3D打印技术在航空模型中的应用*

2021-07-13朱莉凯沈宝国叶杨飞

南方农机 2021年13期

朱莉凯，沈宝国，叶杨飞

（江苏航空职业技术学院，江苏镇江 212134）

在人类航空发展史上，航空模型曾起过重要作用。早在无动力飞行器和固定翼飞机发明之前，向往飞行的人们就在不断探索如何飞行的问题，人们通过效仿鸟类等的飞行特征，尝试造出简单的航空模型。而后，随着航空技术的不断发展，要求航空模型的制造技术也要不断发展进步，从事航空制造的科研人员都在进行着思考和研究[1]。在这种环境下，航空模型的制造工艺越来越简单，制造材料越来越多，3D打印技术也开始在航空模型中得到应用[2]。课题小组基于3D打印技术的基本特点和航模常用的制作材料进行研究，分别制作多旋翼小型无人机以及固定翼飞机模型的零部件和整机，将3D打印技术和小型无人机的机械设计结合起来，利用仿真软件对所设计的零部件进行模拟仿真。

1 3D打印技术

3D打印技术的产生得益于在19世纪末期形成的层叠成型理论，在经历不断的发展和进步后，20世纪末期，得益于计算机科学技术的不断发展以及激光雷达技术的进步，3D打印技术越来越受到大众的关注[3]。3D打印技术，也被称为增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，起源于20世纪80年代，是集材料、数控、机械和计算机于一体的先进制造技术。该技术的基本原理是用计算机创建三维模型并转换成二进制文件，然后通过切片软件处理生成一层一层的二维截面信息，最后由成型设备经过结合成型技术将材料堆叠打印出所需的产品[4]。

增材制造技术区别于传统制造方法，它可以完成复杂零件的制造。一些复杂的零件很难通过传统的加工制造技术完成，需要把一个复杂零件拆解成多个易加工小零件进行拼装，而3D打印技术可以实现一个完整的复杂零件制造[5]。3D打印技术避免了传统加工工艺的编制，降低了产品研发制造成本，提高了企业的效益。3D打印技术大大缩短了零件制造周期，从而提高机械制造速度。

2 3D打印材料的特点

3D打印技术包含多种不同的技术，但其基本打印原理类似，即通过逐层打印，让每一层连接在一起形成三维立体图形，下面简单介绍不同3D打印技术所具备的特点。

2.1 熔融层积成型

熔融层积成型技术也叫作FDM技术，它是一种快速成型的3D打印技术。这种打印技术是把丝状的热熔材料进行加热，进而融化，同时利用计算机相应软件控制三维喷头，结合横截面的形状、大小等信息，在工作台上涂抹相应的3D打印材料，此材料迅速冷却后就会形成一个横截面[6]。在每一层打印材料冷却成型后，设备的工作台就会下降一个高度（也就是分层厚度），进而到再成型的下一层，直到所有的实体造型都顺利完成。这种技术的成型材料品种较多，而且冷却后的硬度较大、精度较高，主要用在航模较小的模块上。

其优点主要有：操作原理相对简单，无需激光器等贵重元器件，更容易操作与维护，并且价格便宜；用户普及率高；对使用环境几乎没有限制，可以放置在办公室或者家庭里使用，不会产生毒气或者化学污染等，操作环境安全、干净；打印出来的模型强度、韧性都很高，材料的利用率高，可以用于条件苛刻的功能性测试，价格也相对便宜，可以选用的材料很多。

其缺点主要有：喷头采用机械式结构，打印速度比较慢，特别是在打印大尺寸模型或进行批量打印时；尺寸精度较差，表面相对粗糙，有较清晰的台阶效应，还需后续抛光处理，不适用于尺寸精度要求较高的装配件打印；需要设计、制作支撑结构，会浪费材料做支撑。

2.2 光敏树脂选择性固化

光敏树脂选择性固化技术也叫SLA（Stereo Lithography Apparatus）技术。利用光进行固化，这种方法最早出现在快速成形的工艺中。该技术利用聚合光束，使液态光敏树脂在一定条件下成型[7]。制造时，在一个盛有光敏树脂的液槽中，激光器根据程序运算在液体表面照射，形成一层图案，然后升降台向下移动一层，通过重复工作形成一层一层的图案，这样层层叠加构建成三维实体。

