基于3D打印的拖體導流殼設計與應用

郭 鵬，朱張立

（杭州應用聲學研究所，杭州 310012）

0 引言

拖體也叫水下拖曳體，是一種由水面艦艇或水下航行器拖拽航行在水中的的運載平臺，主要用于搭載各類傳感器、聲學及光學探測設備等。拖體導流外殼作為拖體的主要結構組成之一，其作用一是可以起到保護搭載設備免于外部撞擊；二是其水動力外形能夠保證拖體的拖曳穩(wěn)定性，使探測設備發(fā)揮更好的探測性能。

長期以來，國內拖體導流外殼體主要采用玻璃鋼手工糊制的制作方法，但是玻璃鋼加工周期長、難以滿足復雜結構的設計加工等缺點極大限制了拖體導流外殼體的創(chuàng)新與進步。玻璃鋼制作在材料和加工工藝方面一直沒有革命性的變化，間接導致了拖體導流外殼體的加工方式也沒有新的升級，極大限制了拖體導流外殼體的技術更新。與此同時3D打印技術迅速發(fā)展，其已經在工業(yè)設計、汽車制造、航空航天和醫(yī)學等領域得到廣泛應用，這給拖體導流外殼體制作帶來了新的可能。3D打印是快速成型技術的一種，也被稱為增材制造。通常是采用數字技術材料打印機將粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件[1-4]。本文將針對3D 打印技術在拖體導流外殼體設計與制作中的應用進行了探索。計劃首先通過工業(yè)設計軟件建立拖體外殼三維模型，然后選取符合要求的材質通過3D 打印機即可在短時間完成拖體外殼的加工制作，通過一系列對比檢查3D 打印制作的拖體導流外殼是否能達到甚至優(yōu)于玻璃鋼材質導流外殼的性能[5-6]。

1 拖體導流外殼設計

拖體導流外殼是包覆在拖體框架外側的5～10 mm 厚度的硬質外殼，起到保護搭載設備免于外界撞擊的作用，外形多為流線型以保證拖體具有良好的水動力特征。拖體導流外殼的好壞直接影響著所搭載設備能否正常工作。目前隨著各類探測技術的不斷進步，導致了對拖體設計提出了更多需求：一是拖體搭載的設備越來越多，越來越復雜，要求拖體內腔結構可以做到復雜多變；二是加工裝配難度加大，要求嚴格控制裝配精度、外殼變形量及拼裝質量，不能影響探測設備的探測精度；三是要求拖體外形更加對稱使拖體有更高的航行穩(wěn)定性。拖體導流外殼需要保證拖體導流外殼外形加工對稱，以保證應拖體有良好的水動力特性，同時應該具備一定防護能力，避免搭載設備受外力損壞。

（1）應用工業(yè)設計軟件進行設計。通過三維設計軟件可以先設計出拖體外殼的結構初步方案，設計時注意各設備裝配關系、空間干涉等問題。然后通過流體仿真軟件得出拖體水動力特性輔助進行拖體外殼迭代設計改進。

（2）選擇加工工藝。應該根據拖體的實際工況和需要，選取出滿足要求的材料和殼體壁厚以滿足結構強度，然后根據材料的特性決定加工方式，如手糊玻璃鋼。

（3）成型后處理技術。對加工完的拖體導流外殼需要進行必要的打磨、修整和噴漆，確保拖體導流外殼表面光潔，入水后不易殘留汽泡而導致影響聲學換能器的性能。

2 拖體導流外殼加工工藝設計

拖體導流外殼加工工藝設計是拖外殼設計的重要環(huán)節(jié)，拖體導流殼設計中使用的傳統(tǒng)玻璃鋼加工工藝存在著許多不足之處，本案例通過3D打印技術對傳統(tǒng)導流外殼加工工藝進行優(yōu)化。

