Dệt 3D các loại vải nhiều lớp: Thiết kế, các loại và kỹ thuật

Giới thiệu​

Từ dây đai công nghiệp đến các cấu kiện composite định hình sẵn, các cấu trúc dệt thường được kỳ vọng làm được nhiều hơn là chỉ che phủ một bề mặt. Vải nhiều lớp và vải 3D đáp ứng nhu cầu đó bằng cách tăng độ dày, tạo lớp và tăng độ ổn định cấu trúc. Chu trình dệt cơ bản vẫn giữ nguyên, nhưng cách sắp xếp sợi sẽ thay đổi hình dạng cuối cùng của vải. Đó là lý do tại sao sự chuyển đổi từ vải 2D sang cấu trúc nhiều lớp và cấu trúc 3D thực sự cần một lời giải thích rõ ràng và có hệ thống.

Thiết kế vải nhiều lớp​

Vải nhiều lớp bao gồm ít nhất ba lớp vải được dệt chồng lên nhau và khâu lại với nhau theo nguyên tắc thiết kế vải đôi. Số lượng lớp vải trong vải nhiều lớp thường dao động từ ba đến tám lớp. Vải tám lớp hẹp được sử dụng làm dây đai công nghiệp. Trong cấu trúc này, cách bố trí đường khâu quyết định cách các lớp được giữ với nhau và cách vải hoạt động như một khối thống nhất.

Chu kỳ dệt​

Dệt là một phương pháp sản xuất dệt may trong đó hai bộ sợi hoặc chỉ riêng biệt được đan xen vuông góc với nhau để tạo thành vải. Quá trình dệt thường được xác định bởi một chu trình bốn bước lặp đi lặp lại:

• Tạo khe hở: Một khe hở được tạo ra trong các sợi dọc (sợi theo hướng máy) để sợi ngang (sợi lấp đầy) có thể đi qua. Sự thay đổi khe hở liên tiếp tạo ra hoa văn dệt.
• Chèn sợi ngang: Sợi ngang được chèn vào khe dệt.
• Đánh tơi: Sợi ngang được đánh tơi vào mặt đáy của vải.
• Thu sợi và nhả sợi: Vải thành phẩm được thu từ mép vải, và một lượng sợi dọc tương ứng được nhả ra để lấp đầy khoảng trống.

Việc lặp lại thành công chu trình này sẽ tạo ra một loại vải dệt.

Các loại vải dệt truyền thống được cho là có chiều dài và chiều rộng xác định rõ ràng, nhưng độ dày rất nhỏ. Những loại vải truyền thống này, cùng với các loại vải dùng cho vật liệu composite , được coi là vải 2D hoặc vải hai chiều. Vải 3D hoặc vải ba chiều tuân theo nguyên tắc cơ bản tương tự như vải 2D, nhưng chúng có thêm chiều thứ ba rõ rệt với độ sâu hoặc độ dày đáng kể được tạo ra trong quá trình dệt 3D.

Vải ba chiều​

Vải 3D được định nghĩa là loại vải có chiều thứ ba về độ dày. Nguyên tắc cơ bản để thiết kế vải 3D tương tự như vải 2D, nhưng chiều thứ ba bổ sung phải được tạo ra bằng cách sử dụng thêm các sợi dọc và được sắp xếp thành nhiều lớp. Trong cấu trúc vải 3D, chiều dọc (Z) chiếm tỷ lệ đáng kể so với chiều ngang (X) và chiều dọc (Y). Các sợi được đan xen, đan chéo hoặc móc vào nhau theo các hướng X, Y và Z. Tùy thuộc vào ba loại sợi này , mối quan hệ và sự đan xen của chúng tạo ra các loại vải 2D và 3D khác nhau.

