朱莉凱，沈?qū)殗?guó)，葉楊飛

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)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(wú)動(dòng)力飛行器和固定翼飛機(jī)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(jiǎn)單的航空模型。而后，隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，要求航空模型的制造技術(shù)也要不斷發(fā)展進(jìn)步，從事航空制造的科研人員都在進(jìn)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(lái)越簡(jiǎn)單，制造材料越來(lái)越多，3D打印技術(shù)也開始在航空模型中得到應(yīng)用[2]。課題小組基于3D打印技術(shù)的基本特點(diǎn)和航模常用的制作材料進(jìn)行研究，分別制作多旋翼小型無(wú)人機(jī)以及固定翼飛機(jī)模型的零部件和整機(jī)，將3D打印技術(shù)和小型無(wú)人機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，利用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行模擬仿真。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)的產(chǎn)生得益于在19世紀(jì)末期形成的層疊成型理論，在經(jīng)歷不斷的發(fā)展和進(jìn)步后，20世紀(jì)末期，得益于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及激光雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)越來(lái)越受到大眾的關(guān)注[3]。3D打印技術(shù)，也被稱為增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)，起源于20世紀(jì)80年代，是集材料、數(shù)控、機(jī)械和計(jì)算機(jī)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建三維模型并轉(zhuǎn)換成二進(jìn)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(shè)備經(jīng)過結(jié)合成型技術(shù)將材料堆疊打印出所需的產(chǎn)品[4]。

增材制造技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)制造方法，它可以完成復(fù)雜零件的制造。一些復(fù)雜的零件很難通過傳統(tǒng)的加工制造技術(shù)完成，需要把一個(gè)復(fù)雜零件拆解成多個(gè)易加工小零件進(jìn)行拼裝，而3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的復(fù)雜零件制造[5]。3D打印技術(shù)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(shù)大大縮短了零件制造周期，從而提高機(jī)械制造速度。

2 3D打印材料的特點(diǎn)

3D打印技術(shù)包含多種不同的技術(shù)，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(jiǎn)單介紹不同3D打印技術(shù)所具備的特點(diǎn)。

2.1 熔融層積成型

熔融層積成型技術(shù)也叫作FDM技術(shù)，它是一種快速成型的3D打印技術(shù)。這種打印技術(shù)是把絲狀的熱熔材料進(jìn)行加熱，進(jìn)而融化，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)相應(yīng)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(tái)上涂抹相應(yīng)的3D打印材料，此材料迅速冷卻后就會(huì)形成一個(gè)橫截面[6]。在每一層打印材料冷卻成型后，設(shè)備的工作臺(tái)就會(huì)下降一個(gè)高度（也就是分層厚度），進(jìn)而到再成型的下一層，直到所有的實(shí)體造型都順利完成。這種技術(shù)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(diǎn)主要有：操作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需激光器等貴重元器件，更容易操作與維護(hù)，并且價(jià)格便宜；用戶普及率高；對(duì)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(huì)產(chǎn)生毒氣或者化學(xué)污染等，操作環(huán)境安全、干凈；打印出來(lái)的模型強(qiáng)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(cè)試，價(jià)格也相對(duì)便宜，可以選用的材料很多。

其缺點(diǎn)主要有：噴頭采用機(jī)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(jìn)行批量打印時(shí)；尺寸精度較差，表面相對(duì)粗糙，有較清晰的臺(tái)階效應(yīng)，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??；需要設(shè)計(jì)、制作支撐結(jié)構(gòu)，會(huì)浪費(fèi)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(shù)也叫SLA（Stereo Lithography Apparatus）技術(shù)。利用光進(jìn)行固化，這種方法最早出現(xiàn)在快速成形的工藝中。該技術(shù)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(shí)，在一個(gè)盛有光敏樹脂的液槽中，激光器根據(jù)程序運(yùn)算在液體表面照射，形成一層圖案，然后升降臺(tái)向下移動(dòng)一層，通過重復(fù)工作形成一層一層的圖案，這樣層層疊加構(gòu)建成三維實(shí)體。

其優(yōu)點(diǎn)主要是：該技術(shù)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(xì)零件。

其缺點(diǎn)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(shí)候去除，而且比較容易破壞基本結(jié)構(gòu)部件；該技術(shù)設(shè)備的成本比較高，使用和維護(hù)成本也不低；光敏樹脂有輕微毒性，工作設(shè)備需要密封；因樹脂材料的特殊性，打印出來(lái)的部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，耐熱性也不是很好，因此不利于長(zhǎng)久保存。

