3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

文/褚威 李欣 牛思源 王立東 程高峰

（中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 甘肅省酒泉市 732750）

1 前言

隨著無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前，無(wú)人機(jī)已經(jīng)在軍用和民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但從目前市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)成本還比較高、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，并且受傳統(tǒng)制造工藝的限制較大。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，具備可定制、成本低、周期短、無(wú)廢料、復(fù)雜加工、精確復(fù)制等優(yōu)勢(shì)，給無(wú)人機(jī)生產(chǎn)制造提供了新的解決思路，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)生產(chǎn)制造中的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。本文對(duì)3D打印無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析與梳理，針對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題提出了3D打印無(wú)人機(jī)的解決思路，并結(jié)合打印小型三角翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用案例對(duì)3D打印無(wú)人機(jī)的工作流程和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

2 3D打印無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)

2.1 可定制

當(dāng)前無(wú)人機(jī)正朝著小型化、輕型化、智能化、高度定制的趨勢(shì)發(fā)展，各種優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上，這對(duì)傳統(tǒng)制造工藝提出了較高的要求。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的制造工藝，擺脫了夾具、模具、工具的限制，設(shè)計(jì)人員在建模階段可以充分發(fā)揮想象力，通過(guò)軟件建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜的打印件模型，3D打印都可以完全地按照設(shè)計(jì)創(chuàng)意完成加工。

2.2 成本低

3D打印特有的增材制造生產(chǎn)方式，與傳統(tǒng)制造工藝相比主要是做“加法”，沒(méi)有切割、磨削、腐蝕等“減法”流程，可大大提高原材料的利用率，基本沒(méi)有廢料的產(chǎn)生；“一次成型”省去了夾具、模具、工具的費(fèi)用；“本地化”生產(chǎn)模式省去了廠房和生產(chǎn)線的前期投入，以及中間的運(yùn)輸儲(chǔ)存成本。實(shí)踐證明，使用3D打印技術(shù)可以大幅降低生產(chǎn)制造成本。

2.3 工期短

無(wú)人機(jī)的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程多、操作繁雜，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，而3D打印一次成型的特點(diǎn)，能有效減少無(wú)人機(jī)的連接部件，摒棄螺栓、合頁(yè)等傳統(tǒng)的連接工藝，有利于節(jié)省燃料或增加載荷，可使無(wú)人機(jī)生產(chǎn)制造的工期大大縮短，而且生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)加工出現(xiàn)的固有不足，與無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)一致。

3 3D打印無(wú)人機(jī)的難點(diǎn)

3.1 三維建模要求高

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以傳統(tǒng)的小型固定翼無(wú)人機(jī)為例：除動(dòng)力系統(tǒng)及其他電子設(shè)備外，機(jī)體通常由機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、起落裝置等組成，且各結(jié)構(gòu)多為不規(guī)則形狀。若使用三維建模軟件對(duì)其進(jìn)行人工建模，存在較大的困難和障礙，一是對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)件的尺寸度量不精準(zhǔn)，二是對(duì)曲面件的曲率無(wú)法準(zhǔn)確度量，三是對(duì)打印細(xì)節(jié)無(wú)法準(zhǔn)確把握；因此對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行三維建模時(shí)的要求較高，對(duì)建模人員的操作水平要求也較為苛刻。

3.2 打印尺寸受限制

3D打印最大一次成型尺寸取決于打印機(jī)的打印空間大小，但是在實(shí)際工作時(shí)通常不會(huì)打印極限尺寸模型，因?yàn)榇蛴〕叽邕^(guò)大時(shí)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加且邊緣易翹曲。當(dāng)前，3D打印行業(yè)最大的成型尺寸在3m左右，尺寸越大，其機(jī)器使用和生產(chǎn)成本就越高，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所使用3D打印機(jī)成型尺寸通常在1m以內(nèi)，基本可滿足大多數(shù)多旋翼無(wú)人機(jī)的打印需求，但對(duì)于固定翼或復(fù)合翼等機(jī)身尺寸偏大的無(wú)人機(jī)，將會(huì)受到3D打印機(jī)的尺寸限制。

3.3 機(jī)體重量增加多

3D打印壁厚越大，零件硬度和強(qiáng)度越高，但同時(shí)重量也相應(yīng)增加，一般FDM打印最小壁厚為1.2mm，SLA打印最小壁厚為1mm。以SLA打印為例，光敏樹(shù)脂固化后密度約為1.2g/cm3@25℃，拉伸強(qiáng)度約為55MPa；無(wú)人機(jī)使用的碳纖維復(fù)合材料密度約為1.8g/cm3，抗壓強(qiáng)度約為3500MPa；則固化光敏樹(shù)脂與碳纖維做到相同強(qiáng)度時(shí)的重量比約為1：42。因此，為達(dá)到原型機(jī)相應(yīng)強(qiáng)度，理論上3D打印無(wú)人機(jī)整機(jī)重量要增加數(shù)十倍。

