黃子林 馬 聰 葛紀(jì)雨 馬昕旖 葉子情 王雨霏 陳府勤 張文妍＊

（金陵科技學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

機(jī)翼是各種固定翼航空器最重要的氣動(dòng)部件，機(jī)翼的發(fā)展涉及空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料以及加工制造等多個(gè)方面[1]。自飛機(jī)誕生以后，機(jī)翼的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和改進(jìn)一直是航空領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)一直是工程設(shè)計(jì)師們追求的目標(biāo)。現(xiàn)如今，機(jī)翼在形狀和樣式上已大致定型，生產(chǎn)制造廠商大多只在材料及加工制造方面小作修改，以求最佳的綜合性能。很多現(xiàn)役飛機(jī)的機(jī)翼大多使用硬鋁材料通過(guò)構(gòu)件鉚接以及焊接等方式完成有效的拼接，在重量以及強(qiáng)度等多個(gè)技術(shù)指標(biāo)上有待得到更好的提升[2,3]。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，人們正在嘗試通過(guò)各種復(fù)合材料的構(gòu)建，來(lái)制造質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的新型機(jī)翼。

對(duì)于復(fù)合材料制備而言，較之傳統(tǒng)的成型工藝，3D 打印技術(shù)憑借其出色的優(yōu)點(diǎn)備受矚目。增材制造(3D 打印)技術(shù)是在現(xiàn)代CAD/CAM 技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)等的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來(lái)的[3]。美國(guó)3M 公司的Alan Hebert( 1978 年)、日本的小玉秀男(1980 年)、美國(guó)UVP 公司的Charles Hull( 1982 年)和日本的丸谷洋二( 1983年)四人各自獨(dú)立提出了這種概念。3D 打印技術(shù)所體現(xiàn)的設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變、結(jié)構(gòu)形式的集成化和功能化，給制造工藝帶來(lái)了新的亮點(diǎn)。3D 打印技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性。運(yùn)用3D打印技術(shù)，能夠制備傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法制備的特殊形狀材料與構(gòu)件，且能夠調(diào)控材料的使用含量以實(shí)現(xiàn)輕量化制造[4]。由于這些優(yōu)點(diǎn)，3D 打印在航空航天、醫(yī)療、信息化制造等領(lǐng)域得到了廣泛的重視和關(guān)注。

本文從構(gòu)建輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)翼的目標(biāo)出發(fā)，研究如何通過(guò)3D 打印技術(shù)制備滑翔機(jī)翼微模型，同時(shí)，還探索如何通過(guò)手糊成型方法實(shí)現(xiàn)碳纖維布與滑翔機(jī)翼微模型的復(fù)合，通過(guò)碳纖維的復(fù)合進(jìn)一步提高滑翔機(jī)翼微模型的力學(xué)性能。

1 滑翔機(jī)翼微模型的3D 打印制備及碳纖維布的復(fù)合

本文采用的3D 打印技術(shù)為熔融沉積成型技術(shù)(FDM)，以聚乳酸為打印原料，對(duì)已有的三維模型利用切片軟件進(jìn)行分層切片處理，得到G-CODE 文件并將滑翔機(jī)翼微模型的信息轉(zhuǎn)入3D 打印機(jī)，聚乳酸打印原料在打印臺(tái)上依據(jù)G-CODE 文件信息逐層堆疊累積(圖1 所示)，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體制造。本文中，聚乳酸滑翔機(jī)翼微模型命名為PLA。

圖1 滑翔機(jī)翼微模型的結(jié)構(gòu)及尺寸及3D 打印切片過(guò)程

為了實(shí)現(xiàn)碳纖維布與聚乳酸基滑翔機(jī)翼微模型進(jìn)行復(fù)合，本實(shí)驗(yàn)考慮了手糊成型、真空袋法成型以及樹脂傳遞成型。由于模型尺寸較小且實(shí)驗(yàn)人員操作水平有限，不能滿足樹脂傳遞成型與真空袋法成型的條件；同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)所需樣品數(shù)量不大，對(duì)于生產(chǎn)效率問(wèn)題也無(wú)需考慮，因此選擇了操作更為簡(jiǎn)單、成型不受制品尺寸限制的手糊成型工藝。實(shí)驗(yàn)所選用的樹脂為環(huán)氧樹脂，選用的碳纖維布為平紋碳纖維布。本文中，復(fù)合了碳纖維布的聚乳酸基滑翔機(jī)翼微模型聚命名為PLA-H-CFS。

PLA 與PLA-H-CFS 的實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 經(jīng)過(guò)碳纖維布復(fù)合后的滑翔機(jī)翼微模型

2 滑翔機(jī)翼微模型的力學(xué)性能分析

2.1 PLA 與PLA-H-CFS 的拉伸性能對(duì)比

對(duì)PLA 與PLA-H-CFS 進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示；依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線中可得到拉伸性能數(shù)據(jù)，如表1所示。

從圖3 和表1 可見，PLA-H-CFS 的拉伸性能顯著優(yōu)于PLA。PLA-H-CFS 樣條的拉伸強(qiáng)度約為PLA 的7 倍、最大力約為PLA 的10 倍，彈性模量約為PLA 的5 倍。這說(shuō)明通過(guò)手糊成型工藝，給PLA 滑翔機(jī)翼微模型復(fù)合碳纖維布，有效地增強(qiáng)了其拉伸性能。

表1 PLA、PLA-H-CFS 滑翔機(jī)翼微模型樣條拉伸性能

圖3 PLA 和PLA-H-CFS 滑翔機(jī)翼微模型樣條的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 PLA 與PLA-H-CFS 的彎曲性能對(duì)比

對(duì)PLA 與PLA-H-CFS 進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 所示；依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線中可得到拉伸性能數(shù)據(jù)，如表2所示。

圖4 PLA 和PLA-H-CFS滑翔機(jī)翼微模型樣條的彎曲性能曲線

從圖3 和表2 可見，PLA-H-CFS 的彎曲性能也是顯著優(yōu)于的PLA。PLA-H-CFS 樣條的彎曲強(qiáng)度約為PLA 的39 倍、最大力約為PLA 的38 倍，彎曲彈性模量約為PLA 的301 倍。這說(shuō)明碳纖維布的復(fù)合有效地增強(qiáng)了PLA 滑翔機(jī)翼微模型的彎曲性能。

表2 PLA、PLA-CF、PLA-H-CFS 滑翔機(jī)翼微模型樣條彎曲性能對(duì)比

2.3 PLA 與PLA-H-CFS 的沖擊性能對(duì)比

對(duì)PLA 與PLA-H-CFS 進(jìn)行沖擊性能測(cè)試，沖擊性能數(shù)據(jù)如表3 所示。從表3 可見，PLA-H-CFS 的沖擊強(qiáng)度約為PLA 的9.5 倍，說(shuō)明碳纖維布的復(fù)合也有利于增強(qiáng)PLA 滑翔機(jī)翼微模型的抗沖擊性能。

表3 沖擊強(qiáng)度能量

3 結(jié)論

本文采用聚乳酸作為原料，采用3D 打印技術(shù)制備了所設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)翼微模型。同時(shí)，本文還采用手糊成型的方法，實(shí)現(xiàn)碳纖維布與滑翔機(jī)翼微模型的復(fù)合。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，證明了利用碳纖維布與聚乳酸基滑翔機(jī)翼微模型的復(fù)合可有效增強(qiáng)機(jī)翼微模型的拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能。