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(shù)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(fù)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

Lewicki與其團隊還開發(fā)了一種新的化學(xué)物質(zhì)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(dāng)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(yīng)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(jié)構(gòu)。

這種材料還是導(dǎo)電的，允許在一個結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)定向熱傳導(dǎo)。

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(cè)絕緣且不需要在太空中旋轉(zhuǎn)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(shè)備。

這項技術(shù)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(shè)計的環(huán)氧樹脂和氰酸酯樹脂，與在一些商業(yè)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)的可用于碳纖維3D打印技術(shù)的相應(yīng)的熱塑性塑料如尼龍和ABS相比，它們還提供了更高的力學(xué)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(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域的合作伙伴展開了討論，以推動這項技術(shù)的未來發(fā)展。