用3D打印技术DIY航模零件

申鹰翔+黄紫

3D打印（3D Printing）是快速成型技术的一种。它以模型的数字文件为基础（图1），利用粉末状金属、塑料等可粘合材料，通过逐层打印来构造物体。3D打印技术出现在20世纪80年代中期，其最开始用到的关键技术——熔融沉积制造工艺，由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

作为一种新兴制造方式，3D打印与以往车铣刨磨等加工方式的不同之处在于，制造时将耗材以计算机建模生成的形状，融化或固化，使其在打印平台上堆砌层叠、增加高度，最终形成设计者需要的零件或构件。这种方法大大节省了材料，不会产生大量的加工废屑。

3D打印通常通过具有数字技术的材料打印机来实现（图2）。3D打印设备既包括能打印真飞机零件、人造骨骼等的高端金属打印机（图3），也包括能打印蛋糕、巧克力等的食品打印机（图4）。现在市面上售价千元的3D打印机，做出的零件精度也不错。3D打印技术的出现，正悄然改变着人们的生活方式。

随着3D打印技术的普及，航模活动也被惠及。下面笔者分享一些心得体会，讲讲自己如何将3D打印技术用于模型飞机制作。

现今市面上销售的3D打印机型号众多，常见的有3种结构，分别是XYZ结构、并联臂结构和coreXY结构（图5-图7）。从成型方式来看，常见的有FDM（熔融沉积，图8）、SLA（光固化）、SLS（粉末烧结）等制造工艺。消费级3D打印机受耗材成本、使用需求等方面的限制，大多采用FDM技术。

笔者使用的是一台并联臂结构的3D打印机。在制作航模零件时，通常的流程是：先用三维绘图软件，如SolidWorks、CATIA、UG、ProE等，设计并建模生成零件外形（图9）；然后将文件保存成3D打印机能识别的格式，如stl、obj等；再把文件导入3D打印机操作界面，如Cura软件，设置好打印参数，开始打印。

消费级3D打印机一般依靠加热挤出头融化耗材，再将材料堆叠成型。这类打印机通常用到两种耗材每千克价格不足百元，一种是PLA（聚乳酸），另一种是ABS（丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物）。PLA的特点是打印时对环境要求不高，只要控制好融化温度，就可以获得形状较为理想的打印件。PLA的硬度高、异味小、可降解、翘边率相对较低，可打印半透明制品。ABS材料用于3D打印时，会随着温度变化出现明显的收缩或膨胀。为防止ABS材料发生翘边，在使用这种材料进行3D打印时，通常需要热床辅助。

如果发现采用3D打印技术得到的零件出现了翘边问题，常用的处理方法有：

（1）确定最佳打印喷嘴温度和热床温度；

（2）在底板上贴美纹纸，提高材料吸附力，或用耐高温胶水粘接底层和底板；

（3）重新调平打印机工作面，尽量让底板平整；

（4）调低喷嘴高度，使第一层所有部位能压实并紧紧贴附在底板上（第一层与底板间的间隙应小于1张A4纸的厚度，可用A4纸检验）。

在3D打印过程中，零件的打印时间会因打印参数的不同自动调整，如打印速度、支撑结构、壁厚、底厚等。零件的强度则与某些打印参数相关，如耗材挤出量、打印温度等。此外，一些装饰性的零件常用树脂光固化成型技术进行3D打印。但由于树脂件的强度较低，因此该方法不适用于承力件的制造（图10）。

笔者曾利用3D打印技术，做过一些有趣的航模小零件，包括穿越机电机保护座、GoPro相机保护框、电动船桨、玩偶头像等（图11-图14）。这些打印出的小零件，不仅强度足够，还满足精度要求。模友们不妨大胆尝试，用3D打印技术根据自己的需要设计个性化的模型零件。

下面以电机座为例，介绍3D打印航模零件的流程（图15-图24）。整个流程主要分为两个部分，一是数字建模阶段，二是打印阶段。

首先打开SolidWorks软件，在草图模式中绘制电机座的二维初始草图（闭合图形）。然后在草图上约束尺寸，使用拉伸凸台/基体工具做拉伸凸台处理。接着转到三维凸台的基底面，在其上画出需要切除的部分，用拉伸切除工具做切除处理。之后回到三维凸台的另一基底面，在其上画出电机座的底座形狀，执行拉伸处理，并用圆角工具给零件边缘倒圆角。最后导出该电机座的stl设计文件。

下一步就是利用数字建模打印零件的阶段。首先将电机座的stl设计文件导入3D打印软件Cura。然后分步设置3D打印机的打印选项，执行打印程序，就能得到一个外形精致的电机座了。