編織與紡織碳纖維預浸料的比較
Joby Aviation與A&P Technology、東麗先進復合材料公司和NIAR合作，最近進行了一項研究，比較使用傳統紡織預浸料和編預浸料的翼梁的鋪層。
Joby Aviation（美國加利福尼亞州圣克魯斯市）自成立以來，已將自己確立為先進航空機動性市場的領跑者之一，并且沒有放緩的跡象。2025年1月，Joby宣布已成功完成電動垂直起降（eVTOL）飛機尾部結構的靜載荷測試，并根據型式檢驗授權進行了第一次聯邦航空管理局測試，TIA是飛機開始商業客運運營的認證程序。Joby聲稱它是第一家完成TIA五個階段中三個階段的eVTOL制造商。2025年3月，Joby還宣布與英國維珍航空公司合作，在英國推出空中出租車服務。
Joby廣泛使用復合材料制造eVTOL飛機。在準備商業運營的同時，Joby探索了如何擴大其制造規模。Joby最近與材料供應商東麗先進復合材料公司、A&P Technology公司和國家航空研究院合作，進行了一項時間研究，尋求優化飛機零件設計，以實現高生產率，同時滿足成本和可持續性目標。該項目涉及部分翼梁的生產，并研究兩種材料解決方案之間的制造時間和成本差異:A＆P的TX-45連續+/-45°編織增強材料和東麗的TC380/T800HB 6K傳統0°/90°紡織物預浸料。
初始材料迭代和測試
Joby當前的鋪層方法包括傾向切割東麗TC380 0°/90°2×2斜紋紡織預浸料，以獲得45°取向的鋪層。Joby和東麗正在努力鑒定該材料（NCAMP材料規范NMS 380）。與此同時，Joby看到了一個潛在的節省材料的機會，用A&P技術的編織材料代替紡織材料。根據東麗熱固性塑料產品經理尚特爾·卡馬德斯的說法，替代方法使用相同的纖維和編織模式，但采用傾向45°，這有助于提高懸垂性，并將拼接需求降至最低。
A&P Technology的TX-45編織材料
Joby很早就對A&P Technology的編織材料感興趣。據Joby的復合材料快速開發負責人羅里·吉芬介紹，他的團隊首先開始在公司的?原型飛機。該團隊正在尋找連續+/-45°鋪層，以簡化鋪層切割并減少總鋪層數。他們最初用A&P的雙模材料進行了實驗，其中包括一種叫做軸的穩定紗線。然而，軸向限制了材料的懸垂性，由于其飛機外形復雜最終導致Joby決定Bimax?。
A&P Technology接受了這一反饋，經過不斷迭代，開發了TX-45，一種無軸心的純45°織物，并于2023年聯系吉芬的團隊進行初步試驗。雖然Bimax和TX-45都能實現更高效的處理，但TX-45在長、高縱橫比零件上更具懸垂性。TX-45材料測試使用機身蒙皮層壓模具從Joby的原型飛機-相同的條件，提出吉芬最初的懸垂性的關注。在一次成功的試驗之后，隨后的會議計劃評估TX-45在Joby生產飛機上的應用。
Joby Aviation的復合材料和機身制造工程負責人奧雷利安·斯坦普爾說：“我們當時真的對TX-45很感興趣。”。“不幸的是，當時我們沒有足夠的帶寬在內部進行試驗。”這導致Joby和A&P與NIAR接洽，在其位于堪薩斯州威奇托的工廠進行試驗。在此基礎上，開展了鋪層研究。
該項目的范圍是比較使用傳統編織0°/90°2×2斜紋布加固的預浸料與使用A&P Technology的TX-45編織+/-45°2×2材料加固的預浸料。該研究可以證明兩種方法之間的單批次等效性，并使Joby能夠將TC380/T800HB 6K 2×2斜紋TX-45納入其合格產品清單，即經測試和證明符合特定質量和性能標準的產品清單。
簾布層切割和配套
復合材料鋪層中的鋪層方向對平衡力學性能至關重要。由于機織物的自然卷曲（經紗保持平直而緯紗經歷更多變形），緯紗方向的強度性能較低。為了抵消這一點，使用層鏡像，以對稱模式對齊層，以平均拉伸強度并確保結構完整性。因此，層切割和裝配是制造復雜結構的關鍵步驟。鋪層切割包括根據設計參數，使用手動或自動方法精確成型預浸料鋪層。準確度對于確保纖維方向正確、減少浪費和保持結構完整性至關重要。切割后，對簾布層進行識別、分類、標記，并將其堆放在套件中，以便進行鋪層。精心組織確保正確的順序和方向，防止制造過程中出現錯誤。
手工鋪放比較
