【解析】3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)制造中的應(yīng)用

據(jù) 《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》2011年8月16日?qǐng)?bào)道，2011年8月1日,，英國(guó)南安普敦大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)并試飛了世界上第一架“打印”出來(lái)的名為SULSA的無(wú)人駕駛飛機(jī),。SULSA的誕生標(biāo)志著無(wú)人機(jī)制造進(jìn)入了3D打印時(shí)代 。 雖然在此之前,，3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到無(wú)人 機(jī)部分零部件的加工制造中,，但只是作為傳統(tǒng)制造的輔助措施，或者是用來(lái)生產(chǎn)玩具,、航模一類(lèi)的非重要用途的無(wú)人飛行器,。SULSA之所以能成為一個(gè)標(biāo)志，意義在于它整架飛機(jī)都采用了3D打印技術(shù),，卻不是一個(gè)放大版的玩具飛機(jī),。 SULSA機(jī)身長(zhǎng)3m，翼展2m,，整機(jī)質(zhì)量5kg,，在無(wú)人機(jī)家族中只能算得上迷你，一般人都能輕松舉起它,，但它的確是真正意義上的無(wú)人機(jī),。

SULSA的基本設(shè)計(jì)和配置都參照了目前最新無(wú)人機(jī)，并且擁有高達(dá)160km/h的最高飛行時(shí)速,。 3D打印技術(shù)造就了SULSA,，它使得SULSA這種高度定制化的無(wú)人機(jī)從提出設(shè)想到首飛，可在短 短幾天內(nèi)實(shí)現(xiàn),。如果使用復(fù)合材料常規(guī)材料和制造 技術(shù),，這一過(guò)程往往需要幾個(gè)月時(shí)間。利用3D打印技術(shù)可首先在電腦上完成SULSA的設(shè)計(jì) “藍(lán)圖”,，再用EOSEOSINTP730激光燒結(jié)機(jī)按“藍(lán)圖”逐層打印機(jī)身,。飛機(jī)的其它配件（比如機(jī)艙門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)和各種儀表）分開(kāi)打印,，再安裝到飛機(jī)上,。飛機(jī)上的所有設(shè)備之間的連接不需要螺絲和合頁(yè)，而是使用“卡扣固定”技術(shù)連接在一起,。因此,，整架飛機(jī)可在幾分鐘內(nèi)完成組裝并且無(wú)需任何工具。


事實(shí)上,，SULSA只是英國(guó)南安普敦大學(xué)吉姆·斯坎倫和安迪·基恩領(lǐng)導(dǎo)的歐盟航空工程師小組研制的2Seas無(wú)人機(jī)的縮小測(cè)試版,。真正的主角2Seas的機(jī)身、機(jī)翼和尾翼完全用ABS塑料打印而成,，中心翼盒,、燃油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)架由金屬打印而成。該無(wú)人飛機(jī)將為英國(guó),、荷蘭,、比利時(shí)和法國(guó)的海岸警衛(wèi)隊(duì)執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)視任務(wù)。

僅歐盟航空工程師小組利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造無(wú)人機(jī),，美國(guó)作為無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的急先鋒和集大成者,，大到捕食者，小到微星都有3D打印 技術(shù)的參與,。其中,，在洛馬P-175復(fù)合材料無(wú)人機(jī)的研制中，碳納米管和基體粉末在輸送過(guò)程中由激 光燒結(jié)成型機(jī)體結(jié)構(gòu)［1］ ,。同時(shí),，俄羅斯、以色列,、日本,、印度等國(guó)家也將3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造無(wú)人機(jī)作為軍事裝備發(fā)展的重點(diǎn)之一。

1 顛覆性技術(shù)— ——無(wú)人機(jī)和3D打印技術(shù)

