摘要：复合等网格结构因其卓越的强度重量比、损伤容限和结构效率，已成为航空航天、汽车和先进工程应用中的变革性解决方案。这些具有三角形肋条图案的网状结构，通过结合轻量化设计与各向同性力学性能，在传统夹层结构和铝制等网格结构之上表现更优。自动化纤维铺放（AFP）、丝束缠绕
复合等网格结构因其卓越的强度重量比、损伤容限和结构效率，已成为航空航天、汽车和先进工程应用中的变革性解决方案。这些具有三角形肋条图案的网状结构，通过结合轻量化设计与各向同性力学性能，在传统夹层结构和铝制等网格结构之上表现更优。自动化纤维铺放（AFP）、丝束缠绕和连续纤维 3D 打印的最新进展进一步提升了其可制造性，实现了复杂几何形状的经济高效生产。本文探讨了选择等网格结构的理由，并深入研究了利用现代制造技术进行其制造的技术细节。
1. 结构效率与载荷分布
三角形单向网格图案通过在其晶格中均匀分布机械载荷来模拟各向同性材料的特性 。与依赖粘合剂粘接进行剪切传递的传统蜂窝芯材不同，复合单向网格肋条与蒙皮整体连接，消除了分层风险，同时保持了刚度。研究表明，与铝制部件相比，单向网格面板实现了 20–30%的重量减轻，同时匹配或超过其屈曲强度。重复的肋条-蒙皮结构还提供了冗余性，允许局部损伤（例如，冲击引起的肋条断裂）保持在单个单元内而不会发生灾难性失效。
2. 环境稳定性
复合等网格结构在恶劣环境中表现出优异的性能。开放式格构结构防止湿气滞留——这是蜂窝夹芯结构中的一个关键缺陷，因为水的侵入会加速腐蚀。通过在肋条和面板之间定制热膨胀系数（CTE）匹配，可增强热稳定性。例如，结合铝和特氟龙的热固性模具利用不同的 CTE 优化固化过程中的压实，确保在热循环下的尺寸精度。
3. 制造灵活性
等网格结构可适应多种几何形状，从抛物面天线反射器到圆柱形火箭外壳。自动化工艺如自动纤维铺放（AFP）和丝束缠绕可实现快速生产曲面和平面板，与手铺复合材料相比，可减少高达 40%的人工成本。
自动化纤维铺放 (AFP)
1. 工艺概述
AFP 采用机器人系统将连续预浸料丝束（通常宽 3.2–12.7 毫米）铺设到预定义的螺旋或轴向沟槽中。多轴龙门架引导放置头，确保纤维方向与主应力方向精确对齐。沉积后，环向蒙皮层缠绕在肋条上，组装件被真空袋封存并在烘箱中固化。
2. 技术革新
节点优化 ：传统 AFP 在肋条交叉处存在纤维堆积问题，导致富树脂区域和薄弱点。现代系统通过纤维导引解决此问题，利用扩散机构对丝束进行空间重新分布，将节点处的纤维体积分数降低 15–20%的同时保持强度。
模具 ：具有负等格图案的硅橡胶模具能够实现高保真度的筋条形成。模具的高 CTE 确保了在固化过程中均匀压实，因为热膨胀将预浸料层压入凹槽壁。
3. 案例研究：EADS CASA Espacio
EADS CASA Espacio 通过为卫星发射火箭制造直径 4 米的等网格圆柱体，展示了 AFP 的可扩展性。使用东丽 T800H/3900-2 碳环氧预浸料，该工艺实现了 58%的纤维体积分数和±1°的角度精度。后固化超声波检测显示空隙含量小于 0.5%，符合航空航天级标准。
丝缠绕
1. 工艺概述
纤维缠绕通过将连续纤维（湿法或预浸渍）沉积到加工的芯模槽中构建等网格结构。在填满槽后，在结构上缠绕一个次级皮肤层，整个组件进行共固化。
2. 关键进展
混合芯模：覆有特氟龙涂层的铝制芯模结合了尺寸控制的刚性表面和低摩擦表面以便于脱模。特氟龙的 CTE（100–150 μm/m·°C）超过铝的 CTE（23 μm/m·°C），在 120–180°C 的固化循环中增强了压实效果。各向同性连接件：美国专利 5,200,251 详细描述了一种通过将纤维缠绕在径向销上在连接处创建准各向同性层压板的方法。后固化修剪可得到多方向纤维排列，从而改善切口区域的载荷传递。3. 性能指标
湿法丝缠绕等网格结构由于树脂灌注优化，其层间剪切强度比 AFP 制造的结构高出 10-15%。CETMA 和 COMEC 的一项研究生产了基于环氧树脂的等网格面板，其抗压强度为 320 MPa，相当于铝 6061-T6，但重量降低了 40%。
连续纤维 3D 打印
1. 工艺概述
像 Anisoprint Composer A3 这样的增材制造系统，能够同时挤出热塑性塑料（例如 PA6）和预先浸渍有热固性粘合剂的长丝碳纤维。逐层沉积构建出具有可编程填充密度的等网格格状结构（10-80%）。
2. 技术亮点
双矩阵系统 ：Anisoprint 的 CFC（复合纤维共挤出）技术同时挤出热塑性基体（250°C 熔融温度）和环氧粘合碳纤维。热固性粘合剂在打印过程中稳定纤维，而热塑性材料确保层间粘合 2 10。填充强度相关性 ：对 3D 打印等格网结构的压缩测试显示，屈曲载荷与填充百分比呈线性关系。在 80%填充率下，板材可承受 12.4 kN 载荷——相当于 AFP 制造产品的 95%，但材料成本降低了 30%。3. Roboze 碳纤维聚酰胺案例研究
Roboze 基于 FDM 技术的碳纤维聚酰胺（20%短碳纤维增强聚酰胺）生产的等格网板材具有 0.31 kN/g 的特定屈曲载荷。优化的参数（240°C 挤出温度，70°C 床温）最小化翘曲，实现±0.1 mm 的尺寸精度。
AFP 因卓越的机械性能主导高容量航空航天生产，而 3D 打印在快速原型设计和定制几何形状方面表现优异。缠绕成型仍然是火箭级间段等圆柱形组件的最佳选择
复合等网格结构代表了轻量化设计的范式转变，提供了无与伦比的抗拉强度重量比和环境适应能力。AFP 和丝束缠绕技术为大规模生产提供了经过行业验证的解决方案，而连续纤维 3D 打印则使中小企业和研究机构能够进入等网格制造领域。未来混合制造技术的进步——结合 AFP 的精密性与增材制造的可灵活性——有望进一步降低成本，并将应用拓展至可再生能源和汽车行业。正如 CETMA、COMECS 和 Anisoprint 所展示的，工具和材料系统的持续创新将使等网格结构成为下一代复合材料工程的核心技术。
来源：小隐看科技
