3D打印無人機復材零件
Aurora Flight Sciences 的 3D 打印無人機后穩定器支架。
Skate，一個專為在城市或擁擠環境中使用而設計的小型無人機家族
Aurora Flight Sciences 使用 Impossible Objects的CBAM 技術，在 HDPE 基體中使用25.4毫米長的碳纖維，為一架尺寸與前一張照片（上圖）中所示的 Skate 無人機相似的開發無人機 3D打印了一個76毫米乘38毫米的后穩定器支架（照片左下），該無人機是 Aurora 開發的小型無人機家族的一部分
CBAM 工藝從一臺打印機開始，在碳纖維氈的連續極薄層上涂上水基溶液，然后涂上粉末狀熱塑性基質。只有零件形狀是用溶液逐層印刷的，所以當多余的粉末在層沉積之間被抽走時，熱塑性粉末只會附著在印刷時紙張潮濕的地方。
這里顯示了不同零件的印刷、粉末和真空吸塵片材，它們是堆疊的。紙張對齊是通過在打印過程中穿過 穿孔插入的銷來保持的。在加工過程中，這個疊層被建立在壓力機的下臺板上。成型后，將其加熱至 打印熱塑性塑料的熔融溫度，然后在打印機中固結。
噴丸去除多余的未涂覆纖維，留下最終的纖維增強 3D 打印部件，如圖所示，帶有一個小葉輪。
設計結果：
- 與3D打印的無增強聚合物零件相比，提供了更高的強度，但滿足了緊湊的時間表并保持了降低的成本。
- 實現了低體積原型零件的傳統制造方法所無法實現的幾何復雜性。
- 在低重量下提供高強度，這對于在完成的無人機中實現所需性能很重要。
Aurora Flight Sciences（美國弗吉尼亞州馬納薩斯）是一家知名的先進航空航天組件一級供應商，如全球鷹無人機的復合材料機身。它也是一家無人機平臺制造商，包括名為 GoldenEye 的小型垂直起飛和升降（VTOL-vertical takeoff and lift）無人機系列；獵戶座中高度長航時無人機；以及 Skate，一個專為城市或擁擠環境而設計的小型無人機家族。2016 年，Aurora 被美國國防高級研究計劃局（DARPA-Defense Advanced Research Projects Agency，美國弗吉尼亞州阿靈頓）選中開發垂直起降實驗飛機（VTOL X-Plane），這將是歷史上第一架展示用于垂直起降和懸停和高速向前飛行的分布式混合電力推進管道風扇的飛機，包括傾斜翼和鴨翼。
Aurora 也是在航空航天系統中使用 3D 打印的先驅。2015 年 11 月，該公司與 Stratasys 股份有限公司（美國明尼蘇達州伊甸草原）合作，生產了世界上第一架噴氣動力 3D 打印無人機，其 80%的零件使用沙特基礎工業公司（美國馬薩諸塞州皮茨菲爾德）的熔融沉積建模（FDM-fused deposition modeling）和 ULTEM 9085 聚醚酰亞胺（PEI）樹脂。美國馬薩諸塞州劍橋 Aurora 飛行科學研發中心結構研究小組負責人 Dan Campbell 表示，該項目展示了“從設計到建造再到飛行 3D 打印噴氣動力飛機的速度有多快。”Campbell 補充道，這架 15 公斤重的飛機的總體設計和建造時間為3 米翼展，飛行速度可達 240 公里/小時，與傳統制造方法相比減少了50%。
Aurora 繼續使用各種 3D 打印技術，最近率先在新開發的無人機中使用了用 25.4 毫米長碳纖維增強的 3D打印復合材料部件。盡管該飛機在此無法詳細說明，但其 76 毫米乘 38 毫米的后穩定器支架利用了 Impossible Objects（美國伊利諾伊州諾斯布魯克）開發的基于復合材料的增材制造（CBAM-composites-based additive manufacturing）技術，為長纖維增強在 3D 打印結構中提供了一項有趣的研究。
纖維具有更高的強度
坎貝爾解釋說：“這個部分位于飛機尾部的尾部下方。”。“單個突起安裝在飛機機身上，衣夾形狀的尖頭或夾子固定著穩定器。”該部件是一個內部結構，在飛機外部看不到。
Impossible Objects 的首席商務官 Jeff DeGrange 在 Stratasys 的前一個任期內曾與 Aurora 飛行科學公司合作，當坎貝爾的團隊開始在這一部分遇到困難時，他正在與坎貝爾的團隊進行溝通。DeGrange 回憶道：“他們一直使用的 3D 打印的無增強塑料部件正在斷裂。” 這些零件使用選擇性激光燒結（SLS-selective laser sintering）和尼龍樹脂進行打印。Dan Campbell 解釋道：“這架飛機沒有起落架，所以當它按照設計腹部著陸時，穩定器會受到相當大的載荷，這會使尖頭卡在純塑料部件上。”DeGrange 認為 Impossible Objects 的 CBAM 技術可以提供一個解決方案。
“這個部分需要更堅固，”DeGrange 回憶道，“但也需要更輕。”事實上，這就是 CBAM 所提供的，因為作為 3D 打印方法，它以一個相當獨特的設計過程脫離了普通方法。它從無紡布開始。這種織物不僅比未增強塑料更堅固，而且可以容納比大多數商用“碳纖維”FDM 長絲中使用的研磨/短切纖維更長的纖維長度。
Impossible Objects 首席執行官拉里·卡普蘭解釋道：“3D 打印顯然是生產這一部件的最快途徑。”。他指出，無人機后穩定器支架復雜的幾何形狀不可能輕易注塑或加工，“尤其是作為一個集成的整體零件。”，“我們的技術是唯一能在這種情況下提供解決方案的技術。”