2013年9月,，新美國(guó)安全中心發(fā)布《游戲規(guī)則 改變者：顛覆性技術(shù)與美國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略》 報(bào)告,，討論了先進(jìn)技術(shù)在全球范圍內(nèi)的擴(kuò)散及其對(duì)美國(guó)國(guó)防技術(shù) 優(yōu)勢(shì)可能帶來(lái)的挑戰(zhàn)，并提出了5項(xiàng)潛在的顛覆性技術(shù),。其中,，包括自主系統(tǒng)和增材制造，即無(wú)人機(jī) 和3D打印技術(shù)［2］ ,。 同時(shí),，世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)都有類(lèi)似顛覆性技術(shù)概念的提出，雖然與美國(guó)提出的有所不同,，但又有交叉和重疊,，它們都是能夠直接轉(zhuǎn)化為先進(jìn)武器裝備的前沿技術(shù)。無(wú)人機(jī)和3D打印技術(shù)同列其中,，也為其相互融合創(chuàng)造了契機(jī),。


1．1軍民兩用的新寵———無(wú)人機(jī)
無(wú)人機(jī)（UAV）是一種由遙控或機(jī)載程序控制飛行，可反復(fù)使用的不載人飛機(jī),。它由機(jī)體結(jié)構(gòu),、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng),、任務(wù)載荷,、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)以及起飛和回收裝置組成,。從1917年第一架無(wú)人機(jī)誕生至今，無(wú)人機(jī)已經(jīng)從最初的靶 機(jī)蛻變?yōu)楫?dāng)今集偵查,、通訊,、電子對(duì)抗、空中打 擊于一體的軍事裝備,，并能夠完成邊境巡邏,、核 輻射探測(cè)、航空攝影,、航空探礦,、災(zāi)情監(jiān)視、交通巡邏,、治安監(jiān)控等民用任務(wù),。能夠完成如此多的任務(wù)，使無(wú)人機(jī)成為軍事和民用領(lǐng)域的新寵,，得到世界各國(guó)青睞,。 無(wú)人機(jī)之所以會(huì)受到如此重視，原因是其擁有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、體積小、質(zhì)量輕,、機(jī)動(dòng)性好,、飛行時(shí)間長(zhǎng)、成本低,、便于隱蔽,、無(wú)需機(jī)場(chǎng)跑道、可多次回收重復(fù)使用,、可作超越飛行員生理極限的高速飛行,、可深入被核生化污染地區(qū)的上空探測(cè)取樣等執(zhí)行危險(xiǎn)性極大的任務(wù)，尤其是無(wú)人機(jī)符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)減少乃至避免人員傷亡的要求,。在經(jīng)歷現(xiàn)代幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)磨練后,，無(wú)人機(jī)從支援型裝備走到了戰(zhàn)爭(zhēng)的前沿，成為世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家軍方重點(diǎn)研制和發(fā)展的裝備之一,。 目前,，全世界已有50多個(gè)國(guó)家的軍隊(duì)裝備了無(wú)人機(jī)，美國(guó)僅現(xiàn)役裝備軍隊(duì)的就有全球鷹（如圖2所示）,、捕食者,、火力偵察兵等20多個(gè)型號(hào)，其無(wú) 人機(jī)總量已經(jīng)超過(guò)7000架，居全球之首,。

1．2 第三次工業(yè)革命標(biāo)志— ——3D打印技術(shù)
3D打印技術(shù)又叫增材制造或快速成型,，是一 種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉,、絲,、塊等形狀的金屬或塑料，并輔以粘合材料或熱源,，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械加 工在原材料毛坯上做“減法”的加工方式恰恰相反,，3D打印技術(shù)是不斷添加原材料做著“加法”,，最終得到預(yù)期的零部件，如圖3所示,。

根據(jù)原材料和分層累積原理不同,，3D打印技術(shù)分為不同的類(lèi)型。 3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)90年代,，與傳統(tǒng) 工藝相比,， 3D打印技術(shù)具備低成本、低周期,、零運(yùn)輸,、復(fù)雜加工、減少工件連接組裝,、無(wú)廢棄副產(chǎn)品,、 便攜制造、精確復(fù)制十大優(yōu)勢(shì),。隨著3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的同步發(fā)展,，其優(yōu)勢(shì)會(huì)愈加明顯。 3D打印技術(shù)發(fā)展至今,，已廣泛地應(yīng)用于航空航天,、國(guó)防裝備、汽車(chē)制造,、生物醫(yī)學(xué),、建筑工程、電子工程等行業(yè)領(lǐng)域,。美國(guó)《時(shí)代》周刊將3D打印技術(shù)列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”之一,；英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志將3D立體打印技術(shù)稱(chēng)為改變未來(lái)世界新的創(chuàng)新性科技，認(rèn)為3D立體打印技術(shù)將“與其它數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命 ” ,。

