3D 打印排种盘的设计与性能研究

万 霖，王洪超，车 刚，王紫玉

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319）

1 引言

3D 打印技术是基层堆积的方式对模型进行加工。它是快速成型技术的一种，结合了多种智能先进技术的优点，已经得到广泛的使用。它具有精度高、效率高、价格低、受温度影响小等优点。同时3D 打印技术在不断的完善，应用的范围也在不断的扩大[1-3]。

排种装置在农业播种中有至关重要的作用。制作中受到多种因素的影响，需要很长的时间才能完成。由于缺少排种装置模具的试验以及受力和性能测试的过程，导致研发周期变长，产品性能和技术要求很难达到规定要求，而且造成劳动力、财力的浪费[4]。针对以上问题，文献[5]设计一种3D 打印负压吸种滚筒，有效的简化了制造工艺，解决了密封性差的问题。文献[6]设计一种3D打印吸种气嘴，试验表明符合生产和使用要求。在众多领域取得一定的突破，各方面性能有显著的提高，为研发新产品带来了巨大的变革。

针对目前水稻充种效果欠佳，制造成本高的问题，基于3D打印技术，设计一种3D 打印水稻气吸式排种盘。利用排种盘中的搅种片，解决水稻流动性差的问题，简化了制造工艺和成本，并对未来发展趋势进行展望。

2 打印技术分析

2.1 3D 打印的技术的原理和工作过程

3D 打印是快速成型技术的一种，80 年代末在美国最先兴起，被作为制造业的重大变革之一。它与传统的加工方法不同，它改变了传统的加工方法，把“去除”加工法转变为“增加”加工法。现有成型的3D 打印技术有：FDM 熔融沉积造型、SLA 激光光固化、DLP 数字光处理等[7]。3D 打印的主要技术流程，如图1 所示。3D 打印已经得到广泛的使用。任何一个复杂的零件，都可以用两个平行的平面将其分割，进而得到一定厚度的切片，把各个切片按照一定的顺序堆积起来将会得到整个零件。在这个原理的基础上，运用三维软件绘制三维实体模型，得到许多切片的截面形状，从零件的一端开始堆积成一个切片，完成之后在它上面继续叠加，直到最终叠加成一个完整的零件。该技术改变了传统加工零件的方法，采取叠加的原理制造零件，用简单的方式完成三维零件的加工。不需要工装模具和一些加工机床，很大程度上缩短了加工时间和制造成本。除此之外，还具有便携制造、占地空间小、产品设计多样化和材料无限组合等优势。

图1 3D 打印主要流程Fig.1 Main Process of 3D Printing

2.2 3D 打印技术的必要性及其作用

3D 打印改变了传统的制造方式和流程，可直接生成产品。在过去的设计观念中，设计方案能否实现取决于制造工艺的可行性。而采用3D 技术，打破了以往的设计观点，不必要考虑生产工艺。一直以来，产品作用的对象比较复杂，导致一些工装模具样式很多。在研发过程中，对于复杂的部件制作比较麻烦。首先要先开模，才能够完成制作。但是采用3D 打印技术不需要开模，短时间就能够加工出来，而且还能够节约材料。

在传统的排种器制造过程中，设计的过程是及其漫长的，很难提高生产效率。3D 打印能够改变现状，让设计变得更加直观，减少加工时间。同时，也能够轻易的将三维实体转变为实物，增强研究效率，还能够快速的完成整体产品的试制过程。在使用中出现故障的零件可以即使完成更换、修改等操作，简洁和高效的完成技术升级。

先进的产品在研发过程中，通常会遇到零件数量多、单个零件加工成本高等难题，以及零件种类多、形状复杂加工困难等技术难题。这种情况阻碍着产品的研发进程和技术发展，但是应用3D 打印技术后，这些问题是能够解决的。加快了研发，促进了制造的可持续发展。对于一些结构复杂的关键部件，首先要进行锻模和铸模，需要投入大量的人力和物力，对于精密铸造件则需要更大投入。但是对于3D 打印技术，尺寸大小相近的两个零件，打印复杂的零件所花费的时间、成本等，并不一定多于打印简单的零件。传统的排种器设计受限于很多外在的因素，很难扩展创新性。3D 打印则可以打破了传统方式、极大的拓展了创造的空间。同时，也激发了创造者的思维，在众多领域有着广泛的应用。

3 排种盘的设计

3.1 排种盘的结构

排种盘是排种器的核心零件，它的穴播精度直接或间接影响下种效果[8]。它的结构对吸种数目和搅种效果也有一定的作用。结合机械设计理论，对排种盘的结构进行优化设计，如图2 所示。

