Techniki przetwarzania struktur tkackich włókien
Tradycyjne tkanie 2D polega na przeplataniu przędz osnowy i wątku na krośnie lub wieloramiennej maszynie tkackiej w celu utworzenia struktur o splocie płóciennym, skośnym i satynowym. Proces tkania składa się z pięciu podstawowych czynności: zrzucania, zbierania, ubijania, podnoszenia i puszczania. Dostępne są różne techniki zrzucania, takie jak wahadłowiec, rapier i strumień powietrza. Jednowarstwowy proces tkania 2D można również zastosować do tkania niektórych tkanych struktur 3D, w tym struktur ortogonalnych 3D i blokad kątowych, pustych struktur dystansowych 3D z przekładkami tkaninowymi i strukturami o strukturze plastra miodu, struktur skorupowych 3D i struktur węzłowych 3D. Rysunek 1 ilustruje zasady tkania 2D do wytwarzania zarówno konwencjonalnych struktur tkanych o splocie kątowym 2D, jak i 3D.
Rysunek 1: Zasady tkania 2D dla struktur tkanych 2D i 3D
Chociaż tradycyjne techniki tkania 2D można stosować do wytwarzania różnych solidnych, tkanych struktur 3D, wymiar grubości jest ograniczony. Z tego powodu opracowano specjalistyczne maszyny tkackie 3D do produkcji tkanin 3D. Jedną z najwcześniejszych maszyn opracowanych za granicą jest specjalne krosno służące do wytwarzania struktur ortogonalnych z przędzami X, Y i Z, jak pokazano na rysunku 2.
Rysunek 2: Specjalistyczna maszyna tkacka 3D do wytwarzania struktur ortogonalnych 3D
W procesie tkania włókna w kierunku Z pozostają nieruchome, podczas gdy włókna X są najpierw wstawiane i ubijane w odpowiednim położeniu, a następnie wkładane i uderzane są włókna Y w ich odpowiednie pozycje. Operację tę powtarza się w celu wygenerowania zwartej konstrukcji aż do osiągnięcia pożądanej wysokości, w wyniku czego powstaje trójwymiarowa struktura o prostokątnym przekroju poprzecznym. Następnie za granicą opracowano dwuotworową maszynę tkacką 3D. Ten system otwierania umożliwia przeplatanie się przędz osnowy z przędzami wątku zarówno w poziomie, jak i w pionie. Ta specjalna technika tkania 3D może również bezpośrednio wytwarzać tkane materiały formowane, zapewniając najwyższą integralność strukturalną nawet w przypadku przecięcia lub uszkodzenia tkaniny.
Wytwarzanie trójosiowych struktur tkackich osiąga się poprzez integrację tradycyjnego tkania 2D i zautomatyzowanych technik tkackich. Typową trójosiową maszynę tkacką zaprojektowaną przez firmę Dow i wyprodukowaną przez firmę Barber-Colman pokazano na rysunku 2.28. Urządzenie to wykorzystuje obrotowe koło z wrzecionami do układania przędz osnowy i wykorzystuje rapierową krawędź do tworzenia przesmyku do wprowadzania przędz wątku.
Rysunek 3: Koło obrotowe z wrzecionami do wytwarzania trójosiowych struktur tkackich
Techniki przetwarzania struktur dziewiarskich z włókien
Zasady dziania osnowowego i wątkowego przedstawiono na rysunku 4. W strukturach dziewiarskich osnowy każda igła na łożu igłowym w sposób ciągły podaje i tworzy pętle z tej samej przędzy osnowy w cyklu dziewiarskim. W szczególności igły A, B, C i D są kolejno zasilane tą samą przędzą osnowy, w wyniku czego powstaje odcinek pętelkowej tkaniny (E, F, G, H). W wątkowych strukturach dziewiarskich, w tym samym cyklu dziania, na każdej igle w igielnicy następuje podawanie przędzy i tworzenie pętelek. Wszystkie igły w igielnicy (A, B, C i D) są indywidualnie nałożone na oddzielne prowadniki przędzy wątku (E, F, G i H).
Rysunek 4: Zasady dziania struktur włóknistych: (góra) dzianie osnowowe; (na dole) dzianie wątku
Dziewiarstwo kołowe charakteryzuje się wytwarzaniem rurowych struktur tkaninowych. Jednakże dzianina z wątkiem płaskim zapewnia większą elastyczność w konstruowaniu różnego rodzaju struktur rurowych, w tym rur pojedynczych, rurek rozwidlanych i rurek wielogałęziowych, ze względu na możliwość indywidualnego doboru igieł, przenoszenia pętli, dziania wielosystemowego i stosowania obciążniki i dociski. Rysunek 5 ilustruje dzianie pojedynczej rurki przy użyciu wybranych igieł na skomputeryzowanej maszynie dziewiarskiej płaskiej.
Rysunek 5: Dzianie pojedynczej rurki na skomputeryzowanej maszynie dziewiarskiej płaskiej
Dzianie rurowe uzyskuje się poprzez naprzemienne dzianie przędzy na dwóch łożach igłowych i przenoszenie przędzy z jednego łoża na drugie tylko na krawędziach, tworząc rurkę. Łącząc dzianie rurowe z technikami dziania wewnętrznego, można uzyskać różne warianty struktur dziewiarskich jednorurowych.
