基于3D打印技术的柔性可折叠太阳能风扇设计与实现

李 强，何子明,孙 强

1.宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州,234000；2.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州,221116

夏天，户外运动爱好者进行户外活动时，喜欢携带便携式风扇出行，但传统便携式风扇续航里程不足，且在户外无法充电，一旦风扇电量用完，就变成累赘。2013年，林虎等[1]针对夏日出行降温存在的问题，设计了一种太阳能风扇伞，保持了普通伞遮阳的功能和轻便结构的特点，还可利用太阳能用USB接口给手机等电子产品充电。2019年，孙朝阳[2]设计了一种多用途太阳能风扇伞，伞面上安装太阳能柔性电池板，伞柄上设置蓄电池和USB接口，既可利用风扇降温，又可为手机充电。2020年，邹进山等[3]设计了一种便携式折叠风扇，扇叶模块和基座模块能完全重叠，节省占用的空间。但是上述风扇伞对户外运动爱好者来说携带及运动时不方便。

为了解决上述问题，实现柔性折叠式风扇、绿色太阳能能源移动电源等多功能的集成，本文基于三维设计技术设计一款多功能太阳能风扇，并利用3D打印技术进行样机制作，且对相关功能进行实验研究，验证了相关功能符合设计要求。

1 3D打印技术概述

1.1 3D打印技术原理

3D打印(也称为增材制造)，首先，通过三维建模技术建立需要打印的零部件数字化三维模型，然后采用切片软件处理分层数字化三维模型，再利用3D打印机将材料逐层累加的方法制造实体零件，整个过程将材料逐点累积形成面，逐面累积成为体，累积叠加成型[4]。材料按照一定的规律一层层累加起来，最终把计算机上设计的三维模型图变成了实物，其原理如图1所示[5-6]。

图1 3D打印原理图

3D打印机是3D打印技术实现的设备，将被加工零件的三维模型经切片后导入到3D打印机中，能将材料累积逐层变成实物零件，不再需要机床、夹具、刀具、模具等传统辅助加工设备[7-10]。3D打印技术不需要传统的机床、夹具、刀具、模具等加工设备，缩短了加工前的准备工作，无须购置机床和设计制作模具的费用，缩短了零件加工成型的周期，与传统的加工技术相比，大大节省了时间和成本[7]。而且对于复杂零部件，传统机床、模具很难实现，但是3D打印机通过层层打印将原本复杂的结构转换成平面来加工，所加工的零部件越复杂，3D打印机的优势反而就越大[11]。对于多材料集合的产品而言，3D打印机可以通过加喷头并变换打印材料实现一体化制造，实现材料的复合加工[12-13]，能实现传统的机床、模具做不到的这种多材料集合加工产品。

1.2 3D打印过程

3D打印过程大体可以分为建模、切片、打印和后期打磨，虽然不同材料、设备的3D打印过程可能有所不同，但是成型思路都一样的。3D打印先用三维软件建模，将所要制作的结构以及外观通过三维建模软件按照原尺寸建模；再将三维模型文件通过数据转换成STL文件格式；然后进行切片。整个打印过程如下所述：

(1)验证文件。审核三维模型转换成为STL的文件，以确定所提供的模型中是否存在裂缝、孔、悬浮、重叠和交叉，以防止切片完成后出现非闭环现象。

(2)调整放置位置及成形方向位置。将STL格式文件导入到切片软件后，在正式切片处理之前要确定成形方向，调整放置位置。不同的成形方向、放置位置会影响成形时间、成形的表面质量和支撑添加方式。同时为了防止在成形后难以去除支撑，也要调整放置角度。

(3)添加外部支撑。一般来说切片软件既支持手动添加支撑，也支持通过切片软件自动生成支持。一般来说，支持是多点接触，且位于零件表面的下方，便于加工后去除。

(4)设置切片参数。一般所需设置的参数有层高、壁厚、填充物的密度、打印速度等。这一步骤会严重影响打印时间以及成型质量，在一定范围内打印速度越慢，质量越好。

(5)打印。切片结束后将切片的数据保存到3D打印机中进行打印。以熔融沉积式3D打印机为例，首先，将切片处理好的模型参数以.Gcode文件格式保存到3D打印设备中；然后，对打印设备的工作台按照打印要求进行调零，准备打印，对打印机喷头、工作台加热，使其达到预定打印温度；最后，由打印机根据切片数据进行自动打印。打印加工完成后将工作台面进行清理打扫，打印机断电，去除支撑取出工件。

(6)后期打磨。有部分支撑会与工件粘附在一起，此时需要打磨去除支撑，对于工件边缘上的毛刺等也需要进行打磨处理。

2 基于3D打印技术太阳能风扇设计与实现

2.1 原 理

基于3D打印技术的柔性可折叠太阳能风扇主要由太阳能板、稳压电路、可充放电锂电池、底座、扇叶、支撑机构、电机座、电机、充电接口、USB对外供电接口、开关等组成。通过高效率的太阳能电板将太阳能转化成电能并通过锂电池储存，然后再输出给电机，带动扇叶转动，同时也能供电给USB对外供电接口给手机等应小型用电器充电。具体结构如图2所示。

图2 3D整体结构

由图2可知，支撑机构与底座通过螺钉相连接，支撑机构能绕底座铰耳旋转；太阳能板设置在底座底部滑槽内，可以在滑槽内伸出和缩进；稳压电路、可充放电锂电池设置在底座内部；在底座上表面设置有开关，用来控制风扇的启停；充电接口和USB对外供电接口设置在底座的同一端。

