零件的轻量化设计与快速成型探究_陈福德.pdf
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1、2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.111641642023.062023.06收稿日期:2022-12-29基金项目:山东华宇工学院课堂教学改革试点课程(2021KG-07)零件的轻量化设计与快速成型探究陈福德(山东华宇工学院,山东 德州 253034)摘 要:随着科技的进步,人们对于产品的精细化设计和制造提出了更高的要求。在产品设计时,利用先进制造技术对其进行轻量化设计和快速成型成为发展的趋势。文章以四旋翼无人机机身部件为例,利用 Altair Inspire 软件和
2、 FDM 3D 打印技术对产品进行强度校核和快速打印成型,主要从强度分析、子模型创建、打印方向确定、分层打印参数设置等方面进行探究,寻求最优参数,为产品的优化设计提供重要参考。关键词:3D 打印;强度校核;打印方向;参数设置中图分类号:TP391.7 文献标识码:A 文章编号:2096-4706(2023)11-0164-04Exploration on Light-Weight Design and Rapid Printing Forming of PartsCHEN Fude(Shandong Huayu University of Technology,Dezhou 253034,Ch
3、ina)Abstract:With the progress of science and technology,people put forward higher requirements for the fine design and manufacturing of products.At the time of product design,it has become the development trend to use advanced manufacturing technology for light-weight design and rapid printing form
4、ing.Taking the four rotor UAV fuselage components as an example,this paper uses Altair Inspire software and FDM 3D printing technology to carry out the strength check and rapid print forming of the product,explores mainly from the strength analysis,sub model creation,printing direction determination
5、,layered printing parameter setting and other aspects,and seeks the optimal parameters,so as to provide an important reference for the optimal design of the product.Keywords:3D printing;strength check;print direction;parameter setting0 引 言无人机是利用无线电遥控的小型飞机,主要应用于军用和民用领域。随着科技的不断进步,人们对于生活需求的大大提升,拓展了无人机的
6、应用,使其逐渐趋于轻量化和小型化发展。在产品设计时,利用先进制造技术及手段,对其进行轻量化设计和快速成型,从而更加快捷地检验和修正设计中存在的问题,保证产品的质量和可靠性,缩短生产周期,降低成本,达到高效生产目的。本文以四旋翼无人机机身部件为例,利用 Altair Inspire 软件和 FDM 3D 打印技术对产品进行强度校核和快速打印成型,探究其产品的前处理、加工成型及后处理工艺过程中主要影响因素,寻求最佳参数,为产品的设计制造提供重要依据1,2。1 前处理1.1 约束条件及强度分析设定模型分析材料为 Plastic(ABS)(杨氏模量 2 000 MPa、泊松比 0.35、密度 1 06
7、0 kg/m3、屈服应力 45 MPa)。根据要求添加外部载荷条件(约束和力),在四个圆柱位置DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.037的施加大小为 20 N 的力,其方向为 Z 轴正方向;无人机携带了摄像头等有质量的物体,在实际分析无人机结构时,利用“质量点”功能,将摄像头等物理的质量施加给无人机机身底面中心位置的下方一点 A(0,0,-15),通过柔性连接器连接底面表面圆,并在 A 点施加质量为 0.1 kg 的“质量点”,施加大小为 60 N 的力,方向为 Z 轴负方向3,4。利用 Altair Inspire 软件,从选定分析的运行加载得出相应结果,为了
8、更好观察应力大小及分布,将米塞斯等效应力颜色由发散(红-蓝)改为多彩模式,进而看到最值区间各应力颜色状态及分布情况。模型受力轴侧方向视图如图 1 所示,根据应力分析结果,模型整体分红色,绿色,蓝色 3 个区域;红色区域承受载荷最大,绿色次之,蓝色最小。最大米塞斯等效应力:3.081e+00 MPa最小米塞斯等效应力:1.488e-02 MPaFFFFF图 1 强度分析结果1651652023.062023.06第 11期根据图 1 分析结果可知,模型上下面的中间部分显示为红色和绿色较多,说明这些区域承受载荷比较大,模型承受应力较为集中的区域如图 2 所示。最大米塞斯等效应力:3.081e+00
9、 MPaFFFFF图 2 应力集中区域1.2 创建子模型根据图 1 模型承受应力较为集中的区域,进行子模型创建。通过分析需创建 3 个子模型,分别为顶部区域子模型、底部区域子模型、方槽底部区域子模型。利用 UG12.0 建模软件对其进行数据处理,分别创建单独子模型,并将顶部、底区及方槽底部区域子模型利用软件导出为打印的 STL 格式文件。1.3 模型切片利用 NX12.0 软件导入模型 UAV.step,导出 3D 打印STL 格式文件,结合对其进行的强度分析结果,使用 UP Studio 3.2.6 软件,完成模型切片参数设置。对软件进行偏好设置,语言选择简体中文,选择高级界面设置。快捷菜单
10、栏设置,设备型号为 UP300,喷嘴直径为 0.4 mm,材料类型为 ABS,模型分层 0.25 mm,工艺参数设置选择专家模式。1.3.1 载入模型选择文件夹中的三维模型数据进行导入,对子模型进行布局填充。导入主模型时,一定要注意取消模型自动摆放。然后分别导入 3 个子模型(子模型置于主模型内部),对子模型布局进行填充。选择 File 自定义,infill 100%填充。注意取消模型自动摆放。将顶部区域创建的子模型导入主模型,选择 File 自定义,infill 100%填充。将底部区域创建的子模型导入主模型,选择 File 自定义,infill 100%填充。将方槽底部区域创建的子模型导入
11、主模型,选择 File 自定义,infill 100%填充,如图 3 所示。图 3 载入模型1.3.2 确定打印方向针对四旋翼无人机机身部件的结构特点,打印方向可以有三种方案。方案一:如图 4 所示,打印时无须添加支撑。按照方案一,利用 UP Studio 3.2.6 软件,设置合适的打印参数(注意:除支撑的设置外,三种打印方案其他所有的打印参数设置完全相同,下同),对模型进行切片分层生成加工路径,显示打印时间为 6 小时 23 分钟,使用耗材 57.2 g。图 4 方案(一)方案二:将图 4 中模型倒置放置,如图 5 所示。由于模型 4 个圆筒和中间的方槽内部为空心,打印时必须添加支撑,才能
12、保证顶面的打印质量。按照方案二,利用 UP Studio 3.2.6软件,设置合适的打印参数,对模型进行切片分层生成加工路径,显示打印时间为 7 小时 49 分钟,使用耗材 62.2 g。图 5 方案(二)方案三:如图 6 所示,由于模型 4 个圆筒和中间的方槽内部为空心,打印时必须添加支撑,才能保证顶面的打印质量。按照此方向放置时,中间连接肋板为斜面,且与竖直方向的倾斜角度较大,打印时必须添加支撑,才能保证倾斜部分结构的打印质量。按照方案三,利用 UP Studio 3.2.6 软件,设置合适的打印参数,对模型进行切片分层生成加工路径,显示打印时间为 12 小时 24 分钟,使用耗材 93.
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