基于3D打印技術(shù)的魚塘打氧機(jī)設(shè)計(jì)

顧吉仁，胡志榮

(江西新能源科技職業(yè)學(xué)院，江西 新余 338000)

0 引言

3D打印技術(shù)，即增材制造技術(shù)，起源于20世紀(jì)80年代，是一項(xiàng)基于三維實(shí)體零件切片所獲二維信息，以點(diǎn)、面或線為基本單元進(jìn)行增材堆積制造，最終獲得實(shí)體零件原型產(chǎn)品的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的模具制造、數(shù)控加工等制造技術(shù)，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高復(fù)雜度零件的精細(xì)化建模、加工和制造，具有加工工序少、加工周期短、工藝流程精準(zhǔn)度高等優(yōu)勢(shì)，近年來，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療器械生產(chǎn)、航空工業(yè)、高分子材料研發(fā)、高等職業(yè)教育等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)已有將3D打印技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域的文獻(xiàn)報(bào)道，基于此，本文應(yīng)用3D打印技術(shù)探究魚塘打氧機(jī)產(chǎn)品的建模設(shè)計(jì)和制作使用方案。

1 魚塘打氧機(jī)設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)需求

池塘養(yǎng)殖魚類過程中，對(duì)水體溶氧指標(biāo)的要求一般為：每24 h中，須保持水體溶氧量大于5 mg/L的時(shí)間超過16 h，其余時(shí)間水體溶氧量應(yīng)大于3 mg/L。倘若池塘水體溶氧量小于2 mg/L，便會(huì)導(dǎo)致魚類浮頭并停止進(jìn)食，進(jìn)而引發(fā)魚類大量死亡。導(dǎo)致魚塘水體溶氧量不足的因素有很多，如氣溫變化、環(huán)境污染、魚群密度改變等。近年來，一些企業(yè)研發(fā)并生產(chǎn)魚塘打氧機(jī)設(shè)備，用于提供給養(yǎng)殖戶改善魚塘氧氣容量，但常規(guī)的魚塘打氧機(jī)部件較多，采用傳統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造工藝，制作周期較長(zhǎng)，精度不容易掌控，殘次品出現(xiàn)的概率較高。為了提升魚塘打氧機(jī)的設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，充分利用3D打印技術(shù)精度高、操作便捷、制作效率高等優(yōu)勢(shì)，編訂魚塘打氧機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的方案，有助于提升產(chǎn)品的研發(fā)質(zhì)量和批量化生產(chǎn)效率。

1.2 控制功能

魚塘打氧機(jī)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為：為魚塘提供氧氣源，有效改善魚塘氧容量。采用3D打印技術(shù)編訂產(chǎn)品的建模、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方案，須滿足的控制功能如下。①手動(dòng)啟?？刂疲簽樘嵘a(chǎn)品的手持便捷性，采用蓄電池供電，設(shè)置手動(dòng)啟停開關(guān)，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB1時(shí)，打氧機(jī)進(jìn)行打氧作業(yè)，當(dāng)按下停止按鈕SB2時(shí)，停止打氧作業(yè)。②打氧動(dòng)力控制：安裝小功率直流電機(jī)作為打氧動(dòng)力提供源，當(dāng)啟動(dòng)按鈕按下時(shí)，直流電機(jī)在電源驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)部件進(jìn)行打氧作業(yè)。③機(jī)械傳動(dòng)控制：由錐齒輪、齒輪軸、葉輪等機(jī)械部件組成，直流電機(jī)通過鍵連接錐齒輪，當(dāng)電機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)錐齒輪和齒輪軸一起旋轉(zhuǎn)，齒輪軸再帶動(dòng)與池塘水體接觸的葉輪一同旋轉(zhuǎn)，以增大空氣與水體的接觸面積，為池塘源源不斷地輸入氧氣。

2 魚塘打氧機(jī)3D打印建模及設(shè)計(jì)過程

2.1 材料選擇

考慮到產(chǎn)品需要在滿足打氧電氣控制功能的基礎(chǔ)上，兼具較好的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱工作和導(dǎo)電等性能，選擇PA塑料材料作為魚塘打印機(jī)的制作耗材。PA塑料材料是一種半晶體聚合物，廣泛應(yīng)用在3D打印產(chǎn)品的生產(chǎn)和制作中，本身就具有較高的致密度、機(jī)械強(qiáng)度、球形度和粒徑均勻特性，且可以通過添加炭纖維、鋁粉等無機(jī)材料進(jìn)一步提升綜合性能，如機(jī)械強(qiáng)度、耐性性、導(dǎo)電性等。此外，PA塑料材料還具有可降解、打印性能良好等性能，用于魚塘打氧機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)制作，完全能夠在滿足控制功能的基礎(chǔ)上，兼具環(huán)保、導(dǎo)電、耐熱、機(jī)械強(qiáng)度等多種性能。

2.2 CAD建模

根據(jù)產(chǎn)品的外觀和機(jī)械特性進(jìn)行建模，是進(jìn)行3D打印設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)。本產(chǎn)品選用CAD輔助設(shè)計(jì)軟件Auto CAD和Mimics建模軟件進(jìn)行CAD建模設(shè)計(jì)。首先，應(yīng)用Auto CAD軟件進(jìn)行魚塘打印機(jī)的三維成圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的流程為葉輪—支架—固定板—底板—墊片—齒輪軸—擋圈—軸承—螺母—銷—箱體—六角螺釘，按照流程設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行統(tǒng)一的構(gòu)圖裝配，生成的產(chǎn)品CAD三維模型圖如圖1所示。其次，運(yùn)用Mimics建模軟件進(jìn)行產(chǎn)品打印建模，具體的流程為：將產(chǎn)品的CAD三維圖導(dǎo)入Mimics軟件—選擇Thresholding模塊進(jìn)行閾值分割—對(duì)分割出的打印模塊進(jìn)行修補(bǔ)—運(yùn)用Smooth mask模塊進(jìn)行光順—生成產(chǎn)品的3D打印模型—導(dǎo)出STL格式文件進(jìn)行保存。

