复合材料无人机革新无人机技术

变革，更准确说是快速变革，最能刻画当前无人机（UAV）设计制造状态。一大变化是术语：UAV 现在叫“无人机”，曾近乎专属军事任务的无人机技术，正打破限制性定义，渗透尖端工业、商业、消费应用。不再局限于地面人工控制，无人机也在塑造自主技术命运——它将是什么、如何应用。

雷达上：通信、自动化无人机

复合材料在无人机应用的一大承诺，是赋能持久长航时系统，提供广域 WiFi 互联网接入。理想此类无人机太阳能驱动，可为数平方英里陆地区域提供数周不间断互联网。至少两个项目追逐此技术，成果有望但喜忧参半。

一是社交巨头 Facebook（加州门洛帕克），二是麻省理工学院（MIT，马萨诸塞州剑桥）产物。均已造飞原型，志在用全新设计实现前所未有的无人机飞行时长，势必最大化发挥先进复合材料优势。

2014 年起研发，Facebook Aquila（图 1）全碳纤维复合材料、太阳能、四螺旋桨无人机，试飞两次。2016 年 305 米以下飞 96 分钟，去年飞约 106 分钟，达 914.4 米高度。Aquila 野心勃勃：目标客群为全球数十亿无可靠网络接入人口。鉴于巨大地理尺度，无人机须极长不间断飞行，极高空——60,000-90,000 英尺（18,290-27,430 米）。此高度可覆盖约 60 平方英里 WiFi。技术成熟时，扎克伯格称将建无人机编队。

虽对复合材料行业利好，Facebook 极少披露 Aquila 碳纤维材料层压具体工程细节。CW 了解试飞版“翼展超波音 737”，约 110 英尺（±34 米）。为省重减阻弃常规起落架，Aquila 装凯夫拉“着陆垫”粘接电机吊舱底部，重约 1,000 磅（454 公斤），约半重量为电池。扎克伯格明确要求更轻。

逆风飞行时，设计地速仅 10-15 英里/小时，保持目标覆盖区上空。通信系统用激光传数据，速度约陆基光纤 10 倍。第二版最近试飞，机翼涂未指明涂层材料获“更光滑表面”，爬升率翻倍至 54.9 米/分，超首架。仍待验证仅靠太阳能能否达 Aquila 野心飞行时长目标。Aquila Facebook 专页称下阶段主挑战：太阳能电池效率、电池储能、运营可接受成本范式。Facebook 称将扩大测试计划，含不同“形式因子、尺寸、重量”无人机，飞更高空。

与此同时，MIT 工程师团队设计制造测试一款翼展 24 英尺（7.32 米）无人机，全碳纤维和凯夫拉增强复合材料（图 2）。Jungle Hawk Owl 项目由美空军（Hanscom 空军基地，马萨诸塞州贝德福德）资助，目标较 Facebook Aquila 适度：造无人机能在高低纬度、四季、约 4,572 米高度持续飞 5 天以上。此类无人机设计为通信枢纽，大范围停电/服务中断时提供临时互联网/电话连接。

无人机设计仿滑翔机，典型薄气动外形。首个全尺寸版去年试飞，最大高度 122 米，机翼厚度 42.4 毫米渐细至 20.8 毫米，空重仅 12.7 公斤。调整飞机及汽车顶发射系统后， 高空试飞定今夏，携通信设备和燃料满载至 45.4 公斤。

MIT 航空航天教授 John Hansman，学生研究联合督导（MIT 与 MIT 林肯实验室合作，马萨诸塞州列克星敦）报告：机翼芯材三明治两步成型。为达气动精度，机翼上蒙皮单独真空浸润成型，单层单向碳纤维布垂直翼展向铺设。下蒙皮：单向布成型不同厚度梁帽置入模具。泡沫填充梁帽周围及间隙，下蒙皮真空袋贴合结构成型。上蒙皮再贴合底部，缠绕 12K 线群。所有织物浸润 West Systems 105 低粘环氧树脂，Gougeon Bros.（密歇根州贝城）供货。所有模具 CNC 加工自 RenShape 440 聚氨酯泡沫，Freeman Manufacturing & Supply Co.（俄亥俄州埃文）供货。

