無人機：3D打印已占物料清單1%，未來可達90%，GA-ASI萬級零件將全面投產

南極熊導讀：在無人機領域，3D打印已經顯示出強大的應用優(yōu)勢和潛力。目前原子航空系統(tǒng)公司的無人機中，3D打印零件已占物料清單（BOM）的1%，未來小型無人機最高可達90%。

通用原子航空系統(tǒng)公司 (GA-ASI)是遙控飛機 (RPA) 系統(tǒng)的領先設計者和制造商。在 AMUG 2023 會議上的一次演講中，GA-ASI 的增材制造部門經理 Steve Fournier 向外界展示了所涉及的增材制造業(yè)務范圍：從聚合物（FDM、SLS）到金屬（L-PBF、DED-W），再到復合材料（LSAM、BJP）的各類3D打印應用。

GA-ASI下一步計劃是通過與 Divergent 的專家和先驅合作來實現完整的工作流程集成，以實施他們的 DAPS 功能。Fournier 表示：“增材制造的未來是光明的”。

以增材制造為中心

2021 年，通用原子航空系統(tǒng)公司建立了新的增材設計與制造 (AD&M) 卓越中心，專注于使用功能齊全且可飛行的增材制造應用、研發(fā)、大型工具和下一代飛行硬件，對 GA-ASI 的無人機系統(tǒng) (UAS) 系列進行快速制造。

在過去的十年中，GA-ASI 投資于增材制造技術的引入，并在五年前組建了一個專門的增材制造業(yè)務部門。Fournier 解釋說，事實證明，增材制造活動的集中化是一針強大的催化劑，它推動了增材制造在集成、應用工業(yè)化、飛行硬件制造、降低研發(fā)風險和知識轉移等方面的成功應用。

GA-ASI 已對用于生產的不同增材制造模式的 350 多個飛行部件進行了認證。為了開發(fā)和驗證用于飛行部件增材制造的應用程序，該公司正在擴展其增材制造生態(tài)系統(tǒng)。這款生態(tài)系統(tǒng)由將增材制造應用程序從原型階段（一次打�。┨嵘�到生產級階段（持續(xù)打印正確）所需的關鍵要素組成。

Fournier 先生透露，GA-ASI目前每年增材制造約 7,500 個零件�？傮w而言，在最新的UAS 平臺 MQ-9B SkyGuardian 上，該公司節(jié)省了超過 200 萬美元的工具成本，每架飛機節(jié)省了超過 30 萬美元的常規(guī)成本（該飛機平臺上約有 240 個增材制造零件）。在增材制造生態(tài)系統(tǒng)的推動下，增材制造應用的數量持續(xù)快速增長，其生產的飛機上有超過 10,000 個增材制造組件。特別是MQ-9B SkyGuardian和SeaGuardian型號在增材制造零件的使用方面處于行業(yè)領先地位。增材制造組件的總飛行小時數已超過 300,000 小時。

GA-ASI 總裁 David R.Alexander 解釋道：“GA-ASI 不斷尋找方法來啟用、加速增材制造技術并將其集成到我們的設計、運營和產品中。通過我們的 AD&M 卓越中心，我們正在對增材制造應用采用結構化且嚴格的資格流程，與傳統(tǒng)制造方法相比，這為我們提供了積極的業(yè)務案例。通過全面、整體的方法，我們的增材制造專業(yè)團隊正在努力推動增材制造零件的應用，以升級我們的飛機并最終造福我們的客戶。”

未來的基礎

GA-ASI 的增材制造生態(tài)系統(tǒng)推動了公司內部可重復且可靠的生產級 3D 打印的發(fā)展，但這并不像看起來那么容易。GA-ASI 的增材制造基礎生態(tài)系統(tǒng)基于十幾個不同的要素，從材料可行性、等效性到研發(fā)和資本支出資金。

通過與 Divergent 合作進行全自動 UAS 生產，將10,000個增材制造零件在 GA-ASI 投入全面生產生態(tài)系統(tǒng)控制的流程、應用程序團隊的建立以及明確的擴展路線圖對此進行了補充。GA-ASI 在其 AD&M 卓越中心開展一些重復性生產活動，但對快速反應和低速率制造的需求需要開發(fā)強大的增材制造供應鏈，以實現復雜的最終用途熱塑性塑料和金屬的超額生產部分。

正如 Fournier 所解釋的那樣，“增材制造生態(tài)系統(tǒng)的深度因每個增材制造應用而異，并由應用任務關鍵性、適航機構的資格要求、質量保證/過程控制可用性和應用跟蹤記錄等方面驅動�！�

更具體地說，增材制造在 GA-ASI 產品生命周期中的使用很早就開始了，甚至在產品構思之前就開始了。在純粹的業(yè)務分析層面上，它有助于增加 P-win。在概念階段，它有助于加快上市時間。在設計階段它還可以實現高度集成。對于實際的原型，它可以實現無工具制造。當進入生產階段時，增材制造在降低 LRIP（低速初始生產）成本方面發(fā)揮著關鍵作用，同樣通過無工具制造和高水平集成。對于GA-ASI 的許多產品來說，這些優(yōu)勢繼續(xù)在整個規(guī)模生產中得到應用，從而提高了系統(tǒng)可用性，特別是在現有產品生命周期內的維護方面，集成度和零件復雜度越高，增材制造的價值主張變得越清晰。如今增材制造約占物料清單 (BOM) 的 1%，目標是在大型平臺上增加到 5% BOM，在小型 UAS 上增加到30% 到 90%。

