美空軍研究室大力開發(fā)連續(xù)復(fù)合材料3D打印，并用于無人機機翼成型

來源：3D打印技術(shù)參考

隨著航空航天領(lǐng)域的迅速發(fā)展以及世界各國低空領(lǐng)域不斷開放，各種無人機應(yīng)用顯著增多。無人機的隱身化、高機動性、整體化是其重要的發(fā)展趨勢，無論用于偵查還是智能監(jiān)測機體自身健康，翼身融合結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)無人機諸多目標(biāo)的最重要方法之一，同時也滿足了機身結(jié)構(gòu)整體化的要求，減少了無人機零件數(shù)量和結(jié)構(gòu)裝配連接。

翼身融合無人機的機身結(jié)構(gòu)均采用一體化復(fù)材整體板件成型，對材料要求高強度、高韌性、高流動，目前多使用復(fù)合材料或者高性能的工程塑料。而對于制造方式，多離不開模具，這對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造無疑沒有效率和成本優(yōu)勢。為評估和完善連續(xù)復(fù)合材料先進航空結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，滿足美國國防部具有挑戰(zhàn)性的制造需求，美國空軍研究實驗室（AFRL）與領(lǐng)先的3D打印供應(yīng)商Continuous Composites公司合作，共同研究連續(xù)復(fù)合材料3D打印能否成功用于無人機機翼直接制造。

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Continuous Composites公司成立于 2015 年，聲稱擁有“世界上最早獲得的連續(xù)纖維3D打印專利”，能夠?qū)⑦B續(xù)纖維增強材料與熱固性樹脂技術(shù)相結(jié)合，安裝在機械臂末端的執(zhí)行器用于將纖維材料與快速固化的聚合物樹脂一同沉積。加入了纖維的樹脂在紫外線下幾乎立即固化，產(chǎn)生具有可定制強度特性的各向異性部件。該技術(shù)可處理多種纖維類型，包括碳纖維、玻璃纖維、光學(xué)纖維和金屬纖維。

3D打印可以非常精確地定位和定向連續(xù)纖維。因此，可以將纖維放置在產(chǎn)品內(nèi)部的選定方向和位置，使其沿著指定載荷路徑提供所需強度和剛度，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成部分。這意味著纖維被安置在需要其發(fā)揮作用的任何位置，多條纖維甚至可以在整個零部件中形成一系列傳感器。

Continuous Composites連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)

與此同時，由于3D打印不再需要工具或模具，因此它提供了一步制造方法來生產(chǎn)任何形狀的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料，從而取代了更復(fù)雜、耗時且昂貴的傳統(tǒng)多步制造技術(shù)。

在國防應(yīng)用領(lǐng)域，3D打印技術(shù)無疑提供了一種低成本、省時的方法來制造輕質(zhì)、拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)部件，這些優(yōu)勢與美國空軍的低成本可磨損飛機技術(shù)/平臺計劃直接相符。Continuous Composites公司的技術(shù)也因此受到美國空軍青睞。實際上，雙方目前所開展的已經(jīng)是第二階段合作，美國空軍無疑已經(jīng)成為該公司的長期客戶。

Continuous Composites連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)

Continuous Composites可以復(fù)合多種連續(xù)纖維材料

合作本身涉及在單個整體機翼框架中3D打印集成的翼梁和翼肋結(jié)構(gòu)。在打印之前，Continuous Composites和AFRL的高級結(jié)構(gòu)概念部門使用基于人工智能的生成設(shè)計軟件來優(yōu)化機翼結(jié)構(gòu)的幾何形狀，該部件將使用由連續(xù)碳纖維增強的高性能熱固性樹脂制造。

制造完成后，3D 打印的框架將與復(fù)合機翼蒙皮組裝在一起，AFRL 還將進行靜態(tài)機翼測試以評估結(jié)構(gòu)性能，而Continuous Composites將記錄工藝數(shù)據(jù)，以將其3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造和組裝工藝進行比較。

3D打印的無人機翼梁和肋條

3D打印的連續(xù)纖維復(fù)合材料

連續(xù)復(fù)合材料3D打印技術(shù)在成本、交貨時間和零件屬性方面具有廣泛的優(yōu)勢。早些時候，Continuous Composites還與能源技術(shù)公司Siemens Energy合作，采用特殊的熱固性玻璃纖維增強聚合物材料制造發(fā)電機組件。

連續(xù)纖維增強復(fù)合材料在我國天問一號火星探測器上也有應(yīng)用。由中國運載火箭技術(shù)研究院所屬航天材料及工藝研究所開發(fā)的連續(xù)纖維增強中密度防熱材料，制造了天問一號上面需要維持探測器整體形狀的上下邊緣和結(jié)構(gòu)的支撐部位以及背罩防熱結(jié)構(gòu)的艙蓋、封邊環(huán)、埋件、螺塞等零部件。這種材料相比低密度材料強度更高，同時兼顧了耐燒蝕和承載能力。

連續(xù)纖維增強復(fù)合材料在我國天問一號火星探測器上有重要應(yīng)用

2020年，中國實現(xiàn)國際首次連續(xù)纖維增強復(fù)合材料太空3D打印

除此之外，2020年，由529廠—西交大團隊共同研制的3D打印裝備“實現(xiàn)了國際首次連續(xù)纖維增強復(fù)合材料太空環(huán)境增材制造技術(shù)”，這對于未來空間站長期在軌運行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造具有重要意義。

據(jù)航空科學(xué)技術(shù)雜志指出，連續(xù)纖維3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的自動鋪絲成形相比，自動化程度和柔性更高，對于典型的碳纖維／聚醚醚酮零件，研發(fā)周期可縮短至原來的1/30，生產(chǎn)速度可提高100倍。使該技術(shù)既可以用于大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零件，也可以一次性打印高度復(fù)雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關(guān)鍵零件，被認(rèn)為將顛覆航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)模式。關(guān)于Continuous Composites連續(xù)纖維增材制造技術(shù)，請關(guān)注下方視頻號內(nèi)容。