机身容汽油发动机（见侧栏“无人机：MIT 软件质疑太阳能 UAV”）和油箱，用简单圆柱混凝土模具，内径贴两层单向布，一层 90°、一层 45°，再用环形真空袋穿过管子抽真空浸润，外层层压板贴模具内壁。锥形外模两半加工自泡沫，制造锥头（含通信电子），单层 0° 凯夫拉布铺模具半（已粘合）真空浸润。

无人机——工业新玩家

无人机在工业领域崭露头角，飞往工人常规机械含机器人难达、昂贵区域。

极大潜力应用：老化风机叶片安全巡检。配军用监控相机的 UAV 是技术早期应用。今配专用相机、极复杂软件自主运行的无人机，可在 15 分钟内巡检巨型风机转子叶片（人工需整天），转发损伤视觉证据至网络门户供检查员舒适环境屏幕查看。CW 五月刊报道此增长的无人机业务现象（见“服务与维修：优化风电并网影响”）。

斯图加特大学（德国斯图加特）建筑结构研究所和计算设计研究所研究团队展示新颖巧法：无人机配合工业机器人通过缠绕工艺制造大跨度复合结构。协同缠绕，即用两固定工业机器人和定制轻量无人机“中介”在机器人间隙隙制造大跨度结构（图 3）。简单说，布局建立有利分工，发挥双方强项——机器人精准放置浸渍纱线于缠绕框架，无人机梭织纱线从线轴至各机械臂，突破机器人末端执行器伸展包络对零件尺寸限制。迄今制造超机器人伸展的大型件主要替代方案是模块化，尤其承载结构非理想。

八研究员完成，论文“多机器制造”刊登 2017 年 11 月 Acadia（室内建筑空间设计期刊）。工作单元含两台 6 轴 KUKA（德国奥格斯堡）KR 210 R3100 Ultra 机器人，钢延伸件、液压夹具抓取缠绕执行器、红外摄像头同步机器人位置与无人机。基于挤出轧制张力装置的定制张力机构控制纤维张力从源头至无人机或机器人传递。

项目研究员 James Solly 称最终无人机设计源自四早期原型，优化重量稳定飞行行为。无人机身机加工自标准碳板，机臂 20 毫米碳管。连接件、间隔件等小件 PLA 3D 打印。尺寸约 92×92×31 厘米，载荷约 2 公斤。

缠绕单锚点：机器人臂带浸渍纤维绕缠绕框架升高。达锚点，缠绕纤维绕锚点，回收缠绕执行器至无人机待机着陆平台。交接确认后，张力机构切低张力，无人机带解卷纤维飞往下一机器人平台。研究员用机器人-无人机单元制造 12 米悬臂演示件，展示传统自动缠绕无法生产的形状尺寸（图 4）。件用单头连续玻璃纤维 SE1500-2400tex，Lange+Ritter GmbH（德国格林根）捐赠；SIGRAFIL 连续碳纤维束 CT50-4.0/240-E100，SGL Technologies GmbH（德国威斯巴登）捐赠。纤维预浸 EPIKOTE MGS LR 135 环氧树脂配 EPIKURE MGS LH 138 固化剂，Hexion（俄亥俄州哥伦布）供货。用预浸纤维和浸润浴干纤维制造。Solly 称该工艺最适合生产横跨垂直支撑的水平长跨结构，如舞厅屋顶、人行天桥，自重减少可望显著降材料成本。团队将在 7 月 16-20 日波士顿 IASS 2018 大会进一步阐述工艺应用。

另一工业相关项目：MIT 媒体实验室研究团队探究无人机通过射频识别（RFID）标签定位识别仓库库存。现代仓储物流规模扩大引发库存核算改进需求。人工扫描费时费力易错。沃尔玛 2013 年报因库存记录与实货不匹配损失超 30 亿美元。

MIT 团队成功开发原型，让小型轻量柔性塑料旋翼无人机——唯获准近人类使用类型——从数十米外读取 RFID 标签，平均定位误差约 19 厘米。

研究用 Parrot Corp.（法国巴黎）Bebop-2 无人机。专为摄影等低振动应用设计，机身玻璃填充 Grilamid TR 尼龙，EMS-CHEMIE AG（瑞士多马特/埃姆斯）供货。单机约 500 克，自主飞约 25 分钟。虽获准近人用，但太小载不下超几厘米范围 RFID 读写器。关键突破：无人机转发标准 RFID 读写器发射信号至标签。信号达标签，标签编码标识符回传信号，无人机转发读写器，读写器解码标识符，从而得物品及位置。团队正改进长距离定位精度、提速扩展。

