基于3D打印的無人機裝備研發(fā)

金凱　屠莉　奚達新

摘要：目前，3D打印技術(shù)已在創(chuàng)意設(shè)計，創(chuàng)新制造等領(lǐng)域中有了廣泛的應(yīng)用。我系自主研發(fā)的無人機，在外觀支架和無人機機身制作方面技術(shù)不是很成熟。利用3D建模為無人機量身定制模型，運用3D打印技術(shù)打印組裝無人機機身模型。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；3D建模；無人機；量身定制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）15-0202-02

Research and Development of UAV Equipment based on 3D Printing

JIN Kai， TU Li， XI Da-xing

（Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin 214405， China）

Abstract： At present， 3D printing technology has been widely used in creative design， innovative manufacturing and other fields. It is immature in the production of exterior bracket and fuselage for self-developed unmanned aerial vehicle （UAV）. The 3D model is used to model the UAV and print and assemble the UAV fuselage model with 3D printing technology. 3D printing technology is used to customize and print models for UAV， and the models are assembled for UAV.

Key words： 3D printing technology； 3D modeling； Unmanned aerial vehicle （UAV）；Custom-made

1 背景

3D打印技術(shù)是最近30年來世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，是機械工程（精密制造）、計算機技術(shù)（軟件開發(fā)）、數(shù)控技術(shù)、材料科學等多學科技術(shù)的集成，能夠依據(jù)數(shù)學幾何模型的設(shè)計，迅速、自動地打印出具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或零部件產(chǎn)品[1]。近年來，3D打印技術(shù)在創(chuàng)意設(shè)計和工業(yè)制作等領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。

與3D企業(yè)校企合作，我校計算機科學系成立3D思維打印社團，面向全校開展3D教學、定期在校外開展社會化3D服務(wù)，促進3D打印在社會上推廣等活動。社團先后代表學校多次參加校外比賽，并且?guī)椭幨薪痪块T在無人機裝備上設(shè)計可裝載無線通信接收器。針對計算機科學系嵌入式自主研發(fā)的無人機在支架和裝備定制上的需求，3D思維社團運用3D建模技術(shù)為他們設(shè)計并打印無人機機翼及機身裝備，使其更美觀，更具功能性。

2 3D打印技術(shù)的原理與現(xiàn)有技術(shù)

3D打?。?D Printing）是快速成型技術(shù)的一種，也稱為增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，以材料逐層累加的方式制造實體零件的技術(shù)[1-2]。3D打印通常是采用3D打印機來實現(xiàn)，常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。

3D打印其實很簡單，就是在普通的二維打印的基礎(chǔ)上再加一維。打印機先像普通打印一樣在一個平面上將塑料、金屬等粉末狀材料打印出一層，然后在將這些可黏合的打印層一層一層的粘起來。通過每一層不同的“圖形”的累積，最后就形成了一個三維物體。

目前，3D打印機主要有桌面級打印機，專業(yè)級打印機，工業(yè)級打印機。3D思維社團使用的打印機屬于桌面級打印。相對于其他的打印機而言，桌面級打印機具有速度快，價格便宜，實用性高等優(yōu)點。桌面級打印機采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，與傳統(tǒng)減材技術(shù)完全不同，是因其加工過程與噴墨打印機相似。

對于桌面級3D打印機來說，噴頭是材料擠出成型的重要部件。因為打印立體實物，需要用到的材料，通常是ABS或者PLA線料。目前最常用的FDM打印機，是采用熱熔融成型技術(shù)，將條狀成卷的材料，在噴頭部件里用200度左右的溫度熔化后擠出來，附著在底板或者下一層材料上并且冷卻凝固成型。

3 基于3D打印的無人機裝備研發(fā)思路

通過校企合作我校引進桌面級3D打印機，把與3D打印方面專業(yè)知識相結(jié)合，基于本校3D思維社團與嵌入式無人機研發(fā)工作室合作，共同進行無人機裝備研發(fā)。

對于無人機機身裝備與整體機架研發(fā)的基本思路為：

1）首先，與嵌入式同學合作，詳細了解無人機工作室對無人機的詳細要求，對他們無人機的機翼，電路板以及電池等部件進行數(shù)據(jù)采集，通過精確的測量，獲得無人機裝備的詳細尺寸。

