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伊利諾大學完成了3D複合材料驗證平台

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科技產業資訊室 - 王宣智 發表於 2019年7月22日

圖、伊利諾大學完成了3D複合材料驗證平台

美國伊利諾大學的研究人員建立了個實驗架驗證短纖維增強複合材料驗證平台,透過與勞倫斯弗莫爾國家實驗室的合作過程,確認驗證平台的有效性,研究成果已發表在 Experimental Mechanics 期刊。
 
使用了一種由環氧樹脂和從短碳纖維形成的聚合物複合材料,透過 3D 列印的噴嘴擠壓出形成高強度、堅硬的結構。研究人員用新的複合材料製造了許多不同的樣品,如看台、握把等,並建立了個實驗架驗證短纖維增強複合材料的最佳模式,發現預測的最佳配置和實驗相符。
 
早期的增材製造是透用 3D 列印機和純聚合材料製造出快速原型,但因為材料強度不足,透過3D印列製造元件不足以承擔結構所需的負荷。新一波的增材製造為了改善材料強度不足的問題,3D列印的材料由純聚合物轉變為聚合複合材料,如環氧樹脂、短碳纖維等。在原材料中增加新的材料,就可同鋼筋水泥結構,透過兩種材料的混合,讓新的產品變得更堅硬和堅固。
 
伊利諾大學接受勞倫斯弗莫爾國家實驗室委託,驗證其製造的複合材料元件的強度。複合材料由環氧樹脂和短碳纖維構成,短碳纖維直徑為 7 微米,長度為 500 微米,依據特定的圖案或角度,分布在環氧樹脂內。複合材料強度的驗證平台由夾具、數位影像技術、拉力裝置、記錄工具等組成,透過取得材料所受應力和檢測複合材料的變形情況,得到複合材料的強度。材料變形量測採用非接觸式的模式,研究人員以相素點作為表面位移衡量單位,運用影像技術追蹤待測物表面上特定點的位移,透過表面特定點的相素位置變化,得知元件表面變形的情況,爾後再運用反推算方法得到3D列印複合材料的元件強度。
 
透過實驗驗證,勞倫斯弗莫爾國家實驗室提供的最佳配置,強度確實是最好的。模擬的分析結果符合實驗結果,因此,模擬測試模型確實有助於結構設計。然而,在一般情況下元件受到外力作用並非均勻,從樣品的斷裂點為最高負載的點,透過驗證平台也確認此結果。可惜的是,目前的最佳化設計模型,並未包含傳統的結構最佳化設計分析在內,在元件設計時,仍需要透過第三方工具得到結構的脆弱點。(807字)

 
參考資料:
Researchers validate optimum composites structure created with additive manufacturing. Tech Xplore,2019/6/28
Experimental Validation of an Additively Manufactured Stiffness-Optimized Short-Fiber Reinforced Composite Clevis Joint. Experimental Mechanics,2019/4/26


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