一種插秧機缽育秧盤的低成本3D打印技術(shù)研究

張寧波 程良鴻 劉杰 王秀敏

摘要：秧盤是插秧機的關(guān)鍵部件，在研制插秧機工作中常常要試制秧盤。采用傳統(tǒng)開模制作方式成本高、周期長。將3D打印技術(shù)引入到秧盤的研制是增效降本的可行選擇。根據(jù)秧盤外形尺寸和力學要求的特殊性，研究了低成本打印秧盤的技術(shù)問題。提出互鎖式秧盤的拆分與組合裝配方法，解決了普通小尺寸3D打印機可以打印大尺寸秧盤的難題。本研究亦可為特型構(gòu)件拆分打印的相關(guān)問題研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：缽秧盤;3D打印技術(shù);拆分方法

中圖分類號： S223.91 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）10-0183-04

3D打印是一種快速成型的增材制造技術(shù)，通過一層層的疊加將模型打印出來。由于它具有周期短、效率高、工序少、精度高等優(yōu)勢而逐漸被人們所關(guān)注[1-2]。隨著工業(yè)信息化技術(shù)的不斷革新，農(nóng)業(yè)機械研究須借助智能化和信息化等新技術(shù)、新手段來提升機械結(jié)構(gòu)的整體制作水平，這將大大提高農(nóng)機產(chǎn)品的壽命和使用效率。為提高3D模型的耐用性，可將3D打印技術(shù)引入農(nóng)機產(chǎn)品的研究和試制工作中，可促進農(nóng)機產(chǎn)品更快得向高水平方向發(fā)展[3]。對于一些特殊構(gòu)件，例如一些尺寸太大的零件往往無法一次打印，可借助相關(guān)軟件將其拆分成若干個小塊，然后將其黏接起來。針對這種類型的特殊構(gòu)件，其拆分方式多種多樣，Peng等提出將三維模型設(shè)計成互鎖部件的方式來提高模型的穩(wěn)固性[4]。目前，針對秧盤分割方式的相關(guān)研究甚少，本研究探索了一種新的互鎖分割方式，用來解決低成本打印大尺寸件的秧盤試制問題，可有效提高秧盤樣件的牢固性。最后通過實例打印，介紹了3D打印秧盤過程中的其他關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 秧盤的3D打印技術(shù)分析

傳統(tǒng)秧盤的模具成型涉及很多工藝，首先要對秧盤進行設(shè)計，秧盤設(shè)計好后要對秧盤的成型模具進行設(shè)計，并且要對制造工藝進行規(guī)劃和設(shè)計，借助機械加工等手段，通過開模和合模等過程將秧盤制作出來[5-6]，其制作過程極為復雜和繁瑣，這對秧盤的試制研究很不方便。對于非大批量試制的秧盤，開模制作則顯得不劃算。而借助3D打印技術(shù)只要通過三維軟件設(shè)計秧盤模型，然后進行格式轉(zhuǎn)換和切片處理，最后通過3D打印機打印即可。由此可知，3D打印技術(shù)縮短了設(shè)計周期，提高了研究效率，比較適合秧盤的設(shè)計與研發(fā)。本研究需要試制的秧盤模型如圖1所示，其長×寬×高為402 mm×402 mm×16 mm，根據(jù)秧盤的結(jié)構(gòu)特征可知，秧盤的平面尺寸遠大于厚度尺寸，且密布缽體網(wǎng)孔。成型后的秧盤用來育秧，而滿載缽土苗的秧盤無論是搬運還是移栽，都須要拔取秧苗或頂出秧苗，秧盤工作受力均是與大平面垂直的垂向力。拆分方法以及組裝后的應力強度能否滿足秧盤育秧工作需要，成為必須考慮的問題。對秧盤進行3D打印時，有直接大尺寸打印和拆分打印2種方式。由于試制秧盤模型較大，如果直接進行大尺寸打印存在以下問題：一是設(shè)備成本較高;二是需要單臺持續(xù)打印，耗時代價也大;三是考慮的溫差引起材料伸縮等因素，一般打印件尺寸越大，出現(xiàn)形變誤差的可能性越大，廢品率越高。若將大尺寸秧盤拆分成多個可裝配組件，采用成本較低的小尺寸打印機，就可以多臺機器并行打印， 在保證整件尺寸精度與力學強度的同時，降低打印成本，加快打印速度。

