新技术使用长碳纤维来提高小型高性能飞机的强度和刚度。
Aurora Flight Sciences的3D打印无人机后稳定器支架。
Skate，一个专为在城市或拥挤环境中使用而设计
的小型无人机家族
Aurora Flight Sciences使用Impossible Objects
的CBAM技术，在HDPE基体中使用25.4毫
米长的碳纤维，为一架尺寸与前一张照片（上
图）中所示的Skate无人机相似的开发无人机3D
打印了一个76毫米乘38毫米的后稳定器支架
（照片左下），该无人机是Aurora开发的小型无
人机家族的一部分
CBAM工艺从一台打印机开始，在碳纤维毡的
连续极薄层上涂上水基溶液，然后涂上粉末状
热塑性基质。只有零件形状是用溶液逐层印刷的，
所以当多余的粉末在层沉积之间被抽走时，热
塑性粉末只会附着在印刷时纸张潮湿的地方。
这里显示了不同零件的印刷、粉末和真空吸尘片材，
它们是堆叠的。纸张对齐是通过在打印过程中穿过
穿孔插入的销来保持的。在加工过程中，这个叠层
被建立在压力机的下台板上。成型后，将其加热至
打印热塑性塑料的熔融温度，然后在打印机中固结。
喷丸去除多余的未涂覆纤维，留下最终的纤维
增强3D打印部件，如图所示，带有一个小叶轮。
设计结果：
- 与3D打印的无增强聚合物零件相比，提供了更高的强度，但满足了紧凑的时间表并保持了降低的成本。
- 实现了低体积原型零件的传统制造方法所无法实现的几何复杂性。
- 在低重量下提供高强度，这对于在完成的无人机中实现所需性能很重要。
Aurora Flight Sciences（美国弗吉尼亚州马纳萨斯）是一家知名的先进航空航天组件一级供应商，如全球鹰无人机的复合材料机身。它也是一家无人机平台制造商，包括名为GoldenEye的小型垂直起飞和升降（VTOL-vertical takeoff and lift）无人机系列；猎户座中高度长航时无人机；以及Skate，一个专为城市或拥挤环境而设计的小型无人机家族。2016年，Aurora被美国国防高级研究计划局（DARPA-Defense Advanced Research Projects Agency，美国弗吉尼亚州阿灵顿）选中开发垂直起降实验飞机（VTOL X-Plane），这将是历史上第一架展示用于垂直起降和悬停和高速向前飞行的分布式混合电力推进管道风扇的飞机，包括倾斜翼和鸭翼。
Aurora也是在航空航天系统中使用3D打印的先驱。2015年11月，该公司与Stratasys股份有限公司（美国明尼苏达州伊甸草原）合作，生产了世界上第一架喷气动力3D打印无人机，其80%的零件使用沙特基础工业公司（美国马萨诸塞州皮茨菲尔德）的熔融沉积建模（FDM-fused deposition modeling）和ULTEM 9085聚醚酰亚胺（PEI）树脂。美国马萨诸塞州剑桥Aurora飞行科学研发中心结构研究小组负责人Dan Campbell表示，该项目展示了“从设计到建造再到飞行3D打印喷气动力飞机的速度有多快。”Campbell补充道，这架15公斤重的飞机的总体设计和建造时间为3米翼展，飞行速度可达240公里/小时，与传统制造方法相比减少了50%。
Aurora继续使用各种3D打印技术，最近率先在新开发的无人机中使用了用25.4毫米长碳纤维增强的3D打印复合材料部件。尽管该飞机在此无法详细说明，但其76毫米乘38毫米的后稳定器支架利用了Impossible Objects（美国伊利诺伊州诺斯布鲁克）开发的基于复合材料的增材制造（CBAM-composites-based additive manufacturing）技术，为长纤维增强在3D打印结构中提供了一项有趣的研究。
纤维具有更高的强度
坎贝尔解释说：“这个部分位于飞机尾部的尾部下方。”。“单个突起安装在飞机机身上，衣夹形状的尖头或夹子固定着稳定器。”该部件是一个内部结构，在飞机外部看不到。
Impossible Objects的首席商务官Jeff DeGrange在Stratasys的前一个任期内曾与Aurora飞行科学公司合作，当坎贝尔的团队开始在这一部分遇到困难时，他正在与坎贝尔的团队进行沟通。DeGrange回忆道：“他们一直使用的3D打印的无增强塑料部件正在断裂。”。这些零件使用选择性激光烧结（SLS-selective laser sintering）和尼龙树脂进行打印。Dan Campbell解释道：“这架飞机没有起落架，所以当它按照设计腹部着陆时，稳定器会受到相当大的载荷，这会使尖头卡在纯塑料部件上。”DeGrange认为Impossible Objects的CBAM技术可以提供一个解决方案。
“这个部分需要更坚固，”DeGrange回忆道，“但也需要更轻。”事实上，这就是CBAM所提供的，因为作为 3D打印方法，它以一个相当独特的设计过程脱离了普通方法。它从无纺布开始。这种织物不仅比未增强塑料更坚固，而且可以容纳比大多数商用“碳纤维”FDM长丝中使用的研磨/短切纤维更长的纤维长度。
Impossible Objects首席执行官拉里·卡普兰解释道：“3D打印显然是生产这一部件的最快途径。”。他指出，无人机后稳定器支架复杂的几何形状不可能轻易注塑或加工，“尤其是作为一个集成的整体零件。”，“我们的技术是唯一能在这种情况下提供解决方案的技术。”