打印 CBAM 零件
該零件的生產始于 Impossible Objects 對 Aurora Flight Sciences 提供的 CAD 生成 STL 文件的審查。（STL 來自 STereoLithography，是 3D 打印的標準軟件語言。）Kaplan 解釋道：“有時，設計需要針對 3D 打印等基于層的制造過程進行改進。”。他指出，觀察零件的最大和最小強度在哪里也很重要。他指出：“我們的工藝在織物平面上實現了最大強度，因此我們與客戶合作，根據零件的要求最大限度地提高強 度。”。壁厚也可能需要檢查，并且根據零件設計，增加壁厚以獲得額外的強度，或者甚至有利地減小壁厚以利用印刷有長纖維增強件的零件所提供的強度重量比。
然而，在這種情況下，不需要進行任何調整。因此，Impossible Objects 通過其內部軟件對設計進行了處理，將其切成 0.05-0.08 毫米厚的水平層，然后將其送往打印設備。卡普蘭說：“然后我們把布料喂進去。”。對于后穩定器支架，織物是由碳纖維制成的各向同性非織造片材，碳纖維短切至標稱25.4mm長，用粘合劑固定在一起。板材從零件底部到頂部進行單獨處理。
Kaplan 說：“我們的打印機在紙張上涂上水基溶液，然后涂上粉末狀熱塑性基質。”他指出，這種機制類似于基于調色劑的復印機。該部分使用了高密度聚乙烯（HDPE-high-density polyethylene）粉末基質。粉末粘附在紙張因印刷而潮濕的地方。只有零件的形狀，一層一層地與解決方案一起打印。保持干燥的是每層的區域，在這些區域中，最終零件不需要任何材料。
然后，每個粉末涂層片材在真空下通過，真空去除未潤濕的粉末以供重復使用。然后將片材堆疊在裝有上壓板和下壓板的加工床上。下一張紙被打印、粉末化、真空吸塵并堆疊在上面，然后是零件所需的所有層。加工床中的機械銷用于層的配準。這些針的孔在打印過程中會穿孔。Kaplan 說：“這在板材定位中產生了非常嚴格的公差，在 0.025 毫米或更嚴格的范圍內。”
當所有片材堆疊時，它們被加熱到熱塑性聚合物的熔融溫度，在這種情況下大約為 135°C。加工床的壓板將疊層壓縮到最終的零件厚度——在由此產生的熱量和壓力下，碳纖維被封裝在熱塑性聚合物基體中。然而，在這一點上，現在固結的增強聚合物仍然被纖維層的部分包圍，該部分纖維層先前被抽真空而不含熱塑性粉末。Kaplan 解釋道：“然后我們使用噴丸去除多余的未涂層纖維，留下最后的部分。”
18 個多月前，當后穩定器支架首次使用 CBAM 制造時，每個零件批次的生產平均需要大約 30 分鐘?？ㄆ仗m說：“今天，我們可以在平均 15 分鐘內完成這一部分。”。“我們大幅縮短了加工時間，并進行了批量加工，以便在多個零件之間共享加熱和沖壓時間。”Impossible Objects 也在進行額外的改進，聲稱這將最終將零件的加工時間縮短到幾分鐘甚至更短。
“Impossible Objects 過程的另一個關鍵好處是 Kaplan 指出。“由于時間限制，這對這個項目很重要。”從那時起，Kaplan 的團隊已經證明，該系統可以與尼龍（PA12）和聚醚醚酮（PEEK）配合使用，這提供了新的最終用途。玻璃和芳綸纖維材料也可以加工。
更強、更快、多功能
Impossible Objects 測試了 CF/HDPE 平面試樣， Kaplan 表示，這些試樣的制造方式和速度與生產無人機零件相同，因此它們確實反映了打印零件的質量，并獲得了150 MPa 的拉伸強度和10 GPa的拉伸模量。對于 CF/PEEK 試樣，測得的拉伸強度為205MPa，模量為 12GPa。Kaplan 斷言：“與已公布的標準、無增強 3D 打印尼龍和 HDPE 零件的性能相比，我們的性能高達 10 倍。”“Ultem（PEI）打印的零件性能最接近，但仍不到我們使用 CBAM 生產的一半。”
Kaplan 表示，盡管該項目在低批量、功能性零件應用方面取得了成功，但 Impossible Objects 正朝著飛機、汽車、醫療設備/植入物和高性能體育用品零件的批量生產方向發展。他認為：“與其他 3D 打印相比，我們的技術在速度和材料特性方面都具有優勢。”。“我們還可以使用多種材料，例如帶有金屬或涂層纖維的非織造布。”這種集成增強導電性的能力為電子產品的電磁干擾（EMI-electromagnetic interference）屏蔽等應用開辟了道路。Kaplan 說：“EMI 屏蔽有一個巨大的市場，你可以在那里定制屬性。”。他補充道，有了 CBAM，可以交替使用玻璃層和碳纖維層， “所以現在在同一個部件內有絕緣層和導電層。”
對于 Aurora 的 Campbell 來說，這一部分展示了碳纖維在3D 打印零件中的作用。但它也為未來的進步指明了道路。“連續碳纖維是現代飛機的必需品，”他認為。“你真的無法超越它提供的重量特性。”他說，最終目標是使用 3D 打印，使用連續碳纖維制造初級結構。“這絕對是我們想要的結局。”
注：原文見《 3D printed composite parts provide solution for UAV 》 2016.7.7
portant;">楊超凡 2023.11.17
