工業機械產品中，許多複合結構部件會承受很高的工作負荷，會導致材料損壞並導致機械性能下降。連續監視組件的完整性狀態和內部損壞的演變，對於提高操作可靠性和複合結構的使用壽命至關重要。[1]

近年來，已有用於自我感應的傳感解決方案被開發出來，主要是基於光纖的使用。但鑑於實施的複雜性以及所用方式的可靠性有限，並沒有用於複合部件損害監測的有效方法。此外，由於技術和成本的原因，不可能建立特別密集的光纖網絡，因此難以在微觀水平上檢測損傷或在光纖貧乏區域所存在的損傷。[1]

傳統的自感應複合材料零件的生產通常是一個複雜的多步驟過程，需要專門的設備來集成連續纖維。荷蘭的研究機構Brightlands Materials Center 目標是利用增材製造-3D打印能與碳纖維複合材料製造自感應式零部件，並利用兩種技術的優勢來獲得更有效的結果。

下一代智能材料

自感應是材料充當傳感器並收集有關其自身狀況的信息的能力。具有注入的連續碳纖維的聚合物基複合材料已被用作自傳感器，用於由測量纖維電阻的變化。具有足夠纖維的自感應材料，應用潛力在於監控航空航天等機械或橋樑中的大型零件的結構健康狀況。

來源：Compositi Magazine

然而，傳統的自感應複合材料 零件的生產通常是一個複雜的多步驟過程，需要專門的設備來集成連續纖維。Brightlands研究團隊則採用連續碳纖維3D打印技術來實現突破。

來源： Compositi Magazine

該團隊指出，3D打印技術能夠將碳纖維在複合零件內進行精確定位，使纖維的放置和方向沿着需要它們的關鍵區域延伸，也可以將纖維分批分組。這種方式帶來的優勢是，在需要時提供更靈敏的監控。3D打印技術爲材料定位所帶來的設計自由度，使這些成爲可能。

來源： Compositi Magazine

Brightlands研究人員進行了一項實驗，通過監視人行天橋模型的變形，來驗證3D打印傳感器纖維。團隊使用Anisoprint的碳纖維複合材料3D打印機制造了橋模型的彎曲梁，打印材料爲碳纖維熱塑性複合材料。3D打印設備將材料擠出，並週期性地沿着構建方向插入，從而產生各向異性。當通電時，有幾根光纖伸出網橋，並在變化的負載下測量其電阻。

結果表明，在橋上施加的載荷與連續纖維的電阻之間存在明顯的相關性，電阻隨力的增加而增加。這以結果初步驗證了3D打印連續碳纖維複合材料在自感應零部件應用中的潛力，3D打印的自感應零部件可以提供有關組件的哪些部分承受最大負載或組件需要承受的力範圍的有用數據。研究團隊希望將這一技術和這些數據擴展至假肢製造等領域，工程師可以使用這些數據來設計假體，以更有效地分配應力或建立橋接結構以支持更大的載荷。

3D科學谷Review

材料的電和機械響應之間的耦合是稱爲壓阻的現象。這種耦合現象可以用來開發能夠自我監測自身應變和內部損傷狀態的應變敏感’智能’材料。在聚合物複合材料中實現這一目標的一種方式是通過將導電碳納米結構引入非導電聚合物中。在包含足夠的碳納米結構時，聚合物複合材料變成導電的 – 這種現象稱爲電滲流。在滲濾時，應變，溼度，溫度和其他外部激發的變化導致納米複合材料的電導率變化，並且它們的相關性可用於開發自感應智能材料。[2]

預計這些材料的當前應用將爲汽車，航空航天，運輸和能源行業提供下一代智能材料。另一方面，碳填充彈性體材料的應用更多地集中於人體運動傳感器，軟皮，智能可穿戴傳感器和機器人技術。[2]

關於碳纖維複合材料製造智能零部件的應用，根據3D科學谷的市場觀察，提供連續碳纖維3D打印技術的Arris Composites公司，在其已開拓的市場應用中包含了這一細分領域。Arris Composites的技術已在多個市場上獲得了應用，利用革命性的連續碳纖維增強功能使得產品更輕、更堅固、更智能。目前，消費類電子產品是Arris Composites增長最快的市場，其下一代消費類電子設備被設計爲更輕、更小、更智能。3D打印技術使得產品更新週期短、創新步伐快，便攜式電子設備很可能是Arris首次向公衆提供的製造產品。

此外，值得一提的是，在Brightlands研究中所涉及到的連續碳纖維複合材料3D打印技術已日趨成熟，應用目標並不是原型件的製造，而是批量生產。Arris Composites目的是實現下一代大衆市場的連續纖維複合材料3D打印生產級應用。Arris Composites通過其專有的Additive Molding™製造技術實現了高強度和輕量化複合零件的批量生產。通過這種新工藝，可以以與塑料成型產品相同的速度生產高級碳纖維材料。

日趨成熟的碳纖維複合材料3D打印技術是否會爲下一代智能材料或智能零部件的製造注入新的活力，3D科學谷將保持市場觀察。

參考資料：

[1] Compositi Magazine.《Nanocompositi “self-sensing” per il monitoraggio dell’integrità strutturale di componenti in composito》;

[2] 汽車輕量化CFRP.《一種具有自我感知的聚合物複合材料》。

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