基于3D打印的某船用天线罩成型时间与使用材料研究

杜 睿，严厚伟，李映晟

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

3D打印是一种逐层打印的技术，具有节省原料、个性定制、缩短生产周期等优点，近年来随着3D打印技术的成熟，被逐步应用于航天科技、医疗器件、文化娱乐、交通运输、教育建筑等各个方面[1-2]。3D打印是一种以数字模型为基础的打印技术:(1)PC端三维软件中设计模型；(2)在3D打印软件中转换、分层、切片,设置打印速度、填充密度等;(3)将3D切片模型转为机器语言，即空间坐标；(4)选择相应成型技术及其打印机打印[3]。

本文第一部分介绍3D打印机分类，并在PC端运用SolidWorks(后文简称SW)对某船用导航天线罩建模(后文简称A型天线罩)

第二部分利用Repetier-Host(后文中简称为RH)，分析了不同打印速度、填充密度对A型天线罩理论打印时间、打印层数及使用材料的影响。

1 3D打印机分类

根据3D打印的工艺和材料将3D打印分为以下几类：光敏树脂液相固化成形(SLA)、选择性激光粉末烧结(SLS)、分层叠加成形(LOM)、熔融堆积成形(FDM)等[4]。根据常见3D打印技术使用的材料、制件性能、用途及工艺特点，结合A型天线罩材料Si3N4的属性，本文选取FDM型3D打印机。

目前FDM型3D打印机分为XYZ结构和三角洲结构，在打印一点时，三角洲3D打印机只需要3个反向叠加，而XYZ结构需要4个方向叠加。三角洲打印机坐标计算相对复杂，XYZ结构打印机精度高、打印空间大[5-6]。为了研究3D打印相关参数对某卫星天线罩成型时间与质量的影响，减少打印误差，选取打印精度和体积较大的XYZ结构3D打印机。如图1所示，其中主控制器选择ATMega2560，行轨电路采用A4988模块对XYE轴电机驱动，PC端通过USB口控制3D打印机，SD卡通过SPI口与主控电路相连，温控电路采用MLX90614红外温度传感器实时传输打印机喷头及加热床温度[7-10]。

2 对某卫星导航天线罩建模分析

依照图2(a)所示的A型天线罩平面尺寸图，选取 SW软件，对A型天线罩建立3D模型，在SW软件中选用前视基准面，利用草图绘制、旋转拉伸等方式[11]，建立如图2(b)所示，STP格式的3D模型图。由于考虑天线罩折射等使用因素，天线罩建模材料为玻璃钢(含Si3N4的高浓度化合物)，玻璃钢材料质量密度、张力强度、热导率如图2(f)所示，其中质量密度为3 200 kg/m3[12-13]。

将SW软件中STP格式3D建模文件转化成打印机可识别的STL格式文件，如图2(c)所示，在软件RH中，对A型天线罩进行切片，本文切片转换时均选择Cura模式，经过Cura等切片模式后，转化成3D打印可识别的G代码。图2(d)所示为切片后模型，根据A型天线罩尺寸，本文中3D打印系统XY轴最大打印宽度为500 mm,E轴即最大打印高度300 mm,如图2(e)所示，打印机喷头半径设置为1 mm。

3 填充密度对A型天线罩打印周期和质量的影响

3.1 有无支撑对A型天线罩打印周期和用料的影响

采用控制变量法，研究填充密度和A型天线罩打印周期、需要材料之间的关系，控制3D打印速度为40 mm/s。首先在填充密度为100%时，将支撑类型各处和无支撑类型打印时间对比(在填充密度100%时，支撑类型称为A-1型打印，无支撑类型称为A-2型打印)，如图3所示。A-1型打印所需时间约为A-2型的1.55倍，A-2型打印所需时间为132.78 h；A-1型打印层数与A-1型打印层数相同，为1 499；A-1型打印总行数为A-2型打印总行数的1.53倍；A-1型打印需要用料为A-2型打印用料的1.42倍。

图3 A-1型打印与A-2型打印相关参数对比

根据数据，A-1型打印时间远高于A-2型，约多73 h，而A-1型打印与A-2型打印的根本区别为各处支撑。随着3D打印技术的快速发展，熔融堆积成形(FDM) 、三维打印成形(3DP)在圆弧顶物体打印时可不需要支撑。本文3D打印机为FDM型，在打印速度为45 mm/s、填充密度为60%时，导出RH软件中切片后G代码，选取开始打印3圈，打印结束前2圈，在笛卡尔坐标系下反向提取空间坐标，利用Origin做图，如图4所示。各层之间均可连续打印，但是右图2层间有断点，即天线罩顶部后2层断点，查看G代码1 498层坐标垂直提升，即打印机此时XY轴坐标不变，E轴变化。在缩短周期和节约成本的原则下，选取无支撑进行讨论。

