【解析】3D打印技術在無人機制造中的應用

據 《中國航空報》2011年8月16日報道，2011年8月1日，英國南安普敦大學的工程師設計并試飛了世界上第一架“打印”出來的名為SULSA的無人駕駛飛機。SULSA的誕生標志著無人機制造進入了3D打印時代 。 雖然在此之前，3D打印技術已經應用到無人 機部分零部件的加工制造中，但只是作為傳統(tǒng)制造的輔助措施，或者是用來生產玩具、航模一類的非重要用途的無人飛行器。SULSA之所以能成為一個標志，意義在于它整架飛機都采用了3D打印技術，卻不是一個放大版的玩具飛機。 SULSA機身長3m，翼展2m，整機質量5kg，在無人機家族中只能算得上迷你，一般人都能輕松舉起它，但它的確是真正意義上的無人機。

SULSA的基本設計和配置都參照了目前最新無人機，并且擁有高達160km/h的最高飛行時速。 3D打印技術造就了SULSA，它使得SULSA這種高度定制化的無人機從提出設想到首飛，可在短 短幾天內實現(xiàn)。如果使用復合材料常規(guī)材料和制造 技術，這一過程往往需要幾個月時間。利用3D打印技術可首先在電腦上完成SULSA的設計 “藍圖”，再用EOSEOSINTP730激光燒結機按“藍圖”逐層打印機身。飛機的其它配件（比如機艙門、發(fā)動機和各種儀表）分開打印，再安裝到飛機上。飛機上的所有設備之間的連接不需要螺絲和合頁，而是使用“卡扣固定”技術連接在一起。因此，整架飛機可在幾分鐘內完成組裝并且無需任何工具。


事實上，SULSA只是英國南安普敦大學吉姆·斯坎倫和安迪·基恩領導的歐盟航空工程師小組研制的2Seas無人機的縮小測試版。真正的主角2Seas的機身、機翼和尾翼完全用ABS塑料打印而成，中心翼盒、燃油箱和發(fā)動機架由金屬打印而成。該無人飛機將為英國、荷蘭、比利時和法國的海岸警衛(wèi)隊執(zhí)行遠程監(jiān)視任務。

僅歐盟航空工程師小組利用3D打印技術生產制造無人機，美國作為無人機研究領域的急先鋒和集大成者，大到捕食者，小到微星都有3D打印 技術的參與。其中，在洛馬P-175復合材料無人機的研制中，碳納米管和基體粉末在輸送過程中由激 光燒結成型機體結構［1］ 。同時，俄羅斯、以色列、日本、印度等國家也將3D打印技術生產制造無人機作為軍事裝備發(fā)展的重點之一。

1 顛覆性技術— ——無人機和3D打印技術

2013年9月，新美國安全中心發(fā)布《游戲規(guī)則 改變者：顛覆性技術與美國國防戰(zhàn)略》 報告，討論了先進技術在全球范圍內的擴散及其對美國國防技術 優(yōu)勢可能帶來的挑戰(zhàn)，并提出了5項潛在的顛覆性技術。其中，包括自主系統(tǒng)和增材制造，即無人機 和3D打印技術［2］ 。 同時，世界各國的研究機構都有類似顛覆性技術概念的提出，雖然與美國提出的有所不同，但又有交叉和重疊，它們都是能夠直接轉化為先進武器裝備的前沿技術。無人機和3D打印技術同列其中，也為其相互融合創(chuàng)造了契機。


1．1軍民兩用的新寵———無人機
無人機（UAV）是一種由遙控或機載程序控制飛行，可反復使用的不載人飛機。它由機體結構、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、任務載荷、數(shù)據通訊系統(tǒng)以及起飛和回收裝置組成。從1917年第一架無人機誕生至今，無人機已經從最初的靶 機蛻變?yōu)楫斀窦瘋刹�、通訊、電子對抗、空中�?擊于一體的軍事裝備，并能夠完成邊境巡邏、核 輻射探測、航空攝影、航空探礦、災情監(jiān)視、交通巡邏、治安監(jiān)控等民用任務。能夠完成如此多的任務，使無人機成為軍事和民用領域的新寵，得到世界各國青睞。 無人機之所以會受到如此重視，原因是其擁有的獨特優(yōu)勢。無人機結構簡單、體積小、質量輕、機動性好、飛行時間長、成本低、便于隱蔽、無需機場跑道、可多次回收重復使用、可作超越飛行員生理極限的高速飛行、可深入被核生化污染地區(qū)的上空探測取樣等執(zhí)行危險性極大的任務，尤其是無人機符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭對減少乃至避免人員傷亡的要求。在經歷現(xiàn)代幾場局部戰(zhàn)爭磨練后，無人機從支援型裝備走到了戰(zhàn)爭的前沿，成為世界各國尤其是發(fā)達國家軍方重點研制和發(fā)展的裝備之一。 目前，全世界已有50多個國家的軍隊裝備了無人機，美國僅現(xiàn)役裝備軍隊的就有全球鷹（如圖2所示）、捕食者、火力偵察兵等20多個型號，其無 人機總量已經超過7000架，居全球之首。

