飞机高性能结构件 3D打印碳纤维复合材料

合成纤维材料有着强度高、质轻、易洗快干、弹性好、不怕霉蛀等一系列优异性能，所在航空航天中的应用越来越广泛，不同品种的合成纤维各具有某些独特性能，由于碳纤维强度重量比优于铸造铝，高性能碳纤维部件的下一个目标是发动机性能结构件与高性能机翼部件。接下来我们通过牛津性能材料与劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）在碳纤维复合材料应用领域的新突破。

2016年，牛津性能材料-OPM已被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件，牛津性能材料已经开始出货OXFAB材料打印的零部件。牛津性能材料开发了OXFAB3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特点，OXFAB具有高度耐化学性和耐热性以及定制电性能的能力。

下一步，牛津性能材料的目标是发动机性能结构件。事实上，他们正在将其OXFAB3D材料打印成飞机导向叶片。由于其惰性特点，OXFAB具有高度耐化学性和耐热性，既可以高速运转时的高温，同时抵抗火焰和辐射，这对于高性能的航空航天和工业零部件十分关键。通过镀镍工艺，牛津性能材料发现新材料可以达到介于钛合金与高性能航空铝的性能。

图片：牛津性能材料的镀镍风扇导向叶片

听起来似乎有些疯狂，然而，牛津性能材料是有底气的。2016年复合材料巨头美国赫氏（Hexcel）完成了对美国牛津性能材料的战略投资。牛津性能材料将赫氏特殊的碳纤维材料复合到OXFAB材料中来，他们将6片导向叶片一次性打印出来，并在表层上镀镍。

blockLLNL的制造技术与软件技术

无独有偶，近日，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室-LLNL的研究人员宣布已经成功3D打印航天级碳纤维复合材料，成为第一个这样做的研究实验室。被描述为“终极材料”的碳纤维复合材料开辟了创造轻量化、强于钢件的可能性。LLNL的研究发表在Nature自然杂志上，科研人员研发的碳纤维复合材料微挤压3D打印技术，使得材料获得了令人难以置信的性能，结合机械性能、密度和耐温性，特别适合严苛环境下的运行。而对于复杂形状的生产，则是3D打印与生俱来的优势。

通常，碳纤维复合材料是由缠绕在心轴上的长丝或将碳纤维编织在一起制成的。这些方法，在某些情况下是有效的，但碳纤维只是被制成扁平或圆柱形的形状。LLNL的工艺被称为改进型直接墨水书写（DIW），也被称为robocasting。研究人员开发出一种新的、专利的化学过程，能在几秒钟内固化材料。LLNL的高性能计算能力能准确地预测碳纤维丝流情况。

LLNL的计算模型包括模拟碳纤维复合材料流经3D打印机喷头，以数以千计的液滴形成固体的过程，这使得研究人员能够确定如何最好地实际加工这些纤维。LLNL开发的算法可以模拟非牛顿液体聚合物树脂环境下的碳纤维分散情况。通过模拟不同情况下的三维纤维取向，科学家可以能够确定最佳的纤维长度和最佳性能。不过这个算法还在完善，科研人员希望能够通过施加磁力来更好的控制纤维的分布。

新的3D打印技术和仿真方法，将允许使用碳纤维复合材料生产更复杂的部件。据LLNL的团队，这包括对3D打印零件结构性能的控制。最终，科学家们希望这项技术能够用来制造导电材料以及高性能飞机机翼等部件以及那些需要部分绝缘的卫星部件。

LLNL提供了一种准确排列碳纤维的方法，对准纤维的好处之一是能够保持高强度性能，相比于随机对准纤维来说，准确排列的纤维可以节约高达1/3的碳纤维。LLNL的研究人员正在研究改进和优化他们的创新过程。研究人员已与商业航空航天和国防合作伙伴进一步探讨如何推进他们的碳纤维3D打印技术。