高性能航空機構造部品、3Dプリント炭素繊維複合材の次の目標

合成繊維材料は、強度が高く、軽量で、洗濯や乾燥が簡単で、弾力性に優れ、カビや虫がつかないなど、一連の優れた特性を備えています。航空宇宙分野ではますます広く使用されています。合成繊維の種類によって、特定の独自の特性があります。炭素繊維の強度対重量比は鋳造アルミニウムよりも優れているため、高性能炭素繊維部品の次のターゲットは、エンジン性能構造部品と高性能翼部品です。次に、オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズとローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) による炭素繊維複合材料の応用における新たな進歩について見ていきます。

オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズの躍進を阻止
2016年、オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズ-OPMは、ボーイング社のCST-100ロケット宇宙船向けの3Dプリント構造部品の提供企業に選ばれ、オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズはOXFAB材料でプリントした部品の出荷を開始しました。 Oxford Performance Materials は、OXFAB 3D プリント材料シリーズである OXFAB-N と OXFAB-ESD を開発しました。 OXFAB は不活性特性を備えているため、耐薬品性と耐熱性に優れ、電気特性をカスタマイズする機能も備えています。

次に、オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズは、エンジン性能構造部品をターゲットにしています。実際、彼らは現在、OXFAB 3D 素材を航空機のガイドブレードに印刷しています。 OXFAB は不活性な性質のため、化学薬品や熱に対して高い耐性があり、高速での高温、炎、放射線にも耐えることができます。これは高性能の航空宇宙および工業用部品にとって重要です。オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズは、ニッケルメッキプロセスを通じて、新しい材料がチタン合金と高性能航空アルミニウムの中間の性能を実現できることを発見しました。

画像: オックスフォードパフォーマンスマテリアルのニッケルメッキファンガイドブレード

おかしいように聞こえるかもしれませんが、オックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズには自信があります。 2016年、複合材料大手のヘクセルは米国のオックスフォード・パフォーマンス・マテリアルズへの戦略的投資を完了した。 Oxford Performance Materials は、Hershey の特殊なカーボンファイバー素材を OXFAB 素材に複合しました。一度に 6 枚のガイドブレードを印刷し、表面にニッケルメッキを施しました。

LLNLの製造技術とソフトウェア技術をブロックする

偶然にも、最近、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者らが、航空宇宙グレードの炭素繊維複合材の3Dプリントに成功したと発表し、これを達成した初の研究機関となった。「究極の素材」と評される炭素繊維複合材は、鋼鉄よりも軽くて強い部品を作る可能性を開きます。 LLNL の研究は Nature 誌に掲載されました。研究者らが開発した炭素繊維複合材マイクロ押し出し 3D 印刷技術により、この材料は機械的特性、密度、耐熱性を兼ね備えた驚異的な性能を実現し、特に過酷な環境での動作に適したものとなっています。複雑な形状の製造に関しては、3D プリントには固有の利点があります。

通常、炭素繊維複合材は、マンドレルの周りに巻かれたフィラメントから、または炭素繊維を編み合わせて作られます。これらの方法は、場合によっては効果的ですが、炭素繊維を平らな形または円筒形でしか製造できません。 LLNL のプロセスは、改良型直接インク書き込み (DIW) と呼ばれ、ロボキャスティングとも呼ばれます。研究者らは、数秒で材料を固める特許取得済みの新しい化学プロセスを開発した。 LLNL の高性能コンピューティング機能により、炭素繊維フィラメントの流れの状態を正確に予測できます。

LLNL の計算モデル化では、炭素繊維複合材が 3D プリンターのノズルを通過して数千の液滴が固体に形成されるプロセスをシミュレートし、研究者が実際に繊維を処理する最適な方法を決定できるようにしました。 LLNL が開発したアルゴリズムは、非ニュートン液体ポリマー樹脂環境における炭素繊維の分散をシミュレートします。さまざまな状況下での 3 次元繊維配向をシミュレートすることで、科学者は最適な繊維の長さと最高の性能を決定できます。しかし、このアルゴリズムはまだ改良中であり、研究者たちは磁力を適用することで繊維の分布をより適切に制御できるようになることを期待しています。

新しい 3D 印刷技術とシミュレーション方法により、炭素繊維複合材を使用してより複雑な部品を製造できるようになります。 LLNL チームによると、これには 3D プリント部品の構造特性の制御も含まれます。最終的には、科学者たちはこの技術が、部分的に絶縁する必要のある高性能航空機の翼や衛星の部品など、導電性の材料や部品の製造に利用できるようになることを期待している。

LLNL は、炭素繊維を正確に整列させる方法を提供します。繊維を整列させる利点の 1 つは、高い強度性能を維持できることです。ランダムに整列させた繊維と比較して、正確に整列させた繊維は炭素繊維を最大 1/3 節約できます。 LLNL の研究者はイノベーションプロセスの改善と最適化に取り組んでいます。研究者らはすでに、民間航空宇宙および防衛パートナーと協力して、カーボンファイバー 3D 印刷技術をさらに進歩させる方法を模索している。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:

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