1．2 第三次工業(yè)革命標志— ——3D打印技術
3D打印技術又叫增材制造或快速成型，是一 種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉、絲、塊等形狀的金屬或塑料，并輔以粘合材料或熱源，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。與傳統(tǒng)機械加 工在原材料毛坯上做“減法”的加工方式恰恰相反，3D打印技術是不斷添加原材料做著“加法”，最終得到預期的零部件，如圖3所示。

根據原材料和分層累積原理不同，3D打印技術分為不同的類型。 3D打印技術誕生于20世紀90年代，與傳統(tǒng) 工藝相比， 3D打印技術具備低成本、低周期、零運輸、復雜加工、減少工件連接組裝、無廢棄副產品、 便攜制造、精確復制十大優(yōu)勢。隨著3D打印技術與計算機技術的同步發(fā)展，其優(yōu)勢會愈加明顯。 3D打印技術發(fā)展至今，已廣泛地應用于航空航天、國防裝備、汽車制造、生物醫(yī)學、建筑工程、電子工程等行業(yè)領域。美國《時代》周刊將3D打印技術列為“美國十大增長最快的工業(yè)”之一；英國《經濟學人》雜志將3D立體打印技術稱為改變未來世界新的創(chuàng)新性科技，認為3D立體打印技術將“與其它數(shù)字化生產模式一起推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命 ” 。

美國總統(tǒng)奧巴馬推出的“重振美國制造業(yè)計劃”中，將3D打印作為首個振興美國制造業(yè)的支撐技術。并在2012年8月?lián)芸?000萬美元，在俄亥俄州建立了國家級3D打印研究中心，投入了5億美元用于3D打印，以確保美國制造業(yè)的先進性。該計劃是3D打印第一次得到國家層面的重視和支持。

23D打印技術應用于無人機制造的必然性
2．1 3D打印技術的成熟為無人機制造提供了堅實
的技術支持 經過近30年的發(fā)展，特別是近年來隨著計算機技術的突飛猛進，3D打印技術獲得了巨大突破和極大發(fā)展，可處理原材料的范圍逐漸擴大，覆蓋樹脂、陶瓷、塑料、復合材料以及幾乎所有金屬合金等。 3D打印技術由最初的模型沙盤和簡單模具生產發(fā)展到產品的直接制造，特別是高價值產品的加工。 3D打印技術的獨特優(yōu)勢使得世界各國都加大對其投入扶持。一方面科研投入促進了3D打印技術日趨成熟和完善，在與其它學科融合創(chuàng)新發(fā)展的過程，又產生了一批新方法、新工藝；另一方面國家的扶持使得3D打印產業(yè)蓬勃發(fā)展，以市場供需為動力，也造就了3DSystems、 Stratasys等市值超過35億美元的3D打印公司。

3D打印技術的成熟讓各個產業(yè)都對其青睞有加。上文介紹的無人機SULS和2Seas都是3D打印的產物；2013年美國SolidConcepts公司3D打印了第一支金屬gun；勞斯萊斯集團（ＲollsＲoyce）用3D打印技術生產了噴氣發(fā)動機組件；2013年美國國家航空航天局（NASA）和美國航空噴氣發(fā)動機公司用3D打印成功制作出火箭發(fā)動機噴射器，如圖4所示。 3D打印技術在各行業(yè)中如此廣泛成熟地應用，為其涉足無人機制造領域，進行無人機零部件乃至整機的加工生產奠定了堅實的基礎。

