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飛機高性能結構件,3D打印碳纖維復合材料的下一個目標

童程童美 2017-03-16

誰說塑料與金屬之間,井水不犯河水?現今世界的競爭往往不僅僅是賽道與賽道間的競爭,還出現了不同賽場之間的競爭。強度重量比優于鑄造鋁,高性能碳纖維部件的下一個目標是發動機性能結構件與高性能機翼部件。

摘要

誰說塑料與金屬之間,井水不犯河水?現今世界的競爭往往不僅僅是賽道與賽道間的競爭,還出現了不同賽場之間的競爭。強度重量比優于鑄造鋁,高性能碳纖維部件的下一個目標是發動機性能結構件與高性能機翼部件。

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打印的結構件,牛津性能材料已經開始出貨OXFAB材料打印的零部件。牛津性能材料開發了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動機性能結構件。事實上,他們正在將其OXFAB 3D材料打印成飛機導向葉片。由于其惰性特點,OXFAB具有高度耐化學性和耐熱性,既可以高速運轉時的高溫,同時抵抗火焰和輻射,這對于高性能的航空航天和工業零部件十分關鍵。通過鍍鎳工藝,牛津性能材料發現新材料可以達到介于鈦合金與高性能航空鋁的性能。

飛機高性能結構件,3D打印碳纖維復合材料的下一個目標

圖片:牛津性能材料的鍍鎳風扇導向葉片

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

LLNL的制造技術與軟件技術

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成功3D打印航天級碳纖維復合材料,成為第一個這樣做的研究實驗室。被描述為“終極材料”的碳纖維復合材料開辟了創造輕量化、強于鋼件的可能性。

LLNL的研究發表在Nature自然雜志上,科研人員研發的碳纖維復合材料微擠壓3D打印技術,使得材料獲得了令人難以置信的性能,結合機械性能、密度和耐溫性,特別適合嚴苛環境下的運行。而對于復雜形狀的生產,則是3D打印與生俱來的優勢。

通常,碳纖維復合材料是由纏繞在心軸上的長絲或將碳纖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。研究人員開發出一種新的、專利的化學過程,能在幾秒鐘內固化材料。LLNL的高性能計算能力能準確地預測碳纖維絲流情況。

LLNL的計算模型包括模擬碳纖維復合材料流經3D打印機噴頭,以數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開發的算法可以模擬非牛頓液體聚合物樹脂環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打印技術和仿真方法,將允許使用碳纖維復合材料生產更復雜的部件。據LLNL的團隊,這包括對3D打印零件結構性能的控制。最終,科學家們希望這項技術能夠用來制造導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約高達1/3的碳纖維。

LLNL的研究人員正在研究改進和優化他們的創新過程。研究人員已與商業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。

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