3D 打印機框架設計穩定性研究

任建璽，劉 軼，田小柳

（共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

在我國產業升級的背景下，3D 打印技術得到國家層面的重視，尤其是2017 年12 月工信部等12 部門印發的《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020 年）》，為我國的3D 打印行業發展提出了目標及要求。目前，3D 打印行業正在逐步由導入期進入成長期，新機器、新技術、新材料、新應用程序不斷推陳出新，已經形成一條比較完整的產業鏈。

3D 技術的進步，最直觀的反饋來自設備所打印出的產品質量。目前3DP 打印機主要由工作箱、舉升機構、輥道、鋪砂器、清掃機構、清洗機構、打印頭、混砂機構等多種機構組成，多種機構共同組裝在框架上，構成的尺寸鏈關系與尺寸精度，組成了設備的打印精度。

1 框架的材料選擇

三維打?。?DP）設備的主體是由型材搭接而成，在設備長期運行后，型材本身的機械力學性能對設備精度起著至關重要的作用，以下是具體分析調研過程。

型材的材料主要分為：低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、中碳鋼、合金結構鋼等材料，中碳鋼和合金結構鋼按照具體的元素組成，又分為一般和較差兩種類型，較差類焊接后有形成裂紋的傾向[1]，而在3D 打印中，因為鋪砂器、清掃機構會產生較大震動，必定會導致焊縫形成裂紋，使得框架焊接結構不穩定，所以不可選取；而一般類的中碳鋼和合金結構鋼在較復雜的焊接情況下，需要預熱到150℃以上進行焊接，會導致焊接工藝的復雜性。最后在綜合了各方面因素后，選擇了焊接性能良好的Q345B 低合金鋼。Q345B 是珠光體+鐵素體材料，綜合力學性能良好，低溫性能好，冷沖壓性能強，可切削性能良好，廣泛應用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等行業。如圖1 所示，是對實際使用中的Q345B 材料在顯微鏡下放大1000 倍與500 倍進行實際分析后的基體組織與晶粒組織成像，然后與理論比較，用來檢驗來料的規范性。

圖1 實測使用中Q345B 的微觀圖片

2 框架方案設計

框架結構的優點是將集中載荷通過鋼架結構及其與立柱的多個連接點分散、均勻地傳遞到立柱和地面上，結構共同受力，利用空間鋼架梁的高度換取其承載能力，大大提高了梁的強度、剛度及穩定性[2]。設備的運行方式體現在框架的結構設計，最終設備的所有運動都是集成后在框架上表現出來，在結構設計時，要考慮諸多因素。

2.1 型材的承載能力

不同規格的型材受力能力不同，主要體現在型材的壁厚、具體規格（方形管、矩形管）、放置方向等。一般情況下，矩形管沿長邊豎直放置時的承載力高于短邊豎直放置的承載力，壁厚視具體情況而定，因為增加壁厚會增加型材的自身重量，需要單獨進行受力計算，要是再設計時遇到同樣外形尺寸的型材，薄壁厚與厚壁厚規格型材仿真后，結果一樣，都不能完全滿足設計要求，可以在壁厚較厚的型材上加減重孔，降低型材本身的重量，以此來滿足設計要求。

2.2 設計前方案布局

3D 打印機的運動方式主要分為跟隨式打印、雙箱交錯式打印、雙箱同步式打印、單箱同步式打印等。在項目立項后，打印機的運動方式就已經確定了，然后需要以設備運動方式為基礎，設計可以保證設備精度的整機框架結構。初步設計時，需要考慮框架的組成形式和整機的調運、固定。

2.2.1 框架的組成形式

有一體式和分體式兩種結構，這兩種結構各有利弊，一體式框架結構優點在于安裝時框架自身的設備精度不需要調節，只要其他部件按照標準安裝好后，調整其他部件的相對位置精度，就可以完成設備精度的調整，但對于結構復雜或者成型尺寸比較大的打印機，一體式框架因為加工、運輸的考慮，往往不太適應，所以一體式框架比較適用于結構簡單且成型尺寸小的打印機。如圖2 所示，是砂芯成型尺寸為800mm×600mm×700mm單箱同步打印機框架，對此設備進行鋪粉、打印等功能分析后，在保證功能基礎上，考慮安裝與精度因素，一體式框架可以滿足，最終選用一體式框架設計；分體式框架的優點是單個框架設計時尺寸小、加工運輸方便，但需要在組裝時調節框架的安裝精度，通過銷或者基準面來確保框架精度的穩定性。如圖2 所示，是砂芯成型尺寸為1200mm×800mm×750mm 單箱跟隨式打印機框架，因為此打印機功能結構復雜，成型尺寸大，如果采用一體式框架加工、安裝困難，最終選用分體式框架設計。

圖2 砂芯成型尺寸：800mm×600mm×700mm 單箱同步打印

2.2.2 整機的調運、固定

設計前期需要考慮設備在安裝完成后，需要拆卸后送往顧客現場，并在客戶現場安裝的吊裝方式與固定方式。拆卸和吊裝是考驗設備精度的重要環節，為了保證框架精度的穩定性，要合理的設計框架的連接方式與吊裝孔位置。另因為吊裝和固定決定了設備框架的連接方式，如果前期不能充分考慮這一點，待后續詳細設計時，一旦沒有合適的吊裝運輸與固定方式，將會影響框架的整體設計，使得前期的設計工作白白浪費。

3 詳細設計與精度調整

在完成打印機的初步布局以后，下一步就是框架的具體結構設計，框架具體結構設計可以分為兩部分：與其他部件的連接方式和框架自身精度的調整和穩定性保證。與其他部件的連接方式主要考慮連接處的型材或者板材的剛性強度，以此來保證所裝配零件的穩定性和精度，必要時需要進行受力分析。

（1）在3D 打印機設計中，框架是所有部件連接的橋梁，所以框架自身的精度決定了各部件之間的尺寸鏈精度即設備精度，框架自身精度初步是由運行過程中受負載施加力后受力變形所決定，因此在框架設計時，需要對框架的運動部分進行必要的受力分析[3]。如圖3 所示，是對3D 打印機打印頭橫梁再進行受力分析后的結果，由圖可以看出，最大變形量0.049mm,可以滿足此部件的使用要求，如果分析后不能滿足使用性能，一般可以通過增加加強筋板、增加支撐梁、增加貼塊的板厚等方式來進行優化。

圖3 打印頭橫梁受力位移分析

（2）在設計時要確定設備對應結構的精度調整方式，如通過測量平行度[4]、垂直度對基準面調整、定位銷孔調整、工裝調整，同時要考慮調整時所用工具，如內徑千分尺、框式水平儀器、游標卡尺等工具，確保調整時要貼合現場實際情況。

4 結束語

目前國內已經建成并投產了多個鑄造領域的數字化智能工廠，3D 打印技術也正深深影響著傳統鑄造行業的轉型升級[5]，引領鑄造工廠向數字化、綠色化、智能化邁進。文章介紹了影響3D 打印機框架穩定性的因素及其相關的解決辦法，從源頭的選材到最終的詳細設計，具體闡述了如何設計能夠保證框架的穩定性，不僅適用于3D 打印行業，對其他以框架結構為主體的設備也同樣適用。