美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬推出的“重振美國(guó)制造業(yè)計(jì)劃”中,，將3D打印作為首個(gè)振興美國(guó)制造業(yè)的支撐技術(shù)。并在2012年8月?lián)芸?000萬(wàn)美元,，在俄亥俄州建立了國(guó)家級(jí)3D打印研究中心,，投入了5億美元用于3D打印,，以確保美國(guó)制造業(yè)的先進(jìn)性。該計(jì)劃是3D打印第一次得到國(guó)家層面的重視和支持,。

23D打印技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)制造的必然性
2．1 3D打印技術(shù)的成熟為無(wú)人機(jī)制造提供了堅(jiān)實(shí)
的技術(shù)支持 經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展,，特別是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，3D打印技術(shù)獲得了巨大突破和極大發(fā)展,，可處理原材料的范圍逐漸擴(kuò)大,，覆蓋樹(shù)脂、陶瓷,、塑料,、復(fù)合材料以及幾乎所有金屬合金等。 3D打印技術(shù)由最初的模型沙盤(pán)和簡(jiǎn)單模具生產(chǎn)發(fā)展到產(chǎn)品的直接制造,，特別是高價(jià)值產(chǎn)品的加工,。 3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得世界各國(guó)都加大對(duì)其投入扶持。一方面科研投入促進(jìn)了3D打印技術(shù)日趨成熟和完善,，在與其它學(xué)科融合創(chuàng)新發(fā)展的過(guò)程,，又產(chǎn)生了一批新方法、新工藝,；另一方面國(guó)家的扶持使得3D打印產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,，以市場(chǎng)供需為動(dòng)力，也造就了3DSystems,、 Stratasys等市值超過(guò)35億美元的3D打印公司,。

3D打印技術(shù)的成熟讓各個(gè)產(chǎn)業(yè)都對(duì)其青睞有加。上文介紹的無(wú)人機(jī)SULS和2Seas都是3D打印的產(chǎn)物,；2013年美國(guó)SolidConcepts公司3D打印了第一支金屬gun,；勞斯萊斯集團(tuán)（ＲollsＲoyce）用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組件；2013年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和美國(guó)航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司用3D打印成功制作出火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器,，如圖4所示,。 3D打印技術(shù)在各行業(yè)中如此廣泛成熟地應(yīng)用，為其涉足無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域,，進(jìn)行無(wú)人機(jī)零部件乃至整機(jī)的加工生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。

2．2 傳統(tǒng)工藝越來(lái)越滿足不了無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)今的無(wú)人機(jī)朝著小型化、輕型化,、大任務(wù)載 荷,、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)在無(wú)人機(jī)上廣泛應(yīng)用,。這要求無(wú)人機(jī)在有限的體積內(nèi),，具有更輕質(zhì)量、更好力學(xué)性能以及實(shí)現(xiàn)更多功能的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)上如此矛盾的條件注定了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,，這給傳統(tǒng)工藝擺出了難以逾越的障礙,。 3D打印技術(shù)以其有別于傳統(tǒng)工藝的思路，拋棄了夾具,、模具,、工具的束縛。設(shè)計(jì)階段,，工程人員可以任意發(fā)揮想象力,，在軟件中建立外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的加工模型，3D打印可以百分百地按照設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意完成加工,。早在幾十年前,，空氣動(dòng)力學(xué)家就知道截面為橢圓形的機(jī)翼能夠減少阻力，但是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以做到,；還有金屬部件的中空或多孔（蜂巢）結(jié)構(gòu)（如圖5示）,，是無(wú)法通過(guò)加工整塊材料實(shí)現(xiàn)的,。直到3D打印技術(shù)的出現(xiàn),，才實(shí)現(xiàn)一些先進(jìn)的設(shè)想。

