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Formlabs如何通过3D打印适应定制化的无人机有效载荷
2023-08-15
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自然灾害、军事入侵、沉船和坠毁的飞机......这些事件的图片吸引了全世界的注意力。很有可能,这些图像是由一种相对较新的技术——小型飞行器或无人飞机(UAV)自己捕获的。随着无人机技术的进步,制造商不断挑战这些机器可以达到多远、多快和多重的极限。

总部位于南非的无人机制造商 Nextech 使用 Formlabs 选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印机为各行各业的客户制造高性能定制无人机。SLS部件坚固耐用的最终成品质量使Nextech能够通过一个简化的工作流程进行设计,包括原型设计和制造。

机械设计工程师Liam Kroone与我们讨论了他们的混合工作流程的优势,以及内部SLS 3D打印如何帮助他们在竞争激烈的行业中占有一席之地。“3D打印工作流程使我们能够解决独特的客户需求,开发新产品,并以更快的速度改进设计,”Kroone说。

在这篇文章中,您将了解Nextech如何使用SLS 3D打印来:

  • 用Fuse 1+ 30W 取代数百万美元的 CNC 加工;

  • 使用 3D 打印模具创建碳纤维无人机翼尖;

  • 结合机加工、碳纤维和 SLS 3D 打印,实现最佳重量和强度。


无人机挑战

无人机已经使用了几十年,主要用于军事组织的监视和战术任务。对于农业、野生动物管理或气候科学等行业来说,无人机的广泛使用受到高成本的限制。每个客户都有特定的要求,这些要求可能包括预期的气温和天气条件、摄像机或其他有效载荷的类型,或者燃料源与最终目标范围之间的距离。批量生产的零件用于大多数无人机模型的组件,但不同的细节不可避免地导致一定程度的定制化需求。


Nextech的Atlas T直升机式无人机


无人机最重的部分通常是电池盒,因此Nextech使用3D打印来优化其他组件的重量,使无人机能够在不牺牲强度或有效载荷的情况下飞得更远。


传统的制造技术使定制变得困难——制造模具、加工或水射流和激光切割方法非常昂贵,特别是对于所需的复杂几何形状。3D打印为无人机制造商打开了一扇门,可以经济实惠地制造复杂的几何形状和定制产品,但找到合适的技术和材料限制了它的采用。Fuse 1+ 30W SLS 工作流程使 Nextech 能够快速进行原型设计,根据客户反馈提高其迭代能力,并以经济实惠的方式批量生产定制组件。


将 SLS 引入内部

在将 Fuse 1+ 30W SLS 打印机添加到其生产线之前,Nextech 在原型制作阶段选择外包 3D 打印或加工组件。“我们在当地大学的大型工业EOS机器上打印了一批小型3D打印组件,但花了数周时间才将它们取回,”Kroone说。


将打印机引入内部加快了他们的开发时间,使团队能够更紧密地与客户合作。“您正在为客户执行独特的项目,因此您需要快速制作原型,但对于错综复杂的零件,具有高质量的饰面,”Kroone 说,“我们将添加支架并测试强度、手感和重量,或者添加垫圈以获得更多的绝缘性并测试贴合度和可用性,以确保我们发送给客户的最终解决方案是高质量的。”


在外包打印零件时,这种迭代节奏是不可能保持的。等待数天或数周的迭代工作使他们更接近最后期限,并限制了可能的功能测试量。“当您拥有自己的内部打印机时,您可以真正提高体积并优化材料的使用。我们可以生产我们的塑料零件,而无需生产注塑模具,注塑模具非常昂贵,而且需要很长时间,“Kroone说。


SLS 3D打印无人机甲烷传感器放在木桌上

定制设计的甲烷传感器在 Fuse 1+ 30W SLS 3D 打印机上打印,采用尼龙 12 粉末。内部生产降低了设计和制造成本

 

由Nextech Drones定制设计的电池充电器SLS 3D打印

同样地,这种定制设计的电池充电器使用尼龙12粉末制作。通过内部生产,Nextech变得更加敏捷,对客户的设计需求反应更加迅速


通过互补技术实现复杂零件

客户需要定制化的有效载荷,例如用于农业、环境或野生动物测量的不同类型摄像机或传感器,需要定制的支架将它们固定在无人机的框架上。这些支架会因每个项目而改变,有时将有效载荷放在离燃料源更远的地方,燃料源可能会长距离加热,或者将其保持在不同的角度。为了设计和制造这些需要坚固耐用的支架,Nextech使用SLS 3D打印,复合材料和机加工的组合。他们的优势在于优化技术作为补充,而不是替代。


“传统加工和SLS 3D打印的混合创造了我认为是下一代我们将如何制造一切的东西。”

Liam Kroone,Nextech机械设计工程师

3D打印无人机部件的布局

Atlas T 四轴飞行器模型利用 SLS 3D 打印(天线叶片、万向节和甲烷传感器的盖子)、机加工金属部件和碳纤维部件的组合来优化有效载荷并实现独特的几何形状,以达到最佳性能


