3D打印技术在无人机生产制造中的应用

文/褚威 李欣 牛思源 王立东 程高峰

（中国酒泉卫星发射中心 甘肃省酒泉市 732750）

1 前言

随着无人机产业和技术的快速发展，当前，无人机已经在军用和民用领域得到广泛应用，但从目前市场统计情况来看，无人机的生产成本还比较高、生产周期较长，并且受传统制造工艺的限制较大。3D打印技术与传统工艺相比，具备可定制、成本低、周期短、无废料、复杂加工、精确复制等优势，给无人机生产制造提供了新的解决思路，随着智能制造技术的发展，3D打印技术在无人机生产制造中的优势会越来越明显。本文对3D打印无人机的优势和难点问题进行了分析与梳理，针对难点问题提出了3D打印无人机的解决思路，并结合打印小型三角翼无人机的应用案例对3D打印无人机的工作流程和技术难点进行了总结。

2 3D打印无人机的优势

2.1 可定制

当前无人机正朝着小型化、轻型化、智能化、高度定制的趋势发展，各种优化设计的结构被广泛应用在无人机上，这对传统制造工艺提出了较高的要求。3D打印技术相较于传统的制造工艺，摆脱了夹具、模具、工具的限制，设计人员在建模阶段可以充分发挥想象力，通过软件建立结构复杂的打印件模型，3D打印都可以完全地按照设计创意完成加工。

2.2 成本低

3D打印特有的增材制造生产方式，与传统制造工艺相比主要是做“加法”，没有切割、磨削、腐蚀等“减法”流程，可大大提高原材料的利用率，基本没有废料的产生；“一次成型”省去了夹具、模具、工具的费用；“本地化”生产模式省去了厂房和生产线的前期投入，以及中间的运输储存成本。实践证明，使用3D打印技术可以大幅降低生产制造成本。

2.3 工期短

无人机的传统生产工艺流程多、操作繁杂，导致无人机的生产周期较长，而3D打印一次成型的特点，能有效减少无人机的连接部件，摒弃螺栓、合页等传统的连接工艺，有利于节省燃料或增加载荷，可使无人机生产制造的工期大大缩短，而且生产出的零件更加精细，能够弥补传统加工出现的固有不足，与无人机的发展趋势一致。

3 3D打印无人机的难点

3.1 三维建模要求高

无人机系统组成多、结构复杂，以传统的小型固定翼无人机为例：除动力系统及其他电子设备外，机体通常由机身、机翼、尾翼、起落装置等组成，且各结构多为不规则形状。若使用三维建模软件对其进行人工建模，存在较大的困难和障碍，一是对不规则结构件的尺寸度量不精准，二是对曲面件的曲率无法准确度量，三是对打印细节无法准确把握；因此对无人机进行三维建模时的要求较高，对建模人员的操作水平要求也较为苛刻。

3.2 打印尺寸受限制

3D打印最大一次成型尺寸取决于打印机的打印空间大小，但是在实际工作时通常不会打印极限尺寸模型，因为打印尺寸过大时风险会增加且边缘易翘曲。当前，3D打印行业最大的成型尺寸在3m左右，尺寸越大，其机器使用和生产成本就越高，国内市场所使用3D打印机成型尺寸通常在1m以内，基本可满足大多数多旋翼无人机的打印需求，但对于固定翼或复合翼等机身尺寸偏大的无人机，将会受到3D打印机的尺寸限制。

3.3 机体重量增加多

3D打印壁厚越大，零件硬度和强度越高，但同时重量也相应增加，一般FDM打印最小壁厚为1.2mm，SLA打印最小壁厚为1mm。以SLA打印为例，光敏树脂固化后密度约为1.2g/cm3@25℃，拉伸强度约为55MPa；无人机使用的碳纤维复合材料密度约为1.8g/cm3，抗压强度约为3500MPa；则固化光敏树脂与碳纤维做到相同强度时的重量比约为1：42。因此，为达到原型机相应强度，理论上3D打印无人机整机重量要增加数十倍。

3.4 气动外形有变化

3D打印对精度具有一定的要求，对于浮雕类部件，凸起的层高和层宽最小为0.5mm，凹陷的层高和层宽最小为0.4mm。并且受打印机本身和建模阶段的精度影响，打印无人机部件时将会产生一定程度的偏差，尤其是对于机翼、副翼等关键部位，其表面曲率还受打印材料和后期处理水平等因素影响，导致打印出的部件会在一定程度上改变整机的气动外形，这样制造出的无人机可能无法正常飞行。

