近期，美國Bally Ribbon Mills（BRM）公司宣布推出一款革命性的3D編織碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，再次將行業(yè)目光聚焦于這一尖端材料技術(shù)。

該技術(shù)采用獨特的連續(xù)多維編織工藝，能夠制造出多層一體化的近凈形預(yù)成型體，近乎直接成為最終產(chǎn)品形狀，從而極大簡化了后續(xù)加工流程。這一突破也預(yù)示著航空乃至蓬勃興起的低空領(lǐng)域在輕量化、安全性和設(shè)計自由度上將迎來新一輪飛躍。

技術(shù)核心：從“層疊”到“一體”的編織革命

 當(dāng)美國Bally Ribbon Mills（BRM）公司近日展示其最新的3D編織碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)時，它揭示的不僅是一項工藝改進(jìn)，更是一場關(guān)乎飛行器制造范式的變革。這種能夠近乎直接“織造”出復(fù)雜整體構(gòu)件的技術(shù)，正以其顛覆性的優(yōu)勢，為從萬米高空的大型客機(jī)到百米低空的飛行汽車，描繪出更輕盈、更堅固、更高效的設(shè)計疆域。

傳統(tǒng)復(fù)合材料如同用布料裁剪縫合衣服，而3D編織則像是在3D空間中直接“生長”出一件完整的毛衣。通過讓碳纖維在X、Y、Z三個方向連續(xù)交織，它創(chuàng)造出一個沒有薄弱層間界面的整體結(jié)構(gòu)。

由于3D編織的性質(zhì)，強度和支撐在所有三個維度上都進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，從而使連接能夠沿被連接在一起的子結(jié)構(gòu)的荷載路徑增強強度。這些編織形狀可以進(jìn)行定制，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)本身的架構(gòu)，以及所連接的子組件。

據(jù)報道，BRM使用3D連續(xù)編織來創(chuàng)建新的接頭結(jié)構(gòu)并改進(jìn)現(xiàn)有接頭，其3D編織接頭實現(xiàn)了強度、耐用性和結(jié)構(gòu)完整性的最佳融合，這些接頭在不犧牲完整性和性能的情況下減輕了重量和成本。

BRM公司為客戶提供的兩種主要碳纖維產(chǎn)品——3D編織復(fù)合結(jié)構(gòu)和編織熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS），均在航空航天領(lǐng)域表現(xiàn)出色。3D編織復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種采用連續(xù)多維技術(shù)制造的多層紡織品，它可以制成“近凈成形”，在某些情況下可以直接插入模具或工具中，從而減少后期處理步驟、人力和材料成本。編織熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）同樣是公司的主打產(chǎn)品，在航空隔熱罩應(yīng)用中成效顯著，是關(guān)鍵任務(wù)組件，特別是在太空探索飛行器中。

BRM 公司表示，在飛機(jī)設(shè)計中智能利用3D編織復(fù)合結(jié)構(gòu)可使飛機(jī)重量減輕多達(dá)30%，從而節(jié)省大量燃料成本和其他運營成本。
 
無可替代的優(yōu)勢：重塑設(shè)計與制造的規(guī)則

3D編織技術(shù)的魅力，源于其從根本上改寫了復(fù)合材料的設(shè)計與制造規(guī)則。首先，它賦予了材料卓越的抗損傷能力。Z向纖維如同無數(shù)微型的“錨點”，將結(jié)構(gòu)緊密鎖定，使材料在受到?jīng)_擊時難以分層，這對于追求極致安全的航空器至關(guān)重要。

其次，它實現(xiàn)了近凈形制造。預(yù)成型體已非常接近最終產(chǎn)品形狀，這極大地減少了后續(xù)的機(jī)械加工、切割和裝配環(huán)節(jié)，不僅降低了制造成本和時間，更從源頭上減少了材料浪費。

更重要的是，它帶來了前所未有的設(shè)計自由度。工程師可以擺脫傳統(tǒng)工藝的束縛，根據(jù)力的傳遞路徑自由設(shè)計纖維的走向，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化，將多個零件融合為一個整體，從而創(chuàng)造出性能最優(yōu)、重量最輕的新構(gòu)型。

這些特性在航空領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出巨大價值。在傳統(tǒng)的航空領(lǐng)域，它已是提升高端裝備性能的關(guān)鍵。從戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼一體化骨架到直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)，3D編織部件在減重、增韌、延長壽命方面發(fā)揮著不可替代的作用。

