用3D打印技術(shù)DIY航模零件

申鷹翔+黃紫

3D打印（3D Printing）是快速成型技術(shù)的一種。它以模型的數(shù)字文件為基礎(chǔ)（圖1），利用粉末狀金屬、塑料等可粘合材料，通過逐層打印來構(gòu)造物體。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中期，其最開始用到的關(guān)鍵技術(shù)——熔融沉積制造工藝，由美國學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功。2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。

作為一種新興制造方式，3D打印與以往車銑刨磨等加工方式的不同之處在于，制造時(shí)將耗材以計(jì)算機(jī)建模生成的形狀，融化或固化，使其在打印平臺(tái)上堆砌層疊、增加高度，最終形成設(shè)計(jì)者需要的零件或構(gòu)件。這種方法大大節(jié)省了材料，不會(huì)產(chǎn)生大量的加工廢屑。

3D打印通常通過具有數(shù)字技術(shù)的材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)（圖2）。3D打印設(shè)備既包括能打印真飛機(jī)零件、人造骨骼等的高端金屬打印機(jī)（圖3），也包括能打印蛋糕、巧克力等的食品打印機(jī)（圖4）?，F(xiàn)在市面上售價(jià)千元的3D打印機(jī)，做出的零件精度也不錯(cuò)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，正悄然改變著人們的生活方式。

隨著3D打印技術(shù)的普及，航?；顒?dòng)也被惠及。下面筆者分享一些心得體會(huì)，講講自己如何將3D打印技術(shù)用于模型飛機(jī)制作。

現(xiàn)今市面上銷售的3D打印機(jī)型號(hào)眾多，常見的有3種結(jié)構(gòu)，分別是XYZ結(jié)構(gòu)、并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)和coreXY結(jié)構(gòu)（圖5-圖7）。從成型方式來看，常見的有FDM（熔融沉積，圖8）、SLA（光固化）、SLS（粉末燒結(jié)）等制造工藝。消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)受耗材成本、使用需求等方面的限制，大多采用FDM技術(shù)。

筆者使用的是一臺(tái)并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)。在制作航模零件時(shí)，通常的流程是：先用三維繪圖軟件，如SolidWorks、CATIA、UG、ProE等，設(shè)計(jì)并建模生成零件外形（圖9）；然后將文件保存成3D打印機(jī)能識(shí)別的格式，如stl、obj等；再把文件導(dǎo)入3D打印機(jī)操作界面，如Cura軟件，設(shè)置好打印參數(shù)，開始打印。

消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)一般依靠加熱擠出頭融化耗材，再將材料堆疊成型。這類打印機(jī)通常用到兩種耗材每千克價(jià)格不足百元，一種是PLA（聚乳酸），另一種是ABS（丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物）。PLA的特點(diǎn)是打印時(shí)對環(huán)境要求不高，只要控制好融化溫度，就可以獲得形狀較為理想的打印件。PLA的硬度高、異味小、可降解、翹邊率相對較低，可打印半透明制品。ABS材料用于3D打印時(shí)，會(huì)隨著溫度變化出現(xiàn)明顯的收縮或膨脹。為防止ABS材料發(fā)生翹邊，在使用這種材料進(jìn)行3D打印時(shí)，通常需要熱床輔助。

如果發(fā)現(xiàn)采用3D打印技術(shù)得到的零件出現(xiàn)了翹邊問題，常用的處理方法有：

（1）確定最佳打印噴嘴溫度和熱床溫度；

（2）在底板上貼美紋紙，提高材料吸附力，或用耐高溫膠水粘接底層和底板；

（3）重新調(diào)平打印機(jī)工作面，盡量讓底板平整；

（4）調(diào)低噴嘴高度，使第一層所有部位能壓實(shí)并緊緊貼附在底板上（第一層與底板間的間隙應(yīng)小于1張A4紙的厚度，可用A4紙檢驗(yàn)）。

在3D打印過程中，零件的打印時(shí)間會(huì)因打印參數(shù)的不同自動(dòng)調(diào)整，如打印速度、支撐結(jié)構(gòu)、壁厚、底厚等。零件的強(qiáng)度則與某些打印參數(shù)相關(guān)，如耗材擠出量、打印溫度等。此外，一些裝飾性的零件常用樹脂光固化成型技術(shù)進(jìn)行3D打印。但由于樹脂件的強(qiáng)度較低，因此該方法不適用于承力件的制造（圖10）。

筆者曾利用3D打印技術(shù)，做過一些有趣的航模小零件，包括穿越機(jī)電機(jī)保護(hù)座、GoPro相機(jī)保護(hù)框、電動(dòng)船槳、玩偶頭像等（圖11-圖14）。這些打印出的小零件，不僅強(qiáng)度足夠，還滿足精度要求。模友們不妨大膽嘗試，用3D打印技術(shù)根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)個(gè)性化的模型零件。

下面以電機(jī)座為例，介紹3D打印航模零件的流程（圖15-圖24）。整個(gè)流程主要分為兩個(gè)部分，一是數(shù)字建模階段，二是打印階段。

首先打開SolidWorks軟件，在草圖模式中繪制電機(jī)座的二維初始草圖（閉合圖形）。然后在草圖上約束尺寸，使用拉伸凸臺(tái)/基體工具做拉伸凸臺(tái)處理。接著轉(zhuǎn)到三維凸臺(tái)的基底面，在其上畫出需要切除的部分，用拉伸切除工具做切除處理。之后回到三維凸臺(tái)的另一基底面，在其上畫出電機(jī)座的底座形狀，執(zhí)行拉伸處理，并用圓角工具給零件邊緣倒圓角。最后導(dǎo)出該電機(jī)座的stl設(shè)計(jì)文件。

下一步就是利用數(shù)字建模打印零件的階段。首先將電機(jī)座的stl設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入3D打印軟件Cura。然后分步設(shè)置3D打印機(jī)的打印選項(xiàng)，執(zhí)行打印程序，就能得到一個(gè)外形精致的電機(jī)座了。