基于3D打印的無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)

胡嘉琪

（美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校，美國(guó)加州 94720）

1.3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印技術(shù)工作原理

3D打印機(jī)是在計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)以及傳統(tǒng)打印機(jī)基礎(chǔ)上生成的一種高科技技術(shù)，3D打印機(jī)也是通過(guò)電腦控制來(lái)進(jìn)行的，只不過(guò)是在電腦相關(guān)技術(shù)的支持下，將打印材料疊加到一起，而后通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，來(lái)將計(jì)算機(jī)中的零件藍(lán)圖通過(guò)3D打印機(jī)制造出來(lái)。這種技術(shù)不僅能夠大幅度降低零件制造的工作難度，還能夠保證零件的精準(zhǔn)度，對(duì)于相關(guān)行業(yè)有著重要的應(yīng)用作用和意義。

1.1.1 三維設(shè)計(jì)

三維設(shè)計(jì)是進(jìn)行3D打印的關(guān)鍵所在。在進(jìn)行3D打印前先需要利用計(jì)算機(jī)中3D MAX等動(dòng)畫(huà)建模軟件將想要打印的零件藍(lán)圖進(jìn)行制造，而后在將藍(lán)圖設(shè)置為一層一層的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到與3D打印機(jī)中材料對(duì)稱的目的，便能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件與3D打印機(jī)之間的連接來(lái)進(jìn)行接下來(lái)的零件3D打印工作[1]。

1.1.2 打印過(guò)程

3D打印機(jī)在接收到計(jì)算機(jī)傳達(dá)出來(lái)的指令之后，便會(huì)通過(guò)讀取文本中的相關(guān)信息，利用自身液體狀、粉狀等特定的材料來(lái)對(duì)零件截面逐層打印，在通過(guò)相應(yīng)的粘合方式將所有的零件截面整合為一個(gè)整體，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件結(jié)構(gòu)3D打印的目的。不過(guò)在進(jìn)行3D打印過(guò)程時(shí)需要時(shí)刻注意材料是否充足，一旦材料不夠便可能發(fā)生零件打印中斷等現(xiàn)象。

1.1.3 完成打印

3D打印技術(shù)能夠很好地完成精密程度較高的零件的制造，存在著一些需要使用輔助物打印的零件，因此在完成零件3D打印之后還需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)對(duì)零件進(jìn)行一定程度上的打磨，能夠使得零件外表更加的光滑，將一些不必要的輔助物去除掉，從而達(dá)到保證零件完整的目的。

1.2 3D打印技術(shù)存在的不足

3D打印技術(shù)雖然已經(jīng)較為成熟，但其也仍然存在著一些不足之處，其中最影響3D打印技術(shù)發(fā)展的便是材料和機(jī)器的限制，3D打印技術(shù)雖然已經(jīng)具有了較高的普及程度，但是對(duì)于一些較為特殊的材料其還是無(wú)法進(jìn)行應(yīng)用，導(dǎo)致3D打印技術(shù)無(wú)法滿足所有物品制造的需求，同樣機(jī)器的性能也是限制3D打印技術(shù)應(yīng)用的因素之一，現(xiàn)如今3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，大多數(shù)靜態(tài)物體均能夠通過(guò)3D打印技術(shù)打印出來(lái)，但是其對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體卻沒(méi)有打印能力，這也是3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展所要解決的問(wèn)題之一。3D打印技術(shù)對(duì)于相關(guān)應(yīng)用行業(yè)未來(lái)的發(fā)展來(lái)說(shuō)有著重要的作用，只有不斷地通過(guò)對(duì)自身技術(shù)的革新，將不足之處進(jìn)行完善，才能夠更好地服務(wù)于相關(guān)行業(yè)中。

1.3 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)的概念出現(xiàn)于1986年，但是從2011年開(kāi)始，3D打印技術(shù)才在全球掀起熱潮，同時(shí)隨著其技術(shù)的愈加成熟，我國(guó)對(duì)于3D打印技術(shù)也是越來(lái)越重視，現(xiàn)如今3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了越來(lái)越多的領(lǐng)域之中，從最開(kāi)始的機(jī)械零件打印，到現(xiàn)在的航天零件、無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)以及生物3D打印等，3D打印技術(shù)正在以其先進(jìn)的物品制造方式占據(jù)越來(lái)越大的應(yīng)用市場(chǎng)。