4 3D打印无人机的解决思路

4.1 使用三维激光扫描技术，减小建模难度

三维激光扫描技术是利用激光测距原理，通过记录物体表面大量、密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出目标的三维模型，具有高效率、高精度的独特优势。在现有无人机缺少技术文档的情况下，可快速测得轮廓集合数据，并修改形成曲面数字化模型。在3D打印无人机建模阶段，可借助于三维激光扫描技术，快速获取高精度模型，有效减小手动建模难度，节省建模时间。

4.2 采用结构分解进行打印，减小尺寸限制

对于尺寸较大的无人机，可将整体结构适当分解为若干符合打印机成型尺寸的部件进行打印，现有小型无人机大都采用快装快拆的结构设计，其机身主体、机翼主体、翼尖小翼、尾翼、设备舱等都可以进行拆分。在打印大尺寸无人机时，可采用结构分解的方式减小打印机成型尺寸的限制。

4.3 选配较大的动力系统，减小重量影响

图1：三维激光扫描建模

图2：修正后模型

为解决3D打印无人机的重量问题，可根据实际成型重量选配大动力系统。无人机的动力类型有两种：燃油动力的发动机和电池动力的电动机。若原型机为电池驱动，可考虑换用电压较大的电池，并匹配功率更大的电机和尺寸更大的螺旋桨；或者考虑更换为油动的发动机驱动。若原型机为燃油驱动，发动机的选用要在原型机的基础上适当增加功率、排量，以增加无人机动力，减小3D打印重量增加的影响。

4.4 强化设计与后处理技术，减小外形影响

3D打印无人机建模阶段和后期处理阶段会影响到无人机的气动外形。3D打印拼接件需预留一定的装配间隙，通常FDM拼接间隙为0.2～0.3mm，SLA拼接间隙为0.1～0.2mm，拼接间隙应随着模型尺寸的增大而增大，这需要在建模阶段就做好预留设计。部件打印成型后还需要进行后期处理，以FDM打印件为例，成型后的部件表面粗糙且纹理明显，需进行细致的研磨抛光，以保证打印件的表面平滑，减小气动外形变化的影响。

5 一种3D打印无人机的案例分析

5.1 工作流程

以国内某型小型三角翼无人机为案例，采用3D打印技术仿制该无人机的主要工作流程如下：

图5 （a）、（b）中，实线表示降水量偏多状态，虚线表示降水量偏少状态，系数为零表示降水变化的突变点。图5（c）、（d）反映能量随时间尺度的分布。

（1）确定原型机。以国内某型测绘类固定翼无人机为原型机，该机型为小型三角翼布局，相较于常规固定翼无人机结构简单、打印难度小。

（2）分析结构尺寸，确定打印方式。原型机翼展2000mm，机长1080mm，可选用的打印机共3台：1台PLA打印机最大成型尺寸为600×600×400mm；2台FDM打印机最大成型尺寸分别为750×750×750mm和350×3500×500mm。无法对原型机整机进行一次成型，必须采用分解打印。

（3）根据结构尺寸，确定分解方法。原型机可拆分为机身（含设备舱、伞舱等）、机翼、翼尖小翼、机头等几部分，其中机身和舱体、翼尖小翼尺寸较小，可采取一次成型；机翼部分尺寸较大，且具有一定厚度，若直接打印则中间支撑较多，导致重量增加，综合考虑决定将机翼分解为四部分进行打印，且副翼单独打印。

（4）选用打印机。经计算，若使用FDM打印机打印翼尖小翼，约需100h；若使用SLA打印机打印翼尖小翼，约需5h，为缩短制作工期决定主体选用SLA打印机，副翼选用FDM打印机。

（5）三维建模。使用手持式三维激光扫描仪分别将机身、舱体、机翼、翼尖小翼、副翼等部件的三维模型建立起来。如图1所示。

（6）模型修正。主要是通过建模软件对扫描仪建立的模型进一步修正，确定打印壁厚和拼接间隙、合理设置支撑、对机翼进行分解。考虑到重量和强度因素，确定翼尖小翼、机翼的打印壁厚为1mm，机身部位的打印壁厚为2mm；考虑拼接因素，各分解部位的拼接间隙预留0.2mm；考虑后期处理和无人机气动外形因素，支撑全部设置在内表面；将机翼从横向和纵向分解为四部分。如图2所示。

