3D打印技术在无人机制造中的应用

无人机

DOI ：10．16338/j．issn．1009-1319．2015．07．03

3D 打印技术在无人机制造中的应用

刘

磊

刘

柳

张海鸥

摘要展望无人机和3D 打印技术的发展趋势，从

3D 打印技术目前的应用成熟度、可加工件的复杂性、加工生产周期的时效性、可加工材料的多样性以成本的经济性、

及绿色环保等六方面，阐述了3D 打印技术能够应用在无人机生产制造中的必然性。根据国外3D 打印技术制造无人机所取得成果，分析无人机技术和3D 打印技术相融合的研发重点，推断3D 打印技术在无人机制造中的发展趋势。

关键词材料

无人机

3D 打印

增材制造

复合

短几天内实现。如果使用复合材料常规材料和制造

技术，这一过程往往需要几个月时间。利用3D 打“蓝图”，印技术可首先在电脑上完成SULSA 的设计

再用EOS EOSINT P730激光烧结机按“蓝图”逐层打印机身。飞机的其它配件（比如机舱门、发动机和各种仪表）分开打印，再安装到飞机上。飞机上的所有设备之间的连接不需要螺丝和合页，而是使“卡扣固定”用技术连接在一起。因此，整架飞机可在几分钟内完成组装并且无需任何工具。SULSA 无人机如图1所示

。

引

言

《中国航空报》2011年8月16日报道，2011据

年8月1日，英国南安普敦大学的工程师设计并试飞了世界上第一架“打印”出来的名为SULSA 的无人驾驶飞机。SULSA 的诞生标志着无人机制造进入了3D 打印时代

［1-2］

。

虽然在此之前，3D 打印技术已经应用到无人

机部分零部件的加工制造中，但只是作为传统制造的辅助措施，或者是用来生产玩具、航模一类的非重要用途的无人飞行器。SULSA 之所以能成为一个标志，意义在于它整架飞机都采用了3D 打印技术，却不是一个放大版的玩具飞机。

SULSA 机身长3m ，翼展2m ，整机质量5kg ，在无人机家族中只能算得上迷你，一般人都能轻松举起它，但它的确是真正意义上的无人机。SULSA 的基本设计和配置都参照了目前最新无人机，并且拥有高达160km /h的最高飞行时速。

3D 打印技术造就了SULSA ，它使得SULSA 这种高度定制化的无人机从提出设想到首飞，可在短

图1

SULSA 无人机

事实上，SULSA 只是英国南安普敦大学吉姆·斯坎伦和安迪·基恩领导的欧盟航空工程师小组研制的2Seas 无人机的缩小测试版。真正的主角2Seas 的机身、机翼和尾翼完全用ABS 塑料打印而成，中心翼盒、燃油箱和发动机架由金属打印而成。该无人飞机将为英国、荷兰、比利时和法国的海岸警卫队执行远程监视任务。

03-12收到，刘磊系华中科技大学机械科学与工程学院硕士生，刘柳系中国航天科技集团公司第四研究院第本文2015-四十二所工程师

飞航导弹2015年第7期·11·

无人机

不仅欧盟航空工程师小组利用3D 打印技术生产制造无人机，美国作为无人机研究领域的急先锋和集大成者，大到捕食者，小到微星都有3D 打印

技术的参与。其中，在洛马P-175复合材料无人机的研制中，碳纳米管和基体粉末在输送过程中由激

光烧结成型机体结构［1］

。同时，俄罗斯、以色列、日本、印度等国家也将3D 打印技术生产制造无人机作为军事装备发展的重点之一。1

颠覆性技术—

——无人机和3D 打印技术2013年9月，新美国安全中心发布《游戏规则

改变者：颠覆性技术与美国国防战略》

报告，讨论了先进技术在全球范围内的扩散及其对美国国防技术

优势可能带来的挑战，并提出了5项潜在的颠覆性技术。其中，包括自主系统和增材制造，即无人机

和3D 打印技术［2］

。

同时，世界各国的研究机构都有类似颠覆性技术概念的提出，虽然与美国提出的有所不同，但又有交叉和重叠，它们都是能够直接转化为先进武器装备的前沿技术。无人机和3D 打印技术同列其中，也为其相互融合创造了契机。1．1军民两用的新宠———无人机

