美空軍研究室大力開(kāi)發(fā)連續(xù)復(fù)合材料3D打印，并用于無(wú)人機(jī)機(jī)翼成型

來(lái)源：增材制造技術(shù)前沿

隨著航空航天領(lǐng)域的迅速發(fā)展以及世界各國(guó)低空領(lǐng)域不斷開(kāi)放，各種無(wú)人機(jī)應(yīng)用顯著增多。無(wú)人機(jī)的隱身化、高機(jī)動(dòng)性、整體化是其重要的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)論用于偵查還是智能監(jiān)測(cè)機(jī)體自身健康，翼身融合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)諸多目標(biāo)的最重要方法之一，同時(shí)也滿足了機(jī)身結(jié)構(gòu)整體化的要求，減少了無(wú)人機(jī)零件數(shù)量和結(jié)構(gòu)裝配連接。

翼身融合無(wú)人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)均采用一體化復(fù)材整體板件成型，對(duì)材料要求高強(qiáng)度、高韌性、高流動(dòng)，目前多使用復(fù)合材料或者高性能的工程塑料。而對(duì)于制造方式，多離不開(kāi)模具，這對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造無(wú)疑沒(méi)有效率和成本優(yōu)勢(shì)。為評(píng)估和完善連續(xù)復(fù)合材料先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，滿足美國(guó)國(guó)防部具有挑戰(zhàn)性的制造需求，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)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(wú)人機(jī)機(jī)翼直接制造。

△美空軍展示低成本高效無(wú)人機(jī)XQ-58A Valkyrie

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(qiáng)材料與熱固性樹(shù)脂技術(shù)相結(jié)合，安裝在機(jī)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(shù)脂一同沉積。加入了纖維的樹(shù)脂在紫外線下幾乎立即固化，產(chǎn)生具有可定制強(qiáng)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(qiáng)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(gè)零部件中形成一系列傳感器。與此同時(shí)，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(lái)生產(chǎn)任何形狀的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，從而取代了更復(fù)雜、耗時(shí)且昂貴的傳統(tǒng)多步制造技術(shù)。

在國(guó)防應(yīng)用領(lǐng)域，3D打印技術(shù)無(wú)疑提供了一種低成本、省時(shí)的方法來(lái)制造輕質(zhì)、拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)部件，這些優(yōu)勢(shì)與美國(guó)空軍的低成本可磨損飛機(jī)技術(shù)/平臺(tái)計(jì)劃直接相符。Continuous Composites公司的技術(shù)也因此受到美國(guó)空軍青睞。實(shí)際上，雙方目前所開(kāi)展的已經(jīng)是第二階段合作，美國(guó)空軍無(wú)疑已經(jīng)成為該公司的長(zhǎng)期客戶。

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

合作本身涉及在單個(gè)整體機(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)概念部門(mén)使用基于人工智能的生成設(shè)計(jì)軟件來(lái)優(yōu)化機(jī)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(qiáng)的高性能熱固性樹(shù)脂制造。

制造完成后，3D 打印的框架將與復(fù)合機(jī)翼蒙皮組裝在一起，AFRL 還將進(jìn)行靜態(tài)機(jī)翼測(cè)試以評(píng)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(jìn)行比較。

△3D打印的無(wú)人機(jī)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(shí)間和零件屬性方面具有廣泛的優(yōu)勢(shì)。早些時(shí)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(qiáng)聚合物材料制造發(fā)電機(jī)組件。

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(dòng)鋪絲成形相比，自動(dòng)化程度和柔性更高，對(duì)于典型的碳纖維／聚醚醚酮零件，研發(fā)周期可縮短至原來(lái)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。