Verwerkingstechnieken voor vezelweefstructuren
Traditioneel 2D-weven omvat het verweven van schering- en inslaggarens op een weefgetouw of meerarmige weefmachine om effen, twill- en satijnweefselstructuren te creëren. Het weefproces bestaat uit vijf basishandelingen: afstoten, plukken, slaan, oppakken en loslaten. Er zijn verschillende uitwerptechnieken beschikbaar, zoals shuttle, rapier en luchtstraal. Het enkellaagse 2D-weefproces kan ook worden toegepast om bepaalde 3D-geweven structuren te weven, waaronder 3D-orthogonale en hoek-interlock-structuren, 3D-holle afstandsstructuren met stoffen tussenlagen en honingraatstructuren, 3D-schaalstructuren en 3D-knooppuntstructuren. Figuur 1 illustreert de 2D-weefprincipes voor het vervaardigen van zowel conventionele 2D- als 3D-hoek-interlock geweven structuren.
Figuur 1: 2D-weefprincipes voor 2D- en 3D-geweven structuren
Hoewel traditionele 2D-weeftechnieken kunnen worden gebruikt om verschillende solide 3D-geweven structuren te produceren, is de diktedimensie beperkt. Om deze reden zijn er gespecialiseerde 3D-weefmachines ontwikkeld om 3D-geweven stoffen te vervaardigen. Een van de eerste in het buitenland ontwikkelde machines is een speciaal weefgetouw dat wordt gebruikt om orthogonale structuren te produceren met X-, Y- en Z-garens, zoals weergegeven in figuur 2.
Figuur 2: Gespecialiseerde 3D-weefmachine voor het vervaardigen van 3D-orthogonale structuren
Tijdens het weefproces blijven de vezels in de Z-richting stationair terwijl de X-vezels eerst worden ingebracht en in de juiste positie worden geslagen, gevolgd door het inbrengen en kloppen van de Y-vezels in hun respectieve posities. Deze bewerking wordt herhaald om een compacte structuur te genereren totdat de gewenste hoogte is bereikt, wat resulteert in een 3D-rechthoekige dwarsdoorsnedestructuur. Vervolgens werd in het buitenland een 3D-weefmachine met dubbele opening ontwikkeld. Dit openingssysteem maakt het mogelijk dat de scheringgarens zowel horizontaal als verticaal met de inslaggarens kunnen worden verweven. Deze speciale 3D-weeftechniek kan ook direct geweven gegoten materialen produceren, waardoor ultieme structurele integriteit wordt geboden, zelfs als de stof wordt gesneden of beschadigd.
De productie van drieassige weefstructuren wordt bereikt door de integratie van traditioneel 2D-weeftechnieken en geautomatiseerde weeftechnieken. Een typische drie-assige weefmachine, ontworpen door Dow en vervaardigd door Barber-Colman, wordt getoond in figuur 2.28. Deze uitrusting maakt gebruik van een roterend wiel met spindels om de kettinggarens neer te leggen en gebruikt een grijperrand om een schuur te creëren voor het inbrengen van inslaggarens.
Figuur 3: Roterend wiel met spindels voor het vervaardigen van drieassige weefstructuren
Verwerkingstechnieken voor vezelbreistructuren
De principes van kettingbreien en inslagbreien worden geïllustreerd in figuur 4. Bij kettingbreistructuren voedt elke naald op het naaldbed continu lussen met hetzelfde kettinggaren binnen een breicyclus. Concreet worden de naalden A, B, C en D opeenvolgend gevoed met hetzelfde kettinggaren, wat resulteert in een gedeelte van lusvormige stof (E, F, G, H). Bij inslagbreistructuren vinden binnen dezelfde breicyclus garentoevoer en lusvorming plaats op elke naald in de naaldstang. Alle naalden in de naaldstang (A, B, C en D) worden afzonderlijk overlapt door afzonderlijke inslaggarengeleiders (E, F, G en H).
Figuur 4: Breiprincipes van vezelstructuren: (top)kettingbreien; (onder)inslagbreien
Circulair inslagbreien wordt gekenmerkt door de productie van buisvormige weefselstructuren. Vlak inslagbreien biedt echter een grotere flexibiliteit bij het construeren van verschillende soorten buisvormige structuren, waaronder enkele buizen, gevorkte buizen en buizen met meerdere vertakkingen, vanwege de mogelijkheid voor individuele naaldkeuze, lusoverdracht, breien met meerdere systemen en het gebruik van zinkers en pressers. Figuur 5 illustreert het breien van een enkele buis met behulp van geselecteerde naalden op een computergestuurde vlakbreimachine.
Figuur 5: Breien van een enkele buis op een computergestuurde vlakbreimachine
Buisvormig breien wordt bereikt door een garen afwisselend op twee naaldbedden te breien en het garen alleen aan de randen van het ene bed naar het andere over te brengen om een buis te vormen. Door buisvormig breien te combineren met interne breitechnieken kunnen verschillende variaties van breistructuren met één buis worden bereikt.
