CN113665123A - 一种用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，涉及免模具成型工艺技术领域，步骤如下：S101.通过数字建模技术构建无人飞行器部件的电子模型；S102.针对基材将电子模型进行力学仿真预计算，优化根据计算结果优化电子模型的结构设计，得到优化后的电子模型；S103.通过切片软件对优化后的电子模型进行切片，导入3D打印机，进行打印，制得打印好的基材结构；S104.将打印好的基材结构进行打磨、抛光，制得打磨剖光后的基材结构；S105.在打磨后的基材结构的表面进行增强材料的铺层，增强材料固化后进行喷漆、抛光，制得所述的无人飞行器部件。本发明提供的工艺解决了无人机飞行器复合材料部件模具制造难度大，周期长，成本高的问题。

Description

一种用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺
技术领域
本发明涉及免模具成型工艺技术领域，具体涉及一种用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺。
背景技术
无人飞行器对减重有特殊的需求，只有将结构质量系数控制在30％以下才能，留有足够的质量空间给燃油、有效载荷。
增材制造又叫3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉、丝、块等形状的金属或塑料，并辅以黏合材料或热源，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。美国大到捕食者，小到微星无人机都有增材打印技术的参与。
发泡PLA(聚乳酸)具有密度低，重量轻，比冲击强度与比弯曲强度相对较高，韧性好的优点。复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和阻尼性强以及结构与材料的可设计性强、易于整体成型等特点。因此在无人机上大量使用复合材料是必然选择，复合材料应用于无人机结构可以减重20％～30％。
目前，无论是各种大中型无人机还是微型无人机，复合材料用量一般占机体结构总重的60％～80％，应用比例明显超过有人飞机，甚至出现很多全复合材料无人机(复合材料用量达到90％以上)，比如美国通用原子公司制造的中空飞行续航时间长的多用途无人机“捕食者”，除机身主梁外，“捕食者”无人机结构几乎全部采用复合材料，包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维复合材料以及蜂窝、泡沫、轻木等夹层结构，用量约为结构总重的92％。
现有的无人机使用的复合材料成型技术主要有手糊成型、缠绕成型、树脂传递模塑工艺(RTM)、预浸料热压罐工艺等。这些工艺各自具有其优点，但均有一个共同的明显缺点，即都需要依托模具来成型。由于航空部件往往外形复杂，模具的成型本身难度就比较大，一般采用玻璃钢模具或者金属模具。金属模具寿命较长，需要CNC加工，大型模具的开模成本极高，受限于加工设备更大尺寸的模具还需分段加工。玻璃钢模具一般要在木模或者石膏模的基础上进行多遍翻制，才能达到批量生产的表面精度，生产周期较长，复杂外形的开模难度较大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺。本发明提供的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺通过增材制造技术直接将基材发泡PLA进行直接成型制得具有结构的基底，实现复合材料免模具成型工艺，解决了无人机飞行器复合材料部件模具制造难度大，周期长，成本高的问题。
所述的免模具成型工艺，步骤如下：S101.通过数字建模技术构建无人飞行器部件的电子模型；S102.针对基材将电子模型进行力学仿真预计算，优化根据计算结果优化电子模型的结构设计，得到优化后的电子模型；S103.通过切片软件对优化后的电子模型进行切片，导入3D打印机，进行打印，制得打印好的基材结构；S104.将打印好的基材结构进行打磨、抛光，制得打磨抛光后的基材结构；S105.在打磨后的基材结构的表面进行增强材料的铺层，增强材料固化后进行喷漆、抛光，制得所述的无人飞行器部件。
优选地，步骤S102中，所述的基材为发泡PLA。
优选地，步骤S102中，所述的进行进行力学仿真预计算为采用CAE技术将电子模型针对基材进行力学仿真预计算。
优选地，步骤S103中，所述的3D打印机为皮带式3D打印机。
优选地，步骤S104中，所述的打磨为用80、160、220、400、600、800、1000目砂纸逐步依次打磨；所述的抛光为采用羊毛轮和抛光剂抛光；所述的抛光剂为1#、3#抛光膏或抛光水。
优选地，步骤S104中，所述的打磨抛光后的基材结构的表面粗糙度＜10μm。
优选地，步骤S105中，所述的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维中的一种。
优选地，步骤S105中，所述的铺层的步骤如下：S201.将环氧树脂和固化剂混合，制得混合物A；S202.在打磨后的基材结构表面涂刷一层混合物A，混合物A不流动后在其上铺设一层玻璃纤维布，再在玻璃纤维布上涂刷一层混合物A，至混合物A不流动后在其上再刷一层混合物A，再在其上铺设一层脱模布和一层透气毡，然后将复合材料部件放入真空袋中，通过气泵抽气使袋中气压降低至0.2bar，至完全固化即铺层完毕。
进一步优选地，步骤S201中，所述的环氧树脂与固化剂的重量份数比为3：1；所述的固化剂为改性脂肪族胺类室温固化剂。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明提供的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺采用3D打印对发泡PLA材料直接成型制得基材结构，用基材结构与增强材料复合，制得的无人飞行器部件结构重量轻，比强度比刚度高。
