郭 鵬，朱張立

（杭州應(yīng)用聲學(xué)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(yùn)載平臺(tái)，主要用于搭載各類傳感器、聲學(xué)及光學(xué)探測設(shè)備等。拖體導(dǎo)流外殼作為拖體的主要結(jié)構(gòu)組成之一，其作用一是可以起到保護(hù)搭載設(shè)備免于外部撞擊；二是其水動(dòng)力外形能夠保證拖體的拖曳穩(wěn)定性，使探測設(shè)備發(fā)揮更好的探測性能。

長期以來，國內(nèi)拖體導(dǎo)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工等缺點(diǎn)極大限制了拖體導(dǎo)流外殼體的創(chuàng)新與進(jìn)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(dǎo)致了拖體導(dǎo)流外殼體的加工方式也沒有新的升級(jí)，極大限制了拖體導(dǎo)流外殼體的技術(shù)更新。與此同時(shí)3D打印技術(shù)迅速發(fā)展，其已經(jīng)在工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車制造、航空航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這給拖體導(dǎo)流外殼體制作帶來了新的可能。3D打印是快速成型技術(shù)的一種，也被稱為增材制造。通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)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(gòu)造物體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件[1-4]。本文將針對3D 打印技術(shù)在拖體導(dǎo)流外殼體設(shè)計(jì)與制作中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。計(jì)劃首先通過工業(yè)設(shè)計(jì)軟件建立拖體外殼三維模型，然后選取符合要求的材質(zhì)通過3D 打印機(jī)即可在短時(shí)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(dǎo)流外殼是否能達(dá)到甚至優(yōu)于玻璃鋼材質(zhì)導(dǎo)流外殼的性能[5-6]。

1 拖體導(dǎo)流外殼設(shè)計(jì)

拖體導(dǎo)流外殼是包覆在拖體框架外側(cè)的5～10 mm 厚度的硬質(zhì)外殼，起到保護(hù)搭載設(shè)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(dòng)力特征。拖體導(dǎo)流外殼的好壞直接影響著所搭載設(shè)備能否正常工作。目前隨著各類探測技術(shù)的不斷進(jìn)步，導(dǎo)致了對拖體設(shè)計(jì)提出了更多需求：一是拖體搭載的設(shè)備越來越多，越來越復(fù)雜，要求拖體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)可以做到復(fù)雜多變；二是加工裝配難度加大，要求嚴(yán)格控制裝配精度、外殼變形量及拼裝質(zhì)量，不能影響探測設(shè)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(dǎo)流外殼需要保證拖體導(dǎo)流外殼外形加工對稱，以保證應(yīng)拖體有良好的水動(dòng)力特性，同時(shí)應(yīng)該具備一定防護(hù)能力，避免搭載設(shè)備受外力損壞。

（1）應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過三維設(shè)計(jì)軟件可以先設(shè)計(jì)出拖體外殼的結(jié)構(gòu)初步方案，設(shè)計(jì)時(shí)注意各設(shè)備裝配關(guān)系、空間干涉等問題。然后通過流體仿真軟件得出拖體水動(dòng)力特性輔助進(jìn)行拖體外殼迭代設(shè)計(jì)改進(jìn)。

（2）選擇加工工藝。應(yīng)該根據(jù)拖體的實(shí)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度，然后根據(jù)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(shù)。對加工完的拖體導(dǎo)流外殼需要進(jìn)行必要的打磨、修整和噴漆，確保拖體導(dǎo)流外殼表面光潔，入水后不易殘留汽泡而導(dǎo)致影響聲學(xué)換能器的性能。

2 拖體導(dǎo)流外殼加工工藝設(shè)計(jì)

拖體導(dǎo)流外殼加工工藝設(shè)計(jì)是拖外殼設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，拖體導(dǎo)流殼設(shè)計(jì)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(shù)對傳統(tǒng)導(dǎo)流外殼加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 傳統(tǒng)導(dǎo)流外殼加工工藝

傳統(tǒng)拖體導(dǎo)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(shè)備安裝使用，一個(gè)拖體上的導(dǎo)流外殼一般分為幾個(gè)部分分別加工，然后組裝而成。玻璃鋼的手工糊制包含4 個(gè)主要步驟：（1）生產(chǎn)制作前的準(zhǔn)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(qiáng)度高、工藝相對簡單等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)多等缺點(diǎn)。以制作一個(gè)長寬高分別為800 mm、300 mm、500 mm 的拖體導(dǎo)流外殼為例，通過以往經(jīng)驗(yàn)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(gè)工種一共5～6 人用時(shí)20 個(gè)工作日左右完成。玻璃鋼手工糊制時(shí)，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(xué)制劑和打磨過程中的粉塵對操作者身體健康有嚴(yán)重?fù)p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(dá)到0.5 mm 以上，因此可能影響拖體導(dǎo)流殼整體外形的對稱性，進(jìn)而影響拖體拖曳穩(wěn)定性。

2.2 通過3D打印技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3D 打印技術(shù)目前在制造業(yè)中已經(jīng)有了很廣泛的應(yīng)用，如建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車以及航空航天等領(lǐng)域，特別是在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造時(shí)間段的定制化零件加工中3D 打印技術(shù)優(yōu)勢尤為明顯[7-8]。目前，主流3D 打印技術(shù)主要分為熔融沉積成型技術(shù)和光固化技術(shù)。

