3B kompozitler

3B kumaşların birkaç tanımı vardır. En yaygın olanı Roye'un tanımıdır: Tekstil yapısı uzayda üç boyuta sahip olduğunda, bir kumaş, üretim tekniğinden bağımsız olarak 3B kumaş olarak adlandırılabilmektedir.
Tarihçe
3B dokuma kompozitler ilk olarak yaklaşık 30 yıl önce uçak frenlerindeki pahalı yüksek sıcaklık metal alaşımlarının yerini alma girişimiyle geliştirilmiştir.
Fren bileşeninin ön kalıbını üretmek için 3B dokuma, Avco Corporation tarafından gerçekleştirilmiştir. Karbon fiberlerin radyal, çevresel ve eksenel yönlerde hizalandığı içi boş silindirik ön şekillerin, dokunmasına izin vermek için özel bir dokuma tezgahı geliştirilmiştir. Ön kalıp, uçak frenleri için bazı istenen özellikleri yani yüksek özgül dayanım ve özgül sertlik özelliklerinin yanı sıra ısıl bozulmaya karşı mükemmel direnç gösteren bir karbon-karbon kompoziti halinde işlenmiştir. 3B dokuma kompozitlerin araştırma ve geliştirme çalışmaları, bazı uçak yapılarında kullanılan geleneksel 2B laminatlarda karşılaşılan sorunlar nedeniyle ilginin arttığı 1980' lerin ortalarına kadar düşük bir seviyede kalmıştır. Yaşanan sorunların iki örneği vardır. Birincisi, uçak üreticilerinin laminatlardan karmaşık bileşenler üretmeyi pahalı bulmalarıdır. İkincisi ise uçak bakım mühendisleri, laminatların düşen aletlerin neden olduğu hasara karşı oldukça hassas olduğunu fark etmeleridir. Bu tür üretim ve bakım sorunları, uçak yapılarında ve bileşenlerinde gelişmiş 3B dokuma kompozitlerin kullanılmasının potansiyel faydalarını değerlendirme çabasının arkasındaki ana güçlerdir.
3B dokuma kompozitler
Üç boyutlu dokuma kumaşlar, hatırı sayılır kalınlıkta net şekle yakın (nete yakın şekil (NNS) imalatı, bir bileşenin ilk imalatının bitmiş ürüne boyut ve şekil olarak yakın olmasını amaçlayan süreçler olarak bilinmektedir.) şekle getirilebilen kumaşlardır. Bir parça oluşturmak için katmanlamaya gerek yoktur çünkü tek bir kumaş tam üç boyutlu takviye sağlamaktadır. 3B dokuma kumaş, 2B dokuma işleminin bir çeşididir ve çok eski ikili ve üçlü dokuma kumaş oluşturma tekniğinin bir uzantısıdır.
Bifurkasyon gibi jakarlı dokuma teknikleri kullanarak, 3B dokuma preformlar (ön şekillendirilmiş malzeme olarak bilinmektedir), standart bir I-Kirişten karmaşık bir Sinüs Eğrisi I-Kirişe, Uçak Kanat Profillerine ve diğer birçok şekle kadar neredeyse sonsuz şekillerde oluşturulmaktadır. Reçine transfer kalıplama ile tamamlanan 3 boyutlu dokuma kompozitler 26 fitten daha uzun üretilmiştir.
3B dokuma kompozitler, motor rotorları (makinelerin dönen bölümleri olarak bilinmektedir.), roket burun konileri ve nozulları(püskürtme sistemi olarak bilinmektedir.), motor yatakları (motorda dönen parçaların arasındaki sürtünmeyi azaltan parçalardır.), uçak çerçevesi, T ve X şeklindeki levhalar, uçak kanatları için ön kenarlar ve sivil altyapı için I-Kirişler dahil olmak üzere çeşitli mühendislik uygulamaları için kullanılır.
3B dokuma kumaşların sınıflandırılması
Ticari olarak temin edilebilen çeşitli 3 boyutlu dokuma kumaş türleri vardır; dokuma tekniklerine göre sınıflandırılmaktadır.
3B dokuma çift örgü kumaşlar: Uygun dokuma tasarımı ve teknikleri kullanılarak geleneksel bir 2B dokuma tezgahında üretilen 3B dokuma kumaşlardır.
3B ortogonal dokuma kumaşlar: Özel bir 3B dokuma tezgahında üretilen dokuma kumaşlardır. Bu tür bir kumaş oluşturma işlemi Mohamed ve Zhang tarafından patentlenmiştir. 3B ortogonal dokuma kumaşın mimarisi üç farklı iplik setinden oluşur; çözgü iplikleri (y-iplik), atkı iplikleri (x-iplik) ve z-iplik' dir. Z-ipliği, ön kalıbın kalınlık yönünde yerleştirilir. 3B ortogonal dokuma kumaşta çözgü ve atkı iplikleri arasında geçme yoktur ve bunlar düz ve birbirine diktir. Öte yandan, z-iplikleri, atkı ipliği üzerinde y-yönü boyunca birbirine geçerek (yukarı ve aşağı hareket ederek) çözgü ve atkı tabakalarını birleştirmektedir. Kumaşın üst ve alt yüzeyinde taramalar meydana gelmektedir.
