【3D打印】AutoCAD软件全机制图 3D打印微型飞机成功展翅翱

　　近日，在同济大学航空航天与力学学院楼前的草坪上，一架由3D技术打印而成的小飞机成功试飞。3D打印在国内尚属首例。小飞机身轻如燕，轻轻一甩手，它即刻从指间飞出，在草坪上盘旋。

　　这架小飞机的机身、机翼、尾翼、起落架和舵面全是纯白色。机翼和尾翼分别成为一个整体—他们是被打印”出来的，而不用胶接或用棉线、胶水连接。

　　同济大学航空与力学学院教授沈海军介绍，这架飞机的零部件采用了最新的3D打印制造技术。近年来，这项技术逐渐被人获知，它奇妙有趣，但似乎无用”。至今为止，3D打印仍处于起步阶段，加上打印耗材种类有限、打印尺寸较小、打印材料强度偏弱等因素限制，仅有为数不多的航空公司或个人在飞机或航模的零件制造方面进行了尝试，或者打印出一些只能看、不能飞”的静态模型。

　　但这次，3D打印的成品也能飞”起来了。沈海军介绍，此次同济大学三维打印微型飞机成功试飞，在国内尚属首例，它展示了3D打印技术在微小飞机设计与制造领域上应用的可行性。

　　据介绍，这架微型飞机为固定翼，红外遥控，遥控范围20米左右，适于室内飞行，可平放于掌心。它身材娇小，且身轻如燕。飞机翼展仅为28厘米，机身长度26厘米。起飞重量约18克，使用螺旋桨的直径为11厘米。单个舵机总量仅为0.3g克。

　　设计弥补先天不足”

　　这项飞行器设计的条件先天不足”。首先，它被材料所限，只能使用PLA（聚乳酸）轻质塑料。相对于常用的小型飞机制造材料，PLA略重。航力学院现有三维打印机的最大打印幅度为28cm，因此，28cm成为微小飞机实验室师生们设计该微型飞机的特征尺寸，即翼展的指定参数。

　　在飞机初步设计阶段，师生们先是根据翼展28cm这一数据，以及实验室前期的相关微型飞机的性能指标，大致估算出待设计飞机的起飞重量、飞机高度、发动机拉力、电磁舵机驱动力矩等设计目标和参数，进而确定出飞机的总体布局和构型方案。

　　进入详细设计阶段后，一名负责CAD建模的同学利用AutoCAD软件在电脑上进行的全机制图，并在虚拟环境中根据材料的密度和体积估算飞机的重量；一名同学绕线圈，设计、制作适合微型飞机舵面连接形式的电磁舵。

　　另有两名同学则分头拿着电机，在自制的发动机推力测试系统上测量发动机的推力，以及利用美国航空航天局的气动软件Tunnel分析飞机的升力和阻力等气动性能数据。

　　漏空翼面为飞机减肥”

　　上述工作完成后，综合测得的发动机推力、计算的飞机升力和阻力，以及早先飞机预设的目标参数，对所做的飞机方案进行评估。方案评估中，飞机的重量至关重要，被严格控制。

　　用较重的材料，它如何做到身轻如燕”？沈海军教授介绍，为了尽可能地减轻重量，飞机的机翼、尾翼及舵面被设计成镂空结构，裁去多余的材料，为飞机减肥”；镂空的翼表面上铺设0.06mm厚的聚乙烯塑料薄膜作为蒙皮。经过几次尝试，最终，镂空翼面骨架的横截面尺寸被确定为1.2mm。

　　这些镂空翼面的骨架必须精心设计，骨架横截面尺寸不能过大，也不能过小。过大的话，飞机会超重；过小的话，骨架悬空部分打印时会出现所谓的材料”分层坍塌现象，从而导致部件报废。”沈海军教授介绍。

　　经过一轮缜密的飞机设计过程后，飞机被确定为上单翼、前拉式驱动、后三点式起落架布局、型尾翼、矩形机翼和平尾、三角形垂直安定面、半圆形方向舵、升力面镂空和杆式机身；机翼翼型采用相对厚度为0.1的平板翼。最终，飞机CAD电子图纸被转换为三维打印机识别的STL格式，最终出炉”了。