3D 打印排種盤(pán)的設(shè)計(jì)與性能研究

萬(wàn) 霖，王洪超，車(chē) 剛，王紫玉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

1 引言

3D 打印技術(shù)是基層堆積的方式對(duì)模型進(jìn)行加工。它是快速成型技術(shù)的一種，結(jié)合了多種智能先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的使用。它具有精度高、效率高、價(jià)格低、受溫度影響小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)3D 打印技術(shù)在不斷的完善，應(yīng)用的范圍也在不斷的擴(kuò)大[1-3]。

排種裝置在農(nóng)業(yè)播種中有至關(guān)重要的作用。制作中受到多種因素的影響，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。由于缺少排種裝置模具的試驗(yàn)以及受力和性能測(cè)試的過(guò)程，導(dǎo)致研發(fā)周期變長(zhǎng)，產(chǎn)品性能和技術(shù)要求很難達(dá)到規(guī)定要求，而且造成勞動(dòng)力、財(cái)力的浪費(fèi)[4]。針對(duì)以上問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一種3D 打印負(fù)壓吸種滾筒，有效的簡(jiǎn)化了制造工藝，解決了密封性差的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)一種3D打印吸種氣嘴，試驗(yàn)表明符合生產(chǎn)和使用要求。在眾多領(lǐng)域取得一定的突破，各方面性能有顯著的提高，為研發(fā)新產(chǎn)品帶來(lái)了巨大的變革。

針對(duì)目前水稻充種效果欠佳，制造成本高的問(wèn)題，基于3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)一種3D 打印水稻氣吸式排種盤(pán)。利用排種盤(pán)中的攪種片，解決水稻流動(dòng)性差的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了制造工藝和成本，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 打印技術(shù)分析

2.1 3D 打印的技術(shù)的原理和工作過(guò)程

3D 打印是快速成型技術(shù)的一種，80 年代末在美國(guó)最先興起，被作為制造業(yè)的重大變革之一。它與傳統(tǒng)的加工方法不同，它改變了傳統(tǒng)的加工方法，把“去除”加工法轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸黾印奔庸しā，F(xiàn)有成型的3D 打印技術(shù)有：FDM 熔融沉積造型、SLA 激光光固化、DLP 數(shù)字光處理等[7]。3D 打印的主要技術(shù)流程，如圖1 所示。3D 打印已經(jīng)得到廣泛的使用。任何一個(gè)復(fù)雜的零件，都可以用兩個(gè)平行的平面將其分割，進(jìn)而得到一定厚度的切片，把各個(gè)切片按照一定的順序堆積起來(lái)將會(huì)得到整個(gè)零件。在這個(gè)原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維軟件繪制三維實(shí)體模型，得到許多切片的截面形狀，從零件的一端開(kāi)始堆積成一個(gè)切片，完成之后在它上面繼續(xù)疊加，直到最終疊加成一個(gè)完整的零件。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)加工零件的方法，采取疊加的原理制造零件，用簡(jiǎn)單的方式完成三維零件的加工。不需要工裝模具和一些加工機(jī)床，很大程度上縮短了加工時(shí)間和制造成本。除此之外，還具有便攜制造、占地空間小、產(chǎn)品設(shè)計(jì)多樣化和材料無(wú)限組合等優(yōu)勢(shì)。

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

2.2 3D 打印技術(shù)的必要性及其作用

3D 打印改變了傳統(tǒng)的制造方式和流程，可直接生成產(chǎn)品。在過(guò)去的設(shè)計(jì)觀念中，設(shè)計(jì)方案能否實(shí)現(xiàn)取決于制造工藝的可行性。而采用3D 技術(shù)，打破了以往的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，不必要考慮生產(chǎn)工藝。一直以來(lái)，產(chǎn)品作用的對(duì)象比較復(fù)雜，導(dǎo)致一些工裝模具樣式很多。在研發(fā)過(guò)程中，對(duì)于復(fù)雜的部件制作比較麻煩。首先要先開(kāi)模，才能夠完成制作。但是采用3D 打印技術(shù)不需要開(kāi)模，短時(shí)間就能夠加工出來(lái)，而且還能夠節(jié)約材料。

