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碳纤维无人机配件的一体化成型工艺分析

编辑:中山巾尚复合材料科技有限公司时间:2019-02-01

 近来,将碳纤维复合材料用于无人机零部件制造的相关技术已经取得了一定的进展,特别是将碳纤维管材用于机体的技术已经较为成熟和普遍,但是无人机壳体使用碳纤维复合材料一体化成型的相关技术还处于应用的起步阶段。


目前,翼身高度融合的飞翼式无人机需要结构上的大面积整体成型,碳纤维复合材料较大的设计空间和易于整体成型的特点恰恰能满足这种需求。下文以中山谨饬新材料科技有限公司为国内某无人机知名品牌提供的四轴式碳纤维无人机壳体为例,总结出碳纤维无人机配件的壳体一体化成型的性能优势,并对工艺过程中可能出现的问题及处理方法进行简单介绍。

 

一体化成型的碳纤维无人机配件壳体的性能优势:
从无人机的发展历程上看,无人机的续航能力一直受能源端发展的制约,现阶段只能在有限能源密度的前提下增加能源体积,获得更长的飞行航时。但是能源端体积重量的增加又会导致无人机的体积增加和飞行难度的加大。如果采用质量更轻的材料作为壳体,将有效减少机身重量,就能给能源端提供更多的空间,不仅能实现更快的速度和更高的爬行高度,还能大幅度地延长续航里程和使用寿命。


除了对轻质量的追求外,无人机对壳体材料的选择还主要着眼于材料本身的强度、韧性、耐候性等特性,能有效防止跌落等情况对机体的损伤,增强机体的抗冲击性能等等,也都是无人机对壳体材料的关键诉求。

 

以往的无人机制造材料多为铝合金,还有一定比例的钛合金、钢等,这些金属材料强度虽然高,但是重量大,比强度和比刚度都不够理想,导致无人机的有效载荷小,并容易反射雷达信号形成二次波段。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)突出的性能优势就是质量轻、强度高、耐腐蚀、热膨胀系数小、抗疲劳和抗震能力强,材料本身的电磁屏蔽效果好,可一体制作出不同的外形结构。


上述威盛新材为某无人机品牌商提供的碳纤维四轴无人机壳体,成品表面光滑,厚度均匀,对称性好。经测量,整个壳体重量比原铝合金壳体降低了25%,机体的轻量化充分满足了客户对机体长航时的特殊需求;碳纤维增强复合材料所展现出的比铝合金等金属更高的强度能有效对抗强大的飞行阻力,使机身更加坚固结实,提升了整机的抗冲击性能;在减少原金属材料对远程信号的干扰以及降震减噪方面也有明显的改善。另一方面,整体化成型技术通过减少零件和紧固件数量也对降低机体重量有积极作用,在降低装配成本和维护费用/节约成本和提高生产效率方面具有重要的意义。

 

一体化成型工艺存在的问题及对策:
一体化成型的碳纤维无人机配件壳体虽然具有种种优势,但是对实际的成型工艺来说也是不小的挑战。作为复合材料来说,用碳纤维复合材料制作无人机壳体时需要面对其不像金属构件那样容易得到精确的几何或构型尺寸。无锡威盛新材料科技有限公司根据多年的碳纤维无人机零部件的制造经验,对无人机壳体的一体化制作提出了适当分模、优化铺层、严格把控温度和压力等建议,以解决碳纤维复合材料壳体制造中容易出现的主要问题。


首先是模具,整体成型中所需的模具比较复杂,成本较高,因此需注意分体模、整体模及模具定位组合的合理设计。与此同时,威盛新材的技术人员强调,碳纤维复合材料结构的整体化程度需要适度,否则容易增加制造过程中的质量风险,造成后期维修的困难,反而不利于成本的降低。

 

其次,巾尚新材在对上述四轴无人机壳体铺层设计中发现,整层设计的预浸料层在结构突变的位置无法展开,其中纤维角度的变化也比较大,偏离了设计之初的铺层角度。简言之,就是在制造可行性分析表明纤维变形在可接受范围内才可以进行铺层展开。因此,对碳纤维复合材料分层数模进行工艺分析时,需对不同位置作为其起铺点的纤维角度变化进行分析,找出变形面积小的铺叠起始位置,再通过铺层拼接及开剪口技术找到能满足设计铺层角度公差的更优化操作方案。


再者,碳纤维无人机配件壳体在升温固化过程中要经历复杂的热-化学变化,温度、压力及保温时间等工艺参数的确定对壳体成型的结果以及质量有着直接的影响。模具的结构以及壳体各部位的厚度差别容易导致整体温度场均匀性不够好,因此,在固化工艺过程中,威盛新材提出在足够的经验基础上还需要多次的实验数据的调整,确立出更佳的工艺参数,以便严格控制树脂的流动性以及成型压力的大小。防止因树脂流动性太好造成的流胶过多和上面板贫胶,因成型压力过大或过小,造成的壳体分层、空隙、脱粘等缺陷的产生。