成本更低、飛行效率更高！研究人員用4D復(fù)合材料打印技術(shù)改進(jìn)無(wú)人機(jī)機(jī)翼

2022年5月26日，南極熊獲悉，來(lái)自康涅狄格（Concordia University）大學(xué)的研究人員提出了一種能夠使無(wú)人駕駛飛行器（UAVs）和無(wú)人機(jī)的機(jī)翼制造成本更低、飛行效率更高新的新型4D復(fù)合材料打印方法。

隨著無(wú)人機(jī)在航空領(lǐng)域變得越來(lái)越被重視，該行業(yè)正面臨著降低開(kāi)支同時(shí)提高性能效率的雙重壓力。為此，Concordia大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇新論文，概述了能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)性4D復(fù)合材料打印技術(shù)。對(duì)此，Concordia大學(xué)復(fù)合材料中心主任Suong Hoa表示："我們的研究結(jié)果顯示，使用這種機(jī)翼的無(wú)人機(jī)可以為小型或中型車輛提供良好的負(fù)載。"

△4D復(fù)合材料打印的無(wú)人機(jī)機(jī)翼

3D打印無(wú)人機(jī)

雖然無(wú)人機(jī)是一個(gè)相對(duì)較新的市場(chǎng)，但它在航空界是處于一個(gè)不斷上升的位置。在過(guò)去的幾年里，增材制造已經(jīng)被用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)無(wú)人機(jī)的優(yōu)化組件，而且成本較低。

例如，金屬3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)商Titomic在2018年與TAOV簽署了生產(chǎn)無(wú)人機(jī)士兵系統(tǒng)和傳感器協(xié)議，緊接著在第二年年就通過(guò)其Titomic Kinetic Fusion（TKF）技術(shù)開(kāi)發(fā)了號(hào)稱尺寸最大的3D打印鈦合金無(wú)人機(jī)。

緊隨其后，金屬3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目Aeroswift成功地3D打印了一個(gè)大尺寸的鈦合金無(wú)人機(jī)機(jī)身，而Kongu工程學(xué)院的工程師們則以增材方式制造了一個(gè)微型藍(lán)牙控制的無(wú)人機(jī)，能夠在秘密軍事行動(dòng)中躲避追捕。

最近，射頻產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商O(píng)ptisys公布了新一代用于高空無(wú)人機(jī)的3D打印輕型部件，包括可用于太空的天線和雷達(dá)部件。3月，Hypersonix發(fā)射系統(tǒng)公司被澳大利亞政府授予295萬(wàn)美元，用于資助開(kāi)發(fā)使用3D打印技術(shù)的氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)。

△Titomic的鈦合金無(wú)人駕駛飛行器（UAV）。圖片來(lái)自Titomic。

更便宜、更高效的無(wú)人機(jī)

隨著航空業(yè)面臨越來(lái)越大的壓力和審查，以減少其飛行器對(duì)環(huán)境的影響，研究人員正在不斷尋找降低成本的方法，同時(shí)提高部件效率。

Concordia團(tuán)隊(duì)的研究論文重點(diǎn)關(guān)注一種使無(wú)人機(jī)機(jī)翼的制造成本更低、飛行效率更高的方法。特別是，該團(tuán)隊(duì)探索了一種制造無(wú)人機(jī)自適應(yīng)順應(yīng)性后緣（ACTE）變形機(jī)翼的新方法，取代了常用的連接在主翼體上的鉸鏈?zhǔn)揭砥��?/div>

研究團(tuán)隊(duì)利用了由Hoa開(kāi)創(chuàng)的4D復(fù)合打印技術(shù)。4D打印指的是當(dāng)一個(gè)3D打印物體在水或熱等刺激下將自身轉(zhuǎn)化為另一種結(jié)構(gòu)。最初的3D打印發(fā)生在一個(gè)平面上，然后暴露在刺激下，引起反應(yīng)并改變表面形狀。

△SuongHoa，Concordia復(fù)合材料中心主任。照片來(lái)自Concordia大學(xué)。

Hoa的復(fù)合材料4D打印技術(shù)依靠的是由樹(shù)脂固定一層厚度僅為10微米的長(zhǎng)而細(xì)的曲線組合。4D打印機(jī)將樹(shù)脂以90度角打印成超薄層，然后壓實(shí)并在180℃的烤箱中固化。然后，這些結(jié)構(gòu)被冷卻到0˚C，產(chǎn)生一個(gè)堅(jiān)硬但不脆的物體。

這種打印技術(shù)使研究人員能夠創(chuàng)造出一段具有均勻曲率的材料，夾在翼片的上下表面之間。因此，該材料既靈活又堅(jiān)固，足以支持機(jī)翼為實(shí)現(xiàn)最佳飛行機(jī)動(dòng)性而需要的20度變形。

由此產(chǎn)生的ACTE變形機(jī)翼是由平坦的上下表皮和4D復(fù)合材料打印的波紋芯組成的。據(jù)報(bào)道，該機(jī)翼有能力改善空氣動(dòng)力特性和氣流分離特性，最終導(dǎo)致燃油效率的提高。

Hoa說(shuō)："我們的想法是擁有一個(gè)能在飛行過(guò)程中輕松改變其形狀的機(jī)翼，這與固定翼飛機(jī)相比將是一個(gè)巨大的好處。

雖然這篇論文提出了一個(gè)令人信服的案例，可以大大改善無(wú)人機(jī)和無(wú)人機(jī)的機(jī)翼，但Hoa也看到了4D復(fù)合材料打印技術(shù)的在其他方向的應(yīng)用前景，因?yàn)樗�能夠更方便地�?shí)現(xiàn)運(yùn)輸。目前，研究人員正在進(jìn)行進(jìn)一步的工作，以完善機(jī)翼的分析、設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》雜志上發(fā)表的題為："利用復(fù)合材料4D打印的波紋芯為無(wú)人駕駛飛行器開(kāi)發(fā)一種新的柔性機(jī)翼概念/Development ofa new flexible wing concept for Unmanned Aerial Vehicle using corrugated coremade by 4D printing of composites"的論文中找到。該研究的共同作者是S.Hoa, M. Abdali, A. Jasmin, D. Radeschi, V. Prats, H. Faour, and B. Kobaissi。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22002380?via%3Dihub