懸臂式3D打印機設計研究在民航維修中的應用與展望

冷宇嘉

（北京飛機維修工程有限公司，北京 100621）

懸臂式3D打印機設計研究在民航維修中的應用與展望

冷宇嘉

（北京飛機維修工程有限公司，北京 100621）

3D打印機是被看成是第三次工業(yè)革命的標志，擁有廣闊的應用前景。但是傳統(tǒng)的3D打印機局限性較大，不能滿足復雜的產(chǎn)品設計要求，因此，設計出了一款更加適合民航維修的懸臂式3D打印機。本文首先對懸臂式3D打印機的結構和工作原理進行介紹，然后對該打印機在民航維修中的應用做出了具體闡述。

懸臂式3D打印機；設計；民航維修；應用與展望

近幾年，3D打印技術已經(jīng)逐漸進入人們的視野，各種各樣的3D打印產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的生活中，比如3D打印的鞋子、玩具等等。3D打印技術有以下特點:一是零技能生產(chǎn)，二是成本比較低，三是可以實現(xiàn)個性化定制，因為同時具備以上三個優(yōu)點，所以3D打印廣受各行各業(yè)的青睞，目前已經(jīng)在制造業(yè)、醫(yī)療、航空、設計等眾多領域得到了廣泛的應用，并取得了良好的效果。我國3D打印市場中使用最多的是龍門式打印機，這種打印機的打印區(qū)域比較固定，不能適應維度復雜的工作環(huán)境，因此，我國科研人員設計出了自由度更高的懸臂式3D打印機。懸臂式打印機以其獨特的優(yōu)勢在民航維修中得到很好的應用，下文主要對懸臂式3D打印機和其在民航維修中的應用進行介紹。

1 懸臂式3D打印機的設計研究

1.1 懸臂式3D打印機的結構

懸臂式3D打印機同時具備以下三種功能：一是旋轉功能，二是上下移動功能，三是水平移動功能。因此，懸臂式3D打印機有著活動范圍大、工作區(qū)域開闊的優(yōu)點，這也是傳統(tǒng)的龍門式打印機做不到的。懸臂式3D打印機之所以能夠有足夠大的活動范圍是因為它由四個主要結構組成，一是旋轉運動結構，二是水平運動結構，三是垂直運動結構，四是打印所需產(chǎn)品材料擠出結構。打印機在打印產(chǎn)品的過程中可以依據(jù)計算機的指令準確的找準三維產(chǎn)品的打印位置，并給出準確數(shù)量的打印材料。

懸臂式3D打印機進行三維運動的關鍵是懸臂裝置的設計。懸臂結構設計是懸臂式3D打印機設計的核心技術，具體設計為，將打印頭與水平滑塊進行連接，然后將水平導軌與打印機中心旋轉軸連接，該部分由伺服電機進行驅動工作。打印頭可以在懸臂水平導軌上根據(jù)實際需要自由滑動，懸臂可以在打印機中心軸上進行上下運行，而中心軸也可以在打印機底座的基礎上自由旋轉，這樣就構成了一個可上可下、可左可右的三維打印空間。

懸臂式3D打印機的底座旋轉體通過減速機承載體進行完成旋轉工作。在進行底座旋轉設計時，應考慮到打印機應用行業(yè)的工作強度和難度，設計符合要求的壁厚、軸肩、軸徑。底座旋轉軸的傳動同樣是由伺服電機進行驅動，并且配合減速機來控制旋轉軸的旋轉速度。

1.2 懸臂式3D打印機優(yōu)化設計

懸臂式3D打印機在完成基本的機構設計之后應進行整機的優(yōu)化實驗設計。在整機優(yōu)化設計中應充分考慮到整個懸臂式打印機的平衡性，由于懸臂式打印機有相當大的一部分機構是懸在打印機主軸之外的，假如不能很好的對打印機的平行性進行優(yōu)化設計研究，那么在打印機運行過程中就可能出現(xiàn)傾倒等工作故障，造成不必要的經(jīng)濟損失。在進行打印機機體設計時為了提高整機的安全性能，機體材料大都采用了鑄鐵鑄造，由于鐵的重量很大，這使得打印機在進行移動時很不方便，為保證機體盡可能的輕量化，必須對機體重量進行優(yōu)化設計。

在進行優(yōu)化模型試驗時，為保證減速器承受體與打印機真正所處的工作環(huán)境相同，同時避免較復雜的模型分析試驗，因此，在實驗時采用旋轉軸傳動裝置作為優(yōu)化對象。該優(yōu)化模型中省去了復雜的安裝支架和各種機器外殼，使優(yōu)化模型變得簡單準確。