2.3 三維粉末粘接

三維粉末粘接技術(shù)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(tái)上鋪平相應(yīng)的粉末，利用噴頭按照程序設(shè)定路徑，將液態(tài)粘合劑噴射在預(yù)先給出的區(qū)域中，以此固定一層，隨后，升降臺(tái)下移一層，進(jìn)而不斷地重復(fù)任務(wù)，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(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：不需要激光器等成本很高的元器件，維護(hù)簡(jiǎn)便；加工速度快，最快能夠以25 mm/h的垂直構(gòu)建速度進(jìn)行元件的打?。蛔畲蟮膬?yōu)點(diǎn)在于該方法能夠進(jìn)行彩色打印，很多彩色元件都是利用這種技術(shù)打印出來(lái)的，并且不需要支撐結(jié)構(gòu)。

3DP技術(shù)的主要缺點(diǎn)有：石膏強(qiáng)度較低，不適合要求強(qiáng)度高的場(chǎng)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(shù)設(shè)計(jì)四旋翼無(wú)人機(jī)的流程

3.1 設(shè)計(jì)四旋翼無(wú)人機(jī)的三維機(jī)架模型

使用軟件SOLIDWORKS 2016版，分別設(shè)計(jì)四旋翼飛機(jī)的機(jī)臂、上中心板、下中心板、上蓋板及機(jī)殼，然后使用SOLIDWORKS裝配功能對(duì)其進(jìn)行組裝。該設(shè)計(jì)中將綜合使用到特征工具、曲面工具、基準(zhǔn)面等功能。四旋翼整機(jī)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(jī)建模及渲染

3.2 進(jìn)行四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)臂的受力分析

機(jī)臂是整個(gè)飛行器受力最集中的地方，突然加油時(shí)的拉力、碰撞物體時(shí)的沖擊力大多數(shù)由機(jī)臂承擔(dān)，機(jī)臂的強(qiáng)度直接影響飛行器的飛行性能。為了檢驗(yàn)此次設(shè)計(jì)的機(jī)臂是否可以正常工作，將采用SOLIDWORKS自帶的SOLIDWORKSSimulation插件對(duì)機(jī)臂進(jìn)行受力分析。打開之前設(shè)計(jì)好的機(jī)臂模型進(jìn)入工作界面，在工具欄里點(diǎn)擊【SOLIDWORKS插件】→【SOLIDWORKSSimulation】進(jìn)行插件安裝，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(diǎn)擊【Simulation】→【算例顧問】下拉欄→【新算例】，創(chuàng)建一個(gè)新的算例；在算例對(duì)話框中選擇【靜應(yīng)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(diǎn)擊【應(yīng)用材料】，在材料庫(kù)里選擇ABS材料，然后點(diǎn)【應(yīng)用】，再點(diǎn)擊【關(guān)閉】，完成材料的添加。

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

4）外部載荷。點(diǎn)擊【外部載荷顧問】下拉欄，選擇【力】命令，進(jìn)入力命令對(duì)話框，選擇力的方向?yàn)椤具x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(gè)1 kg的力，方向?yàn)閆軸的負(fù)方向，完成外部載荷力的設(shè)置。

5）運(yùn)行算例。在【運(yùn)行此算例】下拉欄里先選擇【生成網(wǎng)格】，在生成網(wǎng)格的對(duì)話欄里調(diào)整網(wǎng)格密度，然后點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕生成網(wǎng)格，再點(diǎn)擊【運(yùn)行此算例】，這時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)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(jī)臂受力分析生成及受力分析結(jié)果

通過對(duì)圖2機(jī)臂受力分析生成及受力分析結(jié)果的分析，機(jī)臂基本設(shè)計(jì)合理，應(yīng)力在機(jī)臂上分散不集中，應(yīng)變形變?cè)诳山邮芊秶鷥?nèi)。驗(yàn)證了可以用3D打印機(jī)技術(shù)制作四旋翼航空模型。最終利用ABS材料打印出來(lái)的成品具有強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)架軸距220 mm，機(jī)架類型為X機(jī)型，最大支持5寸槳，具有較好的航模機(jī)動(dòng)性。

4 總結(jié)

3D打印技術(shù)在航空模型中具有廣泛的應(yīng)用，利用3D打印技術(shù)需要具備一定的三維建模技術(shù)。筆者主要提出四旋翼航模完整外形三維設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)臂的設(shè)計(jì)建模過程以及對(duì)機(jī)臂進(jìn)行受力分析。3D打印技術(shù)在微小型飛行器設(shè)計(jì)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。