基于3D打印技術(shù)的多功能飛行器的發(fā)展研究

于春艷　虞強　韓連杰　張晨陽　徐佳偉　梁中陽

摘? 要：作為現(xiàn)代信息化的代表之一，無人飛行器朝著輕量化和小型化方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式、系統(tǒng)功能也不斷豐富，在國防安全、遙感監(jiān)控、農(nóng)林防火等諸多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。為滿足提高無人飛行器空間利用率的需要，達到搭載承重限度的更高要求，對其材料選擇、工藝加工、系統(tǒng)性能進行優(yōu)化設(shè)計成為必然選擇。而3D打印技術(shù)具有成本低、周期短、便攜制造、復(fù)制精確、能進行復(fù)雜加工和無廢棄副產(chǎn)品等優(yōu)點，可見，3D打印在無人駕駛飛行器的設(shè)計制造方面具有獨特優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);無人機飛行器;無人機應(yīng)用與發(fā)展

中圖分類號：V229;TH16? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

英國工程師設(shè)計并測試了世界上第一臺“打印”出來的無人機，標(biāo)志著無人機制造進入了3D打印時代。與傳統(tǒng)工藝相比，3D打印技術(shù)可以有效減少制作成本，進一步提高生產(chǎn)效率，一經(jīng)推出便受到世界各國廣泛關(guān)注，并被《經(jīng)濟學(xué)人》評為推動第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一。目前，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和工業(yè)技術(shù)正發(fā)生重大變革，3D打印技術(shù)已形成不可阻擋的市場發(fā)展趨勢。

1? 關(guān)于3D打印技術(shù)的概述

3D打印是一種基于數(shù)字模型文件的快速建模技術(shù)，是“增材制造”技術(shù)的總稱，使用諸如塑料或粉末金屬等可粘合材料通過逐層打印的方式來創(chuàng)建三維物體，“分層制造，逐層疊加”。

與傳統(tǒng)的工藝不同，3D打印技術(shù)集成了機械、材料、計算機和生物醫(yī)學(xué)等技術(shù)。憑借縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本，并能夠?qū)?fù)雜形狀的工件制造成一體式制造的優(yōu)勢，未來可能對制造生產(chǎn)模式和人類生活方式產(chǎn)生重要影響。根據(jù)3D打印成型原理，3D打印方式通常可分成兩種：沉積原材料制造和黏合原材料制造，包括十幾種三維快速建模技術(shù)，如表1所示，其中立體光固化成型（SLA）、熔融沉積式（FDM）、分層實體制造（LOM）、三維粉末粘合（3DP）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）這五種技術(shù)相對成熟，具有很好的發(fā)展前景。

常規(guī)采用的3D打印飛行器方法則是選用聚乳酸（PLA）作為材料，運用了FDM技術(shù)進行分段打印，最后進行拼裝，使其具有良好的機械性能和物理性能，這樣打印出的飛行器能夠符合要求，強度也會大大增強，并且由于選用的是可降解材料，所以也不會污染環(huán)境。

2? 3D打印技術(shù)與飛行器制造相結(jié)合

雖然在此之前，3D打印技術(shù)已基本應(yīng)用于無人機某些部件的加工和制造，但僅用作傳統(tǒng)制造的輔助工具。在多塞特海岸進行試飛的由英國南安普頓大學(xué)設(shè)計的打印無人機SULSA，可以說是用3D打印技術(shù)整機制造飛行器的首例，現(xiàn)已正式投入實際使用，并用于幫助南極的破冰船偵察路線。

隨著近年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)也有了顯著的進步，可加工的原材料范圍逐步擴大到樹脂、陶瓷、塑料、復(fù)合材料和幾乎所有金屬合金，無人機的制造技術(shù)也正朝著小型化、輕量化、大型任務(wù)負(fù)荷和高定制化的方向發(fā)展，這要求無人機重量更輕、機械性能更好，并且在有限的體積內(nèi)更有能力。

首先，無人機的高度可定制要求很高，而3D打印技術(shù)具有很強的適應(yīng)性，獨立于模具、工具、生產(chǎn)線等條件的限制，并且可以批量生產(chǎn)，隨意定制，不同的產(chǎn)品組可以在同一臺3D打印機上處理，這是選擇3D打印技術(shù)的原因之一。

其次，3D打印技術(shù)可以有效降低生產(chǎn)成本，在工程實踐中也已得到證實。“添加”的生產(chǎn)方法沒有“減法”生產(chǎn)方法中的切割、研磨和腐蝕等工藝，可以實現(xiàn)原料需要多少便添加多少，極大地提高了利用率。同時也因為“一次成型”的優(yōu)點，消除了模具、固定裝置和加工工具的成本，加上“本地化”生產(chǎn)模式，消除了對工廠和生產(chǎn)線的前期投資，以及中間的運輸和存儲成本。

再者，3D打印技術(shù)避免了傳統(tǒng)設(shè)計和制造過程中的樣品設(shè)計、模具生產(chǎn)、加工后處理等繁瑣步驟。從構(gòu)思到產(chǎn)品，大大縮短了生產(chǎn)周期，直接將新技術(shù)應(yīng)用于新零件，加快了創(chuàng)意和設(shè)計的測試，從而有效地提高了生產(chǎn)效率。

目前，各國都把3D打印技術(shù)作為研發(fā)的重要方向，其高精度、高智能、普遍化的優(yōu)勢也越來越明顯。在速度、效率和精度同步提高的基礎(chǔ)上，將出現(xiàn)許多新工藝，如平行印刷、連續(xù)印刷、大尺寸印刷、多材料印刷等。