无人机（UAV ）是一种由遥控或机载程序控制飞行，可反复使用的不载人飞机。它由机体结构、动力系统、控制系统、任务载荷、数据通讯系统以及起飞和回收装置组成。从1917年第一架无人机诞生至今

［3］

，无人机已经从最初的靶

机蜕变为当今集侦查、通讯、电子对抗、空中打

击于一体的军事装备，并能够完成边境巡逻、核

辐射探测、航空摄影、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控等民用任务。能够完成如此多的任务，使无人机成为军事和民用领域的新宠，得到世界各国青睐。

无人机之所以会受到如此重视，原因是其拥有的独特优势。无人机结构简单、体积小、质量轻、机动性好、飞行时间长、成本低、便于隐蔽、无需机场跑道、可多次回收重复使用、可作超越飞行员生理极限的高速飞行、可深入被核生化污染地区的上空探测取样等执行危险性极大的任务，尤其是无人机符合现代战争对减少乃至避免·12·

人员伤亡的要求。在经历现代几场局部战争磨练后，无人机从支援型装备走到了战争的前沿，成为世界各国尤其是发达国家军方重点研制和发展的装备之一。

目前，全世界已有50多个国家的军队装备了无人机，美国仅现役装备军队的就有全球鹰（如图2所示）、捕食者、火力侦察兵等20多个型号，其无

人机总量已经超过7000架，居全球之首［3］

。

图2美国全球鹰无人机

1．2

第三次工业革命标志—

——3D 打印技术3D 打印技术又叫增材制造或快速成型，是一

种以数字模型文件为基础，运用粉、丝、块等形状的金属或塑料，并辅以粘合材料或热源，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。与传统机械加

工在原材料毛坯上做“减法”的加工方式恰恰相反，3D 打印技术是不断添加原材料做着“加法”，最终得到预期的零部件，如图3所示

。

图3

美国MakerBot Ｒeplicator23D 打印机

飞航导弹2015年第7期

无人机

3D 打印技术的分类

累积原理

立体光固化成型（SLA ）数字光处理（DLP ）分层实体制造（LOM ）选择性激光烧结（SLS ）选择性激光熔化成型（SLM ）

选择性热烧结（SHS ）直接金属激光烧结（DMLS ）电子束熔化成型（EBM ）熔融沉积式（FDM ）电子束自由成型制造（EBF ）

挤压线类型光聚合层压

原材料光敏树脂

纸、金属和塑料薄膜

热塑性塑料、金属和陶瓷粉末钛和钴铬的合金、不锈钢、铝

粉粒状

热塑性粉末几乎任何合金钛合金

热塑性塑料、共晶系统金属

几乎任何合金

根据原材料和分层累积原理不同，3D 打印技术分为不同的类型，具体见上表。

3D 打印技术诞生于20世纪90年代，与传统

3D 打印技术具备低成本、低周期、零运工艺相比，

输、复杂加工、减少工件连接组装、无废弃副产品、

便携制造、精确复制十大优势。随着3D 打印技术与计算机技术的同步发展，其优势会愈加明显。

3D 打印技术发展至今，已广泛地应用于航空航天、国防装备、汽车制造、生物医学、建筑工程、电子工程等行业领域。美国《时代》周刊将3D 打印技术列为“美国十大增长最快的工业”之一；英国《经济学人》杂志将3D 立体打印技术称为改变未来“与世界新的创新性科技，认为3D 立体打印技术将其它数字化生产模式一起推动实现第三次工业革［5］

。命”

美国总统奥巴马推出的“重振美国制造业计划”中，将3D 打印作为首个振兴美国制造业的支撑技术。并在2012年8月拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D 打印研究中心，投入了5亿美元用于3D 打印，以确保美国制造业的先进性。该计划是3D 打印第一次得到国家层面的重视和支持。22．1

3D 打印技术应用于无人机制造的必然性3D 打印技术的成熟为无人机制造提供了坚实

和极大发展，可处理原材料的范围逐渐扩大，覆盖树脂、陶瓷、塑料、复合材料以及几乎所有金属合3D 打印技术由最初的模型沙盘和简单模具金等。

生产发展到产品的直接制造，特别是高价值产品的加工。

3D 打印技术的独特优势使得世界各国都加大对其投入扶持。一方面科研投入促进了3D 打印技术日趋成熟和完善，在与其它学科融合创新发展的过程，又产生了一批新方法、新工艺；另一方面国家的扶持使得3D 打印产业蓬勃发展，以市场供需Stratasys 等市值超过为动力，也造就了3D Systems 、