打印CBAM零件
该零件的生产始于Impossible Objects对Aurora Flight Sciences提供的CAD生成STL文件的审查。（STL来自STereoLithography，是3D打印的标准软件语言。）Kaplan解释道：“有时，设计需要针对3D打印等基于层的制造过程进行改进。”。他指出，观察零件的最大和最小强度在哪里也很重要。他指出：“我们的工艺在织物平面上实现了最大强度，因此我们与客户合作，根据零件的要求最大限度地提高强度。”。壁厚也可能需要检查，并且根据零件设计，增加壁厚以获得额外的强度，或者甚至有利地减小壁厚以利用印刷有长纤维增强件的零件所提供的强度重量比。
然而，在这种情况下，不需要进行任何调整。因此，Impossible Objects通过其内部软件对设计进行了处理，将其切成0.05-0.08毫米厚的水平层，然后将其送往打印设备。卡普兰说：“然后我们把布料喂进去。”。对于后稳定器支架，织物是由碳纤维制成的各向同性非织造片材，碳纤维短切至标称25.4mm长，用粘合剂固定在一起。板材从零件底部到顶部进行单独处理。
Kaplan说：“我们的打印机在纸张上涂上水基溶液，然后涂上粉末状热塑性基质。”他指出，这种机制类似于基于调色剂的复印机。该部分使用了高密度聚乙烯（HDPE-high-density polyethylene）粉末基质。粉末粘附在纸张因印刷而潮湿的地方。只有零件的形状，一层一层地与解决方案一起打印。保持干燥的是每层的区域，在这些区域中，最终零件不需要任何材料。
然后，每个粉末涂层片材在真空下通过，真空去除未润湿的粉末以供重复使用。然后将片材堆叠在装有上压板和下压板的加工床上。下一张纸被打印、粉末化、真空吸尘并堆叠在上面，然后是零件所需的所有层。加工床中的机械销用于层的配准。这些针的孔在打印过程中会穿孔。Kaplan说：“这在板材定位中产生了非常严格的公差，在0.025毫米或更严格的范围内。”
当所有片材堆叠时，它们被加热到热塑性聚合物的熔融温度，在这种情况下大约为135°C。加工床的压板将叠层压缩到最终的零件厚度——在由此产生的热量和压力下，碳纤维被封装在热塑性聚合物基体中。然而，在这一点上，现在固结的增强聚合物仍然被纤维层的部分包围，该部分纤维层先前被抽真空而不含热塑性粉末。Kaplan解释道：“然后我们使用喷丸去除多余的未涂层纤维，留下最后的部分。”
18个多月前，当后稳定器支架首次使用CBAM制造时，每个零件批次的生产平均需要大约30分钟。卡普兰说：“今天，我们可以在平均15分钟内完成这一部分。”。“我们大幅缩短了加工时间，并进行了批量加工，以便在多个零件之间共享加热和冲压时间。”Impossible Objects也在进行额外的改进，声称这将最终将零件的加工时间缩短到几分钟甚至更短。
“Impossible Objects过程的另一个关键好处是Kaplan指出。“由于时间限制，这对这个项目很重要。”从那时起，Kaplan的团队已经证明，该系统可以与尼龙（PA12）和聚醚醚酮（PEEK）配合使用，这提供了新的最终用途。玻璃和芳纶纤维材料也可以加工。
更强、更快、多功能
Impossible Objects测试了CF/HDPE平面试样，Kaplan表示，这些试样的制造方式和速度与生产无人机零件相同，因此它们确实反映了打印零件的质量，并获得了150 MPa的拉伸强度和10 GPa的拉伸模量。对于CF/PEEK试样，测得的拉伸强度为205MPa，模量为12GPa。Kaplan断言：“与已公布的标准、无增强3D打印尼龙和HDPE零件的性能相比，我们的性能高达10倍。”。“Ultem（PEI）打印的零件性能最接近，但仍不到我们使用CBAM生产的一半。”
Kaplan表示，尽管该项目在低批量、功能性零件应用方面取得了成功，但Impossible Objects正朝着飞机、汽车、医疗设备/植入物和高性能体育用品零件的批量生产方向发展。他认为：“与其他3D打印相比，我们的技术在速度和材料特性方面都具有优势。”。“我们还可以使用多种材料，例如带有金属或涂层纤维的非织造布。”这种集成增强导电性的能力为电子产品的电磁干扰（EMI-electromagnetic interference）屏蔽等应用开辟了道路。Kaplan说：“EMI屏蔽有一个巨大的市场，你可以在那里定制属性。”。他补充道，有了CBAM，可以交替使用玻璃层和碳纤维层，“所以现在在同一个部件内有绝缘层和导电层。”
对于Aurora的Campbell来说，这一部分展示了碳纤维在3D打印零件中的作用。但它也为未来的进步指明了道路。“连续碳纤维是现代飞机的必需品，”他认为。“你真的无法超越它提供的重量特性。”他说，最终目标是使用3D打印，使用连续碳纤维制造初级结构。“这绝对是我们想要的结局。”
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注：原文见，《 3D printed composite parts provide solution for UAV 》 2016．7．7
杨超凡 2023.11.17
