基于3D打印的某船用天線罩成型時間與使用材料研究

杜 睿，嚴厚偉，李映晟

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

3D打印是一種逐層打印的技術，具有節省原料、個性定制、縮短生產周期等優點，近年來隨著3D打印技術的成熟，被逐步應用于航天科技、醫療器件、文化娛樂、交通運輸、教育建筑等各個方面[1-2]。3D打印是一種以數字模型為基礎的打印技術:(1)PC端三維軟件中設計模型；(2)在3D打印軟件中轉換、分層、切片,設置打印速度、填充密度等;(3)將3D切片模型轉為機器語言，即空間坐標；(4)選擇相應成型技術及其打印機打印[3]。

本文第一部分介紹3D打印機分類，并在PC端運用SolidWorks(后文簡稱SW)對某船用導航天線罩建模(后文簡稱A型天線罩)

第二部分利用Repetier-Host(后文中簡稱為RH)，分析了不同打印速度、填充密度對A型天線罩理論打印時間、打印層數及使用材料的影響。

1 3D打印機分類

根據3D打印的工藝和材料將3D打印分為以下幾類：光敏樹脂液相固化成形(SLA)、選擇性激光粉末燒結(SLS)、分層疊加成形(LOM)、熔融堆積成形(FDM)等[4]。根據常見3D打印技術使用的材料、制件性能、用途及工藝特點，結合A型天線罩材料Si3N4的屬性，本文選取FDM型3D打印機。

目前FDM型3D打印機分為XYZ結構和三角洲結構，在打印一點時，三角洲3D打印機只需要3個反向疊加，而XYZ結構需要4個方向疊加。三角洲打印機坐標計算相對復雜，XYZ結構打印機精度高、打印空間大[5-6]。為了研究3D打印相關參數對某衛星天線罩成型時間與質量的影響，減少打印誤差，選取打印精度和體積較大的XYZ結構3D打印機。如圖1所示，其中主控制器選擇ATMega2560，行軌電路采用A4988模塊對XYE軸電機驅動，PC端通過USB口控制3D打印機，SD卡通過SPI口與主控電路相連，溫控電路采用MLX90614紅外溫度傳感器實時傳輸打印機噴頭及加熱床溫度[7-10]。

2 對某衛星導航天線罩建模分析

依照圖2(a)所示的A型天線罩平面尺寸圖，選取 SW軟件，對A型天線罩建立3D模型，在SW軟件中選用前視基準面，利用草圖繪制、旋轉拉伸等方式[11]，建立如圖2(b)所示，STP格式的3D模型圖。由于考慮天線罩折射等使用因素，天線罩建模材料為玻璃鋼(含Si3N4的高濃度化合物)，玻璃鋼材料質量密度、張力強度、熱導率如圖2(f)所示，其中質量密度為3 200 kg/m3[12-13]。

將SW軟件中STP格式3D建模文件轉化成打印機可識別的STL格式文件，如圖2(c)所示，在軟件RH中，對A型天線罩進行切片，本文切片轉換時均選擇Cura模式，經過Cura等切片模式后，轉化成3D打印可識別的G代碼。圖2(d)所示為切片后模型，根據A型天線罩尺寸，本文中3D打印系統XY軸最大打印寬度為500 mm,E軸即最大打印高度300 mm,如圖2(e)所示，打印機噴頭半徑設置為1 mm。

3 填充密度對A型天線罩打印周期和質量的影響

3.1 有無支撐對A型天線罩打印周期和用料的影響

采用控制變量法，研究填充密度和A型天線罩打印周期、需要材料之間的關系，控制3D打印速度為40 mm/s。首先在填充密度為100%時，將支撐類型各處和無支撐類型打印時間對比(在填充密度100%時，支撐類型稱為A-1型打印，無支撐類型稱為A-2型打印)，如圖3所示。A-1型打印所需時間約為A-2型的1.55倍，A-2型打印所需時間為132.78 h；A-1型打印層數與A-1型打印層數相同，為1 499；A-1型打印總行數為A-2型打印總行數的1.53倍；A-1型打印需要用料為A-2型打印用料的1.42倍。

圖3 A-1型打印與A-2型打印相關參數對比

根據數據，A-1型打印時間遠高于A-2型，約多73 h，而A-1型打印與A-2型打印的根本區別為各處支撐。隨著3D打印技術的快速發展，熔融堆積成形(FDM) 、三維打印成形(3DP)在圓弧頂物體打印時可不需要支撐。本文3D打印機為FDM型，在打印速度為45 mm/s、填充密度為60%時，導出RH軟件中切片后G代碼，選取開始打印3圈，打印結束前2圈，在笛卡爾坐標系下反向提取空間坐標，利用Origin做圖，如圖4所示。各層之間均可連續打印，但是右圖2層間有斷點，即天線罩頂部后2層斷點，查看G代碼1 498層坐標垂直提升，即打印機此時XY軸坐標不變，E軸變化。在縮短周期和節約成本的原則下，選取無支撐進行討論。

