左 洋，聶中原，謝玉萍，馬 寧，祁俊峰

(1．北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094;2．國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心，北京102206)

0 引言

3D打印技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期逐漸興起的一項新型制造技術(shù)。3D打印又稱快速成型或增材制造技術(shù)，其原理是將要打印物體的形貌經(jīng)計算機建模，轉(zhuǎn)換成可控制移動臺或打印噴頭的程序，由計算機控制3D打印系統(tǒng)進行分層制造、逐層疊加獲得目標(biāo)三維產(chǎn)品。3D打印能夠顯著減輕結(jié)構(gòu)件的重量，在空間技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用良好。

仿真是隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種先進的CAD/CAE技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中的科學(xué)計算、設(shè)計、分析，成功地解決了許多復(fù)雜的設(shè)計和分析問題，已成為工程設(shè)計和分析中的重要工具。隨著航天發(fā)展的日益壯大，對航天器產(chǎn)品可靠性的要求也越來越高。航天器動態(tài)仿真技術(shù)是伴隨著航天科技的發(fā)展而發(fā)展起來的新興技術(shù)領(lǐng)域，它對提高航天器產(chǎn)品的可靠性起著舉足輕重的作用，不僅有助于在產(chǎn)品研發(fā)階段尋求最優(yōu)化的解決方案，而且能明顯縮短產(chǎn)品研制周期，降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)計的成功率，確保產(chǎn)品質(zhì)量。在競爭激烈的市場環(huán)境中，為取得競爭優(yōu)勢，企業(yè)迫切需要能夠迅速開發(fā)出高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品，并迅速搶占市場。因此，企業(yè)界迫切需要高技術(shù)、高速度、低成本的設(shè)計方法。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法，有限元在產(chǎn)品設(shè)計和研制中顯示出無可倫比的優(yōu)越性，仿真技術(shù)在航天器產(chǎn)品的研制過程中運用越來越普遍和深入。

為了適應(yīng)航空航天輕量化的目標(biāo)需求，越來越多的輕質(zhì)合金材料、復(fù)合材料、各向異性結(jié)構(gòu)件應(yīng)用到產(chǎn)品中，其密度成為制約著產(chǎn)品使用性能的關(guān)鍵因素。理化檢測實驗室配置了電子分析天平，量程一般為60 g，精度一般在千分位以上，因缺乏適用于阿基米德浮力法的密度測試裝置，不能進行非均質(zhì)材料的密度測試。目前市場上阿基米德排水法天平(塑料比重天平)的價格一般在幾萬元，指向性較強，但局限性大，只能進行吸濕性弱的金屬、非金屬和復(fù)合材料的密度測試，不能匹配通用的化學(xué)檢測專用設(shè)備。基于以上需求，急需研制質(zhì)量輕、強度高的適用于阿基米德排水法的密度測試裝置，使其具有一機多用，并建立適用于金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料、各向異性結(jié)構(gòu)件的密度檢測能力，這具有較強的現(xiàn)實意義和迫切性［1-5］?；?D打印技術(shù)和仿真設(shè)計，研制滿足不同材料密度檢測需求的輕質(zhì)量的測試裝置，其自動化程度較高，適用范圍廣，能夠在低成本的基礎(chǔ)上大幅度提高工作效率［6-9］。

1 3D打印密度測試裝置的設(shè)計方案

1．1 實驗原理

浮力法測定密度的依據(jù)是阿基米德原理，采用流體靜力稱衡法，即在空氣中用天平測定試驗件試樣的質(zhì)量，通過在液體中稱量試樣測定試樣的體積，根據(jù)定義(式(1))計算出試樣的密度。最常用的液體介質(zhì)為蒸餾水或去離子水。圖1為浮力(阿基米德)法密度測試裝置示意圖。

試樣密度按式(1)計算。

式中:ρt為試樣在t℃時的密度，kg/m3;m1為試樣在空氣中的質(zhì)量，g;m2為試樣懸掛在水中的質(zhì)量，g;m3為金屬絲在空氣中的質(zhì)量，g;ρw為水在t℃時的密度，kg/m3。在23℃下的密度為997．6 kg/m3。

采用浮力法對試樣密度進行測試時，首先應(yīng)在空氣中稱量試樣的質(zhì)量(m1)和金屬絲的質(zhì)量(m3);然后將容器置于支架上，將由該金屬絲懸掛著的試樣全部浸入到容器內(nèi)的水中，容器不能觸到金屬絲或試樣，并用另一根金屬絲盡快除去粘附在試樣和金屬絲上的氣泡，稱量水中試樣的質(zhì)量(m2)，稱量過程應(yīng)盡可能快，以減少試樣吸收的水;最后根據(jù)式(1)計算出試樣的密度。大量試驗結(jié)果表明，浮力法測試精度高，完全能滿足試驗件密度測試需求。

圖1 浮力(阿基米德)法密度測試裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of a density test device using the Archimedes buoyancy method