在我國(guó)整體市場(chǎng)中，3D打印技術(shù)目前還只是應(yīng)用于高端產(chǎn)品制造當(dāng)中，一方面是因?yàn)槠渚哂懈甙旱囊贸杀?，且還存在著一些不足之處，無(wú)法滿足所有行業(yè)的需求，另一方面則是因?yàn)槠渥陨硇阅艿囊蛩兀?D打印技術(shù)更加適合于高端產(chǎn)品的制造，這樣才能夠保證成本支出與收益成正比。不過(guò)隨著3D打印技術(shù)的愈加成熟，其使用成本也會(huì)在技術(shù)不斷進(jìn)步中逐漸下降，同時(shí)其功能也將滿足于越來(lái)越多用戶的需求，從而慢慢能夠達(dá)到覆蓋所有需求市場(chǎng)的目的。

2基于3D打印的無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)

2.1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)的必然性

無(wú)人機(jī)也就是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，根據(jù)作用目的不同能夠?qū)⑵浞譃檐娪煤兔裼脙煞N，但無(wú)論是哪種無(wú)人機(jī)都會(huì)自身各個(gè)方面裝備的研發(fā)有著較高的要求，而3D打印技術(shù)則是一種能夠滿足無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)的新技術(shù)，因此3D技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)有著必然性存在[2]。

2.1.1 傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)制造工藝無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)的發(fā)展需求

在傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)制造工藝中通常需要相關(guān)研發(fā)人員對(duì)無(wú)人機(jī)各個(gè)部位的裝備在紙上進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后在通過(guò)機(jī)床等機(jī)器設(shè)備根據(jù)零件數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行模具制造，這樣不僅需要浪費(fèi)大量的時(shí)間，還需要投入大量的資金成本，而且還無(wú)法保證無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)的精準(zhǔn)度與可靠性，有浪費(fèi)材料的可能性，不利于推動(dòng)無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)的整體進(jìn)程。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的愈加成熟，其對(duì)零件裝備的要求也是越來(lái)越苛刻，傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)對(duì)于裝備精準(zhǔn)度以及其他方面的需求，即使通過(guò)傳統(tǒng)制造工藝研發(fā)制造出無(wú)人機(jī)裝備，也無(wú)法使其發(fā)揮出應(yīng)有的作用。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)制造工藝技術(shù)已經(jīng)跟隨不上無(wú)人機(jī)的發(fā)展需求，只有通過(guò)引進(jìn)3D打印技術(shù)這樣更加先進(jìn)的技術(shù)才能夠保證無(wú)人機(jī)相關(guān)行業(yè)更加快速的發(fā)展。

2.1.2 3D打印技術(shù)為無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)提供了可靠的技術(shù)支持

3D打印技術(shù)作為無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)領(lǐng)域中應(yīng)用的一種新興技術(shù)，對(duì)于無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)有著重要的推動(dòng)作用，研發(fā)人員只需要在計(jì)算機(jī)上通過(guò)3D MAX等軟件便可以對(duì)無(wú)人機(jī)各個(gè)方面的裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后通過(guò)3D打印機(jī)便能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)好的無(wú)人機(jī)裝備進(jìn)行打印，不僅能夠大幅度減少無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)的時(shí)間，還能夠在一定程度上減少無(wú)人機(jī)裝備的研發(fā)成本支出。

3D打印技術(shù)同樣也是無(wú)人機(jī)未來(lái)發(fā)展的可靠技術(shù)支持，一方面是因?yàn)槠淠軌驖M足無(wú)人機(jī)裝備制造的各種需求，無(wú)論多么復(fù)雜的裝備零件都能夠打印出來(lái)，另一方面則是因?yàn)?D打印技術(shù)對(duì)于減小研發(fā)人員的工作強(qiáng)度也有著一定的幫助，能夠在保證無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)質(zhì)量的同時(shí)為其提供最為合適的研發(fā)空間，更加有利于無(wú)人機(jī)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展。

2.2 3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)也是3D打印技術(shù)應(yīng)用的主要行業(yè)之一，一方面是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用3D打印技術(shù)能夠更好把控?zé)o人機(jī)裝備的精準(zhǔn)性，另一方面則是因?yàn)?D打印技術(shù)能夠滿足無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)較多的需求，更加有利于無(wú)人機(jī)裝備的研發(fā)生產(chǎn)。

