基于3D打印技术的无人机结构设计研究

《Macromolecular Symposia》：Research Study Concerning the Structural Design of a Drone Using 3D Print Technology

　　

摘要：无人机机架作为支撑结构，用于固定所有关键部件，如电池、控制器板、电机以及不同项目所需的所有模块。在工业领域，无人机机架通常通过计算机数控（CNC）从一块材料加工而成，或在某些情况下由复合材料、碳纤维和环氧树脂玻璃纤维制成。无人机设计及其适用性在持续发展，导致对替换部件或定制组件的需求很高，以适应农业、摄影、测绘、空中监视、应急情况等诸多领域。在无人机子系统设计中使用3D原型制作，允许研究人员测试和验证设计概念，从而能够在设计阶段进行可能的修改，以验证概念是否符合预期设想。本文展示了如何利用小型控制器和各种组件，通过3D设计软件和熔融沉积成型（FDM）3D打印技术来创建更大的无人机模型。论文系统地阐述了无人机主要组件的设计过程。

### 论文解读：基于3D打印技术的无人机结构设计研究

#### 研究背景与意义
无人机技术的持续发展对轻量化结构组件提出了迫切需求。无人机的总重量对其续航能力有显著影响，因此机架或结构在其设计与执行中扮演着至关重要的角色。机架必须能够支撑所有组件的装配，同时具备一定的柔韧性以吸收跌落或碰撞时的各种冲击。当前，无人机结构设计面临诸多挑战，包括如何平衡重量与强度、如何优化几何形状以提升性能，以及如何利用新材料和制造技术来降低成本并提高定制化能力。传统的制造方法如CNC加工或复合材料成型，虽然在性能上可能占优，但在快速原型制作、设计迭代和成本控制方面存在局限。因此，探索利用3D打印（增材制造）技术进行无人机结构设计与制造，具有重要的研究价值和应用前景。本研究旨在通过系统性的设计流程，结合3D打印与有限元分析（FEA），探索一种从现有小型无人机组件出发，扩展并创建大型无人机的可行方法，以验证3D打印在无人机结构开发中的实用性与经济性。本论文发表于《Macromolecular Symposia》。

#### 主要技术方法概述（不超过250字）
研究人员采用了一种基于逆向工程和增材制造的系统设计方法。核心是利用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术来制造无人机的所有结构部件。设计流程始于使用3D设计软件对无人机进行建模，目标尺寸设定为对角线轴距616毫米，总距离966毫米。由于部件尺寸超过了所用Prusa i3 3D打印机平台的尺寸，设计采用了分体式组装方案。打印参数设置为：打印速度60毫米/秒，挤出头温度205°C，平台温度60°C。所有结构件均采用100%填充率打印以确保强度和刚度。电子系统方面，采用了小型无人机的控制器主板，并利用N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）来控制无刷电机，电源由三块锂电池独立供电。完成物理制造后，研究人员使用Autodesk Inventor 2025软件对组装结构进行了有限元分析（FEA），以识别潜在的应力集中和薄弱区域。

#### 研究结果
**3.1 结构设计与制造**
所有部件均采用100%填充率打印，以追求更好的刚度和强度。尽管这导致打印时间较长，但部件在承受各种应力时表现出更高的强度和更好的性能。无人机的构建被划分为多个部分，包括控制器支架、电池与MOSFET控制板支架、机臂支撑框架、连接臂、带齿轮的电机支架以及桨叶连接件。针对齿轮传动，研究人员选择了一个额定电压3.7V、转速15,670 RPM的通用小型无刷电机，通过齿数比为9:81的齿轮组，将驱动轴转速降至1,741.1 RPM。在初步打印并测试齿轮功能后，进行了多次设计迭代，考虑了打印部件的公差问题，并为齿轮增加了兼具保护和起落架功能的防护罩。为了进一步减重，在保证强度的支撑件上设计了减重孔。机臂与中心框架通过T型剖面进行互连，这种设计利用打印部件的粗糙度和小公差，通过压入配合实现牢固组装，无需螺丝或胶水，既保证了整体刚性，也便于在部件因冲击损坏时快速更换。中心框架采用六边形设计，同样使用T型剖面，用于连接机臂并作为电池、控制器和主板的支撑框架。

**3.2 组装与测试**
所有部件经过打印和后处理（去除支撑结构）后进行组装。组装完成后，无人机进行了室内和室外飞行测试。在总电池容量为2,700 mAh的情况下，室内飞行时间约为20分钟，室外飞行时间因气流和无人机稳定尝试而减少至14-16分钟。

**3.3 有限元分析结果**
对组装后的无人机结构进行的有限元分析（FEA）显示了其结构行为。冯·米塞斯（Von Mises）应力范围最大达到约20.17 MPa。对于聚乳酸（PLA）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）塑料，典型的抗拉强度约为40-60 MPa。分析结果表明，部件的应力水平低于许用极限。分析同时识别出高应力集中点，主要集中在机臂与中心机身的连接处（图中圈出区域）。这些点在飞行、着陆或受到冲击时承受扭转或拉伸力，可能成为应力积累的关键区域。

#### 讨论与结论
讨论部分总结了利用3D打印技术制造无人机部件的可行性与优势。通过遵循逆向工程步骤，3D打印能够用于扩展和创建新设备。从概念设计到模型的物理实现，有限元分析（FEA）始终是一个关键工具，能够帮助研究人员提前检测并补救潜在的薄弱点，从而进行重新设计以确保其实现预定功能。本研究中的3D打印部件是基于构建无人机所用的现有可用部件进行设计的，具有明确的功能角色。与市场上尺寸相似的其他无人机相比，利用3D打印技术制造的本无人机成本非常低廉。

**结论翻译如下：** 根据本文中关于创建无人机的打印部件，可以认为打印技术的使用在无人机（UAV）领域仍然是一个可行的选择。通过遵循逆向工程步骤，我们可以利用3D打印来扩展和创建新的设备。从概念设计到模型的物理实现，有限元分析（FEA）仍然是一个工具，借助它我们可以预先检测并补救潜在的弱点，以便对它们进行重新设计，从而使其实现其目的。3D打印部件是基于构建无人机所用的可用部件，以功能角色进行设计的。与市场上类似尺寸的其他无人机相比，这款无人机是使用3D打印以极低的成本制造的。