TX-45時間研究的目標之一是比較鋪層切割和配套的效率，以及產生的廢料。向工程師提供了Joby機翼截面的2D切割文件，并要求他們從TX-45編織材料和東麗TC380 2×2斜紋紡織0°/90°預浸料中提取預浸料層，以進行鋪層練習。
Joby的AFP高級制造工程師羅賓·約翰斯頓負責開發用于此試驗的所需剪切文件和說明，他親自在NIAR支持試驗。從TX-45材料中提取了八層，每層長12英尺。制作了八層相同序列的TC380機織材料疊層，每層由每層中的四到五個接頭組成。記錄材料切割、裝配和手動鋪放時間，以比較兩種材料類型在制造示范零件期間的效率。
Raku工具SB-0451是Ramf集團的可加工板材品牌，用作低成本工具材料選項。
為了保持一致性，兩種方法都有四名經過培訓的工作人員參與，并對工藝進行監控，以記錄每層的鋪層時間、工藝的穩健性和最終零件質量。零件的輪廓幾何結構規定，每層必須從模具中心開始，向下覆蓋到內外半徑。
技術人員報告說，由于模具表面的低粘性，直接接觸模具的初始鋪層在兩次試驗中都很難鋪設。加熱有助于固定第一層。
在研究過程中，編織材料在拉伸時比紡織材料表現出更大的柔韌性（懸垂性和適形性），并且產生的褶皺明顯較少，褶皺可能導致零件缺陷。此外，這項研究表明，更具挑戰性的是，以消除皺紋紡織斜紋材料和需要額外的時間花在仔細奠定了每個部分，以確保有效的重疊。在TX-45編織翼剖面上，最終零件的質量和均勻度要高得多。
NIAR技術人員拼接翼梁的一部分疊層
紡織材料的拼接要求也提出了挑戰。當使用傳統預浸料鋪設12英尺截面時，必須仔細引導每個拼接件，以符合拼接要求，并保持中心線至兩側均勻的懸垂長度。
使用TX-45材料，消除了拼接要求。因此，簾布層切割任務更簡單，操作Gerber切割機所需的專業知識也減少。更簡單的鋪層提取和配套大大減少了切割過程中出現錯誤的機會，這也轉化為減少了制造過程中的浪費。
事實上，最大限度地減少浪費是Joby時間學習背后的一大動機。結果表明，在紡織斜紋材料切割過程中收集的廢料量明顯高于TX-45材料，這主要是由于紡織材料的拼接要求。雖然拼接是套裁的，以最大限度地減少浪費，但仍然存在數量不均的帶有角度形狀的拼接部分，這些角度形狀增加報廢部分。
紡織0°/90°織物的雙層順序（+45和-45）套裁。
同時，A&P的TX-45材料顯示廢物收集率顯著降低。NIAR工程師能夠在切割過程中小心地套材鋪層，以獲得最大的卷的優勢，并最終在提取鋪層時產生約25%的浪費。相比之下，切割和裝配傳統的0°/90°紡織物預浸料可產生高達40%的廢料。
使用TX-45編織物的+/-45°裁片。
總體而言，與傳統預浸料相比，團隊注意到使用TX-45編織材料完成零件所需的勞動力顯著減少。此外，Joby報告說，TX-45完成制造任務所需的技能量較低，這表明簡化了制造中的鋪放工作。
預浸料浪費問題
碳纖維預浸料具有強度高、重量輕、耐久性好等 優點，在航空航天領域具有廣闊的應用前景。然而，管理其廢物提出了重大挑戰。
廢物可以迅速積累， 特別是在大批量生產環境中。因此，廢物收集和管理需要謹慎處理。一旦收集了廢料，就需要對其進行適當處理或回收。適當的廢物收集不僅對效率很重要，而且對安全也很重要。在制造環境中，累積的廢料會造成絆倒危險、火災風險和其他安全問題。報廢量也會顯著增加最終零件成本。
廢物產生量高–由于修整和生產效率低，大部分預浸料材料未使用。
有限的回收選項–傳統的回收方法難以保持材料的原始屬性，導致向下循環到低價值產品。
環境影響-預浸料廢物通常含有不易分解的環氧樹脂，如果焚燒，會導致填埋場累積和潛在的有毒排放。
監管挑戰–嚴格的處置法規和危險品分類可能會增加航空航天制造商的成本和物流復雜性。
雖然正在探索更好地管理碳纖維預浸料廢料的創新解決方案，包括在熱解、溶解和再利用戰略方面取得的進展，但在制造過程中減少生產廢料的解決方案也是解決這一問題的一個重要方面。
追求簡單和高效
最終，由合作伙伴進行的時間研究表明，使用TX-45可減少約40%的浪費和勞動力。手工鋪放編織TX-45簡化，需要較少的技術人員的努力，在較短的時間，并產生了更好的部分。最終鋪層包括8個TX-45不間斷鋪層，而傳統的0°/90°紡織預浸料需要32個拼接，以實現相同的長度和厚度。
