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用3D打印技能DIY航模零件

发布时间:2018-12-25 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    用3D打印技能DIY航模零件作者: 申鹰翔 黄紫   3D打印(3D Printing)是快速成型技能的一种。它以模型的数字文件为基础(图1),利用粉末状金属、塑料等可粘合材料,通过逐层打印来构造物体。3D打印技能出如今20世纪80年代中期,其最起初用到的关键技能――熔融沉积制造工艺,由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。2011年8月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。
  作为一种新兴制造方式,3D打印与以往车铣刨磨等加工方式的不同之处在于,制造时将耗材以计算机建模生成的形状,融化或固化,使其在打印平台上堆砌层叠、增加高度,最后变成设计者需要的零件或构件。这种方法大大节省了材料,不会产生大量的加工废屑。
  3D打印常常通过具有数字技能的材料打印机来实现(图2)。3D打印设备既包括能打印真飞机零件、人造骨骼等的高端金属打印机(图3),也包括能打印蛋糕、巧克力等的食品打印机(图4)。如今市面上售价千元的3D打印机,做出的零件精度也不错。3D打印技能的出现,正悄然改变着人们的生活方式。
  随着3D打印技能的普及,航模活动也被惠及。下面笔者分享一些心得体会,讲讲自己如何将3D打印技能用于模型飞机制作。
  现今市面上销售的3D打印机型号众多,常见的有3种结构,分辨是XYZ结构、并联臂结构和coreXY结构(图5-图7)。从成型方式来看,常见的有FDM(熔融沉积,图8)、SLA(光固化)、SLS(粉末烧结)等制造工艺。消费级3D打印机受耗材成本、使用需求等方面的限制,大多选取FDM技能。
  笔者使用的是一台并联臂结构的3D打印机。在制作航模零件时,常常的流程是:先用三维绘图软件,如SolidWorks、CATIA、UG、ProE等,设计并建模生成零件外形(图9);然后将文件保存成3D打印机能识别的格式,如stl、obj等;再把文件导入3D打印机操作界面,如Cura软件,设置好打印参数,起初打印。
  消费级3D打印机一般依靠加热挤出头融化耗材,再将材料堆叠成型。这类打印机常常用到两种耗材每千克价格不足百元,一种是PLA(聚乳酸),另一种是ABS(丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物)。PLA的特点是打印时对环境要求不高,只要抑制好融化温度,就能够获得形状较为理想的打印件。PLA的硬度高、异味小、可降解、翘边率相对较低,可打印半透明制品。ABS材料用于3D打印时,会随着温度变化出现明显的收缩或膨胀。为防止ABS材料发生翘边,在使用这种材料进行3D打印时,常常需要热床辅助。
  如果发现选取3D打印技能得到的零件出现了翘边问题,常用的处理方法有:
  (1)确定最佳打印喷嘴温度和热床温度;
  (2)在底板上贴美纹纸,提高材料吸附力,或用耐高温胶水粘接底层和底板;
  (3)重新调平打印机事务面,尽量让底板平整;
  (4)调低喷嘴高度,使第一层所有部位能压实并紧紧贴附在底板上(第一层与底板间的间隙应小于1张A4纸的厚度,可用A4纸检验)。
  在3D打印过程中,零件的打印时间会因打印参数的不同自动调整,如打印速度、支撑结构、壁厚、底厚等。零件的强度则与某些打印参数相关,如耗材挤出量、打印温度等。此外,一些装潢性的零件常用树脂光固化成型技能进行3D打印。但由于树脂件的强度较低,因此该方法不适用于承力件的制造(图10)。
  笔者曾利用3D打印技能,做过一些有趣的航模小零件,包括穿越机电机保护座、GoPro相机保护框、电动船桨、玩偶头像等(图11-图14)。这些打印出的小零件,不但强度足够,还满足精度要求。模友们不妨大胆尝试,用3D打印技能根据自己的需要设计个性化的模型零件。
  下面以电机座为例,介绍3D打印航模零件的流程(图15-图24)。整个流程主要分为两个局部,一是数字建模阶段,二是打印阶段。
  最初打开SolidWorks软件,在草图模式中绘制电机座的二维初始草图(闭合图形)。然后在草图上约束尺寸,使用拉伸凸台/基体工具做拉伸凸台处理。接着转到三维凸台的基底面,在其上画出需要切除的局部,用拉伸切除工具做切除处理。之后回到三维凸台的另一基底面,在其上画出电机座的底座形�睿�执行拉伸处理,并用圆角工具给零件边缘倒圆角。最终导出该电机座的stl设计文件。
  下一步便是利用数字建模打印零件的阶段。最初将电机座的stl设计文件导入3D打印软件Cura。然后分步设置3D打印机的打印选项,执行打印程序,就能得到一个外形精致的电机座了。
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