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《Additive Manufacturing》:利用过程模拟和数值优化,评估先进热固性复合材料3D打印的优势

《Additive Manufacturing》:利用过程模拟和数值优化,评估先进热固性复合材料3D打印的优势

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-02-02 17:58
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【概要描述】

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2023年1月14日,瑞士联邦材料科学与技术实验室在国际期刊《Additive Manufacturing》上发表题为Assessment of the benefits of 3D printing of advanced thermosetting composites using process simulation and numerical optimisation(利用过程模拟和数值优化,评估先进热固性复合材料3D打印的优势)的研究论文,提出了一种简化的3D打印过程持续时间估计方法,可用于探索工艺在零件尺寸方面的限制,解决了在使用连续碳纤维的3D打印过程中固化的传热模拟和优化。
原文链接:

http://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103417

  研究简介  

连续纤维增强热固性基复合材料的3D打印将彻底改变复合材料的制造实践。固化添加剂的潜力将有助于提高工艺速度、产生当前加工方式无法达到的几何形状、以及消除工艺过程中有害的放热效应。本研究对不同厚度和尺寸的碳纤维/环氧构件的3D打印固化阶段和标准批量加工进行了比较。结果强调,温度超调可以减少85%,3D打印的内在添加性可以消除温度超调对厚度的依赖,并生产出传统方法很难制造的厚度组件。基于有限元模拟结果,提出了一种简化的3D打印过程持续时间估计方法,可用于探索工艺在零件尺寸方面的限制,并用于工艺适用性与批处理的一般比较。分析表明,3D打印对于小型部件非常有利,对于中型部件非常有效,并且在其可扩展性的基础上,可以为生产大型和超大型部件提供可行的选择。

  研究内容解读  

与标准材料相比,连续纤维热固性复合材料具有一些优势,例如高强度重量比和各向异性、更好的环境效益和结构效率,以及额外的设计灵活性和定制组件设计的可能性。然而,复合材料的制造并不能满足当下严格的可持续性要求。工业依赖于较长的固化周期,其缺点是能源消耗大,增加了成本和二氧化碳排放。对于较厚的热固性复合材料来说,这个问题变得更具挑战性。由于贯穿厚度方向的导热系数较低,所涉及的放热反应具有很强的非线性,因此建立能够满足严格质量要求的厚件的固化循环并非易事。往往未固化的区域和过高的超温是导致零件报废的原因,这极大的影响了可持续性和成本方面。鉴于当前的二氧化碳排放目标,该行业需要改进复合材料的制造方式,以降低能源消耗,并在第一时间达到零环境影响的正确方法。
该研究解决了在使用连续碳纤维的3D打印过程中固化的传热模拟和优化。该优化方法适用于液体复合成型的材料系统。固化周期和打印速度作为优化参数,目的是最大限度地减少工艺时间和温度超调。研究人员在有限元模拟结果的基础上,提出了一种简化的、通用的3D打印过程持续时间的近似框架。这是对3D打印在液体成型复合材料和预浸料材料系统的不同组分尺度上,生产连续纤维/热固性基质结构的能力所进行的探索性研究。

图1边界条件硬汉视频成人:a)标准批处理工艺;B)添加剂固化工艺;c)情况I、II、III及厚度方向;d)第四种情况。

图2参数化固化周期:a) 3D打印场景;B)标准批处理工艺。

图4硬汉视频成人改性MRCC时RTM6环氧树脂/碳纤维体系的温度沿厚度分布a)不同加工时间的厚度方向分布;B)固定位置的进化。

图6改性MRCC后RTM6环氧树脂/碳纤维体系3D打印过程温度分布为:a)不同加工时间的厚度方向分布;B)固定位置的演化;C) 4900 s处等高线图。

——END——

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深圳硬汉视频WWW视频在线下载科技有限公司成立于2015年,是一家以陶瓷增材制造技术为核心的高科技公司。

公司拥有以清华大学博士后、挪威科技大学海归博士等为主体的研发团队,致力于为客户提供完整的“陶瓷3D打印设备+陶瓷3D打印材料+陶瓷烧结工艺”整体解决方案!

