从太空到低空： 3D编织碳纤维重塑eVTOL制造新范式

近期，美国Bally Ribbon Mills（BRM）公司宣布推出一款革命性的3D编织碳纤维复合结构，再次将行业目光聚焦于这一尖端材料技术。

 

该技术采用独特的连续多维编织工艺，能够制造出多层一体化的近净形预成型体，近乎直接成为最终产品形状，从而极大简化了后续加工流程。这一突破也预示着航空乃至蓬勃兴起的低空领域在轻量化、安全性和设计自由度上将迎来新一轮飞跃。

 

技术核心：从“层叠”到“一体”的编织革命

 当美国Bally Ribbon Mills（BRM）公司近日展示其最新的3D编织碳纤维复合结构时，它揭示的不仅是一项工艺改进，更是一场关乎飞行器制造范式的变革。这种能够近乎直接“织造”出复杂整体构件的技术，正以其颠覆性的优势，为从万米高空的大型客机到百米低空的飞行汽车，描绘出更轻盈、更坚固、更高效的设计疆域。

传统复合材料如同用布料裁剪缝合衣服，而3D编织则像是在3D空间中直接“生长”出一件完整的毛衣。通过让碳纤维在X、Y、Z三个方向连续交织，它创造出一个没有薄弱层间界面的整体结构。

由于3D编织的性质，强度和支撑在所有三个维度上都进行了转换，从而使连接能够沿被连接在一起的子结构的荷载路径增强强度。这些编织形状可以进行定制，以适应结构本身的架构，以及所连接的子组件。

据报道，BRM使用3D连续编织来创建新的接头结构并改进现有接头，其3D编织接头实现了强度、耐用性和结构完整性的最佳融合，这些接头在不牺牲完整性和性能的情况下减轻了重量和成本。

BRM公司为客户提供的两种主要碳纤维产品——3D编织复合结构和编织热防护系统（TPS），均在航空航天领域表现出色。3D编织复合结构是一种采用连续多维技术制造的多层纺织品，它可以制成“近净成形”，在某些情况下可以直接插入模具或工具中，从而减少后期处理步骤、人力和材料成本。编织热防护系统（TPS）同样是公司的主打产品，在航空隔热罩应用中成效显著，是关键任务组件，特别是在太空探索飞行器中。

BRM 公司表示，在飞机设计中智能利用3D编织复合结构可使飞机重量减轻多达30%，从而节省大量燃料成本和其他运营成本。
 
无可替代的优势：重塑设计与制造的规则

3D编织技术的魅力，源于其从根本上改写了复合材料的设计与制造规则。首先，它赋予了材料卓越的抗损伤能力。Z向纤维如同无数微型的“锚点”，将结构紧密锁定，使材料在受到冲击时难以分层，这对于追求极致安全的航空器至关重要。

其次，它实现了近净形制造。预成型体已非常接近最终产品形状，这极大地减少了后续的机械加工、切割和装配环节，不仅降低了制造成本和时间，更从源头上减少了材料浪费。

更重要的是，它带来了前所未有的设计自由度。工程师可以摆脱传统工艺的束缚，根据力的传递路径自由设计纤维的走向，实现结构功能一体化，将多个零件融合为一个整体，从而创造出性能最优、重量最轻的新构型。

这些特性在航空领域已经展现出巨大价值。在传统的航空领域，它已是提升高端装备性能的关键。从战斗机的机翼一体化骨架到直升机的旋翼系统，3D编织部件在减重、增韧、延长寿命方面发挥着不可替代的作用。

如今，这项技术的应用正以“双引擎”模式驱动着飞行器的进化。

 

在蓬勃兴起的低空经济领域，它更被视为颠覆性的赋能技术。对于eVTOL（电动垂直起降飞行器）而言，每一克重量都关乎航程与商载。3D编织的整体机身骨架不仅能实现极致的轻量化，其高抗冲击性也为电池和乘员提供了天然的安全堡垒。同样，对于大型物流无人机、飞行汽车等创新载体，其所需的复杂气动外形和抗坠毁能力，都能通过这种一体化编织技术找到最优解。
 
全球竞逐：谁在领跑这场编织竞赛？

3D编织的高技术壁垒，使其成为全球顶尖制造商的竞技场。国际领先者凭借在航空航天领域的长期深耕，已建立起极高的护城河。

BRM是美国在该领域的标志性企业，其优势在于灵活性和定制化。它不仅能生产大型结构件，更擅长为特定任务提供高度复杂的异形编织解决方案，例如为NASA的“火星采样返回任务”编织用于捕捉高速飞行器的超轻高强碳纤维网。它还与国防军工单位的紧密合作，使其在尖端项目上拥有不可替代的地位。

Albany Engineered Composites（AEC）则是规模化、工程化应用的全球标杆。它的强项在于将3D编织技术成功应用于批产型商用大飞机。其为LEAP发动机（用于波音737 MAX、空客A320neo）提供的3D编织复合材料风扇叶片环和机匣，是该项技术最著名的商业化案例之一。AEC代表了将实验室技术转化为可靠、可批量生产的航空部件的最高水平。

