3D打印技術在無人機生產制造中的應用

文/褚威 李欣 牛思源 王立東 程高峰

（中國酒泉衛星發射中心 甘肅省酒泉市 732750）

1 前言

隨著無人機產業和技術的快速發展，當前，無人機已經在軍用和民用領域得到廣泛應用，但從目前市場統計情況來看，無人機的生產成本還比較高、生產周期較長，并且受傳統制造工藝的限制較大。3D打印技術與傳統工藝相比，具備可定制、成本低、周期短、無廢料、復雜加工、精確復制等優勢，給無人機生產制造提供了新的解決思路，隨著智能制造技術的發展，3D打印技術在無人機生產制造中的優勢會越來越明顯。本文對3D打印無人機的優勢和難點問題進行了分析與梳理，針對難點問題提出了3D打印無人機的解決思路，并結合打印小型三角翼無人機的應用案例對3D打印無人機的工作流程和技術難點進行了總結。

2 3D打印無人機的優勢

2.1 可定制

當前無人機正朝著小型化、輕型化、智能化、高度定制的趨勢發展，各種優化設計的結構被廣泛應用在無人機上，這對傳統制造工藝提出了較高的要求。3D打印技術相較于傳統的制造工藝，擺脫了夾具、模具、工具的限制，設計人員在建模階段可以充分發揮想象力，通過軟件建立結構復雜的打印件模型，3D打印都可以完全地按照設計創意完成加工。

2.2 成本低

3D打印特有的增材制造生產方式，與傳統制造工藝相比主要是做“加法”，沒有切割、磨削、腐蝕等“減法”流程，可大大提高原材料的利用率，基本沒有廢料的產生；“一次成型”省去了夾具、模具、工具的費用；“本地化”生產模式省去了廠房和生產線的前期投入，以及中間的運輸儲存成本。實踐證明，使用3D打印技術可以大幅降低生產制造成本。

2.3 工期短

無人機的傳統生產工藝流程多、操作繁雜，導致無人機的生產周期較長，而3D打印一次成型的特點，能有效減少無人機的連接部件，摒棄螺栓、合頁等傳統的連接工藝，有利于節省燃料或增加載荷，可使無人機生產制造的工期大大縮短，而且生產出的零件更加精細，能夠彌補傳統加工出現的固有不足，與無人機的發展趨勢一致。

3 3D打印無人機的難點

3.1 三維建模要求高

無人機系統組成多、結構復雜，以傳統的小型固定翼無人機為例：除動力系統及其他電子設備外，機體通常由機身、機翼、尾翼、起落裝置等組成，且各結構多為不規則形狀。若使用三維建模軟件對其進行人工建模，存在較大的困難和障礙，一是對不規則結構件的尺寸度量不精準，二是對曲面件的曲率無法準確度量，三是對打印細節無法準確把握；因此對無人機進行三維建模時的要求較高，對建模人員的操作水平要求也較為苛刻。

3.2 打印尺寸受限制

3D打印最大一次成型尺寸取決于打印機的打印空間大小，但是在實際工作時通常不會打印極限尺寸模型，因為打印尺寸過大時風險會增加且邊緣易翹曲。當前，3D打印行業最大的成型尺寸在3m左右，尺寸越大，其機器使用和生產成本就越高，國內市場所使用3D打印機成型尺寸通常在1m以內，基本可滿足大多數多旋翼無人機的打印需求，但對于固定翼或復合翼等機身尺寸偏大的無人機，將會受到3D打印機的尺寸限制。

3.3 機體重量增加多

3D打印壁厚越大，零件硬度和強度越高，但同時重量也相應增加，一般FDM打印最小壁厚為1.2mm，SLA打印最小壁厚為1mm。以SLA打印為例，光敏樹脂固化后密度約為1.2g/cm3@25℃，拉伸強度約為55MPa；無人機使用的碳纖維復合材料密度約為1.8g/cm3，抗壓強度約為3500MPa；則固化光敏樹脂與碳纖維做到相同強度時的重量比約為1：42。因此，為達到原型機相應強度，理論上3D打印無人機整機重量要增加數十倍。

3.4 氣動外形有變化

3D打印對精度具有一定的要求，對于浮雕類部件，凸起的層高和層寬最小為0.5mm，凹陷的層高和層寬最小為0.4mm。并且受打印機本身和建模階段的精度影響，打印無人機部件時將會產生一定程度的偏差，尤其是對于機翼、副翼等關鍵部位，其表面曲率還受打印材料和后期處理水平等因素影響，導致打印出的部件會在一定程度上改變整機的氣動外形，這樣制造出的無人機可能無法正常飛行。