Hình: Cấu trúc dệt 3D

Các loại vải 2D và 3D​

1. Vải 2D đan xen: Quy trình dệt 2D truyền thống tạo ra vải 2D đan xen trên thiết bị dệt 2D. Điều này tạo ra sự đan xen giữa hai nhóm sợi vuông góc với nhau, sợi dọc và sợi ngang.
2. Vải 3D đan xen: Loại vải này còn được gọi là vải nhiều lớp và bao gồm hai bộ sợi trên một thiết bị dệt 2D. Về cơ bản, đó là sự đan xen của hai bộ sợi vuông góc với nhau, sợi dọc và sợi ngang, với một bộ sợi bổ sung đóng vai trò là sợi dọc liên kết hoặc sợi đan xen theo chiều dày hoặc hướng Z.
3. Vải 2.5D: Về cơ bản, đây là loại vải dệt có lông tơ, bao gồm ba bộ sợi: sợi dọc nền, sợi dọc tạo lông tơ và sợi ngang tạo lông tơ, được sản xuất bằng quy trình dệt 2D thông thường.
4. Vải 3D không đan xen: Loại vải này bao gồm ba bộ sợi để tạo ra một loại vải không đan xen với các sợi theo hướng dọc, ngang và xuyên suốt chiều dày. Vải được sản xuất trên thiết bị dệt 2D.
5. Vải 3D đan xen hoàn toàn: Loại vải này bao gồm ba bộ sợi vuông góc được đan xen trên một máy dệt 3D được thiết kế đặc biệt. Khung dệt hoạt động theo cả chiều hàng và chiều cột.
6. Vải không dệt: Một quy trình tạo hình vải 3D không dệt, không đan xen được thiết kế để kết nối ba nhóm sợi vuông góc với nhau mà không có sự đan xen, chồng chéo hoặc xoắn vào nhau. Vải được giữ chặt với nhau bằng một quy trình liên kết đặc biệt.

Việc điều chỉnh sợi dọc, với nhiều lớp được dệt bằng cách chèn thêm các sợi ngang, tạo ra chiều sâu cho vải bằng cách dệt xuyên qua độ dày. Phương pháp này thường được gọi là dệt xuyên độ dày. Việc dệt xuyên độ dày và kết nối các lớp sợi dọc và sợi ngang tạo ra các đặc tính vật lý xuyên độ dày vốn có và rất được ưa chuộng của vải dệt 3D. Vải 3D có thể có nhiều loại khác nhau.

Vải nhiều lớp 3 lớp: Vải ba lớp​

Vải ba lớp là loại vải có số lớp ít nhất, còn được gọi là vải ba lớp. Trong vải ba lớp, có lớp vải mặt trước, lớp vải giữa và lớp vải mặt sau. Điều này có nghĩa là có ba bộ sợi dọc, lớp mặt trước, lớp giữa và lớp vải mặt sau, cũng như ba bộ sợi ngang, lớp mặt trước, lớp giữa và lớp vải mặt sau. Các lớp vải này có thể được nối với nhau bằng cách khâu lớp vải mặt trước với lớp vải giữa và lớp vải giữa với lớp vải mặt sau. Vì vậy, việc khâu thường được thực hiện giống như khâu vải đôi bằng bất kỳ cách nào sau đây: (1) từ giữa ra mặt trước và từ mặt sau ra giữa, (2) từ mặt trước ra giữa và từ giữa ra giữa, (3) từ mặt trước ra giữa và từ mặt sau ra giữa, (4) từ giữa ra mặt trước và từ giữa ra giữa, hoặc (5) kết hợp các cách khâu.

Vì vậy, khi may, cần áp dụng nguyên tắc vải đôi. Vải ba lớp sẽ có các kiểu đan xen sau.

1. Dệt mặt dọc và mặt ngang, tạo thành họa tiết mặt trước
2. Sợi dọc ở giữa và sợi ngang ở giữa, tạo thành họa tiết trung tâm.
3. Đan sợi dọc ngược với sợi ngang ngược, tạo thành họa tiết mặt sau.
4. Sợi dọc mặt với sợi ngang trung tâm, kiểu dệt nổi.
5. Sợi dọc mặt trước với sợi ngang mặt sau, kiểu dệt nổi.
6. Sợi dọc ở giữa, sợi ngang ở giữa, kiểu dệt nổi.
7. Dệt mặt dọc với sợi ngang ở giữa, khâu
8. Sợi ngang mặt với sợi dọc trung tâm, khâu
9. Sợi dọc ở giữa, sợi ngang ở phía sau, khâu.
10. Sợi ngang ở giữa với sợi dọc ở phía sau, khâu.

