滑翔機翼微模型的“自下而上”增材制造、碳纖維增強及力學性能研究

黃子林 馬 聰 葛紀雨 馬昕旖 葉子情 王雨霏 陳府勤 張文妍＊

（金陵科技學院材料工程學院，江蘇 南京 211169）

機翼是各種固定翼航空器最重要的氣動部件，機翼的發(fā)展涉及空氣動力學、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料以及加工制造等多個方面[1]。自飛機誕生以后，機翼的設(shè)計、試驗和改進一直是航空領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計一直是工程設(shè)計師們追求的目標?，F(xiàn)如今，機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)役飛機的機翼大多使用硬鋁材料通過構(gòu)件鉚接以及焊接等方式完成有效的拼接，在重量以及強度等多個技術(shù)指標上有待得到更好的提升[2,3]。為了實現(xiàn)這個目標，人們正在嘗試通過各種復合材料的構(gòu)建，來制造質(zhì)量更輕、強度更高的新型機翼。

對于復合材料制備而言，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)、計算機數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)等的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的[3]。美國3M 公司的Alan Hebert( 1978 年)、日本的小玉秀男(1980 年)、美國UVP 公司的Charles Hull( 1982 年)和日本的丸谷洋二( 1983年)四人各自獨立提出了這種概念。3D 打印技術(shù)所體現(xiàn)的設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變、結(jié)構(gòu)形式的集成化和功能化，給制造工藝帶來了新的亮點。3D 打印技術(shù)的突出優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性。運用3D打印技術(shù)，能夠制備傳統(tǒng)技術(shù)無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現(xiàn)輕量化制造[4]。由于這些優(yōu)點，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)高強復合材料機翼的目標出發(fā)，研究如何通過3D 打印技術(shù)制備滑翔機翼微模型，同時，還探索如何通過手糊成型方法實現(xiàn)碳纖維布與滑翔機翼微模型的復合，通過碳纖維的復合進一步提高滑翔機翼微模型的力學性能。

1 滑翔機翼微模型的3D 打印制備及碳纖維布的復合

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，對已有的三維模型利用切片軟件進行分層切片處理，得到G-CODE 文件并將滑翔機翼微模型的信息轉(zhuǎn)入3D 打印機，聚乳酸打印原料在打印臺上依據(jù)G-CODE 文件信息逐層堆疊累積(圖1 所示)，實現(xiàn)三維實體制造。本文中，聚乳酸滑翔機翼微模型命名為PLA。

圖1 滑翔機翼微模型的結(jié)構(gòu)及尺寸及3D 打印切片過程

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

PLA 與PLA-H-CFS 的實物圖如圖2 所示。

圖2 經(jīng)過碳纖維布復合后的滑翔機翼微模型

2 滑翔機翼微模型的力學性能分析

2.1 PLA 與PLA-H-CFS 的拉伸性能對比

對PLA 與PLA-H-CFS 進行拉伸性能測試，應力應變曲線如圖3 所示；依據(jù)應力應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。這說明通過手糊成型工藝，給PLA 滑翔機翼微模型復合碳纖維布，有效地增強了其拉伸性能。

表1 PLA、PLA-H-CFS 滑翔機翼微模型樣條拉伸性能

圖3 PLA 和PLA-H-CFS 滑翔機翼微模型樣條的應力-應變曲線

2.2 PLA 與PLA-H-CFS 的彎曲性能對比

對PLA 與PLA-H-CFS 進行彎曲性能測試，應力應變曲線如圖4 所示；依據(jù)應力應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。這說明碳纖維布的復合有效地增強了PLA 滑翔機翼微模型的彎曲性能。

表2 PLA、PLA-CF、PLA-H-CFS 滑翔機翼微模型樣條彎曲性能對比

2.3 PLA 與PLA-H-CFS 的沖擊性能對比

對PLA 與PLA-H-CFS 進行沖擊性能測試，沖擊性能數(shù)據(jù)如表3 所示。從表3 可見，PLA-H-CFS 的沖擊強度約為PLA 的9.5 倍，說明碳纖維布的復合也有利于增強PLA 滑翔機翼微模型的抗沖擊性能。

表3 沖擊強度能量

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)計的滑翔機翼微模型。同時，本文還采用手糊成型的方法，實現(xiàn)碳纖維布與滑翔機翼微模型的復合。通過力學性能測試，證明了利用碳纖維布與聚乳酸基滑翔機翼微模型的復合可有效增強機翼微模型的拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能。