35亿美元的3D 打印公司。

3D 打印技术的成熟让各个产业都对其青睐有加。上文介绍的无人机SULS 和2Seas 都是3D 打印的产物；2013年美国Solid Concepts 公司3D 打印了第一支金属手枪；劳斯莱斯集团（ＲollsＲoyce）用3D 打印技术生产了喷气发动机组件；2013年美国国家航空航天局（NASA ）和美国航空喷气发动机公司用3D 打印成功制作出火箭发动机喷射器，如图4所示。

3D 打印技术在各行业中如此广泛成熟地应用，为其涉足无人机制造领域，进行无人机零部件乃至整机的加工生产奠定了坚实的基础。2．2

传统工艺越来越满足不了无人机的发展趋势当今的无人机朝着小型化、轻型化、大任务载

的技术支持

经过近30年的发展，特别是近年来随着计算机技术的突飞猛进，3D 打印技术获得了巨大突破飞航导弹2015年第7期

荷、高度定制的趋势发展，各种优化设计的结构在无人机上广泛应用。这要求无人机在有限的体积内，具有更轻质量、更好力学性能以及实现更多功

·13·

无人

机

图4

航空发动机喷射器

能的结构。在设计上如此矛盾的条件注定了结构的复杂性，这给传统工艺摆出了难以逾越的障碍。

3D 打印技术以其有别于传统工艺的思路，抛弃了夹具、模具、工具的束缚。设计阶段，工程人员可以任意发挥想象力，在软件中建立外形和内部结构复杂的加工模型，3D 打印可以百分百地按照设计者的创意完成加工。早在几十年前，空气动力学家就知道截面为椭圆形的机翼能够减少阻力，但是传统制造技术难以做到；还有金属部件的中空或多孔（蜂巢）结构（如图5所示），是无法通过加工整块材料实现的。直到3D 打印技术的出现，才实现一些先进的设想

。

图5

中空或多孔（蜂巢）结构

3D 打印一次成型的特点，使生产出的零件更加精细轻盈，采用最优化的方式实现其功能，有利于节省燃料或增加载荷，与无人机的发展趋势一致。

3D 打印能有效减少航空器的连接部件，摒弃螺栓、合页等传统的连接工艺，使其更加轻量化，而且获得更好的力学性能。3D 打印技术的新方法能·14·

够弥补传统加工出现的固有不足。美国田纳西州的橡树岭国家实验室（OＲNL）开发出一种3D 打印方法，克服了传统加工时出现零件冷却翘曲的问题，利用这项技术可实现大型结构组件的生产，打印出大型无人机机翼结构

［5］

。

无人机的高度定制也是选择3D 打印技术的因

素之一。

3D 打印单次单品，不受模具、生产线、工具等因素制约。既可以大规模连续批产，也可任意

定制，在同一个3D 打印机上加工出不尽相同的产

品群。

2．3经济效益是无人机制造选择3D 打印技术的首要因素

3D 打印技术能大幅降低生产成本已经工程实践证明。“加法”的生产方式没有切割、磨削、腐蚀等“减法”流程，实现原材料“需要多少用多少”，大大提高利用率，控制废料的产生

；“一次成型”省去了模具、夹具和加工工具的费用；“本地化”生产模

式省去了厂房和生产线的前期投入，以及中间的运输储存成本。

以无人机SULSA 和2Seas 为例，它们都采用二战时期英国空军的维克斯·惠灵顿轰炸机上内部交错结构的设计（如图6所示），按传统加工方式完成将耗资巨大。但用3D 打印技术完成这种结构几乎没有额外成本

。

图6

内部交错结构机体

（左：维克斯·惠灵顿轰炸机；右：无人机SULSA ）

劳斯莱斯公司的技术人员通过统计发现，1t 重的航空发动机按传统方式加工需要消耗6．5t 金属，由此看出传统加工成本中原材料耗费的比重，如果遇上航空材料的贵金属，如钛，损耗成本将更大，这为3D 打印降低成本留出了空间。Plunkett Associates 公司使用3D 打印的航空曲柄比传统铝铸