2.3有限元分析

對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，能夠?yàn)楹笃诘?D打印生產(chǎn)提供快捷和優(yōu)質(zhì)的成本評(píng)估設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化產(chǎn)品外觀的概念和細(xì)節(jié)，模擬檢驗(yàn)前期的產(chǎn)品CAD建模性能，對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期、降低產(chǎn)品原型試驗(yàn)的成本、提供產(chǎn)品的機(jī)械應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)有重要意義。具體到魚塘打氧機(jī)的有限元分析中，首先，將Mimics軟件生成的模型文件導(dǎo)入ABAQUS軟件中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，進(jìn)行特性設(shè)置，劃分打印網(wǎng)絡(luò)，定義分析步，落實(shí)載荷邊界；其次，對(duì)獲取的初步數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理有限元操作，通過計(jì)算得到魚塘打氧機(jī)的三維優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)產(chǎn)品的CAD裝配圖數(shù)據(jù)，對(duì)生成的結(jié)構(gòu)模型采用均一材料屬性值，設(shè)置材料性質(zhì)方面為各向同性，彈性模量為1 200 MPa，泊松比值為0.42 。

圖1 魚塘打氧機(jī)三維模型圖

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程

在ABAQUS軟件中對(duì)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)圖進(jìn)行優(yōu)化，以使優(yōu)化后的產(chǎn)品模型能夠更貼近3D打印的設(shè)計(jì)生成環(huán)境。具體來說，優(yōu)化的區(qū)域?yàn)轸~塘打氧機(jī)的支架、底板和齒輪軸部分，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)確定為MinT(Y1、Y2、Y3……Yn)，其中T=weight(Y1、Y2、Y3……Yn)，為產(chǎn)品的重量參數(shù)，通過優(yōu)化運(yùn)算，保證產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度要求。進(jìn)一步設(shè)置體積、網(wǎng)格等優(yōu)化參量(5%、10%……)，并將結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參數(shù)提交到ABAQUS軟件中進(jìn)行運(yùn)算求解，能夠得到3D打印的偏差分析圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的產(chǎn)品模型最大上偏差為0.231 mm，最大下偏差為0.172 mm，平均偏差為0.000 11 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.006 51 mm，各結(jié)構(gòu)指標(biāo)的偏差數(shù)值均在合理范圍內(nèi)，模型可以直接用于3D打印制作，從而得到優(yōu)化后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型。

2.5 打印參數(shù)設(shè)置

進(jìn)行打印參數(shù)設(shè)置，是產(chǎn)品3D打印生產(chǎn)前的最后一步。具體的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容包括：①層片厚度為0.2mm。②填充方式選擇“緊密填充”。③質(zhì)量選擇“較好”。④補(bǔ)償高度選擇“0”。⑤勾選“非實(shí)體模型”選項(xiàng)，“無底座”和“無支撐”選項(xiàng)均不勾選。⑥密閉選項(xiàng)中，層數(shù)指標(biāo)選擇“3Layer”，角度指標(biāo)選擇“45Deg”。⑦支撐選項(xiàng)中，層數(shù)指標(biāo)選擇“3Layer”，角度指標(biāo)選擇“30Deg”，面積指標(biāo)選擇“3 mm2”，間隔指標(biāo)選擇“8 lines”，穩(wěn)固支撐選項(xiàng)不勾選。⑧其他選項(xiàng)中，薄壁、預(yù)熱、易于剝離、休眠4個(gè)選項(xiàng)均不勾選，輪廓線寬選擇“0.5 mm”。

詳細(xì)的打印參數(shù)設(shè)置圖如圖2所示，設(shè)置完成后，將模型和參數(shù)一并導(dǎo)入Allcct工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)中打印成型。

圖2 魚塘打氧機(jī)3D打印參數(shù)

3 應(yīng)用效果

完成打印制作的魚塘打氧機(jī)成品如圖3所示，將產(chǎn)品應(yīng)用在8 m×4 m的小型魚塘中進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通電作業(yè)后，魚塘內(nèi)的溶氧量持續(xù)上升，其中，作業(yè)1～2 h，溶氧量維持在2 mg/L左右，當(dāng)作業(yè)時(shí)間超過2 h后，魚塘內(nèi)的溶氧量超過5 mg/L，隨著作業(yè)時(shí)間的增加，魚塘內(nèi)溶氧量持續(xù)上升，當(dāng)作業(yè)時(shí)間達(dá)到5 h后，魚塘內(nèi)的溶氧量保持在7 mg/L。此外，在整個(gè)作業(yè)過程中，產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度、散熱性等性能指標(biāo)良好，完全能夠確保作業(yè)的質(zhì)量，對(duì)改善魚塘溶氧量產(chǎn)生了顯著效果。

圖3 打印完成的魚塘打氧機(jī)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)和制作的魚塘打氧機(jī)基于3D打印技術(shù)完成，機(jī)械和電氣工藝完整，通過在魚塘養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證了產(chǎn)品的可靠性、有效性和穩(wěn)定性，對(duì)保障魚類養(yǎng)殖質(zhì)量產(chǎn)生了積極作用，具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。