深入了解增材制造

就生產的增材制造零件的類型而言，這一切歸結什么呢？就聚合物增材制造技術而言，完全基于熱塑性塑料，FDM 主要用于零件整合和替代。這意味著更換層壓部件、創(chuàng)建大型保形空氣管理系統(tǒng)、層壓工具和適應性地面控制設備。未來的應用將包括燃料兼容（即耐化學腐蝕）材料以及用于金屬替代應用的連續(xù)纖維增強 3D 打印零件。

聚合物 PBF 應用（目前僅限 SLS）還包括層壓部件轉換，同時還利用該技術更大的幾何自由度來實現復雜歧管、保形工具和大型管道組件的制造。未來的發(fā)展將著眼于越來越大的裝配體。一個特別有趣的應用是與 Hexcel 合作，利用 HexAM 技術對 PEKK 基復合材料（最初由 Oxford Performance Materials開發(fā)）進行選擇性激光燒結，用于生產外模線和內模線（OML 和IML）。增材制造實現的復雜幾何形狀提供了設計自由度和更簡單的制造工藝，以提高無人機系統(tǒng)的性能和操作。

在金屬領域，LPBF 也主要被視為零件整合和替代的解決方案，應用于層壓板到增材制造的轉換、集成流體歧管、OML（外模線）整流罩以及發(fā)動機和排氣部件。另一個非常有趣的應用是集成熱交換器 (HX)。GA-ASI 與 Conflux Technology 合作，為其 MQ-9B SkyGuardian 和 SeaGuardian 設計和制造新型燃油熱交換器 (FOHE)。自 2018 年以來，兩家公司總共開展了四個不同的增材制造項目，最近他們開發(fā)了一款冷板熱交換器，為各種 GA-ASI 無人機平臺中使用的高耗散線路可更換單元 (LRU) 提供額外的冷卻能力。金屬 L-PBF 應用的未來發(fā)展方向包括更大的整合、

金屬 DED 技術使用線材作為原料，被視為可以顯著降低大型零件制造成本的關鍵推動因素。GA-ASI 一直致力于與 Norsk Titanium 合作完成A 類和 B 類鈦部件的增材制造生態(tài)系統(tǒng)資格認證以及供應商資格認證。其他 DED 合作伙伴包括專注于復雜 INVAR 和鋼層壓模具應用的 Lincoln Electric。未來的增長目標是更多的鎳鉻鐵合金材料的應用。

GA-ASI 當前的許多增材制造應用（主要用于模具）也專注于復合材料 (LSAM) 和砂（粘合劑噴射）中的大幅面 3D 打印技術。LSAM 零件（例如由 Thermwood 生產的零件）用于復合材料層壓板的 RT 銑床夾具，但也用于一些大型最終用途組件，例如長度長達 5 米的地面應用。未來，這些部件的尺寸可能會增長到 6 至 13 米的長度。使用砂粘合劑噴射系統(tǒng)可在模具和沖洗方面節(jié)省高達 2-3 倍的成本，未來的目標是生產母版和日益定制的打印機以滿足特定要求。

增材制造不是最終目標，數字化設計和制造才是

增材制造行業(yè)的每個人都非常清楚，以增材制造為核心的全數字化端到端制造流程的實施充滿了許多需克服的挑戰(zhàn)。工作流程必須從功能/增材制造/裝配設計開始，繼續(xù)進行打印和精加工，繼續(xù)快速零件檢查和質量，最后實施流程集成以實現完全自動化。

為了解決其中的許多挑戰(zhàn)，GA-ASI正式與 Divergent Technologies公司合作。該公司開發(fā)了一種數據驅動的方法來設計、制造和組裝車輛結構，稱為 Divergent 自適應生產系統(tǒng) (DAPS)。GA-ASI 現在正在尋求驗證這一功能并將其應用到其一些 UAS 平臺。

此次聯(lián)合開發(fā)項目于2022年啟動，并在多個平臺上建立了更牢固的戰(zhàn)略伙伴關系。兩家公司已經完成了兩個項目，利用基于模型、人工智能驅動和拓撲優(yōu)化的設計，實現完全集成的小型（<500磅）無人機航空結構。集成金屬結構采用 3D 打印（每個節(jié)點的打印時間低于 13 小時），這使得集成零件數量減少了95%以上，同時滿足了重量目標。

DAPS 流程通過創(chuàng)建小型 UAS(SUAS) 的完整數字孿生來檢查每個打印組件，然后將其應用于全自動、免工具機器人裝配流程，整個流程不到 20分鐘即可完成。這一過程使團隊能夠在不到兩天的時間內從可打印的 SUAS 設計轉變?yōu)橥耆�組裝的可交付機身。GA-ASI 預計這種能力將在未來實現近戰(zhàn)區(qū)坡道能力，以支持作戰(zhàn)人員。

這種創(chuàng)新的設計和制造方法帶來了高度集成的重量和性能優(yōu)化設計，這些設計自然但不完全地利用增材制造技術，顯著降低機身的常規(guī)成本，同時為多個平臺變體提供快速的無工具迭代設計方法。Fournier 總結道：“通過適用于增材制造使用的適當生態(tài)系統(tǒng)，工業(yè)生產級增材制造對于國防和民用無人機來說是可能的。但是，增材制造不應該是最終目標，而應該是支持全數字制造流程工作流程的支持技術套件�！