2.2.1 經(jīng)濟(jì)性

使用3D打印技術(shù)進(jìn)行無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)能夠節(jié)約大量的研發(fā)成本，因?yàn)?D打印技術(shù)在打印過(guò)程中是根據(jù)計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行工作的，能夠保證材料的充分使用，無(wú)人機(jī)裝備打印需要使用多少打印材料，3D打印機(jī)便會(huì)根據(jù)其打印材料需求使用多少材料，不會(huì)造成浪費(fèi)打印材料的現(xiàn)象發(fā)生。

而且使用3D打印機(jī)還能夠避免模具的制造，只需要根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行相關(guān)無(wú)人機(jī)裝備研究設(shè)計(jì)即可，不需要在利用其他材料和時(shí)間來(lái)制造無(wú)人機(jī)裝備模具。且3D打印機(jī)較小的體積也為無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)省掉了廠房以及生產(chǎn)線的設(shè)置，在保證無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)質(zhì)量的同時(shí)減少了生產(chǎn)成本，對(duì)于無(wú)人機(jī)相關(guān)行業(yè)發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

2.2.2 時(shí)效性

無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)具有較為復(fù)雜的加工和裝配工藝，在以往的傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)技術(shù)中不僅需要浪費(fèi)大量的人力財(cái)力資源，還需要消耗大量時(shí)間的成本，研發(fā)周期往往都比較長(zhǎng)，而且研發(fā)效果也不是很盡人意，既會(huì)浪費(fèi)大量的相關(guān)成本支出，還無(wú)法保證無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)結(jié)果的可靠性，非常不利于無(wú)人機(jī)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展。

而3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)中的應(yīng)用則能夠發(fā)揮出其時(shí)效性的優(yōu)勢(shì)，一方面其能夠通過(guò)自身技術(shù)保證無(wú)人機(jī)裝備的精準(zhǔn)度，確保其研發(fā)出來(lái)以后功能的完美實(shí)現(xiàn)，另一方面

3D打印技術(shù)能夠在大幅度縮減無(wú)人機(jī)裝備的研發(fā)周期，而且還可以進(jìn)行無(wú)人機(jī)裝備的快速制造，在一定程度上有利于提升相關(guān)無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)企業(yè)的整體工作效率。

2.2.3 制造復(fù)雜零件優(yōu)勢(shì)明顯

無(wú)人機(jī)屬于一種零件較多、裝備較為復(fù)雜多樣的機(jī)械，通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)裝備的研發(fā)，能夠更好地保證無(wú)人機(jī)的整體質(zhì)量。像傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)技術(shù)，不僅需要根據(jù)不同裝備的需求進(jìn)行對(duì)應(yīng)模具的研制，具有較高的前期研發(fā)成本支出，而且還不能夠保證裝備的精準(zhǔn)程序，經(jīng)常會(huì)發(fā)生因?yàn)槿藶橐蛩囟鴮?dǎo)致零件不符合使用需求的問(wèn)題。

而3D打印技術(shù)則完全沒(méi)有這方面的顧慮，根據(jù)不同無(wú)人機(jī)裝備的研發(fā)需求，研發(fā)人員只需要通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件程序便能夠完成前期裝備設(shè)計(jì)，并且即使后期制造使用中存在著一定的使用差異，也能夠快速地在軟件上對(duì)其進(jìn)行整改，不影響無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)的整體進(jìn)程。無(wú)論是簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)裝備還是較為復(fù)雜的無(wú)人機(jī)裝備，都能夠根據(jù)相關(guān)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，既能夠保證無(wú)人機(jī)裝備精度，又能夠消耗更少的時(shí)間和材料成本。因此可以看出使用3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)復(fù)雜裝備零件的研發(fā)制造中有著更多的應(yīng)用意義。

2.2.4 材料選擇的多樣性

根據(jù)無(wú)人機(jī)裝備的不同特性需要選擇不同的材料來(lái)進(jìn)行相關(guān)裝備的制造，在傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)過(guò)程中依靠人力來(lái)完成不同材料之間的融合，既存在著較大的失誤風(fēng)險(xiǎn)概率，又不能夠完全把握好不同材料間的數(shù)量選取。而3D打印技術(shù)則只需要在計(jì)算機(jī)程序中輸入相關(guān)的材料需求數(shù)據(jù)，3D打印機(jī)便能夠自行將不同原材料融合到一起進(jìn)行無(wú)人機(jī)裝備的制造，而也正是材料選擇的多樣式使得3D打印技術(shù)能夠滿足較多類型無(wú)人機(jī)裝備的研發(fā)，更加有助于推動(dòng)無(wú)人機(jī)相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。

