张超

（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009）

基于逆向设计的无人机叶片制造大体包含两个步骤，其一是叶片的逆向建模，主要是利用三维扫描仪采集叶片数据，并在数据预处理的基础上通过逆向设计优化得到新模型；其二是叶片的3D 打印，具体又可分为熔融沉积成型技术（FDM）、立体光固化成型技术（SLA）和选择性激光烧结（SLS）等类型。本文选择FDM 打印技术，并简要概述了无人机叶片FDM打印过程，并且对打印时常见的不出料、测温异常等问题提出了针对性的处理建议，为应用3D 打印技术高精度、高效率地制造出无人机叶片提供了一定的帮助。

1 基于逆向工程的无人机建模

1.1 数据的采集

采集测量对象的基础数据是逆向建模的第一步，而所得数据的完整性、准确性则直接影响着逆向工程的成败。传统的接触测量是利用传感器探头接触被测物体，获取其形状信息。但是接触摩擦容易划伤被测物体，并且不适合有自由曲面或空腔结构的零件。基于手持式三维扫描仪的非接触式测量则能有效解决上述问题，并且效率和精度都得到了大幅度提高。本文中使用HSCAN手持三维激光扫描仪对无人机叶片的基础数据进行采集。分别在叶片的上下表面贴上不规则的标记点，以便于得到上下表面的点云。开始扫描后，设备自动进行目标点的定位，获取数据后采用双图像合成技术保证扫描模型的精度。所得三维数据自动生成STL 三角网格面，并将该数据导入Imageware 软件中进行处理。

1.2 数据的处理

通过数据处理可以对无人机叶片模型进行优化，这也是提高叶片制造精度的关键步骤。本文使用Imageware逆向软件进行数据处理和叶片模型的重建。在数据采集过程中，由于设备晃动等原因可能会导致点云数据中存在一些脱离曲面的离散点。因此数据处理环节需要剔除异常点，保证最终生成的叶片模型具有足够高的精度。选择不同测量方式获得的点云数据，对于异常点数据的处理方式也存在差异。常见点云数据的特征及获取方式如表1 所示。

表1 不同点云的特征及获取方式

这里以网格化点云为例，由于分散的点云之间没有明显的拓扑关系，因此可以使用Imageware 软件提供的直接检查和放大功能，将明显的多余点和噪音点删除。对于那些不太明显的异常点，则可以选择体外孤点功能进行删除。通过对比异常点处理前后无人机叶片模型的变化，在确认异常点消失后保存当前的叶片点云数据。

1.3 无人机叶片模型的构建

构建叶片模型是进行3D 打印的前提。基于Imageware 软件给出的测量数据可知，无人机叶片直径为200mm，总高度为46.2mm，总宽度为18.8mm。模型主要分为两部分，即叶片端盖和叶片曲面。叶片模型的端盖部分可通过公差曲线拟合的方式生成。在Imageware 软件的菜单栏中，选择“曲线”-“投影曲线”后，将叶片与端盖的相交线投影到外圆面上。将该曲线沿着Z 轴旋转360°后，就可得到端盖模型。叶片模型的曲面部分必须要保证曲率的平滑过渡，因此要在曲面上尽可能选择更多的控制点。具体又可分为三个步骤：

第一是截取剖面点云。将前期采集到的点云数据导入到软件中，并建立新的坐标系。创建5 个间隔为10mm的基准平面，并在左右侧各拾取大量的点，同样执行投影命令，把这些点全部投影到平面上。通常来说，同一截面上点云数据越多，则点云与生成放样曲面的拟合性越好，即平面曲线越光滑。第二是根据点云构造闭合曲线。依次选择“曲线”-“艺术样条”-“通过极点”选项，可以得到多条从截面点云中分离出来的闭合曲线。再执行“曲面”-“网格曲面”命令，利用闭合曲线构建得到叶片曲面。第三是基于生成的叶片曲面，开展误差分析和光顺性检查。依次执行“分析”-“面形状”-“反射”命令，选择黑白线后通过斑马纹形状分析，可以得到叶片曲面的光顺性、曲率等参数。根据分析结果对曲面作出微调，直到叶片曲面的精度符合预期。

2 无人机叶片的3D 打印技术

在3D 打印中，熔融沉积成型（FDM）和立体光固化成型（SLA）是两种常用的打印技术。前者材料更换方便、后处理简单、使用成本低，并且产品的强度、硬度远远超出普通注塑件；后者加工速度快、尺寸精度高，但是成本造价高，并且所用的光敏树脂材料有一定毒性。本文需要打印的无人机叶片结构比较简单并且对强度要求严格，因此综合对比来看选择FMD 打印技术。在FDM打印中，所用设备为HORIE350 打印机，所用材料为PLA 热塑性材料，FDM层高精度0.05-0.4mm，在耗材用完后机器自动暂停，等添加材料后按照打印进度继续打印。

2.1 导入模型

将得到的叶片逆向模型进行格式转换，得到yepian.stl 格式文件，然后导入到HORI 3D 打印软件系统中。在菜单栏中选择打印机后，在模型导入界面展示待加工的无人机叶片三维模型，如图1 所示。