如今，這項技術(shù)的應(yīng)用正以“雙引擎”模式驅(qū)動著飛行器的進(jìn)化。

在蓬勃興起的低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，它更被視為顛覆性的賦能技術(shù)。對于eVTOL（電動垂直起降飛行器）而言，每一克重量都關(guān)乎航程與商載。3D編織的整體機(jī)身骨架不僅能實現(xiàn)極致的輕量化，其高抗沖擊性也為電池和乘員提供了天然的安全堡壘。同樣，對于大型物流無人機(jī)、飛行汽車等創(chuàng)新載體，其所需的復(fù)雜氣動外形和抗墜毀能力，都能通過這種一體化編織技術(shù)找到最優(yōu)解。
 
全球競逐：誰在領(lǐng)跑這場編織競賽？

3D編織的高技術(shù)壁壘，使其成為全球頂尖制造商的競技場。國際領(lǐng)先者憑借在航空航天領(lǐng)域的長期深耕，已建立起極高的護(hù)城河。

BRM是美國在該領(lǐng)域的標(biāo)志性企業(yè)，其優(yōu)勢在于靈活性和定制化。它不僅能生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)件，更擅長為特定任務(wù)提供高度復(fù)雜的異形編織解決方案，例如為NASA的“火星采樣返回任務(wù)”編織用于捕捉高速飛行器的超輕高強碳纖維網(wǎng)。它還與國防軍工單位的緊密合作，使其在尖端項目上擁有不可替代的地位。

Albany Engineered Composites（AEC）則是規(guī)模化、工程化應(yīng)用的全球標(biāo)桿。它的強項在于將3D編織技術(shù)成功應(yīng)用于批產(chǎn)型商用大飛機(jī)。其為LEAP發(fā)動機(jī)（用于波音737 MAX、空客A320neo）提供的3D編織復(fù)合材料風(fēng)扇葉片環(huán)和機(jī)匣，是該項技術(shù)最著名的商業(yè)化案例之一。AEC代表了將實驗室技術(shù)轉(zhuǎn)化為可靠、可批量生產(chǎn)的航空部件的最高水平。

法國的賽峰集團(tuán)和美國的GE航空（通過CFM國際合資公司）作為發(fā)動機(jī)的最終用戶，不僅采購AEC等公司的部件，更在其內(nèi)部研發(fā)部門深度介入3D編織技術(shù)的開發(fā)，以確保其未來發(fā)動機(jī)的性能優(yōu)勢。這種“需求牽引”的模式，使得技術(shù)發(fā)展始終與最前沿的產(chǎn)品規(guī)劃緊密結(jié)合。

空客公司也長期致力于在機(jī)體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用3D編織技術(shù)，例如在A350機(jī)身的門檻、龍骨梁等關(guān)鍵部位進(jìn)行試驗和驗證，探索下一代飛機(jī)主結(jié)構(gòu)減重的解決方案。

中國力量在此領(lǐng)域亦展現(xiàn)出強勁的追趕勢頭。

中航工業(yè)旗下多家單位已將其應(yīng)用于多個國家重點型號的研制。旗下如成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)、西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)等主機(jī)廠，以及濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所等專業(yè)機(jī)構(gòu)，在殲-20、運-20、直-20等國家重點型號的研制中，早已突破并應(yīng)用了3D編織技術(shù)于關(guān)鍵承力構(gòu)件。其特點是以最終產(chǎn)品為導(dǎo)向，解決型號研制中的“卡脖子”問題，實現(xiàn)了從設(shè)計、編織、復(fù)材成型到檢測的全鏈條自主可控。

天津工業(yè)大學(xué)是3D編織基礎(chǔ)研究與人才培養(yǎng)的重鎮(zhèn)，其研究成果在國際上享有盛譽，為國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界輸送了大量核心技術(shù)人才與工藝方案。東華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等則在多軸向編織、智能制造等細(xì)分方向深入布局。

在產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的推動下，一批具有前瞻性的民營企業(yè)快速崛起，成為3D編織技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的重要力量。

中簡科技開發(fā)了3D編織碳纖維預(yù)制體，該技術(shù)屬于航天級預(yù)制體技術(shù)。其3D編織碳纖維預(yù)制體用于空間站機(jī)械臂關(guān)節(jié)，耐太空輻射能力達(dá)10?Gy。此外，針對C919大飛機(jī)，中簡科技研發(fā)的3D編織結(jié)構(gòu)體和功能梯度織物可用于優(yōu)化復(fù)材部件的抗疲勞性和輕量化水平。

