CN106184744B - 一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，翅翼支撑骨架为碳纤维，支撑骨架包括一根主翼梁和三根加强翼肋；翅翼面为Mylar薄膜。其制造步骤为：1.将纤维方向成一定角度的两块单向碳纤维预浸料叠放并用力压紧；2.通过激光切割方式在上述双层碳纤维预浸料上切割翅翼支撑骨架外形，在Mylar膜上切取翅翼面外形；3.在碳纤维预浸料表面均匀涂上环氧树脂高温胶；4.去除碳纤维预浸料支撑骨架周围多余碳纤维，将切好的Mylar膜放置于骨架上；5.将碳纤维骨架和Mylar膜置于烤箱并在翅翼上施加重压，在70℃下加热80分钟。基于此方法制备的仿生翅翼质量轻，强度高，本方法适合于制造厘米级至毫米级仿生昆虫翅翼。

Description

一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法

技术领域

本发明涉及一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制备过程中材料选择和加工处理方法，属于加工工程、材料加工技术领域。

背景技术

21世纪以来，随着微加工、材料、电子等学科领域的发展，基于仿生学原理，采用微机械电子系统工艺的仿昆虫微型扑翼飞行器(翼展小于5cm)逐渐成为研究的热点。发展昆虫尺度的微型扑翼飞行器，其中一项关键技术就是仿生翅翼的加工制造方法。由于仿生翅翼在工作中处于高频大幅值扑动状态，这要求仿生翅翼翅翼面和支撑骨架有足够高的强度；此外，为了提高气动效率，要求仿生翅翼的质量尽量轻，因此，这对仿生翅翼的选材和加工工艺提出了很高的要求。

根据仿生翅翼的结构形式，一般可以将仿生翅翼分为加强支撑骨架(包括主翼梁和翼肋)和翅翼面。其中，加强支撑骨架为仿生翅翼的主要承力部分和主要重量来源，需要较高的强度和较轻的质量；翅翼面依附于支撑骨架，在扑动中承受气动载荷，对强度要求稍低。

根据加强支撑骨架和翅翼面是否分开加工，目前现有的加工技术主要可以分为两种。第一种加工方式中，支撑骨架和翅翼作为一个整体加工，直接得到所需的仿生翅翼；第二种方式在加工中将支撑骨架和翅翼面分开加工，然后将两者通过粘接剂结合在一起。

对于第一种加工方式，由于支撑骨架和翅翼面同时加工成型，因而两者所选用的材料一样，目前可以通过3D打印或浇铸等方式得到，该方法的优点在于可以重现真实昆虫翅翼的翼肋分布规律(翼肋外形和粗细)；缺点在于支撑骨架与翅翼面一体制造，可选用的材料一般为塑料，若翅翼厚度较薄，则不满足强度要求，若翅翼较厚，则会造成质量较大，无法兼顾高强度和轻质量。此外，该方法工序较为复杂，对设备的要求较高。

对于第二种加工方式，由于支撑骨架和翅翼面分开加工成型，两者可根据自身要求独立选材。对于支撑骨架而言，往往要求强度高，质量轻，目前一般采用碳纤维材料；对于翅翼面，往往要求质量轻，平面度好，一般选用塑料薄膜(如Mylar膜，PET膜等)。对碳纤维和薄膜的切割，一般可采用激光或机械切割。该方法的优点在于可以充分发挥支撑骨架和翅翼面材料的特点，质量较轻。但该方法也存在一些问题，由于单向碳纤维预浸料纤维方向为单一方向，而主翼梁和翼肋一般成一定的角度，若纤维方向与主翼梁方向一致，主翼梁虽然可以得到加强，但翼肋方向仅靠树脂保持外形，这样造成仿生翅翼的支撑骨架局部强度很低，无法在高频大幅值扑动状态下工作。为了解决上述强度不足问题，目前一般将翼肋和主翼梁分开加工，主翼梁与翼肋方向均与纤维方向一致，然后将翼肋取下，以一定角度拼接在主翼梁上，这样虽然解决了翼肋强度不够的问题，但也会引入拼接的误差，不利于翅翼的外形设计；同时，拼接造成支撑骨架不在一个平面上，不利于在骨架上铺设薄膜；除此之外，拼接点的强度也需要额外考虑。另一方面，在激光加工中，由于激光能量较高，在切割过程中碳纤维预浸料表面的环氧树脂胶会部分固化，造成碳纤维支撑骨架与薄膜不能完全贴合，翅翼在拍动过程中翅翼面薄膜可能会脱离支撑骨架。

