如何利用3D打印技术改进无人机制造工艺

很少有电子设备能同时充当儿童玩具和军事监视，或者在控制野火、提供紧急医疗服务和收集婚礼航拍照片方面同样有用。无人机(UAV)的多功能性是如此多的个人、公司和组织投资它的原因。以及为什么我们可以期待3D打印无人机在不久的将来飞行。增材制造是为了简化无人机制造过程。

商业无人机被广泛应用于各行各业。开云体育手机app下载安装苹果在农业方面，它们可以监测牲畜和灌溉系统。零售公司正在制定使用无人机配送产品的计划，以缩短订单下达和客户收到货物之间的时间。装有科学设备的无人机被用来观察风暴和其他自然灾害。地图学家和测量师利用安装在无人机上的先进3D成像设备来测量景观和地形。这些只是无人机能做的几个例子;当公司开始在无人机制造过程中使用3D打印时，应用程序和功能可能会扩展和改进。

增材制造已经被证明是非常有用的航空航天和国防工业．在捷普电子航空航天和国防制造业趋势调查显示，十分之七的决策者表示3D打印已经改变了他们的思维和操作方式。通过增材制造的设计，航空航天和国防工程师正在简化系统组件，试验新的、更有效的结构等等。这样说一点也不夸张3D打印在航空航天和国防领域将是一个关键的能力区分。

在某些方面，3D打印在无人机制造中提供了与其他任何类型的制造业相同的好处:无人机原型可以更快地完成。加速了上市时间。容易和负担得起的低到中批量生产实现。这样可以节省大量的时间和成本。

所有行业都需要这些好处。开云体育手机app下载安装苹果但是有一些增材制造的优势特别是在这些无人机系统的生产上。

1.保持体重和力量的平衡

英国小说家兼剧作家道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)曾打趣说，飞行有一个诀窍:你把自己扔向地面，然后错过。这个油滑的建议总结了制造飞行器的困境，尤其是像无人机这样的飞行器，它被设计用来运载设备、包裹和其他笨重的有效载荷。

怎样才能造出一种足够坚固的东西，既能让包裹飞行数英里，又能让它保持足够轻的重量，以抵御不断把它吸到地球坚硬表面上的原始重力?

在空中推动某物而不让它撞击地面。这是非常简单的，但也难到令人费解。

实现气动、最小操作重量是无人机设计和生产中最大的挑战之一。无人机需要在重量和功率之间保持微妙的平衡。目前，许多无人机面临着一个问题循环。也就是说，它们由电池运行，在携带有效载荷时，它们需要更大的电力储备。为了产生更多的能量，它们需要更大的电池。但是更大的电池会增加重量，这必须用更大的电量来抵消，这就需要更大的电池，这就需要更大的电量，这就……好吧，你懂的。这是一个不可饶恕的错误方向的螺旋。

增材制造使公司能够打印复杂的几何图形，例如晶格设计。晶格是由节点和梁(或支柱)网络组成的二维或三维微架构，可以在保持结构完整性的同时极大地减轻产品的重量。

对于制造业来说，晶格结构可能相对较新(大约30年前3D打印的出现使其成为可能)，但它并不是一个新概念。埃菲尔铁塔始建于1887年，其1063英尺高的尖顶依靠晶格结构高高耸立在战神广场之上。

但这并不是3D打印减轻无人机重量的唯一方法;加法制造还允许部件合并和创建子组件的紧密包装。例如，管道冷却系统中的风扇由多达73个劳动密集型和耗时的部件组成。通过增材制造设计(DfAM)，这个风扇可以合并成一个单一的部分。但好处不仅仅在于设计。这种能力允许制造商优化无人机的质量。

2.利用复合材料(和一系列材料)

目前，几乎所有的无人机都采用了碳纤维复合材料。碳纤维的使用可以追溯到1963年，当时这种昂贵的材料仅用于军事航空和航天器建造。碳纤维的轻量化部件逐渐取代了重金属部件，从而实现了更大的加速度和更高的速度。

