空客通过3D打印碳纤维复合材料寻求更轻的

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碳纤维复合材料是很多碳纤维丝束按照一定的方向排布,然后将它们与树脂、陶瓷、金属等基体混合连接在一起构成的材料。与传统的金属材料相比,碳纤维复合材料具有密度小、比强度/比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。

如今,3D打印碳纤维复合材料的市场开始发力批量制造,根据3D科学谷的市场观察,ArrisComposites与空中客车公司合作进行复合材料研究,以减轻客舱支架。

3D打印客舱支架ArrisComposites

可持续的发展前景

根据3D科学谷,复合材料的3D打印发展三大趋势。一是我们将继续看到流程和系统的工业化,硬件与软件发展的结合将更加支持大批量生产。二是对系统进行更多的传感控制,以实现实时过程控制-热,尺寸和光学传感可提高过程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新软件(例如,预处理工作流程,作业管理等)更加成熟,从而更深入的用于多材料零件的新设计和仿真。

更加可持续的航空旅行业发展

来自美国加利的ArrisComposites透露了与空中客车公司的一项研究项目,该项目专注于机舱支架的生产。该项目旨在通过利用创新的制造方法和材料(包括复合材料)来使得航空排放量的显着减少。

据ArrisComposites称,将金属支架(克)替换为拓扑优化、对齐的连续纤维复合材料部件(50克),重量减轻了75%以上。重量的减轻也转化为高度优化的燃油节省,因为数百个这样的支架是一架飞机的一部分。

如果放到更大的视角来看减重的意义就更大了,假如一年制造架飞机,每架飞机配备个支架,加上50,个重量更轻的支架,这有助于在整个飞机的生命周期中节省1.13亿公吨的燃油,并减少3.57亿公吨的二氧化碳排放量(参见国际清洁运输委员会关于商业航空的分析报告)。

根据空客,仿生学设计、拓扑优化设计和先进复合材料是未来,ArrisComposites将3D打印的优势与复合材料的优势相结合,正在帮助业界将这些设计和材料理想结合起来,以制造飞行的未来。

此外,ArrisComposites的增材成型技术结合了增材制造(AM)和高速压缩成型工艺,将对更换零件和未来的飞机结构产生巨大影响,证明减少碳排放是可能的。空客本身致力于探索这样的技术途径,以支持为子孙后代实现更可持续的航空旅行的愿景。

正在升起的碳纤维

根据《航空复合材料前景广阔,碳纤维复合材料需求旺盛》一文,碳纤维及其复合材料在航空航天、工业和体育休闲用品三大领域应用日趋广泛,市场需求逐年增加。碳纤维以其质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域,如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭和人造卫星等,后伴随着碳纤维生产成本的降低逐步应用于工业和体育领域。从全球市场看,碳纤维市场需求一直不断增加。年全球碳纤维需求继年之后再次突破10万吨级,达到10.69万吨。

碳纤维复材按照基体的不同可以分为五大类,其中树脂基复合材料(CFRP)下游的应用最为广泛,超过80%。按基体的不同,碳纤维复材可分为树脂基复合材料(CFRP)、碳/碳复合材料(C/C)、金属基复合材料(CFRM)、陶瓷基复合材料(CFRC)及橡胶基复合材料(CFRR)等。其中,树脂基复合材料(CFRP),由于其比模量、比强度高、抗疲劳性好、以及优良的耐热性等特点,被广泛应用于宇宙飞行器外表面防热层及火箭喷嘴(酚醛树脂基)、航空航天结构材料(环氧树脂基)、建筑补强等领域。

在航空航天领域,碳纤维复合材料在结构轻量化方面发挥重要作用。与常规材料相比,碳纤维复合材料可使飞机减重20%~40%,可克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增强飞机耐用性。由于其性能优势,碳纤维复合材料在军机、民机的用量比例、范围逐步提高,从20世纪70年代被用于尾翼级的部件制造逐渐发展到今天被广泛应用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等更多核心部件的制造中。

碳纤维复材主要用在客机的承力构件中,并伴随着客机的升级换代用量逐步提升。从20世纪80年代开始,碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件,在早期的B,B上,碳纤维复合材料的占比仅为4%,随着碳纤维相关技术的不断突破,碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在民航客机上,其质量占比也开始逐步提升,到A时,复材占比已达到25%,具体应用在客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等,次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料等。在最新B以及A上,复材用料占比都达到50%以上。

我国国产客机市场潜力大,未来C、CR的批量交付将带动碳纤维复材需求量提升。我国国产大客机项目正在不断推进中,根据中国商飞


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