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研究人员验证了使用增材制造创建的最佳复合材料结构

发布时间:2019-06-28 11:37:27 来源:

添加剂制造早期使用3D打印机构建,使用聚合物从计算机辅助设计模型中创建固体物体。使用的材料是纯聚合物 - 非常适合快速原型,但不常用作结构材料。

新一轮的增材制造使用的聚合物复合材料从喷嘴挤出作为环氧树脂,但用短的短切碳纤维增强。纤维使材料更坚固,就像水泥人行道上的钢筋一样。由此产生的物体比树脂本身更坚硬和更坚固。

最近伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的一项研究旨在回答人们对挤出树脂层中碳纤维的构型或模式将导致最硬材料的关注。

John Randros,航空航天工程系Willett教授,U大学先进材料测试与评估实验室主任,与劳伦斯利弗莫尔国家实验室的增材制造研究小组接洽,测试他们用直接墨水创建的复合材料零件写作技巧。

“碳纤维很小,直径约7微米,长度约为500微米,”Lambros说。“使用显微镜更容易,但你可以用肉眼看到一束。纤维大部分在挤出的树脂中排列,这就像是将纤维保持在适当位置的胶水。劳伦斯利弗莫尔集团提供了零件,用几种不同的配置和一种没有任何嵌入式光纤作为控制的部件。其中一个部件已经在理论上针对最大刚度进行了优化,但该小组希望对优化过程进行明确的实验验证。

Lambros说,在等待实际添加制造的复合材料样品时,Lambros和他的学生用Plexiglas制作了自己的“假”样品,这样就可以开始测试假人了。

在这种情况下,被测试的形状是一个U形夹接头 - 一个小的椭圆形板,有两个用于连接另外两个表面的孔。对于每种不同的样品形状,Lambros的实验室必须创建一个独特的加载夹具来测试它。

“我们创造了看台,握把和所有东西 - 它们将如何绘制,摄像机将如何记录测试,等等,”Lambros说。“当我们得到真正的样品时,它们的形状并不完全相同。厚度与我们的树脂玻璃有点不同,所以我们制造了新的垫片并最终完成了它。从机械方面来说,我们必须非常谨慎。必须使用精确度,以确保任何最终认证的附加制造零件都能正确完成。“

“我们创建了一个实验框架来验证短纤维增强复合材料的最佳模式,”Lambros说。“当装载机拉紧U形夹关节板时,我们使用数字图像相关技术通过跟踪在样品变形时拍摄的一系列数字图像的像素强度值中的运动来测量每个样品表面的位移场。随机散斑图案应用于样品表面,用于以独特的方式识别数字图像的子集,以便在变形期间跟踪它们。

他们测试了一个对照样品和四种不同的配置,包括被认为是刚度优化的配置,其具有波状纤维图案而不是沿水平或垂直线定向的图案。

“每个样品U型夹板都有12层堆叠。优化的一个有弯曲的沉积线和它们之间的间隙,”Lambros说。“根据利弗莫尔集团的预测,设计存在差距,因为你不需要更多的材料来提供最佳的刚度。这就是我们测试的。我们通过孔加载销钉,然后将每个样品拉到断点,记录负载量和位移。

“他们预测的配置是最佳的,确实是最佳的。最不理想的是对照样品,它只是树脂 - 正如你所料,因为它里面没有纤维。”

Lambros说,分析中有一个前提是这是一个全局最优 - 这意味着这是为刚度建立的绝对最好的样本 - 没有其他构建模式比这个好。

“虽然我们当然只测试了四种配置,但看起来优化的配置在实践中看起来绝对是最好的,因为在设计中最常用的配置,如0°-90°或±45°对齐,比这更符合或更不稳定,“Lambros说。“我们发现的有趣的事情是,最优化的样品也是最强的。所以,如果你看看它们在哪里断裂,这个是最高的负载。这在某种意义上来说有点出乎意料他们没有对这个功能进行优化。实际上,优化后的样品也比其他样品轻一些,所以如果你看一下特定的负载,每单位重量的故障负荷就会高很多。它比它更强一些。其他的。

Lambros表示未来可能会进行更多测试,但目前,他的团队成功证明他们可以为优化的添加剂复合材料构建提供验证。

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