Mặt cắt ngang và thiết kế của hai kiểu bố trí hình ống cho thấy các đường khâu khác nhau. Trong một trường hợp, đường khâu được thực hiện từ mặt trước vào tâm và từ mặt sau vào tâm, còn trong trường hợp kia là từ tâm vào mặt trước và từ tâm vào mặt sau. Trong kiểu bố trí đầu tiên, đường khâu được thực hiện bằng cách hạ thấp đầu mặt trước xuống dưới sợi ngang ở giữa. Khi đầu mặt trước nhô lên trên sợi ngang ở giữa được đánh dấu bằng một dấu hiệu, dấu hiệu đó sẽ được rút ra khỏi điểm này. Hơn nữa, đường khâu của vải ở giữa và vải phía sau được thực hiện bằng cách đan xen đầu vải phía sau lên trên sợi ngang ở giữa.

Thiết kế của vải ba lớp với đường khâu từ tâm ra mặt trước và từ tâm ra mặt sau tuân theo cùng một logic. Đường khâu của vải mặt trước và vải giữa được thực hiện bằng cách đan chéo đầu giữa qua sợi ngang mặt trước, và điều này được đánh dấu đặc biệt bằng một ký hiệu. Đường khâu của vải giữa và vải sau được thực hiện bằng cách hạ đầu giữa xuống dưới sợi ngang mặt sau. Vì vị trí đầu giữa nhô lên trên sợi ngang mặt sau được đánh dấu bằng một ký hiệu, nên ký hiệu đó được rút lại từ điểm này.

Tương tự như vậy, vải ba lớp cũng có thể được khâu từ tâm ra mặt trước và từ mặt sau ra tâm, từ mặt trước ra tâm và từ tâm ra mặt sau, hoặc bằng sự kết hợp của các kiểu khâu.

Dệt 3D​

Thuật ngữ dệt 3D thường được sử dụng cho các loại vải có hình dạng ba chiều được thiết kế sẵn hoặc có thể được tạo hình 3D trực tiếp ngay sau khi dệt. Nó cũng được dùng để mô tả các loại vải có độ dày đáng kể, lớn hơn nhiều lần so với đường kính của các sợi dùng để sản xuất chúng. Vải dệt 3D đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu composite gia cường sợi tiên tiến. Chúng được sử dụng dưới dạng các hình dạng được định hình sẵn để ngâm tẩm nhựa hoặc dưới dạng vật liệu dày có độ bền cấu trúc, khi được ngâm tẩm nhựa sẽ có độ bền cắt giữa các lớp tốt và do đó vượt trội hơn các sản phẩm nhiều lớp thông thường.

Dệt hình khối 3D​

Các loại máy dệt kiếm-dobby truyền thống có thể được sử dụng để tạo ra một số hình dạng ba chiều nhất định bằng cách dệt nhiều lớp vải liên kết với nhau, tương tự như vải hai lớp, sao cho sau khi dệt xong, các lớp vải 2D có thể được điều chỉnh thành hình dạng 3D cần thiết. Ví dụ, máy dệt dobby có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc dạng tế bào. Phương pháp này cũng được gọi là dệt nhiều lớp.

Máy dệt jacquard kiểu kiếm được sử dụng để sản xuất các hình dạng cong 3D phức tạp, mỏng, được dệt trực tiếp, chẳng hạn như mũ bảo hiểm, mái vòm và tấm thân xe máy. Các cấu trúc có hình dạng này về cơ bản dựa trên kiểu dệt 2D, trong đó các sợi ngang và sợi dọc nằm trong mặt phẳng ngang, theo quy ước là theo hướng X và Y, của vải. Không có sợi nào nằm theo hướng Z của vải để tạo độ dày cho hình dạng 3D; độ dày được xác định bởi đường kính của các sợi dọc và sợi ngang.

Dệt vải 3D​

Mặc dù các hình dạng trên có thể được phân loại là cấu trúc 3D dệt, nhưng một loại vải 3D dệt thực sự được tạo ra bằng cách bố trí các sợi cấu thành theo hướng Z để tạo ra độ dày của vải, cũng như sắp xếp các sợi theo hướng X và Y để tạo ra chiều dài và chiều rộng của vải. Phương pháp dệt nhiều lớp 2D thông thường có thể được sử dụng để tạo ra vải 3D, nhưng đối với vải 3D có hình dạng đặc biệt, tức là vải dày có hình dạng được thiết kế sẵn, cần phải có các máy dệt chuyên dụng.

