一种连续纤维增强复合材料无人机机翼及3D打印制造方法与流程

一种连续纤维增强复合材料无人机机翼及3d打印制造方法
技术领域
1.本发明涉及无人机和增材制造技术领域，特别涉及一种连续纤维增强复合材料无人机机翼即3d打印制造方法。


背景技术：

2.机翼是无人机无法缺少的传力和承力组件，其结构质量的减重和承载能力的提升对整机的性能影响极其重要。连续纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、热稳定性好、可设计性强等优点，非常适合用在飞机机翼上。
3.目前连续纤维增强复合材料机翼成形工艺主要有热压罐成形工艺，真空袋成形工艺和模压成形工艺，然而这些工艺在成形过程都需要开发专用的模具，成本高、周期长，模具的存在也会在制造过程中引起诸多工艺约束，一般只能成形一些像复合材料层合板、梁、壳体等简单零件，难以一体化成形复杂结构件，以上问题的存在使得传统复合材料工业难以满足复杂曲面零部件的高效低成本制造需求。
4.3d打印技术与传统工艺相比，具备可定制、成本低、周期短、无废料、复杂加工、精确复制等优势，给无人机生产制造提供了新的解决思路，但是，现阶段3d打印无人机使用的材料主要类型是塑料、液态树脂和金属粉末，其中使用纯塑料和液态树脂层层叠加3d打印成形的无人机机翼，结构强度不足以满足高度高承载无人机机翼的需求，而使用昂贵的金属粉末3d打印成形的无人机，其成本较高，质量较重。
5.综上，现在需要一种新的无人机机翼成形制造方法，针对无人机高速飞行时机翼的承载工况，低成本地制造出大承载的高性能无人机机翼结构。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强复合材料无人机机翼及3d打印制造方法，使用连续纤维和基体材料浸渍成形提高机翼的承载性能，使用连续纤维3d打印技术实现机翼内部轻质承载结构的一体化制造，减少机翼制造成本的同时提升机翼的质量，从而实现连续纤维增强复合材料无人机机翼的高性能低成本制造。
7.为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
8.一种连续纤维增强复合材料无人机机翼，机翼内部靠近翼尖设有作为蒙皮1支撑的第一翼肋结构阵列5，靠近翼根设有作为孔结构和蒙皮1支撑的第二翼肋结构阵列4；孔结构包括第一孔结构3-1、第二孔结构3-2，第一孔结构3-1、第二孔结构3-2内插入碳纤维管2作为主梁和辅梁，机翼与机身通过碳纤维管2连接。
9.所述连续纤维增强复合材料中连续纤维材料为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、金属纤维、石英纤维等的一种或多种。
10.所述连续纤维增强复合材料中基体材料为pe-聚乙烯、pp-聚丙烯、pvc-聚氯乙烯、
ps-聚苯乙烯、pa-尼龙、pom-聚甲醛、pc-聚碳酸酯、peek-聚醚醚酮中的一种树脂材料。
11.所述的一种连续纤维增强复合材料无人机机翼的3d打印制造方法，包括以下步骤：
12.1)在计算机辅助设计软件中提取机翼三维模型的外形轮廓数据；
13.2)设计机翼内部的第一翼肋结构阵列5、第二翼肋结构阵列4的相关参数，包括每个翼肋的厚度和每个翼肋之间的距离；
14.3)根据步骤2)中设计的机翼内部结构，规划3d打印策略，将机翼沿机翼前缘到机翼后缘的方向划分为六个部分，依次为：机翼后缘段6、第一机翼辅梁连接孔段7、第二机翼辅梁连接孔段8、第一机翼主梁连接孔段9、第二机翼主梁连接孔段10和机翼前缘段11；
15.4)根据步骤1)中的机翼外形轮廓数据和步骤3)中的机翼后缘段6、第一机翼辅梁连接孔段7、第二机翼辅梁连接孔段8、第一机翼主梁连接孔段9、第二机翼主梁连接孔段10、机翼前缘段11的特点，使用编程软件规划出相应各段内部结构和蒙皮1一体化成形的连续纤维3d打印路径；
16.5)根据步骤4)中规划出的各段的连续纤维3d打印路径，使用连续纤维3d打印设备进行打印制造，分别打印第一机翼辅梁连接孔段7、第二机翼辅梁连接孔段8、第一机翼主梁连接孔段9、第二机翼主梁连接孔段10时，按顺序依次打印每段的底部支撑12、第一侧边支撑13、第二侧边支撑14；打印孔段结构的悬空孔壁结构15时，连续纤维原位浸渍熔融基体材料后从打印头16挤出后，利用连续纤维的张力，在无支撑的状态下成形孔的悬空孔壁结构15；对于机翼前缘段11和机翼后缘段6，直接层层叠加打印成形；
