連續(xù)碳纖維復(fù)合材料3D打印在智能自感應(yīng)零件中的應(yīng)用潛力

魔猴君  行業(yè)資訊   1679天前

工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中，許多復(fù)合結(jié)構(gòu)部件會(huì)承受很高的工作負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致材料損壞并導(dǎo)致機(jī)械性能下降。連續(xù)監(jiān)視組件的完整性狀態(tài)和內(nèi)部損壞的演變，對(duì)于提高操作可靠性和復(fù)合結(jié)構(gòu)的使用壽命至關(guān)重要。[1]

近年來(lái)，已有用于自我感應(yīng)的傳感解決方案被開(kāi)發(fā)出來(lái)，主要是基于光纖的使用。但鑒于實(shí)施的復(fù)雜性以及所用方式的可靠性有限，并沒(méi)有用于復(fù)合部件損害監(jiān)測(cè)的有效方法。此外，由于技術(shù)和成本的原因，不可能建立特別密集的光纖網(wǎng)絡(luò)，因此難以在微觀水平上檢測(cè)損傷或在光纖貧乏區(qū)域所存在的損傷。[1]

傳統(tǒng)的自感應(yīng)復(fù)合材料零件的生產(chǎn)通常是一個(gè)復(fù)雜的多步驟過(guò)程，需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備來(lái)集成連續(xù)纖維。荷蘭的研究機(jī)構(gòu)Brightlands Materials Center 目標(biāo)是利用增材制造-3D打印能與碳纖維復(fù)合材料制造自感應(yīng)式零部件，并利用兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)獲得更有效的結(jié)果。

下一代智能材料

自感應(yīng)是材料充當(dāng)傳感器并收集有關(guān)其自身狀況的信息的能力。具有注入的連續(xù)碳纖維的聚合物基復(fù)合材料已被用作自傳感器，用于由測(cè)量纖維電阻的變化。具有足夠纖維的自感應(yīng)材料，應(yīng)用潛力在于監(jiān)控航空航天等機(jī)械或橋梁中的大型零件的結(jié)構(gòu)健康狀況。

來(lái)源：Compositi Magazine

然而，傳統(tǒng)的自感應(yīng)復(fù)合材料 零件的生產(chǎn)通常是一個(gè)復(fù)雜的多步驟過(guò)程，需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備來(lái)集成連續(xù)纖維。Brightlands研究團(tuán)隊(duì)則采用連續(xù)碳纖維3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)突破。

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該團(tuán)隊(duì)指出，3D打印技術(shù)能夠?qū)⑻祭w維在復(fù)合零件內(nèi)進(jìn)行精確定位，使纖維的放置和方向沿著需要它們的關(guān)鍵區(qū)域延伸，也可以將纖維分批分組。這種方式帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是，在需要時(shí)提供更靈敏的監(jiān)控。3D打印技術(shù)為材料定位所帶來(lái)的設(shè)計(jì)自由度，使這些成為可能。

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Brightlands研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)視人行天橋模型的變形，來(lái)驗(yàn)證3D打印傳感器纖維。團(tuán)隊(duì)使用Anisoprint的碳纖維復(fù)合材料3D打印機(jī)制造了橋模型的彎曲梁，打印材料為碳纖維熱塑性復(fù)合材料。3D打印設(shè)備將材料擠出，并周期性地沿著構(gòu)建方向插入，從而產(chǎn)生各向異性。當(dāng)通電時(shí)，有幾根光纖伸出網(wǎng)橋，并在變化的負(fù)載下測(cè)量其電阻。

結(jié)果表明，在橋上施加的載荷與連續(xù)纖維的電阻之間存在明顯的相關(guān)性，電阻隨力的增加而增加。這以結(jié)果初步驗(yàn)證了3D打印連續(xù)碳纖維復(fù)合材料在自感應(yīng)零部件應(yīng)用中的潛力，3D打印的自感應(yīng)零部件可以提供有關(guān)組件的哪些部分承受最大負(fù)載或組件需要承受的力范圍的有用數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)希望將這一技術(shù)和這些數(shù)據(jù)擴(kuò)展至假肢制造等領(lǐng)域，工程師可以使用這些數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)假體，以更有效地分配應(yīng)力或建立橋接結(jié)構(gòu)以支持更大的載荷。

 Review

材料的電和機(jī)械響應(yīng)之間的耦合是稱(chēng)為壓阻的現(xiàn)象。這種耦合現(xiàn)象可以用來(lái)開(kāi)發(fā)能夠自我監(jiān)測(cè)自身應(yīng)變和內(nèi)部損傷狀態(tài)的應(yīng)變敏感’智能’材料。在聚合物復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方式是通過(guò)將導(dǎo)電碳納米結(jié)構(gòu)引入非導(dǎo)電聚合物中。在包含足夠的碳納米結(jié)構(gòu)時(shí)，聚合物復(fù)合材料變成導(dǎo)電的 – 這種現(xiàn)象稱(chēng)為電滲流。在滲濾時(shí)，應(yīng)變，濕度，溫度和其他外部激發(fā)的變化導(dǎo)致納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率變化，并且它們的相關(guān)性可用于開(kāi)發(fā)自感應(yīng)智能材料。[2]

預(yù)計(jì)這些材料的當(dāng)前應(yīng)用將為汽車(chē)，航空航天，運(yùn)輸和能源行業(yè)提供下一代智能材料。另一方面，碳填充彈性體材料的應(yīng)用更多地集中于人體運(yùn)動(dòng)傳感器，軟皮，智能可穿戴傳感器和機(jī)器人技術(shù)。[2]

關(guān)于碳纖維復(fù)合材料制造智能零部件的應(yīng)用，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，提供連續(xù)碳纖維3D打印技術(shù)的Arris Composites公司，在其已開(kāi)拓的市場(chǎng)應(yīng)用中包含了這一細(xì)分領(lǐng)域。Arris Composites的技術(shù)已在多個(gè)市場(chǎng)上獲得了應(yīng)用，利用革命性的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)功能使得產(chǎn)品更輕、更堅(jiān)固、更智能。目前，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品是Arris Composites增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)，其下一代消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備被設(shè)計(jì)為更輕、更小、更智能。3D打印技術(shù)使得產(chǎn)品更新周期短、創(chuàng)新步伐快，便攜式電子設(shè)備很可能是Arris首次向公眾提供的制造產(chǎn)品。

此外，值得一提的是，在Brightlands研究中所涉及到的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)用目標(biāo)并不是原型件的制造，而是批量生產(chǎn)。Arris Composites目的是實(shí)現(xiàn)下一代大眾市場(chǎng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印生產(chǎn)級(jí)應(yīng)用。Arris Composites通過(guò)其專(zhuān)有的Additive Molding?制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和輕量化復(fù)合零件的批量生產(chǎn)。通過(guò)這種新工藝，可以以與塑料成型產(chǎn)品相同的速度生產(chǎn)高級(jí)碳纖維材料。

日趨成熟的碳纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)是否會(huì)為下一代智能材料或智能零部件的制造注入新的活力.

來(lái)源：3D科學(xué)谷