【據(jù)復(fù)合材料世界網(wǎng)站2020年4月17日報道】荷蘭Brightlands材料中心開發(fā)了具有自感知功能的3D打印復(fù)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(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)狀態(tài)創(chuàng)造了條件。

什么是自感知(self-sensing)？

自感知是材料充當(dāng)傳感器并收集其自身狀況信息的能力。碳纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)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(yīng)功能。目前這類材料正在研發(fā)過程中，并正在驗(yàn)證其在飛機(jī)和建筑領(lǐng)域(包括橋梁和建筑物)提供結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)的能力。

從傳統(tǒng)材料角度看，這種具備自感知能力的復(fù)合材料在制造過程將涉及多個階段，需要更復(fù)雜的操作和專用技術(shù)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(shù)相結(jié)合，使得SHM應(yīng)用更具成本效益，從而能夠更廣泛地使用并擴(kuò)展到新的應(yīng)用中。

連續(xù)纖維3D打印技術(shù)創(chuàng)造了新視界

增材制造技術(shù)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(nèi)部的選定方向和位置，使其沿著指定載荷路徑提供所需強(qiáng)度和剛度，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)“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(fù)合材料橋的縮比模型和簡單彎曲梁，通過監(jiān)控其結(jié)構(gòu)的變形情況來證明了這一設(shè)計概念。兩者均使用啦盧森堡Anisoprint公司的Composer A4復(fù)合材料3D打印機(jī)進(jìn)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(jī)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(guān)重要，因?yàn)檫B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(qiáng)復(fù)合材料，從而取代了更復(fù)雜、耗時且昂貴的傳統(tǒng)多步制造技術(shù)。但是，優(yōu)化3D打印結(jié)構(gòu)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(fù)合材料可以收集有關(guān)其實(shí)際使用情況的信息，這對于新產(chǎn)品的設(shè)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(shí)時記錄狀態(tài)及使用過程中承受的作用力，這使設(shè)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(shí)際要求。

這種感知還可以使部件充當(dāng)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(guān)患者身體壓力分布和行為運(yùn)動方式等有價值的信息。

研究伙伴

Brightlands材料中心是由荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織TNO(海牙)和林堡省共同建立的獨(dú)立研究中心。它以強(qiáng)大的應(yīng)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(xiàng)研究工作，其中包括有關(guān)3D打印自感知復(fù)合材料的研究路線圖。

Anisoprint公司則是Anisoprinting技術(shù)的發(fā)明者，該技術(shù)通過連續(xù)纖維3D沉積設(shè)計和生產(chǎn)最佳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。該公司提供3D打印機(jī)、材料(基于碳纖維和玄武巖纖維)和用于生產(chǎn)復(fù)合材料零部件的軟件，幫助科學(xué)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。