2 懸臂式3D打印機在民航維修中的應用

2.1 3D打印技術在民航維修中的應用現(xiàn)狀

3D打印技術作為21世紀最具有創(chuàng)造力的高新科技，已經(jīng)得到了廣泛的應用。3D打印技術使得復雜的工作簡單化，并且大大提高了工作效率。航空領域無論在飛機制造還是在飛機維修過程中，都需要大量的高精密零部件，這些零部件的生產(chǎn)占用了大量的人力勞動，并且通過人和傳統(tǒng)機械配合生產(chǎn)出的零部件存在不合格率高的缺點，引入3D打印技術后，原來操作復雜的零件生產(chǎn)工作變得簡單高效，這也是3D打印技術在民航維修中廣泛引用的原因。目前，由于3D打印機可活動工作區(qū)域的限制，使得在民航維修過程中必須先將零件打印好，才能將打印好的零件組裝到飛機上，不能在飛機上直接完成打印工作。如果打印機可以完成飛機的在翼維修，將會大大提高打印機的打印效率，減少故障飛機的停飛時間。

2.2 懸臂式3D打印機在民航維修中的獨特優(yōu)勢

懸臂式3D打印機是傳統(tǒng)3D打印機的升級產(chǎn)品，有著比傳統(tǒng)3D打印機更大的活動區(qū)域。在民航維修中應用3D打印技術，可以大大提高飛機的維修效率。懸臂式3D打印機可以在工作對象機體上直接進行工作，飛機維修時，懸臂式3D打印機可以直接在機體上進行噴漆、圖案設計、零部件打印等工作，保證施工質(zhì)量和效率。民航飛機維修過程中存在以下幾個難點：一是部分作業(yè)空間狹小，二是維修要求時間短，三是必須達到百分百的精準維修。以上三點對于人力維修來說要花很大的精力和準備時間才能完成好，可是懸臂式3D打印機卻可以很好的進行以上幾個操作，并且對于工作難度較高的部分也能游刃有余。由上可知，懸臂式3D打印機的應用對民航維修有著十分重要的意義，推動我國飛機維修技術向著科技化、機器化、智能化發(fā)展。

3 懸臂式3D打印機在民航維修中的前景展望

3D打印技術是近年來新興起的一種快速打印成型技術，通過逐層三維打印的方法來進行物體澆筑。這種技術在我國快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有很多3D打印的產(chǎn)品出現(xiàn)在市場中，但是，這種技術方法還在初期階段，有些打印機有一些弊端，需要通過在實驗中總結規(guī)律并且加以改進。3D打印技術之所以可以迅速得到人們的認可，是因為它使原本復雜的工作簡單化，使原本專業(yè)性很強的工作也變成了零技術操作，在進行產(chǎn)品打印時，只需要在計算機上給出三維模型就可以通過打印機將產(chǎn)品打印出來，并且產(chǎn)品是一體的，而不是像有些傳統(tǒng)產(chǎn)品通過組裝生產(chǎn)。

3D打印技術被一些科學家稱為第三次工業(yè)革命的生產(chǎn)工具。其實3D打印技術早在20世紀90年代就已經(jīng)出現(xiàn)，只是當時的技術不夠成熟，打印成本比較高，因此3D打印技術并沒有得到普及。隨著科學技術的不斷發(fā)展，世界漸漸步入了信息化時代，這使得3D打印技術的成本大大降低，并且3D打印技術所需要的種種設備配件都相對廉價、精確。由于打印成本大幅度降低，3D打印技術在各行各業(yè)得到快速推廣和應用。工程師和設計師通過3D打印機將設計方案轉化為實物原形并進行測試。從事醫(yī)療工作的外科醫(yī)生通過3D打印機打印手術器官模型，國家考古學家通過3D打印技術打印更多的國家珍貴文物供游客觀賞。

對于很多人來講，一旦說到打印技術他們第一想到的肯定是平面打印，比如打印照片、打印海報等，這是極其普通的二維打印。3D打印技術的打印空間是三維的，因此3D打印機可以將實物打印出來。3D打印機打印出物體的質(zhì)量好壞與3D打印機的精度有很大關聯(lián)，市場上比較廉價的3D打印機雖然也能打印出物體的三維原形，打印出的產(chǎn)品可能相對于高精度打印機不是那么精細，但是相比傳統(tǒng)的鑄造、沖壓等方法制造出的產(chǎn)品，它可以快速的使產(chǎn)品成型，并且大大降低產(chǎn)品的不合格率。一般來說一件3D打印產(chǎn)品的打印完成需要經(jīng)過以下四個階段：一是建模，二是分層，三是打印，四是后期處理。建模和分層屬于打印產(chǎn)品的前期準備工作，建模是在計算機上建立需要打印產(chǎn)品的數(shù)字模型，分層則是通過在計算機將建好的模型進行打印順序的劃分排序，使得打印機在打印產(chǎn)品時可以有序的進行。后期處理則指的是在打印完成后對打印效果不好的部分再進行精細化處理。懸臂式3D打印機相對于傳統(tǒng)的3D打印機有著更為廣闊的應用前景。民航維修中需要3D打印機進行在翼工作，這是傳統(tǒng)打印機完成不了的，也是懸臂式3D打印機最初的設計構想，將來懸臂式3D打印機會以它獨特的優(yōu)勢應用到更多的行業(yè)領域。

4 結語

綜上所述，懸臂式3D打印機以其獨特的工作優(yōu)勢在民航維修中起到十分重要的作用，提高了民航維修工作的效率。

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