悬臂式3D打印机设计研究及在民航维修中的应用展望

邱基伦

（中国东方航空股份有限公司，上海200335）

悬臂式3D打印机设计研究及在民航维修中的应用展望

邱基伦

（中国东方航空股份有限公司，上海200335）

通过对两类3D打印机运动模态和局限性分析，设计一款更适合民航维修的悬臂式3D打印机。悬臂式打印机具有工作高效、空间利用率高、无需依赖基床的特点。

3D打印；悬臂式；民航维修；运动模态

3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志[1]，已经在工业的各个领域展开了广泛的研究和应用。在航空制造领域，波音公司运用3D打印技术制造各种复杂的飞机零件，如冷空气导入电子设备的形状复杂导管；空客在A380客舱里使用3D打印机打印行李架；GE计划使用3D打印技术打印LEAP发动机组件[1]。在民航维修领域，东方航空首次使用3D打印技术打印飞机舱门手柄盖板、飞机座位指示牌等客舱部件配装B777-300ER型客机上，开启了3D打印技术在中国民航维修运用的时代。本文通过对两类3D打印机运动模态和局限性分析，设计一款更适合民航维修的悬臂式3D打印机。

1　3D打印技术在民航维修中的应用现状分析

目前，因受现有3D打印机运动形态限制，3D打印技术在民航维修中的应用仅局限于非在翼维修，即先在地面把零件打印好，然后再安装到飞机上。如要运用到在翼维修领域，现有的3D打印机运动形态需做进一步改进：基床的可选装性，实现无基床打印，在目标物体上直接打印成品；提高空间利用率，以适应在翼维修空间有限的特点；提高打印效率，以减少飞机停场时间。

2　3D打印机运动类型分析

3D打印技术是通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术[2]。除了打印头、耗材使用、成型方式不一样，各种打印方法所基于的3D运动平台都有类似之处，即通过打印头和基床的相对三维运动，实现物理层的层层叠加。常见的运动类型有：

2.1三维直线运动型

此类3D打印运动平台的特点是：基床一维直线往复运动（X轴）；打印头在每一物理层做一维直线往复运动（Y轴）；打印头的导轨在垂直方向上单向一维直线层级运动（Z轴），如图1所示，例如桌面级3D打印机RepRap系列的Prusa Mendel、Prusa I3等。

图1　基床往复运动型

或者基床在垂直方向上单向一维直线层级运动（Z轴）；打印头沿导轨在横向做一维直线往复运动（Y轴）；打印头的导轨沿纵向导轨在纵向做一维直线往复运动（X轴）（见图2），如Jenny Printer系列等。

图2　基床单向运动型

三维直线运动型打印机将电机的步进角度转化为三轴上的直线位移，优点是结构简单，三轴精度易于调节。但由于打印件安放在基床上，随基床一起运动，因此基床的响应速度和运动速度对打印件稳定性和精度存在限制，过大的速度会导致失步或打印件脱离基床，尤其是基床一维直线往复运动型，运动和震动幅度更大。因各维度上的运动都是直线运动，所以运动函数可用以下方程描述：

其中：f为单位运动距离所需的脉冲数；ρ为步进电机步进角；μ为电机驱动细分；n为传动比因子。

步进角ρ由电机型号确定；细分μ可在电机驱动板上调节；传动比因子n由传动机构的具体形态和尺寸参数确定，如同步轮、同步带、丝杆、传动齿轮等的尺寸参数。f越大，说明单位距离位移所需的脉冲数越多，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三个因素影响，而ρ和μ比较稳定，n精度易于调节，传动机构误差之间可以相互抵冲，所以整体打印精度较高。RepRap类打印空间利用率为50%；Jenny Printer打印空间利用率为100%.

2.2打印头三维非线性运动型

此类3D打印运动平台的特点是：基床不动，打印头在三维空间上非线性运动，通过将非线性运动投影到X-Y平面和Z轴上，实现层级叠加（如图3所示），例如Delta系列3D打印机。

图3　打印头三维非线性运动型

由于基床静止不动，打印件也保持静止，从而减少震动，提高打印件的稳定性，降低脱落风险，再加上打印头非线性自由运动，可用更快的响应速度和移动速度驱动打印头，实现更高的打印速度。以Delta结构的3D打印机为例，打印头移动到直角坐标点A（x，y，z）时，A点和打印机滑块的几何关系可用以下方程组描述：

其中：h1为滑块1#离基床的垂直高度；h2为滑块2#离基床的垂直高度；h3为滑块3#离基床的垂直高度；r为圆盘基床半径，坐标原点在基床圆心；L为连杆长度。

由方程组可知，滑块位置与打印头位置之间是非线性函数关系，除了三维直线运动型的电机传动误差，还有连杆机构的非线性误差，误差来源较多，而且误差之间无法抵冲，因此打印精度不易调节。打印机的可利用空间受到连杆限制，顶部的空间无法有效利用，无效体积为：

空间利用率为：

其中：H为机架立轴长度。

3　悬臂式3D打印机结构设计和原理分析

综合考虑3D打印机的精度调节、响应和移动速度、空间利用率、有无基床打印等因素，设计一款悬臂式结构打印机（如图4）。

图4　悬臂式结构

其结构特点为：基床静止不动（或无需基床）；在每一层级，两悬臂做相对圆周运动，从而使打印头做非线性运动（x-y平面）；垂直方向上做一维直线运动（z轴）。

各维度运动方程为：

3.1Z轴直线运动方程为：

3.2x-y平面上，直角坐标点A（x，y）与两悬臂的角坐标（α，β）关系为：

（1）当y值大于等于0.

（2）当y值小于0.

其中：r为两臂的长度；α为臂1#与x轴的夹角；β为臂2#与臂1#之间的夹角。

因旋转臂由电机轴旋转带动，所以悬臂每转动1单位距离弧长所需脉冲数如下：

由以上各方程可知，悬臂式结构3D打印机具有更高的响应速度和移动速度，且精度易于调节，空间利用率可达100%.因此，悬臂式3D打印机能以较小的体积和较高的速度、精度，打印出更大尺寸的打印件。

4　结论

悬臂式3D打印机除具备一般3D打印机功能外，还具有结构简单、改装方便的特点，而且可以摆脱基床的束缚，直接在工作对象上打印。如飞机机身表面喷漆、补漆，悬臂式打印机可以把机身作为基床，直接将设计图案打印在机身上，实现设计与施工无缝对接，并可以满足在无人环境下，以最小的原料消耗，最低的环境污染，打印出高质量的漆层。悬臂式3D打印机高效的空间利用率，更加适应民航维修活动空间狭小的特点，可针对相同的任务，设计出质量高、体积小、易于操作的打印机，为在局促的空间实现在翼修复创造可能性。同时，较高的打印速度，可以减少飞机停场时间。

[1]杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响[J].航空科学技术，2013，（1）：16-17

[2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，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

邱基伦（1983-），男，广西人，学士学位，助理工程师，从事工程管理、航线维护、新技术开发应用等工作。