3D打印一次成型的特點(diǎn),，使生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)輕盈,，采用最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)其功能，有利于節(jié)省燃料或增加載荷,，與無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)一致,。 3D打印能有效減少航空器的連接部件，摒棄螺栓,、合頁(yè)等傳統(tǒng)的連接工藝,，使其更加輕量化，而且獲得更好的力學(xué)性能,。3D打印技術(shù)的新方法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)加工出現(xiàn)的固有不足,。美國(guó)田納西州的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（OＲNL）開(kāi)發(fā)出一種3D打印方法，克服了傳統(tǒng)加工時(shí)出現(xiàn)零件冷卻翹曲的問(wèn)題,，利用這項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)組件的生產(chǎn),，打印出大型無(wú)人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu) 。 無(wú)人機(jī)的高度定制也是選擇3D打印技術(shù)的因 素之一,。 3D打印單次單品,，不受模具、生產(chǎn)線,、工具等因素制約,。既可以大規(guī)模連續(xù)批產(chǎn)，也可任意 定制，在同一個(gè)3D打印機(jī)上加工出不盡相同的產(chǎn) 品群,。

2．3經(jīng)濟(jì)效益是無(wú)人機(jī)制造選擇3D打印技術(shù)的首要因素

3D打印技術(shù)能大幅降低生產(chǎn)成本已經(jīng)工程實(shí)踐證明,。“加法”的生產(chǎn)方式?jīng)]有切割,、磨削,、腐蝕等“減法”流程，實(shí)現(xiàn)原材料“需要多少用多少”,，大大提高利用率,，控制廢料的產(chǎn)生 ；“一次成型”省去了模具,、夾具和加工工具的費(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,。 以無(wú)人機(jī)SULSA和2Seas為例,，它們都采用二戰(zhàn)時(shí)期英國(guó)空軍的維克斯·惠靈頓轟炸機(jī)上內(nèi)部交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（如圖6所示），按傳統(tǒng)加工方式完成將耗資巨大,。但用3D打印技術(shù)完成這種結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有額外成本,。無(wú)人機(jī)

能的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)上如此矛盾的條件注定了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,，這給傳統(tǒng)工藝擺出了難以逾越的障礙,。 3D打印技術(shù)以其有別于傳統(tǒng)工藝的思路，拋棄了夾具,、模具,、工具的束縛。設(shè)計(jì)階段,，工程人員可以任意發(fā)揮想象力,，在軟件中建立外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的加工模型，3D打印可以百分百地按照設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意完成加工,。早在幾十年前,，空氣動(dòng)力學(xué)家就知道截面為橢圓形的機(jī)翼能夠減少阻力，但是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以做到,；還有金屬部件的中空或多孔（蜂巢）結(jié)構(gòu)（如圖5所示）,，是無(wú)法通過(guò)加工整塊材料實(shí)現(xiàn)的。直到3D打印技術(shù)的出現(xiàn),，才實(shí)現(xiàn)一些先進(jìn)的設(shè)想

,。 圖5 中空或多孔（蜂巢）結(jié)構(gòu) 3D打印一次成型的特點(diǎn)，使生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)輕盈,，采用最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)其功能,，有利于節(jié)省燃料或增加載荷,，與無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)一致。

3D打印能有效減少航空器的連接部件,，摒棄螺栓,、合頁(yè)等傳統(tǒng)的連接工藝，使其更加輕量化,，而且獲得更好的力學(xué)性能,。3D打印技術(shù)的新方法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)加工出現(xiàn)的固有不足。美國(guó)田納西州的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（OＲNL）開(kāi)發(fā)出一種3D打印方法,，克服了傳統(tǒng)加工時(shí)出現(xiàn)零件冷卻翹曲的問(wèn)題,，利用這項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)組件的生產(chǎn)，打印出大型無(wú)人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)  ,。 無(wú)人機(jī)的高度定制也是選擇3D打印技術(shù)的因 素之一,。 3D打印單次單品，不受模具,、生產(chǎn)線,、工具等因素制約。既可以大規(guī)模連續(xù)批產(chǎn),，也可任意 定制,，在同一個(gè)3D打印機(jī)上加工出不盡相同的產(chǎn) 品群。

