三维编织机的研究现状与发展趋势

中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室北京 100025

1 编织技术由来已久

编织技术由来已久，有证据表明，早在公元前4000年就有绳索的使用记载，人们把头发分成三股并将其互相交叉编织在一起，这就是最简单的手工编织。模仿编辫子的机器被称为编织机，由简单到复杂，逐步发展。由于三维编织设备自动化水平较低，目前，我国的编织产业主要集中在二维编织的绳、带、缆等方面，三维编织设备已成为制约三维编织技术在复合材料领域广泛应用的瓶颈。

2 编织机的分类与国内外发展现状

三维编织机主要分为三类：步进式、角导轮式、机械臂式，每类编织机各有特点，适用的预制件的形状和结构不同。

2.1 步进式三维编织机

步进式三维编织机是由二维编织发展而来，其机械结构简单，设备成本低，通用性较高，但设备扩展后卡纱现象严重，且需要将编织纱一个90°的旋转动作拆分成纵、横两步完成，编织效率低。

1971年General Electric 的研究人员最早提出用纵、横步进法代替角导轮的编织工艺方法，并开发出了适用于该方法的“omni.weave”编织机；1982年Floretlne 对“omni.weave”编织机进一步完善，申请了名为“Magnaweave”的编织设备专利[1]，其编织底盘如图1所示；为应对航空航天部门大尺寸三维编织部件的需求，1985年，美国Atlantic Research 公司研制生产一台64×194 的大型三维编织机，这台编织机一直处于严格保密状态[2]；为应对较长部件的需求，1989年，北卡州立大学研制了一种适用于步进式编织机使用的携纱装置，在编织过程中连续喂纱[3]，至此步进式三维编织机已相当完善。

最近几年，美国 ALBANY 公司将纵横步进的编织机设计为圆形，用于编织各类管件织物，其携纱量为1000根编织纱[4]，如图2所示。虽然外形和结构上有很大差异，但步进式的基本原理是一致的。

国内三维编织起步较晚，但发展迅速，像东华大学、中国纺织科学研究院有限公司、天津工业大学、北京航空航天大学、南京玻璃纤维研究院等都做了大量研究工作。1996年天津工业大学研制出一台三维编织机，编织纱2 万根，周纱2 万根，共计可挂纱线4 万根，如图3所示。但所研制设备结构复杂，通用性差，即每台设备只能编织一种预制件，不能实现一机多用。

2.2 旋转式三维编织机

2000年，Laourine 等对角导轮式编织机进行改进，发明的Herzog 旋转式三维编织机[5-6]，通过离合装置控制携纱器的启动和停止，可根据编织工艺设置纱线器是否参与编织或者那段时间参与编织，如图4所示；2002年，Mungalov 等在此基础上增加了转换装置，使得相邻角轮间允许两个携纱器同时通过而不发生冲突，图5为 3TEX公司据此生产的旋转式三维编织机的样机[7]。

2009年，加拿大英属哥伦比亚大学AFML 实验室和德国亚琛工业大学ITA 研究所合作发明的六角形三维编织机[8-10]，如图6所示。其旋转角度为60 的倍数，如60°、120°、180°，可以根据工艺选择所需的旋转角度，可兼容的工艺种类进一步提高，且携纱器密度增加了，为后续的设备大型化奠定了基础。

国内柏瑞鼎研制的旋转式三维编织机，其编织机为模块化设计，可根据需求，与用户共同搭建适合用户生产的、可方便重组、可扩展的三维编织平台，包括矩形及其组合形状三维编织平台，以及圆形三维编织平台,如图7所示。但不同形状织物编织前的设备重组耗时耗力，延长了编织物的生产周期。

2.3 机械臂式三维编织机

中国纺织科学研究院有限公司针对目前我国三维编织装备相对落后的状态，组织了专门的开发团队，研制开发出机械臂式三维编织机的验证机。其目标是在同一台设备上，根据产品需求输入不同的编织工艺参数，可高效实现不同结构的三维编织预制件的编织。

其中最为关键的是模块化设计和零传动设计。该设计结构中,每一个携纱器可通过编织工艺指令，到达设备上任意指定位置，以丰富携纱器的运行轨迹。这样的设计结构，可以解决齿轮传动关系所带来的问题，使三维编织设备的大型或超大型化能够得以实现，从而为编织大型、复杂结构的三维编织预制件的织造创造条件。

2.4 各类编织机对比

步进式三维编织机结构紧密，但运行必须是整行整列的移动形式，不适用于变截面、异性、分支等结构，且自动化水平低，效率低。

旋转式三维编织机多为一个驱动带动多个角导轮运动，导致携纱器的运行单一，且携纱器的分布密度较低。虽然离合器装置的加入增加了角导轮的选用自由度，六角形角导轮的设计增加了角导轮旋转角度的可选择性，但依然没能从本质上改变其运行方式受限的问题。

机械臂式三维编织机每个携纱器都被单独驱动，且驱动携纱器的单元之间不存在传动关系，每一个携纱器通过编织工艺指令，可以到达设备上任意指定位置，但其携纱器的分布密度较步进式三维编织机低很多。

3 新型三维编织机的发展方向

三维编织机作为获取三维编织预制件的重要工具，随着新工艺的发展和应用的深入，对三维编织机的发展提出以下需求：

（1）自动化，可自动实现增纱和减纱操作，可自动编织异性结构件；

（2）喂纱连续化，实现较大长度预制件的编织；

（3）进一步减小携纱器驱动的尺寸，提高携纱器的分布密度；

（4）人机交互，无线控制，并实时监测编织机的状态。