1.2.1 三维机织方法

三维正交机织法中纤维的基本排布形式如图1-1所示，分别沿着三个正交方向（经向、纬向和轴向），通过控制纤维的引入动作和次序使得经向和纬向纤维互相交织，完成一层的交织后引入轴向纤维，对预制体进行层间交织，将得到的预制体经树脂浸渍后最终形成制件。

美国、澳大利亚、日本等国家开展了较多的研究。Shikishima Canvas公司开发的正交机织制件如图1-2所示。该技术工艺简单，成本低，可在传统的二维编织机上加以改装以实现加工。然而，该技术的不足之处是预制体在分层上仅有几排纤维束互相交织，分层的厚度受到了限制，一般不适用于大尺寸制件的加工。

Mohamed基于多层经纱织机引纬机构创新设计出多剑杆织机，其织造原理如图1-3所示。经纱穿过钢筘与综框上的多眼棕丝，综框的升降使经纱形成多层梭口，纬纱穿过引纬剑并被夹持在织物的夹具上。在织造过程中，捆绑纱穿插其中，垂直于经纬纱方向，贯穿织物的厚度方向。由于经纱相互平行并不相互移动，三维正交机织技术相较于传统二维机织技术，减少了经纱的磨损，捆绑纱又由于综框的上下运动引入到预制体内，也减少了后期缝纫给预制体带来的损伤和断裂。

Yasui提出了一种可织造圆柱形织物的三维机织织造工艺及相应设备，如图1-4所示。虽然该织造工艺复杂，织造过程耗时较长，并不适用于批量化的产品生产，但是该工艺可实现形状较复杂的圆柱形、圆筒形织物的整体近净成形织造，从而扩大了三维机织工艺的应用范围，促进了机织工艺的进一步发展。

Khokar将三维无交织织物称为Noobed（Non-interlacing，orthogonally orientating and binding）织物，用于制造该织物的方法即Noobing织造法，其Noobed织物结构如图1-5所示。

Noobing织造法织造的织物由多组接结纱以及轴向纱相互垂直的纱线组成，通过轴向纱将多层排列的接结纱连接成相互不交织的整体结构三维织物。Noobing织造法原理及设备如图1-6所示，由两组接结纱导纱器X₁-X₆与Y₁-Y₆交替着分别从横向以及纵向两个方向穿过预先排列好的轴向纱之间，直接形成织物。

Fukuta发明了一种三维正交单轴向织造法，如图1-7所示。Y向经纱穿过孔板平行阵列布置在水平方向上，引纬器将经纱引入Y向经纱阵列中，当引纬器送到织物对侧时，边纱针把边纱引入纬纱圈，引纬器返回时，边纱针握持纬纱圈而形成双纬，Z向纱由引纱管引入织物中，形成织物。

Weinberg优化设计的三维织机（见图1-8），可以在平面经纱层之间形成梭口，易于将纬纱插入指定方向，平面经纱穿过两个平行的孔板。顶板可以沿经纱滑动，底板固定经纱末端，使得织造过程更加简便。

日本采用碳纤维三向正交圆筒编织结构开发了M-V运载火箭一级发动机3D-C/C喉衬（见图1-9），该结构径向、环向和Z向三个方向的纤维体积分数均为16%，预制体密度约为0.85g/cm3，该结构外径尺寸达1100mm，喉径尺寸约600mm，高约350mm。

在正交机织法方面，国内研究了三维全机织法，根据所需截面的形状，由目板定位Z向经纱，通过开口机构在需要引纬纱的位置形成X向或Y向梭口，打紧后最终得到织物。天津工业大学研究了三维多剑杆织机正交机织法，其特点是依靠综框的升降使得经纱形成多层梭口，继而引纬剑带动纬纱穿过梭口，最后由织边装置形成布边，重复如此循环最终得到织物。东华大学自2005年就成功试制出我国第一台全自动三维正交织机，并开展了关于三维正交织机和织物的研究，可以织造截面为工字形、π形、三明治结构等各种三维结构件。机械科学研究总院提出了复合材料数字化柔性导向三维织造成形方法，开展了基于数字化导向模板的复合材料三维织造方法成形工艺及成形装备研究，并将基于PMAC卡的开放式数控系统用于三维织造试验平台的搭建。该系统能够实现32轴联动控制，非常适合织造设备的开发。同时，先进成形技术与装备国家重点实验室中建立了复合材料成形实验室，主要开展复合材料三维织造成形原理、成形工艺及装备研究，连续纤维复合材料增材制造成形技术及装备研究等工作，为大型复合材料构件数字化、高性能、精确化成形提供技术支撑。