（7）实施打印。将修正后的模型分别导入SLA打印机和FDM打印机，设置打印参数后开始实施打印。如图3所示。

图4：二次固化

图5：黏合拼接组装

（8）后期处理。打印结束后，主要进行去除支撑、清洗、二次固化、研磨抛光、补土、上色等后期处理。SLA打印件下机后，及时去除支撑，对于薄壁件用干净酒精快速清洗1次，时间不能超过2min，并立即吹干；其他部件第一次可用循环酒精清洗，第二次则用干净酒精清洗，局部部位使用蘸酒精棉纱擦拭干净；清洗结束后，立即用风枪吹掉打印件表面酒精，再用电吹风吹干；然后在日光、紫外线烘箱内进行10～20min二次光固化，对于强度要求高的机身、机翼等部件的固化时间可延长至2h。如图4所示。

（9）选配动力系统。原型机动力系统为DLA32型发动机，功率3.8HP、排量32CC，可适配18×8、18×10、19×8、20×8等尺寸的螺旋桨，3D打印无人机整体重量增加，计划选配功率7.2HP、排量64CC的DLA64型发动机，并适配22×10、23×10、24×8、23×8等尺寸的螺旋桨。

（10）拼接组装成型。将处理之后的部件按照原型机结构进行黏合拼接组装，重点是机翼分解的四部分的黏合和副翼与机翼之间的黏合。机翼部分先采用强力胶水进行拼接，外部接缝处用大力胶带固定；副翼和机翼之间采用强力胶带进行拼接，保证副翼的灵活性。如图5所示。

（11）性能测试。将动力系统、飞控系统、导航系统、舵机、传感器等电子设备按照原型机位置进行安装完毕后，先进行内场的性能测试，并根据测试中发现的问题及时进行改进，待内场测试稳定后，进行外场的飞行测试，以检验3D打印无人机的整体性能。

5.2 技术难点

5.2.1 机翼的制作与后处理

机翼部分对无人机整体的气动性影响较大。在机翼建模阶段，由于三维激光扫描仪采用贴点的方式进行扫描，会导致机翼边缘部位出现缺陷，需要手动建模进行修补，修补的精细程度会影响打印细节；在后处理阶段，对机翼部位打磨抛光的程度会影响机翼表面的气动外形，从而影响整机的气动性；在拼接组装阶段，各分解部件的黏合会影响整机的强度，副翼与机翼的拼接会影响整机的操纵性。因此，机翼部位的设计、制作、处理等过程至关重要，将直接影响到3D打印无人机的整体性能和质量。

5.2.2 分解部件的拼接组装

由于建模偏差和3D打印机机器本身偏差，打印出的无人机部件会存在一定的精度误差，在拼接组装时可能出现间隙过大或过小的情况。若间隙过大，则部件之间贴合不紧密，整机的强度和气动性会受到影响，需要进行填充和修补；若间隙过小，则部件之间无法拼接，需要对结合部位进行打磨，增加拼接组装的难度和工作量。

5.2.3 整体结构的抗压强度

通过理论计算，相同强度时固化光敏树脂与碳纤维的重量比约为1：42。若3D打印无人机和原型机做到强度相同时，其整机重量会成倍增加，考虑到经济成本和动力系统配置问题，实际制作过程中会尽量减少打印部件的壁厚，这样会导致打印无人机的强度低于原型机；此外，由于机翼部位采用分解方式进行打印，最终拼接的效果也会影响到整机强度。因此，3D打印无人机的抗压强度还有待试验验证。

5.2.4 飞机性能的不确定性

当前，国内外采用3D打印技术生产制造无人机的案例较少，可参考的制作经验也较少，尤其是对于整机的制造还存在诸多技术问题，因此，对于打印成型的无人机性能还存在较大的不确定性，在测试阶段将会出现各类问题，需要进行不断地修正和优化，最终的飞行性能还需要大量的外场飞行测试来确定。

6 小结

本文结合实际应用案例对使用3D打印技术生产制造无人机进行了研究探索，总结出了一套3D打印无人机的工作流程，分析了打印过程中存在的技术难点，为后续3D打印制造无人机技术提供了一定的参考。通过实践证明，3D打印技术在无人机生产制造中具有较高的可行性，受到当前技术限制，还存在一些技术难点需要通过不断地实验测试去攻克，本文中所举案例也还未进行外场飞行测试，对实际的飞行性能还不确定，在下一步研究工作中仍需要继续探索。但综合前期工作来看，使用3D打印技术生产制造无人机符合当前无人机的发展趋势，在无人机制造业中具有广阔的发展和应用前景。