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成本更低、飞行效率更高！研究人员用4D复合材料打印技术改进无人机机翼

军工资源网 2022年06月02日

2022年5月26日，来自康涅狄格（Concordia University）大学的研究人员提出了一种能够使无人驾驶飞行器（UAVs）和无人机的机翼制造成本更低、飞行效率更高新的新型4D复合材料打印方法。随着无人机在航空领域变得越来越被重视，该行业正面临着降低开支同时提高性能效率的双重压力。为此，Concordia大学团队发表了一篇新论文，概述了能够实现这些目标的实验性4D复合材料打印技术。对此，Concordia大学复合材料中心主任Suong Hoa表示："我们的研究结果显示，使用这种机翼的无人机可以为小型或中型车辆提供良好的负载。"

4D复合材料打印的无人机机翼

3D打印无人机

虽然无人机是一个相对较新的市场，但它在航空界是处于一个不断上升的位置。在过去的几年里，增材制造已经被用于设计和生产无人机的优化组件，而且成本较低。例如，金属3D打印机开发商Titomic在2018年与TAOV签署了生产无人机士兵系统和传感器协议，紧接着在第二年年就通过其Titomic Kinetic Fusion（TKF）技术开发了号称尺寸最大的3D打印钛合金无人机。紧随其后，金属3D打印机开发项目Aeroswift成功地3D打印了一个大尺寸的钛合金无人机机身，而Kongu工程学院的工程师们则以增材方式制造了一个微型蓝牙控制的无人机，能够在秘密军事行动中躲避追捕。

最近，射频产品开发商Optisys公布了新一代用于高空无人机的3D打印轻型部件，包括可用于太空的天线和雷达部件。3月，Hypersonix发射系统公司被澳大利亚政府授予295万美元，用于资助开发使用3D打印技术的氢动力无人机。

Titomic的钛合金无人驾驶飞行器（UAV）。图片来自Titomic。

更便宜、更高效的无人机

随着航空业面临越来越大的压力和审查，以减少其飞行器对环境的影响，研究人员正在不断寻找降低成本的方法，同时提高部件效率。Concordia团队的研究论文重点关注一种使无人机机翼的制造成本更低、飞行效率更高的方法。特别是，该团队探索了一种制造无人机自适应顺应性后缘（ACTE）变形机翼的新方法，取代了常用的连接在主翼体上的铰链式翼片。研究团队利用了由Hoa开创的4D复合打印技术。4D打印指的是当一个3D打印物体在水或热等刺激下将自身转化为另一种结构。最初的3D打印发生在一个平面上，然后暴露在刺激下，引起反应并改变表面形状。

SuongHoa，Concordia复合材料中心主任。照片来自Concordia大学。

Hoa的复合材料4D打印技术依靠的是由树脂固定一层厚度仅为10微米的长而细的曲线组合。4D打印机将树脂以90度角打印成超薄层，然后压实并在180℃的烤箱中固化。然后，这些结构被冷却到0˚C，产生一个坚硬但不脆的物体。

这种打印技术使研究人员能够创造出一段具有均匀曲率的材料，夹在翼片的上下表面之间。因此，该材料既灵活又坚固，足以支持机翼为实现最佳飞行机动性而需要的20度变形。由此产生的ACTE变形机翼是由平坦的上下表皮和4D复合材料打印的波纹芯组成的。据报道，该机翼有能力改善空气动力特性和气流分离特性，最终导致燃油效率的提高。Hoa说："我们的想法是拥有一个能在飞行过程中轻松改变其形状的机翼，这与固定翼飞机相比将是一个巨大的好处。

虽然这篇论文提出了一个令人信服的案例，可以大大改善无人机和无人机的机翼，但Hoa也看到了4D复合材料打印技术的在其他方向的应用前景，因为它能够更方便地实现运输。目前，研究人员正在进行进一步的工作，以完善机翼的分析、设计、制造和测试。关于这项研究的更多信息可以在《复合材料结构》杂志上发表的题为："利用复合材料4D打印的波纹芯为无人驾驶飞行器开发一种新的柔性机翼概念/Development ofa new flexible wing concept for Unmanned Aerial Vehicle using corrugated coremade by 4D printing of composites"的论文中找到。该研究的共同作者是S.Hoa, M. Abdali, A. Jasmin, D. Radeschi, V. Prats, H. Faour, and B. Kobaissi。

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