2．2 傳統(tǒng)工藝越來越滿足不了無人機的發(fā)展趨勢
當今的無人機朝著小型化、輕型化、大任務載 荷、高度定制的趨勢發(fā)展，各種優(yōu)化設計的結構在無人機上廣泛應用。這要求無人機在有限的體積內，具有更輕質量、更好力學性能以及實現(xiàn)更多功能的結構。在設計上如此矛盾的條件注定了結構的復雜性，這給傳統(tǒng)工藝擺出了難以逾越的障礙。 3D打印技術以其有別于傳統(tǒng)工藝的思路，拋棄了夾具、模具、工具的束縛。設計階段，工程人員可以任意發(fā)揮想象力，在軟件中建立外形和內部結構復雜的加工模型，3D打印可以百分百地按照設計者的創(chuàng)意完成加工。早在幾十年前，空氣動力學家就知道截面為橢圓形的機翼能夠減少阻力，但是傳統(tǒng)制造技術難以做到；還有金屬部件的中空或多孔（蜂巢）結構（如圖5示），是無法通過加工整塊材料實現(xiàn)的。直到3D打印技術的出現(xiàn)，才實現(xiàn)一些先進的設想。

3D打印一次成型的特點，使生產出的零件更加精細輕盈，采用最優(yōu)化的方式實現(xiàn)其功能，有利于節(jié)省燃料或增加載荷，與無人機的發(fā)展趨勢一致。 3D打印能有效減少航空器的連接部件，摒棄螺栓、合頁等傳統(tǒng)的連接工藝，使其更加輕量化，而且獲得更好的力學性能。3D打印技術的新方法能夠彌補傳統(tǒng)加工出現(xiàn)的固有不足。美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室（OＲNL）開發(fā)出一種3D打印方法，克服了傳統(tǒng)加工時出現(xiàn)零件冷卻翹曲的問題，利用這項技術可實現(xiàn)大型結構組件的生產，打印出大型無人機機翼結構 。 無人機的高度定制也是選擇3D打印技術的因 素之一。 3D打印單次單品，不受模具、生產線、工具等因素制約。既可以大規(guī)模連續(xù)批產，也可任意 定制，在同一個3D打印機上加工出不盡相同的產 品群。

2．3經濟效益是無人機制造選擇3D打印技術的首要因素

3D打印技術能大幅降低生產成本已經工程實踐證明。“加法”的生產方式沒有切割、磨削、腐蝕等“減法”流程，實現(xiàn)原材料“需要多少用多少”，大大提高利用率，控制廢料的產生 ；“一次成型”省去了模具、夾具和加工工具的費用；“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。 以無人機SULSA和2Seas為例，它們都采用二戰(zhàn)時期英國空軍的維克斯·惠靈頓轟炸機上內部交錯結構的設計（如圖6所示），按傳統(tǒng)加工方式完成將耗資巨大。但用3D打印技術完成這種結構幾乎沒有額外成本。無人機

能的結構。在設計上如此矛盾的條件注定了結構的復雜性，這給傳統(tǒng)工藝擺出了難以逾越的障礙。 3D打印技術以其有別于傳統(tǒng)工藝的思路，拋棄了夾具、模具、工具的束縛。設計階段，工程人員可以任意發(fā)揮想象力，在軟件中建立外形和內部結構復雜的加工模型，3D打印可以百分百地按照設計者的創(chuàng)意完成加工。早在幾十年前，空氣動力學家就知道截面為橢圓形的機翼能夠減少阻力，但是傳統(tǒng)制造技術難以做到；還有金屬部件的中空或多孔（蜂巢）結構（如圖5所示），是無法通過加工整塊材料實現(xiàn)的。直到3D打印技術的出現(xiàn)，才實現(xiàn)一些先進的設想

。 圖5 中空或多孔（蜂巢）結構 3D打印一次成型的特點，使生產出的零件更加精細輕盈，采用最優(yōu)化的方式實現(xiàn)其功能，有利于節(jié)省燃料或增加載荷，與無人機的發(fā)展趨勢一致。

3D打印能有效減少航空器的連接部件，摒棄螺栓、合頁等傳統(tǒng)的連接工藝，使其更加輕量化，而且獲得更好的力學性能。3D打印技術的新方法能夠彌補傳統(tǒng)加工出現(xiàn)的固有不足。美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室（OＲNL）開發(fā)出一種3D打印方法，克服了傳統(tǒng)加工時出現(xiàn)零件冷卻翹曲的問題，利用這項技術可實現(xiàn)大型結構組件的生產，打印出大型無人機機翼結構  。 無人機的高度定制也是選擇3D打印技術的因 素之一。 3D打印單次單品，不受模具、生產線、工具等因素制約。既可以大規(guī)模連續(xù)批產，也可任意 定制，在同一個3D打印機上加工出不盡相同的產 品群。