Dankzij de Intarsia-breitechnologie kunnen breimachines meerdere verschillende vezels gebruiken om verschillende delen van de stof te breien. Vezels kunnen afzonderlijk of in combinatie worden gebruikt. Met deze techniek kan één enkele buis worden gevormd door eerst een bepaalde lengte met één vezel te breien en vervolgens een andere vezel in te voeren om tegelijkertijd twee buizen te vormen, wat resulteert in een gespleten buis. Op soortgelijke wijze kunnen, door meer vezels te gebruiken, buisstructuren met meerdere vertakkingen worden gevormd.
De veelzijdigheid van computergestuurde vlakbreimachines maakt het mogelijk om 3D-structuren met complexere vormen te weven, zoals koepels, bollen en dozen, zoals weergegeven in figuur 6. Een zich herhalend 2D-vormsegment kan een gebreide koepelstructuur vormen (figuur 6(b). )). Dit 2D-segment wordt bereikt door het aantal actieve naalden herhaaldelijk te verhogen en te verlagen. Elk vormsegment vertegenwoordigt een bewerking waarbij de stof geleidelijk breder en vervolgens smaller wordt. Het type vormgevingssegment beïnvloedt de hoek en hoogte-basisverhouding van de koepel, terwijl het aantal vormgevingssegmenten de vorm van de koepel beïnvloedt. Door de elliptische segmenten van de koepel te vervangen door driehoekige segmenten kan een doosachtige structuur worden gevormd.
Figuur 6: (a) Ronde koepel, (b) Gebreide koepelstructuur, (c) Gebreide bol, (d) Gebreide doos
Zoals weergegeven in figuur 6(d) zijn voor koepelconstructies de lijnen die de afname of toename van het aantal bedieningsnaalden weergeven lineair in plaats van gebogen. Het type vormsegment beïnvloedt de hoek van de resulterende balk. De verhouding tussen het aantal vormgevende en niet-vormgevende naalden bepaalt de aspectverhouding van de verkregen doos. De mogelijkheid om het aantal breinaalden te veranderen biedt de grootste mogelijkheden voor geautomatiseerde vlakbreimachines om verschillende 3D-vormen te creëren.
Intervalstructuren worden geproduceerd met behulp van twee sets naalden op cirkelvormige, platte inslagbrei- of kettingbreimachines. Rondinslagbreimachines uitgerust met een cilinder en een schijf kunnen intervalstoffen produceren, waarbij de afzonderlijke buitenlagen door vezels met elkaar zijn verbonden. Intervalstoffen op rondinslagbreimachines worden gemaakt door twee verschillende stoffen afzonderlijk te breien met behulp van de grendel- en cilindernaalden, en vervolgens de twee lagen te verbinden met plooien op de grendel- en cilindernaalden (Afbeelding 7).
Figuur 7: Productie van intervalstoffen op een rondbreimachine met rondinslag: (a) Rondbreimachine met tweepersoonsbed; (b) Intervalstof breien op een cirkelmachine
De afstand tussen de twee afzonderlijke stoflagen kan worden aangepast door de hoogte van de vergrendelingsnaalden ten opzichte van de machinecilinder te veranderen. De vooraf ingestelde dikte van het intervaldoek kan op deze manier variëren van 1,5 tot 5,5 millimeter. Net als bij het produceren van intervalstoffen op cirkelmachines, worden intervalstoffen met garenintervallagen geproduceerd op vlakbreimachines door twee onafhankelijke stoflagen te vormen op de voorste en achterste naaldbedden en deze vervolgens te verbinden met plooien op beide naaldbedden (Afbeelding 8).
Figuur 8: Productie van intervalstoffen op een computergestuurde vlakbreimachine: (a) Computergestuurde vlakbreimachine; (b) Intervalstof breien op een vlakke machine
De afstand tussen de twee naaldbedden bepaalt de dikte van de intervalstof. In tegenstelling tot rondbreimachines is de afstand tussen de twee naaldbedden bij vlakinslagbreimachines meestal vastgesteld op ongeveer 4 millimeter. Het verschil tussen inslaggebreide intervalstoffen en andere soorten intervalstoffen is dat de drie structurele basiselementen (dat wil zeggen de bovenste laag, de onderste laag en de intervallaag) in dezelfde breicyclus aan elkaar worden gebreid. Inslaggebreide intervalstoffen worden geproduceerd op Raschel-machines met dubbele naald, zoals weergegeven in figuur 9 (a). Wanneer geleidestangen 1 en 2 de voorste naaldstang overlappen en geleidestangen 5 en 6 de achterste naaldstang overlappen (waarbij respectievelijk de bovenste en onderste laag worden gebreid), overlappen de geleidestangen 3 en 4 opeenvolgend het intervalgaren rond beide naaldstangen. Figuur 9(b) illustreert het proces van het produceren van intervalstoffen op een Raschel-machine RD 6 met dubbele naald.
Figuur 9: Productie van intervalstoffen op een Raschel-machine met dubbele naald: (boven) Schematische weergave van het principe; (onder) Uitrustingsdiagram