基于3D打印技术的多功能飞行器的发展研究

于春艳　虞强　韩连杰　张晨阳　徐佳伟　梁中阳

摘  要：作为现代信息化的代表之一，无人飞行器朝着轻量化和小型化方向发展，其结构形式、系统功能也不断丰富，在国防安全、遥感监控、农林防火等诸多领域发挥了重要作用。为满足提高无人飞行器空间利用率的需要，达到搭载承重限度的更高要求，对其材料选择、工艺加工、系统性能进行优化设计成为必然选择。而3D打印技术具有成本低、周期短、便携制造、复制精确、能进行复杂加工和无废弃副产品等优点，可见，3D打印在无人驾驶飞行器的设计制造方面具有独特优势。

关键词：3D打印技术;无人机飞行器;无人机应用与发展

中图分类号：V229;TH16      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）22-0164-03

Abstract：As a representative of modern information technology，UAVs are developing in the direction of light weight and miniaturization. Their structural forms and system functions are also being enriched. They play an important role in many fields such as national defense security，remote sensing monitoring and forest fire prevention. In order to meet the need of improving the space utilization of unmanned aerial vehicles，and to meet the higher requirements of the load-bearing limit，it is inevitable to optimize the material selection，process processing and system performance. And 3D printing technology has the advantages of low cost，short cycle，portable manufacturing，accurate copying，complex processing and no waste by-products. It shows that 3D printing has unique advantages for designing and manufacturing unmanned aerial vehicles.

Keywords：3D printing technology;UAV aircraft;UAV application and development

0  引  言

英国工程师设计并测试了世界上第一台“打印”出来的无人机，标志着无人机制造进入了3D打印时代。与传统工艺相比，3D打印技术可以有效减少制作成本，进一步提高生产效率，一经推出便受到世界各国广泛关注，并被《经济学人》评为推动第三次工业革命的核心技术之一。目前，传统的生产工艺和工业技术正发生重大变革，3D打印技术已形成不可阻挡的市场发展趋势。

1  关于3D打印技术的概述

3D打印是一种基于数字模型文件的快速建模技术，是“增材制造”技术的总称，使用诸如塑料或粉末金属等可粘合材料通过逐层打印的方式来创建三维物体，“分层制造，逐层叠加”。

与传统的工艺不同，3D打印技术集成了机械、材料、计算机和生物医学等技术。凭借缩短产品开发周期、降低成本，并能够将复杂形状的工件制造成一体式制造的优势，未来可能对制造生产模式和人类生活方式产生重要影响。根据3D打印成型原理，3D打印方式通常可分成两种：沉积原材料制造和黏合原材料制造，包括十几种三维快速建模技术，如表1所示，其中立体光固化成型（SLA）、熔融沉积式（FDM）、分层实体制造（LOM）、三维粉末粘合（3DP）和选择性激光烧结（SLS）这五种技术相对成熟，具有很好的发展前景。

常规采用的3D打印飞行器方法则是选用聚乳酸（PLA）作为材料，运用了FDM技术进行分段打印，最后进行拼装，使其具有良好的机械性能和物理性能，这样打印出的飞行器能够符合要求，强度也会大大增强，并且由于选用的是可降解材料，所以也不会污染环境。

2  3D打印技术与飞行器制造相结合

虽然在此之前，3D打印技术已基本应用于无人机某些部件的加工和制造，但仅用作传统制造的辅助工具。在多塞特海岸进行试飞的由英国南安普顿大学设计的打印无人机SULSA，可以说是用3D打印技术整机制造飞行器的首例，现已正式投入实际使用，并用于帮助南极的破冰船侦察路線。

随着近年来计算机技术的飞速发展，3D打印技术也有了显著的进步，可加工的原材料范围逐步扩大到树脂、陶瓷、塑料、复合材料和几乎所有金属合金，无人机的制造技术也正朝着小型化、轻量化、大型任务负荷和高定制化的方向发展，这要求无人机重量更轻、机械性能更好，并且在有限的体积内更有能力。

首先，无人机的高度可定制要求很高，而3D打印技术具有很强的适应性，独立于模具、工具、生产线等条件的限制，并且可以批量生产，随意定制，不同的产品组可以在同一台3D打印机上处理，这是选择3D打印技术的原因之一。

其次，3D打印技术可以有效降低生产成本，在工程实践中也已得到证实。“添加”的生产方法没有“减法”生产方法中的切割、研磨和腐蚀等工艺，可以实现原料需要多少便添加多少，极大地提高了利用率。同时也因为“一次成型”的优点，消除了模具、固定装置和加工工具的成本，加上“本地化”生产模式，消除了对工厂和生产线的前期投资，以及中间的运输和存储成本。