2．3經濟效益是無人機制造選擇3D打印技術的首要因素

3D打印技術能大幅降低生產成本已經工程實踐證明�！凹臃ā钡纳�產方式沒有切割、磨削、腐蝕等“減法”流程，實現(xiàn)原材料“需要多少用多少”，大大提高利用率，控制廢料的產生 ；“一次成型”省去了模具、夾具和加工工具的費用；“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。 以無人機SULSA和2Seas為例，它們都采用二戰(zhàn)時期英國空軍的維克斯·惠靈頓轟炸機上內部交錯結構的設計（如圖6所示），按傳統(tǒng)加工方式完成將耗資巨大。但用3D打印技術完成這種結構幾乎沒有額外成本。

勞斯萊斯公司的技術人員通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，1t重的航空發(fā)動機按傳統(tǒng)方式加工需要消耗6．5t金屬，由此看出傳統(tǒng)加工成本中原材料耗費的比重，如果遇上航空材料的貴金屬，如鈦，損耗成本將更大，這為3D打印降低成本留出了空間。PlunkettAssociates公司使用3D打印的航空曲柄比傳統(tǒng)鋁鑄件質量減少21%；CrucibleIndustrialDesign公司為空客A380上853個座位3D打印了帶扣，每個帶扣比傳統(tǒng)鋼制帶扣質量減少85g，按飛機全壽命每減1kg可省45000L燃油計算，這會節(jié)省330萬L燃 油，價值2億歐元的運營成本 。

2．4時效性是無人機制造的需求，更是3D打印技 術的獨有優(yōu)勢

3D打印技術避開傳統(tǒng)設計制造過程中樣品設計、模具生產、機械加工、后期處理等繁瑣步驟，從想法到產品僅通過3D打印機就可實現(xiàn)，大幅度降低了生產周期。由此直接把新技術應用到新零件上，加快創(chuàng)意和設計的測試速度，有效提高生產效率。 2012年美國弗吉尼亞大學繼SULSA和2Seas之后， 3D打印了第三架無人飛機。其團隊工程師大衛(wèi)-舍弗爾稱：“以前光設計建造一個塑料渦輪風扇發(fā)動機就需要兩年時間，成本約25萬美元。但使用3D技術，設計和建造這架飛機僅用4個月，成本大約2000美元�！鄙�產周期的縮短是顯而易見的。 3D打印技術能滿足無人機關于時效性的要求，還體現(xiàn)在：無人機的修理和零部件更換的時效性， 特別是戰(zhàn)損時修理。 3D打印技術利用本地化生產，缺什么補什么，壞什么換什么，設計圖紙的網絡化 傳輸，有利于制造網絡的布局，“按需就近生產”的模式將大大減少運輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)。

2．5大量復合材料的使用為3D打印技術提供了發(fā)揮的空間

復合材料具有輕質比、強度高、比模量高、抗疲勞能力強、抗振能力強的優(yōu)點，是推進無人機進一步發(fā)展的新材料。先進復合材料結合新型結構，使無人機結構質量這一重要指標得以保證，將其控制在20%～22%左右（小型無人機），可騰出足夠空間讓給燃油、有效載荷、武器和補償隱身帶來的質量。 美國先進無人機材料、結構和航空委員會制定美國未來一段時期重點研究的3類概念性無人機，即高空長航時無人機（HALEV）、高速機動無人機（HMV）和低成本無人機（VLCV）都具有一個共用點，就是大量使用復合材料 。 在復合材料加工方面，3D打印技術比傳統(tǒng)方法更有優(yōu)勢，可加工出輕質、高氣動彈性結構。3D打印技術加工過程的靈活性結合復合材料的可設計性，可輕松實現(xiàn)在加工過程中添加不同的增強相來降低高速下復合材料的損傷容限，或是預埋芯片或傳感器，形成智能材料。正是復合材料配合3D打印技術才可創(chuàng)造翼身融合結構，如美國的X-48B無人機，從而大大減少無人機部件數(shù)量。翼身融合結構及其制造技術已經成為無人機發(fā)展的大趨勢。

2．6 綠色環(huán)保是世界各國努力的共同方向

3D打印技術比傳統(tǒng)工業(yè)生產方式更加環(huán)保， 基于增材制造方式，沒有切、車、磨、銑、刨、鉆等過程中的原材料浪費和能源消耗。實時加工，可百分之百按需生產，避免了傳統(tǒng)生產為了以防萬一的過量生產，更加免除了存放產品、備件的倉庫及其消耗的能源和資源。 3D打印技術推動的本地化生產和數(shù)字化運輸，避免了當前產品全球化運輸?shù)南�耗和交通運輸工具對環(huán)境污染。