在傳統(tǒng)的排種器制造過(guò)程中，設(shè)計(jì)的過(guò)程是及其漫長(zhǎng)的，很難提高生產(chǎn)效率。3D 打印能夠改變現(xiàn)狀，讓設(shè)計(jì)變得更加直觀，減少加工時(shí)間。同時(shí)，也能夠輕易的將三維實(shí)體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物，增強(qiáng)研究效率，還能夠快速的完成整體產(chǎn)品的試制過(guò)程。在使用中出現(xiàn)故障的零件可以即使完成更換、修改等操作，簡(jiǎn)潔和高效的完成技術(shù)升級(jí)。

先進(jìn)的產(chǎn)品在研發(fā)過(guò)程中，通常會(huì)遇到零件數(shù)量多、單個(gè)零件加工成本高等難題，以及零件種類(lèi)多、形狀復(fù)雜加工困難等技術(shù)難題。這種情況阻礙著產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程和技術(shù)發(fā)展，但是應(yīng)用3D 打印技術(shù)后，這些問(wèn)題是能夠解決的。加快了研發(fā)，促進(jìn)了制造的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵部件，首先要進(jìn)行鍛模和鑄模，需要投入大量的人力和物力，對(duì)于精密鑄造件則需要更大投入。但是對(duì)于3D 打印技術(shù)，尺寸大小相近的兩個(gè)零件，打印復(fù)雜的零件所花費(fèi)的時(shí)間、成本等，并不一定多于打印簡(jiǎn)單的零件。傳統(tǒng)的排種器設(shè)計(jì)受限于很多外在的因素，很難擴(kuò)展創(chuàng)新性。3D 打印則可以打破了傳統(tǒng)方式、極大的拓展了創(chuàng)造的空間。同時(shí)，也激發(fā)了創(chuàng)造者的思維，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3 排種盤(pán)的設(shè)計(jì)

3.1 排種盤(pán)的結(jié)構(gòu)

排種盤(pán)是排種器的核心零件，它的穴播精度直接或間接影響下種效果[8]。它的結(jié)構(gòu)對(duì)吸種數(shù)目和攪種效果也有一定的作用。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)理論，對(duì)排種盤(pán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖2 排種盤(pán)二維圖Fig.2 Two-Dimensional Map of Seeding Disk

3.2 實(shí)體設(shè)計(jì)和控制軟件

基于設(shè)計(jì)好的排種盤(pán)技術(shù)要求，通過(guò)UG 10.0 軟件進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)，繪制出理想的三維模型。單擊文件依次選擇導(dǎo)出、STL 格式模型。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，要完成對(duì)模型測(cè)試和修復(fù)，避免出現(xiàn)不閉合現(xiàn)象。啟動(dòng)CURA 14.07 軟件，單擊文件命令框，導(dǎo)入排種盤(pán)的STL 格式證書(shū)信任列表。在參數(shù)對(duì)話框下基本里設(shè)定質(zhì)量、速度、溫度和線材等，高級(jí)里設(shè)定質(zhì)量、速度、噴嘴大小和回抽長(zhǎng)度等。準(zhǔn)備完成后保存G 代碼到文件，為下一步操作做準(zhǔn)備。

3.3 打印制作

前期的準(zhǔn)備工作結(jié)束后，通過(guò)U 盤(pán)將G 代碼導(dǎo)入機(jī)器中。在系統(tǒng)、點(diǎn)擊加工命令，將自動(dòng)進(jìn)行加工。機(jī)器停止工作后，從硬紙板上取出。打印的排種盤(pán)，如圖3 所示。精度為0.1mm，質(zhì)量為150g，打印成本為30 元左右，消耗時(shí)間為6h。

圖3 3D 打印和傳統(tǒng)的排種盤(pán)Fig.3 3D Printing and Conventional Seed Sowing Discs

3.4 有限元分析

圖4 負(fù)載時(shí)排種盤(pán)的變形和壓力分布云圖Fig.4 Deformation and Pressure Distribution Cloud Diagram of Seed Plating Under Load

定義材料屬性為ABS，彈性模量6.1GPa，泊松比0.394，抗拉強(qiáng)度96MPa。事先要完成對(duì)網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行添加約束和載荷，排種盤(pán)的厚度面作為約束面，吸種面設(shè)置為壓力面，對(duì)排種盤(pán)施加100N 的載荷，方向?yàn)樨?fù)壓氣室一側(cè)，判斷排種盤(pán)是否斷裂以及受力情況。ANSYS 分析結(jié)果，如圖4 所示。由變形分布云圖和應(yīng)力云圖得知，最小變形在排種盤(pán)最外側(cè)為0m，最大變形在排種盤(pán)中間位置為6.2584mm。在負(fù)載情況下氣吸式排種盤(pán)最小應(yīng)力為84537Pa，最大應(yīng)力為20.471MPa。

