荷蘭開發(fā)可用于航空航天結構件損傷檢測的3D打印復合材料

laiyuan :中國航空報

荷蘭Brightlands材料中心開發(fā)了具有自感知功能的3D打印復合材料零件，這種自感知材料為監(jiān)視航空航天、建筑和醫(yī)療保健等領域的關鍵結構狀態(tài)創(chuàng)造了條件。自感知是材料充當傳感器并收集其自身狀況信息的能力。碳纖維增強的聚合物基復合材料可根據(jù)其連續(xù)纖維電阻可測量變化提供自感應功能。目前這類材料正在研發(fā)過程中， 并正在驗證其在飛機和建筑領域（包括橋梁和建筑物）提供結構健康監(jiān)測（SHM）從傳統(tǒng)材料角度看，這種具備自感知能力的復合材料在制造過程將涉及多個階段，需要更復雜的操作和專用技術制造完成。Brightlands材料中心正在將連續(xù)碳纖維的自感知能力與增材制造技術相結合，使得SHM應用更具成本效益，從而能夠更廣泛地使用并擴展到新的應用中。

連續(xù)纖維3D打印技術創(chuàng)造了新視界
增材制造技術可以非常精確地定位和定向連續(xù)碳纖維。因此，可以將纖維放置在產(chǎn)品內部的選定方向和位置，使其沿著指定載荷路徑提供所需強度和剛度，形成內部結構的組成部分。這意味著碳纖維被安置在需要其發(fā)揮監(jiān)測結構“傳感器”作為的位置中， 多條纖維可以在整個零部件中形成一系列傳感器。

Brightlands材料中心利用一款人行復合材料橋的縮比模型和簡單彎曲梁，通過監(jiān)控其結構的變形情況來證明了這一設計概念。兩者均使用了盧森堡Anisoprint公司的Composer A4復合材料3D打印機進行制造。Brightlands材料中心的研究工程師Guy Bex表示， 對于全新的Anisoprint公司系統(tǒng)非常滿意，這種3D打印機在選擇打印材料和完全控制纖維沉積方面，提供了極高的自由度。纖維定位的自由度對于感知至關重要，因為連續(xù)的碳纖維必須從零件中外延才能與用于監(jiān)控的電子硬件相連。

更精確的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來生產(chǎn)任何形狀的連續(xù)纖維增強復合材料， 從而取代了更復雜、耗時且昂貴的傳統(tǒng)多步制造技術。但是，優(yōu)化3D打印結構的制造過程可能需要經(jīng)過多次迭代。具有自感知能力的3D打印復合材料可以收集有關其實際使用情況的信息，這對于新產(chǎn)品的設計和原型件測試階段十分重要。

在此類測試過程中，自感知3D打印部件會實時記錄狀態(tài)及使用過程中承受的作用力，這使設計人員和工程師可以更精確地了解3D打印部件在使用過程中必須滿足的實際要求。

這種感知還可以使部件充當診斷工具。例如，3D打印的自感知矯形器或假體部件可能會收集患者的活動信息，并向醫(yī)生提供有關患者身體壓力分布和行為運動方式等有價值的信息。

Brightlands材料中心是由荷蘭應用科學研究組織TNO（海牙）和林堡省共同建立的獨立研究中心。它以強大的應用聚焦能力為工業(yè)創(chuàng)新提供支持，并從事和參與眾多專項研究工作， 其中包括有關3D打印自感知復合材料的研究路線圖。

A n i s o p r i n t公司則是Anisoprinting技術的發(fā)明者， 該技術通過連續(xù)纖維3D沉積設計和生產(chǎn)最佳復合材料結構。該公司提供3D打印機、材料（基于碳纖維和玄武巖纖維） 和用于生產(chǎn)復合材料零部件的軟件， 幫助科學家以全新的、更有效的方式解決研究問題，并使降低生產(chǎn)成本。