美借助3D打印实现十年前的先进仿生结构制造
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近期，美国马里兰大学采用3D打印设计和开发了一种鱼骨仿生结构可变弯度机翼，该机翼由鱼骨状内部骨架和柔性蒙皮构成，可实现连续光滑变形，因其创新性获得了美航空航天杂志的报道。本期，3D打印技术参考将对该应用进行介绍。
▎诞生于十年前的先进设计
这种“鱼骨主动变弯结构”最早由马里兰大学航空航天工程系主任诺曼·韦利的博士生于十年前提出，它可以实现机翼弯度变化，不需要整流罩即可获得所需的机翼表面形状。
鱼骨主动变弯结构设计
研究团队还设计了可用于变形机翼的柔性蒙皮，内部使用硬塑料制成的肋与软塑料制成的几何网格点相连接，形成被弹性体覆盖的柔性蜂窝结构。这种柔性蜂窝蒙皮泊松比为零，即在一个方向上拉伸或压缩时，另一个方向没有任何尺寸变化。
▎因过于复杂而无法制造
然而，由于蒙皮内部几何子结构过于复杂、试验样件制造困难、成本高昂等问题，该鱼骨仿生结构在变弯度机翼上的试验验证工作一直未能实现。
3D打印技术的出现和快速进步，彻底解决了模型制造的问题。韦利团队利用3D打印方法将FishBAC骨架、蒙皮内部的蜂窝状子结构、抗撕裂层和蒙皮表面整体打印出来。这一方面解决了复杂结构制造困难的问题，另一方面还可以将模型制作得很小。该鱼骨仿生结构变弯度机翼，从翼根到翼尖只有42厘米，但是结构细节却非常完整，缩小尺寸降低了成本和打印时间。
3D打印的仿生结构风洞机翼模型
研究团队对3D打印原理样机还进行了风洞试验，试验中风速达到每秒24米，原理样机实现了预期的变形，同时结构没有发生颤振，试验证明了将鱼骨仿生结构用于变弯度机翼的可行性。
风洞测试装置
▎仿生结构变弯度机翼的优点和未来发展
传统飞机机翼弯度变化主要通过副翼和襟翼的收放来实现，这会带来两个问题：一是控制面与翼盒之间的缝隙会增加阻力，二是这些控制面都是刚性的，机翼弯度不能实现连续精确变化。而鱼骨仿生结构变形机翼与传统机翼相比，具有很多优点。
一方面，这种仿生结构可以提高飞机控制系统权限，由其制造的机翼90%的结构可变形，为飞机控制系统提供了更多权限。对于小展弦比机翼，优势更加明显。二是改善飞机气动性能，机翼结果在变形过程中表面光滑连续，减少气流中断，从而获得更高的气动效率。
未来，这种机翼模型完成所有地面试验之后，将率先在小型无人飞机上进行飞行试验。
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中国商飞下属北京民用飞机技术研究中心在灵雀H验证机的开发过程中大量采用3D打印技术。
灵雀H验证机的机头、发动机短舱、起落架舱等部位大量运用复合材料3D打印。这些部件都有复杂的外部曲面，内部有大量的系统结构，非常复杂且难加工。采用传统的玻璃纤维复合材料，需要制造模具，成本高、周期长。而且零件有可能变形过大，造成超差，装配困难。采用3D打印工艺，可以一次成型整个部段，无需开模，成本低、周期短，无需装配，还减轻了结构重量。
灵雀H验证机
项目团队在充分认识了3D打印技术的特点和局限性之后，在满足结构功能、性能、重量等的基础上，开展了飞机系统部件的集成化和轻量化设计。
灵雀H整体打印的活动结构
最终，复合材料和3D打印技术的使用显著降低了飞机结构重量和部件数量，飞机总重不足30公斤；与此同时，3D打印也大大加速了设计迭代的进程，使项目从立项到首飞，仅用了5个月时间。
除北研中心外，中国商飞公司上海飞机设计研究院在此前曾采用3D打印技术为ARJ21、C919和CR929三大型号制作了千余件模型，成型率100%，有力地支撑了各型号设计优化、工程评估和试验验证等工作。同时，也为型号研制节省了大量外协时间和近百万的外协经费。
注：本文部分内容由航空工业发展中心宋刚编译。
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