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　　光固化成型技術(shù)在無人機(jī)植保噴頭研發(fā)中的應(yīng)用

光固化成型技術(shù)（stereo lithography apparatus，SLA），又稱立體光刻，是目前應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的快速成型技術(shù)。光固化成型技術(shù)能夠制造出形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量較好、具有較高強(qiáng)度和硬度的零件，其具備成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)、制造速度快和設(shè)計(jì)制造一體化等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛地應(yīng)用于航空、汽車、電器以及醫(yī)療等行業(yè)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械及其器件的研發(fā)周期長、難度大和成本高，尤其是對(duì)特殊復(fù)雜的關(guān)鍵零件的研發(fā)，昂貴的費(fèi)用甚至導(dǎo)致研發(fā)停滯。在光固化成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，將會(huì)突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造的限制，減少研發(fā)成本和降低其復(fù)雜性，為農(nóng)業(yè)機(jī)械及其器件的創(chuàng)新提供良好的研發(fā)平臺(tái)。

近年來，無人機(jī)植保噴頭成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研發(fā)出性能良好的無人機(jī)植保噴頭，能減少霧滴的飄失，降低農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染，提高農(nóng)藥的有效利用率，并提高無人機(jī)植保的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

本文擬采用光固化成型技術(shù)打印無人機(jī)常用的植保扇形噴頭，通過試驗(yàn)與傳統(tǒng)方法制造的扇形噴頭進(jìn)行比較，分析其可行性，進(jìn)而優(yōu)化無人機(jī)植保噴頭制造的工藝流程，提供一種周期短、成型精度高和成本低的制造方法。

1  光固化成型技術(shù)概述

美國3D Systems公司發(fā)明了光固化成型技術(shù)，其原理如圖1所示。在計(jì)算機(jī)的控制下，聚焦后的紫外激光束沿著實(shí)體模型分層后的掃描路徑，在液態(tài)光敏樹脂表層加工，被掃描區(qū)域的光敏樹脂材料因紫外光照射發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，形成零件的1個(gè)切片層。

一層固化后，工作臺(tái)向下移動(dòng)1個(gè)層厚的距離，新一層的液態(tài)樹脂填充加工表面，采用刮刀將固化層表面的樹脂刮平，再對(duì)后續(xù)層進(jìn)行掃描和固化加工，如此反復(fù)直到獲得三維原型。

圖1  傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)原理

美國Carbon 3D團(tuán)隊(duì)研發(fā)了光固化3D 打印的CLIP技術(shù)。該技術(shù)通過利用光敏樹脂的氧阻聚作用，在液態(tài)光敏樹脂界面上實(shí)現(xiàn)連續(xù)固化成型。由于此技術(shù)的出現(xiàn)，3D打印速度比傳統(tǒng)工藝提高數(shù)十倍，并極大地提高了成型精度。

目前，在光固化成型技術(shù)之上延伸出來的噴射固化成型和面曝光快速成型技術(shù)更是在打印精度和速度上有了質(zhì)的飛躍。

在光固化成型技術(shù)中，光敏樹脂的性能直接影響著最終成型實(shí)體的精度和質(zhì)量，它與成型過程中可能出現(xiàn)的各種變形問題等有著非常密切的關(guān)系。

因此，成型材料在利用光固化成型技術(shù)的過程中十分關(guān)鍵。隨著光固化成型技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，與其相匹配的成型材料得到了關(guān)注和研究。

陳小文對(duì)由不同的物質(zhì)混合的光固化樹脂體系進(jìn)行研究，分析各樹脂系的固化速度、拉伸強(qiáng)度、收縮率以及散熱速度等特點(diǎn)，為自主研發(fā)光固化成型技術(shù)專用材料奠定基礎(chǔ)。

Sangermano等利用含螺環(huán)原碳酸酯進(jìn)行陽離子雙開環(huán)聚合時(shí)體積發(fā)生膨脹的特點(diǎn)，令其與環(huán)氧樹脂組成復(fù)合預(yù)聚體，進(jìn)行陽離子光引發(fā)聚合，有效降低了光固化樹脂的成型收縮率。

2  無人機(jī)植保噴頭研發(fā)特點(diǎn)

2.1 工作特點(diǎn)

直接完成噴霧工作的部件是植保噴頭，噴頭終端的結(jié)構(gòu)是影響噴霧效果的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)植保噴頭用于地面植保工作，外界對(duì)其噴霧效果影響因素較少，且相對(duì)容易控制。而與傳統(tǒng)植保噴頭相比，無人機(jī)植保噴頭的研發(fā)需要考慮的方面更多。無人機(jī)作業(yè)條件、外界環(huán)境條件和噴霧參數(shù)等多種因素都會(huì)影響無人機(jī)空中施藥的作業(yè)效果。