总的来说，现有仿生翅翼的加工方法，若采用整体加工方式，很难兼顾高强度与轻质量两方面；采用碳纤维和薄膜分开加工方式，虽然可以在一定程度上满足高强度和轻质量，但工艺上有很多细节存在缺陷，可靠性不佳，且不适用于复杂支撑骨架的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对现有仿生昆虫翅翼加工中存在的问题，提供一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，避免了支撑骨架翅翼面整体加工中高强度和轻质量不能兼顾的问题，解决了采用碳纤维和薄膜分开加工中局部强度低、需要拼接和贴合度不好的问题，适用于厘米级到毫米级仿生昆虫翅翼的制备。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，其制造步骤包括：

步骤(1)、将纤维方向成一定角度的两块单向碳纤维预浸料叠放并用力压紧，其中，一层碳纤维纤维方向为翼梁方向，另一层碳纤维方向为翼肋方向；

步骤(2)、设计翅翼支撑骨架外形和翅翼面外形，通过激光切割方式在上述双层碳纤维预浸料上切割翅翼支撑骨架外形，在Mylar膜上切取翅翼面外形；

步骤(3)、在碳纤维预浸料表面均匀涂上环氧树脂高温胶；

步骤(4)、去除碳纤维预浸料支撑骨架周围多余碳纤维，将切好的Mylar膜放置于骨架上，轻压定位；

步骤(5)、将碳纤维骨架和Mylar膜置于烤箱并在翅翼上施加重压，在70℃下加热80分钟，待冷却后支撑骨架与翅翼面薄膜粘接为一体，从而得到所设计的仿生昆虫翅翼。

更进一步的，所述的碳纤维为单向碳纤维预浸料，预浸料中纤维的含量比例为40-70％，单层碳纤维预浸料的厚度为20-100μm。

更进一步的，所述的双层碳纤维纤维方向以一定角度叠加，所成角度值大小为30-70°，根据翅翼主翼梁与翼肋的设计确定。

更进一步的，所述的双层碳纤维预浸料叠加方式，碳纤维层数不限于2层，叠加层数大于或等于2层。

更进一步的，所述的多层材料叠加方式，除第一层为碳纤维外，其余层不限于碳纤维材料，也可选用塑料薄膜或金属薄膜。

更进一步的，所述碳纤维预浸料在经过激光切割后，需在表面均匀涂抹一层环氧树脂胶，胶水厚度10-50μm。

更进一步的，所述翅翼面所用材料为塑料薄膜，选择Mylar膜，PET膜或PP膜，薄膜厚度为1μm-10μm。

更进一步的，所述碳纤维骨架与Mylar薄膜需在加压条件下进行热处理，温度为60-90℃，时间为80min-120min，加压1000-5000Pa。

通过理论计算和试验测试，当单层碳纤维的厚度为20-100μm，薄膜厚度为1-10μm，翅翼长度为10-20mm，翅翼宽度为5-14mm，加热时间为80min-120min，加热温度为60-80℃，外界压力为1000-5000Pa时，采用上述发明所述的制造方法所制备的仿生昆虫翅翼能同时获得轻质量和高强度的优点。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供了一种工序简单、制备周期短的轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，该方法结合计算机机械作图，适合多种拓扑形式的昆虫翅翼，可根据碳纤维厚度控制翅膀的刚柔性，适用性广；该方法采用激光切割碳纤维预浸料，无需复杂机械切割加工，大大提高工作效率，切割过程对碳纤维预浸料无机械作用力，保证了加工精度。

(2)本发明提出的仿生昆虫翅翼的制造方法选用碳纤维作为支撑骨架，选用Mylar薄膜作为翅翼面，充分发挥材料的性能优点。其中碳纤维强度高，质量轻，Mylar膜厚度小，平面性好；避免了翅翼支撑骨架和翅翼面整体加工中骨架与翅翼面材料一致，高强度和轻质量无法兼顾的问题。

(3)本发明提出的仿生昆虫翅翼的制造方法采用双层碳纤维成一定角度叠加的方式，主翼梁和翼肋方向均分布有加强碳纤维，无需单独切割主翼梁和翼肋再进行拼接操作，这样大大提高了工作效率和加工精度，适用于复杂翅翼支撑结构；由于没有拼接点，翅翼支撑骨架平面性好，结合激光切割后涂胶和增压加热操作，保证了支撑骨架与翅翼面薄膜的贴合度。

附图说明

图1为本发明实施例子的工艺流程图；

图2为本发明实施例子的碳纤维叠加与支撑骨架设计示意图；

图3为本发明实施例子的环氧树脂涂层示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提供基于一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制作方法的一个实施例子，该工艺流程包括：

1.将纤维方向成一定角度的两块单向碳纤维预浸料叠放并用力压紧，其中，一层碳纤维纤维方向为翼梁方向，另一层碳纤维方向为翼肋方向(本实施例子中，单层碳纤维预浸料厚度为30μm，预浸料中碳纤维的含量为48％，两层碳纤维预浸料纤维成60°夹角叠放压紧)；