Dệt nhiều lớp 2D tạo nên vải 3D​

Trong việc tạo ra các loại vải 3D bằng phương pháp dệt nhiều lớp 2D, có hai kỹ thuật được sử dụng: đan xen và không đan xen.

Vải 3D đan xen​

Với cấu trúc vải 3D đan xen, nhiều lớp sợi dọc và sợi ngang tạo nên độ dày (Z) cũng như chiều dài (Y) và chiều rộng (X) của vải thông qua sự đan xen giữa các sợi dọc và sợi ngang. Chiều dài các sợi dọc nhiều lớp được bố trí để tạo độ dày cho vải bằng một trình tự định trước của thao tác tạo khe hở trên toàn bộ chiều rộng khung dệt, hay chiều rộng vải, nhằm đảm bảo sự đan xen chính xác với sợi ngang. Đáng chú ý, chiều dài các sợi tạo nên các hướng X, Y và Z của loại vải dệt 3D này không vuông góc với nhau về mặt hình học, do đó chúng không được đặt theo phương vuông góc.

Vải 3D không đan xen​

Trong khi dệt vải 3D đan xen chỉ sử dụng hai bộ sợi, thì vải 3D không đan xen cần ba bộ sợi. Đó là các sợi dọc nhiều lớp (hướng Z), sợi ngang (hướng X) và sợi dọc liên kết (hướng Y). Thao tác tạo khe hở của máy dệt chỉ cần một khung dệt, được sử dụng để đặt các sợi dọc liên kết theo hướng Z nhằm giữ chặt các lớp sợi khác và từ đó tạo thành độ dày của vải. Quá trình dệt vải 3D này được gọi là noobing, tức là không đan xen, định hướng, vuông góc và liên kết, đây là những đặc điểm chính của cả quy trình và loại vải.

Dệt 3D các loại vải 3D​

Như đã nêu ở trên, đây là những máy dệt được chế tạo đặc biệt có thể sản xuất trực tiếp các loại vải 3D phức tạp, có hình dạng đặc biệt và độ dày đáng kể. Thiết kế của những máy dệt này không được công khai, nhưng một số đặc điểm cơ bản được mô tả trong các bằng sáng chế có thể tiếp cận được. Các quy trình được cấp bằng sáng chế này được gọi là dệt 3D thực sự vì các thao tác dệt cho phép đan xen ba bộ sợi vuông góc: một bộ sợi dọc nhiều lớp (Z) và hai bộ sợi ngang (X và Y), được gọi là sợi ngang ngang và sợi ngang dọc tương ứng. Để đạt được hình thức đan xen này cần phải tạo khe hở hai chiều cho sợi dọc nhiều lớp (Z), tức là thao tác tạo khe hở theo hướng độ dày của vải cũng như theo hướng chiều rộng của vải, tạo thành nhiều khe hở theo cột và theo hàng. Việc tạo khe hở hai chiều này diễn ra tuần tự chứ không đồng thời. Hai bộ sợi ngang vuông góc sau đó được chèn xen kẽ vào các khe hở vuông góc với nhau. Vì mỗi sợi ngang được đan xen quanh một sợi dọc, nên các sợi dọc vẫn thẳng.

Phần kết luận​

Vải nhiều lớp bắt đầu từ các lớp vải được khâu theo nguyên tắc vải đôi, và chúng phát triển từ vải ba lớp đến các cấu trúc nhiều lớp hơn. Chu trình dệt vẫn là nền tảng của quá trình này, nhưng các lớp sợi dọc bổ sung, các sợi ngang chèn vào và các sợi liên kết tạo ra độ dày cần thiết cho vải 3D. Các dạng đan xen, không đan xen và đan xen hoàn toàn đều phục vụ một mục đích cấu trúc khác nhau, trong khi vải 3D có hình dạng đặc biệt cần các máy dệt được chế tạo riêng. Khi công nghệ dệt tiếp tục hướng tới các cấu trúc ba chiều được kiểm soát tốt hơn, các hệ thống vải này sẽ vẫn giữ vai trò quan trọng trong vật liệu composite gia cường sợi tiên tiến và thiết kế dệt may cấu trúc.

Nguồn: www.textileblog.com