3? 飛行器功能介紹

飛行器應(yīng)當(dāng)具備常規(guī)鳥類的飛行速度，并可在此飛行速度下進行各種作業(yè)，設(shè)計其基本功能時應(yīng)考慮以下問題：

作為常規(guī)布局飛行器，首先需要解決的就是攜帶問題，因此，在進行飛行器設(shè)計時可考慮拆解功能。在成型后，主機翼由兩塊機翼拼合而成，銜接處由于在飛行時會受到巨大的力矩，因此選用3D打印骨架，使用粗碳桿進行連接。

由于飛行器追求滑翔性能，翼展較大，因此對于起飛場地要求較高，這對于多功能飛行器的使用是不利的。因此為了適應(yīng)在更多地形下使用，需盡可能減輕飛行器自重，從而獲得高推重比，同時具備加速度計，空速管等硬件，使之具備在狹窄區(qū)域內(nèi)的起飛功能和拋飛功能。

在無人機快速發(fā)展的今天，航線飛行已經(jīng)成為了無人機的標(biāo)配，作為一款多功能無人機，航線巡航能力必不可少，同時，作為一款工具無人機，應(yīng)當(dāng)能夠準(zhǔn)確地到達航點，這不僅僅對機載GPS有著較高的需求，同時還應(yīng)具備主動補償側(cè)風(fēng)所造成影響的能力，因此該無人機的布局應(yīng)比飛翼式設(shè)計更接近傳統(tǒng)的布局無人機。

依據(jù)航點觸發(fā)式的工作原理，可設(shè)計具備在目標(biāo)地點執(zhí)行動作的能力。同時針對飛行平臺的搭建，可根據(jù)工作的需求加裝不同的模塊，如顏色識別模塊、信號轉(zhuǎn)接模塊等。

即使電子設(shè)備發(fā)展迅速，但飛控或其他功能硬件失效的事件仍然頻頻發(fā)生，一個好的飛行邏輯便尤為重要，其中的重中之重便是返航機制。應(yīng)設(shè)計完善的返航機制，這樣若飛行器飛出設(shè)定工作空域或硬件失控便會立刻觸發(fā)返航指令。

工具型無人機由于應(yīng)用于較為惡劣的工作環(huán)境，因此損傷也在所難免，保護內(nèi)部重要設(shè)備以及便于維修也成為了設(shè)計工作中極為重要的一點，通過對電子設(shè)備艙強化保護，同時進行分段設(shè)計，可在較短時間內(nèi)更換受損艙段，從而減少因飛機受損而怠工的可能性。

4? 對無人機發(fā)展前景的展望

未來的民用無人機將應(yīng)用于更多的行業(yè)領(lǐng)域，因為和有人駕駛飛機相比，無人機優(yōu)勢更加明顯。它已廣泛應(yīng)用于航空攝影、遙感航測、環(huán)境監(jiān)測、交通巡邏、通訊中繼和快遞業(yè)等多個領(lǐng)域，也正因如此，在人社部發(fā)布的2019年新職業(yè)公示通告中，無人機駕駛員榜上有名。

無人機在航空攝影中的發(fā)展：2017年，我國航拍無人機的市場規(guī)模達到40億多元人民幣，同時在以86.5%的年復(fù)合增長率快速發(fā)展;到2020年，市場規(guī)模預(yù)計達到250億元。在技術(shù)方面，無人機的操控性能會更好，電池的續(xù)航能力將會增強，信號傳輸距離也會增加，在特殊氣候環(huán)境下，比如大風(fēng)天氣、低溫等，也可以工作。

無人機將會在農(nóng)業(yè)植保中大展身手，通過應(yīng)用于病蟲害監(jiān)控、農(nóng)藥噴灑等方面，從而減少病蟲害污染，提高糧食產(chǎn)量，是現(xiàn)代化智能農(nóng)場的重要組成部分。

無人機在快遞行業(yè)中的發(fā)展形勢也十分樂觀。孫澤波和胡家祺的Linkall團隊設(shè)計了一款名為“智能蜂”的四旋翼快遞無人機系統(tǒng)，能夠接收來自“北斗”或GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，計算出最佳飛行路徑，并通過傳感器自行避障，從而順利完成快遞任務(wù)。此外，順豐速遞也在東莞和深圳等城市進行了無人機配送服務(wù)的相關(guān)測試。

未來的無人機將會向著智能化、低成本、模塊化、長時間續(xù)航、多無人機協(xié)作聯(lián)合作業(yè)等方向發(fā)展，無人機的自主作業(yè)能力將會增強，可以面對不同的作業(yè)環(huán)境自動做出相應(yīng)的決策，其續(xù)航能力和載重能力也會相應(yīng)提高。

5? 結(jié)? 論

我國也開始逐漸重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，但就目前來說，我國3D打印技術(shù)還處于起步階段，整體研發(fā)相對落后，缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)劃且知識產(chǎn)權(quán)保護體系不夠健全。3D打印技術(shù)還只作為傳統(tǒng)制造工藝的補充，想要在飛行器制造領(lǐng)域推廣使用還比較困難，但不可否認(rèn)的是，在發(fā)展過程中，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相得益彰、相互補充，在快速設(shè)計和制造領(lǐng)域顯現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，這注定3D打印技術(shù)在飛行器制造領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。

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作者簡介：于春艷（1998-），女，漢族，湖南郴州人，本科，先后多次參加全國機械成圖大賽，主持揚州大學(xué)校重點科創(chuàng)項目，獲校挑戰(zhàn)杯項目一等獎，公開兩項發(fā)明專利，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。