2．3經(jīng)濟(jì)效益是無(wú)人機(jī)制造選擇3D打印技術(shù)的首要因素

3D打印技術(shù)能大幅降低生產(chǎn)成本已經(jīng)工程實(shí)踐證明,�,！凹臃ā钡纳�產(chǎn)方式?jīng)]有切割,、磨削,、腐蝕等“減法”流程，實(shí)現(xiàn)原材料“需要多少用多少”,，大大提高利用率,，控制廢料的產(chǎn)生 ；“一次成型”省去了模具,、夾具和加工工具的費(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,。 以無(wú)人機(jī)SULSA和2Seas為例,，它們都采用二戰(zhàn)時(shí)期英國(guó)空軍的維克斯·惠靈頓轟炸機(jī)上內(nèi)部交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（如圖6所示），按傳統(tǒng)加工方式完成將耗資巨大,。但用3D打印技術(shù)完成這種結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有額外成本,。

勞斯萊斯公司的技術(shù)人員通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1t重的航空發(fā)動(dòng)機(jī)按傳統(tǒng)方式加工需要消耗6．5t金屬,，由此看出傳統(tǒng)加工成本中原材料耗費(fèi)的比重,，如果遇上航空材料的貴金屬,，如鈦，損耗成本將更大,，這為3D打印降低成本留出了空間,。PlunkettAssociates公司使用3D打印的航空曲柄比傳統(tǒng)鋁鑄件質(zhì)量減少21%；CrucibleIndustrialDesign公司為空客A380上853個(gè)座位3D打印了帶扣,，每個(gè)帶扣比傳統(tǒng)鋼制帶扣質(zhì)量減少85g,，按飛機(jī)全壽命每減1kg可省45000L燃油計(jì)算，這會(huì)節(jié)省330萬(wàn)L燃 油,，價(jià)值2億歐元的運(yùn)營(yíng)成本 ,。

2．4時(shí)效性是無(wú)人機(jī)制造的需求，更是3D打印技 術(shù)的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)避開(kāi)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中樣品設(shè)計(jì),、模具生產(chǎn),、機(jī)械加工、后期處理等繁瑣步驟,，從想法到產(chǎn)品僅通過(guò)3D打印機(jī)就可實(shí)現(xiàn),，大幅度降低了生產(chǎn)周期。由此直接把新技術(shù)應(yīng)用到新零件上,，加快創(chuàng)意和設(shè)計(jì)的測(cè)試速度,，有效提高生產(chǎn)效率。 2012年美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)繼SULSA和2Seas之后,， 3D打印了第三架無(wú)人飛機(jī),。其團(tuán)隊(duì)工程師大衛(wèi)-舍弗爾稱(chēng)：“以前光設(shè)計(jì)建造一個(gè)塑料渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)就需要兩年時(shí)間，成本約25萬(wàn)美元,。但使用3D技術(shù),，設(shè)計(jì)和建造這架飛機(jī)僅用4個(gè)月，成本大約2000美元,�,！鄙�產(chǎn)周期的縮短是顯而易見(jiàn)的。 3D打印技術(shù)能滿足無(wú)人機(jī)關(guān)于時(shí)效性的要求,，還體現(xiàn)在：無(wú)人機(jī)的修理和零部件更換的時(shí)效性,， 特別是戰(zhàn)損時(shí)修理。 3D打印技術(shù)利用本地化生產(chǎn),，缺什么補(bǔ)什么,，壞什么換什么，設(shè)計(jì)圖紙的網(wǎng)絡(luò)化 傳輸,，有利于制造網(wǎng)絡(luò)的布局,，“按需就近生產(chǎn)”的模式將大大減少運(yùn)輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)。