蘇州淞樺航空裝備有限公司為航空飛行器提供碳纖維復(fù)合材料槳葉及旋翼系統(tǒng)，是國內(nèi)唯一掌握3D編織全流程生產(chǎn)工藝的企業(yè)。公司采用3D編織成型工藝制備碳纖維材料結(jié)構(gòu)件，大幅降低制造成本，并自主研發(fā)核心設(shè)備，實現(xiàn)全流程驗證。

 天鳥高新是楚江新材的子公司，國內(nèi)碳纖維預(yù)制體領(lǐng)域龍頭企業(yè)，專業(yè)生產(chǎn)高性能碳纖維織物、芳綸纖維織物、飛機(jī)碳剎車預(yù)制件等產(chǎn)品。天鳥高新?lián)碛芯康奶祭w維3D立體編織工藝，是國家航空航天重大工程配套企業(yè)，也是C919碳剎車預(yù)制體的唯一供應(yīng)商。

云路復(fù)合材料（上海）有限公司，以3D編織智能裝備及高性能纖維復(fù)合材料的研發(fā)及生產(chǎn)為主營業(yè)務(wù)，自主研發(fā)的3D編織智能裝備核心技術(shù)處于世界先進(jìn)、領(lǐng)先水平，已成功配套航空、航天等領(lǐng)域多個重點型號產(chǎn)品的研制和量產(chǎn)，并與小鵬匯天開展飛行汽車領(lǐng)域的合作。

光威復(fù)材的子公司拓展纖維負(fù)責(zé)碳纖維原絲與織物，復(fù)材科技、光晟科技等板塊直接提供3D編織預(yù)浸料及最終復(fù)合材料制品，客戶覆蓋航空航天、風(fēng)電、高壓儲氫等領(lǐng)域。  

中復(fù)神鷹配套3D編織織物與預(yù)浸料，下游用于eVTOL、風(fēng)電葉片、儲氫瓶等。恒神股份定位為“國內(nèi)領(lǐng)先的復(fù)合材料綜合解決方案提供商”，明確將“3D編織”作為其核心預(yù)制體技術(shù)之一，并展示了多種3D編織預(yù)制件的樣品和能力，包括復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)。

吉林化纖集團(tuán)與下游編織廠緊密合作，提供大絲束碳纖維原絲，用于3D編織風(fēng)電葉片梁帽、汽車結(jié)構(gòu)件等。陜西泰普瑞復(fù)合材料技術(shù)股份有限公司也涉足3D編織復(fù)合材料領(lǐng)域，生產(chǎn)多種碳纖維復(fù)合材料制品。碳元素（廈門）新材料， 提供定制化3D編織碳纖維復(fù)合工程塑料（尼龍、PPS、PEI等基體），用于汽車輕量化、電子散熱等場景。

光威精密機(jī)械，自研碳纖維3D編織設(shè)備及工裝模具，可為上述企業(yè)提供自動化編織產(chǎn)線。中國紡織科學(xué)研究院有限公司研制出可大型化擴(kuò)展、能控制任意攜紗器運行路徑的3D編織設(shè)備，可實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)件和變截面預(yù)制件的自動編織。北京柏瑞鼎科技有限公司擁有旋轉(zhuǎn)法3D編織機(jī)專利，可編織3D四向、五向及多向預(yù)成形件矩形和圓形3D編織平臺、預(yù)成形體及復(fù)合材料制件。
 
未來展望：編織智能與綠色的飛行新紀(jì)元

展望未來，3D編織碳纖維的發(fā)展路徑清晰而廣闊。它與機(jī)器人、人工智能的結(jié)合，將走向全自動化的智能制造，進(jìn)一步提升精度與效率。隨著工藝成熟和規(guī)模擴(kuò)大，其成本有望持續(xù)下降，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)暮娇蘸教鞌U(kuò)展至更廣闊的民用市場。

最終，這項技術(shù)更大的意義在于賦能創(chuàng)新設(shè)計。它為解決飛行器輕量化、安全性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾提供了全新的底層方案，將催生出我們今天可能還無法想象的下一代飛行器構(gòu)型，為人類探索天空的夢想，編織出更加堅實而輕盈的翅膀。

來源：榮格-《國際塑料商情》

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