图4 G代码反向仿真图

3.2 填充密度对A型天线罩打印周期和用料的影响

控制打印速度为定量，研究填充密度对A型天线罩打印周期和理论打印材料的影响。打印速度随机选取40 mm/s、45 mm/s、55 mm/s。如表1～表3所示，对填充密度以10%增加，研究不同打印速度下打印周期和打印用料的影响。由表1～表3可知，打印速度一定时，填充密度不影响打印层数，打印时间、总行数、需要材料均与填充密度成正相关，为了进一步研究变化率，采用origin对相关数据做图，如图5～图7所示。

表1 V=40 mm/s时填充密度对相关打印参数影响

图5 填充密度与打印时间图

在origin中，将表1中填充率与打印时间做图，其中V=40 mm/s，用菱形折线图表示；V=45 mm/s，用圆形折线图表示；V=55 mm/s，用三角形折线图表示。由图5可见：

(1) 填充密度一定时，打印速度与打印时间负相关；

(2) 同一打印速度下，填充率和打印时间正相关，用方程y=x+k(30

在origin中，将表1中填充率与总行数做图。由图6可见：

图6 填充密度与总行数图

图7 填充密度与需要材料图

图8 打印速度与填充密度图

(1) 同一打印速度下，在填充率30%～50%、60%～90%区间，填充率与打印总行数正相关；而填充率在50%～60%、90%～100%区间，填充率与打印总行数负相关。

(2) 填充密度一定时，总行数与打印速度无关。

讨论填充率与需求材料的关系，在origin中，将表2中填充率与需要材料做图，由图7可见:

表2 V=45 mm/s时填充密度对相关打印参数影响

表3 V=55 mm/s时填充密度对相关打印参数影响

(1) 同一打印速度下，填充密度与需求材料正相关，可用方程y=x(30

(2) 填充密度一定时，打印速度与需求材料无关。

4 打印速度对A型天线罩打印周期和质量的影响

控制填充密度为定量，研究打印速度对A型天线罩打印周期和理论打印材料的影响。填充密度随机选取50%，70%，90%，如表2～表6所示。对打印速度按5 mm/s增加，研究不同填充密度下打印速度对打印周期、打印用料等参数的影响。相关数据如表2～表6所示。为进一步研究相关关系，采用origin对相关数据做图，如图8～图10所示。其中填充密度50%、70%、90%分别用菱形、圆形、三角形线型表示。

图9 打印速度与总行数

图10 打印速度需求材料

表4 D=50%时打印速度对相关打印参数影响

表5 D=70%时打印速度对相关打印参数影响

表6 D=90%时打印速度对相关打印参数影响

讨论打印速度与打印时间的关系，在origin中，将表4～表6中打印速度与打印时间作图。由图8可见：

(1) 同一填充密度下，打印速度与打印时间负相关，可用方程y=1/x+k(40

(2) 打印速度一定时，填充密度与打印时间正相关。

讨论打印速度与总行数的关系，在origin中，将表4～表6中打印速度与总行数做图，由图9可见：

(1) 同一填充密度下，打印速度与总行数无关；

(2) 同一打印速度下，填充密度与总行数正相关。

讨论打印速度与需求材料的关系，在origin中，将表4～表6中打印速度与需求材料做图，由图10可见：

(1) 同一填充密度下，打印速度与需求材料无关；

(2) 同一打印速度下，填充密度与需求材料正相关。

5 结束语

本文在SW软件建模、RH软件切片的条件下，分析了打印速度、填充密度对A型天线罩相关成型参数的影响。得出以下结论：

在打印速度不变时：

(1) 填充密度一定时，打印速度与打印时间负相关，总行数与打印速度无关，打印速度与需求材料无关;

(2) 同一打印速度下，填充率和打印时间正相关，用方程y=x+k(30

(3) 同一打印速度下，在填充率30%～50%、60%～90%区间，填充率与打印总行数正相关，在填充率在50%～60%、90%～100%区间负相关;

(4) 同一打印速度下，填充密度与需求材料正相关，可用方程y=x(30

在填充密度不变时：

(1) 同一填充密度下，打印速度与打印时间负相关，可用方程y=1/x+k(40

(2) 打印速度一定时，填充密度与打印时间正相关，填充密度与总行数正相关，填充密度与需求材料正相关；

(3) 同一填充密度下，打印速度与总行数无关，打印速度与需求材料无关。

未来战场对于遮障、假目标、天线器材性能等多方面要求会越来越高，敌方识别目标干扰的能力也会逐渐提升。而 3D打印具有环保、周期短、精度高、操作简单安全等优点，未来在天线制作及军事活动中将会有更多更普遍的应用。