新型连续纤维3D打印技术将军用无人机结构转化为电力通路

近日，美国连续复合材料（ContinuousComposites）公司已获得美国海军第二阶段小型企业创新研究（SBIR）合同，将开发一种新型无人机制造方法。该公司将研发能够通过嵌入其结构内部的导体传输电力的复合材料飞机部件。这项工作有望减少目前无人机所需的布线和连接器数量。此外，它还将结构部件转化为飞机电气系统的组成部分。

连续复合材料公司将采用其CF3D工艺进行该项目。这项制造技术在3D打印过程中沉积连续增强材料，可显著降低成本、减轻重量并缩短交付周期，同时为复杂的结构解决方案开辟新的途径。其独特的低成本、拓扑优化结构制造能力与低成本消耗型飞机技术/平台契合。这种方法使工程师能够更好地控制材料在最终复合材料部件中的分布，它还为在制造过程中集成电气功能创造了机会。

导体成为结构元件

这项由美国海军资助的研究工作建立在第一阶段完成的演示基础上。工程师们制造了玻璃纤维增强面板，并将导电元件直接打印到复合材料中。

这些测试包括铜线和光纤元件。机械测试检验了添加的材料是否会削弱最终结构。结果表明，对结构性能的影响微乎其微。电气测试也验证了多功能复合材料部件的基本概念。

第二阶段将推进该理念，使其朝着更高容量的电气通路发展。工程师们将研究如何将这些通路集成到必须承受运行载荷的部件中。材料放置在此阶段将变得尤为重要。导体需要实现电气隔离，同时又不能在复合材料内部造成薄弱点。

研究团队将在试样和亚尺寸结构层面测试制造工艺。这些实验将揭示工程师能够将多少电气功能集成到承重部件中。更简化的无人机架构在2021年，美国空军就曾授予连续复合材料公司一份集成翼梁和翼肋结构制造成一个一体化的机翼框架的合同，该项工作目的也是简化无人机的生产和维护。相关的潜在收益远不止于减少几根电线，飞机设计师在紧凑型无人机结构内部布置电气系统时将拥有更大的自由度。

传统的布线方式需要专用的线路、连接器和连接点。这些组件会增加复杂性，并产生额外的维护区域。集成式方法可以将结构和电气功能整合到同一组件中。这有助于简化未来无人机的内部架构。

现场维护也将受益。损坏的组件可以在不干扰机身内部独立布线组件的情况下进行更换。这对于在维修时间和可靠性会直接影响任务可用性的环境中运行的军用无人机至关重要。更少的裸露连接还可以降低维护过程中发生电气损坏的风险。

连续复合材料公司首席执行官史蒂夫·斯塔纳表示，该项目使公司业务不再局限于打印结构部件。现在的重点是将实用功能直接集成到这些结构中。

全面演示即将到来

第二阶段项目将持续30个月。在此期间，工程师将专注于材料、制造验证和嵌入式导体集成。研究阶段结束后，可以选择延长一年。该阶段可用于支持使用功能部件进行系统级演示。

这样的演示将对制造理念能否超越实验室规模的结构进行重要检验。长期目标是使这项技术更接近于无人机的作战应用。

美国海军的这项举措符合美国军方降低军事平台复杂性的更多努力的要求。多功能复合材料或许能够提供一种实现这一目标的方法，而无须将每项飞机功能都视为一个独立的子系统。