（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(nèi)受到高溫后熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(jié)。每一個(gè)截面都是在上一截面上累積而成，上一截面可以作當(dāng)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(qiáng)度（w=30 mW）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)制作預(yù)計(jì)僅需1～2 人在5 個(gè)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(jī)完成，期間不會(huì)產(chǎn)生有污染的廢棄物。分析認(rèn)為3D打印技術(shù)完全有可能成為玻璃鋼手工糊制拖體導(dǎo)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(fèi)時(shí)、費(fèi)力、對人體有害等缺點(diǎn)，從而提高拖體導(dǎo)流外殼的制作效率和質(zhì)量。雖然目前樹脂類3D打印材料強(qiáng)度還遠(yuǎn)低于玻璃鋼，但是已經(jīng)能夠滿足絕大部分拖體導(dǎo)流外殼的使用要求，而且3D打印技術(shù)制作出來的精度和復(fù)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(shù)的方法在解決格路計(jì)數(shù)問題中有著很強(qiáng)的實(shí)用性，是解決格路問題的一種典型方法。有不少組合計(jì)數(shù)問題都是對任一給定的非負(fù)整數(shù)n，求一個(gè)與n有關(guān)的數(shù)an，因此本質(zhì)上是求一個(gè)未知數(shù)列{an:n≥0}。發(fā)生函數(shù)方法的基本思想是：欲求未知數(shù)列{an:n≥0}，可先求出由此數(shù)列做成的冪級(jí)數(shù)的和函數(shù)再反過來把f(x)展成冪級(jí)數(shù)以求出an。發(fā)生函數(shù)方法已成為離散數(shù)學(xué)領(lǐng)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(dǎo)流外殼研制

本實(shí)例通過3D打印技術(shù)成功在一個(gè)月內(nèi)為某項(xiàng)目制作了一套拖體導(dǎo)流外殼，實(shí)際應(yīng)用中該導(dǎo)流外殼完成了各項(xiàng)試驗(yàn)，很好地滿足了項(xiàng)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(shè)計(jì)條件分析

本次拖體主要用于安裝一個(gè)水聲換能器，用于航速4 節(jié)的拖曳試驗(yàn)。拖體的設(shè)計(jì)及加工周期總時(shí)間只有一個(gè)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(qiáng)度的碰撞并具有良好的拖曳穩(wěn)定性。為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)制作出滿足需求的拖體，項(xiàng)目組應(yīng)用了3D打印的方式設(shè)計(jì)加工拖體導(dǎo)流外殼。

3.2 拖體導(dǎo)流外殼的研制

按照相應(yīng)的裝配關(guān)系和使用需求，首先依托現(xiàn)有三維設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大的設(shè)計(jì)與仿真能力，設(shè)計(jì)并優(yōu)化適用于3D 打印的拖體導(dǎo)流外殼。針對拖體需求開展初步設(shè)計(jì)迭代，在滿足功能、水動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等需求后，再對拖體導(dǎo)流外殼進(jìn)行細(xì)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(dǎo)流外殼的制作，打印精度可以達(dá)到0.1 mm，其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高、表面光滑、成本低、打印精度高。最后使用3D打印機(jī)打印出滿足要求的拖體導(dǎo)流外殼[10-12]。

3D 打印的方式加工時(shí)將拖體導(dǎo)流殼分為上蓋、中體和下蓋3 部分分別制作。根據(jù)換能器透聲需求和外殼需要一定強(qiáng)度，導(dǎo)流殼體基本厚度為6 mm。考慮到要保證中體用于安裝拖頭的上甲板有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，上甲板厚度加厚至10 mm。設(shè)計(jì)中主要關(guān)注以下問題：（1）保證拖體導(dǎo)流外殼外形具有良好水動(dòng)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(diào)整。

成型過程中由計(jì)算機(jī)控制光源定位裝置按照數(shù)字化模型精確定位，使照射位置原料粉末升至融化點(diǎn)上，進(jìn)行燒結(jié)并與已制作的部分融為一體；打印平臺(tái)會(huì)在一層截面燒結(jié)成型后升高至下一截面繼續(xù)進(jìn)行打印，往復(fù)工作直至整個(gè)打印工作完成；最后，可直接取出已成型的拖體導(dǎo)流殼零件。

4 應(yīng)用效果

使用3D打印技術(shù)成功制作了滿足使用要求的拖體導(dǎo)流外殼，并成功完成了拖曳試驗(yàn)，拖體導(dǎo)流外殼如圖1所示。最終整套導(dǎo)流外殼的生產(chǎn)周期僅為100 h，成本僅為1 萬元。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)通過傳統(tǒng)手工玻璃鋼糊制工藝加工，各種工序總計(jì)需要25 天以上，成本超過3 萬元。此次通過3D打印技術(shù)加工出的未經(jīng)打磨的拖體導(dǎo)流外殼尺寸精度小于0.1 mm，遠(yuǎn)高于玻璃鋼0.2～0.5 mm 的精度。對導(dǎo)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(dǎo)流外殼成品

實(shí)際過程中拖體導(dǎo)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(yīng)用情況來看3D打印技術(shù)可以作為傳統(tǒng)玻璃鋼拖體外殼加工方法的重要補(bǔ)充，甚至有全面替代的可能，具有極高的研究價(jià)值。

5 結(jié)束語

本文通過應(yīng)用案例驗(yàn)證了利用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)拖體導(dǎo)流外殼的加工制作，并且3D打印技術(shù)可以滿足一般拖體導(dǎo)流外殼的基本要求，以其快速、經(jīng)濟(jì)、精度高等特性使其具有很好的推廣前景。

本文雖然驗(yàn)證了3D打印技術(shù)用于拖體導(dǎo)流外殼的加工制作的可行性，但受限于時(shí)間和對3D打印這門新興技術(shù)的知識(shí)局限，仍未將3D打印技術(shù)的優(yōu)勢最大程度地發(fā)揮出來。目前，3D 打印機(jī)技術(shù)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(dǎo)流外殼的加工制作的3D打印材料。