(2)本发明提供的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺无论模型复杂程度如何，都无需制作模具，生产工艺大大简化，生产周期缩短，成本降低，适合各类无人机飞行器部件的生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为实施例的电子模型图；
图2为实施例的力学仿真预计算图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
一种用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，
所述的免模具成型工艺，步骤如下：
S101.通过数字建模技术构件部件的电子模型，如图1所示；
电子模型为双梁式机翼，蒙皮厚度1mm，每根梁为两根1mm单量间距3mm形成的盒式梁。
S102.针对基材将电子模型进行力学仿真预计算，优化根据计算结果优化电子模型的结构设计，得到优化后的电子模型；
其中，经过力学仿真预计算，双梁式机翼的结构在2.4KG加载下满足强度要求，结果见图2。
S103.通过切片软件对优化后的电子模型进行切片，导入3D打印机，进行打印，制得打印好的基材结构；
具体步骤：通过切片软件对优化后的电子模型进行切片，采用皮带式3D打印机，对双梁式机翼模型进行整体打印，打印温度250℃，层高0.3mm，打印速度70mm/s，经过18小时完成打印，模型长1120mm，总重245.9g，在极限承载3.4kg下发生断裂。
S104.将打印好的基材结构进行打磨、抛光，制得打磨剖光后的基材结构；
具体步骤：用80、160、220、400、600、800、1000目砂纸逐步打磨模型表面，然后使用羊毛轮和抛光剂抛光，使基底表面表面必须平整、光滑、无裂纹及针孔等缺陷，表面粗糙度＜10μm，可适当使用封孔剂填补大的孔隙。
其中，抛光剂为3#抛光膏。
S105.在打磨后的基材结构的表面进行增强材料的铺层，增强材料固化后进行喷漆、抛光，制得所述的部件。
将环氧树脂与固化剂按照重量份数比3：1的比例进行混合，制得混合物A，在基材结构表面涂刷一层，待其达到B状态，即不流动，微粘手时，铺设一层0.05mm玻璃纤维布，纤维方向与梁同向，然后在玻纤布上刷混合物A，使混合物A浸透玻纤布即可，但不产生气泡。等待该层混合物A到B状态时再刷一层，再在其上铺设一层脱模布和一层透气毡，然后将复合材料部件放入真空袋中，通过气泵抽气使袋中气压降低至0.2bar，最后等待混合物A完全固化，对复合材料部件表面进行打磨抛光，制得无人飞行器部件。
其中，固化剂为YT-CC302Q固化剂。
经试验，无人飞行器部件的增重80g，极限承载提高到6.2kg。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：所述的免模具成型工艺，步骤如下：S101.通过数字建模技术构建无人飞行器部件的电子模型；S102.针对基材将电子模型进行力学仿真预计算，优化根据计算结果优化电子模型的结构设计，得到优化后的电子模型；S103.通过切片软件对优化后的电子模型进行切片，导入3D打印机，进行打印，制得打印好的基材结构；S104.将打印好的基材结构进行打磨、抛光，制得打磨抛光后的基材结构；S105.在打磨后的基材结构的表面进行增强材料的铺层，增强材料固化后进行喷漆、抛光，制得所述的无人飞行器部件。
2.根据权利要求1所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S102中，所述的基材为发泡PLA。
3.根据权利要求1所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S102中，所述的进行进行力学仿真预计算为采用CAE技术将电子模型针对基材进行力学仿真预计算。
4.根据权利要求1所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S103中，所述的3D打印机为皮带式3D打印机。
5.根据权利要求1所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S104中，所述的打磨为用80、160、220、400、600、800、1000目砂纸逐步依次打磨；所述的抛光为采用羊毛轮和抛光剂抛光；所述的抛光剂为1#、3#抛光膏或抛光水。
6.根据权利要求1所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S104中，所述的打磨抛光后的基材结构的表面粗糙度＜10μm。
7.根据权利要求1所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S105中，所述的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维中的一种。
8.根据权利要求1所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S105中，所述的铺层的步骤如下：S201.将环氧树脂和固化剂混合，制得混合物A；S202.在打磨后的基材结构表面涂刷一层混合物A，混合物A不流动后在其上铺设一层玻璃纤维布，再在玻璃纤维布上涂刷一层混合物A，至混合物A不流动后在其上再刷一层混合物A，再在其上铺设一层脱模布和一层透气毡，然后将复合材料部件放入真空袋中，通过气泵抽气使袋中气压降低至0.2bar，至完全固化即铺层完毕。
9.根据权利要求8所述的用于制备无人飞行器部件的免模具成型工艺，其特征在于：步骤S201中，所述的环氧树脂与固化剂的重量份数比为3：1；所述的固化剂为改性脂肪族胺类室温固化剂。
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