测量熔体

Nextech的型号之一是固定翼无人机,翼展3.2米,射程为100公里。在与法国政府合作的一个项目中,无人机飞行以扫描和调查北极不断恶化的冰盖。无人机携带多光谱成像和定制热成像设备,以测量海洋如何影响冰盖融化的速度。Nextech团队必须为无人机设计定制的支架和机身组件,以携带敏感的有效载荷,以及在极端条件下运行的翼尖。


“如果无人机的质量或环境发生变化,翼尖的轮廓也需要改变。因此,当我们进行原型设计并且这些变量正在发生变化时,在我们确切知道它将如何工作之前,加工变得非常昂贵,“Kroone 说。


最终的翼尖将由碳纤维复合材料制成,但为这些复合材料制造模具非常耗时,而且加工成本太高。在Fuse1+30 W 上使用尼龙12 粉末可以让团队处理与最终碳纤维部件重量相似的复杂形状。


“如果你要尝试用铝甚至碳纤维制造它,那么在项目的早期阶段就要把模具做好会非常复杂。因此,为了能够使用Fuse 1+ 30W完成这种复杂的形状,我们可以尝试几个不同的版本,或者随着项目的变化,我们能够毫不费力地打印新设计,“Kroone说。 
 

Nextech的固定翼无人机(效果图)

Nextech固定翼无人机的渲染显示了设计的规模和复杂性


户外固定翼无人机

Nextech 团队依靠使用碳纤维成型与 Fuse 1+ 30W 和尼龙 12 粉末的设计流程来快速迭代,测试其固定翼无人机的功能翼尖


一次 100 个:批量生产最终用途零件

对于多旋翼无人机Atlas T,该团队已经进行了几种设计,以将传输技术保持在一定角度和距离。设备的握持方式会影响其性能,将GPS和天线置于正确的位置意味着更长的范围和更高的传输质量。远程天线跟踪技术不会受到导电、笨重材料的阻碍,因此能够定制有效载荷夹具和天线需要复杂的几何形状和许多使用非导电材料的迭代测试轮次。


Kroone使用Fuse 1+ 30W开发具有卡入功能的智能电池定位器。有外部和内部组件,用尼龙 12 粉末制作,用于最终用途无人机。内部组件的尺寸和大批量使得在数控机床上高效编程变得困难。“它们是小零件,将它们安装在 CNC 机器上需要花费大量时间,但我们可以在 Fuse 1+30W 上一次打印 30 个,”Kroone 说。


Nextech在Atlas-T无人机上的电池定位器

Atlas T四轴飞行器上的最终用途电池定位器是在Fuse 1+ 30W SLS打印机上制作的,使用尼龙12粉末


将输出与价值百万美元的设备相匹配

结合SLS和CNC技术,使Nextech在设计和制造过程中具有更大的灵活性。他们能够使用 Fuse 1+ 30W 进行批量生产和复杂的几何形状,同时为其他组件加工高强度铝制零件。当他们评估 SLS 设备时,找到一款可以匹配其 CNC 机床质量的3d打印机非常重要。最终他们选择了Fuse 1+ 30W。“这确实是一项了不起的技术。我们在数控机床上花费了数百万美元,Fuse 1+ 30W 的输出容量与此相同,但它仅是一台价值 60,000+ 美元的设备,“Kroone 说。


随着Nextech无人机的每一次成功部署,曝光率都会增加,客户需求也会增加。Nextech 需要 Fuse 1+ 30W 能够一致、平稳地运行。“可重复性和可靠性对于确保我们在短时间内制造高质量的无人机非常重要。众所周知,许多 SLS 打印机会出现许多打印错误和打印失败,而 Fuse 1+ 30W 是一款具有强大支持的高质量机器,“Kroone 说。机器本身的可靠性,加上 Formlabs 对全球顶级支持的承诺,有助于保持生产正常运行。


无人机行业的竞争非常激烈,公司争夺来自政府、研究和农业部门的大合同。为了保持领先地位,无人机制造商必须不断更新他们的技术,并为每个项目提供可定制的选项。3D技术,特别是SLS和CNC加工的内部生产能力,使Nextech与众不同。


“我想说的是,任何一家没有这些,做批量生产的公司,真的不知道他们未来在做什么——他们给自己带来了障碍,因为他们没有总是在必要时在内部拥有生产工作流程。”

Liam Kroone,Nextech机械设计工程师


一名男子在保险丝筛中为零件除粉

Fuse 筛分器为零件脱粉和回收材料提供了安全高效的工作流程


将传统的制造技术与内部先进的增材工作流程相结合,使Nextech飞到了无人机行业的顶峰。Formlabs 的 Fuse 系列 SLS 打印机的可靠性意味着它们可以保持敏捷性,响应供应商的变化和客户需求,并不断改进产品。