2 秧盤的拆分打印方法研究

本研究采用的3D打印機型號為LZ-P350，打印中所采用的材料為PLA可塑性塑料。LZ-P350理論標稱可打印物體尺寸范圍是其打印噴頭最大的三維行程范圍：寬度為350 mm，深度為310 mm，高度為400 mm。但筆者在一般實驗室環(huán)境溫度下實測，能保證不出現(xiàn)形變誤差的實際打印尺寸范圍一般小于標稱值。而欲打印秧盤的長度為402 mm，寬度為402 mm，厚度為16 mm。由于秧盤尺寸大于3D打印機可打印的最大尺寸，因此要將秧盤進行分割處理。在對秧盤進行拆分處理中須要充分考慮秧盤分割的數(shù)量，以及秧盤各個零件可裝配的互鎖性、接縫之間的牢固程度等[7]。

2.1 秧盤組件尺寸的確定

根據(jù)秧盤的結(jié)構(gòu)模型，可將秧盤拆分成大小形狀相同的零件，其拆分塊數(shù)可以為4、9、36塊，為確定最佳拆分塊數(shù)，設(shè)計了不同的拆分方案，選擇不同方案的部分組件進行試驗打印，記錄打印出的測量結(jié)果件與理論件的形變誤差，具體如表1所示。打印過程如圖2所示。

由表1可知，隨著打印尺寸的增加，打印誤差也逐漸增大，且實際打印尺寸一般小于理想尺寸。這是因為3D打印機在打印過程中各機械部分在工作時難免會振動，容易導致X軸和Y軸在機械定位上產(chǎn)生誤差，且3D打印機通過皮帶進行傳動，皮帶是軟的，具備一定的彈性，容易引起打印尺寸誤差。由表1可知，當拆分成4塊的時候，其打印誤差較大，并根據(jù)多次打印觀察可知，由于打印機的驅(qū)動與傳動機構(gòu)在長時間持續(xù)運行狀態(tài)下會出現(xiàn)磨損、發(fā)熱變形和皮帶拉扯等現(xiàn)象，嚴重影響打印精度，有時甚至出現(xiàn)整機振動、料絲斷裂以至于打印中斷不得不重啟重打的問題，所以4塊拆分方案的尺寸對所用打印機而言還是偏大了。若拆分成36塊，其打印次數(shù)較為繁瑣，且太多的裝配件，其誤差疊加后對整體尺寸精度影響較大，因此也不考慮36塊的拆分方式。并且材料具有一定的收縮率，材料的收縮率不是一個定值，而是在一定的范圍內(nèi)變化，尺寸越大，收縮率的絕對值也越大[8-9]。根據(jù)現(xiàn)有打印機的尺寸、秧盤的結(jié)構(gòu)特征以及秧盤拆分后的打印誤差和材料的收縮率綜合考慮，為節(jié)省時間、降低材料和廢品率成本，提高打印效率，采取9塊的拆分打印方式。

2.2 秧盤分割方法分析

2.2.1 矩形組件分割法 矩形組件分割法是針對平面尺寸遠大于厚度尺寸的最簡單方法。特點是分割線為從上平面自接穿透到下平面的直線，所得組件具有尺寸大小相同的特征，拆分方式如圖3所示。

對秧盤進行結(jié)構(gòu)拆分主要是借助三維軟件，將秧盤分割成9等份。采用上述方法對秧盤進行簡單拆分，然后借助3D打印機將其打印出來，而零件之間主要是通過膠水黏合的方式進行固定。裝配好后可發(fā)現(xiàn)，其縱向和橫向都不能滿足強度要求，在外力作用下秧盤各連接部分容易脫落。這樣的模型往往很容易斷裂，不能滿足強度要求，從而影響秧盤的使用性能，因此不建議采用此種拆分方法。

