自动化编织系统面向高性能、大批量应用

广泛采用复合材料的一个长期障碍，特别是在汽车行业，是需要大批量生产和比许多类型的复合材料制造工艺可行的成本更低。初创公司 WEAV3D Inc.（美国佐治亚州诺克罗斯）正在寻求通过其在自动化编织工艺中制造的连续热塑性复合增强晶格结构来解决这些问题，WEAV3D Inc. 预测，该结构旨在实现无浪费、经济高效的设计，大批量生产的推动者。

从概念到商业化

WEAV3D Inc. 的创始人兼首席执行官 Christopher Oberste 在获得博士学位期间为他的技术开发了最初的概念。 2014 年在佐治亚理工学院（乔治亚理工学院，亚特兰大）获得材料科学与工程博士学位。他在聚合物和纤维工程方面的研究以及在 GKN Aerospace North America（美国阿拉巴马州塔拉西）的合作实习激发了人们对热塑性塑料的兴趣和大批量工艺，如压缩成型和航空航天复合材料。这项工作促成了他的第一次迭代开发，用于热塑性复合材料增强晶格结构的高速、自动化编织工艺。在他的博士的帮助和支持下。顾问 Ben Wang 博士从佐治亚研究联盟和美国国家科学基金会的创新团队 (NSF I-Corps) 计划中申请并获得了赠款，以开发和商业化他的想法。

在接下来的两年中，Oberste 与 MBA 和法学院的学生合作，通过佐治亚理工学院名为 TI:GER（技术创新：产生经济成果）的合作项目将该技术商业化。到 2017 年，在 Megawatt Ventures 和美国能源部清洁技术大学奖的额外资助下，Oberste 和联合创始人、前美国海岸警卫队直升机飞行员 Lewis Motion 创立了 WEAV3D Inc.；如今，该公司拥有三名全职员工和四名兼职员工。

鉴于 Oberste 和 Motion 在航空领域的背景，最初的计划是将 WEAV3D 的热塑性复合材料作为航空部件中的增强结构。然而，奥伯斯特解释说，作为 NSF I-Corps 资助的一部分，他和他的团队必须对潜在的行业客户进行 100 次一系列采访，这导致他们采取了不同的方向。 “我们在航空航天领域做了很多探索性采访……但我们一次又一次地听到，初创企业进入航空航天的道路，尤其是采用新的制造工艺，非常艰难。采用时间真的很长，而且非常昂贵。许多公司还没来得及推向市场就夭折了，”他解释说。

在与其他行业的公司交谈后，奥伯斯特和他的团队决定将重点转向汽车和建筑市场。他说：“一旦我们开始与 [汽车行业] 的人们交谈，我们意识到该领域有一个非常大的未满足需求，因为汽车行业的人们对减轻重量有很多迫切的需求，但他们对价格也很敏感.他们告诉我们，大多数可用的传统复合材料制造工艺无法以他们想要的成本提供所需的数量。”从那时起，Oberste 着手将他的技术发展为以低成本生产大批量复合材料部件的可行解决方案。

结果是 WEAV3D 的注册商标 Rebar for Plastics 概念。 WEAV3D 使用自动编织和固结工艺制造尺寸可调的热塑性复合晶格结构，旨在通过压缩成型、注塑包覆成型或其他常见的大批量工艺轻松集成为塑料或混凝土部件中的增强材料。 Oberste 表示，基于仿真模型，这种方法能够生产出性能与钢或铝板相当但重量更轻且生产成本比通过有机片自动铺带形成的复合部件低 30-75% 的汽车部件。 ATL) 或手糊工艺。

WEAV3D 过程

WEAV3D 工艺从现成的热塑性单向 (UD) 胶带开始。 Oberste 表示，该工艺可以处理任何类型的热塑性和增强纤维：“我们在汽车和建筑领域所做的大部分工作的最佳选择是聚丙烯 [PP]、聚碳酸酯 [PC]、聚对苯二甲酸乙二醇酯 [PET]或聚酰胺 [PA] 空间。我们在增强纤维方面也非常不可知，尽管玻璃和碳纤维当然是最受欢迎的。”他说，该团队还对导电金属胶带进行了一些研究，并正在研究嵌入光纤的胶带。

WEAV3D 的全尺寸试验机经过标准化处理，可处理 25 毫米宽或 1 英寸宽的胶带，不过 Oberste 表示，该机器可以使用适配器处理小至 5 毫米（0.2 英寸）宽的胶带，更宽的胶带磁带与重组。在目前的机器上，可以根据应用需要的任何长度生产宽达 1.5 米（60 英寸）、厚达 5 层的格子。

该公司 2017 年 11 月的专利申请将 WEAV3D 系统描述为“一种用于连续制造具有可控内部织物几何形状的编织复合材料的机器”。从装载到机器上的线轴，UD 带被穿入一系列可独立控制的经纱头。每个头包含多个带通道，形成一个经纱梭口，经带之间的空间供纬向带穿过。插入器堆叠在纬线方向上通过经纱梭口分配单向带以形成复合组织。然后将编织格子在红外 (IR) 光源下拉动，然后通过压缩辊将胶带层在交织点处固结和粘合在一起。根据客户的要求，最终的结构以平板或卷的形式提供，或者 WEAV3D 提供额外的修边和预成型服务。