目前,公司自主研发的一系列精细直写陶瓷3D、4D打印设备,硬汉视频APP色版直写陶瓷3D打印设备,光固化陶瓷3D打印设备以及相关陶瓷3D打印材料,已服务清华大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学、北京理工大学、西北工业大学、四川大学、国防科技大学、深圳大学、中国科学院、燕之屋丝浓食品等全球100+家顶尖科研院所。

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近日,南京航空航天大学材料科学与技术学院贾文宝教授团队在《Journal of the European Ceramic Society》上发表题为Novel ceramic supports for catalyst with hierarchical pore structures fabricated via additive manufacturing-direct ink writing的研究论文,使用直接墨水书写技术,与原位生长的晶须相结合,促进了3D打印陶瓷催化剂载体-硼酸铝多孔陶瓷(ABPCs)的发展。   原文链接: http://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0955221924002887   硬汉视频WWW视频在线下载科技官网: http://www.bjleo.com/ 如无法打开,请拷贝网址到浏览器查阅。    研究背景 多孔陶瓷具有孔隙率高、化学性质稳定、比表面积大、体积密度小、导热性低以及耐高温耐腐蚀等优良性能,在冶金、硬汉视频APP色版、能源、环保等领域有着众多硬汉视频成人。其制备方法主要有发泡造孔法、溶胶-凝胶法、增材制造法以及乳液或泡沫模板法。在这些方法中,增材制造被认为是制造复杂几何形状多孔陶瓷的理想方法。 图文解析 在本研究中,硬汉视频WWW视频在线下载采用原位反应和DIW相结合的方法制备了具有高阶孔结构的硼酸铝品须多孔陶瓷。通过调节分散剂、增稠剂用量、pH值、水的添加量等因素,优化浆料的流变性,特别是粘弹性。其次,利用流场模型研究了打印参数和浆料流变性对打印预成型结构的影响。对ABPCs的相组成、微观结构、容重、表观孔隙常和力学性能进行了详细的讨论。然后系统研究了ABPCs的比表面积和孔径分布。重要的是,ABPCs作为高性能催化剂载体的潜力得到了证明。 在直接墨水书写技术中,油墨的特性至关重要,油墨的均匀分布对打印样品的质量和精度影响很大。图1展示了分散剂(FS20)用量对油墨粘度的影响。将添加FS20的料浆与不添加FS20的油墨进行比较,可以明显看出前者的粘度明显降低,随着FS20的添加量从0.1wt%增加到0.4wt%,油墨的粘度先降低后升高,在FS20添加量为0.2wt%时达到最低粘度。这是因为适量的FS20可以吸附在粉末颗粒表面,增强油墨中颗粒之间的静电相互作用和空间斥力。这促进了分散并降低了粘度。然而,过量的FS20会导致油墨中FS20的官能团之间形成电刷状结构,导致粘度增加。   图1 分散剂(FS20)用量对油墨粘度的影响 图2显示了在不同温度下烧结后ABPCs细丝的表观形貌。由图可知,其表面存在大量的晶须,可以认为是硼酸铝晶须,随着烧结温度的升高,硼酸铝的晶粒尺寸逐渐增大,说明较高的烧结温度促进了硼酸铝晶粒的长大。另外,当烧结温度从1000℃升高到1100℃时,硼酸铝晶须的长度也随之增加,晶须的形貌为针状,进一步提高烧结温度,硼酸铝晶须均匀长大,形成较大的柱状晶,晶须的长径比随烧结温度的升高而减小。       图2 不同温度下ABPCs细丝烧结后的SEM图像 图3显示了在不同温度下烧结后ABPCs细丝的孔径分布。据观察,所有的ABPCs样品,在不同的温度下烧结,均表现出分级孔结构。随着烧结温度的升高,ABPCs细丝的中值孔径(体积)增加。当烧结温度为1000℃或1100℃时,主要由亚微米级的孔隙组成,在1200℃以上,主要由微米级的孔组成,随着烧结温度的升高,亚微米级孔的比例逐渐减小,而微米级孔的比例逐渐增大。   图3 在不同温度下烧结后ABPCs的孔径分布     研究结论 本研究探索了一种以硼酸铝为载体,采用原位生长晶须的方法制备新型催化剂陶瓷载体的新方法。DIW 3D打印工艺允许产生大孔,而原位晶须有助于在挤出的细丝上形成亚微米或微米级的孔。
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