使用3D打印对用于无人机机架的PETG–碳纤维复合零件进行力学表征

为什么更坚固、更便宜的无人机很重要

小型无人机现在被广泛用于拍摄、农业到搜救等各种场景。但它们的机架常由昂贵且易碎的材料制成，在剧烈着陆时容易断裂。本研究探讨是否可以用一种廉价的、用碳纤维增强的塑料通过3D打印制造出坚韧且轻质的无人机机架——以及如何调整打印内部的“骨架”结构，使其在坠机时比现有设计更能幸存。

为飞行器打造更好的塑料

研究者将注意力集中在PETG上，这是一种常见的3D打印塑料，较爱好者常用的PLA具有更好的韧性和耐热性。通过将PETG与短碳纤维混合，他们制得了一种更刚、更强且仍能可靠打印的材料。目标是将这种低成本耗材变为传统碳纤维板的现实替代品——后者虽轻但昂贵，并且在冲击下可能突然失效，而这对更容易撞击地面的无人机来说是个问题。

打印内部的隐藏几何

3D打印的物体通常并非实心，软件会用一种重复的模式填充其内部，称为填充（infill）。这种模式像桥梁内部的桁架，承载载荷同时节省材料。从最初的21种可能性中，团队选出五种在桌面打印机上广泛可用且有前景的模式：三六边形（Tri‑Hexagon）、三角形、Support Cubic、直线矩形（Rectilinear）和四分立方（Quarter Cubic）。他们用相同密度用PETG–碳纤维打印了标准试件，然后测量了它们的拉伸性能、磨损情况、吸能性能和表面抗压（压痕）能力。

拉伸强度与坠落生存能力的权衡

测试显示没有一种填充模式在所有方面都是“最优”的。直线矩形填充以其笔直、连续的丝束表现出最高的抗拉强度和最低的磨损：在拉伸测试中最难被拉断，并在逐步增加摩擦载荷时耐磨性最好。四分立方和三角形紧随其后。相比之下，Support Cubic格架在纯拉伸测试中较弱且磨损更快，但在突然冲击时表现出色。它那三维的杆件网络可以分阶段弯曲与压碎，吸收的冲击能量是某些其他模式的三倍以上。硬度测试显示三六边形和直线矩形在表面上最为坚硬，再次强调了相同材料的内部几何如何改变其表现方式。

让软件重新设计机架

基于这些结果，作者为完整的无人机机架选择了Support Cubic填充，因为在飞行事故中抗坠落能力比单纯的拉伸强度更重要。随后他们采用生成式设计软件：不是手工绘制机架，而是告诉程序电机和电子元件必须安装的位置、桨叶和线路必须留出的空隙、机架需承受的载荷，以及打印材料为PETG–碳纤维。软件搜索了成千上万种方案，生成了一个骨架状、有机形态的机架，该机架使用的材料比简单的“加号形”设计更少，同时将应力和弯曲保持在安全范围内。

将新机架投入跌落测试

为了检验虚拟优化能否在现实中成立，研究者3D打印了优化后的PETG–碳纤维机架，并将其与尺寸相近的传统PLA机架进行比较。两者都从不断增加的高度向平面表面跌落。PLA机架在9米高度出现了内部损伤，而PETG–碳纤维机架在该高度仅有轻微划痕，直到12米才发生结构性断裂。对应的应力、应变和变形的计算机模拟支持了这些观测，表明新机架能有效分散载荷并在强力作用下仅发生轻微弯曲。

这对日常无人机意味着什么

对非专业读者来说，结论很明确：通过谨慎选择内部填充模式并让设计软件去除不必要的材料，一种常见的碳纤维增强3D打印塑料即可在某些坠落情形下媲美甚至优于传统碳纤维无人机机架。这可能使未来的无人机更便宜、更能容忍粗糙着陆，并更容易为特定任务定制——所有这些都可以用桌面级设备完成。

引用: Palaniappan, M., Kumar, P.M., Arunkumar, P. et al. Mechanical characterization of PETG – carbon fiber composite parts using 3D printing for drone frame application. Sci Rep 16, 6938 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38051-3

关键词: 3D打印无人机, 碳纤维复合材料, PETG耗材, 填充模式设计, 生成式设计