无人机：3D打印已占物料清单1%，未来可达90%，GA-ASI万级零件将全面投产

南极熊导读：在无人机领域，3D打印已经显示出强大的应用优势和潜力。目前原子航空系统公司的无人机中，3D打印零件已占物料清单（BOM）的1%，未来小型无人机最高可达90%。

通用原子航空系统公司 (GA-ASI)是遥控飞机 (RPA) 系统的领先设计者和制造商。在 AMUG 2023 会议上的一次演讲中，GA-ASI 的增材制造部门经理 Steve Fournier 向外界展示了所涉及的增材制造业务范围：从聚合物（FDM、SLS）到金属（L-PBF、DED-W），再到复合材料（LSAM、BJP）的各类3D打印应用。

GA-ASI下一步计划是通过与 Divergent 的专家和先驱合作来实现完整的工作流程集成，以实施他们的 DAPS 功能。Fournier 表示：“增材制造的未来是光明的”。

以增材制造为中心

2021 年，通用原子航空系统公司建立了新的增材设计与制造 (AD&M) 卓越中心，专注于使用功能齐全且可飞行的增材制造应用、研发、大型工具和下一代飞行硬件，对 GA-ASI 的无人机系统 (UAS) 系列进行快速制造。

在过去的十年中，GA-ASI 投资于增材制造技术的引入，并在五年前组建了一个专门的增材制造业务部门。Fournier 解释说，事实证明，增材制造活动的集中化是一针强大的催化剂，它推动了增材制造在集成、应用工业化、飞行硬件制造、降低研发风险和知识转移等方面的成功应用。

GA-ASI 已对用于生产的不同增材制造模式的 350 多个飞行部件进行了认证。为了开发和验证用于飞行部件增材制造的应用程序，该公司正在扩展其增材制造生态系统。这款生态系统由将增材制造应用程序从原型阶段（一次打印）提升到生产级阶段（持续打印正确）所需的关键要素组成。

Fournier 先生透露，GA-ASI目前每年增材制造约 7,500 个零件。总体而言，在最新的UAS 平台 MQ-9B SkyGuardian 上，该公司节省了超过 200 万美元的工具成本，每架飞机节省了超过 30 万美元的常规成本（该飞机平台上约有 240 个增材制造零件）。在增材制造生态系统的推动下，增材制造应用的数量持续快速增长，其生产的飞机上有超过 10,000 个增材制造组件。特别是MQ-9B SkyGuardian和SeaGuardian型号在增材制造零件的使用方面处于行业领先地位。增材制造组件的总飞行小时数已超过 300,000 小时。

GA-ASI 总裁 David R.Alexander 解释道：“GA-ASI 不断寻找方法来启用、加速增材制造技术并将其集成到我们的设计、运营和产品中。通过我们的 AD&M 卓越中心，我们正在对增材制造应用采用结构化且严格的资格流程，与传统制造方法相比，这为我们提供了积极的业务案例。通过全面、整体的方法，我们的增材制造专业团队正在努力推动增材制造零件的应用，以升级我们的飞机并最终造福我们的客户。”

未来的基础

GA-ASI 的增材制造生态系统推动了公司内部可重复且可靠的生产级 3D 打印的发展，但这并不像看起来那么容易。GA-ASI 的增材制造基础生态系统基于十几个不同的要素，从材料可行性、等效性到研发和资本支出资金。

通过与 Divergent 合作进行全自动 UAS 生产，将10,000个增材制造零件在 GA-ASI 投入全面生产生态系统控制的流程、应用程序团队的建立以及明确的扩展路线图对此进行了补充。GA-ASI 在其 AD&M 卓越中心开展一些重复性生产活动，但对快速反应和低速率制造的需求需要开发强大的增材制造供应链，以实现复杂的最终用途热塑性塑料和金属的超额生产部分。

正如 Fournier 所解释的那样，“增材制造生态系统的深度因每个增材制造应用而异，并由应用任务关键性、适航机构的资格要求、质量保证/过程控制可用性和应用跟踪记录等方面驱动。”

更具体地说，增材制造在 GA-ASI 产品生命周期中的使用很早就开始了，甚至在产品构思之前就开始了。在纯粹的业务分析层面上，它有助于增加 P-win。在概念阶段，它有助于加快上市时间。在设计阶段它还可以实现高度集成。对于实际的原型，它可以实现无工具制造。当进入生产阶段时，增材制造在降低 LRIP（低速初始生产）成本方面发挥着关键作用，同样通过无工具制造和高水平集成。对于GA-ASI 的许多产品来说，这些优势继续在整个规模生产中得到应用，从而提高了系统可用性，特别是在现有产品生命周期内的维护方面，集成度和零件复杂度越高，增材制造的价值主张变得越清晰。如今增材制造约占物料清单 (BOM) 的 1%，目标是在大型平台上增加到 5% BOM，在小型 UAS 上增加到30% 到 90%。