再者，3D打印技术避免了传统设计和制造过程中的样品设计、模具生产、加工后处理等繁琐步骤。从构思到产品，大大缩短了生产周期，直接将新技术应用于新零件，加快了创意和设计的测试，从而有效地提高了生产效率。

目前，各国都把3D打印技术作为研发的重要方向，其高精度、高智能、普遍化的优势也越来越明显。在速度、效率和精度同步提高的基础上，将出现许多新工艺，如平行印刷、连续印刷、大尺寸印刷、多材料印刷等。

3  飞行器功能介绍

飞行器应当具备常规鸟类的飞行速度，并可在此飞行速度下进行各种作业，设计其基本功能时应考虑以下问题：

作为常规布局飞行器，首先需要解决的就是携带问题，因此，在进行飞行器设计时可考虑拆解功能。在成型后，主机翼由两块机翼拼合而成，衔接处由于在飞行时会受到巨大的力矩，因此选用3D打印骨架，使用粗碳杆进行连接。

由于飞行器追求滑翔性能，翼展较大，因此对于起飞场地要求较高，这对于多功能飞行器的使用是不利的。因此为了适应在更多地形下使用，需尽可能减轻飞行器自重，从而获得高推重比，同时具备加速度计，空速管等硬件，使之具备在狭窄区域内的起飞功能和抛飞功能。

在无人机快速发展的今天，航线飞行已经成为了无人机的标配，作为一款多功能无人机，航线巡航能力必不可少，同时，作为一款工具无人机，应当能够准确地到达航点，这不仅仅对机载GPS有着较高的需求，同时还应具备主动补偿侧风所造成影响的能力，因此该无人机的布局应比飞翼式设计更接近传统的布局无人机。

依据航点触发式的工作原理，可设计具备在目标地点执行动作的能力。同时针对飞行平台的搭建，可根据工作的需求加装不同的模块，如颜色识别模块、信号转接模块等。

即使电子设备发展迅速，但飞控或其他功能硬件失效的事件仍然频频发生，一个好的飞行逻辑便尤为重要，其中的重中之重便是返航机制。应设计完善的返航机制，这样若飞行器飞出设定工作空域或硬件失控便会立刻触发返航指令。

工具型无人机由于应用于较为恶劣的工作环境，因此损伤也在所难免，保护内部重要设备以及便于维修也成为了设计工作中极为重要的一点，通过对电子设备舱强化保护，同时进行分段设计，可在较短时间内更换受损舱段，从而减少因飞机受损而怠工的可能性。

4  对无人机发展前景的展望

未来的民用无人机将应用于更多的行业领域，因为和有人驾驶飞机相比，无人机优势更加明显。它已广泛应用于航空摄影、遥感航测、环境监测、交通巡逻、通讯中继和快递业等多个领域，也正因如此，在人社部发布的2019年新职业公示通告中，无人机驾驶员榜上有名。

无人机在航空摄影中的发展：2017年，我国航拍无人机的市场规模达到40亿多元人民币，同时在以86.5%的年复合增长率快速发展;到2020年，市场规模预计达到250亿元。在技术方面，无人机的操控性能会更好，电池的续航能力将会增强，信号传输距离也会增加，在特殊气候环境下，比如大风天气、低温等，也可以工作。

无人机将会在农业植保中大展身手，通过应用于病虫害监控、农药喷洒等方面，从而减少病虫害污染，提高粮食产量，是现代化智能农场的重要组成部分。

无人机在快递行业中的发展形势也十分乐观。孙泽波和胡家祺的Linkall团队设计了一款名为“智能蜂”的四旋翼快递无人机系统，能够接收来自“北斗”或GPS卫星的导航信息，计算出最佳飞行路径，并通过传感器自行避障，从而顺利完成快递任务。此外，顺丰速递也在东莞和深圳等城市进行了无人机配送服务的相关测试。

未来的无人机将会向着智能化、低成本、模块化、长时间续航、多无人机协作联合作业等方向发展，无人机的自主作业能力将会增强，可以面对不同的作业环境自动做出相应的决策，其续航能力和载重能力也会相应提高。

5  结  论

我国也开始逐渐重视3D打印技术的发展，但就目前来说，我国3D打印技术还处于起步阶段，整体研发相对落后，缺乏产业规划且知识产权保护体系不够健全。3D打印技术还只作为传统制造工艺的补充，想要在飞行器制造领域推广使用还比较困难，但不可否认的是，在发展过程中，3D打印技术与传统工艺相得益彰、相互补充，在快速设计和制造领域显现出极大的优势，这注定3D打印技术在飞行器制造领域的应用会越來越广泛。

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作者简介：于春艳（1998-），女，汉族，湖南郴州人，本科，先后多次参加全国机械成图大赛，主持扬州大学校重点科创项目，获校挑战杯项目一等奖，公开两项发明专利，研究方向：机械设计制造及其自动化。