其中，霧滴飄移率直接影響藥液流失大小、對(duì)環(huán)境污染的程度以及病害防治效果好壞的重要原因，是評(píng)價(jià)無人機(jī)施藥效果好壞的重要指標(biāo)之一。控制霧滴粒徑在合適的范圍是減少霧滴飄移和提高航空施藥效果的直接途徑。而霧滴粒徑與噴頭終端的結(jié)構(gòu)參數(shù)有著密切的聯(lián)系。

2.2 性能特點(diǎn)

評(píng)價(jià)植保噴頭性能的主要指標(biāo)包括霧滴粒徑、霧滴的分布均勻度、噴幅以及流量等。

無人機(jī)植保噴頭作為航空噴施裝備方面的關(guān)鍵部件，必須要滿足低量噴施、均勻噴施和輕量化等要求，同時(shí)噴頭設(shè)計(jì)成專用的無人機(jī)噴頭，需要考慮許多基本的技術(shù)指標(biāo)，包括噴霧模式、制造材料和流量等，并且噴頭終端的結(jié)構(gòu)應(yīng)該有利于旋翼高速氣流流過噴頭時(shí)對(duì)霧滴實(shí)現(xiàn)二次霧化。

2.3 無人機(jī)植保噴頭現(xiàn)狀

目前，對(duì)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)機(jī)械的投資一直是資本市場中投資的熱點(diǎn)。國內(nèi)的無人機(jī)植保噴頭企業(yè)研發(fā)能力較弱，國際噴頭企業(yè)巨頭爭相占領(lǐng)中國的市場，從而導(dǎo)致國內(nèi)的無人機(jī)植保噴頭市場被國外噴頭行業(yè)占領(lǐng)，國產(chǎn)無人機(jī)植保噴頭的市場認(rèn)可度較低。

美國的TEEJET噴頭和德國的LECHLER噴頭等外國品牌占據(jù)了國內(nèi)無人機(jī)植保噴頭的市場。而國產(chǎn)噴頭如LICHENG等雖然占有一定的市場份額，但是在性能和市場認(rèn)可度方面始終與外國品牌存在一定的差距。因此，盡快提高無人機(jī)植保噴頭的研發(fā)能力，爭奪無人機(jī)植保噴頭市場已成為亟待解決的問題。

3  光固化成型的扇形噴頭性能測試

扇形噴頭是農(nóng)業(yè)機(jī)械中要求制造精度較高的一種植保零部件。其霧化原理：當(dāng)具有一定壓力的液體進(jìn)入噴頭，在受到切槽模面的擠壓后，被拉伸成平面液膜，然后在噴頭內(nèi)外壓差的作用下液膜擴(kuò)散變薄撕裂成絲狀，最終碎裂形成霧滴?？諝馀c扇形噴頭噴出的霧流摩擦，進(jìn)一步細(xì)化霧滴，使其均勻散落在農(nóng)作物上。

扇形噴頭的終端結(jié)構(gòu)是噴霧過程中最關(guān)鍵的部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響噴霧的效果和質(zhì)量。扇形噴頭的終端形狀及縱向剖面如圖2所示。

在研究設(shè)計(jì)中，分析了扇形噴頭終端的切槽角度、切槽深度、內(nèi)孔到終端面間距和噴孔內(nèi)腔直徑對(duì)噴霧粒徑大小的影響，得出合理的扇形噴頭終端的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)常用的無人機(jī)植保噴頭LICHENG VP110-03型號(hào)扇形噴頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

α-切槽角度；H-切槽深度；h-內(nèi)孔到終端面間距；e-過心距；D-噴孔內(nèi)腔直徑；R-噴孔內(nèi)腔半徑

圖2  扇形噴頭終端剖面

利用傳統(tǒng)的加工設(shè)備加工制造出1個(gè)植保噴頭需要通過一系列復(fù)雜的流程，包括需要導(dǎo)出二維圖，標(biāo)注詳細(xì)的尺寸及技術(shù)要求等。同時(shí)，由于傳統(tǒng)加工方式的限制，每制造1個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的噴頭就需要再開模，價(jià)格較高，從而不能大量制造出系列不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴頭去進(jìn)行試驗(yàn)性能測試，導(dǎo)致無人機(jī)植保噴頭的研究開發(fā)受到一定的阻礙。

通過Union Tech的SLA光固化快速成型機(jī)對(duì)扇形噴頭進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造（成型材料為未來8 000樹脂），并與用傳統(tǒng)工藝制造出來的LICHENGVP110-03型號(hào)扇形噴頭進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

3.1 扇形噴頭實(shí)體制作

根據(jù)無人機(jī)植保噴頭的相關(guān)技術(shù)要求，使用Solidworks三維軟件進(jìn)行扇形噴頭的實(shí)體設(shè)計(jì)，生成理想的三維模型，如圖3所示。再將扇形噴頭的三維模型轉(zhuǎn)化成三角形化的STL格式。

