3D打印技術在航空模型中的應用*

朱莉凱，沈?qū)殗?，葉楊飛

（江蘇航空職業(yè)技術學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

在人類航空發(fā)展史上，航空模型曾起過重要作用。早在無動力飛行器和固定翼飛機發(fā)明之前，向往飛行的人們就在不斷探索如何飛行的問題，人們通過效仿鳥類等的飛行特征，嘗試造出簡單的航空模型。而后，隨著航空技術的不斷發(fā)展，要求航空模型的制造技術也要不斷發(fā)展進步，從事航空制造的科研人員都在進行著思考和研究[1]。在這種環(huán)境下，航空模型的制造工藝越來越簡單，制造材料越來越多，3D打印技術也開始在航空模型中得到應用[2]。課題小組基于3D打印技術的基本特點和航模常用的制作材料進行研究，分別制作多旋翼小型無人機以及固定翼飛機模型的零部件和整機，將3D打印技術和小型無人機的機械設計結(jié)合起來，利用仿真軟件對所設計的零部件進行模擬仿真。

1 3D打印技術

3D打印技術的產(chǎn)生得益于在19世紀末期形成的層疊成型理論，在經(jīng)歷不斷的發(fā)展和進步后，20世紀末期，得益于計算機科學技術的不斷發(fā)展以及激光雷達技術的進步，3D打印技術越來越受到大眾的關注[3]。3D打印技術，也被稱為增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術，起源于20世紀80年代，是集材料、數(shù)控、機械和計算機于一體的先進制造技術。該技術的基本原理是用計算機創(chuàng)建三維模型并轉(zhuǎn)換成二進制文件，然后通過切片軟件處理生成一層一層的二維截面信息，最后由成型設備經(jīng)過結(jié)合成型技術將材料堆疊打印出所需的產(chǎn)品[4]。

增材制造技術區(qū)別于傳統(tǒng)制造方法，它可以完成復雜零件的制造。一些復雜的零件很難通過傳統(tǒng)的加工制造技術完成，需要把一個復雜零件拆解成多個易加工小零件進行拼裝，而3D打印技術可以實現(xiàn)一個完整的復雜零件制造[5]。3D打印技術避免了傳統(tǒng)加工工藝的編制，降低了產(chǎn)品研發(fā)制造成本，提高了企業(yè)的效益。3D打印技術大大縮短了零件制造周期，從而提高機械制造速度。

2 3D打印材料的特點

3D打印技術包含多種不同的技術，但其基本打印原理類似，即通過逐層打印，讓每一層連接在一起形成三維立體圖形，下面簡單介紹不同3D打印技術所具備的特點。

2.1 熔融層積成型

熔融層積成型技術也叫作FDM技術，它是一種快速成型的3D打印技術。這種打印技術是把絲狀的熱熔材料進行加熱，進而融化，同時利用計算機相應軟件控制三維噴頭，結(jié)合橫截面的形狀、大小等信息，在工作臺上涂抹相應的3D打印材料，此材料迅速冷卻后就會形成一個橫截面[6]。在每一層打印材料冷卻成型后，設備的工作臺就會下降一個高度（也就是分層厚度），進而到再成型的下一層，直到所有的實體造型都順利完成。這種技術的成型材料品種較多，而且冷卻后的硬度較大、精度較高，主要用在航模較小的模塊上。

其優(yōu)點主要有：操作原理相對簡單，無需激光器等貴重元器件，更容易操作與維護，并且價格便宜；用戶普及率高；對使用環(huán)境幾乎沒有限制，可以放置在辦公室或者家庭里使用，不會產(chǎn)生毒氣或者化學污染等，操作環(huán)境安全、干凈；打印出來的模型強度、韌性都很高，材料的利用率高，可以用于條件苛刻的功能性測試，價格也相對便宜，可以選用的材料很多。

其缺點主要有：噴頭采用機械式結(jié)構(gòu)，打印速度比較慢，特別是在打印大尺寸模型或進行批量打印時；尺寸精度較差，表面相對粗糙，有較清晰的臺階效應，還需后續(xù)拋光處理，不適用于尺寸精度要求較高的裝配件打印；需要設計、制作支撐結(jié)構(gòu)，會浪費材料做支撐。

2.2 光敏樹脂選擇性固化

光敏樹脂選擇性固化技術也叫SLA（Stereo Lithography Apparatus）技術。利用光進行固化，這種方法最早出現(xiàn)在快速成形的工藝中。該技術利用聚合光束，使液態(tài)光敏樹脂在一定條件下成型[7]。制造時，在一個盛有光敏樹脂的液槽中，激光器根據(jù)程序運算在液體表面照射，形成一層圖案，然后升降臺向下移動一層，通過重復工作形成一層一層的圖案，這樣層層疊加構(gòu)建成三維實體。

其優(yōu)點主要是：該技術是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝之一，成熟度高；成型速度較快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短；成型精度高，表面質(zhì)量好，適合做精細零件。

