3D打印在无人机维修专业教学中的应用

A PPLICATION技术与应用
3D打印在无人机维修专业教学中的应用
文/王雨峰 冯 园
摘 要：无人机维修是无人机应用技术专业的核心课程，涉及零部件更换、电路检查、飞控调试等，是保障飞行安全、降低经济损失的必备技能。

由于飞行不可避免磕碰，造成无人机表面破损，必须更换相应零部件。

3D打印技术以快速成型为核心优势，可实现个性化制造、缩短研制周期、提高材料利用率，为无人机维修提供新的方案。

本文从3D打印技术在无人机制造中的应用，以无人机维修需求作为项目引领，根据进阶任务模块开展驱动教学设计。

实践证明，基于3D打印技术的教学改革，有利于提高学生主动学习的热情，培养学生独立思考问题、解决问题的能力，提升他们的综合职业素养。

关键词：3D打印 无人机维修 教学应用 项目引领 任务驱动
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器，已经在工业、农业、军事等行业取得广泛应用。

由于无人机单价昂贵、操控难度大、作业环境复杂多变，因此在飞行中不可避免的磕碰会造成无人机表面破损，严重的会导致机械故障，坠机、炸机甚至失踪都有可能发生。

为了保证飞行安全、降低经济损失，无人机维修是无人机应用技术专业的必修课。

2018年4月，《全国技工院校专业目录（2018年修订）》在机械类新增3D打印技术应用专业及交通类新增无人机应用技术专业，而笔者学校于2016年与企业合作，率先在技工院校内开设无人机应用技术专业，开设无人机飞行原理与结构、飞行训练、组装、调试、维修等核心课程，旨在培养掌握无人机操控技术，并能够运用无人机理论与技术快速分析与解决工作任务的高技能人才，学生毕业后推荐其从事航测、航拍、植保、地质探测、无人机操控手、维护维修人员、地勤人员、搭载设备操控人员、数据处理人员等工作。

一、3D打印在无人机维修中的应用价值
3D打印技术是一种新型的快速成型技术。

它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，被称为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。

3D打印技术让大规模的个性化制作与生产成为可能，在工业设计、建筑、航空航天、医学、教育等领域取得广泛应用。

随着无人机小型化、轻量化、大任务载荷、高度定制的发展趋势，3D打印技术进入无人机设计与研制领域，为无人机零部件乃至整机的加工生产奠定了坚实的基础。

针对无人机制造的结构复杂、材料昂贵、传统工艺实现难度大的结构件，3D打印使生产出的零件更加精细轻盈，采用最优化的方式实现其功能，有利于节省燃料或增加载荷；同时有效减少航空器的连接部件，摒弃螺栓、合页等传统的连接工艺，使其更加轻量化，而且获得更好的力学性能。

3D打印技术在缩短研制周期、降低研制成本、提高性能、改进保障模式等方面展示出了巨大的潜力，成为航空航天装备制造技术信息融合化、数字化、精密化、高端化发展的代表方向之一。

因此，把3D打印技术引入无人机维修专业教学，不仅是新工业技术应用，更是教学模式创新的积极探索。

二、3D打印在无人机维修专业的教学设计
教学改革创新，是提高教学品质的重要保证，其核心是要以提高教学品质、提高授课效果和提高学生的学习积极性为目的。

为了把3D打印技术与无人机维修专业教学有机结合，本文根据无人机维修应用实践，结合全国职业院校无人机应用创新技能大赛典型案例，基于无人机维修需求，选择有代表性的维修项目，设计成进阶任务模块，如下表所示，开展无人机维修专业理实一体化课程教学改革。

表 项目引领下任务驱动模块
序号项目引领任务驱动
1无人机简单零件设计
固定翼电机座
多旋翼电机座2无人机保护装置设计
防护圈
起落架
3无人机部件创新设计
穿越机机架
固定翼翼型4无人机载荷创新设计
小型吊架设计
新型云台设计5无人机逆向工程设计
折叠小型无人机
大型航拍无人机项目引领，又称跨专业课程学习。

它通过“项目”形式开展教学，即在教师的指导下，由学生通过小组合作独立完成一个项目。

针对无人机维修中的客户需求，学生首先通过信息收集，寻求解决问题的方法；其次制订行动计划及报价，确认合作；最后从草图绘制、产品生产到检验及评价完成整个实践过程，涉及机械设计、CAD制图、3D打印技术、无人机维修等多个专业课程学习与应用。

任务驱动是指教学中以学生为中心，由教师引导学生围绕一个具体任务开展主动学习。

现以多旋翼电机座模块为例，介绍基于项目引领、任务驱动下的教学设计。

编辑 张 磊
114OCCUPATION
2018 11
115
OCCUPATION
2018 11
技术与应用
A PPLICATION
1.项目引入
某型四轴无人机在组装过程中，发现缺少一个电机座，导致飞机无法组装，在来不及采购的情况下，有什么替代解决方案？
2.信息分析
学习多旋翼飞行原理，了解旋翼产生升力的工作原理，掌握旋翼数量及布局、电机安装方式及重心等组装要求。

