美国劳伦斯利物摩尔国家实验室（简称“LLNL”）的研究人员确信，他们已在开发用于碳纤维的微挤出3D打印技术方面取得了重大进展。

这项研究发表在Scientific Reports在线上。

LLNL的首席研究员及论文的主要作者Jim Lewicki介绍说，采用3D打印，你可能做出任何由碳纤维制成的东西。

碳纤维复合材料的传统制造方法，主要是以下两种中的一种：将长丝缠绕在芯轴上，或者像柳条筐一样将纤维编织在一起。

这两种方法使得最终产品局限于平面形或圆柱形。

出于性能的考虑，制造商们还倾向于过度补充材料，从而使生产出的部件要比所需要的部件更重、更昂贵且更浪费。

然而，LLNL的研究人员通过采用一种改进的直接喷射书写（简称“DIW”）3D打印工艺，他们打印出了几种复杂的三维结构。

Lewicki与其团队还开发了一种新的化学物质并获得了专利，它能够用几秒钟而非几小时的时间来固化材料。

同时，该研究团队还利用实验室的计算能力，开发了碳纤维长丝流动的精确模型。

通过模拟，他们突破了障碍。凭借计算模型，他们在大型部件上取得了成功。

一个工程师团队在LLNL 的超级计算机上完成了计算模型。在此过程中，他们需要模拟数以千计的碳纤维，以便当碳纤维从喷射嘴出来时，找出能够最好排列它们的方法。

他们开发了一个数字代码来模拟一种拥有分散碳纤维的非牛顿流体聚合物树脂。

利用这一代码，他们可以模拟三维纤维取向在不同打印条件下的演化。

LLNL的流体分析师Yuliya Kanarska说，“我们能够找出最佳的纤维长度和最佳的性能，但这还是一项正在进行中的工作。通过应用磁力来稳定纤维，我们正在努力实现更好的纤维排列。”

3D打印的能力能够为碳纤维提供新的自由度，研究人员们说，这使他们能够控制部件的细观结构。

这种材料还是导电的，允许在一个结构中实现定向热传导。

研究人员介绍说，这种合成材料可用于制作高性能的飞机机翼、一侧绝缘且不需要在太空中旋转的卫星部件，或者

能够从身体吸取热量但不允许热量进入的可穿戴设备。

这项技术的一个重大突破是，采用热固性基体材料开发的订制碳纤维填充喷墨。

LLNL的材料与高级制造研究员Eric Duoss说，“比如，针对我们的打印工艺而精心设计的环氧树脂和氰酸酯树脂，与在一些商业领域发现的可用于碳纤维3D打印技术的相应的热塑性塑料如尼龙和ABS相比，它们还提供了更高的力学性能和热性能。这项进展将实现在航空航天、交通运输和国防领域的广泛应用。”

这种直接喷墨书写工艺还使得打印出“所有的碳纤维在微观结构中取向相同”的部件成为可能，从而使它们优于采用随机排列的其他方法创建的类似材料。

研究人员们说，利用这项工艺，他们只需使用2/3的少量纤维，就能从最终部件上获得同样的材料性能。

下一步，研究人员们将优化工艺，找出铺放碳纤维的最佳位子，以获得最佳的性能。

他们还与商业、航空航天和国防领域的合作伙伴展开了讨论，以推动这项技术的未来发展。