一种3D打印轻质单摆的方法与流程

本发明涉及3d打印领域。

背景技术：

mems微推进器具备质量轻、体积小、可控性强等特点，解决了限制微纳卫星先进性的重要问题，为微纳卫星提供毫牛级微推力，用于轨道转移、姿态控制、位置保持。微推进器是微小卫星的主要动力部件，其性能直接关系到微小卫星的广泛应用。为适应微小卫星在轨运行所需的微牛顿量级的推力，微推进器的推力也在微牛顿量级。在微推进器的研制过程中，要对其推力进行测试。现有的测试微牛顿量级推力常用到的单摆测试装置中，一个重要的部件就是单摆，通过点燃正对单摆的mems微推进器，使其喷出的气体冲击单摆，单摆受力后产生摆动，由此来计算mems微推进器产生的推力的大小，但是现有的单摆一般为铝合金、钛合金材料。由于单摆的质量重，对于微牛顿量级的推力的测量产生极大的误差。因此设计一种高精度、高灵敏度的单摆显得至关重要。

技术实现要素：

本发明是要解决现有的合金材质单摆测量产生的误差过高的技术问题。而提供一种3d打印轻质单摆的方法。

本发明的一种3d打印轻质单摆的方法，包括以下步骤：

一、用solidworks绘图软件，根据单摆的结构图，对单摆的进行等比例制图建模，得到格式为stl的单摆模型；

二、将上述所得模型导入iemai3d切片软件中，设置相关参数：层厚0.05～0.2mm、填充密度80～95％、打印速度40～100mm/s、打印头温度220～260℃、热床温度80～100℃以及内腔温度70～90℃，完成参数设置后导出格式为gcode的3d打印机可识别的数据文件；

三、将所得gcode文件导入高温3d打印机中；再将abs线材加入到高温3d打印机中，进行打印，得到单摆粗品；

四、将步骤三得到的单摆粗品进行修整、清洗后，得到轻质单摆。

本发明采用3d打印机打印的单摆，成型强度、尺寸稳定性好，与设计的最佳单摆结构尺寸高度吻合，且所得结构机械性能优良，可完全满足微推力测试系统要求。

本发明经3d成型的单摆结构的质量仅为1～1.4克，是相同尺寸的铝合金单摆的28％～39％，具有重量轻、空间阻力小、制备简单、复现性高、价格低廉的优势，可极大地提升测试系统的微推力测试范围，同时也可提升冲击摆测试系统的设计精度和加工精度。同时，该轻质高分子单摆结构相比传统金属质地，具有更高的灵敏度，进而可显著提升系统对于微推力的辨识度和响应性。

附图说明

图1是实施例1中的制备的单摆的正视图；

图2是实施例1中的制备的单摆的侧视图

图3是实施例1中单摆测试装置的结构示意图；

图4是实施例1中单摆测试装置的摆动装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种3d打印轻质单摆的方法，包括以下步骤：

一、用solidworks绘图软件，根据单摆的结构图，对单摆的进行等比例制图建模，得到格式为stl的单摆模型；

二、将上述所得模型导入iemai3d切片软件中，设置相关参数：层厚0.05～0.2mm、填充密度80～95％、打印速度40～100mm/s、打印头温度220～260℃、热床温度80～100℃以及内腔温度70～90℃，完成参数设置后导出格式为gcode的3d打印机可识别的数据文件；

三、将所得gcode文件导入高温3d打印机中；再将abs线材加入到高温3d打印机中，进行打印，得到单摆粗品；

四、将上述所得单摆粗品使用2000目细砂纸打磨边角并氮气吹扫，随后放入超声波清洗器中进行超声除去表面残留粉尘，得到单摆成品。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是abs线材线径为1.7～2.0mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中设置的层厚为0.1～0.15mm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中设置的填充密度85％～90％。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中设置的打印速度50～70mm/s。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中设置的打印头温度为240～250℃。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中设置的热床温度85～90℃。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中设置的内腔温度80～85℃。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中将abs线材的表面涂有石蜡或超微细聚四氟乙烯(ptfe)。其它与具体实施方式一至八之一相同。

本实施方式，表面涂有石蜡的abs线材，在打印过程中，石蜡挥发在制件中形成微孔，可以进一步降低制品的重量。表面涂有超微细聚四氟乙烯与周围的基体的不相溶，形成微孔。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中所述的修整是用1500～2000目细砂纸打磨边角，并氮气吹扫。其它与具体实施方式一至九之一相同。

用以下的试验验证本发明的有益效果：

实施例1：本实施例的一种3d打印轻质单摆的方法，按以下步骤进行：

一、用solidworks绘图软件，根据单摆的结构图，对单摆的进行等比例制图建模，得到格式为stl的单摆模型；其中单摆由摆杆和摆片组成，摆杆的长为161mm，宽为4mm，厚为2mm；摆片的长为20mm，宽为20mm，厚为2mm；其正视图如图1所示，侧视图如图2所示；