其优点主要是：该技术是最早出现的快速原型制造工艺之一，成熟度高；成型速度较快，产品生产周期短；成型精度高，表面质量好，适合做精细零件。

其缺点主要有：用于支撑的结构部件需要在没有完全固化的时候去除，而且比较容易破坏基本结构部件；该技术设备的成本比较高，使用和维护成本也不低；光敏树脂有轻微毒性，工作设备需要密封；因树脂材料的特殊性，打印出来的部件结构强度不高，耐热性也不是很好，因此不利于长久保存。

2.3 三维粉末粘接

三维粉末粘接技术也叫3DP工艺。这种工艺使用的主要材料有金属粉末、塑料粉末以及陶瓷粉等。首先，要在平台上铺平相应的粉末，利用喷头按照程序设定路径，将液态粘合剂喷射在预先给出的区域中，以此固定一层，随后，升降台下移一层，进而不断地重复任务，直到部件全部完成，最后除去模型上多余的粉末材料[8]。

3DP技术的主要优点有：不需要激光器等成本很高的元器件，维护简便；加工速度快，最快能够以25 mm/h的垂直构建速度进行元件的打印；最大的优点在于该方法能够进行彩色打印，很多彩色元件都是利用这种技术打印出来的，并且不需要支撑结构。

3DP技术的主要缺点有：石膏强度较低，不适合要求强度高的场合；容易破碎，并且表面的手感也比较粗糙。

3 利用3D打印技术设计四旋翼无人机的流程

3.1 设计四旋翼无人机的三维机架模型

使用软件SOLIDWORKS 2016版，分别设计四旋翼飞机的机臂、上中心板、下中心板、上盖板及机壳，然后使用SOLIDWORKS装配功能对其进行组装。该设计中将综合使用到特征工具、曲面工具、基准面等功能。四旋翼整机建模完成的三维模型如图1（左）所示，最终成品渲染图如图1（右）所示。

图1 四旋翼整机建模及渲染

3.2 进行四旋翼无人机机臂的受力分析

机臂是整个飞行器受力最集中的地方，突然加油时的拉力、碰撞物体时的冲击力大多数由机臂承担，机臂的强度直接影响飞行器的飞行性能。为了检验此次设计的机臂是否可以正常工作，将采用SOLIDWORKS自带的SOLIDWORKSSimulation插件对机臂进行受力分析。打开之前设计好的机臂模型进入工作界面，在工具栏里点击【SOLIDWORKS插件】→【SOLIDWORKSSimulation】进行插件安装，这时会出现一个新给工具命令【Simulation】[9]。具体受力分析过程如下。

1）添加新算例。点击【Simulation】→【算例顾问】下拉栏→【新算例】，创建一个新的算例；在算例对话框中选择【静应力分析】，完成新算例的创建。

2）添加材料。在Simulation工具命令栏里点击【应用材料】，在材料库里选择ABS材料，然后点【应用】，再点击【关闭】，完成材料的添加。

3）添加夹具。点击【夹具顾问】下拉栏，选择【固定集合体】，在夹具对话框中选择固定面，完成夹具的添加。

4）外部载荷。点击【外部载荷顾问】下拉栏，选择【力】命令，进入力命令对话框，选择力的方向为【选定的方向】，选择垂直于XY平面的一条边线或面；选择力的边线为“边线2”，施加一个1 kg的力，方向为Z轴的负方向，完成外部载荷力的设置。

5）运行算例。在【运行此算例】下拉栏里先选择【生成网格】，在生成网格的对话栏里调整网格密度，然后点击确认按钮生成网格，再点击【运行此算例】，这时软件会自动进行运算并生成结果。如图2（左）所示为受力生成网格图，如图2（右）所示为受力分析结果图。

图2 机臂受力分析生成及受力分析结果

通过对图2机臂受力分析生成及受力分析结果的分析，机臂基本设计合理，应力在机臂上分散不集中，应变形变在可接受范围内。验证了可以用3D打印机技术制作四旋翼航空模型。最终利用ABS材料打印出来的成品具有强度高、韧性好、耐腐蚀等优点，机架轴距220 mm，机架类型为X机型，最大支持5寸桨，具有较好的航模机动性。