2.1 傳統(tǒng)導流外殼加工工藝

傳統(tǒng)拖體導流外殼一般由玻璃鋼制作手工糊制的方式加工制作，為了方便設備安裝使用，一個拖體上的導流外殼一般分為幾個部分分別加工，然后組裝而成。玻璃鋼的手工糊制包含4 個主要步驟：（1）生產制作前的準備工作；（2）成型模具制作；（3）玻璃鋼的糊制與固化；（4）脫模與后期修整。玻璃鋼具有耐腐蝕、強度高、工藝相對簡單等優(yōu)點，但其也有加工步驟和流程相對繁瑣、涉及工種多、占用場地大、耗用工時多等缺點。以制作一個長寬高分別為800 mm、300 mm、500 mm 的拖體導流外殼為例，通過以往經驗可知傳統(tǒng)玻璃鋼手工糊制的方式加工制作則需要模具制作、糊制、打磨3 個工種一共5～6 人用時20 個工作日左右完成。玻璃鋼手工糊制時，模具制作、糊制、打磨3 道工序分別需要在不同車間完成，糊制過程中的化學制劑和打磨過程中的粉塵對操作者身體健康有嚴重損害。由于施工人員手法和模具等條件的限制，手工糊制玻璃鋼的加工精度難以達到0.5 mm 以上，因此可能影響拖體導流殼整體外形的對稱性，進而影響拖體拖曳穩(wěn)定性。

2.2 通過3D打印技術優(yōu)化設計

3D 打印技術目前在制造業(yè)中已經有了很廣泛的應用，如建筑、工業(yè)設計、汽車以及航空航天等領域，特別是在一些結構復雜，制造時間段的定制化零件加工中3D 打印技術優(yōu)勢尤為明顯[7-8]。目前，主流3D 打印技術主要分為熔融沉積成型技術和光固化技術。

（1）FDM：熔融沉積快速成型，主要材料ABS 和PLA。熔融擠出成型（FDM）工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內受到高溫后熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料噴出，材料降溫并快速固化，與之前噴出的材料粘結。每一個截面都是在上一截面上累積而成，上一截面可以作當前截面提供定位和支撐的作用。

（2）SLA：光固化成型，主要材料光敏樹脂。光固化成形是最早出現(xiàn)的快速成形工藝。其原理是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（x=325 nm）和強度（w=30 mW）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉變成固態(tài)[9]。光固化成型是目前研究得最多的方法，也是技術上最為成熟的方法。一般層厚在0.1～0.15 mm，成形的零件精度較高。通過此類3D 打印技術制作預計僅需1～2 人在5 個工作日左右即可完成前文所述的拖體加工功工作。

不難發(fā)現(xiàn)光固化成型的3D打印方式能完成高精度的加工，打印工作主要由打印機完成，期間不會產生有污染的廢棄物。分析認為3D打印技術完全有可能成為玻璃鋼手工糊制拖體導流外殼傳統(tǒng)方法的替代方法，克服玻璃鋼手工糊制方法費時、費力、對人體有害等缺點，從而提高拖體導流外殼的制作效率和質量。雖然目前樹脂類3D打印材料強度還遠低于玻璃鋼，但是已經能夠滿足絕大部分拖體導流外殼的使用要求，而且3D打印技術制作出來的精度和復雜程度都高于手工糊制的方式，更好地滿足拖體外殼整體線型要求，還能有效避免人為失誤造成的圖物不符。

發(fā)生函數的方法在解決格路計數問題中有著很強的實用性，是解決格路問題的一種典型方法。有不少組合計數問題都是對任一給定的非負整數n，求一個與n有關的數an，因此本質上是求一個未知數列{an:n≥0}。發(fā)生函數方法的基本思想是：欲求未知數列{an:n≥0}，可先求出由此數列做成的冪級數的和函數再反過來把f(x)展成冪級數以求出an。發(fā)生函數方法已成為離散數學領域中的重要方法，其以某種統(tǒng)一的程序方式處理和解決眾多不同類型的問題。

3 拖體導流外殼研制

本實例通過3D打印技術成功在一個月內為某項目制作了一套拖體導流外殼，實際應用中該導流外殼完成了各項試驗，很好地滿足了項目使用需求。以下是對此次拖體外殼試制過程的記錄。