2.2.2 互鎖組件分割法 由上述拆分方式可知，在秧盤的打印過程中須要考慮秧盤裝配后所能承受的重力和外部載荷，同時不能影響秧盤的整體結(jié)構(gòu)，因此秧盤的拆分方法極為重要。為滿足秧盤裝配的強度要求，提出互鎖組件分割法，是為解決平面尺寸遠大于厚度尺寸、組裝后的構(gòu)件具有一定垂向應力的方法。特點是一部分分割線為穿透分割、一部分分割線為交錯疊層半透分割。所得組件具備一定程度的層間交錯互鎖裝配功能，這樣裝配后的組件更為牢固。在對秧盤進行拆分時將各部分拆分成可以互鎖的零件，為進一步加強裝配整體件的牢固程度，在各組件之間的交錯疊層平面處還預留了垂向螺紋孔，通過添加緊固件連接的方式提高秧盤的承載能力。在各零部件裝配中不僅采用膠水黏合，還通過緊固件連接的方式進行固定，這將使得秧盤更穩(wěn)固，且其接縫之間具備隱蔽性，不影響秧盤的整體效果和使用性能。在秧盤拆分過程中須要充分考慮打印機誤差所引起的裝配問題，即在分割中須要采取誤差主動補償方法，即在各組件裝配過程中留出一定的間隙便于裝配，本研究采取的誤差主動補償方法主要是在各零件接觸部位預留1 mm的空隙。在秧盤分割中主要是采用盒子狀的構(gòu)件來作為裁剪工具，其拆分方式如圖4所示。

3 秧盤3D打印及其打印參數(shù)的設(shè)置

將秧盤模型進行分割處理后，保存為stl文件格式，將其導入到3D打印的切片軟件中進行切片處理。切片處理主要是對模型進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，并對模型的打印參數(shù)進行合理設(shè)置，這些參數(shù)的設(shè)置將直接影響秧盤打印質(zhì)量。LZ-P350打印機可打印的最高速度為150 mm/s，但為了確保秧盤打印出來的精度，建議打印時采用70 mm/s的速度。同時將加熱盤的溫度設(shè)置為70 ℃，噴嘴直徑有0.4 mm和0.8 mm這2種，噴頭溫度設(shè)為210 ℃左右。切片處理中厚度的設(shè)置影響構(gòu)件的精度，壁厚的設(shè)置影響構(gòu)件的強度，底層/頂層厚度主要是影響構(gòu)件的封底質(zhì)量，具體參數(shù)設(shè)置如圖5所示。根據(jù)秧盤結(jié)構(gòu)特點，采用圖6所示的水平放置可免去輔助支撐。

根據(jù)秧盤的拆分模型可知，零件1類似的結(jié)構(gòu)個數(shù)有9塊，其每塊打印時間為15 h 19 min;零件2的個數(shù)有4塊，其每塊打印時間為4 h 25 min;零件3的個數(shù)有8塊，其每塊打印時間為2 h 15 min。為縮短打印時間，在打印過程中，采用多臺機器同時打印，其打印模型如圖7所示。

4 結(jié)論

為提高秧盤試制模型的制作效率，本研究將3D打印技術(shù)引入到秧盤模型制作中。由于秧盤尺寸較大，采用小型打印機則須要對秧盤進行拆分處理。秧盤拆分方式有多種，為選擇最優(yōu)的拆分方式，首先是對不同尺寸的秧盤塊件進行試驗打印，研究發(fā)現(xiàn)，塊件尺寸越大，其誤差值也越大，通過比較和優(yōu)化分析后選擇將秧盤拆分成九大塊。為了提高秧盤各部件裝配好后的強度，保證秧盤在使用時的牢固性，對秧盤進行不同方式的分割處理，通過對比分析最終采取互鎖組件分割法。最后對模型進行切片處理并將其打印出來。在打印過程中利用多臺打印機同時打印，大大縮短了打印時間，提高了打印效率。本研究主要是對秧盤試制提供一種可行方法，并且提供了一種小型打印機打印大型物件的拆分思路，本研究的方法亦可應用到其他類似結(jié)構(gòu)的模型3D打印上。

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