基于3D打印的无人机装备研发

金凯　屠莉　奚达新

摘要：目前，3D打印技术已在创意设计，创新制造等领域中有了广泛的应用。我系自主研发的无人机，在外观支架和无人机机身制作方面技术不是很成熟。利用3D建模为无人机量身定制模型，运用3D打印技术打印组装无人机机身模型。

关键词：3D打印技术；3D建模；无人机；量身定制

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）15-0202-02

Research and Development of UAV Equipment based on 3D Printing

JIN Kai， TU Li， XI Da-xing

（Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin 214405， China）

Abstract： At present， 3D printing technology has been widely used in creative design， innovative manufacturing and other fields. It is immature in the production of exterior bracket and fuselage for self-developed unmanned aerial vehicle （UAV）. The 3D model is used to model the UAV and print and assemble the UAV fuselage model with 3D printing technology. 3D printing technology is used to customize and print models for UAV， and the models are assembled for UAV.

Key words： 3D printing technology； 3D modeling； Unmanned aerial vehicle （UAV）；Custom-made

1 背景

3D打印技术是最近30年来世界制造技术领域的一次重大突破，是机械工程（精密制造）、计算机技术（软件开发）、数控技术、材料科学等多学科技术的集成，能够依据数学几何模型的设计，迅速、自动地打印出具有一定结构和功能的原型或零部件产品[1]。近年来，3D打印技术在创意设计和工业制作等领域得到了迅猛的发展。

与3D企业校企合作，我校计算机科学系成立3D思维打印社团，面向全校开展3D教学、定期在校外开展社会化3D服务，促进3D打印在社会上推广等活动。社团先后代表学校多次参加校外比赛，并且帮助江阴市交警部门在无人机装备上设计可装载无线通信接收器。针对计算机科学系嵌入式自主研发的无人机在支架和装备定制上的需求，3D思维社团运用3D建模技术为他们设计并打印无人机机翼及机身装备，使其更美观，更具功能性。

2 3D打印技术的原理与现有技术

3D打印（3D Printing）是快速成型技术的一种，也称为增材制造技术（Additive Manufacturing，AM），是一种以数字模型文件为基础，以材料逐层累加的方式制造实体零件的技术[1-2]。3D打印通常是采用3D打印机来实现，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。

3D打印其实很简单，就是在普通的二维打印的基础上再加一维。打印机先像普通打印一样在一个平面上将塑料、金属等粉末状材料打印出一层，然后在将这些可黏合的打印层一层一层的粘起来。通过每一层不同的“图形”的累积，最后就形成了一个三维物体。

目前，3D打印机主要有桌面级打印机，专业级打印机，工业级打印机。3D思维社团使用的打印机属于桌面级打印。相对于其他的打印机而言，桌面级打印机具有速度快，价格便宜，实用性高等优点。桌面级打印机采用分层加工、叠加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统减材技术完全不同，是因其加工过程与喷墨打印机相似。

对于桌面级3D打印机来说，喷头是材料挤出成型的重要部件。因为打印立体实物，需要用到的材料，通常是ABS或者PLA线料。目前最常用的FDM打印机，是采用热熔融成型技术，将条状成卷的材料，在喷头部件里用200度左右的温度熔化后挤出来，附着在底板或者下一层材料上并且冷却凝固成型。

3 基于3D打印的无人机装备研发思路

通过校企合作我校引进桌面级3D打印机，把与3D打印方面专业知识相结合，基于本校3D思维社团与嵌入式无人机研发工作室合作，共同进行无人机装备研发。

对于无人机机身装备与整体机架研发的基本思路为：

1）首先，与嵌入式同学合作，详细了解无人机工作室对无人机的详细要求，对他们无人机的机翼，电路板以及电池等部件进行数据采集，通过精确的测量，获得无人机装备的详细尺寸。

2）通过与无人机工作室沟通，获得无人机机身的基本尺寸，然后运用3D MAX设计无人机的机身装备，与嵌入式同学对设计好的模型進行讨论，按照要求对无人机不断进行改进。

3）把设计好的模型通过建模软件生成3D打印机可以打印的格式，运用桌面级3D打印机对其进行打印。

4）将模型装载在无人机上边进行不断改进，进行无人机试飞，运用不同的打印材料进行测试，最终确定模型。

5）将最终确定好的无人机模型与杭州先临三维科技公司合作，运用最新的激光打印机进行打印，使得打印出来无人机机身装备强度更加适合无人机。

在设计过程中采用3Dmax建模，3DStar打印技术，设计组装打印机身模型。从设计，建模，打印，维护等各个环节，严格按照时间、资源、人力三角定律进行项目的开发和设计。团队成员分工明确，有效地进行团队协作，指导老师将对整个项目各个阶段的开展提出意见和建议，监督指导整个项目的进行，保证整个项目的顺利完成。

4 基于3D打印的无人机装备研发过程

3D思维社团与无人机工作室经过共同合作对无人机的机身模型进行的多次测量与制作，在测试期间出现模型尺寸大小不符合的情况与打印出来成品强度不够问题，全部进行了一一完善，最终完成了无人机的机身装备制作。

在无人机机身制作中，3D社团成员与嵌入式同学先后制定了三套方案。第一套方案准备设计一套不需要自己组装的无人机模型，但是在制作过程中发现无人机一些尺寸大小规格不一样，无人机机身零件不能按照原先要求放置到指定位置，于是采用组装方式进行。第二套方案設计好的无人机由于考虑不全面，需要机身部件太多，以至于无人机重量超过预定设计，不利于无人机的续航与起飞。最后，我们采纳老师意见，进行第三套方案，把无人机分开设计打印，往简单里面设计，先设计整体框架，其他部件留以后进行修改。

首先，我们先按照无人机的螺旋桨大小与无人机机翼头部发动机大小比例设计支撑无人机飞行的支架。通过3D MAX完成对无人机机翼头部支架设计如图1所示，最终成型的模型效果图如图2所示。然后进行无人机机身底座设计，采用平面设计法，把之前设计的上底座与下底座设计成可嵌套式的单层底座如图3所示。把设计好的无人机底座模型与无人机机翼支撑模型进行组装，严格按照无人机的螺旋桨大小与螺旋桨之间需要多少空间进行空气对流设计如图4所示。最后设计无人机的电池放置槽，采用嵌套方法把无人机的电池放置在设计好的盒子里面，然后与底部嵌套在一起如图5所示。

最终通过不断的改进和完善，完成无人机的机身制作建模如图6所示。

制作的无人机机身模型与无人机支架模型，再通过3D打印机进行打印，打印好的无人机进行组装试飞，并通过实践来验证整体性能。3D思维社团与嵌入式无人机工作室充分合作，团队自主研发的无人机装备在校内获得一致认可，并且颁发立项证书，也在江苏省2017年创新项目中获得认可。

了最终的研发成果。这极大促进我校在无人机方面的研究，也推动了不同专业之间的融合。

5 结束语

该项目选题来自校大学生科研基金项目，通过该项目的研发，3D思维社团与嵌入式无人机工作室充分合作，自主设计并研发的无人机在校内获得一致认可，促进了不同专业融合，不仅培养锻炼学生团队合作能力，也大大提高了同学们自主创新意识和科研能力。为将来学生走向社会进行实际开发和科学研究奠定良好的基础。

参考文献：

[1] 罗军. 中国3D打印的未来[M].北京： 东方出版社，2014.

[2] 3D打印主流技术基本原理与工艺[J].机械/仪表，2015（9）.3D打印主流技术基本原理与工艺 机械/仪表 201