二、将上述所得模型导入iemai3d切片软件中，设置参数为：层厚0.1mm、填充密度85％、打印速度60mm/s、打印头温度240℃、热床温度90℃以及内腔温度80℃，完成参数设置后，导出格式为gcode的3d打印机可识别的数据文件；

三、将所得gcode文件导入东莞一迈magic-ht-l型高温3d打印机中；再将线径为1.75mm的abs线材加入到高温3d打印机的中，进行打印，得到单摆粗品；

四、将上述所得单摆粗品使用2000目细砂纸打磨边角并氮气吹扫，随后放入超声波清洗器中进行超声清洗，除去表面残留粉尘，得到轻质单摆成品。

本实施例得到的轻质单摆的质量为1.35克，质量仅为相同尺寸的铝合金单摆的39％。将本实施例得到的单摆用于单摆测试装置上，该单摆测试装置的结构图如图3所示，单摆测试装置由平台1、立柱2、支撑架3和摆动装置4组成；其中立柱2设置在平台1上，支撑架3设置在立柱2上，支撑架3上设置有刀承；摆动装置4由本实施例得到的轻质单摆4-1、摆架4-2、平横梁4-3、平衡螺母4-4、中刀4-5组成；平横梁4-3的两端设置螺纹并与平衡螺母配合；中刀4-5设置在平横梁4-3中部且刀口向下；摆架4-2的两端固定在平横梁4-3上，单摆4-1固定在摆架4-2中部。摆动装置4的中刀4-5与支撑架3上的刀承配合。摆动装置4做为单摆测试装置的重要部件，安装在单摆测试装置上，由于单摆的质量轻，可以减少在微牛顿量级推力测试过程中的误差，提高测试的灵敏度和精度。

实施例2：本实施例的一种3d打印轻质单摆的方法，按以下步骤进行：

一、用solidworks绘图软件，根据单摆的结构图，对单摆的进行等比例制图建模，得到格式为stl的单摆模型；其中单摆由摆杆和摆片组成，摆杆的长为161mm，宽为4mm，厚为2mm；摆片的长为20mm，宽为20mm，厚为2mm；如图1所示；

二、将上述所得模型导入iemai3d切片软件中，设置参数为：层厚0.12mm、填充密度85％、打印速度60mm/s、打印头温度250℃、热床温度88℃以及内腔温度80℃，完成参数设置后，导出格式为gcode的3d打印机可识别的数据文件；

三、将所得gcode文件导入东莞一迈magic-ht-l型高温3d打印机中；再将线径为1.75mm的abs线材表面涂覆石腊后，加入到高温3d打印机的中，进行打印，得到单摆粗品；

四、将上述所得单摆粗品使用2000目细砂纸打磨边角并氮气吹扫，随后放入超声波清洗器中进行超声除去表面残留粉尘，得到轻质单摆成品。

本实施例得到的单摆的质量为1.02克，与实施例1制备的单摆相比，质量又减轻了24％，它的质量仅为相同尺寸的铝合金单摆的29.4％，同时强度能满足使用要求。将本实施例制备的轻质单摆截断观察，发现在结构内部产生了规则的微孔。用这种质量进一步减轻的单摆组装成结构与实施例1相同的单摆测试装置，使单摆测试装置可以进一步减少在微牛顿量级推力测试过程中产生的误差，再次提高测试的灵敏度和精度。

实施例3：本实施例的一种3d打印轻质单摆的方法，按以下步骤进行：

一、用solidworks绘图软件，根据单摆的结构图，对单摆的进行等比例制图建模，得到格式为stl的单摆模型；其中单摆由摆杆和摆片组成，摆杆的长为161mm，宽为4mm，厚为2mm；摆片的长为20mm，宽为20mm，厚为2mm；如图1所示；

二、将上述所得模型导入iemai3d切片软件中，设置参数为：层厚0.12mm、填充密度90％、打印速度60mm/s、打印头温度260℃、热床温度100℃以及内腔温度90℃，完成参数设置后，导出格式为gcode的3d打印机可识别的数据文件；

三、将所得gcode文件导入东莞一迈magic-ht-l型高温3d打印机中；再将线径为1.75mm的abs线材表面涂覆粒径为1～2微米的超微细聚四氟乙烯后，加入到高温3d打印机的中，进行打印，得到单摆粗品；

四、将上述所得单摆粗品使用2000目细砂纸打磨边角并氮气吹扫，随后放入超声波清洗器中进行超声除去表面残留粉尘，得到轻质单摆成品。

本实施例得到的单摆的质量为1.00克，与实施例1制备的单摆相比，质量减少了26％，它的质量仅为相同尺寸的铝合金单摆的28.9％，同时强度能满足使用要求。将本实施例制备的轻质单摆截断观察，发现在结构内部产生了不规则的微孔。