рами, крила, гвинти та з’єднувальні конструкції під час польоту зазнають різноманітних навантажень, зокрема розтягу, стиску, згину, кручення та вібрації.

Це означає, що ідеальний конструктивний матеріал повинен не лише мати високу міцність і жорсткість, а й дозволяти спеціалізоване проектування з метою адаптації до напрямку сил, що діють на різні частини конструкції.

Саме тут і проявляються переваги багатовісних в’язаних трикотажних тканин із вуглецевого волокна.

Що таке багатовісна в’язана трикотажна тканина із вуглецевого волокна?

На відміну від поширених плоских і саржевих тканин із вуглецевого волокна з орієнтацією ниток 0°/90°, багатовісні в’язані трикотажні тканини не просто переплітають волокна.

Вони дозволяють розміщувати вуглецеві волокна в різних напрямках, зокрема:

у комбінаціях 0°, ±45° та 90°, серед інших.

Волокна різної орієнтації сприймають навантаження в різних напрямках, а в’язані трикотажні нитки фіксують окремі шари волокон, утворюючи єдину цілісну структуру.

Така будова дозволяє краще узгодити орієнтацію волокон матеріалу з реальними умовами напруження, що виникають у виробі.

Простими словами:

там, де потрібно сприймати зусилля в певному напрямку, можна розмістити більше волокон саме в цьому напрямку.

Це також робить багатовісні виткані волокна з вуглецевого волокна особливо придатними для конструкцій літаків та літальних апаратів низької висоти, які мають високі вимоги щодо як конструкційної ефективності, так і маси.

Чому вони особливо придатні для дронів?

1. Багатонапрямкове несуче навантаження для задоволення складних вимог щодо навантажень

На дрони діють сили не лише в одному напрямку.

Наприклад, під час польоту рами одночасно зазнають навантажень, таких як згин, кручення та вібрація.

Якщо використовувати лише одноманітні укладки волокон, важко задовольнити механічні вимоги в різних напрямках.

Натомість багатовісні структури дозволяють реалізувати раціональніший механічний дизайн за рахунок поєднання волокон, орієнтованих під різними кутами, наприклад, 0°, ±45° та 90°.

Зокрема:

волокна 0° переважно сприймають поздовжні розтягуючі та стискальні навантаження;

волокна ±45° підвищити опір конструкції до зсувних і крутильних навантажень;

поки що волокна під кутом 90° сприяють покращенню поперечної стабільності.

Поєднуючи волокна під різними кутами, можна досягти раціональнішого проектування несучої конструкції.

2. Виняткові переваги у зменшенні маси

Для літаків навіть незначне зменшення маси конструкції забезпечує помітні переваги у експлуатаційних характеристиках.

Вуглецеве волокно за своєю природою має високу питому міцність і питому жорсткість, що надає значні переваги у досягненні легкості конструкції.

Крім того, багатовісні тканини з гладкої в’язки дозволяють проектувати орієнтацію волокон залежно від характеру навантажень на виріб, що зменшує зайве наслоєння матеріалу, не порушуючи вимог до експлуатаційних характеристик конструкції.

Тож такий підхід — це не просто «заміна важчих матеріалів на легші», а метод досягнення легкості конструкції шляхом оптимізації орієнтації волокон.

Чому багатонапрямкові тканини, виготовлені методом в’язання з поздовжньою основою, привертають більше уваги, ніж традиційні тканини?

Крім їх механічних властивостей, багатовісні тканини, виготовлені методом в’язання з поздовжньою основою, мають ще одну значну перевагу: ефективність укладання.

У традиційних процесах виробництва композитів волокна, орієнтовані в різних напрямках, часто потрібно окремо різати й укладати, а потім накладати в кілька шарів згідно з проектними вимогами.

Багатовісні тканини, виготовлені методом в’язання з поздовжньою основою, дозволяють заздалегідь поєднати волокна, орієнтовані в кількох напрямках, у єдиний інтегрований матеріал. Це означає, що в певних структурах кількість операцій укладання можна зменшити, що підвищує ефективність розміщення матеріалу.

Це особливо важливо для майбутнього масового виробництва літальних апаратів низької висоти.

Справа в тому, що, коли дрони переходять від «малих партій за індивідуальним замовленням» до «масового виробництва», матеріали повинні не лише відповідати вимогам до продуктивності, а й враховувати:

ефективність виробництва, використання матеріалів, стабільність процесу та виробничі витрати.

Отже, цінність багатовісних трикотажних тканин з варп-переплетенням полягає не лише в їх «експлуатаційних характеристиках матеріалу», а й у «ефективності виробництва».

Де ще можуть застосовуватися у майбутньому багатовісні трикотажні тканини з варп-переплетенням із вуглецевого волокна?

Оскільки економіка низької висоти продовжує розвиватися, застосування застосування багатовісних матеріалів із вуглецевого волокна не обмежується окремими компонентами.

Напрямки, на які варто звернути увагу в майбутньому:

1. Фюзеляжні конструкції БПЛА

Використовуються в оболонках фюзеляжу, несучих конструкціях та інших компонентах для досягнення зменшення маси та підсилення конструкції.

2. Руки БПЛА

Поєднуючи волокна, орієнтовані в різних напрямках, підвищується опір рук на згин і крутний момент.

3. Крила та конструкції крил

Орієнтація волокон розроблена з урахуванням характеристик навантаження різних ділянок крила для досягнення структурної оптимізації.

4. Фюзеляж eVTOL і внутрішні несучі конструкції

Відповідає комплексним вимогам великих літаків щодо високої міцності, легкості та структурної стабільності.

5. Ротори та інші композитні компоненти

Розробка розташування волокон з урахуванням конкретних напрямків навантаження для забезпечення матеріальних рішень складних композитних конструкцій.

Weinuo: Постачання вуглецевих волокон для літаків низької висоти

Як постачальник композитів на основі вуглецевих волокон, Weinuo пропонує широкий асортимент продукти включаючи тканини з вуглецевого волокна односпрямованих армуючих тканин, преґрегів, багатовісних трикотажних тканин, панелей із вуглецевого волокна та компонентів, оброблених на ЧПК-верстатах, а також має повний спектр технологічних можливостей обробки — від сировини до напівфабрикатів.

Зокрема, виробнича лінія багатовісних в’язаних основов’язаних тканин із вуглецевого волокна здатна надавати матеріальні рішення з різними орієнтаціями волокон та поєднаннями грамажу, щоб задовольнити різноманітні вимоги замовників до конструктивного проектування.

У контексті швидко розвиваючоїся економіки низької висоти інновації в галузі матеріалів стають ключовим чинником зменшення маси літальних апаратів.

У майбутньому багатовісні в’язані основов’язані тканини із вуглецевого волокна, ймовірно, стануть одним із ключових матеріалів, що дозволять більшій кількості літальних апаратів низької висоти «підніматися в повітря з меншим навантаженням».