Technologia dziewiarstwa Intarsia umożliwia maszynom dziewiarskim wykorzystanie wielu różnych włókien do dziania różnych części tkaniny. Włókna można stosować pojedynczo lub w kombinacjach. Dzięki tej technice pojedynczą rurkę można uformować, najpierw dzierżąc pewną długość jednym włóknem, a następnie wprowadzając kolejne włókno, aby jednocześnie utworzyć dwie rurki, w wyniku czego powstaje rozwidlona rurka. Podobnie, stosując więcej włókien, można utworzyć wielorozgałęzione struktury rurowe.
Wszechstronność skomputeryzowanych maszyn dziewiarskich płaskich umożliwia tkanie struktur 3D o bardziej złożonych kształtach, takich jak kopuły, kule i pudełka, jak pokazano na rysunku 6. Powtarzający się segment kształtujący 2D może tworzyć dzianą strukturę kopuły (rysunek 6 (b) )). Ten segment 2D osiąga się poprzez wielokrotne zwiększanie i zmniejszanie liczby działających igieł. Każdy segment kształtujący reprezentuje operację stopniowego poszerzania, a następnie zwężania tkaniny. Rodzaj segmentu kształtującego wpływa na kąt i stosunek wysokości do podstawy kopuły, natomiast liczba segmentów kształtujących wpływa na kształt kopuły. Zastępując eliptyczne segmenty kopuły segmentami trójkątnymi, można utworzyć konstrukcję przypominającą pudełko.
Rysunek 6: (a) Kopuła okrągła, (b) Konstrukcja kopuły z dzianiny, (c) Kula z dzianiny, (d) Pudełko z dzianiny
Jak pokazano na rysunku 6 (d), w przypadku konstrukcji kopułowych linie przedstawiające zmniejszenie lub wzrost liczby igieł operacyjnych są raczej liniowe niż zakrzywione. Rodzaj segmentu kształtującego wpływa na kąt powstałego prostopadłościanu. Stosunek liczby igieł kształtujących i niekształtujących określa współczynnik kształtu otrzymanego pudełka. Możliwość zmiany liczby igieł daje największy potencjał skomputeryzowanym maszynom dziewiarskim płaskim do tworzenia różnych kształtów 3D.
Struktury interwałowe powstają przy użyciu dwóch zestawów igieł na maszynach dziewiarskich okrągłych, płaskich wątkowych lub osnowowych. Dziewiarki kołowe wyposażone w cylinder i tarczę mogą wytwarzać tkaniny interwałowe, w których poszczególne warstwy zewnętrzne są połączone włóknami. Tkaniny interwałowe na dziewiarkach wątkowych powstają poprzez oddzielne dzianie dwóch różnych tkanin za pomocą igieł zatrzaskowych i cylindrycznych, a następnie połączenie obu warstw zakładkami na igłach zatrzaskowych i cylindrycznych (Rysunek 7).
Rysunek 7: Produkcja tkanin interwałowych na dziewiarce kołowej wątkowej: (a) Dwupoziomowa dziewiarka okrągła; (b) Dzianina interwałowa na maszynie okrągłej
Odległość pomiędzy dwiema oddzielnymi warstwami tkaniny można regulować zmieniając wysokość iglicy zatrzasku względem cylindra maszyny. Zadana grubość tkaniny interwałowej może w ten sposób wynosić od 1,5 do 5,5 milimetra. Podobnie jak w przypadku tkanin interwałowych na maszynach kołowych, dzianiny interwałowe z warstwami interwałowymi przędzy powstają na dziewiarniach płaskich poprzez uformowanie dwóch niezależnych warstw tkaniny na przednim i tylnym łożu igłowym, a następnie połączenie ich zakładkami na obu łożach igłowych (ryc. 8).
Rysunek 8: Produkcja tkanin interwałowych na skomputeryzowanej maszynie dziewiarskiej płaskiej: (a) Skomputeryzowana dziewiarka płaska; (b) Dzianina interwałowa na płaskiej maszynie
Odległość pomiędzy dwoma łóżkami igieł określa grubość tkaniny interwałowej. W przeciwieństwie do maszyn dziewiarskich z wątkiem okrągłym, odległość między dwoma łożami igieł w dziewiarkach z wątkiem płaskim jest zwykle ustalona na około 4 milimetry. Różnica pomiędzy dzianinami wątkowymi a innymi rodzajami tkanin interwałowych polega na tym, że ich trzy podstawowe elementy konstrukcyjne (tj. warstwa górna, warstwa dolna i warstwa interwałowa) są dziane razem w tym samym cyklu dziania. Dziane wątkowo dzianiny interwałowe produkowane są na maszynach raszlowych z podwójną igłą, jak pokazano na rysunku 9(a). Kiedy prowadnice 1 i 2 zachodzą na przednią igielnicę, a prowadzące 5 i 6 na tylną igielnicę (przerabiając odpowiednio górną i dolną warstwę), prowadnice 3 i 4 kolejno zachodzą na przędzę interwałową wokół obu igielnic. Rysunek 9(b) ilustruje proces wytwarzania tkanin interwałowych na maszynie raszlowej z podwójną igłą RD 6.
Rysunek 9: Produkcja tkanin interwałowych na maszynie raszlowej z podwójną igłą: (na górze) Schematyczna ilustracja zasady; (na dole) Schemat wyposażenia