4 3D打印無人機的解決思路

4.1 使用三維激光掃描技術，減小建模難度

三維激光掃描技術是利用激光測距原理，通過記錄物體表面大量、密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出目標的三維模型，具有高效率、高精度的獨特優勢。在現有無人機缺少技術文檔的情況下，可快速測得輪廓集合數據，并修改形成曲面數字化模型。在3D打印無人機建模階段，可借助于三維激光掃描技術，快速獲取高精度模型，有效減小手動建模難度，節省建模時間。

4.2 采用結構分解進行打印，減小尺寸限制

對于尺寸較大的無人機，可將整體結構適當分解為若干符合打印機成型尺寸的部件進行打印，現有小型無人機大都采用快裝快拆的結構設計，其機身主體、機翼主體、翼尖小翼、尾翼、設備艙等都可以進行拆分。在打印大尺寸無人機時，可采用結構分解的方式減小打印機成型尺寸的限制。

4.3 選配較大的動力系統，減小重量影響

圖1：三維激光掃描建模

圖2：修正后模型

為解決3D打印無人機的重量問題，可根據實際成型重量選配大動力系統。無人機的動力類型有兩種：燃油動力的發動機和電池動力的電動機。若原型機為電池驅動，可考慮換用電壓較大的電池，并匹配功率更大的電機和尺寸更大的螺旋槳；或者考慮更換為油動的發動機驅動。若原型機為燃油驅動，發動機的選用要在原型機的基礎上適當增加功率、排量，以增加無人機動力，減小3D打印重量增加的影響。

4.4 強化設計與后處理技術，減小外形影響

3D打印無人機建模階段和后期處理階段會影響到無人機的氣動外形。3D打印拼接件需預留一定的裝配間隙，通常FDM拼接間隙為0.2～0.3mm，SLA拼接間隙為0.1～0.2mm，拼接間隙應隨著模型尺寸的增大而增大，這需要在建模階段就做好預留設計。部件打印成型后還需要進行后期處理，以FDM打印件為例，成型后的部件表面粗糙且紋理明顯，需進行細致的研磨拋光，以保證打印件的表面平滑，減小氣動外形變化的影響。

5 一種3D打印無人機的案例分析

5.1 工作流程

以國內某型小型三角翼無人機為案例，采用3D打印技術仿制該無人機的主要工作流程如下：

圖5 （a）、（b）中，實線表示降水量偏多狀態，虛線表示降水量偏少狀態，系數為零表示降水變化的突變點。圖5（c）、（d）反映能量隨時間尺度的分布。

（1）確定原型機。以國內某型測繪類固定翼無人機為原型機，該機型為小型三角翼布局，相較于常規固定翼無人機結構簡單、打印難度小。

（2）分析結構尺寸，確定打印方式。原型機翼展2000mm，機長1080mm，可選用的打印機共3臺：1臺PLA打印機最大成型尺寸為600×600×400mm；2臺FDM打印機最大成型尺寸分別為750×750×750mm和350×3500×500mm。無法對原型機整機進行一次成型，必須采用分解打印。

（3）根據結構尺寸，確定分解方法。原型機可拆分為機身（含設備艙、傘艙等）、機翼、翼尖小翼、機頭等幾部分，其中機身和艙體、翼尖小翼尺寸較小，可采取一次成型；機翼部分尺寸較大，且具有一定厚度，若直接打印則中間支撐較多，導致重量增加，綜合考慮決定將機翼分解為四部分進行打印，且副翼單獨打印。

（4）選用打印機。經計算，若使用FDM打印機打印翼尖小翼，約需100h；若使用SLA打印機打印翼尖小翼，約需5h，為縮短制作工期決定主體選用SLA打印機，副翼選用FDM打印機。

（5）三維建模。使用手持式三維激光掃描儀分別將機身、艙體、機翼、翼尖小翼、副翼等部件的三維模型建立起來。如圖1所示。

（6）模型修正。主要是通過建模軟件對掃描儀建立的模型進一步修正，確定打印壁厚和拼接間隙、合理設置支撐、對機翼進行分解。考慮到重量和強度因素，確定翼尖小翼、機翼的打印壁厚為1mm，機身部位的打印壁厚為2mm；考慮拼接因素，各分解部位的拼接間隙預留0.2mm；考慮后期處理和無人機氣動外形因素，支撐全部設置在內表面；將機翼從橫向和縱向分解為四部分。如圖2所示。

