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時間:2017-08-29 來源:PT現(xiàn)代塑料 |
美國勞倫斯利物摩爾國家實驗室(簡稱“LLNL”)的研究人員確信,他們已在開發(fā)用于碳纖維的微擠出3D打印技術方面取得了重大進展。 這項研究發(fā)表在Scientific Reports在線上。 LLNL的首席研究員及論文的主要作者Jim Lewicki介紹說,采用3D打印,你可能做出任何由碳纖維制成的東西。 碳纖維復合材料的傳統(tǒng)制造方法,主要是以下兩種中的一種:將長絲纏繞在芯軸上,或者像柳條筐一樣將纖維編織在一起。 這兩種方法使得最終產品局限于平面形或圓柱形。 出于性能的考慮,制造商們還傾向于過度補充材料,從而使生產出的部件要比所需要的部件更重、更昂貴且更浪費。 然而,LLNL的研究人員通過采用一種改進的直接噴射書寫(簡稱“DIW”)3D打印工藝,他們打印出了幾種復雜的三維結構。 Lewicki與其團隊還開發(fā)了一種新的化學物質并獲得了專利,它能夠用幾秒鐘而非幾小時的時間來固化材料。 同時,該研究團隊還利用實驗室的計算能力,開發(fā)了碳纖維長絲流動的精確模型。 通過模擬,他們突破了障礙。憑借計算模型,他們在大型部件上取得了成功。 一個工程師團隊在LLNL 的超級計算機上完成了計算模型。在此過程中,他們需要模擬數(shù)以千計的碳纖維,以便當碳纖維從噴射嘴出來時,找出能夠最好排列它們的方法。 他們開發(fā)了一個數(shù)字代碼來模擬一種擁有分散碳纖維的非牛頓流體聚合物樹脂。 利用這一代碼,他們可以模擬三維纖維取向在不同打印條件下的演化。 LLNL的流體分析師Yuliya Kanarska說,“我們能夠找出最佳的纖維長度和最佳的性能,但這還是一項正在進行中的工作。通過應用磁力來穩(wěn)定纖維,我們正在努力實現(xiàn)更好的纖維排列。” 3D打印的能力能夠為碳纖維提供新的自由度,研究人員們說,這使他們能夠控制部件的細觀結構。 這種材料還是導電的,允許在一個結構中實現(xiàn)定向熱傳導。 研究人員介紹說,這種合成材料可用于制作高性能的飛機機翼、一側絕緣且不需要在太空中旋轉的衛(wèi)星部件,或者 能夠從身體吸取熱量但不允許熱量進入的可穿戴設備。 這項技術的一個重大突破是,采用熱固性基體材料開發(fā)的訂制碳纖維填充噴墨。 LLNL的材料與高級制造研究員Eric Duoss說,“比如,針對我們的打印工藝而精心設計的環(huán)氧樹脂和氰酸酯樹脂,與在一些商業(yè)領域發(fā)現(xiàn)的可用于碳纖維3D打印技術的相應的熱塑性塑料如尼龍和ABS相比,它們還提供了更高的力學性能和熱性能。這項進展將實現(xiàn)在航空航天、交通運輸和國防領域的廣泛應用。” 這種直接噴墨書寫工藝還使得打印出“所有的碳纖維在微觀結構中取向相同”的部件成為可能,從而使它們優(yōu)于采用隨機排列的其他方法創(chuàng)建的類似材料。 研究人員們說,利用這項工藝,他們只需使用2/3的少量纖維,就能從最終部件上獲得同樣的材料性能。 下一步,研究人員們將優(yōu)化工藝,找出鋪放碳纖維的最佳位子,以獲得最佳的性能。 他們還與商業(yè)、航空航天和國防領域的合作伙伴展開了討論,以推動這項技術的未來發(fā)展。
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