2．5大量復(fù)合材料的使用為3D打印技術(shù)提供了發(fā)揮的空間

復(fù)合材料具有輕質(zhì)比,、強(qiáng)度高,、比模量高,、抗疲勞能力強(qiáng)、抗振能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),，是推進(jìn)無(wú)人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的新材料,。先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)合新型結(jié)構(gòu)，使無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量這一重要指標(biāo)得以保證,，將其控制在20%～22%左右（小型無(wú)人機(jī)）,，可騰出足夠空間讓給燃油、有效載荷,、武器和補(bǔ)償隱身帶來(lái)的質(zhì)量,。 美國(guó)先進(jìn)無(wú)人機(jī)材料、結(jié)構(gòu)和航空委員會(huì)制定美國(guó)未來(lái)一段時(shí)期重點(diǎn)研究的3類(lèi)概念性無(wú)人機(jī),，即高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)（HALEV）,、高速機(jī)動(dòng)無(wú)人機(jī)（HMV）和低成本無(wú)人機(jī)（VLCV）都具有一個(gè)共用點(diǎn)，就是大量使用復(fù)合材料 ,。 在復(fù)合材料加工方面,，3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)方法更有優(yōu)勢(shì)，可加工出輕質(zhì),、高氣動(dòng)彈性結(jié)構(gòu),。3D打印技術(shù)加工過(guò)程的靈活性結(jié)合復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，可輕松實(shí)現(xiàn)在加工過(guò)程中添加不同的增強(qiáng)相來(lái)降低高速下復(fù)合材料的損傷容限,，或是預(yù)埋芯片或傳感器,，形成智能材料。正是復(fù)合材料配合3D打印技術(shù)才可創(chuàng)造翼身融合結(jié)構(gòu),，如美國(guó)的X-48B無(wú)人機(jī),，從而大大減少無(wú)人機(jī)部件數(shù)量。翼身融合結(jié)構(gòu)及其制造技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)人機(jī)發(fā)展的大趨勢(shì),。

2．6 綠色環(huán)保是世界各國(guó)努力的共同方向

3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式更加環(huán)保,， 基于增材制造方式,，沒(méi)有切,、車(chē)、磨,、銑,、刨、鉆等過(guò)程中的原材料浪費(fèi)和能源消耗,。實(shí)時(shí)加工,，可百分之百按需生產(chǎn)，避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)為了以防萬(wàn)一的過(guò)量生產(chǎn),，更加免除了存放產(chǎn)品,、備件的倉(cāng)庫(kù)及其消耗的能源和資源,。 3D打印技術(shù)推動(dòng)的本地化生產(chǎn)和數(shù)字化運(yùn)輸，避免了當(dāng)前產(chǎn)品全球化運(yùn)輸?shù)南�耗和交通運(yùn)輸工具對(duì)環(huán)境污染,。

33D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)制造應(yīng)用的現(xiàn)狀

3．1 整體打印無(wú)人機(jī)

2011年,，世界首架3D打印的無(wú)人機(jī)SULSA誕 生，其后繼機(jī)型2Seas同樣采用3D打印技術(shù)試飛 成功,。 2012年美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)研制出繼SULSA和2Seas之后的第三架3D打印無(wú)人飛機(jī),，并在同年8月至9月期間，在弗吉尼亞州米爾頓機(jī)場(chǎng)附近進(jìn)行了四次飛行試驗(yàn),，巡航速度達(dá)72km/h,。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)先進(jìn)制造研究中心（AMＲC）和波音公司采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和試制出一個(gè)創(chuàng)新性小型無(wú)人飛行器。這架無(wú)人機(jī)全部使用熔融沉積成型（FDM）技術(shù)打印而成,，包括9個(gè)零部件,，由安裝在機(jī)身后部的伺服系統(tǒng)控制的剛性卡入式升降副翼進(jìn)行夾合，減少了機(jī)身的安裝部件,。 2014年9月在英國(guó)舉行的倫敦3D打印展上,，Stratasys公司展出名為AirDog（如圖8所示）和Al-turaZenith的兩款無(wú)人機(jī)。這兩款無(wú)人機(jī)均采用3D打印技術(shù)制作而成,，分別為HelicoAerospaceIndus-tries和Aerialtronics兩家公司所定制,。