3.1 設計條件分析

本次拖體主要用于安裝一個水聲換能器，用于航速4 節(jié)的拖曳試驗。拖體的設計及加工周期總時間只有一個月左右，而且拖體總體尺寸小，要求加工精度高，并能抵擋一般強度的碰撞并具有良好的拖曳穩(wěn)定性。為了在規(guī)定時間內制作出滿足需求的拖體，項目組應用了3D打印的方式設計加工拖體導流外殼。

3.2 拖體導流外殼的研制

按照相應的裝配關系和使用需求，首先依托現(xiàn)有三維設計軟件強大的設計與仿真能力，設計并優(yōu)化適用于3D 打印的拖體導流外殼。針對拖體需求開展初步設計迭代，在滿足功能、水動力性能和結構強度等需求后，再對拖體導流外殼進行細節(jié)優(yōu)化，通過篩選對比幾種常用3D 打印材料，得到PA12 尼龍適合本次拖體導流外殼的制作，打印精度可以達到0.1 mm，其特點是強度較高、表面光滑、成本低、打印精度高。最后使用3D打印機打印出滿足要求的拖體導流外殼[10-12]。

3D 打印的方式加工時將拖體導流殼分為上蓋、中體和下蓋3 部分分別制作。根據換能器透聲需求和外殼需要一定強度，導流殼體基本厚度為6 mm?？紤]到要保證中體用于安裝拖頭的上甲板有足夠的結構強度，上甲板厚度加厚至10 mm。設計中主要關注以下問題：（1）保證拖體導流外殼外形具有良好水動力穩(wěn)定性；（2）避免出現(xiàn)局部和邊緣位置過薄或者有銳利尖角；（3）注意配合位置的公差，在配合面留有0.1～0.15 mm的裝配余量方便后期調整。

成型過程中由計算機控制光源定位裝置按照數字化模型精確定位，使照射位置原料粉末升至融化點上，進行燒結并與已制作的部分融為一體；打印平臺會在一層截面燒結成型后升高至下一截面繼續(xù)進行打印，往復工作直至整個打印工作完成；最后，可直接取出已成型的拖體導流殼零件。

4 應用效果

使用3D打印技術成功制作了滿足使用要求的拖體導流外殼，并成功完成了拖曳試驗，拖體導流外殼如圖1所示。最終整套導流外殼的生產周期僅為100 h，成本僅為1 萬元。根據以往經驗通過傳統(tǒng)手工玻璃鋼糊制工藝加工，各種工序總計需要25 天以上，成本超過3 萬元。此次通過3D打印技術加工出的未經打磨的拖體導流外殼尺寸精度小于0.1 mm，遠高于玻璃鋼0.2～0.5 mm 的精度。對導流外殼外部施加500 N 的壓力也未發(fā)現(xiàn)其有開裂變形等現(xiàn)象。

圖1 3D打印拖體導流外殼成品

實際過程中拖體導流外殼與常用的玻璃鋼外殼相比也沒有明顯不同。從此次應用情況來看3D打印技術可以作為傳統(tǒng)玻璃鋼拖體外殼加工方法的重要補充，甚至有全面替代的可能，具有極高的研究價值。

5 結束語

本文通過應用案例驗證了利用3D打印技術可以實現(xiàn)拖體導流外殼的加工制作，并且3D打印技術可以滿足一般拖體導流外殼的基本要求，以其快速、經濟、精度高等特性使其具有很好的推廣前景。

本文雖然驗證了3D打印技術用于拖體導流外殼的加工制作的可行性，但受限于時間和對3D打印這門新興技術的知識局限，仍未將3D打印技術的優(yōu)勢最大程度地發(fā)揮出來。目前，3D 打印機技術正處于高速發(fā)展階段，用于3D打印新材料不斷涌現(xiàn)，可以繼續(xù)研究并選取出更適合拖體導流外殼的加工制作的3D打印材料。