其缺點主要有：用于支撐的結(jié)構(gòu)部件需要在沒有完全固化的時候去除，而且比較容易破壞基本結(jié)構(gòu)部件；該技術設備的成本比較高，使用和維護成本也不低；光敏樹脂有輕微毒性，工作設備需要密封；因樹脂材料的特殊性，打印出來的部件結(jié)構(gòu)強度不高，耐熱性也不是很好，因此不利于長久保存。

2.3 三維粉末粘接

三維粉末粘接技術也叫3DP工藝。這種工藝使用的主要材料有金屬粉末、塑料粉末以及陶瓷粉等。首先，要在平臺上鋪平相應的粉末，利用噴頭按照程序設定路徑，將液態(tài)粘合劑噴射在預先給出的區(qū)域中，以此固定一層，隨后，升降臺下移一層，進而不斷地重復任務，直到部件全部完成，最后除去模型上多余的粉末材料[8]。

3DP技術的主要優(yōu)點有：不需要激光器等成本很高的元器件，維護簡便；加工速度快，最快能夠以25 mm/h的垂直構(gòu)建速度進行元件的打印；最大的優(yōu)點在于該方法能夠進行彩色打印，很多彩色元件都是利用這種技術打印出來的，并且不需要支撐結(jié)構(gòu)。

3DP技術的主要缺點有：石膏強度較低，不適合要求強度高的場合；容易破碎，并且表面的手感也比較粗糙。

3 利用3D打印技術設計四旋翼無人機的流程

3.1 設計四旋翼無人機的三維機架模型

使用軟件SOLIDWORKS 2016版，分別設計四旋翼飛機的機臂、上中心板、下中心板、上蓋板及機殼，然后使用SOLIDWORKS裝配功能對其進行組裝。該設計中將綜合使用到特征工具、曲面工具、基準面等功能。四旋翼整機建模完成的三維模型如圖1（左）所示，最終成品渲染圖如圖1（右）所示。

圖1 四旋翼整機建模及渲染

3.2 進行四旋翼無人機機臂的受力分析

機臂是整個飛行器受力最集中的地方，突然加油時的拉力、碰撞物體時的沖擊力大多數(shù)由機臂承擔，機臂的強度直接影響飛行器的飛行性能。為了檢驗此次設計的機臂是否可以正常工作，將采用SOLIDWORKS自帶的SOLIDWORKSSimulation插件對機臂進行受力分析。打開之前設計好的機臂模型進入工作界面，在工具欄里點擊【SOLIDWORKS插件】→【SOLIDWORKSSimulation】進行插件安裝，這時會出現(xiàn)一個新給工具命令【Simulation】[9]。具體受力分析過程如下。

1）添加新算例。點擊【Simulation】→【算例顧問】下拉欄→【新算例】，創(chuàng)建一個新的算例；在算例對話框中選擇【靜應力分析】，完成新算例的創(chuàng)建。

2）添加材料。在Simulation工具命令欄里點擊【應用材料】，在材料庫里選擇ABS材料，然后點【應用】，再點擊【關閉】，完成材料的添加。

3）添加夾具。點擊【夾具顧問】下拉欄，選擇【固定集合體】，在夾具對話框中選擇固定面，完成夾具的添加。

4）外部載荷。點擊【外部載荷顧問】下拉欄，選擇【力】命令，進入力命令對話框，選擇力的方向為【選定的方向】，選擇垂直于XY平面的一條邊線或面；選擇力的邊線為“邊線2”，施加一個1 kg的力，方向為Z軸的負方向，完成外部載荷力的設置。

5）運行算例。在【運行此算例】下拉欄里先選擇【生成網(wǎng)格】，在生成網(wǎng)格的對話欄里調(diào)整網(wǎng)格密度，然后點擊確認按鈕生成網(wǎng)格，再點擊【運行此算例】，這時軟件會自動進行運算并生成結(jié)果。如圖2（左）所示為受力生成網(wǎng)格圖，如圖2（右）所示為受力分析結(jié)果圖。

圖2 機臂受力分析生成及受力分析結(jié)果

通過對圖2機臂受力分析生成及受力分析結(jié)果的分析，機臂基本設計合理，應力在機臂上分散不集中，應變形變在可接受范圍內(nèi)。驗證了可以用3D打印機技術制作四旋翼航空模型。最終利用ABS材料打印出來的成品具有強度高、韌性好、耐腐蝕等優(yōu)點，機架軸距220 mm，機架類型為X機型，最大支持5寸槳，具有較好的航模機動性。

4 總結(jié)

3D打印技術在航空模型中具有廣泛的應用，利用3D打印技術需要具備一定的三維建模技術。筆者主要提出四旋翼航模完整外形三維設計方案，包括機臂的設計建模過程以及對機臂進行受力分析。3D打印技術在微小型飛行器設計中可以發(fā)揮較大作用，提高傳統(tǒng)手工加工微小零部件的效率，能夠有效縮短研發(fā)生產(chǎn)周期。