邱基倫

（中國(guó)東方航空股份有限公司，上海200335）

懸臂式3D打印機(jī)設(shè)計(jì)研究及在民航維修中的應(yīng)用展望

邱基倫

（中國(guó)東方航空股份有限公司，上海200335）

通過對(duì)兩類3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)模態(tài)和局限性分析，設(shè)計(jì)一款更適合民航維修的懸臂式3D打印機(jī)。懸臂式打印機(jī)具有工作高效、空間利用率高、無需依賴基床的特點(diǎn)。

3D打印；懸臂式；民航維修；運(yùn)動(dòng)模態(tài)

3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志[1]，已經(jīng)在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域展開了廣泛的研究和應(yīng)用。在航空制造領(lǐng)域，波音公司運(yùn)用3D打印技術(shù)制造各種復(fù)雜的飛機(jī)零件，如冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形狀復(fù)雜導(dǎo)管；空客在A380客艙里使用3D打印機(jī)打印行李架；GE計(jì)劃使用3D打印技術(shù)打印LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)組件[1]。在民航維修領(lǐng)域，東方航空首次使用3D打印技術(shù)打印飛機(jī)艙門手柄蓋板、飛機(jī)座位指示牌等客艙部件配裝B777-300ER型客機(jī)上，開啟了3D打印技術(shù)在中國(guó)民航維修運(yùn)用的時(shí)代。本文通過對(duì)兩類3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)模態(tài)和局限性分析，設(shè)計(jì)一款更適合民航維修的懸臂式3D打印機(jī)。

1　3D打印技術(shù)在民航維修中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前，因受現(xiàn)有3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)形態(tài)限制，3D打印技術(shù)在民航維修中的應(yīng)用僅局限于非在翼維修，即先在地面把零件打印好，然后再安裝到飛機(jī)上。如要運(yùn)用到在翼維修領(lǐng)域，現(xiàn)有的3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)形態(tài)需做進(jìn)一步改進(jìn)：基床的可選裝性，實(shí)現(xiàn)無基床打印，在目標(biāo)物體上直接打印成品；提高空間利用率，以適應(yīng)在翼維修空間有限的特點(diǎn)；提高打印效率，以減少飛機(jī)停場(chǎng)時(shí)間。

2　3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)類型分析

3D打印技術(shù)是通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實(shí)體的技術(shù)[2]。除了打印頭、耗材使用、成型方式不一樣，各種打印方法所基于的3D運(yùn)動(dòng)平臺(tái)都有類似之處，即通過打印頭和基床的相對(duì)三維運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物理層的層層疊加。常見的運(yùn)動(dòng)類型有：

2.1三維直線運(yùn)動(dòng)型

此類3D打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn)是：基床一維直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（X軸）；打印頭在每一物理層做一維直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（Y軸）；打印頭的導(dǎo)軌在垂直方向上單向一維直線層級(jí)運(yùn)動(dòng)（Z軸），如圖1所示，例如桌面級(jí)3D打印機(jī)RepRap系列的Prusa Mendel、Prusa I3等。

圖1　基床往復(fù)運(yùn)動(dòng)型

或者基床在垂直方向上單向一維直線層級(jí)運(yùn)動(dòng)（Z軸）；打印頭沿導(dǎo)軌在橫向做一維直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（Y軸）；打印頭的導(dǎo)軌沿縱向?qū)к壴诳v向做一維直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（X軸）（見圖2），如Jenny Printer系列等。

圖2　基床單向運(yùn)動(dòng)型

三維直線運(yùn)動(dòng)型打印機(jī)將電機(jī)的步進(jìn)角度轉(zhuǎn)化為三軸上的直線位移，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，三軸精度易于調(diào)節(jié)。但由于打印件安放在基床上，隨基床一起運(yùn)動(dòng)，因此基床的響應(yīng)速度和運(yùn)動(dòng)速度對(duì)打印件穩(wěn)定性和精度存在限制，過大的速度會(huì)導(dǎo)致失步或打印件脫離基床，尤其是基床一維直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)型，運(yùn)動(dòng)和震動(dòng)幅度更大。因各維度上的運(yùn)動(dòng)都是直線運(yùn)動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)函數(shù)可用以下方程描述：

其中：f為單位運(yùn)動(dòng)距離所需的脈沖數(shù)；ρ為步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角；μ為電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分；n為傳動(dòng)比因子。

步進(jìn)角ρ由電機(jī)型號(hào)確定；細(xì)分μ可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上調(diào)節(jié)；傳動(dòng)比因子n由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體形態(tài)和尺寸參數(shù)確定，如同步輪、同步帶、絲桿、傳動(dòng)齒輪等的尺寸參數(shù)。f越大，說明單位距離位移所需的脈沖數(shù)越多，打印速度就越慢；相反，f越小，打印速度越快。

由以上方程可知，打印精度受ρ、μ、n三個(gè)因素影響，而ρ和μ比較穩(wěn)定，n精度易于調(diào)節(jié)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差之間可以相互抵沖，所以整體打印精度較高。RepRap類打印空間利用率為50%；Jenny Printer打印空間利用率為100%.