4 對(duì)比試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了探究3D 打印排種盤(pán)的下種效果，采用JPS-12 型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5 所示。試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍某墾大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室，水稻品種為龍粳33 號(hào)，選取200 粒籽粒，測(cè)量其物理特性，其中平均長(zhǎng)7.25mm，寬3.26mm，高2.11mm，籽粒含水率為20.45%，千粒重為23.98g。排種器通過(guò)螺栓固定，電機(jī)帶動(dòng)傳送帶和排種盤(pán)運(yùn)動(dòng)，毛刷將油液均勻的涂抹在傳送帶上，稻種從輸種口排出落到油液中，計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，完成各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.5 Test Chart

4.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

將3D 打印和傳統(tǒng)的排種盤(pán)分別裝配到同一排種器上。在不同的轉(zhuǎn)速下，對(duì)比不同條件的播種合格率、重播率和穴徑合格率。每組轉(zhuǎn)速重復(fù)做3 次取平均值，每次取穩(wěn)定段250 穴。查閱文獻(xiàn)可知[9-10]，每穴中含有（3～8）粒稻種穴數(shù)與總穴數(shù)之比為播種合格率，稻種成穴的播入到田間，每穴稻種分散范圍的直徑為穴徑，其中穴徑小于50mm 的穴數(shù)與總穴數(shù)之比為穴徑合格率，每穴中含有（0～2）粒稻種穴數(shù)與總穴數(shù)之比為漏播率，稻種穴徑與穴距，如圖6 所示。

圖6 稻種穴徑與穴距示意圖Fig.6 Schematic Diagram of the Diameter and Spacing of Rice Seeds

式中：B—每穴中含有（3～8）粒稻種穴數(shù)；F—穴徑小于50mm 的穴數(shù)；E—每穴中含有（0～2）粒稻種穴數(shù)；N—全部穴數(shù)。

4.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

分別采用了3D 打印和傳統(tǒng)的排種盤(pán)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的提供的播種條件相同。取5 個(gè)種盤(pán)轉(zhuǎn)速為（10、20、25、30、40）r/min，對(duì)不同種盤(pán)試驗(yàn)。當(dāng)工作狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，選取250 穴為一次統(tǒng)計(jì)樣本，3 次試驗(yàn)取平均值，每次試驗(yàn)加入種箱的稻種數(shù)量是一定的，氣壓值設(shè)定為4kPa，檢測(cè)結(jié)果，如表1 所示。

表1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Comparison Test Results

由圖7 可知，3D 打印與傳統(tǒng)排種盤(pán)測(cè)試結(jié)果較接近，播種合格率均在（86～94）%之間浮動(dòng)。在轉(zhuǎn)速設(shè)置范圍內(nèi)，兩種排種盤(pán)的播種合格率互有高低，但沒(méi)超過(guò)3%。在同一轉(zhuǎn)速下，排種器本身工作性能也有一定的波動(dòng)，可能是自身的原因?qū)е鲁霈F(xiàn)偏差。因此，設(shè)計(jì)的3D 打印排種盤(pán)滿(mǎn)足使用要求。

圖7 播種合格率對(duì)比Fig.7 Comparison of Seedling Qualification Rate

5 結(jié)論

（1）在未來(lái)排種器的研發(fā)中應(yīng)用3D 打印，能夠克服傳統(tǒng)制造中存在的問(wèn)題。3D 打印不僅僅局限在排種器中，同樣也適合于其他類(lèi)型產(chǎn)品的研發(fā)中，對(duì)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展有及其重要的作用。（2）3D 打印技術(shù)適合于排種器的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)制作中復(fù)雜的過(guò)程，更容易改變?cè)O(shè)計(jì)和工藝參數(shù)，獲得很好的效果。采用3D 打印技術(shù)，成本降低為原來(lái)的30%以下。（3）有限元分析結(jié)果表明：各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果符合排種盤(pán)的許用范圍。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析，3D 打印與傳統(tǒng)排種盤(pán)測(cè)試結(jié)果較接近，滿(mǎn)足使用要求。