3.3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)中的具體應(yīng)用

3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)上有著多個(gè)方面的應(yīng)用，其中不僅包括了無(wú)人機(jī)機(jī)身裝備的研發(fā)制造應(yīng)用，還包括了無(wú)人機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵性零件以及其他輔助裝備的研發(fā)制造應(yīng)用，可以說(shuō)3D打印技術(shù)從根本上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)制造的一體化。

3.1 利用3D打印技術(shù)制造無(wú)人機(jī)機(jī)身裝備

無(wú)人機(jī)機(jī)身是容納所有無(wú)人機(jī)零件的主要結(jié)構(gòu)，機(jī)身各個(gè)方面的大小以及厚度都是不一致的，而且機(jī)身上還需要制造一些用于連接其它內(nèi)部零件裝備的孔洞。因此其對(duì)3D打印也有著較高的要求，不僅需要滿足無(wú)人機(jī)機(jī)身功能的需求，還需要使得其外觀較為美觀。例如Nano-Racing無(wú)人機(jī)在研發(fā)過(guò)程中便應(yīng)用了FDM、SLA和SLS三種不同的3D打印技術(shù)，其中SLA 和SLS 3D打印是通過(guò)Sculpteo在線3D打印服務(wù)來(lái)進(jìn)行的。Nano－Racing無(wú)人機(jī)之所以靈活地選擇不同3D打印工藝，是因?yàn)闄C(jī)身不同的部位的需求是不一樣的，只有通過(guò)不同3D打印技術(shù)之間的互補(bǔ)才能夠更好地實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)機(jī)身的制造。

3.2 利用3D打印技術(shù)制造無(wú)人機(jī)關(guān)鍵性部件

無(wú)人機(jī)內(nèi)部零件是其正常工作運(yùn)行的核心所在，也是無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)的關(guān)鍵所在，研發(fā)人員需要根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)關(guān)鍵性部件都進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，只有保證了所有部件的精準(zhǔn)程度才能夠使得無(wú)人機(jī)更好地進(jìn)行操作運(yùn)行，因此無(wú)人機(jī)關(guān)鍵性部件對(duì)于制造工藝同樣有著較為苛刻的要求。

利用3D打印技術(shù)制造無(wú)人機(jī)關(guān)鍵性部件便是其在無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)中的重要應(yīng)用，一方面是因?yàn)椴煌考乃璨牧弦约皹?gòu)造結(jié)構(gòu)都是不一樣的，而3D打印技術(shù)則能夠完全滿足其各個(gè)方面的要求，能夠通過(guò)對(duì)不同材料的融合將無(wú)人機(jī)關(guān)鍵性部件裝備進(jìn)行研發(fā)制造。另一方面則是因?yàn)槭褂?D打印技術(shù)能夠保證關(guān)鍵性部件的精度，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為多少，制造出來(lái)的精度便為多少，不會(huì)受到過(guò)多因素的影響，更有利于無(wú)人機(jī)裝備的研發(fā)制造。

3.3 利用3D打印技術(shù)制造無(wú)人機(jī)其它輔助裝備

無(wú)人機(jī)除了機(jī)身和關(guān)鍵性部位之外，還存在著一些輔助裝備，而這些輔助裝備同樣可以利用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般輔助裝備對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)雖然沒(méi)有太過(guò)于關(guān)鍵性的作用。但是在增強(qiáng)無(wú)人機(jī)性能方面卻有著較為明顯的作用，因此利用3D打印技術(shù)研發(fā)制造無(wú)人機(jī)其它輔助裝備同樣也是一件比較重要的事情。

4.結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)裝備研發(fā)中有著極其重要的應(yīng)用作用，同樣無(wú)人機(jī)未來(lái)的發(fā)展也離不開(kāi)3D打印技術(shù)的支持。3D打印技術(shù)在社會(huì)不斷的發(fā)展過(guò)程中擁有著越來(lái)越多的應(yīng)用市場(chǎng)和愈加廣泛的發(fā)展前景，但是其在面臨著眾多機(jī)遇的同時(shí)也面臨著困難和挑戰(zhàn)，只有跟隨時(shí)代的腳步不斷地對(duì)自身技術(shù)進(jìn)行革新，才能夠保證自身3D打印技術(shù)在未來(lái)市場(chǎng)中仍然占據(jù)重要的地位，不斷滿足未來(lái)無(wú)人機(jī)等越來(lái)越多應(yīng)用行業(yè)的需求，從而達(dá)到快速推動(dòng)相關(guān)行業(yè)甚至是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的。