飞航导弹2015年第7期

件质量减少21%；Crucible Industrial Design 公司为空客A380上853个座位3D 打印了带扣，每个带扣比传统钢制带扣质量减少85g ，按飞机全寿命每减1kg 可省45000L 燃油计算，这会节省330万L 燃

油，价值2亿欧元的运营成本［7］

。

2．4时效性是无人机制造的需求，更是3D 打印技

术的独有优势

3D 打印技术避开传统设计制造过程中样品设计、模具生产、机械加工、后期处理等繁琐步骤，从想法到产品仅通过3D 打印机就可实现，大幅度降低了生产周期。由此直接把新技术应用到新零件上，加快创意和设计的测试速度，有效提高生产效率。

2012年美国弗吉尼亚大学继SULSA 和2Seas 之后，

3D 打印了第三架无人飞机。其团队工程师大卫-舍弗尔称：“以前光设计建造一个塑料涡轮风扇发动机就需要两年时间，成本约25万美元。但使用3D 技术，设计和建造这架飞机仅用4个月，成本大约2000美元。”生产周期的缩短是显而易见的。

3D 打印技术能满足无人机关于时效性的要求，还体现在：无人机的修理和零部件更换的时效性，

特别是战损时修理。

3D 打印技术利用本地化生产，缺什么补什么，坏什么换什么，设计图纸的网络化

传输，有利于制造网络的布局，“按需就近生产”的模式将大大减少运输的中间环节。

2．5大量复合材料的使用为3D 打印技术提供了发挥的空间

复合材料具有轻质比、强度高、比模量高、抗疲劳能力强、抗振能力强的优点，是推进无人机进一步发展的新材料。先进复合材料结合新型结构，使无人机结构质量这一重要指标得以保证，将其控制在20% 22%左右（小型无人机），可腾出足够空间让给燃油、有效载荷、武器和补偿隐身带来的质量。

美国先进无人机材料、结构和航空委员会制定美国未来一段时期重点研究的3类概念性无人机，即高空长航时无人机（HALEV ）、高速机动无人机（HMV ）和低成本无人机（VLCV ）都具有一个共用点，就是大量使用复合材料［8］

。

在复合材料加工方面，3D 打印技术比传统方飞航导弹2015年第7期

无人机

法更有优势，可加工出轻质、高气动弹性结构。3D 打印技术加工过程的灵活性结合复合材料的可设计性，可轻松实现在加工过程中添加不同的增强相来降低高速下复合材料的损伤容限，或是预埋芯片或传感器，形成智能材料。正是复合材料配合3D 打印技术才可创造翼身融合结构，如美国的X-48B 无人机（见图7），从而大大减少无人机部件数量。翼身融合结构及其制造技术已经成为无人机发展的大

趋势

。

图7美国X-

48B 无人机2．6

绿色环保是世界各国努力的共同方向

3D 打印技术比传统工业生产方式更加环保，

基于增材制造方式，没有切、车、磨、铣、刨、钻等过程中的原材料浪费和能源消耗。实时加工，可百分之百按需生产，避免了传统生产为了以防万一的过量生产，更加免除了存放产品、备件的仓库及其消耗的能源和资源。

3D 打印技术推动的本地化生产和数字化运输，避免了当前产品全球化运输的消耗和交通运输工具对环境污染。33D 打印技术在无人机制造应用的现状

3．1

整体打印无人机

2011年，世界首架3D 打印的无人机SULSA 诞

生，其后继机型2Seas 同样采用3D 打印技术试飞

成功。

2012年美国弗吉尼亚大学研制出继SULSA 和2Seas 之后的第三架3D 打印无人飞机，并在同年8月至9月期间，在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了四次飞行试验，巡航速度达72km /h。

·15·

无人机

英国谢菲尔德大学先进制造研究中心（AMＲC）和波音公司采用3D 打印技术设计和试制出一个创新性小型无人飞行器。这架无人机全部使用熔融沉积成型（FDM ）技术打印而成，包括9个零部件，由安装在机身后部的伺服系统控制的刚性卡入式升降副翼进行夹合，减少了机身的安装部件。

