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：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(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

中國(guó)大型隱身無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)——利劍隱身無(wú)人攻擊機(jī)

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,。

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

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)

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(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,。

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在我國(guó)天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器上也有應(yīng)用,。由中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院所屬航天材料及工藝研究所開(kāi)發(fā)的連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料，制造了天問(wèn)一號(hào)上面需要維持探測(cè)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(qiáng)度更高,，同時(shí)兼顧了耐燒蝕和承載能力。

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在我國(guó)天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器上有重要應(yīng)用

2020年,，中國(guó)實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空3D打印

除此之外,，2020年,，由529廠—西交大團(tuán)隊(duì)共同研制的3D打印裝備“實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空環(huán)境增材制造技術(shù)”,，這對(duì)于未來(lái)空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)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(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,。關(guān)于Continuous Composites連續(xù)纖維增材制造技術(shù),，請(qǐng)關(guān)注下方視頻號(hào)內(nèi)容,。