美空軍研究(jiu)室大力(li)開發連續復合材料3D打印(yin)，并用于無人(ren)機機翼成型(xing)

來源(yuan)：增材制造技(ji)術前沿

隨著(zhu)航空航天領(領)域的迅速發(發)展以及(ji)世界各國低(di)空領域不斷開放，各種無人機(機)應用(yong)顯著(zhu)增多。無人機(機)的隱身化、高(gao)機動性、整體(體)化是其(qi)重要的發展(zhan)趨勢，無論用(yong)于偵查還是智(zhi)能監測機體(體)自身健康，翼(yi)身融合結構設計是實現(現)無人機(機)諸多目標的(de)最重要方法(fa)之一，同時也(ye)滿足了機身(shen)結構整體化(hua)的要求，減少(shao)了無人機零(ling)件數量和結構裝配(pei)連接。

翼身融(rong)合無人機的(de)機身結構均(jun)采用一體化復材整體板件(jian)成型，對材料要求高強度、高韌性(xing)、高流動，目前(qian)多使用復合(he)材料或者高(gao)性能的工程(cheng)塑料。而對于(yu)制造方式，多(duo)離不開模具(ju)，這對于(yu)復雜結構制(zhi)造無疑沒有(you)效率和成本(ben)優勢。為評估(gu)和完善連續復合材料先進(進)航空結構制(zhi)造技術(術)，滿足美國國防部具有挑(tiao)戰性的制造(zao)需求，美國空軍研(yan)究實驗室(shi)（AFRL）與領先的3D打(da)印供應商Continuous Composites公(gong)司合作(zuo)，共同研究連(連)續復合材料(liao)3D打印能否成(cheng)功用于無人(ren)機機翼直接(jie)制造。

△美空軍展示低成(cheng)本高效無人(ren)機XQ-58A Valkyrie

Continuous Composites公司成立(li)于 2015 年，聲稱擁有“世界上最(zui)早獲得的連(連)續纖維3D打印(yin)專利”，能夠將連續纖(纖)維增強材料(liao)與熱固性樹脂技術相結(結)合，安裝在機械臂末端的(de)執行器用于(yu)將纖維材料與快速固(gu)化的聚合物(wu)樹脂一同沉(chen)積。加入了纖(纖)維的樹脂在(zai)紫外線下幾乎立即固化(hua)，產生具有可定制強度特性的各(ge)向異性部件(jian)。該技術可處理多種纖維(維)類型，包括碳(tan)纖維、玻璃纖(纖)維、光學纖維(維)和金屬纖維。

3D打印可(ke)以非常精確地(di)定位和定向(xiang)連續纖維。因此，可(ke)以將纖維(維)放置在產品(pin)內部的選定(ding)方向和(he)位置，使其沿(yan)著指定載荷(he)路徑提供所(suo)需強度和剛度，形成內部(bu)結構的組成(cheng)部分。這意味(wei)著纖維(維)被安置在需(xu)要其發揮作(zuo)用的任何位(wei)置(zhi)，多條纖維甚(shen)至可以在整(zheng)個零部件中(zhong)形成一系列(lie)傳感器(qi)。與此同時，由(you)于3D打印不再需要工具或(huo)模具，因此它(ta)提供了一步(bu)制造方法來生產任何形(xing)狀的連續纖維增強復合材料，從而取代了更(geng)復雜、耗時且(qie)昂貴的傳統多(duo)步制造技術(術)。

在國防應用(yong)領域，3D打印技術無疑(yi)提供了一種(種)低成本、省時(時)的方法來制(zhi)造輕質、拓撲優化的結構部件，這(這)些優勢與美國空(kong)軍的低(di)成本可磨損(損)飛機技術/平(ping)臺計劃直接(jie)相符。Continuous Composites公司的(de)技術也因此(ci)受到美國空軍青睞。實際上(shang)，雙方目(mu)前所開展的(de)已經是第二(er)階段合作，美(mei)國空軍無疑(yi)已經成為該公司的長期(qi)客戶。

△Continuous Composites連續纖(纖)維復合材(cai)料3D打印技術(術)

合作本身涉(she)及在單個整(zheng)體機翼框架(jia)中3D打印集成(cheng)的(de)翼梁和(he)翼肋結構。在(zai)打印之前，Continuous Composites和(he)AFRL的高級結構概(gai)念(nian)部門使(shi)用基于人工(gong)智能的生成(cheng)設計軟件來優化機(機)翼結構的幾何形狀，該部(bu)件將使用由(you)連續碳纖維(維)增強的高性(xing)能熱固性樹脂制造。

制造(zao)完成后，3D 打印的框架(jia)將與復合機翼(yi)蒙皮組裝在(zai)一起，AFRL 還將進(進)行靜態機翼(yi)測試以評估(gu)結構性能，而(er)Continuous Composites將記錄工藝數據，以將其3D打(da)印技(ji)術與傳統制造(zao)和組裝工藝進行比較。

△3D打(da)印的無人機(機)翼梁和(he)肋條

△3D打印的連(連)續纖維復合(he)材料

連續復合材料3D打印(yin)技術在成本(ben)、交貨時(時)間和零件屬性方面具有(you)廣泛的優勢。早些時候，Continuous Composites還與能源技術(術)公司Siemens Energy合作，采用(yong)特殊的熱固性玻(bo)璃纖維增強聚合物材料(liao)制造發電機(機)組件。

據航空科(ke)學技術雜志(zhi)指出，連續纖(纖)維3D打印技術(術)與傳統(統)的自動鋪絲(絲)成形相比，自(zi)動化程度和(he)柔性更高，對于典型的碳(tan)纖維／聚醚(mi)醚酮零件，研發周期可縮短至(zhi)原來的(de)1/30，生產速度可(ke)提高100倍。使該技術既可以(yi)用于大批量(liang)生(sheng)產復合材料(liao)零件，也可以(yi)一次性打印高度復雜的幾何形(xing)狀或者需要(yao)極其精密制(zhi)造的關鍵零(ling)件，被認為將顛覆航空復合材料結構的生產(產)模式。