隨著無人機(jī)市場需求持續(xù)增長，對可重復(fù)、可規(guī)模化、高性能且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無人機(jī)機(jī)體等復(fù)合材料部件的需求日益迫切。美國特拉華大學(xué)衍生企業(yè) CarbonForm 公司，憑借其專利的連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造技術(shù)，為這一需求提供了創(chuàng)新解決方案。該公司目前位于特拉華大學(xué)復(fù)合材料中心（CCM），未來將隨業(yè)務(wù)拓展遷至專屬場地。

3DFiT 技術(shù)：融合高性能與自動化優(yōu)勢

CarbonForm 公司的核心技術(shù)為 3D Fiber Tethering（3DFiT，3D 纖維束縛）工藝，由公司團(tuán)隊(duì)在美國能源部 ARPA-E OPEN’21 項(xiàng)目支持下聯(lián)合開發(fā)。該技術(shù)旨在結(jié)合連續(xù)纖維熱固性復(fù)合材料的高力學(xué)性能與增材制造的速度和自動化優(yōu)勢，同時消除傳統(tǒng) 3D 打印層合板在厚度方向的性能局限。

3DFiT 技術(shù)的工作原理如下：通過自主開發(fā)的集成軟件平臺完成拓?fù)鋬?yōu)化、纖維取向和路徑規(guī)劃；機(jī)械臂搭載特制打印頭，采用原位浸漬技術(shù)擠出干燥連續(xù)纖維，將其沉積在帶有錨點(diǎn)的支架上，纖維可在錨點(diǎn)處鉤掛并改變方向；該系統(tǒng)不依賴特定材料，可兼容各類開源連續(xù)纖維或樹脂，能實(shí)現(xiàn)高纖維體積分?jǐn)?shù)（FVF）。整個部件由連續(xù)纖維一體成型，無需模具、接縫，也無需膠水或緊固件拼接；部件固化完成后，支架可拆除并重復(fù)使用。目前，該技術(shù)已獲得 2025 年 CAMX 復(fù)合材料卓越獎（ACE）提名。

航空支架演示：減重 93%+ 提效 90%

為驗(yàn)證技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，CarbonForm 公司以 GE 航空航天的鈦合金機(jī)加工噴氣發(fā)動機(jī)支架為原型，通過 3DFiT 技術(shù)進(jìn)行了復(fù)刻與優(yōu)化。團(tuán)隊(duì)先通過拓?fù)鋬?yōu)化確定最高效的載荷路徑，以實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，再應(yīng)用梁適配模型使纖維精準(zhǔn)沿這些路徑排列。

該復(fù)合材料支架采用 50K 碳纖維絲束與環(huán)氧樹脂浸漬制成，纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá) 50.9%，制造時間僅需 35 分鐘。性能測試顯示，該復(fù)合材料支架的拉伸載荷耐受度達(dá) 45 千牛（kN），遠(yuǎn)超原鈦合金設(shè)計(jì)的 36 千牛；重量僅 0.13 千克，較原 2 千克的金屬版本減重約 93%；制造成本從原設(shè)計(jì)的每件 5000 美元降至 500 美元，成本降低 90%。

市場突破：聚焦無人機(jī)框架推出便攜制造方案

在技術(shù)驗(yàn)證完成后，CarbonForm 公司將業(yè)務(wù)重心放在零部件制造領(lǐng)域，首個目標(biāo)市場為優(yōu)化后的碳纖維復(fù)合材料無人機(jī)框架。針對現(xiàn)有無人機(jī)框架的痛點(diǎn)，該公司通過拓?fù)鋬?yōu)化與 3DFiT 技術(shù)，顯著提升了無人機(jī)框架的抗墜毀性能，同時實(shí)現(xiàn)更輕量化設(shè)計(jì)和更快生產(chǎn)效率。

現(xiàn)有無人機(jī)框架雖已采用復(fù)合材料或金屬材質(zhì)，但存在明顯局限：金屬材質(zhì)較重，增加無人機(jī)飛行能耗；傳統(tǒng)鋪層工藝制造的復(fù)合材料則存在生產(chǎn)耗時、人工成本高及厚度方向性能薄弱等問題。CarbonForm 開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料無人機(jī)框架，單件制造時間僅需 10 分鐘，經(jīng)測試，其飛行續(xù)航較同類多材料設(shè)計(jì)提升 15%-20%，且耐用性優(yōu)異 —— 在 15 米高度的多次跌落測試中，框架結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備、電池及電機(jī)均無可見損傷。此外，該框架采用無接縫一體設(shè)計(jì)，無需拆卸，便于攜帶，特別適用于搭載相機(jī)等設(shè)備的小型無人機(jī)。

針對軍事及野外作業(yè)等場景的即時制造需求，CarbonForm 還開發(fā)了 3DFiT 技術(shù)的便攜式手動版本。用戶可通過簡易組裝的木質(zhì)支架，手動纏繞纖維，配合便攜式樹脂浸漬裝置和紫外光固化樹脂，在陽光下 10 分鐘內(nèi)即可完成玻璃纖維復(fù)合材料無人機(jī)框架的固化；隨后通過螺母螺栓裝配電機(jī)、螺旋槳，并磁吸安裝預(yù)組裝電子設(shè)備和電池模塊，全程不到 30 分鐘即可完成可飛行無人機(jī)的制造。

未來展望：拓展多領(lǐng)域應(yīng)用

CarbonForm 公司當(dāng)前的核心目標(biāo)是深耕無人機(jī)市場，同時該技術(shù)的應(yīng)用潛力不止于此。其設(shè)計(jì)初衷是替代高載荷、高應(yīng)力場景下使用的小型復(fù)雜金屬部件，未來有望拓展至自行車車架、汽車 B 柱、月球棲息地防護(hù)罩等多個領(lǐng)域