技术推荐 I 3D打印+连续纤维复合材料（3DFiT）实现快速制造无人机

所有图片/视频来源 | CarbonForm 

随着无人机市场需求增长，行业亟需能够重复、可扩展且高性能地生产复杂无人机组件（包括机体框架）的制造技术。

特拉华大学衍生企业CarbonForm（美国特拉华州纽瓦克）正是这一领域的新锐力量。该公司目前坐落于大学复合材料中心内，并计划随业务扩展迁入独立设施。

CarbonForm由特拉华大学教授傅凯文联合创立，致力于将其获得专利的连续纤维复合材料增材制造技术商业化，专注于小批量、按需定制的高性能复杂部件领域。核心团队还包括Ismail Mujtaba Khan、Md. Habib Ullah Khan及邓凯悦。

据Ismail Khan介绍，该技术的研发初衷是将连续纤维热固性复合材料卓越的力学性能，与增材制造的自动化效率相结合，同时突破传统3D打印层合板存在的层间性能限制。

3DFiT工艺核心

CarbonForm的自动化3DFiT工艺可将连续纤维热固性材料精准沉积至三维支架上。此项技术在美国能源部ARPA-E OPEN'21计划资助下，由CarbonForm团队合作开发。

“该工艺能实现三维空间铺丝，直接成型高强度一体化三维结构，而非传统的层合二维结构。全自动化生产将耗时从数小时缩短至几分钟，”Khan强调。

该技术运作流程如下：通过自主研发的集成软件平台完成拓扑优化、纤维定向及路径规划。制造时，搭载特制打印头的机械臂挤出干态连续纤维，并通过原位浸渍工艺实现高纤维体积分数，将材料精确沉积至带锚点的预制支架上，纤维可钩挂锚点实现转向。该系统具备材料通用性，支持任何开源连续纤维或树脂材料。

“整个部件由连续纤维一体成型，无需模具、接缝，也无需粘接或机械紧固，”Khan解释道，“部件固化后，支架可拆卸重复使用。”该技术已获得2025年CAMX复合材料展ACE奖提名。

首款验证件：拓扑优化航空航天支架

为展示技术实用性，CarbonForm基于GE航空航天公司的钛合金支架设计，重新设计并优化了一款喷气发动机支架。

通过拓扑优化确定最佳传力路径以实现极致轻量化，再应用梁自适应模型使纤维沿优化路径精确排布。

“拓扑优化的核心目标，是在保证强度的前提下寻求轻量化的最优设计。然而，许多传统复合材料工艺往往难以将这种优化后的复杂结构付诸制造。而我们的技术，恰恰能够将这类设计变为现实，”Khan 解释道。

该支架采用浸渍环氧树脂的50K碳纤维丝束制成，纤维体积分数高达50.9%，整个制造过程仅需约35分钟。

在拉伸测试中，复合材料支架承受了高达45千牛的载荷，优于原钛合金支架的36千牛。复合材料版本重量仅约0.13公斤，较金属版本减重93%；生产成本从约5,000美元降至500美元，降幅达90%。

进军市场：无人机框架

完成技术验证后，CarbonForm正转型为部件制造商，首推优化碳纤维复合材料无人机框架。

“现有金属框架过重，传统层合复合材料则制造效率低且层间性能弱。我们通过拓扑优化与3DFiT技术提升抗冲击性，实现更轻、更快的框架制造，”Khan表示。

受大疆多材料设计启发，CarbonForm开发了多款连续碳纤维框架方案，单件制造时间约10分钟。该框架具备轻质高强特性，并通过多次15米跌落测试。在飞行测试中，因减重带来的能耗降低使续航提升15-20%。一体化无连接设计尤其适合搭载相机等设备的小型无人机。

“该部件制造迅速、质轻而强度高，并成功通过了多次跌落测试，”Khan 指出。在飞行测试中，得益于轻量化设计带来的能耗降低，复合材料版本的飞行器续航能力提升了15-20%。其耐用性同样出色：在多次15米高度的跌落测试中，据报告，机体框架及其电子元件、电池与电机均未出现任何可见损伤。

此外，这种简洁的一体化设计尤其适用于搭载相机等野外设备的小型无人机。“市面上的传统无人机框架，即便是复合材料版本，也因存在多处机械连接而导致整体强度被削弱。而我们的设计完全无需连接点——不仅便于携带，也省去了拆卸步骤。这项技术对小型无人机而言尤为适用，”哈比卜·乌拉·汗补充道。

便携式现场制造方案

针对军事等野外应急需求，CarbonForm还开发了手动3DFiT便携版本，可在30分钟内完成玻璃纤维无人机框架的制造与组装。

该方案采用简易木制支架，配合便携树脂浸渍设备与紫外光固化树脂，阳光照射不足10分钟即可固化框架，随后通过螺栓安装电机螺旋桨，预装电子模块通过磁吸快速连接。

“无人机市场是我们的首要目标，但该技术适用于替代高负载、高应力的小型复杂金属部件。我们对自行车车架、汽车B柱、月球栖息地防护罩等未来应用持开放态度，”Khan总结道。