1．2 設(shè)計方案

由于3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，為了對試驗件的密度進行測試，需要設(shè)計適合常用分析天平尺寸的測試裝置，考慮到現(xiàn)有分析天平尺寸和內(nèi)部空間，設(shè)計不同形狀的密度測試裝置，如圖2所示的三角錐支架和六邊框支架。選用熔融沉積成型(FDM)和光固化成型(SLA)工藝打印出密度測試裝置，其中三角錐支架質(zhì)量為21．81 g，六邊框支架質(zhì)量為22．47 g(圖3、圖4)。

1．3 仿真優(yōu)化設(shè)計

三角錐測試裝置外包絡(luò)較小、穩(wěn)定性好，但是試驗時容易產(chǎn)生干涉;而六邊框測試裝置外包絡(luò)較大、試驗時易出現(xiàn)干涉情況，穩(wěn)定性不好。為此結(jié)合仿真軟件，對密度測試裝置進行仿真優(yōu)化設(shè)計，既要保證測試裝置外包絡(luò)尺寸合適、試驗過程不產(chǎn)生干涉，又要確保試驗裝置的強度和穩(wěn)定性。圖5為密度測試裝置仿真模型。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后得到密度測試裝置力學(xué)仿真結(jié)果(圖6)，從圖6中可以看到測試裝置的受力分布，受力部位集中在頂部，而這個位置的力可以通過懸掛吊具平衡，不會發(fā)生應(yīng)力變形和開裂。3D打印能夠一體化成型，并且質(zhì)量較輕，3D打印工藝模型見圖7a，選用密度為1．16 g/cm3的光敏樹脂制造出實物(圖7b)。仿真設(shè)計和拓?fù)鋬?yōu)化后的密度測試裝置重量僅為20．98 g，外包絡(luò)尺寸合適，試驗時無干涉，穩(wěn)定性較好，能夠確保測試時不發(fā)生應(yīng)力變形和開裂。

圖2 密度測試裝置支架設(shè)計效果圖Fig．2 Design diagram of density test device

圖3 3D打印密度測試裝置圖Fig．3 Density test device diagram using 3D printing

2 分析與討論

仿真設(shè)計的密度測試裝置質(zhì)量輕、強度高、適用范圍廣，能夠匹配不同的分析天平，通用性較強，試驗圖見圖8。其自動化程度較高，能夠在降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上大幅度地提高工作效率［10-13］。

為了驗證密度測試裝置試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，依據(jù)纖維增強塑料密度和相對密度試驗方法(GB/T 1463—2005)對PT0017－T039樣品密度進行測試。試驗溫度為22．8℃，濕度為52．1%，水在22．8℃時的密度為 997．62 kg/m3。表 1為PT0017－T039樣品密度測試結(jié)果。表2為26個實驗室對PT0017－T039樣品進行密度檢測的測試結(jié)果。

表1 PT0017－T039樣品密度測試結(jié)果Table 1 Density test results of the PT0017－T039 samples

圖9為密度測試裝置測試數(shù)據(jù)圖，5組試樣的密度測試結(jié)果均與中位值較為接近，5組數(shù)據(jù)平均值為 1 929．60 kg/m3，相對偏差為 0．20%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．58，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和離散性較好，符合纖維增強塑料密度和相對密度試驗要求。結(jié)合表2中數(shù)據(jù)，依據(jù)能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南(CNAS－GL02:2006)的要求，可以得到試驗數(shù)據(jù)的Z值為1．04，為滿意結(jié)果。仿真優(yōu)化的密度測試裝置測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度高，測試結(jié)果的離散性好，能夠滿足纖維增強塑料密度和相對密度試驗方法(GB/T 1463—2005)中的技術(shù)要求。

圖4 密度測試裝置試驗圖Fig．4 Test chart of density test device

圖5 密度測試裝置仿真模型Fig．5 Simulation model of density test device

仿真設(shè)計的密度測試裝置不僅能夠有力保證科研生產(chǎn)進度，滿足纖維增強塑料密度和相對密度試驗方法(GB/T 1463—2005)中的技術(shù)要求，而且可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，市場前景良好。

圖6 密度測試裝置力學(xué)仿真結(jié)果圖Fig．6 Mechanical simulation result diagram of density test device

3 結(jié)論

圖7 密度測試裝置3D打印工藝模型和實物圖Fig．7 Model and physical part of density test device by 3D printing

表2 26個實驗室PT0017－T039樣品密度測試結(jié)果Table 2 Density test results of the PT0017－T039 samples from 26 laboratories

圖8 密度測試裝置試驗圖Fig．8 Test chart of density test device

圖9 密度測試裝置測試數(shù)據(jù)圖Fig．9 Test data of density test device

1)密度測試裝置的質(zhì)量僅為20．98 g，外包絡(luò)尺寸和空間尺寸合適，密度測試時無干涉，且強度和穩(wěn)定性較好，能夠匹配常用理化天平，滿足密度測試要求。

2)密度測試數(shù)據(jù)與中位值較為接近，相對偏差為0．20%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．58，試驗數(shù)據(jù)的Z值為1．04，測試結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度高。

3)測試周期可以控制在30 min以內(nèi)，大大提高了檢測效率，不僅提升了現(xiàn)有的檢測能力和水平，而且每年能夠節(jié)省外協(xié)費用達數(shù)10萬元。