3D打印四軸飛行器外殼設計的改進

李 嘯

(江蘇省南京市揚子第一中學，江蘇 南京 210048)

·實驗研究·

3D打印四軸飛行器外殼設計的改進

李 嘯

(江蘇省南京市揚子第一中學，江蘇 南京 210048)

四軸飛行器是目前市場普及的玩具，可供娛樂、航拍和進行相關大氣科學實驗，本文所述四軸飛行器外殼由3D打印技術生成，外殼若按照通常方式打印則極易發生變形，筆者結合物理知識，通過加筋處理很好地解決了形變問題.

3D打印；四軸飛行器；外殼改進

1 引言

受南京市環保局邀請，我校開展了一項利用四軸飛行器檢測大氣PM2.5濃度的科技活動，筆者利用3D打印機打印出了四軸飛行器外殼.本以為這是一件平常事，但對學生的影響非常不一般，更重要的是外殼的設計理念傳遞給學生一種意識，要求學生結合物理原理對產品進行改進.

如圖1所示，當筆者將設計打印的四軸飛行器在學校里試飛時，引起了師生們的強烈興趣，他們過來看這個用3D打印的飛行器，很驚訝這是用打印機打出來的，因此，不少學生主動要求學習3D打印技術，愿望非常強烈，筆者以此教具向學生講解其中蘊含的科學原理、涉及的技術和作品蘊含的藝術性.

圖1

2 去粗取精，刨去不合格產品

如圖2所示，這是市場上四軸飛行器中的一種產品，機架的設計存在缺陷.四軸飛行器是由四個電機軸平行地放置在一個平面上的四個對角點上，要求每個螺旋槳的升力垂直于水平面向上，圖2中的電機臂最容易彎曲的扁平面剛好在這個受力方向上，而剛性好的方向卻在水平方向，這樣很容易引起電機軸方向改變而使升力方向改變，導致飛行器不穩定或無法飛行.為了不容易發生彎曲，要加厚這個臂，但這又不符合飛行器的輕質要求.

模仿這種設計而用3D打印機打出來的機架因為容易變形，前后打了五、六次才飛起來.雖然可以將圖2中的電機臂繞臂軸方向旋轉90度，使寬面在垂直方向，這種設計比較符合受力結構，但這也不是很好的設計理念.如圖3所示，我們應該采用薄壁管形結構，這種結構重量輕，可以在管道中放置飛行器的一些部件如電路板等而不需要作固定處理，不但外形美觀，而且經過加筋處理的結構具有很好的剛度和強度，這正是飛行器需要的合理結構.可結合物理原理向學生介紹該飛行器優點，提高學生學習物理的興趣.

圖2

圖3

3 結合物理知識解釋設計原理

如圖3所示，這種管形臂是一端大、另一端小的變徑管結構，為什么這樣做？這是由力矩決定的.如圖4所示，支點是O點，電機臂長Oa乘螺旋槳的升力F是以O點為支點的力矩，而與之平衡的力矩是變管徑Ob乘管壁的張力f或恒管徑(圖4中虛線是恒徑管)，有Oa×F=Ob×f或者Oa×F=Ob′×f′，由于Ob′f，因此，當根部管徑變大時，這個部位的受力會大大減小而不易變形，同時也不容易損壞這種強度不是很高的塑料機臂.從圖5中可以看到，這架摔壞的四軸飛行器，它的斷裂部位在電機臂的根部，說明此處受力最大.以此類推，距離電機越近的管臂受力越小，管徑亦可小些，因此而采用這種漸變管徑的結構達到質輕而強度和剛度最大.再一個問題是薄的管形物在受到彎折力相對較大時，也比較容易管壁變形而折斷(如圖6).

圖4

圖5

圖6

圖6所示的損壞是因為軸向受力過大造成的，解決的辦法是在管道內做條加強筋.這道筋具有雙重作用，先看管壁受到壓力情況，如圖7所示為管道截面圖，這個機臂截面是個橢圓，中間的這道筋減小了來自管壁外壓力F造成的變形，管壁把力F傳到了兩端形成力f″，而兩端被筋拉住，形成力f′，這個f′與f″形成一對平衡力，使管壁不易變形，因此這種結構不容易損壞.再從電機臂的軸向截面看電機臂的結構，如圖8所示，這個管形中的加強筋如同一道梁，梁的寬面放置方向正是升力的扭力方向，也是剛性最強、最不容易變形的方向.因此，當這個設計成為實物后，可看出重量明顯變輕且剛性較好，所有的方向在受力時都不易變形或變形很小，完全符合四軸飛行器結構的設計要求.

圖7

圖8

經歷上述改進歷程，學生深刻體會到任何困難都有解決的有效途徑，需要不斷嘗試、改進，選取最優化模型.學生在動手、動腦的同時，不僅提高了學習科學知識的興趣，更培養了學生的思維能力.

童明浩,王君,鄭曉,梁冰,彭俊.基于3D打印技術的四旋翼飛行器設計[J].湖北工業大學學報,2016,(2):9-12.