Oberste 说，WEAV3D 工艺最重要的好处之一是晶格结构在不同应用中的高度可调性。这包括在不同位置混合不同的材料，以及调整网格结构的密度或带之间的距离。 “我们确实可以根据最终产品的要求优化晶格结构，同时最大限度地降低总体成本。”

一旦交付给客户，格子就可以集成到聚合物混凝土部件中，或压缩成型、热成型或注塑包覆成型，以形成最终的汽车复合材料部件。 WEAV3D 过程还可以适应不同级别的复杂性。 Oberste 解释说，对于相对简单的零件，“这种晶格可以与层压工艺相结合，然后热成型，就像一个共同成型步骤。对于中等复杂的零件，我们可以在压缩成型中进行共成型或预成型，无论是热塑性压缩成型还是 SMC 压缩成型。然后对于非常复杂的零件，我们实际上可以将晶格预制成它需要的任何形状，将其放入工具中，然后对该零件进行注塑包覆成型。”

“我们在复合材料生态系统中的主要关注点是我们是大批量生产的游戏规则改变者，”他补充道。确切的产量取决于应用，但 Oberste 估计，对于尺寸用于增强汽车门板的格子零件，WEAV3D 的机器每年可生产 200,000 至 500,000 件。

此外，WEAV3D 产品在增强复合材料或塑料部件时还表现出增强的机械性能。 “将 WEAV3D 晶格与现有的短纤维塑料或长纤维复合材料相结合，可以显着提高最终产品的强度、刚度和韧性，”奥伯斯特说，但他补充说，增加的量因使用的特定材料和设计而有很大差异。一个特定的部分。 “在某些应用中，这种提高的性能可以显着减少零件厚度或肋条，从而减轻重量。”

钢筋混凝土沟槽：首次商业应用

在最初的几年里，这家初创公司的重点一直是生产一种特别适合汽车行业的制造方法和材料，尽管 Oberste 对如何将这项技术用于商业航空航天内饰部件、无人驾驶飞机、铁路、货运有自己的想法运输和海洋应用。

然而，对于 2020 年 11 月宣布的第一个商业应用，WEAV3D 从建筑市场开始，将玻璃纤维/PET 增强材料用于由 Oldcastle Infrastructure（美国乔治亚州亚特兰大）制造的聚合物混凝土沟槽系统。

Oldcastle 的沟渠系统用于在市区、火车站或工业厂房铺设公用电缆，必须能够承受 16,000 磅的车辆在其上方行驶的负载。以前，沟渠是用嵌入混凝土中的定制焊接钢丝笼加固的。然而，据 Oberste 称，这些钢笼的定制制造成本很高，而且由于 Oldcastle 制造了几种不同尺寸的沟渠，钢笼的尺寸并不总是正确加固沟渠排水孔的正确尺寸。 “通过我们的工艺，因为我们确实可以根据应用的要求优化晶格，我们能够调整晶格几何形状——例如，确保我们在沟槽底部的排水孔周围添加加固，并在沟槽底部添加加固。以便在搬运过程中保护其免受撞击，”他说。

此外，Oberste 说，该项目最具挑战性的方面之一是确定一种热塑性胶带材料，它可以与聚合物混凝土形成粘合，而不是仅仅依赖机械接口，就像钢笼一样增援。选择的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PETG) 材料 WEAV3D 在两种材料之间形成真正的粘合界面，这有助于应力传递并降低断裂的可能性。 “即使确实发生了断裂，”他补充说，“这种断裂传播到整个结构的可能性要小得多，因为它必须克服粘合界面。”

WEAV3D 将为此应用设计的格子作为 U 形槽预制件生产，然后 Oldcastle 将其放入铸模中，在其中浇注聚合物混凝土，然后固化和脱模以生产最终的钢筋混凝土结构。

在施工中，WEAV3D 计划将其晶格扩展到其他聚合物混凝土应用，例如外壳和盖子。 2020 年 10 月，WEAV3D 在与西安大略大学和结构工程公司 Entuitive 的联合提案中获得了加拿大国家科学和工程研究委员会的资助，以进行评估使用 WEAV3D 的晶格作为传统波特兰水泥增强材料的研究。基于混凝土。 Oberste 说，我们的目标是开发可用作非住宅楼板和外墙增强材料的格子。

下一代 WEAV3D：汽车速度

为满足汽车制造需求而设计的下一代 WEAV3D 机器正在 NSF 的研究资助下进行开发。 Oberste 表示它可能会在 2022 年上线。新系统的改进旨在将当前系统的生产速度提高三倍，包括用更高效的超声波焊接替换红外加热和压缩辊。

与此同时，Oberste 和他的团队已经开始与美国和欧洲的一级供应商和汽车行业的原始设备制造商讨论使用 WEAV3D 产品来加固塑料面板，范围从内饰部件到皮卡尾门。 “其中一个目标是在模制塑料部件中添加格子作为结构骨架，以提高它们的强度和刚度，并取代设计师目前依赖的金属支架和加强筋，”奥伯斯特说。 WEAV3D 还致力于制作汽车车身面板和其他部件的演示文章，以展示该材料的优势。