圖4 G代碼反向仿真圖

3.2 填充密度對A型天線罩打印周期和用料的影響

控制打印速度為定量，研究填充密度對A型天線罩打印周期和理論打印材料的影響。打印速度隨機選取40 mm/s、45 mm/s、55 mm/s。如表1～表3所示，對填充密度以10%增加，研究不同打印速度下打印周期和打印用料的影響。由表1～表3可知，打印速度一定時，填充密度不影響打印層數，打印時間、總行數、需要材料均與填充密度成正相關，為了進一步研究變化率，采用origin對相關數據做圖，如圖5～圖7所示。

表1 V=40 mm/s時填充密度對相關打印參數影響

圖5 填充密度與打印時間圖

在origin中，將表1中填充率與打印時間做圖，其中V=40 mm/s，用菱形折線圖表示；V=45 mm/s，用圓形折線圖表示；V=55 mm/s，用三角形折線圖表示。由圖5可見：

(1) 填充密度一定時，打印速度與打印時間負相關；

(2) 同一打印速度下，填充率和打印時間正相關，用方程y=x+k(30

在origin中，將表1中填充率與總行數做圖。由圖6可見：

圖6 填充密度與總行數圖

圖7 填充密度與需要材料圖

圖8 打印速度與填充密度圖

(1) 同一打印速度下，在填充率30%～50%、60%～90%區間，填充率與打印總行數正相關；而填充率在50%～60%、90%～100%區間，填充率與打印總行數負相關。

(2) 填充密度一定時，總行數與打印速度無關。

討論填充率與需求材料的關系，在origin中，將表2中填充率與需要材料做圖，由圖7可見:

表2 V=45 mm/s時填充密度對相關打印參數影響

表3 V=55 mm/s時填充密度對相關打印參數影響

(1) 同一打印速度下，填充密度與需求材料正相關，可用方程y=x(30

(2) 填充密度一定時，打印速度與需求材料無關。

4 打印速度對A型天線罩打印周期和質量的影響

控制填充密度為定量，研究打印速度對A型天線罩打印周期和理論打印材料的影響。填充密度隨機選取50%，70%，90%，如表2～表6所示。對打印速度按5 mm/s增加，研究不同填充密度下打印速度對打印周期、打印用料等參數的影響。相關數據如表2～表6所示。為進一步研究相關關系，采用origin對相關數據做圖，如圖8～圖10所示。其中填充密度50%、70%、90%分別用菱形、圓形、三角形線型表示。

圖9 打印速度與總行數

圖10 打印速度需求材料

表4 D=50%時打印速度對相關打印參數影響

表5 D=70%時打印速度對相關打印參數影響

表6 D=90%時打印速度對相關打印參數影響

討論打印速度與打印時間的關系，在origin中，將表4～表6中打印速度與打印時間作圖。由圖8可見：

(1) 同一填充密度下，打印速度與打印時間負相關，可用方程y=1/x+k(40

(2) 打印速度一定時，填充密度與打印時間正相關。

討論打印速度與總行數的關系，在origin中，將表4～表6中打印速度與總行數做圖，由圖9可見：

(1) 同一填充密度下，打印速度與總行數無關；

(2) 同一打印速度下，填充密度與總行數正相關。

討論打印速度與需求材料的關系，在origin中，將表4～表6中打印速度與需求材料做圖，由圖10可見：

(1) 同一填充密度下，打印速度與需求材料無關；

(2) 同一打印速度下，填充密度與需求材料正相關。

5 結束語

本文在SW軟件建模、RH軟件切片的條件下，分析了打印速度、填充密度對A型天線罩相關成型參數的影響。得出以下結論：

在打印速度不變時：

(1) 填充密度一定時，打印速度與打印時間負相關，總行數與打印速度無關，打印速度與需求材料無關;

(2) 同一打印速度下，填充率和打印時間正相關，用方程y=x+k(30

(3) 同一打印速度下，在填充率30%～50%、60%～90%區間，填充率與打印總行數正相關，在填充率在50%～60%、90%～100%區間負相關;

(4) 同一打印速度下，填充密度與需求材料正相關，可用方程y=x(30

在填充密度不變時：

(1) 同一填充密度下，打印速度與打印時間負相關，可用方程y=1/x+k(40

(2) 打印速度一定時，填充密度與打印時間正相關，填充密度與總行數正相關，填充密度與需求材料正相關；

(3) 同一填充密度下，打印速度與總行數無關，打印速度與需求材料無關。

未來戰場對于遮障、假目標、天線器材性能等多方面要求會越來越高，敵方識別目標干擾的能力也會逐漸提升。而 3D打印具有環保、周期短、精度高、操作簡單安全等優點，未來在天線制作及軍事活動中將會有更多更普遍的應用。