光固化成型技术在无人机植保喷头研发中的应用

光固化成型技术（stereo lithography apparatus，SLA），又称立体光刻，是目前应用最广泛和发展最快的快速成型技术。光固化成型技术能够制造出形状复杂、表面质量较好、具有较高强度和硬度的零件，其具备成本与产品复杂程度无关、制造速度快和设计制造一体化等优点，使其广泛地应用于航空、汽车、电器以及医疗等行业。

农业机械及其器件的研发周期长、难度大和成本高，尤其是对特殊复杂的关键零件的研发，昂贵的费用甚至导致研发停滞。在光固化成型技术的基础上，设计研发农业机械装备，将会突破传统农业机械制造的限制，减少研发成本和降低其复杂性，为农业机械及其器件的创新提供良好的研发平台。

近年来，无人机植保喷头成为农业领域的研究热点。研发出性能良好的无人机植保喷头，能减少雾滴的飘失，降低农药对环境的污染，提高农药的有效利用率，并提高无人机植保的可靠性和经济性。

本文拟采用光固化成型技术打印无人机常用的植保扇形喷头，通过试验与传统方法制造的扇形喷头进行比较，分析其可行性，进而优化无人机植保喷头制造的工艺流程，提供一种周期短、成型精度高和成本低的制造方法。

1  光固化成型技术概述

美国3D Systems公司发明了光固化成型技术，其原理如图1所示。在计算机的控制下，聚焦后的紫外激光束沿着实体模型分层后的扫描路径，在液态光敏树脂表层加工，被扫描区域的光敏树脂材料因紫外光照射发生聚合反应而固化，形成零件的1个切片层。

一层固化后，工作台向下移动1个层厚的距离，新一层的液态树脂填充加工表面，采用刮刀将固化层表面的树脂刮平，再对后续层进行扫描和固化加工，如此反复直到获得三维原型。

图1  传统光固化成型技术原理

美国Carbon 3D团队研发了光固化3D 打印的CLIP技术。该技术通过利用光敏树脂的氧阻聚作用，在液态光敏树脂界面上实现连续固化成型。由于此技术的出现，3D打印速度比传统工艺提高数十倍，并极大地提高了成型精度。

目前，在光固化成型技术之上延伸出来的喷射固化成型和面曝光快速成型技术更是在打印精度和速度上有了质的飞跃。

在光固化成型技术中，光敏树脂的性能直接影响着最终成型实体的精度和质量，它与成型过程中可能出现的各种变形问题等有着非常密切的关系。

因此，成型材料在利用光固化成型技术的过程中十分关键。随着光固化成型技术在国民经济各个领域中被广泛应用，与其相匹配的成型材料得到了关注和研究。

陈小文对由不同的物质混合的光固化树脂体系进行研究，分析各树脂系的固化速度、拉伸强度、收缩率以及散热速度等特点，为自主研发光固化成型技术专用材料奠定基础。

Sangermano等利用含螺环原碳酸酯进行阳离子双开环聚合时体积发生膨胀的特点，令其与环氧树脂组成复合预聚体，进行阳离子光引发聚合，有效降低了光固化树脂的成型收缩率。

2  无人机植保喷头研发特点

2.1 工作特点

直接完成喷雾工作的部件是植保喷头，喷头终端的结构是影响喷雾效果的关键因素。传统植保喷头用于地面植保工作，外界对其喷雾效果影响因素较少，且相对容易控制。而与传统植保喷头相比，无人机植保喷头的研发需要考虑的方面更多。无人机作业条件、外界环境条件和喷雾参数等多种因素都会影响无人机空中施药的作业效果。

其中，雾滴飘移率直接影响药液流失大小、对环境污染的程度以及病害防治效果好坏的重要原因，是评价无人机施药效果好坏的重要指标之一。控制雾滴粒径在合适的范围是减少雾滴飘移和提高航空施药效果的直接途径。而雾滴粒径与喷头终端的结构参数有着密切的联系。

2.2 性能特点

评价植保喷头性能的主要指标包括雾滴粒径、雾滴的分布均匀度、喷幅以及流量等。

无人机植保喷头作为航空喷施装备方面的关键部件，必须要满足低量喷施、均匀喷施和轻量化等要求，同时喷头设计成专用的无人机喷头，需要考虑许多基本的技术指标，包括喷雾模式、制造材料和流量等，并且喷头终端的结构应该有利于旋翼高速气流流过喷头时对雾滴实现二次雾化。

2.3 无人机植保喷头现状

目前，对农业和农业机械的投资一直是资本市场中投资的热点。国内的无人机植保喷头企业研发能力较弱，国际喷头企业巨头争相占领中国的市场，从而导致国内的无人机植保喷头市场被国外喷头行业占领，国产无人机植保喷头的市场认可度较低。

美国的TEEJET喷头和德国的LECHLER喷头等外国品牌占据了国内无人机植保喷头的市场。而国产喷头如LICHENG等虽然占有一定的市场份额，但是在性能和市场认可度方面始终与外国品牌存在一定的差距。因此，尽快提高无人机植保喷头的研发能力，争夺无人机植保喷头市场已成为亟待解决的问题。

3  光固化成型的扇形喷头性能测试

扇形喷头是农业机械中要求制造精度较高的一种植保零部件。其雾化原理：当具有一定压力的液体进入喷头，在受到切槽模面的挤压后，被拉伸成平面液膜，然后在喷头内外压差的作用下液膜扩散变薄撕裂成丝状，最终碎裂形成雾滴。空气与扇形喷头喷出的雾流摩擦，进一步细化雾滴，使其均匀散落在农作物上。