3．2打印無(wú)人機(jī)關(guān)鍵部件

航空航天一直是3D打印技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。截至目前為止,，波音公司在10個(gè)飛機(jī)平臺(tái)上應(yīng)用了200多個(gè)3D打印的零件,，包括形狀復(fù)雜的冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的導(dǎo)管。歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）利用激光加熱金屬粉末形成固態(tài)金屬部件,，打印引擎蓋的金屬鉸鏈,，新技術(shù)不但增強(qiáng)了該零件強(qiáng)度，而且還使其質(zhì)量減少了一半,。2011年EADS用3D打印技術(shù)制造出了飛機(jī)起落架的支架和其它飛機(jī)零件,。 實(shí)際上這些在飛行器上的應(yīng)用都可以搬到無(wú)人機(jī)制造中。2013年12月,，SolidConcepts公司為Ar-ea-I公司制造737無(wú)人機(jī)模型PETＲA,，使用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印了燃料箱、副翼,、操縱面,、襟翼等組件，不但降低了部件質(zhì)量,，并縮短了制造時(shí)間,，僅副翼就從原來(lái)的24天縮短到3天，最終使PETＲA實(shí)現(xiàn)了完美的試飛測(cè)試,。 美國(guó)空軍與3DSystems公司簽約29．5億美元,，開(kāi)發(fā)用于F-35戰(zhàn)機(jī)和其它武器系統(tǒng)的3D打印系統(tǒng),。

4 3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)制造中的應(yīng)用趨勢(shì)

當(dāng)前，各國(guó)都將3D打印技術(shù)作為研究發(fā)展的 重點(diǎn),，在今后一段時(shí)間,， 3D打印技術(shù)將朝著高精度化、高智能化,、通用化,、便捷化等方向發(fā)展。在速 度,、效率,、精度提升的基礎(chǔ)上會(huì)涌現(xiàn)出并行打印、連續(xù)打印,、大件打印,、多材打印等一系列新的工藝；伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,，在3D打印技術(shù)中引入微桁架構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)仿真,，獲取符合實(shí)際使用的力學(xué)結(jié)構(gòu)；開(kāi)發(fā)出功能梯度材料,、智能材料,、納米材料、非均質(zhì)材料等更為多樣的3D打印材料,；應(yīng)用非金屬表面選擇性沉積金屬技術(shù),，可以加工出一體化的帶電子元器件的部件以及電子皮膚（見(jiàn)圖9），全面實(shí)現(xiàn)不同材料一次成型的整機(jī)打印,，使無(wú)人機(jī)更小,、更輕、更精,、更智能,。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)人機(jī)制造的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料昂貴,、傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)難度大的結(jié)構(gòu)件,，3D打印技術(shù)有著成本低、流程簡(jiǎn)單,、重復(fù)性好,、實(shí)現(xiàn)周期短的明顯優(yōu)勢(shì)。這正是3D打印技術(shù)緩慢滲透到無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域的推動(dòng)力,。 目前， 3D打印技術(shù)還處在初級(jí)階段,，存在很多制約因素,，如對(duì)大型產(chǎn)品無(wú)能為力,；適用的原材料有限等因此， 3D打印技術(shù)想要在無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域乃至航空航天領(lǐng)域大面積推廣使用還比較困難,，更不可能在短時(shí)間內(nèi)取代傳統(tǒng)工藝,。但是， 3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域與傳統(tǒng)工藝并不是矛盾雙方,，而是相互提升,、相互補(bǔ)充、相互完善的關(guān)系,。 當(dāng)今無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)注定了3D打印技術(shù)在無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景是日益廣闊的,。也正是有3D打印技術(shù)的介入，才會(huì)出現(xiàn)各種新技術(shù),、新材料和新創(chuàng)意,，不斷推動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)化。

編輯：南極熊

作者：劉 磊 劉 柳 張海鷗