2.采用机械制图，设计翅翼支撑骨架外形和翅翼面外形，通过激光切割方式在上述双层碳纤维预浸料上切割翅翼支撑骨架外形，在Mylar膜上切取翅翼面外形(本实施例子中，翅翼骨架包括主翼梁一根，翼肋3根，主翼梁宽度为0.5mm，翼肋宽度为0.24mm，主翼梁与翼肋方向成60°夹角；翅翼面选用Mylar薄膜，薄膜厚度为2.5μm，翅翼设计长度为15mm，宽度为7mm)；

3.在经过切割的碳纤维预浸料表面均匀涂上环氧树脂高温胶(本实施例子中，环氧树脂高温胶的成分配比为3:1，常温初步固化时间为25min)；

4.去除碳纤维预浸料支撑骨架周围多余碳纤维，将切好的Mylar膜放置于支撑骨架上，轻压定位(本实施例子中，支撑骨架周围多余碳纤维用镊子剔除)；

5.将碳纤维骨架和Mylar膜置于烤箱并在翅翼上施加重压，在70℃下加热80分钟，待冷却后支撑骨架与翅翼面薄膜粘接为一体，从而得到所设计的仿生昆虫翅翼(本实施例子中，加热温度设为70℃，加热时间设为80min，支撑骨架与薄膜上施加重物，折算后重物施加的压力为2000Pa)。

本发明的一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，基于碳纤维单向加强和环氧树脂在高温下硬化的原理，具体原理阐述如下：单向碳纤维预浸料为环氧树脂与碳纤维丝的结合体，其中，环氧树脂为基体，碳纤维丝为加强材料。在常温下，碳纤维预浸料质地较软，由于碳纤维预浸料两面均有环氧树脂胶，因此可以将两层碳纤维预浸料成角度叠放并压紧，在环氧树脂胶的粘合下，两层碳纤维会紧紧贴靠在一起。当通过激光切割方式在碳纤维预浸料上切割支撑骨架时，由于激光束能量较高，会在切口附近形成局部高温，碳纤维预浸料表面的环氧树脂会部分硬化，不利于下一步与翅翼面薄膜贴合，为了解决这一问题，需要在切割后，在预浸料表面增涂一层环氧树脂胶，以确保下一步与翅翼面薄膜的贴合。待支撑骨架与翅翼面薄膜贴合后，将其置于高温高压条件下，环氧树脂胶全部固化，薄膜与支撑骨架紧紧粘接在一起，这样即可得到轻质高强度的仿生昆虫翅翼。

图2为图1所示实施例子碳纤维预浸料叠放与支撑骨架设计示意图。其中，a为环氧树脂层，b为碳纤维层，c为支撑骨架中主翼梁，d为支撑骨架中加强翼肋。两层碳纤维预浸料纤维方向如箭头所示，两者成60°夹角，主翼梁与翼肋同样成60°夹角。

图3为图1所示实施例子的环氧树脂涂层示意图。其中，e为新增环氧树脂图层，待碳纤维预浸料经激光切割之后，预浸料表面部分原环氧树脂已经固化，因而需要增涂一层新的环氧树脂，增涂之后通过镊子去除支撑骨架周围多余的碳纤维结构，释放支撑骨架。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、将纤维方向成一定角度的两块单向碳纤维预浸料叠放并用力压紧，形成双层碳纤维预浸料，其中，一层碳纤维纤维方向为翼梁方向，另一层碳纤维方向为翼肋方向；

步骤(2)、设计翅翼支撑骨架外形和翅翼面外形，通过激光切割方式在双层碳纤维预浸料上切割翅翼支撑骨架外形，在Mylar膜上切取翅翼面外形；

步骤(3)、在碳纤维预浸料表面均匀涂上环氧树脂高温胶；

步骤(4)、去除碳纤维预浸料支撑骨架周围多余碳纤维，将切好的Mylar膜放置于骨架上，轻压定位；

步骤(5)、将碳纤维骨架和Mylar膜置于烤箱并在翅翼上施加重压，在70℃下加热80分钟，待冷却后支撑骨架与翅翼面薄膜粘接为一体，从而得到所设计的仿生昆虫翅翼。

2.根据权利要求1所述的轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，其特征在于：所述的碳纤维为单向碳纤维预浸料，预浸料中纤维的含量比例为40-70％，单层碳纤维预浸料的厚度为20-100μm。

3.根据权利要求1所述的轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，其特征在于：所述的双层碳纤维纤维方向以一定角度叠加，所成角度值大小为30-70°，根据翅翼主翼梁与翼肋的设计确定。

4.根据权利要求1所述的轻质高强度仿生昆虫翅翼的制造方法，其特征在于：所述碳纤维预浸料在经过激光切割后，需在表面均匀涂抹一层环氧树脂胶，胶水厚度10-50μm。