Avantajlar
3 boyutlu dokuma kumaşlar, z-ipliğinin geçiş kalınlığı boyutunda sağladığı ekstra dayanım sayesinde kompozit yapının düzlem dışı yüklemeye maruz kaldığı uygulamalarda çok kullanışlıdır. Böylece, düzlem dışı kuvvetler nedeniyle katmanların ayrılması olan delaminasyona daha iyi karşı koymaktadır.
3B dokuma kumaşlar yüksek bir şekillenebilirliğe sahiptir, bu da karmaşık kompozit tasarımlarda kalıbın şeklini kolayca alabilecekleri anlamına gelmektedir.
3B dokuma kumaşlar, reçine infüzyon işlem süresini azaltan oldukça gözenekli bir yapıya sahiptir.
3B ortogonal dokuma kumaşlarda daha az iplik kıvrımı vardır veya hiç yoktur (dokuma öncesi ve sonrası iplik uzunluğundaki farktan bahsedilmektedir); bu nedenle, liflerin mekanik özellikleri neredeyse tamamen çözgü ve atkı yönlerinde kullanılmaktadır. Böylelikle bu yönlerde yüksek performanslı elyafların maksimum yük taşıma kapasitesinden faydalanabilir.
3 boyutlu dokuma kumaşların şekli, dokuma işlemi sırasında her üç yönde de inceltilerek I-kirişler ve sertleştiriciler gibi ağa yakın şekilli kumaşlar üretilmektedir. Bu, preformların herhangi bir ek işçilik gerekmeden doğrudan kalıba yerleştirilebileceği anlamına gelmektedir.
Bir parça oluşturmak için katmanlamaya gerek yoktur, çünkü tek kumaş, tam üç boyutlu takviyeyi sağlayan önemli bir kalınlığa sahiptir.
3B dokuma kumaş farklı şekillerde kalıplanmaktadır ve biyolojik uygulamalarda yedek dokular oluşturmak için kullanılmaktadır.
3B örgülü kompozitler
Örgü, bir kompozit için bir 3 boyutlu fiber malzeme üretmek için kullanılan ilk tekstil sürecidir.
3B örgülü kumaş teknolojisi, kumaşın iki veya daha fazla iplik sisteminin entegre bir yapı oluşturmak için iç içe geçmesiyle yapıldığı, köklü 2B örgü teknolojisinin bir uzantısıdır.
1960'ların sonlarında, 2B kompozit laminatlarla ilgili sorunları aşmak için geliştirildi, ancak aynı zamanda örgü işleminin faydalarını da korumuştur.
Kompozit ön şekiller olarak kullanılan örgülü yapılar, filaman (iplik olarak da bilinmektedir.) sarma ve dokuma gibi diğer rakip işlemlere göre bir dizi avantaja sahiptir.
Örgülü kompozitler, filaman sargılı kompozitlere kıyasla üstün tokluk ve yorulma mukavemetine sahiptir. Dokuma kumaşlar ortogonal geçişe sahipken, örgüler 10' dan 858' e kadar geniş bir açı aralığında inşa edilmektedir. Üç eksenli örgüler üretmek için örgü işlemine ek bir eksenel iplik seti eklenilmektedir. Üç eksenli örgüler daha kararlıdır ve neredeyse izotropik özellikler sergilemektedir.
Örgüler, dikişsiz borular veya kesintisiz kenarlı düz kumaşlar olarak üretilmektedir. Örgülü preformlar ile üretilen kompozitler, elyaf sürekliliği nedeniyle, geniş kumaş kompozitlere kıyasla üstün mukavemet ve çatlama direnci sergilemektedir. Örgülü deliklere sahip kompozitler, yine elyaf sürekliliği nedeniyle, delinmiş deliklere kıyasla yaklaşık 1.8 kat daha fazla dayanım sergilemektedir.
3B örgülü kompozitlerin uygulama alanları
3B örgülü kumaşlar, tıp, havacılık, otomobiller, tren bileşenleri ve güçlendirilmiş hortumlar gibi alanlarda uygulamalar bulunmuştur. 3B örgülü kumaşların ilk gelişimi kompozit ve medikal endüstrilerinden gelmiştir. 3B örgülü kumaşlar sayısız çeşitte enine kesitte üretilmektedir ve bunların ağa yakın karmaşık şekilleri, her iki endüstri için çok özel ürünler tasarlamayı mümkün kılmaktadır. Helikopterlerde, kirişler, sandviç yapılar, çerçeveler ve paneller gibi tipik yapısal bileşenler, 3B örgülü profiller kullanılarak üretilir. Benzer şekilde, binek araçlarda karmaşık kiriş yapıları ve döşeme panelleri üretmek için 3D kumaşlar kullanılır. Tren yapıları için, 3B örgülü profillerden üretilen farklı bileşenler arasında çatı paneli, iç bileşenler, yan paneller ve gövde yapıları bulunmaktadır.
