近日，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員成功地開發(fā)出了打印航空級碳纖維復(fù)合材料的3D打印技術(shù)，這使其成為第一個這樣做的研究實驗室。碳纖維復(fù)合材料開創(chuàng)了創(chuàng)造輕質(zhì)、堅固的鋼部件的可能性，被描述為“最終材料”。

這項研究已于2月28日在自然科學(xué)報告雜志上發(fā)表，介紹了LLNL研究人員如何推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的微擠出3D打印技術(shù)。該材料在強(qiáng)度、重量和耐溫性方面提供了令人難以置信的性能，但是其難以使用，特別是用于生產(chǎn)復(fù)雜形狀。添加劑制造為這一挑戰(zhàn)提供了解決方案，現(xiàn)在來自LLNL的研究人員說他們已經(jīng)進(jìn)一步提高了這項技術(shù)。

通常，碳纖維復(fù)合材料通過圍繞心軸纏繞細(xì)絲或通過將碳纖維編織在一起而制成。這些方法雖然有效，但傾向于將制成的物體的結(jié)構(gòu)限制為扁平或圓柱形形狀。現(xiàn)在，由Jim Lewicki領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)證明，復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)可以通過增材制造工藝制造。

他們使用的3D打印過程是一種改進(jìn)型的直接墨水寫入(DIW)，也稱為Robocasting。根據(jù)Lewicki聲稱，研究人員開發(fā)了一種新的、專利的化學(xué)品，能夠在幾秒鐘而不是幾小時內(nèi)固化材料。LLNL的高性能計算能力用于準(zhǔn)確預(yù)測碳纖維絲的流動。

正如Lewicki解釋的，“我們通過計算模型模擬如何克服堵塞，這在很大程度上是成功的。”LLNL使用的計算模型包括模擬數(shù)千碳纖維流經(jīng)3D打印機(jī)的噴嘴，允許研究人員在實際處理過程中確定如何最佳地排列纖維。

流體分析師Yuliya Kanarska解釋說：“我們開發(fā)了一種數(shù)字代碼來模擬具有碳纖維分散體的非牛頓液體聚合物樹脂;通過這個代碼，我們可以模擬不同印刷條件下3D中的纖維取向的演變。我們能夠找到最佳的纖維長度和最佳的性能，但它仍然是一個進(jìn)展中的工作，目前，我們需要尋求突破的是通過施加磁力來實現(xiàn)更好的纖維對齊，以穩(wěn)定它們。”

由研究人員開發(fā)的新的3D打印和模擬過程將允許使用碳纖維復(fù)合材料準(zhǔn)確地生產(chǎn)更復(fù)雜的部件。根據(jù)LLNL團(tuán)隊稱，這包括對3D打印部件的介觀結(jié)構(gòu)的更多控制。最終，能夠使用導(dǎo)電碳纖維材料3D打印諸如高性能飛機(jī)機(jī)翼、在一側(cè)絕緣的衛(wèi)星組件(不需要旋轉(zhuǎn))和絕緣可穿戴設(shè)備等部件。

此外，新的3D打印技術(shù)最令人興奮的前景之一是，它可以允許所有的碳纖維在3D打印部件過程中朝向相同的方向，與具有隨機(jī)的碳纖維部件相比，提供甚至更高的性能對準(zhǔn)。對齊纖維的優(yōu)點之一是保持部件強(qiáng)度性能。

目前，LLNL研究人員正在努力改進(jìn)和優(yōu)化其創(chuàng)新過程。據(jù)報道，研究小組已經(jīng)與航空航天和國防達(dá)成合作伙伴關(guān)系，進(jìn)一步推進(jìn)他們的碳纖維3D打印技術(shù)。