航空航天连续碳纤维3D打印技术

2024年5月27日，南极熊获悉，美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）最近安装了Continuous Composites的CF3D Enterprise系统，这是一种先进的3D打印技术。该系统的引入旨在加速航空航天领域所需的大型轻质结构复合材料的研究和生产。这标志着Continuous Composites首次将它的连续纤维3D打印机安装在学术界之外的机构，显示了该技术在学术和工业界的广泛应用前景。

△伊利诺伊大学安装首台CF3D Enterprise系统

Continuous与UIUC的独特合作

工程学创始人Jeff Baur教授是伊利诺伊大学香槟分校航空航天工程系（AE）复合材料加工和增材制造实验室的负责人，同时也是Beckman研究所自主材料系统小组的成员。在超过25年的空军服役后，去年Baur加入了Beckman学院。

Baur教授说：“这是一项改变游戏规则的复材技术，因为它可以制造出形状复杂的结构，其机械性能接近传统的航空航天复合材料。目前，制造高性能复合材料的方法是手工铺设填充树脂的织物或纤维，然后在热压罐中长时间加热处理制作而成。现在，我们使用机器人铺设纤维，将其快速固化成型，所需的时间仅为原来的一小部分。尽管已经取得了一些成就，但仍然需要继续努力和投入大量的技术研究和工作。”

CF3D Enterprise打印机是UIUC与Continuous Composites公司之间独特的产学合作项目之一。Baur教授表示，与Continuous Composites公司签订的协议将为他的实验室提供耗材、技术支持和硬件更新。作为回报，他表示：“我们将免费、公开地向它们反馈我们使用设备的经验，以便它们为未来的客户做出改进。”

△AE创始人Jeff Baur教授是复合材料加工和增材制造实验室的负责人

另外，Baur举例说明了3D打印技术如何在老旧部件使用寿命结束时解决可持续性问题。由于大多数热固性复合材料的耐久性，很难将昂贵的纤维从树脂基体中回收，然后再循环或再利用。例如，风力涡轮机叶片等大型复合材料结构的使用寿命为30年，然后被埋入垃圾填埋场。

通过最近获得能源部资助的一个名为RE-MAT的中心（由UIUC通过Beckman研究所领导），研究人员正在设计一种新型树脂，在适当的条件下，可以使纤维和树脂变得可回收，两者都可重复使用。因此，添加先进3D打印复合材料设备可以加快对这些新材料的评估和开发，实现热固性复合材料的循环经济。

△Continuous Composites的CF3D Enterprise系统

用于航空航天连续纤维增强复合材料部件的增材制造

除了隆重的剪彩仪式，鲍尔还协调举办了一次研讨会，将来自UIUC、Continuous Composites、空军研究实验室、Arkema、Hexcel、西门子和Comau的技术负责人汇聚一堂。

举办这次活动非常关键。Baur说：“学术界通常不会受邀参加这种活动。但在研讨会上，我们有来自政府、工业界和学术界的参与。这是一种将所有参与者聚集在一起讨论共同愿景的方式。每个人都想看到它。这是科技界的一个重要时刻。”

根据Baur的介绍，CF3D Enterprise打印机将用于多个层面的研究。他表示，这台机器可以应用于制造各种结构复合材料，包括使用新型纤维和增强材料，甚至是生物纤维。这包括制造大型结构如风洞原型或太空中部署的结构。在使用结构复合材料打印时，原型可以达到最终结构所需的性能水平。

Baur还提到，他的学生团队已经开始在CF3D系统上进行多项项目。其中，一位学生正在开发打印结构拓扑优化的新方法，另一位学生正在研究设计形状可变复合材料，还有一位学生在研究3D打印树脂的特性，以实现可回收的热固性复合材料。他强调，未来的研究方向将包括探索新材料、复合材料的新配方、新设计以及新应用，例如自适应结构和嵌入式设备的多功能性。