懸臂式3D打印機設計研究及在民航維修中的應用展望

邱基倫

（中國東方航空股份有限公司，上海200335）

懸臂式3D打印機設計研究及在民航維修中的應用展望

邱基倫

（中國東方航空股份有限公司，上海200335）

通過對兩類3D打印機運動模態和局限性分析，設計一款更適合民航維修的懸臂式3D打印機。懸臂式打印機具有工作高效、空間利用率高、無需依賴基床的特點。

3D打印；懸臂式；民航維修；運動模態

3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志[1]，已經在工業的各個領域展開了廣泛的研究和應用。在航空制造領域，波音公司運用3D打印技術制造各種復雜的飛機零件，如冷空氣導入電子設備的形狀復雜導管；空客在A380客艙里使用3D打印機打印行李架；GE計劃使用3D打印技術打印LEAP發動機組件[1]。在民航維修領域，東方航空首次使用3D打印技術打印飛機艙門手柄蓋板、飛機座位指示牌等客艙部件配裝B777-300ER型客機上，開啟了3D打印技術在中國民航維修運用的時代。本文通過對兩類3D打印機運動模態和局限性分析，設計一款更適合民航維修的懸臂式3D打印機。

1　3D打印技術在民航維修中的應用現狀分析

目前，因受現有3D打印機運動形態限制，3D打印技術在民航維修中的應用僅局限于非在翼維修，即先在地面把零件打印好，然后再安裝到飛機上。如要運用到在翼維修領域，現有的3D打印機運動形態需做進一步改進：基床的可選裝性，實現無基床打印，在目標物體上直接打印成品；提高空間利用率，以適應在翼維修空間有限的特點；提高打印效率，以減少飛機停場時間。

2　3D打印機運動類型分析

3D打印技術是通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術[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運動平臺都有類似之處，即通過打印頭和基床的相對三維運動，實現物理層的層層疊加。常見的運動類型有：

2.1三維直線運動型

此類3D打印運動平臺的特點是：基床一維直線往復運動（X軸）；打印頭在每一物理層做一維直線往復運動（Y軸）；打印頭的導軌在垂直方向上單向一維直線層級運動（Z軸），如圖1所示，例如桌面級3D打印機RepRap系列的Prusa Mendel、Prusa I3等。

圖1　基床往復運動型

或者基床在垂直方向上單向一維直線層級運動（Z軸）；打印頭沿導軌在橫向做一維直線往復運動（Y軸）；打印頭的導軌沿縱向導軌在縱向做一維直線往復運動（X軸）（見圖2），如Jenny Printer系列等。

圖2　基床單向運動型

三維直線運動型打印機將電機的步進角度轉化為三軸上的直線位移，優點是結構簡單，三軸精度易于調節。但由于打印件安放在基床上，隨基床一起運動，因此基床的響應速度和運動速度對打印件穩定性和精度存在限制，過大的速度會導致失步或打印件脫離基床，尤其是基床一維直線往復運動型，運動和震動幅度更大。因各維度上的運動都是直線運動，所以運動函數可用以下方程描述：

其中：f為單位運動距離所需的脈沖數；ρ為步進電機步進角；μ為電機驅動細分；n為傳動比因子。

步進角ρ由電機型號確定；細分μ可在電機驅動板上調節；傳動比因子n由傳動機構的具體形態和尺寸參數確定，如同步輪、同步帶、絲桿、傳動齒輪等的尺寸參數。f越大，說明單位距離位移所需的脈沖數越多，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三個因素影響，而ρ和μ比較穩定，n精度易于調節，傳動機構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動型

此類3D打印運動平臺的特點是：基床不動，打印頭在三維空間上非線性運動，通過將非線性運動投影到X-Y平面和Z軸上，實現層級疊加（如圖3所示），例如Delta系列3D打印機。

圖3　打印頭三維非線性運動型

由于基床靜止不動，打印件也保持靜止，從而減少震動，提高打印件的穩定性，降低脫落風險，再加上打印頭非線性自由運動，可用更快的響應速度和移動速度驅動打印頭，實現更高的打印速度。以Delta結構的3D打印機為例，打印頭移動到直角坐標點A（x，y，z）時，A點和打印機滑塊的幾何關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，坐標原點在基床圓心；L為連桿長度。

由方程組可知，滑塊位置與打印頭位置之間是非線性函數關系，除了三維直線運動型的電機傳動誤差，還有連桿機構的非線性誤差，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節。打印機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為機架立軸長度。

3　懸臂式3D打印機結構設計和原理分析

綜合考慮3D打印機的精度調節、響應和移動速度、空間利用率、有無基床打印等因素，設計一款懸臂式結構打印機（如圖4）。

圖4　懸臂式結構

其結構特點為：基床靜止不動（或無需基床）；在每一層級，兩懸臂做相對圓周運動，從而使打印頭做非線性運動（x-y平面）；垂直方向上做一維直線運動（z軸）。

各維度運動方程為：

3.1Z軸直線運動方程為：

3.2x-y平面上，直角坐標點A（x，y）與兩懸臂的角坐標（α，β）關系為：

（1）當y值大于等于0.

（2）當y值小于0.

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

因旋轉臂由電機軸旋轉帶動，所以懸臂每轉動1單位距離弧長所需脈沖數如下：

由以上各方程可知，懸臂式結構3D打印機具有更高的響應速度和移動速度，且精度易于調節，空間利用率可達100%.因此，懸臂式3D打印機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　結論

懸臂式3D打印機除具備一般3D打印機功能外，還具有結構簡單、改裝方便的特點，而且可以擺脫基床的束縛，直接在工作對象上打印。如飛機機身表面噴漆、補漆，懸臂式打印機可以把機身作為基床，直接將設計圖案打印在機身上，實現設計與施工無縫對接，并可以滿足在無人環境下，以最小的原料消耗，最低的環境污染，打印出高質量的漆層。懸臂式3D打印機高效的空間利用率，更加適應民航維修活動空間狹小的特點，可針對相同的任務，設計出質量高、體積小、易于操作的打印機，為在局促的空間實現在翼修復創造可能性。同時，較高的打印速度，可以減少飛機停場時間。

[1]楊恩泉.3D打印技術對航空制造業發展的影響[J].航空科學技術，2013，（1）：16-17

[2]王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，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，學士學位，助理工程師，從事工程管理、航線維護、新技術開發應用等工作。