Bearbetningstekniker för fibervävning
Traditionell 2D-vävning involverar sammanflätning av varp- och inslagsgarn på en vävstol eller flerarmad vävmaskin för att skapa strukturer av slät, kypert och satängväv. Vävningsprocessen består av fem grundläggande åtgärder: fälla, plocka, slå, ta upp och släppa. Det finns olika utgjutningstekniker tillgängliga, såsom skyttel, gripare och luftstråle. Enkelskikts 2D-vävningsprocessen kan också användas för att väva vissa 3D-vävda strukturer, inklusive 3D ortogonala och vinkellåsande strukturer, 3D ihåliga distansstrukturer med tygmellanskikt och bikakestrukturer, 3D-skalstrukturer och 3D-nodstrukturer. Figur 1 illustrerar 2D-vävningsprinciperna för tillverkning av både konventionella 2D- och 3D-vävda strukturer med vinkelförregling.
Figur 1: 2D-vävningsprinciper för 2D- och 3D-vävda strukturer
Medan traditionella 2D-vävtekniker kan användas för att producera olika solida 3D-vävda strukturer, är tjockleksdimensionen begränsad. Av denna anledning har specialiserade 3D-vävmaskiner utvecklats för att tillverka 3D-vävda tyger. En av de tidigaste maskinerna som utvecklats utomlands är en speciell vävstol som används för att producera ortogonala strukturer med X-, Y- och Z-garn, som visas i figur 2.
Figur 2: Specialiserad 3D-vävmaskin för tillverkning av 3D ortogonala strukturer
I vävningsprocessen förblir fibrerna i Z-riktningen stationära medan X-fibrerna först sätts in och slås in i lämplig position, följt av insättning och slagning av Y-fibrer i sina respektive positioner. Denna operation upprepas för att generera en kompakt struktur tills önskad höjd uppnås, vilket resulterar i en 3D rektangulär tvärsektionsstruktur. Därefter utvecklades en 3D-vävmaskin med dubbla öppningar utomlands. Detta öppningssystem gör att varpgarnen kan sammanflätas med inslagstrådarna både horisontellt och vertikalt. Denna speciella 3D-vävteknik kan också direkt producera vävda gjutna material, vilket ger ultimat strukturell integritet även när tyget är klippt eller skadat.
Tillverkningen av treaxliga vävstrukturer uppnås genom integrationen av traditionell 2D-vävning och automatiserade vävtekniker. En typisk treaxlig vävmaskin, designad av Dow och tillverkad av Barber-Colman, visas i figur 2.28. Denna utrustning använder ett roterande hjul med spindlar för att lägga ner varpgarnen och använder en griparkant för att skapa ett skjul för införande av väftgarn.
Figur 3: Roterande hjul med spindlar för tillverkning av treaxliga vävkonstruktioner
Bearbetningstekniker för fiberstickningsstrukturer
Principerna för varpstickning och väftstickning illustreras i figur 4. I varpstickningsstrukturer matar varje nål på nålbädden kontinuerligt och bildar öglor med samma varpgarn inom en stickcykel. Specifikt matas nålarna A, B, C och D sekventiellt med samma varpgarn, vilket resulterar i en sektion av ögla tyg (E, F, G, H). I väftstickningsstrukturer, inom samma stickcykel, sker garnmatning och öglebildning på varje nål i nålstången. Alla nålar i nålstången (A, B, C och D) överlappas individuellt av separata väftgarnstyrningar (E, F, G och H).
Figur 4: Stickningsprinciper för fiberstrukturer: (överst) varpstickning; (nederst) inslagsstickning
Cirkulär väftstickning kännetecknas av produktion av rörformade tygstrukturer. Plattväftstickning erbjuder dock större flexibilitet när det gäller att konstruera olika typer av rörformade strukturer, inklusive enkla rör, bifurkerade rör och flergrenade rör, på grund av dess förmåga för individuellt val av nålar, ögleöverföring, multisystemstickning och användningen av sänkor och pressar. Figur 5 illustrerar stickningen av ett enda rör med utvalda nålar på en datoriserad platt stickmaskin.
Figur 5: Stickning av ett enda rör på en datoriserad platt stickmaskin
Rörstickning uppnås genom att växelvis sticka ett garn på två nålbäddar och överföra garnet från en bädd till den andra endast vid kanterna för att bilda ett rör. Genom att kombinera rörstickning med invändiga stickningstekniker kan olika varianter av stickningsstrukturer med ett rör uppnås.
