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合材料的3D打印技術，這使其成為第一個這樣做的研究實驗室。碳纖維復合材料開創(chuàng)了創(chuàng)造輕質、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日在自然科學報告雜志上發(fā)表，介紹了LLNL研究人員如何推進碳纖維復合材料的微擠出3D打印技術。該材料在強度、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，特別是用于生產復雜形狀。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)進一步提高了這項技術。

通常，碳纖維復合材料通過圍繞心軸纏繞細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構限制為扁平或圓柱形形狀。現(xiàn)在，由Jim Lewicki領導的研究小組已經(jīng)證明，復雜的3D結構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、專利的化學品，能夠在幾秒鐘而不是幾小時內固化材料。LLNL的高性能計算能力用于準確預測碳纖維絲的流動。

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合材料準確地生產更復雜的部件。根據(jù)LLNL團隊稱，這包括對3D打印部件的介觀結構的更多控制。最終，能夠使用導電碳纖維材料3D打印諸如高性能飛機機翼、在一側絕緣的衛(wèi)星組件(不需要旋轉)和絕緣可穿戴設備等部件。

此外，新的3D打印技術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，與具有隨機的碳纖維部件相比，提供甚至更高的性能對準。對齊纖維的優(yōu)點之一是保持部件強度性能。

目前，LLNL研究人員正在努力改進和優(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成合作伙伴關系，進一步推進他們的碳纖維3D打印技術。