图1 模型导入界面

2.2 设定坐标系

将叶片模型移动至中间平面，并旋转使其呈水平状态。然后从菜单栏中选择“设置”-“打印坐标”，在弹出的对话框中设定打印坐标系。将叶片的最底端设置为Z0，点击确定。设置完毕后叶片状态如图2 所示。

图2 叶片坐标系设定界面

2.3 切片参数设置

从菜单栏中选择“设置”-“切片设置”，设置切片的基本参数。在打印材料一项中，默认材料为PLA（聚乳酸），将材料密度设定为3.0g/m3，在底垫一项中选择无底垫，在支撑模式中选择底层支撑，在支撑类型中选择线支撑，内部填充图案选择网格，打印速度设定为35mm/s。完成上述基础参数的设置后，点击保存设置，然后打开“高级设置”，在弹出的对话框中设置打印头的工作温度为200℃，打印板的工作温度为50℃。切片参数设置界面如图3 所示。

图3 切片参数设置界面

2.4 分层切片

完成切片参数设置后，开始对无人机叶片进行分层切片。此时打印软件会根据之前设置好的参数，自动计算出本次叶片打印所需的时间、所用材料的数量，备好料后开始分层打印。每完成一层的打印，软件自动保存该层数据并生成一个独立的文件夹，并根据层数进行命名。在叶片打印结束后，工作人员可通过菜单栏的“文件”选项中，选择各层文件夹进行查看，确认每一层的切片情况是否完好。分层切片情况如图4 所示。

图4 切片演示界面

2.5 打印准备

把前期设置好的各项参数导入到新的SD 卡中，再将SD 卡插入打印机，将卡内文件转换成打印机可识别的.gcode 格式后准备打印。调整打印机的平台，使其呈水平状态。然后移动喷嘴，使平台与喷嘴之间的距离合适。将准备好的PLA 材料通过挤出机压入到打印头中。启动设备观察喷嘴能否正常喷出材料，确定工况正常后在打印平台表面涂刷一层3D 打印专用胶水，防止PLA 材料与打印机平台脱离。

2.6 上料打印

完成上述准备事项后，从打印机的人机交互界面上点击“一键进料”按钮，此时喷嘴温度会从常温逐步加热升高至设定好的200℃，升温热床的温度也会逐渐升高至设定好的50℃，温度达标后开始上料，上料界面如图5所示。

图5 上料界面

在上料打印过程中，可以在打印机的显示界面上随时观察状态参数，包括喷嘴温度、热床温度、打印进度等。如果发现温度异常或者打印错位等情况，要立即暂停打印，查明问题原因并进行处理后再继续打印。

2.7 无人机叶片的后处理

在按照设定程序和依据叶片模型完成打印后，还要进行简单的后处理操作。在FDM打印机工作完毕后，将无人机叶片移出。此时叶片的下方还连接着支撑材料，表面也残留一些废料。在后处理中，工作人员需要通过剥离、抛光、表面强化等操作，将叶片表面清理干净。

3 无人机叶片3D 打印常见故障与处理

3.1 打印过程不出料的处理

在本次3D 打印无人机叶片时出现了一次打印不出料的故障。对该故障进行了逐步分析：首先是检查材料加热温度是否正常。根据设置参数，观察打印头、打印板的工作温度变化曲线，发现均维持在正常区间内，未出现温度异常升高的情况。其次是检查耗材，本次打印中设计使用耗材19.8g，加入PLA 材料25g，打印结束后检查发现材料盒中仍然有少量剩余，故排除是材料耗尽导致打印过程不出料。最后检查发现在打印头齿轮处有少量断掉的耗材，导致进料通道被堵塞，新的材料无法通过喉管出融化挤出。

解决方法如下：首先使用螺丝刀将前风扇盖板的4个内六角螺丝卸下，可以观察到断掉的耗材。但是不能直接取出，防止取出过程中部分耗材掉入更深的喉管处。快速双击“喷头温度+”按钮，使喷头温度稳定在200℃左右，等待1 分钟后，从人机操作界面上勾选“解锁”选项，目的是让电机处于解锁状态，方便维修操作。此时再用尖嘴钳将断掉的耗材夹住、取出。在清理断掉的耗材后，重新将前风扇安装固定，再次启动后发现可以正常出料。

3.2 测温异常的处理

本次打印中还出现了一次测温异常故障。在打印机停止运行的情况下，拆机检查热敏电阻有无损坏，发现热敏电阻并无异常。然后检查热敏电阻底部插头有无松动情况。发现3 个独立插头中的1 个插头有松动，重新插拔后启动打印机，发现测温系统恢复正常。

4 结论

叶片作为无人机的重要组件，随着无人机的用途日益广泛、性能要求升高，对叶片的加工制作精度也提出了更高的要求。基于逆向设计技术构建无人机叶片模型，利用Imageware 逆向软件完成数据采集、数据处理以及模型重建，保证了所得叶片三维模型具有较好的平滑性、准确性。在此基础上，将模型数据导入到3D 打印机上，设定好各项打印参数后，执行打印程序，即可得到最终的无人机叶片。在打印过程中，容易出现打印不出料、不升温，以及测温异常、模型错位等常见问题。工作人员需要密切关注打印过程，并在打印机报错后立即采取处理措施，保证最终打印出来的叶片能够在性能、精度等方面符合预期。