3.4 氣動(dòng)外形有變化

3D打印對(duì)精度具有一定的要求，對(duì)于浮雕類部件，凸起的層高和層寬最小為0.5mm，凹陷的層高和層寬最小為0.4mm。并且受打印機(jī)本身和建模階段的精度影響，打印無(wú)人機(jī)部件時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差，尤其是對(duì)于機(jī)翼、副翼等關(guān)鍵部位，其表面曲率還受打印材料和后期處理水平等因素影響，導(dǎo)致打印出的部件會(huì)在一定程度上改變整機(jī)的氣動(dòng)外形，這樣制造出的無(wú)人機(jī)可能無(wú)法正常飛行。

4 3D打印無(wú)人機(jī)的解決思路

4.1 使用三維激光掃描技術(shù)，減小建模難度

三維激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)距原理，通過(guò)記錄物體表面大量、密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出目標(biāo)的三維模型，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)缺少技術(shù)文檔的情況下，可快速測(cè)得輪廓集合數(shù)據(jù)，并修改形成曲面數(shù)字化模型。在3D打印無(wú)人機(jī)建模階段，可借助于三維激光掃描技術(shù)，快速獲取高精度模型，有效減小手動(dòng)建模難度，節(jié)省建模時(shí)間。

4.2 采用結(jié)構(gòu)分解進(jìn)行打印，減小尺寸限制

對(duì)于尺寸較大的無(wú)人機(jī)，可將整體結(jié)構(gòu)適當(dāng)分解為若干符合打印機(jī)成型尺寸的部件進(jìn)行打印，現(xiàn)有小型無(wú)人機(jī)大都采用快裝快拆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其機(jī)身主體、機(jī)翼主體、翼尖小翼、尾翼、設(shè)備艙等都可以進(jìn)行拆分。在打印大尺寸無(wú)人機(jī)時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)分解的方式減小打印機(jī)成型尺寸的限制。

4.3 選配較大的動(dòng)力系統(tǒng)，減小重量影響

圖1：三維激光掃描建模

圖2：修正后模型

為解決3D打印無(wú)人機(jī)的重量問(wèn)題，可根據(jù)實(shí)際成型重量選配大動(dòng)力系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)的動(dòng)力類型有兩種：燃油動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)和電池動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)。若原型機(jī)為電池驅(qū)動(dòng)，可考慮換用電壓較大的電池，并匹配功率更大的電機(jī)和尺寸更大的螺旋槳；或者考慮更換為油動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。若原型機(jī)為燃油驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的選用要在原型機(jī)的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加功率、排量，以增加無(wú)人機(jī)動(dòng)力，減小3D打印重量增加的影響。

4.4 強(qiáng)化設(shè)計(jì)與后處理技術(shù)，減小外形影響

3D打印無(wú)人機(jī)建模階段和后期處理階段會(huì)影響到無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形。3D打印拼接件需預(yù)留一定的裝配間隙，通常FDM拼接間隙為0.2～0.3mm，SLA拼接間隙為0.1～0.2mm，拼接間隙應(yīng)隨著模型尺寸的增大而增大，這需要在建模階段就做好預(yù)留設(shè)計(jì)。部件打印成型后還需要進(jìn)行后期處理，以FDM打印件為例，成型后的部件表面粗糙且紋理明顯，需進(jìn)行細(xì)致的研磨拋光，以保證打印件的表面平滑，減小氣動(dòng)外形變化的影響。

5 一種3D打印無(wú)人機(jī)的案例分析

5.1 工作流程

以國(guó)內(nèi)某型小型三角翼無(wú)人機(jī)為案例，采用3D打印技術(shù)仿制該無(wú)人機(jī)的主要工作流程如下：

圖5 （a）、（b）中，實(shí)線表示降水量偏多狀態(tài)，虛線表示降水量偏少狀態(tài)，系數(shù)為零表示降水變化的突變點(diǎn)。圖5（c）、（d）反映能量隨時(shí)間尺度的分布。

（1）確定原型機(jī)。以國(guó)內(nèi)某型測(cè)繪類固定翼無(wú)人機(jī)為原型機(jī)，該機(jī)型為小型三角翼布局，相較于常規(guī)固定翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、打印難度小。

