80%的机体靠3D打印？一架固定翼无人机背后的制造创新
一架翼展约2.9米、飞行速度超过240 km/h的喷气式固定翼无人机，34个主要部件中，有26个通过3D打印制造，约占机体结构总重量的80%。更值得关注的是，借助增材制造技术，这架无人机的制造时间缩短了50%。
这并非概念模型！航空航天企业Aurora Flight Sciences与Stratasys合作，开发出这架采用推力矢量控制的喷气式无人机，并成功完成飞行验证。从复杂机体结构到燃油系统，再到喷气发动机附近的高温部件，工程团队采用多种增材制造技术，探索3D打印在实际飞行器制造中的应用潜力。那么，一架真正能够飞行的无人机，究竟有哪些部件可以通过3D打印制造？
01 机翼和机身
如何在减轻重量的同时保持结构性能？
对于固定翼无人机而言，轻量化始终是结构设计的重要课题。机翼需要承受飞行过程中的弯曲与扭转载荷，机身则需要在尽可能降低重量的同时，保持必要的强度与刚度。传统制造方式下，复杂的内部结构往往受到加工方式、模具及装配工艺的限制。在Aurora项目中，工程团队采用Stratasys Fortus FDM工业级3D打印技术与ASA热塑性材料制造机翼和机身结构。借助面向增材制造设计（DfAM）及拓扑优化方法，工程师能够根据结构受力要求调整材料分布，在关键承载区域保留必要的加强结构，并减少非必要材料。
例如，在机翼内部设计复杂的加强筋与中空结构，能够在维持设计所需强度和刚度的同时，降低整体结构密度。这种设计方式也让工程团队能够摆脱部分传统加工约束，将原本复杂的内部几何结构直接转化为实体零件。对于需要不断优化气动外形和内部结构的无人机而言，工程师还可以直接修改CAD模型，快速制造下一版本零件，从而缩短设计、制造与验证之间的等待时间。
02 燃油箱
将多个功能结构直接打印在一起
如果说机翼展示了3D打印的轻量化能力，那么燃油箱则体现了增材制造在功能集成与零件整合方面的价值。喷气式无人机的燃油系统需要连接燃油泵、过滤器及输送管路。传统制造往往涉及多个独立部件，以及后续连接、固定和装配操作。Aurora团队采用尼龙材料与激光烧结技术制造燃油箱，并将多项功能直接集成到零件设计中：
- 在燃油箱内部和外部形成管路结构；
- 集成燃油过滤器与燃油泵的安装接口
- 直接打印用于固定燃油管路的小型夹持结构。
通过这种方式，原本需要分别制造和装配的部分功能，被整合在同一个打印部件中，减少了独立零件及连接结构。而这一设计还关系到一个更重要的航空工程问题：重心控制。对于融合翼身布局的无人机，内部零件的重量与位置变化可能影响整机重心。传统制造方式下，一个局部结构发生变化，可能需要重新调整其他部件的布局。增材制造允许工程师更灵活地控制材料分布，并根据设计需求调整内部结构及安装特征。在Aurora项目中，这种设计自由度帮助团队更加精确地控制飞机重心，同时降低设计修改对其他部件造成的影响。
03 高温排气系统
为什么一架无人机需要多种3D打印工艺？
这架无人机采用喷气动力，并配备推力矢量控制系统。与常规机体结构相比，动力系统附近的零件需要应对截然不同的工作环境。特别是喷气发动机排气区域，温度可达到约700°C。面对这样的高温条件，工程团队需要针对不同零件选择合适的材料与制造工艺。
排气导管罩：ULTEM 1010高性能热塑性材料
Aurora采用3D打印方式，以ULTEM 1010材料制造排气导管罩，利用其耐热性能满足该部件的实际使用要求。
推力矢量：导管镍基高温合金
对于需要承受更高排气温度的推力矢量导管，团队采用直接金属激光烧结（DMLS）技术，具备较好的高温性能，适用于喷气发动机附近的高温结构。从ASA机翼、尼龙燃油箱，到ULTEM 1010排气导管罩与金属推力矢量导管，Aurora根据零件的结构和使用要求，选择了不同的增材制造材料与工艺。这也反映出一个重要的工程原则：增材制造的价值，来自针对具体零件的功能要求进行材料与工艺选择。
在该项目中，Stratasys的Fortus FDM设备承担了大型聚合物机体结构的制造，其他聚合物及金属增材制造工艺则用于不同功能部件。
04 从设计到实际飞行
制造时间如何缩短50%？
对于无人机研发而言，复杂零件的加工周期、专用工装投入，以及设计变更后的重新制造，都会影响整体开发进度。Aurora项目通过增材制造减少了对传统专用工装的依赖。工程团队可以直接从数字模型制造零件，并在设计调整后快速进行下一轮生产。与此同时，Stratasys GrabCAD软件也参与了整个协同开发流程。Aurora与Stratasys来自不同地点的6名核心工程师通过GrabCAD共享和管理CAD文件、设计版本及物料清单，协调整机设计与零部件制造。这种数字化协作方式，减少了跨团队沟通及版本管理带来的额外工作，使不同零件能够更高效地完成设计和制造。最终，工程团队成功完成了这架喷气式固定翼无人机的组装及飞行验证。项目取得的成果包括：
- 80%：3D打印零件约占机体结构总重量的80%。
- 36/34：34个主要部件中，26个采用增材制造。
- 2.9米：飞机翼展。
- 超过240 km/h：飞行速度。
- 50%：采用增材制造后，飞机制造时间缩短的幅度。
这些成果证明，3D打印能够承担实际飞行器中大量复杂结构与功能零件的制造任务，并为快速研发验证提供新的技术路径。随着无人机任务日益多样化，研发团队需要不断优化机体结构、调整载荷配置，并在有限的开发周期内完成更多设计验证。工业级3D打印能够帮助工程师快速制造复杂的机身、机翼内部支撑、功能外壳及专用工装；在符合性能要求的前提下，还能够通过结构优化和零件整合减少重量与装配环节。从机翼到燃油箱，从轻量化结构到高温功能部件，工业级3D打印正在为无人机的设计与制造提供更多可能。Stratasys通过FDM等工业级增材制造技术及工程材料，帮助企业探索从功能验证到实际零件生产的更多应用。
