导读：随着市场对无人机的需求不断增长，需要能够生产可重复、可扩展、高性能（且通常很复杂）的无人机组件（包括机架）的技术。
2025年12月26日，来自美国特拉华州的CarbonForm正是进军无人机市场的新公司之一。CarbonForm 开发了一种名为3D 纤维编织 (3DFiT) 的连续复合材料加工新技术，结合了机器人连续纤维 3D 打印和编织技术，可在短短 10 分钟内生产出小型、高强度、复杂的零件，例如无人机框架。
CarbonForm是特拉华大学的衍生公司，目前位于学校的复合材料中心 (CCM)
内，目标是随着业务的增长搬进专门的设施。公司由特拉华大学教授傅凯文(KelvinFu)联合创立，致力于将专利连续纤维复合材料增材制造(AM)技术商业化，应用于需要小批量、按需生产、高性能复杂零件的领域。除傅凯文外，团队成员还包括伊斯梅尔·穆杰塔巴·汗(Ismail
Mujtaba Khan)、穆罕默德·哈比卜·乌拉·汗(Md.Habib Ullah Khan)和邓凯悦(Kaiyue Deng)。
Stephanie Hendrixson表示：“CarbonForm 的 3D 纤维束缚 (3DFiT)
工艺通过构建支架结构，在三维空间中沉积复合热固性材料，从而拓展了我们通常对“增材制造”的认知边界。然而，这项技术与使用牺牲支撑结构的 3D
打印，或使用“筏”来控制粘结剂喷射金属零件烧结的工艺并无本质区别。借助机器人安装的打印头，这一策略有效地利用了拓扑优化设计和连续纤维复合材料的固有特性。”据 Ismail Khan 称，这项技术的发展目标是将连续纤维热固性复合材料的高机械性能与增材制造的速度和自动化相结合，同时消除传统 3D 打印层压板的厚度限制。
3DFiT工作流程
CarbonForm公司的自动化3D纤维编织（3DFiT）工艺原理是将连续纤维热固性材料沉积到3D支架上。该工艺由CarbonForm团队与美国能源部（DOE）ARPA-E
OPEN'21项目合作开发。Khan说道：“这种工艺使我们能够进行三维空间布局，从而制造出真正的三维整体结构——而不是基于胶合板的二维结构——而且这种结构强度很高。由于它是自动化的，生产只需几分钟，而不是像某些工艺那样需要几个小时。”
这项技术是如何运作的？拓扑优化、纤维取向和路径规划均由公司自主研发的集成软件平台完成。为了构建实际部件，机械臂上一个特制的打印头会将干燥的连续纤维挤出，并原位浸渍到预先设计好的支架上，这能获得高纤维体积分数[FVF]支架带有锚点，纤维可以钩住这些锚点并改变方向。这套系统与材料无关，能够使用任何开源的连续纤维或树脂进行打印。Khan说道：“整个部件由连续纤维制成，因此无需模具、接缝，也无需粘合或固定部件。部件成型并固化后，支架即可移除，并且可以重复使用。”这项技术已获得2025年CAMX复合材料展复合材料卓越奖（ACE）提名。
CarbonForm的打印头和原位浸渍系统安装在 KUKA 机器人手臂上，沿着预先编程的、拓扑优化的加载路径将材料沉积到金属支架上。
首个演示样机：拓扑优化型航空航天飞行器支架
为了在实际应用中展示其技术，CarbonForm 首先根据 GE Aerospace（美国俄亥俄州辛辛那提）的钛合金加工设计，重新创建并优化了一个喷气发动机支架。对支架进行了拓扑优化，以确定最有效的载荷路径，从而实现最轻的重量。然后应用梁自适应模型，使纤维沿这些路径精确排列。
△这款碳纤维/环氧树脂航空航天支架原型是为了测试 3DFiT 工艺而开发的，结果表明，它在显著减轻重量的同时，提高了抗拉强度。
Khan说道：“拓扑优化当然是为了找到在保持强度的同时最大限度减轻重量的最佳设计。然而，对于许多复合材料工艺而言，优化后的结构在实践中是无法制造的——它的设计过于复杂。但我们的技术使我们能够真正制造出这样的结构。”
支架由浸渍环氧树脂的 50K 碳纤维丝束制成，FVF 为 50.9%，大约 35 分钟即可制造完成。它的性能如何？在拉伸试验中，复合材料支架能够承受高达
45 千牛 (kN) 的拉伸载荷，而原钛合金支架的拉伸载荷仅为 36 kN。复合材料部件的重量仅约 0.13 公斤，而金属版本则重达 2
公斤——重量减轻了约 93%。在成本方面，Khan 估计，原钛合金支架的生产成本约为 5,000 美元，而复合材料版本的成本约为 500
美元——降低了 90%。
进入市场：无人机机架
CarbonForm
现在的目标是发展成为一家零部件制造商，首先从优化的碳纤维复合材料无人机机架开始。Khan解释道：“目前无人机机架已经采用复合材料和金属两种材料制造，但都存在局限性。金属材质较重，需要无人机消耗更多能量才能飞行。采用传统叠层工艺制造的复合材料生产起来既费时费力，又容易出现Z方向强度不足的问题。因此，我们运用拓扑优化和3DFiT技术来提高抗撞性能，并开发出更轻便、生产速度更快的机架。”
△CarbonForm为携带相机或类似设备的小型无人机设计的机架原型，已经证明与类似的多材料设计相比，具有更高的飞行续航能力和耐用性。
受相机无人机制造商 DJI 目前多材料设计的启发，CarbonForm 开发了多种连续碳纤维复合材料框架方案，每个部件的制造时间约为 10分钟。Khan指出：“它制造速度快、重量轻、强度高，而且经受住了多次跌落测试。”在飞行测试中，复合材料版本的飞行器续航能力也提升了15-20%，因为轻量化设计所需的能量更少。它们也非常耐用：在多次15米跌落测试中，据报道，机架的结构、电子元件、电池或电机均未出现任何可见的损坏。
此外，这种简洁的无连接设计非常适合小型无人机，例如用于搭载相机和其他小型野外设备的无人机。Habib补充道：“市面上传统的无人机机架，即使是复合材料的，也存在多个连接点，这导致机架强度不足。而这种设计无需任何连接点——便于携带，无需拆卸。这项技术非常适合小型无人机。”
便携式现场制造
机器人制造非常适合可扩展、自动化、可重复的生产制造。然而，在军事应用或其他用途中，有时需要在现场快速制造小型无人机机架。CarbonForm 还开发了一种便携式手动 3DFiT 工艺，能够在 30 分钟内完成玻璃纤维复合材料无人机的制造和组装，使其能够立即投入飞行。
在这个版本中，纤维被手工缠绕在一个简易、易于组装的木制支架上，使用便携式树脂浸渍设备和紫外线固化树脂。框架和支架在阳光下照射不到10分钟即可固化，之后通过螺母和螺栓将电机和螺旋桨组装起来，预装的电子元件和电池模块则通过磁吸方式固定。
Khan说道：“目前我们的主要目标是进军无人机市场，但这项技术旨在帮助替代那些用于高负荷、高应力领域的小型复杂金属部件。我们对未来的新机遇持开放态度。”潜在的其他应用领域包括自行车车架、汽车B柱、月球栖息地防护罩等等。
来源：南极熊
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