圖3  扇形噴頭實(shí)體設(shè)計(jì)

啟動(dòng)SLA光固化快速成型機(jī)控制軟件，讀入扇形噴頭的STL文件，完成工件參數(shù)和速度參數(shù)等設(shè)置后，確認(rèn)后軟件控制自動(dòng)進(jìn)行扇形噴頭的成型加工。

實(shí)物成形加工完成后，用美工刀把扇形噴頭從硬紙板取下。打印好的扇形噴頭，尺寸精度0.1 mm，單個(gè)總體積約772 mm³，總表面積約1 077 mm²，打印成本2.53元/個(gè)，打印效率10 min/個(gè)。

3.2  試驗(yàn)研究

3.2.1  試驗(yàn)儀器及環(huán)境

試驗(yàn)儀器：噴霧性能檢測試驗(yàn)臺(tái)、歐美克DP-02型激光粒度分析儀、高速攝像機(jī)和普蘭迪12V直流隔膜水泵等。

試驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)：2017年4月30日在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)：實(shí)驗(yàn)室溫度25 ℃，濕度35%～45％，噴頭與激光粒度分析儀中心的垂直距離（H）為1 000 mm，試驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

圖4  試驗(yàn)環(huán)境

3.2.2  試驗(yàn)方法

把LICHENG VP110-03型號(hào)扇形噴頭與光固化成型的扇形噴頭分別依次安裝到噴頭體上，并依次在噴霧性能檢測試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能檢測試驗(yàn)，具體如下。

（1）試驗(yàn)藥液以無雜質(zhì)清水替代。

（2）壓力表安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)水泵的調(diào)節(jié)螺絲來控制噴霧壓力在0.3 MPa。

（3）用高速攝像機(jī)對(duì)正在噴霧的噴頭進(jìn)行拍照，將得到的圖片傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后，觀察噴頭的噴霧效果。

（4）霧滴粒徑大小及分布規(guī)律通過DP-02型激光粒度分析儀進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)內(nèi)置軟件進(jìn)行處理分析。

3.2.3  試驗(yàn)結(jié)果及分析

歐美克DP-02型激光粒度分析儀，采用累積分布表示霧滴的粒度分布。中位徑是反映霧滴粒度特性的重要指標(biāo)之一，是指當(dāng)霧滴累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50％時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值。一般用D50表示。

LICHENG VP110-03型號(hào)扇形噴頭與光固化成型的扇形噴頭的粒度分析結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5  LICHENG VP110-03型號(hào)扇形噴頭霧滴粒徑分布

圖6  光固化成型的扇形噴頭霧滴粒徑分布

在圖5和圖6的粒度特征參數(shù)中，D（4，3）表示體積平均粒徑；D（3，2）表示面積平均粒徑，S.S.A.表示單位體積的物料所具有的總面積。在粒徑分布圖中，橫坐標(biāo)表示粒徑分布區(qū)間，左縱坐標(biāo)表示各粒徑霧滴所占體積的百分比，右縱坐標(biāo)表示各粒徑霧滴的累積分布，曲線①表示霧滴粒徑的累積曲線，曲線②表示該區(qū)間內(nèi)粒徑所占霧滴（體積）總量比例大小。

從圖中可以看出2種噴頭霧滴的中位徑分別為182.27 μm和171.66 μm，體積平均粒徑和面積平均粒徑差異較小，粒度分布圖趨于一致。通過多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可得出，目前光固化成型的植保扇形噴頭精度基本能夠達(dá)到噴霧工作要求，可作進(jìn)一步使用。

4  結(jié)論

（1）將光固化成型技術(shù)運(yùn)用于研發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械及其器件，可以減少制造時(shí)間和降低制造成本。適合農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)中新產(chǎn)品開發(fā)和模型設(shè)計(jì)制造使用，而且也適合替代產(chǎn)品制造及小批量快速制造。

（2）光固化成型技術(shù)打印出來的無人機(jī)植保扇形噴頭精度能夠基本達(dá)到工作要求，可用于探究扇形噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)粒徑大小、噴霧角和流量等工作指標(biāo)影響的相關(guān)規(guī)律，研發(fā)適用于不同工況的無人機(jī)植保扇形噴頭。

（3）光固化成型能大量制造出結(jié)構(gòu)參數(shù)各異的一系列噴頭，對(duì)加快研發(fā)無人機(jī)植保專用噴頭和提高無人機(jī)植保噴頭制造水平有著重要的意義。

來源：2018年9期《農(nóng)業(yè)工程》（中國科技核心期刊）

作者：賈瑞昌  唐楚鵬  王志敏  李嘉晉

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