東麗公司進行的機械試驗表明，采用TX-45編織織物生產的預浸料與采用更傳統的0°/90°斜紋紡織物生產的預浸料具有很強的等效性。
東麗公司的材料科學工程師拉塞爾·柯克曼說：“TX-45編織物的質量給我們留下了深刻的印象。”。“預浸料非常容易，而且我們的預浸料質量也非常好。我們在篩選與傳統紡織斜紋布材料等效的材料時所做的初步機械測試非常一致。因此，我們對結果非常滿意。最終的目標是使其成為標準斜紋布的形式、適合性和功能替代品，我們在預篩選過程中所做的一切都指向了這一可能性。
0°/90°TC380/T800HB紡織物與+/-45°TC380/T800編織物的單批對批比較。如圖所示，+/-45°編織織物中各纖維方向的抗拉強度性能相同，而與經紗相比，0°/90°紡織物在緯紗方向上表現出折皺。當鋪設多層拼接45°紡織物以創建復合材料結構時，這種不匹配會加劇。通過減少裝配復雜性和錯誤定位鋪層的機會，可以通過減少質量審查的頻率來提高速度，并最終提高首件質量。
根據Joby advanced development staff工程師約翰·格里吉烏斯的說法，進一步探索使用TX-45編織材料有許多優點，包括減少循環時間、減輕零件重量和減少所需拼接的數量，這意味著減少了檢查點的數量——所有這些都提高了生產效率。“這真的應該成為一個行業標準，”他說。
斯坦普爾補充道：“從各個方面來看，都有很多好處。如果我們著眼于整個全球城市交通行業，只有降低飛機的總體成本，才有可能實現。能夠將零件成本降低X倍，因為我們浪費更少的材料，并使用像TX-45這樣易于使用的材料——這些都是巨大的收益，不需要太多困難就能實現。”
在快節奏的復合材料領域，先進技術不斷改變著制造商生產高性能零件的方式。其中一項創新是從傳統機織物向編織增強材料的轉變，尤其是在機翼、翼梁和桁條等航空航天部件所必需的+/-45°臨界方向。
傳統方法的局限性
從歷史上看，航空航天工業一直依賴0°/90°編織預浸料來創建離軸方向。這種方法雖然有效，但也帶來了一些挑戰，特別是切割和拼接效率低下。每個零件都需要精心的配套和處理，以對齊和拼接多個短件，導致大量的材料浪費，通常在30%到40%之間。工藝復雜性擴展到管理拼接位置的工程工作、配套的額外勞動力和嚴格的質量檢查，以確保重疊接頭的正確定向和對齊。
TX-45™簡介：范式轉換
進入TX-45™，這是一種專為+/-45°鋪層改造鋪層工藝而設計的編織織物。與紡織物不同，TX-45™具有連續45°結構，幾乎無需拼接。這種無縫設計不僅通過減少勞動力和材料浪費簡化了制造，而且提高了整體零件質量。TX-45™具有一致的厚度和均勻的粘合線，可最大限度地減少負載路徑中的干擾，并優化結構完整性。
釋放效率
TX-45™的好處不僅限于減少廢物和提高質量。由于簡化了搬運和加工，制造商在勞動力、材料使用和顯著降低設備成本方面節省了40%。TX-45™的連續性允許更快的鋪放速度和更好的可持續性，符合行業對效率和環境責任的要求。
轉變航空航天制造業
實際上，TX-45™有助于輕松創建復雜的高強度零件。其固有的懸垂性和均勻的張力在兩個方向上使其成為理想的形狀復雜的幾何結構，而不損害性能。無論是減輕寄生重量還是增強結構可靠性，TX-45™都在復合材料制造領域樹立了新的標準，使制造商能夠實現更輕、更強和更具成本效益的解決方案。
結論：擁抱未來
隨著航空航天和其他行業對性能和效率要求的不斷提高，TX-45™等材料成為創新的證明。通過為+/-45°層采用編織織物，制造商不僅提高了其底線，而且為復合材料制造業的可持續未來鋪平了道路。擁抱向TX-45™的轉變，并在工程、生產和性能方面發掘新的可能性。借助先進的編織復合材料技術，加入邁向更智能、更高效明天的旅程。
原文，1.《Aerospace prepregs with braided reinforcement demonstrate improved production rates, cost》；2.《Embracing Innovation: The Evolution of Braided Fabrics in Composite Manufacturing》
楊超凡
