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

合成纖維材料有著強度高、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特性能，由于碳纖維強度重量比優(yōu)于鑄造鋁，高性能碳纖維部件的下一個目標是發(fā)動機性能結(jié)構(gòu)件與高性能機翼部件。接下來我們通過牛津性能材料與勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（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，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是發(fā)動機性能結(jié)構(gòu)件。事實上，他們正在將其OXFAB 3D材料打印成飛機導(dǎo)向葉片。由于其惰性特點，OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性，既可以高速運轉(zhuǎn)時的高溫，同時抵抗火焰和輻射，這對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)合材料巨頭美國赫氏（Hexcel）完成了對美國牛津性能材料的戰(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)

無獨有偶，近日，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室-LLNL的研究人員宣布已經(jīng)成功3D打印航天級碳纖維復(fù)合材料，成為第一個這樣做的研究實驗室。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)合機械性能、密度和耐溫性，特別適合嚴苛環(huán)境下的運行。而對于復(fù)雜形狀的生產(chǎn)，則是3D打印與生俱來的優(yōu)勢。

通常，碳纖維復(fù)合材料是由纏繞在心軸上的長絲或?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的高性能計算能力能準確地預(yù)測碳纖維絲流情況。

LLNL的計算模型包括模擬碳纖維復(fù)合材料流經(jīng)3D打印機噴頭，以數(shù)以千計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度和最佳性能。不過這個算法還在完善，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的團隊，這包括對3D打印零件結(jié)構(gòu)性能的控制。最終，科學(xué)家們希望這項技術(shù)能夠用來制造導(dǎo)電材料以及高性能飛機機翼等部件以及那些需要部分絕緣的衛(wèi)星部件。

LLNL提供了一種準確排列碳纖維的方法，對準纖維的好處之一是能夠保持高強度性能，相比于隨機對準纖維來說，準確排列的纖維可以節(jié)約高達1 / 3的碳纖維。LLNL的研究人員正在研究改進和優(yōu)化他們的創(chuàng)新過程。研究人員已與商業(yè)航空航天和國防合作伙伴進一步探討如何推進他們的碳纖維3D打印技術(shù)。

來源：3D科學(xué)谷
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