扇形喷头的终端结构是喷雾过程中最关键的部分，其结构参数直接影响喷雾的效果和质量。扇形喷头的终端形状及纵向剖面如图2所示。

在研究设计中，分析了扇形喷头终端的切槽角度、切槽深度、内孔到终端面间距和喷孔内腔直径对喷雾粒径大小的影响，得出合理的扇形喷头终端的结构参数，对常用的无人机植保喷头LICHENG VP110-03型号扇形喷头进行了改进设计。

α-切槽角度；H-切槽深度；h-内孔到终端面间距；e-过心距；D-喷孔内腔直径；R-喷孔内腔半径

图2  扇形喷头终端剖面

利用传统的加工设备加工制造出1个植保喷头需要通过一系列复杂的流程，包括需要导出二维图，标注详细的尺寸及技术要求等。同时，由于传统加工方式的限制，每制造1个结构参数不同的喷头就需要再开模，价格较高，从而不能大量制造出系列不同结构参数的喷头去进行试验性能测试，导致无人机植保喷头的研究开发受到一定的阻碍。

通过Union Tech的SLA光固化快速成型机对扇形喷头进行设计和制造（成型材料为未来8 000树脂），并与用传统工艺制造出来的LICHENGVP110-03型号扇形喷头进行试验对比。

3.1 扇形喷头实体制作

根据无人机植保喷头的相关技术要求，使用Solidworks三维软件进行扇形喷头的实体设计，生成理想的三维模型，如图3所示。再将扇形喷头的三维模型转化成三角形化的STL格式。

图3  扇形喷头实体设计

启动SLA光固化快速成型机控制软件，读入扇形喷头的STL文件，完成工件参数和速度参数等设置后，确认后软件控制自动进行扇形喷头的成型加工。

实物成形加工完成后，用美工刀把扇形喷头从硬纸板取下。打印好的扇形喷头，尺寸精度0.1 mm，单个总体积约772 mm³，总表面积约1 077 mm²，打印成本2.53元/个，打印效率10 min/个。

3.2  试验研究

3.2.1  试验仪器及环境

试验仪器：喷雾性能检测试验台、欧美克DP-02型激光粒度分析仪、高速摄像机和普兰迪12V直流隔膜水泵等。

试验时间和地点：2017年4月30日在华南农业大学国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心实验室进行试验。

试验环境参数：实验室温度25 ℃，湿度35%～45％，喷头与激光粒度分析仪中心的垂直距离（H）为1 000 mm，试验环境如图4所示。

图4  试验环境

3.2.2  试验方法

把LICHENG VP110-03型号扇形喷头与光固化成型的扇形喷头分别依次安装到喷头体上，并依次在喷雾性能检测试验台进行性能检测试验，具体如下。

（1）试验药液以无杂质清水替代。

（2）压力表安装在试验台上，通过调节水泵的调节螺丝来控制喷雾压力在0.3 MPa。

（3）用高速摄像机对正在喷雾的喷头进行拍照，将得到的图片传到计算机进行处理后，观察喷头的喷雾效果。

（4）雾滴粒径大小及分布规律通过DP-02型激光粒度分析仪进行采集，采集数据通过计算机内置软件进行处理分析。

3.2.3  试验结果及分析

欧美克DP-02型激光粒度分析仪，采用累积分布表示雾滴的粒度分布。中位径是反映雾滴粒度特性的重要指标之一，是指当雾滴累计分布百分数达到50％时所对应的粒径值。一般用D50表示。

LICHENG VP110-03型号扇形喷头与光固化成型的扇形喷头的粒度分析结果分别如图5和图6所示。

图5  LICHENG VP110-03型号扇形喷头雾滴粒径分布

图6  光固化成型的扇形喷头雾滴粒径分布

在图5和图6的粒度特征参数中，D（4，3）表示体积平均粒径；D（3，2）表示面积平均粒径，S.S.A.表示单位体积的物料所具有的总面积。在粒径分布图中，横坐标表示粒径分布区间，左纵坐标表示各粒径雾滴所占体积的百分比，右纵坐标表示各粒径雾滴的累积分布，曲线①表示雾滴粒径的累积曲线，曲线②表示该区间内粒径所占雾滴（体积）总量比例大小。

从图中可以看出2种喷头雾滴的中位径分别为182.27 μm和171.66 μm，体积平均粒径和面积平均粒径差异较小，粒度分布图趋于一致。通过多次试验数据的对比分析可得出，目前光固化成型的植保扇形喷头精度基本能够达到喷雾工作要求，可作进一步使用。

4  结论

（1）将光固化成型技术运用于研发农业机械及其器件，可以减少制造时间和降低制造成本。适合农业机械研发中新产品开发和模型设计制造使用，而且也适合替代产品制造及小批量快速制造。

（2）光固化成型技术打印出来的无人机植保扇形喷头精度能够基本达到工作要求，可用于探究扇形喷头结构参数对粒径大小、喷雾角和流量等工作指标影响的相关规律，研发适用于不同工况的无人机植保扇形喷头。

（3）光固化成型能大量制造出结构参数各异的一系列喷头，对加快研发无人机植保专用喷头和提高无人机植保喷头制造水平有着重要的意义。

来源：2018年9期《农业工程》（中国科技核心期刊）

作者：贾瑞昌  唐楚鹏  王志敏  李嘉晋

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