创新催生无人机新应用

材料供应商、合同 3D 打印制造商、打印设备供应商报告无人机制造商业务增长，开发新产品能力服务此业务。

Clearwater Composites LLC（明尼苏达州杜鲁斯）生产碳纤维管板供工业设备、机器人、航天、运动用品、无人机制造商。管材多形状，主卷绕单向碳纤维环氧预浸料于芯模，250°C 固化。标准、高、超高模量，后者用沥青基纤维。板材类似材料压缩模塑或真空浸润制 1.2×2.4 米板。总裁 Jeff Engbrecht 称无人机客户典型为北美设计制造高端工业航天无人机公司。

Clearwater 报告供应某无人机设计制造商定制渐细薄壁（0.03 英寸/0.76 毫米）管，东丽（日本东京）高模量 M46J 碳纤维制造。管一端圆，渐细至另一端椭圆，用于未指明新应用。

Stratus Aeronautics（加拿大卑诗省本拿比）制造无人机主用科学研究、采矿、军事磁力航测。固定翼多旋翼配置，显著成本优于有人驾驶。

固定翼 Venturer UAV（图 5）小型轻量飞机，100cc 二冲程汽油机驱动，长航时（>10 小时）任务——有人机不可能。机身碳纤维预浸料模塑，机翼半单壳泡沫芯，机身单壳无芯。

CTO Curtis Mullen 称新款电动多旋翼 UAV 设计测试近完成。长 3 米、重约 15 公斤，除电子全碳纤维复合材料。“底盘自对中单壳结构，CNC 路由碳板制造，”Mullen 说。不同纤维取向模量管状碳纤维构成其余结构。CW 7 月截稿时，公司计划 6/7 月完成制造试飞，2018 年底推 Venturer 上市。

无人机与 3D 打印共舞

鉴于无人机技术飞速发展，无人机制造商推动复合材料增材制造不足为奇。无人机设计师不仅用大幅面 3D 打印机做流程最初设想的快速原型，还随工艺演进用于工装和成品件，满足无人机 OEM 快速交期需求。

Impossible Objects（伊利诺伊州诺斯布鲁克）近期与 Aurora Flight Sciences（弗吉尼亚州马纳萨斯）合作，用复合基增材制造（CBAM）技术 3D 打印 76×38 毫米后安定架安装座，高密度聚乙烯（HDPE）增强 25.4 毫米切碎碳纤维。装配当时开发新飞机，替代易断未增强尼龙件。虽增材制造常用于原型测试件，Impossible Objects CEO Larry Kaplan 称公司正争取多个无人机商用大批量零件应用。应用细节未披露，但 Kaplan 透露将涉及公司新开发的耐高温碳纤维/尼龙和碳纤维/PEEK 材料。“我们是唯一拥有增强 PEEK 材料的复合材料增材制造商，”Kaplan 主张，高温材料对零件模具需求日增。

打印机供应商 Stratasys Inc.（明尼苏达州伊登普雷里）与材料供应商、航天/无人机制造商持续合作开发商业化其 3D 打印工装技术用于复合件模塑。Stratasys 复合解决方案高级总监 Timothy Schniepp 称公司熔融沉积建模（FDM）机器两三天或更短产出大部分工装，意味着客户不足一周可开模。公司高温材料 Ultem 1010，聚醚酰亚胺（PEI），SABIC（马萨诸塞州皮茨菲尔德）制造，通用未填充材料，适用所有铺层工装含 300°F 高压釜工装。

Swift Engineering Inc.（加州圣克莱门特）用 FDM 和 Ultem 1010 制造无人机碳纤维增强环氧螺旋桨叶压缩模配套模具半件。356×102×51 毫米工具 30 小时打印，人工打磨密封双组分环氧，表面粗糙度 Ra 约 0.4 微米。

Rock West Composites（犹他州西约旦）与 Stratasys 合作验证部分工装设计模塑测试件。业务发展总监 Adrian Corbett 称无人机行业引入更多 3D 打印件，3D 打印工装较环氧等工装材料机加工有清晰优势。“让你以打印工装速度造零件，”他说。

简而言之，新无人机繁荣时代已至。幸亏对许多复合材料从业者，此番变革是好事。