通过信息分析可知，多旋翼一般成对组装，每对旋翼转向相反，以抵消彼此反扭力矩。

对于六轴或八轴无人机，如果出现缺失一个电机座情况，可去掉一对旋翼；但是四轴无人机就必须想办法制造一个临时电机座，以满足飞行基本要求。

电机座材料为工程塑料，由磨具生产。

3D 打印常用材料有ABS 和PLA 两种，其中ABS 具有较高强度，可满足电机座性能要求。

3.提出解决方案
利用学校现有3D 打印实训条件，提出根据已有电机座，进行零件测绘，利用3D 打印加工一个临时电机座，作为解决方案。

4.电机座测绘
学生分组合作，利用已学的机械基础及CAD 绘图的知识，进行电机座的测绘，主要使用圆及圆弧命令以及三维实体波尔运算。

5.模型导出、切片及3D打印
由CAD 中导出三维电机座的stl 格式文件，根据打印机精度和材料特性，合理设置切片层高、打印速度和温度，确保较好打印质量，完成模型切片，连接3D 打印机进行打印。

为保证打印材料的强度，同时考虑到ABS 材料容易翘边、电机座水平斜45°放置，切片时增加底座和支撑。

6.产品检验
由于测绘及3D 打印的误差，不可避免会造成所打印电机座与磨具生产存在尺寸的误差，因此产品检验至关重要。

对于存在尺寸误差的产品，如误差较小，可通过打磨进行精加工；如误差较大，则需要修改尺寸，重新进行设计、切片及打印。

7.项目评估与总结
学生总结分享从项目需求、设计到实施过程中遇到的困难、解决方案等，进行相互点评。

教师从项目管理、团队分工、项目设计及成果等方面，综合评估各组成绩。

因此，基于项目引领、任务驱动为核心的教学改革，更强调学生的自主学习与主动参与，由简单到复杂，从尝试到实践，逐渐调动学生的主动性和积极性，激发学生的学习热情，让学生成为“主角”；而教师则发挥引导、答疑解惑的作用，重点培养学生的创新能力。

三、教学实践与反思
根据3D 打印在无人机维修专业教学的任务模块，设计制定符合本校无人机专业的教学改革方案，编写样章，并选取无人机专业班级进行教学改革实践。

实践证明，3D 打印技术作为新的媒体形式，深受学
生欢迎。

1.3D打印应用于教学改革的优势
3D 打印为无人机专业中飞行原理、结构设计等理论课程提供丰富的“做的经验”，让抽象理论变为具体的实物，帮助学生更好理解的掌握相关理论，提高学习效率。

以无人机维修的客户需求为项目引领，提供了真实有意义的任务，让课程更贴近就业需求；基于任务驱动下“做中学”，帮助学生建构无人机从零部件到整机的完整认知，以解决具体问题和自主学习为导向，凸显学生作为主体的地方，及与他人协作完成学习的过程。

2.存在的不足及改进措施
3D 打印设备有限，打印耗时长、打印精度不高等情况，一方面影响正常的教学计划，所需教学时间增加；另一方面打印机生产的零部件存在较高报废率，一定程度上打击了学生的热情。

为解决这一问题，在学校支持下成立了3D 打印兴趣小组，鼓励学生利用课余时间研究3D 打印技术，优化切片设置，不断尝试，提高产品质量，同时节约正常教学课时。

因项目教学需要，把机械设计、CAD 制图、3D 打印技术、无人机维修等实训条件尽可能集中在一起，实行统一管理，确保教学进度与教学质量。

无人机维修作为无人机应用技术专业的核心课程，除了不可避免的零部件更换外，还有电路检查、飞控调试等多方面维修需求，因此3D 打印技术的引入，不能取代全部的无人机维修实训，应根据课程需求合理安排，以提升学生的综合技能。

四、小结
3D 打印在无人机维修专业教学中的应用，推动了学校专业教学改革与创新，是对项目引领下任务驱动教学法的实践，创建了生动的DIY （Do It Yourself ）和立体化的学习方式，促进了学生综合技能的提升与发展。

把握智能制造技术前沿，把3D 打印技术与无人机应用技术融为一体，充分发挥新技术的优势，开展了积极有效的教学改革实践，提升了教育教学的应用价值；发挥学校现有3D 打印及无人机实训条件，提高了教师资源整合与改革创新的能力，提升了教学质量。

参考文献：
[1]吴复尧,邱美玲,王斌.3D打印无人机的研究现状及问题分析[J].飞航导弹,2015(10).
[2]李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014(1).
[3]刘磊,刘柳,张海鸥.3D打印技术在无人机制造中的应用[J].飞航导弹,2015(7).
[4]王雨峰.智能小车在传感器理实一体化教学中的应用[J].职业,2015(6).
[5]吴静.项目教学法与任务驱动教学法的异同比较[J].北京工业职业技术学院学报,2011(3).
（作者单位：王雨峰，江苏省交通技师学院；冯园，
镇江第一外国语学校）
编辑 张 磊。