17.6)使用胶水将步骤5)中打印制造成形的各个机翼段胶接成一个完整的机翼；
18.7)对步骤6)中胶接完成的机翼的蒙皮1进行表面处理，对其表面瑕疵、结构间隙进行修复与完善，满足机翼的蒙皮1表面粗糙度的要求。
19.与现有技术相比，本发明具有有益效果：
20.1)本发明提供的一种连续纤维增强复合材料无人机机翼的3d打印制造方法，使用连续纤维增强复合材料3d打印技术，其材料具有高比强度和高比模量，同时因为3d打印结构的可设计性，可以实现机翼内部轻质高强结构的制造，提升机翼的承载性能。
21.2)本发明在规划打印路径时，同时规划机翼内部支撑结构和机翼蒙皮的打印成形路径，利用连续纤维的张力可以无支撑的悬空打印，无需使用模具支撑，因此可以实现机翼内部结构和机翼蒙皮一体化高效低成本制造。
附图说明
22.图1是本发明实施例一种连续纤维增强复合材料无人机机翼的结构示意图。
23.图2是本发明一种连续纤维增强复合材料无人机机翼的3d打印制造方法流程图。
24.图3是本发明实施例机翼结构分段成形策略示意图。
25.图4是本发明实施例机翼内部孔结构打印策略示意图和打印过程实物图。
26.图5是本发明实施例3d打印成形后的实物图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对
本发明进行进一步的说明。需要注意的是，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
28.参照图1，一种连续纤维增强复合材料无人机机翼，机翼内部靠近翼尖设有作为蒙皮1支撑的第一翼肋结构阵列5，靠近翼根设有作为孔结构和蒙皮1支撑的第二翼肋结构阵列4；孔结构包括第一孔结构3-1、第二孔结构3-2，第一孔结构3-1、第二孔结构3-2内插入碳纤维管2作为主梁和辅梁，机翼与机身通过碳纤维管2连接。
29.所述连续纤维增强复合材料中连续纤维材料为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、金属纤维、石英纤维等的一种或多种。
30.所述连续纤维增强复合材料中基体材料为pe-聚乙烯、pp-聚丙烯、pvc-聚氯乙烯、ps-聚苯乙烯、pa-尼龙、pom-聚甲醛、pc-聚碳酸酯、peek-聚醚醚酮中的一种树脂材料。
31.参照图2，所述的一种连续纤维增强复合材料无人机机翼的3d打印制造方法，包括以下步骤：
32.1)为了保证机翼气动外形的精度，首先在计算机辅助设计软件中提取机翼三维模型的外形轮廓数据；
33.2)考虑机翼的承载和机翼与机身的安装，设计机翼内部的第一翼肋结构阵列5、第二翼肋结构阵列4的相关参数，包括每个翼肋的厚度和每个翼肋之间的距离；
34.3)参照图3，根据步骤2)中设计的机翼内部结构，规划3d打印策略，为了成形机翼与机身连接的第一孔结构3-1、第二孔结构3-2，将机翼沿机翼前缘到机翼后缘的方向划分为六个部分，依次为：机翼后缘段6、第一机翼辅梁连接孔段7、第二机翼辅梁连接孔段8、第一机翼主梁连接孔段9、第二机翼主梁连接孔段10和机翼前缘段11；
35.4)根据步骤1)中的机翼外形轮廓数据和步骤3)中的机翼后缘段6、第一机翼辅梁连接孔段7、第二机翼辅梁连接孔段8、第一机翼主梁连接孔段9、第二机翼主梁连接孔段10、机翼前缘段11的特点，使用编程软件规划出相应的各段内部结构和蒙皮1一体化成形的连续纤维3d打印路径；
36.5)根据步骤4)中规划出的各段的连续纤维3d打印路径，使用连续纤维3d打印设备进行打印制造，分别打印第一机翼辅梁连接孔段7、第二机翼辅梁连接孔段8、第一机翼主梁连接孔段9、第二机翼主梁连接孔段10时，参照图4，按顺序依次打印每段的底部支撑12、第一侧边支撑13、第二侧边支撑14；打印孔段结构的悬空孔壁结构15时，连续纤维原位浸渍熔融基体材料后从打印头16挤出后，利用连续纤维的张力，可以在无支撑的状态下成形孔的悬空孔壁结构15；而对于机翼前缘段11和机翼后缘段6，可直接层层叠加打印成形；
37.6)使用适用于基体材料的胶水将步骤5)中打印制造成形的各个机翼段胶接成一个完整的机翼；
38.7)对步骤6)中胶接完成的机翼的蒙皮1进行表面处理，经过打磨、补土、面漆一系列工艺手段对其表面瑕疵、结构间隙等进行修复与完善；如图5所示，图5展示了实施例打印成形的机翼，打印成形了靠近翼根的三分之一段机翼结构，图中第一孔结构3-1中设有粗碳纤维管18作为主梁，第二孔结构3-2中设有细碳纤维管17作为辅梁，外部设有蒙皮1。