2.2打印頭三維非線性運(yùn)動(dòng)型

此類3D打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn)是：基床不動(dòng)，打印頭在三維空間上非線性運(yùn)動(dòng)，通過將非線性運(yùn)動(dòng)投影到X-Y平面和Z軸上，實(shí)現(xiàn)層級(jí)疊加（如圖3所示），例如Delta系列3D打印機(jī)。

圖3　打印頭三維非線性運(yùn)動(dòng)型

由于基床靜止不動(dòng)，打印件也保持靜止，從而減少震動(dòng)，提高打印件的穩(wěn)定性，降低脫落風(fēng)險(xiǎn)，再加上打印頭非線性自由運(yùn)動(dòng)，可用更快的響應(yīng)速度和移動(dòng)速度驅(qū)動(dòng)打印頭，實(shí)現(xiàn)更高的打印速度。以Delta結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)為例，打印頭移動(dòng)到直角坐標(biāo)點(diǎn)A（x，y，z）時(shí)，A點(diǎn)和打印機(jī)滑塊的幾何關(guān)系可用以下方程組描述：

其中：h1為滑塊1#離基床的垂直高度；h2為滑塊2#離基床的垂直高度；h3為滑塊3#離基床的垂直高度；r為圓盤基床半徑，坐標(biāo)原點(diǎn)在基床圓心；L為連桿長(zhǎng)度。

由方程組可知，滑塊位置與打印頭位置之間是非線性函數(shù)關(guān)系，除了三維直線運(yùn)動(dòng)型的電機(jī)傳動(dòng)誤差，還有連桿機(jī)構(gòu)的非線性誤差，誤差來源較多，而且誤差之間無法抵沖，因此打印精度不易調(diào)節(jié)。打印機(jī)的可利用空間受到連桿限制，頂部的空間無法有效利用，無效體積為：

空間利用率為：

其中：H為機(jī)架立軸長(zhǎng)度。

3　懸臂式3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理分析

綜合考慮3D打印機(jī)的精度調(diào)節(jié)、響應(yīng)和移動(dòng)速度、空間利用率、有無基床打印等因素，設(shè)計(jì)一款懸臂式結(jié)構(gòu)打印機(jī)（如圖4）。

圖4　懸臂式結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：基床靜止不動(dòng)（或無需基床）；在每一層級(jí)，兩懸臂做相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)，從而使打印頭做非線性運(yùn)動(dòng)（x-y平面）；垂直方向上做一維直線運(yùn)動(dòng)（z軸）。

各維度運(yùn)動(dòng)方程為：

3.1Z軸直線運(yùn)動(dòng)方程為：

3.2x-y平面上，直角坐標(biāo)點(diǎn)A（x，y）與兩懸臂的角坐標(biāo)（α，β）關(guān)系為：

（1）當(dāng)y值大于等于0.

（2）當(dāng)y值小于0.

其中：r為兩臂的長(zhǎng)度；α為臂1#與x軸的夾角；β為臂2#與臂1#之間的夾角。

因旋轉(zhuǎn)臂由電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)，所以懸臂每轉(zhuǎn)動(dòng)1單位距離弧長(zhǎng)所需脈沖數(shù)如下：

由以上各方程可知，懸臂式結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)具有更高的響應(yīng)速度和移動(dòng)速度，且精度易于調(diào)節(jié)，空間利用率可達(dá)100%.因此，懸臂式3D打印機(jī)能以較小的體積和較高的速度、精度，打印出更大尺寸的打印件。

4　結(jié)論

懸臂式3D打印機(jī)除具備一般3D打印機(jī)功能外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、改裝方便的特點(diǎn)，而且可以擺脫基床的束縛，直接在工作對(duì)象上打印。如飛機(jī)機(jī)身表面噴漆、補(bǔ)漆，懸臂式打印機(jī)可以把機(jī)身作為基床，直接將設(shè)計(jì)圖案打印在機(jī)身上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工無縫對(duì)接，并可以滿足在無人環(huán)境下，以最小的原料消耗，最低的環(huán)境污染，打印出高質(zhì)量的漆層。懸臂式3D打印機(jī)高效的空間利用率，更加適應(yīng)民航維修活動(dòng)空間狹小的特點(diǎn)，可針對(duì)相同的任務(wù)，設(shè)計(jì)出質(zhì)量高、體積小、易于操作的打印機(jī)，為在局促的空間實(shí)現(xiàn)在翼修復(fù)創(chuàng)造可能性。同時(shí)，較高的打印速度，可以減少飛機(jī)停場(chǎng)時(shí)間。

[1]楊恩泉.3D打印技術(shù)對(duì)航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013，（1）：16-17

[2]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012，（26）：3-5.

The Design and Research of Cantilever 3D Printers and Application in Civil Aviation Maintenance

QIU Ji-lun
（China Eastern Airlines Co.，Shanghai 200335，China）

Based on the movement modal analysis of two types of 3D printers，design a new type of printers，cantilever 3D printers.Maybe it is more suitable for civil aviation maintenance.Cantilever printers have some characteristics：high work efficiency，high space utilization，without bed.

3D print；cantilever；aviation maintenance；movement mode

TP334.8

A

1672-545X（2016）10-0037-03

2016-07-30

邱基倫（1983-），男，廣西人，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，從事工程管理、航線維護(hù)、新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等工作。