电路工作原理如下：太阳能板接受阳光照射后，将太阳能转换成电能，电能接入到可充放电锂电池输入端的锂离子电池充电控制芯片LM3420引脚上构成充电电路，LM3420同时监视充电电器的电压，电能经可充放电锂电池后经集成稳压电路LM2575ADJ输出。锂离子电池充电控制芯片LM3420输出加至开关集成稳压电路LM2575ADJ的反馈端(FB)，当检测到用电器充满电电压时，电路停止对用电器充电，保护用电器的过充。另外，双运算放大器LM358用于增强电路，提高LM3420的检测能力。整个装置的电路工作流程如图3所示。

图3 电路工作流程

2.2 主要部件三维模型设计

底座、支撑机构等构件采用三维设计方法实现，利用三维建模软件Pro/E5.0按1∶1比例建模和设计。

底座为太阳能风扇基础部件，上部设置有与支撑机构相连接的铰耳和开关；前端充电接口、USB对外供电接口；底部设置有安装太阳板的滑槽。充电接口能够在无光情况下接收电量输入，用来为锂电池充电；USB外供电接口能够为手机等用电器供电；风扇开关能够根据需要调节风扇风速大小，具体布置如图4所示。

图4 底座三维模型

支撑机构为连杆及板状结构，由外连杆、内连接板组成，外连杆的一端与设置在底座上部的铰耳通过螺钉铰接，外连杆的另一端通过螺钉与内连接板的一端铰接，内连接板的另一端与电机座铰接。内连接板外部尺寸比外连接杆内部尺寸小0.5 mm，能够保证内连接板收拢在外连接杆内部。外连杆、内连接板、电机座均能绕铰接点旋转，方便整个支撑机构和风扇的折叠和展开，设计完成的支撑机构三维模型如图5所示。

图5 支撑机构三维模型

扇叶采用柔性材料，扇叶能够弯曲折叠，不易损坏、不伤人。扇叶中心的连接孔与电机轴相连接，可抽拔，方便收取存放。扇叶三维模型如图6所示。

图6 扇叶三维模型

2.3 3D切片

利用Pro/E5.0将上述三维模型依次转换成stl格式，将stl格式文件导入到常用切片软件Cura 15.02.1中，调整零件摆放角度、位置，然后设置切片参数，参数设置情况如表1所示，支撑类型选择局部支撑，沿平台附着。

表1 切片参数设置

利用该参数对上述所建的三维模型进行切片，切片处理完成后保存为.gcode格式，风扇主要结构件切片结果如表2所示。

表2 结构件切片结果

2.4 3D打印及装配

选择由极光尔沃公司生产的型号为A8S的3D打印机，可采用PLA和ABS材料进行打印，打印的精度是0.02 mm，打印原理是熔融沉积成型。该机器能够加工的最大尺寸为350×250×300 mm，能够满足本文所述风扇结构件的加工范围，上述风扇结构件实物制作选用PLA为打印材料。

对打印机进行打印前的准备工作，首先，检测打印机是否能正常工作、调平等，然后，将上述切片处理好后保存成.gcode格式文件依次拷入到的A8S的3D打印机中，进行打印，打印过程如图7所示。

图7 打印过程

打印完成后，从打印机上取下工件，并对打印完成的工件进行打磨处理，处理完成后进行组装，组装完成后如图8所示。

图8 组装完成

对组装完成后柔性可折叠太阳能风扇进行了具体尺寸和重量等相关参数进行了测定，结果如表3所示。整体尺寸较小，折叠后高度很小方便携带；展开时可以方便吹到使用者面部；总体重量轻，可以轻松携带。

表3 柔性可折叠太阳能风扇尺寸和重量

3 试验验证

对组装完成后的基于3D打印技术的柔性可折叠太阳能风扇进行相关功能试验，验证其各项功能是否满足设计要求。

实验依次按照下列三个实验来进行：(1)抽出太阳能板给可充放电锂电池充看电池能否充进电；(2)启动风扇看风扇能否运转；(3)对外给小型用电器如手机充电看能否实现。整个实验过程如图9所示。

图9 实验验证

由图9可知，经试验验证，利用3D打印技术能实现柔性可折叠太阳能风扇的设计与制作，所设计与制作可折叠风扇能利用太阳能电池板对锂电池充电，打开开关后能控制扇叶的旋转，在USB对外供电接口接上USB线后可以对普通智能手机充电，实现了由太阳能到电能的转化，实现绿色太阳能能源移动电源的作用，相关设计功能得到了实验验证，能满足设计要求。

基于3D打印技术实现柔性可折叠太阳能风扇的设计与制作全流程可以看到，上述流程可开发本产品，且过程中无须模具设计、开发等环节，节省了模具设计开发制造成本。该设计主要使用太阳能为能源，方便用于户外；采用柔性材料制作扇叶，改进了以往风扇扇叶坚硬容易伤人；可折叠支撑机构折叠后使整个装置体型小，便于携带；还可以用于给其他电子产品充电。产品应用场合广泛，可以用于夏日出游、公交堵车、站内候车和办公作业等场合。

4 结 语

针对户外运动爱好者所携带的风扇续航里程不足、不易携带、且在户外无法充电的问题，基于三维设计和3D打印技术实现了柔性可折叠多功能太阳能风扇设计与制作。该风扇扇叶采用柔性透明塑料制作，支撑机构可以收拢和展开；太阳能电池板布置在抽屉式底座卡槽中，能将太阳能转化为电能使扇叶转动和对外接电子设备充电。经试验验证，实现了柔性折叠式风扇、绿色太阳能能源移动电源等多功能的集成，无须模具，基于维设计和3D打印技术实现了产品开发，拓展了3D打印技术的应用路径。