技术特征：
1.一种连续纤维增强复合材料无人机机翼，其特征在于：机翼(1)内部靠近翼尖设有作为蒙皮支撑的第一翼肋结构阵列(5)，靠近翼根设有作为孔结构和蒙皮支撑的第二翼肋结构阵列(4)；孔结构包括第一孔结构(3-1)、第二孔结构(3-2)，第一孔结构(3-1)、第二孔结构(3-2)内插入碳纤维管(2)作为主梁、辅梁，机翼(1)与机身通过碳纤维管(2)连接。2.根据权利要求1所述的机翼，其特征在于：所述连续纤维增强复合材料中连续纤维材料为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、金属纤维、石英纤维等的一种或多种。3.根据权利要求1所述的机翼，其特征在于：所述连续纤维增强复合材料中基体材料为pe-聚乙烯、pp-聚丙烯、pvc-聚氯乙烯、ps-聚苯乙烯、pa-尼龙、pom-聚甲醛、pc-聚碳酸酯、peek-聚醚醚酮中的一种树脂材料。4.权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料无人机机翼的3d打印制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在计算机辅助设计软件中提取机翼三维模型的外形轮廓数据；2)设计机翼内部的第一翼肋结构阵列(5)、第二翼肋结构阵列(4)的相关参数，包括每个翼肋的厚度和每个翼肋之间的距离；3)根据步骤2)中设计的机翼内部结构，规划3d打印策略，将机翼沿机翼前缘到机翼后缘的方向划分为六个部分，依次为：机翼后缘段(6)、第一机翼辅梁连接孔段(7)、第二机翼辅梁连接孔段(8)、第一机翼主梁连接孔段(9)、第二机翼主梁连接孔段(10)和机翼前缘段(11)；4)根据步骤1)中的机翼外形轮廓数据和步骤3)中的机翼后缘段(6)、第一机翼辅梁连接孔段(7)、第二机翼辅梁连接孔段(8)、第一机翼主梁连接孔段(9)、第二机翼主梁连接孔段(10)、机翼前缘段(11)的特点，使用编程软件规划出相应各段内部结构和蒙皮(1)一体化成形的连续纤维3d打印路径；5)根据步骤4)中规划出的各段的连续纤维3d打印路径，使用连续纤维3d打印设备进行打印制造，分别打印第一机翼辅梁连接孔段(7)、第二机翼辅梁连接孔段(8)、第一机翼主梁连接孔段(9)、第二机翼主梁连接孔段(10)时，按顺序依次打印每段的底部支撑(12)、第一侧边支撑(13)、第二侧边支撑(14)；打印孔段结构的悬空孔壁结构(15)时，连续纤维原位浸渍熔融基体材料后从打印头(16)挤出后，利用连续纤维的张力，在无支撑的状态下成形孔的悬空孔壁结构(15)；对于机翼前缘段(11)和机翼后缘段(6)，直接层层叠加打印成形；6)使用胶水将步骤5)中打印制造成形的各个机翼段胶接成一个完整的机翼(1)；7)对步骤6)中胶接完成的机翼的蒙皮(1)进行表面处理，对其表面瑕疵、结构间隙进行修复与完善，满足机翼的蒙皮(1)表面粗糙度的要求。

技术总结
一种连续纤维增强复合材料无人机机翼及3D打印制造方法，机翼内部靠近翼尖设有作为蒙皮支撑的第一翼肋结构阵列，靠近翼根设有作为孔结构和蒙皮支撑的第二翼肋结构阵列；孔结构包括第一孔结构、第二孔结构，第一孔结构、第二孔结构内插入碳纤维管作为主梁、辅梁，机翼与机身通过碳纤维管连接；打印时，将机翼沿机翼前缘到机翼后缘的方向划分为六个部分：机翼后缘段、第一机翼辅梁连接孔段、第二机翼辅梁连接孔段、第一机翼主梁连接孔段、第二机翼主梁连接孔段和机翼前缘段；采取分段打印，胶水拼接的方式；本发明减少机翼制造成本的同时提升机翼的质量，从而实现连续纤维增强复合材料材料无人机机翼的高性能低成本制造。料无人机机翼的高性能低成本制造。料无人机机翼的高性能低成本制造。


技术研发人员：田小永 李武丹 李依潇 班昊轩 黄一鸣
受保护的技术使用者：中国航天科工集团第二研究院
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/6/27