2）通過與無人機工作室溝通，獲得無人機機身的基本尺寸，然后運用3D MAX設(shè)計無人機的機身裝備，與嵌入式同學對設(shè)計好的模型進行討論，按照要求對無人機不斷進行改進。

3）把設(shè)計好的模型通過建模軟件生成3D打印機可以打印的格式，運用桌面級3D打印機對其進行打印。

4）將模型裝載在無人機上邊進行不斷改進，進行無人機試飛，運用不同的打印材料進行測試，最終確定模型。

5）將最終確定好的無人機模型與杭州先臨三維科技公司合作，運用最新的激光打印機進行打印，使得打印出來無人機機身裝備強度更加適合無人機。

在設(shè)計過程中采用3Dmax建模，3DStar打印技術(shù)，設(shè)計組裝打印機身模型。從設(shè)計，建模，打印，維護等各個環(huán)節(jié)，嚴格按照時間、資源、人力三角定律進行項目的開發(fā)和設(shè)計。團隊成員分工明確，有效地進行團隊協(xié)作，指導老師將對整個項目各個階段的開展提出意見和建議，監(jiān)督指導整個項目的進行，保證整個項目的順利完成。

4 基于3D打印的無人機裝備研發(fā)過程

3D思維社團與無人機工作室經(jīng)過共同合作對無人機的機身模型進行的多次測量與制作，在測試期間出現(xiàn)模型尺寸大小不符合的情況與打印出來成品強度不夠問題，全部進行了一一完善，最終完成了無人機的機身裝備制作。

在無人機機身制作中，3D社團成員與嵌入式同學先后制定了三套方案。第一套方案準備設(shè)計一套不需要自己組裝的無人機模型，但是在制作過程中發(fā)現(xiàn)無人機一些尺寸大小規(guī)格不一樣，無人機機身零件不能按照原先要求放置到指定位置，于是采用組裝方式進行。第二套方案設(shè)計好的無人機由于考慮不全面，需要機身部件太多，以至于無人機重量超過預定設(shè)計，不利于無人機的續(xù)航與起飛。最后，我們采納老師意見，進行第三套方案，把無人機分開設(shè)計打印，往簡單里面設(shè)計，先設(shè)計整體框架，其他部件留以后進行修改。

首先，我們先按照無人機的螺旋槳大小與無人機機翼頭部發(fā)動機大小比例設(shè)計支撐無人機飛行的支架。通過3D MAX完成對無人機機翼頭部支架設(shè)計如圖1所示，最終成型的模型效果圖如圖2所示。然后進行無人機機身底座設(shè)計，采用平面設(shè)計法，把之前設(shè)計的上底座與下底座設(shè)計成可嵌套式的單層底座如圖3所示。把設(shè)計好的無人機底座模型與無人機機翼支撐模型進行組裝，嚴格按照無人機的螺旋槳大小與螺旋槳之間需要多少空間進行空氣對流設(shè)計如圖4所示。最后設(shè)計無人機的電池放置槽，采用嵌套方法把無人機的電池放置在設(shè)計好的盒子里面，然后與底部嵌套在一起如圖5所示。

最終通過不斷的改進和完善，完成無人機的機身制作建模如圖6所示。

制作的無人機機身模型與無人機支架模型，再通過3D打印機進行打印，打印好的無人機進行組裝試飛，并通過實踐來驗證整體性能。3D思維社團與嵌入式無人機工作室充分合作，團隊自主研發(fā)的無人機裝備在校內(nèi)獲得一致認可，并且頒發(fā)立項證書，也在江蘇省2017年創(chuàng)新項目中獲得認可。

了最終的研發(fā)成果。這極大促進我校在無人機方面的研究，也推動了不同專業(yè)之間的融合。

5 結(jié)束語

該項目選題來自校大學生科研基金項目，通過該項目的研發(fā)，3D思維社團與嵌入式無人機工作室充分合作，自主設(shè)計并研發(fā)的無人機在校內(nèi)獲得一致認可，促進了不同專業(yè)融合，不僅培養(yǎng)鍛煉學生團隊合作能力，也大大提高了同學們自主創(chuàng)新意識和科研能力。為將來學生走向社會進行實際開發(fā)和科學研究奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 羅軍. 中國3D打印的未來[M].北京： 東方出版社，2014.

[2] 3D打印主流技術(shù)基本原理與工藝[J].機械/儀表，2015（9）.3D打印主流技術(shù)基本原理與工藝 機械/儀表 201