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

來源：增材制造技術前沿

隨著航空航天領域的迅速發(fā)展以及世界各國低空領域不斷開放，各種無人機應用顯著增多。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，翼身融合結構設計是實現無人機諸多目標的最重要方法之一，同時也滿足了機身結構整體化的要求，減少了無人機零件數量和結構裝配連接。

翼身融合無人機的機身結構均采用一體化復材整體板件成型，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，這對于復雜結構制造無疑沒有效率和成本優(yōu)勢。為評估和完善連續(xù)復合材料先進航空結構制造技術，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）與領先的3D打印供應商Continuous Composites公司合作，共同研究連續(xù)復合材料3D打印能否成功用于無人機機翼直接制造。

△美空軍展示低成本高效無人機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”，能夠將連續(xù)纖維增強材料與熱固性樹脂技術相結合，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，產生具有可定制強度特性的各向異性部件。該技術可處理多種纖維類型，包括碳纖維、玻璃纖維、光學纖維和金屬纖維。

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品內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，形成內部結構的組成部分。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。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任何形狀的連續(xù)纖維增強復合材料，從而取代了更復雜、耗時且昂貴的傳統(tǒng)多步制造技術。

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

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

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構。在打印之前，Continuous Composites和AFRL的高級結構概念部門使用基于人工智能的生成設計軟件來優(yōu)化機翼結構的幾何形狀，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)機翼測試以評估結構性能，而Continuous Composites將記錄工藝數據，以將其3D打印技術與傳統(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)纖維復合材料

連續(xù)復合材料3D打印技術在成本、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。

據航空科學技術雜志指出，連續(xù)纖維3D打印技術與傳統(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，生產速度可提高100倍。使該技術既可以用于大批量生產復合材料零件，也可以一次性打印高度復雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關鍵零件，被認為將顛覆航空復合材料結構的生產模式。