Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se han convertido en los primeros en imprimir en 3D compuestos de fibra de carbono de grado aeroespacial, abriendo la puerta a un mayor control y optimización del material liviano pero más fuerte que el acero.
La investigación, publicada en línea por la revista Nature Scientific Reports el 28 de febrero, representa un "avance significativo" en el desarrollo de técnicas de impresión 3D de microextrusión para fibra de carbono, informaron los autores.
"El mantra es 'si pudieras hacer todo de fibra de carbono, lo harías', es potencialmente el material final", explicó Jim Lewicki, investigador principal y autor principal del artículo. "Ha estado esperando en las alas durante añosporque es muy difícil de hacer en formas complejas. Pero con la impresión en 3D, podría potencialmente hacer cualquier cosa con fibra de carbono ".
La fibra de carbono es un material liviano, pero rígido y fuerte con una alta resistencia a la temperatura, lo que hace que el material compuesto sea popular en las industrias aeroespacial, de defensa y automotriz, y en deportes como el surf y las carreras de motocicletas.
Los compuestos de fibra de carbono generalmente se fabrican de una de dos maneras, enrollando físicamente los filamentos alrededor de un mandril, o entrelazando las fibras como una canasta de mimbre, lo que da como resultado productos terminados que se limitan a formas planas o cilíndricas, dijo Lewicki.también tienden a compensar en exceso con el material debido a problemas de rendimiento, lo que hace que las piezas sean más pesadas, costosas y más derrochadoras de lo necesario.
Sin embargo, los investigadores de LLNL informaron que imprimieron varias estructuras 3D complejas a través de un proceso de impresión 3D Direct Ink Writing DIW modificado. Lewicki y su equipo también desarrollaron y patentaron una nueva química que puede curar el material en segundos en lugar de horas, y utilizaron elLas capacidades informáticas de alto rendimiento del laboratorio para desarrollar modelos precisos del flujo de filamentos de fibra de carbono.
"La forma en que superamos la obstrucción fue a través de la simulación", dijo Lewicki. "Esto ha sido exitoso en gran parte debido a los modelos computacionales".
Un equipo de ingenieros informáticos realizó el modelado computacional en las supercomputadoras de LLNL, que necesitaban simular miles de fibras de carbono a medida que salían de la boquilla de tinta para descubrir cómo alinearlas mejor durante el proceso.
"Desarrollamos un código numérico para simular una resina polimérica líquida no newtoniana con una dispersión de fibras de carbono. Con este código, podemos simular la evolución de las orientaciones de las fibras en 3D en diferentes condiciones de impresión", dijo el analista de fluidos Yuliya Kanarska ".Pudimos encontrar la longitud óptima de la fibra y el rendimiento óptimo, pero aún es un trabajo en progreso. Los esfuerzos en curso están relacionados con lograr una mejor alineación de las fibras mediante la aplicación de fuerzas magnéticas para estabilizarlas ".
La capacidad de imprimir en 3D ofrece nuevos grados de libertad para la fibra de carbono, dijeron los investigadores, lo que les permite tener control sobre la mesoestructura de las piezas. El material también es conductor, lo que permite la canalización térmica dirigida dentro de una estructura. El material resultante, elLos investigadores dijeron que podría usarse para hacer alas de avión de alto rendimiento, componentes satelitales que están aislados en un lado y no necesitan ser rotados en el espacio, o dispositivos portátiles que puedan extraer calor del cuerpo pero no lo permitan.
"Un gran avance para esta tecnología es el desarrollo de tintas personalizadas rellenas de fibra de carbono con materiales de matriz termoestable", dijeron los materiales y el investigador avanzado de fabricación Eric Duoss. "Por ejemplo, éster epoxi y cianato, que están cuidadosamente diseñados para nuestra impresiónproceso, pero también proporciona un rendimiento mecánico y térmico mejorado en comparación con sus homólogos termoplásticos que se encuentran en algunas tecnologías de impresión 3D de fibra de carbono disponibles comercialmente, como el nylon y el ABS un termoplástico común. Este avance permitirá una amplia gama de aplicaciones en el sector aeroespacial, transportey defensa "
El proceso de escritura directa de tinta también permite imprimir piezas con todas las fibras de carbono yendo en la misma dirección dentro de las microestructuras, lo que les permite superar los materiales similares creados con otros métodos realizados con alineación aleatoria. A través de este proceso, los investigadores dijeron que 'poder usar dos tercios menos de fibra de carbono y obtener las mismas propiedades del material de la parte terminada.
Los investigadores luego centrarán su atención en optimizar el proceso, descubriendo los mejores lugares para colocar la fibra de carbono para maximizar el rendimiento. Ha habido discusiones con socios comerciales, aeroespaciales y de defensa para avanzar en el desarrollo futuro de la tecnología.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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