Roket motoru bileşenlerinden sadece birkaçı yapılmış olsa da, karmaşık bir şekle sahip hafif ağırlıklı bir kompozit bileşen üretme yeteneğini göstermiştir.
3B dikişli kompozitler
Kompozitlerin dikilmesi ilk olarak 1980' lerin başında Holt ve Cacho-Negrete tarafından, yüksek bindirme eklem mukavemetleri elde etmek için kürlenmemiş (sertleşmemiş) karbon fiber-epoksi prepreg ( karbon, cam ve aramid gibi malzemelerle ilave edilmiş reçine matris sistemi olarak bilinmektedir.) laminatların birleştirilmesi için bir yöntem olarak değerlendirilmiştir. Bu erken çalışmalar, dikişin, gelişmiş savaş uçaklarındaki kompozit yapıları birleştirmek için yapışkanlı bağlama ve perçinlemenin (iki ya da daha fazla levhayı birbirine sökülmeyecek şekilde bağlama işlemidir.) yerine geçip geçmeyeceğini belirlemeyi amaçlamaktadır. Holt, dikişli panelden sertleştiriciye ek yerlerinin gerilme mukavemetinin dikişsiz eklemlere göre% 72' ye varan oranda daha yüksek olmasıyla, dikişin bir birleştirme yöntemi olarak önemli bir ümit vadettiğini göstermiştir. Bazı durumlarda, dikişli bağlantıların gücü, metal perçinlerle güçlendirilmiş bağlantılardan bile daha yüksektir. Bu ilk çalışmaların bildirilmesinden kısa bir süre sonra, darbe hasarı toleransı ve daha az ölçüde kalınlık boyunca mukavemet gibi özellikleri iyileştirmek için düz laminat panelleri kalınlık yönünde güçlendirmek için dikiş kullanılmıştır.
3D Z-pinleme
Standart dikiş işlemine bu alternatif yöntem ilk olarak 1980'lerin sonunda tanıtıldı ve ticari olarak Aztex şirketi tarafından Z-Fiber teknolojisi olarak geliştirilmiştir. "Bu teknoloji, önceden sertleştirilmiş takviye liflerinin daha sonra bir prepreg veya kuru kumaşın üzerine yerleştirilip vakumla torbalanan termoplastik bir köpüğün içine gömülmesinden oluşur. " 12 Sıcaklık ve basınç arttıkça köpük çökmektedir, bu da liflerin yavaşça dizilime itilmesine olanak tanımaktadır. Kompozit tabakanın farklı katmanları arasında mekanik bir bağlantı sağlamak için Z-pinlemeyle ilgili 3B güçlendirme gerekmektedir. Bu bağlantı Z-pinlemede sert bir karbon fiber çubuktur. Z-pin (kalınlık yönünde-z gömülü küçük çaplı karbon fiber) kompozitler, 2D dokuma kompozitlerin sahip olmadığı daha yüksek kalınlık boyunca sertlik ve mukavemet sağlamak için bir araçtır.
3D Z-Pinli kompozitlerin uygulanması
Giriş kanalı yüzey panellerinin güçlendirilmesi ve F / A-18 Super Hornet savaş uçağında şapka şeklindeki sertleştiricilerin sabitlenmiştir.
Üç boyutlu preformlara reçine uygulaması
Birçok üç boyutlu ön şekillendirilmiş malzeme (preform), bir katı fiber ilaveli matris oluşturmak için bir reçine uygulandığında ve preform içinde kürlendiğinde (sertleştirme olarak da bilinmektedir.) karmaşık kompozit malzemelere dönüştürülmektedir. 3B ön kalıplar için en yaygın reçine uygulaması şekli, bir ön kalıp şeklinde bir kalıbın oluşturulduğu ve ön kalıbın daha sonra içine yerleştirildiği reçine transfer kalıplama işlemidir. Kalıp kapatılmaktadır ve daha sonra matris malzemesinin reçinesi belirli sıcaklık ve basınç altında ilave edilmektedir ve ardından kürlenmesine izin verilmektedir. Kalıp daha sonra 3B kompozit malzemenin dışından çıkarılmaktadır.
3B kompozitlerin 2B kompozitlere karşı mekanik değerlendirilmesi
3D dokuma kompozitin mikroyapısı, esas olarak fiber mimarisi tarafından dokuma preform ve dokuma prosesine ve daha az ölçüde konsolidasyon üretimine göre belirlenir. 3B dokuma işlemi sırasında yanlışlıkla 3B kompozitin düzlem içi, kalınlık ve darbe özelliklerini bozabilecek çeşitli kusur türleri oluşturulmaktadır. Bir 2B kompozit ile karşılaştırıldığında, düzlem boyunca mekanik özellikleri önemli ölçüde azaltmadan bir 3B kompozit ile darbe direnci, sıkıştırma sonrası sıkıştırma (CAI) ve delaminasyon (birbirini oluşturan parçaların ayrılma olayı olarak bilinmektedir.) kontrolü önemli ölçüde iyileştirilmiştir.