3D打印四轴飞行器外壳设计的改进

李 啸

(江苏省南京市扬子第一中学，江苏 南京 210048)

·实验研究·

3D打印四轴飞行器外壳设计的改进

李 啸

(江苏省南京市扬子第一中学，江苏 南京 210048)

四轴飞行器是目前市场普及的玩具，可供娱乐、航拍和进行相关大气科学实验，本文所述四轴飞行器外壳由3D打印技术生成，外壳若按照通常方式打印则极易发生变形，笔者结合物理知识，通过加筋处理很好地解决了形变问题.

3D打印；四轴飞行器；外壳改进

1 引言

受南京市环保局邀请，我校开展了一项利用四轴飞行器检测大气PM2.5浓度的科技活动，笔者利用3D打印机打印出了四轴飞行器外壳.本以为这是一件平常事，但对学生的影响非常不一般，更重要的是外壳的设计理念传递给学生一种意识，要求学生结合物理原理对产品进行改进.

如图1所示，当笔者将设计打印的四轴飞行器在学校里试飞时，引起了师生们的强烈兴趣，他们过来看这个用3D打印的飞行器，很惊讶这是用打印机打出来的，因此，不少学生主动要求学习3D打印技术，愿望非常强烈，笔者以此教具向学生讲解其中蕴含的科学原理、涉及的技术和作品蕴含的艺术性.

图1

2 去粗取精，刨去不合格产品

如图2所示，这是市场上四轴飞行器中的一种产品，机架的设计存在缺陷.四轴飞行器是由四个电机轴平行地放置在一个平面上的四个对角点上，要求每个螺旋桨的升力垂直于水平面向上，图2中的电机臂最容易弯曲的扁平面刚好在这个受力方向上，而刚性好的方向却在水平方向，这样很容易引起电机轴方向改变而使升力方向改变，导致飞行器不稳定或无法飞行.为了不容易发生弯曲，要加厚这个臂，但这又不符合飞行器的轻质要求.

模仿这种设计而用3D打印机打出来的机架因为容易变形，前后打了五、六次才飞起来.虽然可以将图2中的电机臂绕臂轴方向旋转90度，使宽面在垂直方向，这种设计比较符合受力结构，但这也不是很好的设计理念.如图3所示，我们应该采用薄壁管形结构，这种结构重量轻，可以在管道中放置飞行器的一些部件如电路板等而不需要作固定处理，不但外形美观，而且经过加筋处理的结构具有很好的刚度和强度，这正是飞行器需要的合理结构.可结合物理原理向学生介绍该飞行器优点，提高学生学习物理的兴趣.

图2

图3

3 结合物理知识解释设计原理

如图3所示，这种管形臂是一端大、另一端小的变径管结构，为什么这样做？这是由力矩决定的.如图4所示，支点是O点，电机臂长Oa乘螺旋桨的升力F是以O点为支点的力矩，而与之平衡的力矩是变管径Ob乘管壁的张力f或恒管径(图4中虚线是恒径管)，有Oa×F=Ob×f或者Oa×F=Ob′×f′，由于Ob′f，因此，当根部管径变大时，这个部位的受力会大大减小而不易变形，同时也不容易损坏这种强度不是很高的塑料机臂.从图5中可以看到，这架摔坏的四轴飞行器，它的断裂部位在电机臂的根部，说明此处受力最大.以此类推，距离电机越近的管臂受力越小，管径亦可小些，因此而采用这种渐变管径的结构达到质轻而强度和刚度最大.再一个问题是薄的管形物在受到弯折力相对较大时，也比较容易管壁变形而折断(如图6).

图4

图5

图6

图6所示的损坏是因为轴向受力过大造成的，解决的办法是在管道内做条加强筋.这道筋具有双重作用，先看管壁受到压力情况，如图7所示为管道截面图，这个机臂截面是个椭圆，中间的这道筋减小了来自管壁外压力F造成的变形，管壁把力F传到了两端形成力f″，而两端被筋拉住，形成力f′，这个f′与f″形成一对平衡力，使管壁不易变形，因此这种结构不容易损坏.再从电机臂的轴向截面看电机臂的结构，如图8所示，这个管形中的加强筋如同一道梁，梁的宽面放置方向正是升力的扭力方向，也是刚性最强、最不容易变形的方向.因此，当这个设计成为实物后，可看出重量明显变轻且刚性较好，所有的方向在受力时都不易变形或变形很小，完全符合四轴飞行器结构的设计要求.

图7

图8

经历上述改进历程，学生深刻体会到任何困难都有解决的有效途径，需要不断尝试、改进，选取最优化模型.学生在动手、动脑的同时，不仅提高了学习科学知识的兴趣，更培养了学生的思维能力.

童明浩,王君,郑晓,梁冰,彭俊.基于3D打印技术的四旋翼飞行器设计[J].湖北工业大学学报,2016,(2):9-12.