荷兰开发可用于航空航天结构件损伤检测的3D打印复合材料

laiyuan :中国航空报

荷兰Brightlands材料中心开发了具有自感知功能的3D打印复合材料零件，这种自感知材料为监视航空航天、建筑和医疗保健等领域的关键结构状态创造了条件。自感知是材料充当传感器并收集其自身状况信息的能力。碳纤维增强的聚合物基复合材料可根据其连续纤维电阻可测量变化提供自感应功能。目前这类材料正在研发过程中， 并正在验证其在飞机和建筑领域（包括桥梁和建筑物）提供结构健康监测（SHM）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。Brightlands材料中心正在将连续碳纤维的自感知能力与增材制造技术相结合，使得SHM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。

连续纤维3D打印技术创造了新视界
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”作为的位置中， 多条纤维可以在整个零部件中形成一系列传感器。

Brightlands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。两者均使用了卢森堡Anisoprint公司的Composer A4复合材料3D打印机进行制造。Brightlands材料中心的研究工程师Guy Bex表示， 对于全新的Anisoprint公司系统非常满意，这种3D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。

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。

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。

Brightlands材料中心是由荷兰应用科学研究组织TNO（海牙）和林堡省共同建立的独立研究中心。它以强大的应用聚焦能力为工业创新提供支持，并从事和参与众多专项研究工作， 其中包括有关3D打印自感知复合材料的研究路线图。

A n i s o p r i n t公司则是Anisoprinting技术的发明者， 该技术通过连续纤维3D沉积设计和生产最佳复合材料结构。该公司提供3D打印机、材料（基于碳纤维和玄武岩纤维） 和用于生产复合材料零部件的软件， 帮助科学家以全新的、更有效的方式解决研究问题，并使降低生产成本。