LLNL开发出3D打印碳纤维复合材料的新技术

近日，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员成功地开发出了打印航空级碳纤维复合材料的3D打印技术，这使其成为第一个这样做的研究实验室。碳纤维复合材料开创了创造轻质、坚固的钢部件的可能性，被描述为“最终材料”。

这项研究已于2月28日在自然科学报告杂志上发表，介绍了LLNL研究人员如何推进碳纤维复合材料的微挤出3D打印技术。该材料在强度、重量和耐温性方面提供了令人难以置信的性能，但是其难以使用，特别是用于生产复杂形状。添加剂制造为这一挑战提供了解决方案，现在来自LLNL的研究人员说他们已经进一步提高了这项技术。

通常，碳纤维复合材料通过围绕心轴缠绕细丝或通过将碳纤维编织在一起而制成。这些方法虽然有效，但倾向于将制成的物体的结构限制为扁平或圆柱形形状。现在，由Jim Lewicki领导的研究小组已经证明，复杂的3D结构可以通过增材制造工艺制造。

他们使用的3D打印过程是一种改进型的直接墨水写入（DIW），也称为Robocasting。根据Lewicki声称，研究人员开发了一种新的、专利的化学品，能够在几秒钟而不是几小时内固化材料。LLNL的高性能计算能力用于准确预测碳纤维丝的流动。

正如Lewicki解释的，“我们通过计算模型模拟如何克服堵塞，这在很大程度上是成功的。”LLNL使用的计算模型包括模拟数千碳纤维流经3D打印机的喷嘴，允许研究人员在实际处理过程中确定如何最佳地排列纤维。

流体分析师Yuliya Kanarska解释说：“我们开发了一种数字代码来模拟具有碳纤维分散体的非牛顿液体聚合物树脂;通过这个代码，我们可以模拟不同印刷条件下3D中的纤维取向的演变。我们能够找到最佳的纤维长度和最佳的性能，但它仍然是一个进展中的工作，目前，我们需要寻求突破的是通过施加磁力来实现更好的纤维对齐，以稳定它们。”

由研究人员开发的新的3D打印和模拟过程将允许使用碳纤维复合材料准确地生产更复杂的部件。根据LLNL团队称，这包括对3D打印部件的介观结构的更多控制。最终，能够使用导电碳纤维材料3D打印诸如高性能飞机机翼、在一侧绝缘的卫星组件（不需要旋转）和绝缘可穿戴设备等部件。

此外，新的3D打印技术最令人兴奋的前景之一是，它可以允许所有的碳纤维在3D打印部件过程中朝向相同的方向，与具有随机的碳纤维部件相比，提供甚至更高的性能对准。对齐纤维的优点之一是保持部件强度性能。

目前，LLNL研究人员正在努力改进和优化其创新过程。据报道，研究小组已经与航空航天和国防达成合作伙伴关系，进一步推进他们的碳纤维3D打印技术。