（7）實施打印。將修正后的模型分別導入SLA打印機和FDM打印機，設置打印參數后開始實施打印。如圖3所示。

圖4：二次固化

圖5：黏合拼接組裝

（8）后期處理。打印結束后，主要進行去除支撐、清洗、二次固化、研磨拋光、補土、上色等后期處理。SLA打印件下機后，及時去除支撐，對于薄壁件用干凈酒精快速清洗1次，時間不能超過2min，并立即吹干；其他部件第一次可用循環酒精清洗，第二次則用干凈酒精清洗，局部部位使用蘸酒精棉紗擦拭干凈；清洗結束后，立即用風槍吹掉打印件表面酒精，再用電吹風吹干；然后在日光、紫外線烘箱內進行10～20min二次光固化，對于強度要求高的機身、機翼等部件的固化時間可延長至2h。如圖4所示。

（9）選配動力系統。原型機動力系統為DLA32型發動機，功率3.8HP、排量32CC，可適配18×8、18×10、19×8、20×8等尺寸的螺旋槳，3D打印無人機整體重量增加，計劃選配功率7.2HP、排量64CC的DLA64型發動機，并適配22×10、23×10、24×8、23×8等尺寸的螺旋槳。

（10）拼接組裝成型。將處理之后的部件按照原型機結構進行黏合拼接組裝，重點是機翼分解的四部分的黏合和副翼與機翼之間的黏合。機翼部分先采用強力膠水進行拼接，外部接縫處用大力膠帶固定；副翼和機翼之間采用強力膠帶進行拼接，保證副翼的靈活性。如圖5所示。

（11）性能測試。將動力系統、飛控系統、導航系統、舵機、傳感器等電子設備按照原型機位置進行安裝完畢后，先進行內場的性能測試，并根據測試中發現的問題及時進行改進，待內場測試穩定后，進行外場的飛行測試，以檢驗3D打印無人機的整體性能。

5.2 技術難點

5.2.1 機翼的制作與后處理

機翼部分對無人機整體的氣動性影響較大。在機翼建模階段，由于三維激光掃描儀采用貼點的方式進行掃描，會導致機翼邊緣部位出現缺陷，需要手動建模進行修補，修補的精細程度會影響打印細節；在后處理階段，對機翼部位打磨拋光的程度會影響機翼表面的氣動外形，從而影響整機的氣動性；在拼接組裝階段，各分解部件的黏合會影響整機的強度，副翼與機翼的拼接會影響整機的操縱性。因此，機翼部位的設計、制作、處理等過程至關重要，將直接影響到3D打印無人機的整體性能和質量。

5.2.2 分解部件的拼接組裝

由于建模偏差和3D打印機機器本身偏差，打印出的無人機部件會存在一定的精度誤差，在拼接組裝時可能出現間隙過大或過小的情況。若間隙過大，則部件之間貼合不緊密，整機的強度和氣動性會受到影響，需要進行填充和修補；若間隙過小，則部件之間無法拼接，需要對結合部位進行打磨，增加拼接組裝的難度和工作量。

5.2.3 整體結構的抗壓強度

通過理論計算，相同強度時固化光敏樹脂與碳纖維的重量比約為1：42。若3D打印無人機和原型機做到強度相同時，其整機重量會成倍增加，考慮到經濟成本和動力系統配置問題，實際制作過程中會盡量減少打印部件的壁厚，這樣會導致打印無人機的強度低于原型機；此外，由于機翼部位采用分解方式進行打印，最終拼接的效果也會影響到整機強度。因此，3D打印無人機的抗壓強度還有待試驗驗證。

5.2.4 飛機性能的不確定性

當前，國內外采用3D打印技術生產制造無人機的案例較少，可參考的制作經驗也較少，尤其是對于整機的制造還存在諸多技術問題，因此，對于打印成型的無人機性能還存在較大的不確定性，在測試階段將會出現各類問題，需要進行不斷地修正和優化，最終的飛行性能還需要大量的外場飛行測試來確定。

6 小結

本文結合實際應用案例對使用3D打印技術生產制造無人機進行了研究探索，總結出了一套3D打印無人機的工作流程，分析了打印過程中存在的技術難點，為后續3D打印制造無人機技術提供了一定的參考。通過實踐證明，3D打印技術在無人機生產制造中具有較高的可行性，受到當前技術限制，還存在一些技術難點需要通過不斷地實驗測試去攻克，本文中所舉案例也還未進行外場飛行測試，對實際的飛行性能還不確定，在下一步研究工作中仍需要繼續探索。但綜合前期工作來看，使用3D打印技術生產制造無人機符合當前無人機的發展趨勢，在無人機制造業中具有廣闊的發展和應用前景。