图2 排种盘二维图Fig.2 Two-Dimensional Map of Seeding Disk

3.2 实体设计和控制软件

基于设计好的排种盘技术要求，通过UG 10.0 软件进行实体设计，绘制出理想的三维模型。单击文件依次选择导出、STL 格式模型。数据转换完成后，要完成对模型测试和修复，避免出现不闭合现象。启动CURA 14.07 软件，单击文件命令框，导入排种盘的STL 格式证书信任列表。在参数对话框下基本里设定质量、速度、温度和线材等，高级里设定质量、速度、喷嘴大小和回抽长度等。准备完成后保存G 代码到文件，为下一步操作做准备。

3.3 打印制作

前期的准备工作结束后，通过U 盘将G 代码导入机器中。在系统、点击加工命令，将自动进行加工。机器停止工作后，从硬纸板上取出。打印的排种盘，如图3 所示。精度为0.1mm，质量为150g，打印成本为30 元左右，消耗时间为6h。

图3 3D 打印和传统的排种盘Fig.3 3D Printing and Conventional Seed Sowing Discs

3.4 有限元分析

图4 负载时排种盘的变形和压力分布云图Fig.4 Deformation and Pressure Distribution Cloud Diagram of Seed Plating Under Load

定义材料属性为ABS，弹性模量6.1GPa，泊松比0.394，抗拉强度96MPa。事先要完成对网格划分。在进行添加约束和载荷，排种盘的厚度面作为约束面，吸种面设置为压力面，对排种盘施加100N 的载荷，方向为负压气室一侧，判断排种盘是否断裂以及受力情况。ANSYS 分析结果，如图4 所示。由变形分布云图和应力云图得知，最小变形在排种盘最外侧为0m，最大变形在排种盘中间位置为6.2584mm。在负载情况下气吸式排种盘最小应力为84537Pa，最大应力为20.471MPa。

4 对比试验研究

4.1 试验准备

为了探究3D 打印排种盘的下种效果，采用JPS-12 型试验台进行试验，如图5 所示。试验地点为黑龙某垦大学土槽实验室，水稻品种为龙粳33 号，选取200 粒籽粒，测量其物理特性，其中平均长7.25mm，宽3.26mm，高2.11mm，籽粒含水率为20.45%，千粒重为23.98g。排种器通过螺栓固定，电机带动传送带和排种盘运动，毛刷将油液均匀的涂抹在传送带上，稻种从输种口排出落到油液中，计算机可以实时采集数据，完成各项指标的检测。

图5 现场试验图Fig.5 Test Chart

4.2 试验评价指标

将3D 打印和传统的排种盘分别装配到同一排种器上。在不同的转速下，对比不同条件的播种合格率、重播率和穴径合格率。每组转速重复做3 次取平均值，每次取稳定段250 穴。查阅文献可知[9-10]，每穴中含有（3～8）粒稻种穴数与总穴数之比为播种合格率，稻种成穴的播入到田间，每穴稻种分散范围的直径为穴径，其中穴径小于50mm 的穴数与总穴数之比为穴径合格率，每穴中含有（0～2）粒稻种穴数与总穴数之比为漏播率，稻种穴径与穴距，如图6 所示。

图6 稻种穴径与穴距示意图Fig.6 Schematic Diagram of the Diameter and Spacing of Rice Seeds

式中：B—每穴中含有（3～8）粒稻种穴数；F—穴径小于50mm 的穴数；E—每穴中含有（0～2）粒稻种穴数；N—全部穴数。

4.3 试验设计与结果分析

分别采用了3D 打印和传统的排种盘进行对比试验，实验过程中的提供的播种条件相同。取5 个种盘转速为（10、20、25、30、40）r/min，对不同种盘试验。当工作状态稳定时，选取250 穴为一次统计样本，3 次试验取平均值，每次试验加入种箱的稻种数量是一定的，气压值设定为4kPa，检测结果，如表1 所示。

表1 对比试验结果Tab.1 Comparison Test Results

由图7 可知，3D 打印与传统排种盘测试结果较接近，播种合格率均在（86～94）%之间浮动。在转速设置范围内，两种排种盘的播种合格率互有高低，但没超过3%。在同一转速下，排种器本身工作性能也有一定的波动，可能是自身的原因导致出现偏差。因此，设计的3D 打印排种盘满足使用要求。

图7 播种合格率对比Fig.7 Comparison of Seedling Qualification Rate

5 结论

（1）在未来排种器的研发中应用3D 打印，能够克服传统制造中存在的问题。3D 打印不仅仅局限在排种器中，同样也适合于其他类型产品的研发中，对我国制造业的发展有及其重要的作用。（2）3D 打印技术适合于排种器的应用，简化了传统制作中复杂的过程，更容易改变设计和工艺参数，获得很好的效果。采用3D 打印技术，成本降低为原来的30%以下。（3）有限元分析结果表明：各项指标结果符合排种盘的许用范围。通过对比试验分析，3D 打印与传统排种盘测试结果较接近，满足使用要求。