（2）分析結(jié)構(gòu)尺寸，確定打印方式。原型機(jī)翼展2000mm，機(jī)長(zhǎng)1080mm，可選用的打印機(jī)共3臺(tái)：1臺(tái)PLA打印機(jī)最大成型尺寸為600×600×400mm；2臺(tái)FDM打印機(jī)最大成型尺寸分別為750×750×750mm和350×3500×500mm。無(wú)法對(duì)原型機(jī)整機(jī)進(jìn)行一次成型，必須采用分解打印。

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，確定分解方法。原型機(jī)可拆分為機(jī)身（含設(shè)備艙、傘艙等）、機(jī)翼、翼尖小翼、機(jī)頭等幾部分，其中機(jī)身和艙體、翼尖小翼尺寸較小，可采取一次成型；機(jī)翼部分尺寸較大，且具有一定厚度，若直接打印則中間支撐較多，導(dǎo)致重量增加，綜合考慮決定將機(jī)翼分解為四部分進(jìn)行打印，且副翼單獨(dú)打印。

（4）選用打印機(jī)。經(jīng)計(jì)算，若使用FDM打印機(jī)打印翼尖小翼，約需100h；若使用SLA打印機(jī)打印翼尖小翼，約需5h，為縮短制作工期決定主體選用SLA打印機(jī)，副翼選用FDM打印機(jī)。

（5）三維建模。使用手持式三維激光掃描儀分別將機(jī)身、艙體、機(jī)翼、翼尖小翼、副翼等部件的三維模型建立起來(lái)。如圖1所示。

（6）模型修正。主要是通過(guò)建模軟件對(duì)掃描儀建立的模型進(jìn)一步修正，確定打印壁厚和拼接間隙、合理設(shè)置支撐、對(duì)機(jī)翼進(jìn)行分解。考慮到重量和強(qiáng)度因素，確定翼尖小翼、機(jī)翼的打印壁厚為1mm，機(jī)身部位的打印壁厚為2mm；考慮拼接因素，各分解部位的拼接間隙預(yù)留0.2mm；考慮后期處理和無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形因素，支撐全部設(shè)置在內(nèi)表面；將機(jī)翼從橫向和縱向分解為四部分。如圖2所示。

（7）實(shí)施打印。將修正后的模型分別導(dǎo)入SLA打印機(jī)和FDM打印機(jī)，設(shè)置打印參數(shù)后開(kāi)始實(shí)施打印。如圖3所示。

圖4：二次固化

圖5：黏合拼接組裝

（8）后期處理。打印結(jié)束后，主要進(jìn)行去除支撐、清洗、二次固化、研磨拋光、補(bǔ)土、上色等后期處理。SLA打印件下機(jī)后，及時(shí)去除支撐，對(duì)于薄壁件用干凈酒精快速清洗1次，時(shí)間不能超過(guò)2min，并立即吹干；其他部件第一次可用循環(huán)酒精清洗，第二次則用干凈酒精清洗，局部部位使用蘸酒精棉紗擦拭干凈；清洗結(jié)束后，立即用風(fēng)槍吹掉打印件表面酒精，再用電吹風(fēng)吹干；然后在日光、紫外線烘箱內(nèi)進(jìn)行10～20min二次光固化，對(duì)于強(qiáng)度要求高的機(jī)身、機(jī)翼等部件的固化時(shí)間可延長(zhǎng)至2h。如圖4所示。

（9）選配動(dòng)力系統(tǒng)。原型機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)為DLA32型發(fā)動(dòng)機(jī)，功率3.8HP、排量32CC，可適配18×8、18×10、19×8、20×8等尺寸的螺旋槳，3D打印無(wú)人機(jī)整體重量增加，計(jì)劃選配功率7.2HP、排量64CC的DLA64型發(fā)動(dòng)機(jī)，并適配22×10、23×10、24×8、23×8等尺寸的螺旋槳。

（10）拼接組裝成型。將處理之后的部件按照原型機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行黏合拼接組裝，重點(diǎn)是機(jī)翼分解的四部分的黏合和副翼與機(jī)翼之間的黏合。機(jī)翼部分先采用強(qiáng)力膠水進(jìn)行拼接，外部接縫處用大力膠帶固定；副翼和機(jī)翼之間采用強(qiáng)力膠帶進(jìn)行拼接，保證副翼的靈活性。如圖5所示。