2014年9月在英国举行的伦敦3D 打印展上，Stratasys 公司展出名为AirDog （如图8所示）和Al-tura Zenith 的两款无人机。这两款无人机均采用3D 打印技术制作而成，分别为Helico Aerospace Indus-tries 和Aerialtronics 两家公司所定制

。

图8AirDog 无人机

3．2打印无人机关键部件

航空航天一直是3D 打印技术应用的重要领域。截至目前为止，波音公司在10个飞机平台上应用了200多个3D 打印的零件，包括形状复杂的冷空气导入电子设备的导管。欧洲宇航防务集团（EADS ）利用激光加热金属粉末形成固态金属部件，打印引擎盖的金属铰链，新技术不但增强了该零件强度，而且还使其质量减少了一半。2011年EADS 用3D 打印技术制造出了飞机起落架的支架和其它飞机零件。

实际上这些在飞行器上的应用都可以搬到无人机制造中。2013年12月，Solid Concepts 公司为Ar-ea-I 公司制造737无人机模型PETＲA，使用选择性激光烧结技术打印了燃料箱、副翼、操纵面、襟翼等组件，不但降低了部件质量，并缩短了制造时间，仅副翼就从原来的24天缩短到3天，最终使PETＲA实现了完美的试飞测试［5］。

美国空军与3D Systems 公司签约29．5亿美元，·16·

开发用于F-35战机和其它武器系统的3D 打印系统。4

3D 打印技术在无人机制造中的应用趋势

当前，各国都将3D 打印技术作为研究发展的

重点，在今后一段时间，

3D 打印技术将朝着高精度化、高智能化、通用化、便捷化等方向发展。在速

度、效率、精度提升的基础上会涌现出并行打印、连续打印、大件打印、多材打印等一系列新的工艺；伴随计算机技术的发展，在3D 打印技术中引入微桁架构设计和力学仿真，获取符合实际使用的力学结构；开发出功能梯度材料、智能材料、纳米材料、非均质材料等更为多样的3D 打印材料；应用非金属表面选择性沉积金属技术，可以加工出一体化的带电子元器件的部件以及电子皮肤（见图9），全面实现不同材料一次成型的整机打印，使无人机更小、更轻、更精、更智能

。

图9

带电子元器件的部件和电子皮肤

5

结束语

针对无人机制造的结构复杂、材料昂贵、传统工艺实现难度大的结构件，3D 打印技术有着成本低、流程简单、重复性好、实现周期短的明显优势。这正是3D 打印技术缓慢渗透到无人机制造领域的推动力。

目前，

3D 打印技术还处在初级阶段，存在很多制约因素，如对大型产品无能为力；适用的原材料有限等。

（下转第49页）飞航导弹2015年第7期

攻防系统

将激光武器从陆地转移到海洋，其实只是工程问题，并非重大的不可克服的科技难题。有人怀疑激光发展的某些理论过于乐观：这些理论仅强调了克服技术挑战和激光用于作战的重要性，然而最大的问题不单是纯粹的技术问题，而是涉及方方面

［5］

面，以前没有激光武器部署军舰的先例。可以看到，未来海军作战能力的提升关键在于高效有力快速地发展、获取和掌握先进技术，从而拥有改变游戏规则的能力。激光作为一种先进的定向能和高能武器，可以提供这样的能力。长期以来，美海军致力于推进激光技术的发展，并成功研制了可作为武器的千瓦级的激光器，在经过一系列论证和试验后，美海军首次在两栖运输舰庞塞号上部署了激光武器系统，所有这些努力可助美国海军

成为全球首先部署高能激光武器的部队。

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櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂

（上接第16页）

3D 打印技术想要在无人机制造领域乃至航因此，

空航天领域大面积推广使用还比较困难，更不可能3D 打印技术在无在短时间内取代传统工艺。但是，

人机制造领域与传统工艺并不是矛盾双方，而是相互提升、相互补充、相互完善的关系。

当今无人机的发展趋势注定了3D 打印技术在无人机制造领域的应用前景是日益广阔的。也正是有3D 打印技术的介入，才会出现各种新技术、新材料和新创意，不断推动无人机进化。

参考文献

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飞航导弹2015年第7期·49·