3D 織られた炭素繊維プリフォームで作られた多機能オーゼティックおよびハニカム複合材

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22593 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

三次元 (3D) 織物複合材料は、主に航空宇宙分野や自動車分野など、さまざまな産業分野で応用が見出され始めています。 3D 織物は、自動化された複合材料製造に備えた複雑でニアネットシェイプのプリフォームを形成するように設計できます。 3D 織りハニカム生地は、完成した複合材料に正と負のポアソン比などの追加機能を組み込むように設計されています。 この研究では、複合構造を製造する際の膨張挙動の影響を実証するために、さまざまな織り方設計を使用して複雑なハニカム構造を作成しました。 Jacquard UNIVAL 100 と 3072 6 k カーボンファイバートウのクリールを備えた Staubli 3D 製織システムを使用して、設計されたハニカム構造を製織しました。 硬質ポリエステルフォームインサートを使用して、3D 織布をハニカムおよびオーゼティックプリフォームに変換しました。 これらのプリフォームはエポキシ樹脂を使用して注入され、ハニカムおよびオーゼティック複合構造のセットを製造しました。 ベースラインのハニカム構造と比較すると、開発したオーゼティック複合材料は、引張試験と圧縮試験の場合、それぞれ - 2.86 と - 0.12 の負のポアソン比を示したことが証明されています。

多機能 3D 織物複合材料は、進行性の破損を通じてエネルギーを吸収すると同時に、破損の開始を超えて徐々に荷重プロファイルが減衰する能力を備えています 1,2。 したがって、衝突または衝撃荷重に耐える能力が設計要件である状況では、これらは非常に興味深いものとなります。 3D 織物複合材料は、さまざまな分野、特に航空宇宙および自動車用途で応用され始めています。 いくつかの OEM および Tier 1 メーカーがこれらの構造を積極的に調査しています。 航空宇宙分野では、3D 織物構造はすでにファンブレードやファンケーシングに使用されています。 開発は初期段階にあり、衝撃性能を改善し、構造の重量を最適化する機会がたくさんあります。 車、バス、電車などの車両に使用される衝突構造が正確に予測可能であり、製造が再現可能であることが重要です。 3D ウィービングを使用して複合材料に機能を追加する機会もあります。

3D ウィービングは専門的な活動であり、必要な研究を実施できるセンターはほとんどありません。 DORNIER や STAUBLI などの繊維メーカーは 3D 織機を製造していますが、複合材料用途向けの 3D 織物は現在初期段階にあります。 英国では、Sigmatex UK Ltd、M Wrights & Sons、Antich & Sons などの企業が 3D ウィービングを利用する社内機能を開発しましたが、そのような技術をサプライチェーン全体に導入するにはさらなる研究開発が必要です。 最近、シェフィールド大学 AMRC は、ギャップを埋めて業界を支援するために使用される 3D ウィービング機能を確立しました。

3D 織物プリフォームは、高度な複合材料の製造において多機能性を実証する機能を備えています。 3D 多機能構造の 1 つはオーゼティック機能であり、調査して業界に実証する必要があります。 これは拡張可能なハニカム型構造 3 の形になる可能性があり、これを織ってテストして、衝突、圧縮、衝撃などの高い損傷耐性を備えた機械的性能と潜在的に向上した機械的性能を示すことができます。 図 1 は、オーゼティック構造と従来のハニカム構造を幾何学的に比較したものです。つまり、張力にさらされたオーゼティック材料は、加えられた張力に対して横方向の寸法が増加します。 オーゼティック構造には、衝突状況において優れたエネルギー吸収などのいくつかの利点がありますが、予測可能な挙動を備えたオーゼティック構造を再現可能に製造するにはさらなる作業が必要です4。