（11）性能測(cè)試。將動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、舵機(jī)、傳感器等電子設(shè)備按照原型機(jī)位置進(jìn)行安裝完畢后，先進(jìn)行內(nèi)場(chǎng)的性能測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，待內(nèi)場(chǎng)測(cè)試穩(wěn)定后，進(jìn)行外場(chǎng)的飛行測(cè)試，以檢驗(yàn)3D打印無(wú)人機(jī)的整體性能。

5.2 技術(shù)難點(diǎn)

5.2.1 機(jī)翼的制作與后處理

機(jī)翼部分對(duì)無(wú)人機(jī)整體的氣動(dòng)性影響較大。在機(jī)翼建模階段，由于三維激光掃描儀采用貼點(diǎn)的方式進(jìn)行掃描，會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼邊緣部位出現(xiàn)缺陷，需要手動(dòng)建模進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)的精細(xì)程度會(huì)影響打印細(xì)節(jié)；在后處理階段，對(duì)機(jī)翼部位打磨拋光的程度會(huì)影響機(jī)翼表面的氣動(dòng)外形，從而影響整機(jī)的氣動(dòng)性；在拼接組裝階段，各分解部件的黏合會(huì)影響整機(jī)的強(qiáng)度，副翼與機(jī)翼的拼接會(huì)影響整機(jī)的操縱性。因此，機(jī)翼部位的設(shè)計(jì)、制作、處理等過(guò)程至關(guān)重要，將直接影響到3D打印無(wú)人機(jī)的整體性能和質(zhì)量。

5.2.2 分解部件的拼接組裝

由于建模偏差和3D打印機(jī)機(jī)器本身偏差，打印出的無(wú)人機(jī)部件會(huì)存在一定的精度誤差，在拼接組裝時(shí)可能出現(xiàn)間隙過(guò)大或過(guò)小的情況。若間隙過(guò)大，則部件之間貼合不緊密，整機(jī)的強(qiáng)度和氣動(dòng)性會(huì)受到影響，需要進(jìn)行填充和修補(bǔ)；若間隙過(guò)小，則部件之間無(wú)法拼接，需要對(duì)結(jié)合部位進(jìn)行打磨，增加拼接組裝的難度和工作量。

5.2.3 整體結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度

通過(guò)理論計(jì)算，相同強(qiáng)度時(shí)固化光敏樹(shù)脂與碳纖維的重量比約為1：42。若3D打印無(wú)人機(jī)和原型機(jī)做到強(qiáng)度相同時(shí)，其整機(jī)重量會(huì)成倍增加，考慮到經(jīng)濟(jì)成本和動(dòng)力系統(tǒng)配置問(wèn)題，實(shí)際制作過(guò)程中會(huì)盡量減少打印部件的壁厚，這樣會(huì)導(dǎo)致打印無(wú)人機(jī)的強(qiáng)度低于原型機(jī)；此外，由于機(jī)翼部位采用分解方式進(jìn)行打印，最終拼接的效果也會(huì)影響到整機(jī)強(qiáng)度。因此，3D打印無(wú)人機(jī)的抗壓強(qiáng)度還有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.2.4 飛機(jī)性能的不確定性

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造無(wú)人機(jī)的案例較少，可參考的制作經(jīng)驗(yàn)也較少，尤其是對(duì)于整機(jī)的制造還存在諸多技術(shù)問(wèn)題，因此，對(duì)于打印成型的無(wú)人機(jī)性能還存在較大的不確定性，在測(cè)試階段將會(huì)出現(xiàn)各類問(wèn)題，需要進(jìn)行不斷地修正和優(yōu)化，最終的飛行性能還需要大量的外場(chǎng)飛行測(cè)試來(lái)確定。

6 小結(jié)

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例對(duì)使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造無(wú)人機(jī)進(jìn)行了研究探索，總結(jié)出了一套3D打印無(wú)人機(jī)的工作流程，分析了打印過(guò)程中存在的技術(shù)難點(diǎn)，為后續(xù)3D打印制造無(wú)人機(jī)技術(shù)提供了一定的參考。通過(guò)實(shí)踐證明，3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)生產(chǎn)制造中具有較高的可行性，受到當(dāng)前技術(shù)限制，還存在一些技術(shù)難點(diǎn)需要通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)測(cè)試去攻克，本文中所舉案例也還未進(jìn)行外場(chǎng)飛行測(cè)試，對(duì)實(shí)際的飛行性能還不確定，在下一步研究工作中仍需要繼續(xù)探索。但綜合前期工作來(lái)看，使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造無(wú)人機(jī)符合當(dāng)前無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，在無(wú)人機(jī)制造業(yè)中具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。