33D打印技術在無人機制造應用的現(xiàn)狀

3．1 整體打印無人機

2011年，世界首架3D打印的無人機SULSA誕 生，其后繼機型2Seas同樣采用3D打印技術試飛 成功。 2012年美國弗吉尼亞大學研制出繼SULSA和2Seas之后的第三架3D打印無人飛機，并在同年8月至9月期間，在弗吉尼亞州米爾頓機場附近進行了四次飛行試驗，巡航速度達72km/h。英國謝菲爾德大學先進制造研究中心（AMＲC）和波音公司采用3D打印技術設計和試制出一個創(chuàng)新性小型無人飛行器。這架無人機全部使用熔融沉積成型（FDM）技術打印而成，包括9個零部件，由安裝在機身后部的伺服系統(tǒng)控制的剛性卡入式升降副翼進行夾合，減少了機身的安裝部件。 2014年9月在英國舉行的倫敦3D打印展上，Stratasys公司展出名為AirDog（如圖8所示）和Al-turaZenith的兩款無人機。這兩款無人機均采用3D打印技術制作而成，分別為HelicoAerospaceIndus-tries和Aerialtronics兩家公司所定制。

3．2打印無人機關鍵部件

航空航天一直是3D打印技術應用的重要領域。截至目前為止，波音公司在10個飛機平臺上應用了200多個3D打印的零件，包括形狀復雜的冷空氣導入電子設備的導管。歐洲宇航防務集團（EADS）利用激光加熱金屬粉末形成固態(tài)金屬部件，打印引擎蓋的金屬鉸鏈，新技術不但增強了該零件強度，而且還使其質量減少了一半。2011年EADS用3D打印技術制造出了飛機起落架的支架和其它飛機零件。 實際上這些在飛行器上的應用都可以搬到無人機制造中。2013年12月，SolidConcepts公司為Ar-ea-I公司制造737無人機模型PETＲA，使用選擇性激光燒結技術打印了燃料箱、副翼、操縱面、襟翼等組件，不但降低了部件質量，并縮短了制造時間，僅副翼就從原來的24天縮短到3天，最終使PETＲA實現(xiàn)了完美的試飛測試。 美國空軍與3DSystems公司簽約29．5億美元，開發(fā)用于F-35戰(zhàn)機和其它武器系統(tǒng)的3D打印系統(tǒng)。

4 3D打印技術在無人機制造中的應用趨勢

當前，各國都將3D打印技術作為研究發(fā)展的 重點，在今后一段時間， 3D打印技術將朝著高精度化、高智能化、通用化、便捷化等方向發(fā)展。在速 度、效率、精度提升的基礎上會涌現(xiàn)出并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材打印等一系列新的工藝；伴隨計算機技術的發(fā)展，在3D打印技術中引入微桁架構設計和力學仿真，獲取符合實際使用的力學結構；開發(fā)出功能梯度材料、智能材料、納米材料、非均質材料等更為多樣的3D打印材料；應用非金屬表面選擇性沉積金屬技術，可以加工出一體化的帶電子元器件的部件以及電子皮膚（見圖9），全面實現(xiàn)不同材料一次成型的整機打印，使無人機更小、更輕、更精、更智能。

5 結束語

針對無人機制造的結構復雜、材料昂貴、傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)難度大的結構件，3D打印技術有著成本低、流程簡單、重復性好、實現(xiàn)周期短的明顯優(yōu)勢。這正是3D打印技術緩慢滲透到無人機制造領域的推動力。 目前， 3D打印技術還處在初級階段，存在很多制約因素，如對大型產品無能為力；適用的原材料有限等因此， 3D打印技術想要在無人機制造領域乃至航空航天領域大面積推廣使用還比較困難，更不可能在短時間內取代傳統(tǒng)工藝。但是， 3D打印技術在無人機制造領域與傳統(tǒng)工藝并不是矛盾雙方，而是相互提升、相互補充、相互完善的關系。 當今無人機的發(fā)展趨勢注定了3D打印技術在無人機制造領域的應用前景是日益廣闊的。也正是有3D打印技術的介入，才會出現(xiàn)各種新技術、新材料和新創(chuàng)意，不斷推動無人機進化。

編輯：南極熊

作者：劉 磊 劉 柳 張海鷗