Intarsia stickteknik gör det möjligt för stickmaskiner att använda flera olika fibrer för att sticka olika delar av tyget. Fibrer kan användas individuellt eller i kombination. Med denna teknik kan ett enda rör bildas genom att man först stickar en viss längd med en fiber och sedan introducerar en annan fiber för att samtidigt bilda två rör, vilket resulterar i ett delat rör. På liknande sätt, genom att använda fler fibrer, kan flergrenade rörstrukturer bildas.
Mångsidigheten hos datoriserade platta stickmaskiner möjliggör möjligheten att väva 3D-strukturer med mer komplexa former, såsom kupoler, sfärer och lådor, som visas i figur 6. Ett 2D-formningssegment som upprepar sig kan bilda en stickad kupolstruktur (Figur 6(b) )). Detta 2D-segment uppnås genom att upprepade gånger öka och minska antalet nålar i aktion. Varje formningssegment representerar en operation där tyget gradvis vidgas och sedan smalnar av. Typen av formningssegment påverkar kupolens vinkel och höjd-till-basförhållande, medan antalet formningssegment påverkar kupolens form. Genom att ersätta kupolens elliptiska segment med triangulära segment kan en lådliknande struktur bildas.
Figur 6: (a) Cirkulär kupol, (b) Stickad kupolstruktur, (c) Stickad sfär, (d) Stickad låda
Såsom visas i figur 6(d), för kupolstrukturer, är linjerna som representerar minskningen eller ökningen av antalet operationsnålar linjära snarare än krökta. Typen av formningssegment påverkar vinkeln på den resulterande kuben. Förhållandet mellan antalet forma och icke-formande nålar bestämmer bildförhållandet för den erhållna lådan. Möjligheten att ändra antalet stickor ger den största potentialen för datoriserade platta stickmaskiner att skapa olika 3D-former.
Intervallstrukturer produceras med hjälp av två uppsättningar nålar på cirkulära, platta väftstickningsmaskiner eller varpstickningsmaskiner. Cirkulära väftstickmaskiner utrustade med en cylinder och en skiva kan producera intervalltyger, där de individuella ytterskikten är förbundna med fibrer. Intervalltyger på cirkulära väftstickmaskiner skapas genom att sticka två olika tyger separat med hjälp av spärr- och cylindernålarna, och sedan förbinda de två lagren med veck på spärr- och cylindernålarna (Figur 7).
Figur 7: Tillverkning av intervalltyger på en cirkulär väftstickningsmaskin: (a) Cirkulär stickmaskin med dubbelsäng; (b) Stickning av intervalltyg på en cirkulär maskin
Avståndet mellan de två separata tygskikten kan justeras genom att ändra höjden på låsnålarna i förhållande till maskincylindern. Den förinställda tjockleken på intervalltyget på detta sätt kan variera från 1,5 till 5,5 millimeter. På samma sätt som att producera intervalltyger på cirkulära maskiner, produceras intervalltyger med garnintervalllager på platta stickmaskiner genom att bilda två oberoende tyglager på de främre och bakre nålbäddarna och sedan förbinda dem med instick på båda nålbäddarna (Figur 8).
Figur 8: Tillverkning av intervalltyger på en datoriserad plattstickningsmaskin: (a) Datoriserad plattstickningsmaskin; (b) Stickning av intervalltyg på en platt maskin
Avståndet mellan de två nålbäddarna bestämmer intervalltygets tjocklek. Till skillnad från cirkulära väftstickmaskiner är avståndet mellan de två nålbäddarna i platta väftstickmaskiner vanligtvis fixerat till cirka 4 millimeter. Skillnaden mellan väftstickade intervalltyger och andra typer av intervalltyger är att deras tre grundläggande strukturella element (dvs toppskikt, bottenskikt och intervallskikt) stickas ihop i samma stickningscykel. Inslagsstickade intervalltyger tillverkas på Raschel-maskiner med dubbelnålsstång, som visas i figur 9(a). När svärd 1 och 2 överlappar den främre nålstången och svärden 5 och 6 överlappar den bakre nålstången (stickning av det övre respektive undre lagret), överlappar svärden 3 och 4 intervallgarnet runt båda nålstängerna. Figur 9(b) illustrerar processen för att producera intervalltyger på en dubbelnålsstång Raschel-maskin RD 6.
Figur 9: Tillverkning av intervalltyger på en dubbelnålsstång Raschel-maskin: (överst) Schematisk illustration av principen; (nederst) Utrustningsdiagram