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比钢强10倍,比铝高8倍|可用于航空航天结构件的3D打印连续纤维复合材料

国际金属加工网 2021年12月15日

碳纤维复合材料是一种轻质、高强度的工程材料,其强度比钢铁高10倍,比铝高8倍,而重量只是这些材料的一小部分。近些年来,碳纤维复合材料生产过程中的数字化,从设计到制造过程控制,从自我修正到监控智能复合结构的运行性能日益得到关注。自感应(self-sensing)是材料感知自身状况的能力。将材料本身用作传感器,可以在不植入或不附加传感器系统的情况下,对产品的结构信息进行监测。这样,不仅成本更低,耐用性更高,感测体积更大,而且力学性能损失更小。

由连续碳纤维增强的聚合物基复合材料是已知的具有自感应能力的材料,比如,它可基于连续纤维电阻的可测量变化,对纤维缠绕的缸体中存在的损伤进行自感应监测。其应用潜力还包括对飞机或桥梁等建筑中关键部分的结构健康状况进行监控。有研究机构已经将连续纤维增强热塑性塑料的自感应能力与增材制造结合在一起,以生产自感应部件。

连续纤维3D打印智能感知复合结构

从传统材料角度看,这种具备自感知能力的复合材料在制造过程将涉及多个阶段,需要更复杂的操作和专用技术制造完成。布莱特兰材料中心将连续碳纤维的自感知能力与增材制造技术相结合,使得结构健康监测应用更具成本效益,从而能够更广泛地使用并扩展到新的应用中。

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碳纤维必须从零件中外延才能与用于监控的电子硬件相连

增材制造技术可以非常精确地定位和定向连续碳纤维。因此,可以将纤维放置在产品内部的选定方向和位置,使其沿着指定载荷路径提供所需强度和刚度,形成内部结构的组成部分。这意味着碳纤维被安置在需要其发挥监测结构“传感器”作用的位置中,多条纤维可以在整个零部件中形成一系列传感器。

布莱特兰材料中心利用一款人行复合材料桥的缩比模型和简单弯曲梁,通过监控其结构的变形情况来证明了这一设计概念。其研究工程师表示,所采用的Anisoprint A4 Composer打印机在选择打印材料和完全控制纤维沉积方面,提供了极高的自由度。纤维定位的自由度对于感知至关重要,因为连续的碳纤维必须从零件中外延才能与用于监控的电子硬件相连。

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在桥上施加的载荷与连续纤维的电阻之间存在明显的相关性

更精确的3D打印成果

由于3D打印不再需要工具或模具,因此它提供了一步制造方法来生产任何形状的连续纤维增强复合材料,从而取代了更复杂、耗时且昂贵的传统多步制造技术。但是,优化3D打印结构的制造过程可能需要经过多次迭代。具有自感知能力的3D打印复合材料可以收集有关其实际使用情况的信息,这对于新产品的设计和原型件测试阶段十分重要。

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Anisoprint复合纤维共挤技术(CFC)

在此类测试过程中,自感知3D打印部件会实时记录状态及使用过程中承受的作用力,这使设计人员和工程师可以更精确地了解3D打印部件在使用过程中必须满足的实际要求。
这种感知还可以使部件充当诊断工具。例如,3D打印的自感知矫形器或假体部件可能会收集患者的活动信息,并向医生提供有关患者身体压力分布和行为运动方式等有价值的信息。

航空中的碳纤维:不是金属,胜过金属

随着材料学的发展,金属已经不再是我们的唯一选择,有大量的非金属材料因为特殊的性能而被被应用到航空发动机中,如陶瓷材料和碳纤维。陶瓷因为其极佳的耐高温性能而有可能在未来的航空发动机高温部件中得到使用;碳纤维则以优秀的比强度、比模量等综合指标被航空航天工业青睐。

碳纤维相比于金属材料最明显的一个优点就是—轻。碳纤维密度一般在1400~2000kg每立方米,经过环氧树脂强化的碳纤维密度也不过1600kg每立方米而已,远远好于金属材料。

而且这种材料抗拉强度极高,想要拉断高强度碳纤维材料需要用拉断同样横截面积钢铁的力的两到四倍。

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碳纤维(后三行)与金属材料的对比

另外,碳纤维跟金属材料不一样,碳纤维材料并没有所谓“疲劳强度”的概念,也就是说变化的力对于金属材料来说是一种威胁,需要重点关注,但是放在碳纤维这里却不叫什么事情。

上面这些优点对于航空器材可以说是至关重要,因为这些东西是要飞上天的,所以自然是越轻越好,而且像航空发动机这样的装置,需要承受巨大、复杂的载荷,工作状态下零件内部会分布有复杂变化的载荷,有这么一种密度小、强度高、抗疲劳能力强的材料自然是极好的。

碳纤维在航空航天领域的应用非常广泛,它可以被用来制造火箭的燃料储藏罐,也可以用来制造飞机的外壳。尤其是现在先进民用客机制造中,碳纤维的使用比例已经超过了50%。

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波音787外壳大量使用碳纤维材料(蓝色)

连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式

连续纤维3D打印技术综合利用工业机器人、3D打印末端执行器、原位检测、智能监测与机器学习等技术,快速输送、沉积连续纤维增强体,以及基体树脂并原位浸渍、固化,与传统的自动铺丝成形以及熔融沉积成形等工艺相比,自动化程度和柔性更高,对于典型的碳纤维/聚醚醚酮零件,研发周期可缩短至原来的1/30,生产速度可提高100倍。连续纤维3D打印机可以由多机器人组成柔性单元,机器人上还可添加多个3D打印末端执行器,同时打印头可支持碳纤维、凯夫拉、玻璃纤维甚至光纤和金属丝等材料,使该技术既可以用于大批量生产复合材料零件,也可以一次性打印高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关键零件。

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McNair 3D打印技术旨在生产高度复杂且独特的结构

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CEAD集团3D打印高压灭菌模具

当前,连续纤维3D打印技术还存在两个主要问题:一是纤维含量低,且打印层之间的分层可能性高;二是缺乏标准化的连续工具路径生成商业软件。未来,随着这些问题的解决,该技术依托灵活开放、高速高效、低成本且生产完全自动化等优势,必将会与传统复合材料制造技术产生竞争。可以预见,随着该技术的成熟和大规模推广应用,将进一步促进航空制造业探索以3D打印方式批量生产无人机、复杂航空结构以及制造工装,开启航空复合材料发展的新浪潮。

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双机器人连续纤维3D打印机

当前,美欧3D打印技术开发商与机器人制造商已共同开发了一系列先进的连续纤维3D打印设备与制造工艺。面对国外技术飞速发展的势头,我国应加强情报跟踪研判,联合原材料、机器人、末端执行器、3D打印软件、传感器、机器学习、数控系统优势企业,尽早开发和演示验证若干系列自主可控的工艺和装备,形成规模化的制造工艺和装备产业,支撑我国制造业提高生产效率和质量,以迎接未来航空复合材料结构设计制造面临的高速、低成本竞争,并满足未来以无人机为代表的航空装备低成本大批量按需制造的需求。

 

(3D打印技术参考)

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