及鈦合金在無人機中的應用

     無人機又稱為無人駕駛飛行器。近年來，由于其在軍事應用和消費應用方面的巨大潛力，關注度逐漸增高。據報道，目前有超過1，000萬架無人機在飛行，范圍從愛好者級別到價值百萬美元的的軍事工具。    無人機的分類標準有很多�？梢源笾聦⑵浞譃閮纱箢�:一類用于軍事目的，例如，通過無人機遠程高空監視提供戰略信息，例如，由諾斯羅普·格魯曼公司研制的全球鷹（圖2)。另一個是民用和消費用途，涵蓋比較廣，包括圖像和景觀勘探、道路監視、搜索和救援、農業、貨物遞送和警務（圖3)。圖二 各類型的無人機      無人機正在成為一項重要的全球業務。據報道，民用和消費型無人機每年的銷量大約50萬架，而無人機的總銷量預計很快將達到7，000萬架。2018年，消費型無人機的總市場規模約為20億美元，近20％的復合年增長率（CAGR)是意料中的事。圖三 商業無人機的用途    一架典型的中型無人機由以下基本部件組成:主體、電源和螺旋槳、導航和定位系統、攝像系統、傳感系統、有效載荷系統和數據處理系統。要讓無人機飛行，還需要額外的系統和部件，即無人機的駕駛員和地面系統。無人機和地面控制系統之間不斷交換數據流。     大量的研究顯示，無人機中鈦及鈦合金零部件多采用傳統加工方式包括鑄造、鍛造、機加工等形式，應用典型案例如圖4和表1所示。（1)Niono無人機中，作為支撐螺旋槳的框架結構材料，框架結構的長從149mm到257mm不等，每件使用57-120g鈦合金。（2)PHANTOM 4 Prof無人機中作為外殼材料。（3) 螺絲等配件及配件采用Ti-3Al-5Mo-4.5V合金（TC16)。（4)作為無人機上激光測距儀微掃描鏡（微機電系統)裝置的基材（圖4)。圖四  鈦及鈦合金在無人機上的應用
圖五 （A）圖片為監測森林火災的無人機 主體框架和機翼采用3D打印鈦合金制成（B）框架結構放大圖      主流3D打印技術之一電子束熔化（EBM)已被用于制造一架中型無人機的機身框架結構和翼型，材料使用Ti-6Al-4V鈦合金，詳見圖5和表1。該部件由澳大利亞CSIRO scope公司與墨爾本大學的學生聯合生產，用于制造叢林滅火無人機。由于AM的快速原型制作能力，無人機的部分在2天內打印出來，在生產周期方面大大降低。    從各方面了解來看，EBM和其他AM技術，如選擇性激光熔煉（SLM)，與傳統的加工方法相比具有以下優點，因此正成為鈦及鈦合金日益重要的加工技術:    如圖5所示的例子展示了增材制造可以制造復雜幾何形狀和最優功能部件的能力，這保證了大多數部件可以通過增材制造技術達到人們滿意的程度。    近凈成形的能力和相關的BTF比 ，即Buy-to-fly ratio，指的是制造一個零件所需原材料量與最終零件中所含有材料量的比率。提升該比率對于節省昂貴的鈦和鈦原料非常有利。    無模工藝和短的交貨周期，消除了模具制造成本，并提供快速反應的商業機會和研究需求。可以在實際打印前，通過數據化不斷優化和設計，減少節點�？梢约庸�幾乎所有類型的鈦合金，這意味著只要能找到最適合的鈦合金來滿足不同的需求，增材制造就可以制造所需零件。能夠滿足客戶定制和個性化的要求，因為幾乎所有的處理程序是通過計算機設計和自動實現。    但增材制造也存在一些缺陷：    原材料（粉末），機器設備，專業人員的成本較高;在處理原材料（粉末）方面存在安全隱患;相對較低的處理速率，比如說，目前大多數SLM的打印速度較低，對應鋼的打印速度只有250g/h。