深入了解增材制造

就生产的增材制造零件的类型而言，这一切归结什么呢？就聚合物增材制造技术而言，完全基于热塑性塑料，FDM 主要用于零件整合和替代。这意味着更换层压部件、创建大型保形空气管理系统、层压工具和适应性地面控制设备。未来的应用将包括燃料兼容（即耐化学腐蚀）材料以及用于金属替代应用的连续纤维增强 3D 打印零件。

聚合物 PBF 应用（目前仅限 SLS）还包括层压部件转换，同时还利用该技术更大的几何自由度来实现复杂歧管、保形工具和大型管道组件的制造。未来的发展将着眼于越来越大的装配体。一个特别有趣的应用是与 Hexcel 合作，利用 HexAM 技术对 PEKK 基复合材料（最初由 Oxford Performance Materials开发）进行选择性激光烧结，用于生产外模线和内模线（OML 和IML）。增材制造实现的复杂几何形状提供了设计自由度和更简单的制造工艺，以提高无人机系统的性能和操作。

在金属领域，LPBF 也主要被视为零件整合和替代的解决方案，应用于层压板到增材制造的转换、集成流体歧管、OML（外模线）整流罩以及发动机和排气部件。另一个非常有趣的应用是集成热交换器 (HX)。GA-ASI 与 Conflux Technology 合作，为其 MQ-9B SkyGuardian 和 SeaGuardian 设计和制造新型燃油热交换器 (FOHE)。自 2018 年以来，两家公司总共开展了四个不同的增材制造项目，最近他们开发了一款冷板热交换器，为各种 GA-ASI 无人机平台中使用的高耗散线路可更换单元 (LRU) 提供额外的冷却能力。金属 L-PBF 应用的未来发展方向包括更大的整合、

金属 DED 技术使用线材作为原料，被视为可以显著降低大型零件制造成本的关键推动因素。GA-ASI 一直致力于与 Norsk Titanium 合作完成A 类和 B 类钛部件的增材制造生态系统资格认证以及供应商资格认证。其他 DED 合作伙伴包括专注于复杂 INVAR 和钢层压模具应用的 Lincoln Electric。未来的增长目标是更多的镍铬铁合金材料的应用。

GA-ASI 当前的许多增材制造应用（主要用于模具）也专注于复合材料 (LSAM) 和砂（粘合剂喷射）中的大幅面 3D 打印技术。LSAM 零件（例如由 Thermwood 生产的零件）用于复合材料层压板的 RT 铣床夹具，但也用于一些大型最终用途组件，例如长度长达 5 米的地面应用。未来，这些部件的尺寸可能会增长到 6 至 13 米的长度。使用砂粘合剂喷射系统可在模具和冲洗方面节省高达 2-3 倍的成本，未来的目标是生产母版和日益定制的打印机以满足特定要求。

增材制造不是最终目标，数字化设计和制造才是

增材制造行业的每个人都非常清楚，以增材制造为核心的全数字化端到端制造流程的实施充满了许多需克服的挑战。工作流程必须从功能/增材制造/装配设计开始，继续进行打印和精加工，继续快速零件检查和质量，最后实施流程集成以实现完全自动化。

为了解决其中的许多挑战，GA-ASI正式与 Divergent Technologies公司合作。该公司开发了一种数据驱动的方法来设计、制造和组装车辆结构，称为 Divergent 自适应生产系统 (DAPS)。GA-ASI 现在正在寻求验证这一功能并将其应用到其一些 UAS 平台。

此次联合开发项目于2022年启动，并在多个平台上建立了更牢固的战略伙伴关系。两家公司已经完成了两个项目，利用基于模型、人工智能驱动和拓扑优化的设计，实现完全集成的小型（<500磅）无人机航空结构。集成金属结构采用 3D 打印（每个节点的打印时间低于 13 小时），这使得集成零件数量减少了95%以上，同时满足了重量目标。

DAPS 流程通过创建小型 UAS(SUAS) 的完整数字孪生来检查每个打印组件，然后将其应用于全自动、免工具机器人装配流程，整个流程不到 20分钟即可完成。这一过程使团队能够在不到两天的时间内从可打印的 SUAS 设计转变为完全组装的可交付机身。GA-ASI 预计这种能力将在未来实现近战区坡道能力，以支持作战人员。

这种创新的设计和制造方法带来了高度集成的重量和性能优化设计，这些设计自然但不完全地利用增材制造技术，显著降低机身的常规成本，同时为多个平台变体提供快速的无工具迭代设计方法。Fournier 总结道：“通过适用于增材制造使用的适当生态系统，工业生产级增材制造对于国防和民用无人机来说是可能的。但是，增材制造不应该是最终目标，而应该是支持全数字制造流程工作流程的支持技术套件。”