虽然碳纤维是一种通用的坚固材料，但制造商在选择无人机材料时需要考虑广泛的标准。例如，刚度重量比(也称为“比刚度”或“比模量”)。这是指一种材料在承受重量时的弯曲程度，这是航空航天工程师非常关心的一个问题。

在航空航天应用中，刚度至关重要。首先，硬件结构必须具有较高的结构刚度，以保持其气动形状。其次，旋转叶片，如转子、螺旋桨或发动机风扇叶片，以及经历加压循环的结构需要很高的刚度，否则推力会扭曲叶片轮廓，降低推进效率。

说到可靠的无人机材料，复合材料是很难打败的。由于无人机是无人驾驶飞机，它们需要能够通过无线或卫星通信与地面站通信。复合材料可以调整为吸收某些电磁频率并通过其他频率。出于这个原因，它们经常被用于构造防风雨的外壳(“天线罩”)，以保护发射和接收天线。

复合材料是3D打印中一种快速发展的材料。在国防和航空航天工业中，近70%的3D打印决策者正在使用复合材料。虽然复合材料也可以用于传统的制造方法，但有几个缺点:需要手工铺层复合材料层，使用昂贵的固化设备和模具等工具。有了3D打印，这个过程可以自动化和简化。这是迄今为止更有效的方法。

但随着无人机应用的不断增加，制造商可能需要探索更多的材料选择。一些正在兴起的无人机使用案例可能需要特定的规格和能力。例如，消防员可以使用无人机来监控和帮助控制野火的蔓延。在这种情况下，有必要使用耐热材料，以避免损坏无人机或造成环境危害。

谁知道将来会有什么材料取代复合材料呢?在我们的航空航天和国防调查中，近60%的受访者表示，他们正在投资创新材料，而且不知道是什么新材料工程材料可能会出现。

3.随需应变制造业和修理军用无人机

在其2020/2021年无人机市场概况及预测蒂尔集团(一家专门从事航空航天和国防的市场分析和预测集团)认为无人机是国防市场中“最具活力的领域之一”。该报告继续预测，未来十年全球军用无人机产量将接近990亿美元。预计仅美国军方在2029年就将在研发方面投资27亿美元，并在采购方面再投资25至33亿美元。这还不包括可能增加数十亿美元的机密项目。

无人机在军事中的应用范围广泛，包括情报、监视、目标捕获和侦察。在这些努力中，增材制造可能提供极大的帮助。

随着军方开始依赖无人机执行任务，按需制造和维修可能变得至关重要。他们可能需要一架无人机或备件(如螺旋桨)在一个难以交付的地区或在一个情况下，速度是至关重要的。在这种情况下，通过增材制造实现的本地生产可能是最快和最可靠的采购方法。如果军事单位驻扎在一个包含3D打印机的基地，它将更容易和更快。大型和紧凑型3D打印机可以快速部署到战区附近。这在积分时可能有特殊的价值印刷电子产品在分层过程中，用于特定任务的无人机活动的一种常用技术。

4.启用无人机与正确的认证

快递卡车可能会有一个新的竞争对手:无人机。在纽约这样的人口密集城市，绝大多数货物都是由卡车运送的。大约每天2.5万辆货车和商用车辆搬进曼哈顿及周边地区。现在，我们看到许多公司都在寻求联邦航空管理局(FAA)批准无人机送货，以缓解受限地区的交通压力。

但为了起飞(没有双关语的意思)，无人机需要满足正确的条件。航空航天工业有一系列设计和制造要求，以提高对飞行器可靠性的信心;这就是为什么许多在航空航天领域提供产品和服务的公司都努力获得AS9100认证。

在捷普，我们已经使用了增材制造来满足这些标准。事实上，增材制造可以提供最大效益的一些行业开云体育手机app下载安装苹果是具有最广泛的资格和合规要求的行业。3D打印使我们的产品安全和符合世界各地的法规。

正如我们所知，无人机正在改变世界。很快，你可能会有一个无人机送货的包裹放在你的门口，或者依靠风暴追踪无人机的信息来为飓风做准备。没有人知道未来会发生什么，但有一件事是肯定的:3D打印无人机技术将改变游戏规则。