飛機(jī)高性能結(jié)構(gòu)件，3D打印碳纖維復(fù)合材料的下一個(gè)目標(biāo)

合成纖維材料有著強(qiáng)度高、質(zhì)輕、易洗快干、彈性好、不怕霉蛀等一系列優(yōu)異性能，所在航空航天中的應(yīng)用越來越廣泛，不同品種的合成纖維各具有某些獨(dú)特性能，由于碳纖維強(qiáng)度重量比優(yōu)于鑄造鋁，高性能碳纖維部件的下一個(gè)目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)性能結(jié)構(gòu)件與高性能機(jī)翼部件。接下來我們通過牛津性能材料與勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的新突破。

block 牛津性能材料的跨越

2016年，牛津性能材料-OPM已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結(jié)構(gòu)件，牛津性能材料已經(jīng)開始出貨OXFAB材料打印的零部件。牛津性能材料開發(fā)了OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特點(diǎn)，OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性以及定制電性能的能力。

下一步，牛津性能材料的目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)性能結(jié)構(gòu)件。事實(shí)上，他們正在將其OXFAB 3D材料打印成飛機(jī)導(dǎo)向葉片。由于其惰性特點(diǎn)，OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性，既可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的高溫，同時(shí)抵抗火焰和輻射，這對(duì)于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。通過鍍鎳工藝，牛津性能材料發(fā)現(xiàn)新材料可以達(dá)到介于鈦合金與高性能航空鋁的性能。

圖片：牛津性能材料的鍍鎳風(fēng)扇導(dǎo)向葉片

聽起來似乎有些瘋狂，然而，牛津性能材料是有底氣的。2016年復(fù)合材料巨頭美國(guó)赫氏（Hexcel）完成了對(duì)美國(guó)牛津性能材料的戰(zhàn)略投資。牛津性能材料將赫氏特殊的碳纖維材料復(fù)合到OXFAB材料中來，他們將6片導(dǎo)向葉片一次性打印出來，并在表層上鍍鎳。

block LLNL的制造技術(shù)與軟件技術(shù)

無(wú)獨(dú)有偶，近日，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室-LLNL的研究人員宣布已經(jīng)成功3D打印航天級(jí)碳纖維復(fù)合材料，成為第一個(gè)這樣做的研究實(shí)驗(yàn)室。被描述為“終極材料”的碳纖維復(fù)合材料開辟了創(chuàng)造輕量化、強(qiáng)于鋼件的可能性。LLNL的研究發(fā)表在Nature自然雜志上，科研人員研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料微擠壓3D打印技術(shù)，使得材料獲得了令人難以置信的性能，結(jié)合機(jī)械性能、密度和耐溫性，特別適合嚴(yán)苛環(huán)境下的運(yùn)行。而對(duì)于復(fù)雜形狀的生產(chǎn)，則是3D打印與生俱來的優(yōu)勢(shì)。

通常，碳纖維復(fù)合材料是由纏繞在心軸上的長(zhǎng)絲或?qū)⑻祭w維編織在一起制成的。這些方法，在某些情況下是有效的，但碳纖維只是被制成扁平或圓柱形的形狀。LLNL的工藝被稱為改進(jìn)型直接墨水書寫（DIW），也被稱為robocasting。研究人員開發(fā)出一種新的、專利的化學(xué)過程，能在幾秒鐘內(nèi)固化材料。LLNL的高性能計(jì)算能力能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)碳纖維絲流情況。

LLNL的計(jì)算模型包括模擬碳纖維復(fù)合材料流經(jīng)3D打印機(jī)噴頭，以數(shù)以千計(jì)的液滴形成固體的過程，這使得研究人員能夠確定如何最好地實(shí)際加工這些纖維。LLNL開發(fā)的算法可以模擬非牛頓液體聚合物樹脂環(huán)境下的碳纖維分散情況。通過模擬不同情況下的三維纖維取向，科學(xué)家可以能夠確定最佳的纖維長(zhǎng)度和最佳性能。不過這個(gè)算法還在完善，科研人員希望能夠通過施加磁力來更好的控制纖維的分布。

新的3D打印技術(shù)和仿真方法，將允許使用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)更復(fù)雜的部件。據(jù)LLNL的團(tuán)隊(duì)，這包括對(duì)3D打印零件結(jié)構(gòu)性能的控制。最終，科學(xué)家們希望這項(xiàng)技術(shù)能夠用來制造導(dǎo)電材料以及高性能飛機(jī)機(jī)翼等部件以及那些需要部分絕緣的衛(wèi)星部件。

LLNL提供了一種準(zhǔn)確排列碳纖維的方法，對(duì)準(zhǔn)纖維的好處之一是能夠保持高強(qiáng)度性能，相比于隨機(jī)對(duì)準(zhǔn)纖維來說，準(zhǔn)確排列的纖維可以節(jié)約高達(dá)1 / 3的碳纖維。LLNL的研究人員正在研究改進(jìn)和優(yōu)化他們的創(chuàng)新過程。研究人員已與商業(yè)航空航天和國(guó)防合作伙伴進(jìn)一步探討如何推進(jìn)他們的碳纖維3D打印技術(shù)。

來源：3D科學(xué)谷
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