法国的赛峰集团和美国的GE航空（通过CFM国际合资公司）作为发动机的最终用户，不仅采购AEC等公司的部件，更在其内部研发部门深度介入3D编织技术的开发，以确保其未来发动机的性能优势。这种“需求牵引”的模式，使得技术发展始终与最前沿的产品规划紧密结合。

空客公司也长期致力于在机体结构中应用3D编织技术，例如在A350机身的门槛、龙骨梁等关键部位进行试验和验证，探索下一代飞机主结构减重的解决方案。

中国力量在此领域亦展现出强劲的追赶势头。

中航工业旗下多家单位已将其应用于多个国家重点型号的研制。旗下如成都飞机工业集团、西安飞机工业集团等主机厂，以及济南特种结构研究所等专业机构，在歼-20、运-20、直-20等国家重点型号的研制中，早已突破并应用了3D编织技术于关键承力构件。其特点是以最终产品为导向，解决型号研制中的“卡脖子”问题，实现了从设计、编织、复材成型到检测的全链条自主可控。

天津工业大学是3D编织基础研究与人才培养的重镇，其研究成果在国际上享有盛誉，为国内产业界输送了大量核心技术人才与工艺方案。东华大学、南京航空航天大学等则在多轴向编织、智能制造等细分方向深入布局。

在产学研用紧密结合的推动下，一批具有前瞻性的民营企业快速崛起，成为3D编织技术商业化应用的重要力量。

中简科技开发了3D编织碳纤维预制体，该技术属于航天级预制体技术。其3D编织碳纤维预制体用于空间站机械臂关节，耐太空辐射能力达10⁴Gy。此外，针对C919大飞机，中简科技研发的3D编织结构体和功能梯度织物可用于优化复材部件的抗疲劳性和轻量化水平。

苏州淞桦航空装备有限公司为航空飞行器提供碳纤维复合材料桨叶及旋翼系统，是国内唯一掌握3D编织全流程生产工艺的企业。公司采用3D编织成型工艺制备碳纤维材料结构件，大幅降低制造成本，并自主研发核心设备，实现全流程验证。

 天鸟高新是楚江新材的子公司，国内碳纤维预制体领域龙头企业，专业生产高性能碳纤维织物、芳纶纤维织物、飞机碳刹车预制件等产品。天鸟高新拥有精湛的碳纤维3D立体编织工艺，是国家航空航天重大工程配套企业，也是C919碳刹车预制体的唯一供应商。

云路复合材料（上海）有限公司，以3D编织智能装备及高性能纤维复合材料的研发及生产为主营业务，自主研发的3D编织智能装备核心技术处于世界先进、领先水平，已成功配套航空、航天等领域多个重点型号产品的研制和量产，并与小鹏汇天开展飞行汽车领域的合作。

光威复材的子公司拓展纤维负责碳纤维原丝与织物，复材科技、光晟科技等板块直接提供3D编织预浸料及最终复合材料制品，客户覆盖航空航天、风电、高压储氢等领域。  

中复神鹰配套3D编织织物与预浸料，下游用于eVTOL、风电叶片、储氢瓶等。恒神股份定位为“国内领先的复合材料综合解决方案提供商”，明确将“3D编织”作为其核心预制体技术之一，并展示了多种3D编织预制件的样品和能力，包括复杂异形结构。

吉林化纤集团与下游编织厂紧密合作，提供大丝束碳纤维原丝，用于3D编织风电叶片梁帽、汽车结构件等。陕西泰普瑞复合材料技术股份有限公司也涉足3D编织复合材料领域，生产多种碳纤维复合材料制品。碳元素（厦门）新材料， 提供定制化3D编织碳纤维复合工程塑料（尼龙、PPS、PEI等基体），用于汽车轻量化、电子散热等场景。

光威精密机械，自研碳纤维3D编织设备及工装模具，可为上述企业提供自动化编织产线。中国纺织科学研究院有限公司研制出可大型化扩展、能控制任意携纱器运行路径的3D编织设备，可实现多层结构件和变截面预制件的自动编织。北京柏瑞鼎科技有限公司拥有旋转法3D编织机专利，可编织3D四向、五向及多向预成形件矩形和圆形3D编织平台、预成形体及复合材料制件。
 
未来展望：编织智能与绿色的飞行新纪元

展望未来，3D编织碳纤维的发展路径清晰而广阔。它与机器人、人工智能的结合，将走向全自动化的智能制造，进一步提升精度与效率。随着工艺成熟和规模扩大，其成本有望持续下降，应用领域将从航空航天扩展至更广阔的民用市场。

最终，这项技术更大的意义在于赋能创新设计。它为解决飞行器轻量化、安全性与经济性的矛盾提供了全新的底层方案，将催生出我们今天可能还无法想象的下一代飞行器构型，为人类探索天空的梦想，编织出更加坚实而轻盈的翅膀。

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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