基于3D打印的大尺度零件的模塊化設(shè)計

劉先梅，張明存

六安職業(yè)技術(shù)學院機電技術(shù)系，六安，237158

基于3D打印的大尺度零件的模塊化設(shè)計

劉先梅，張明存

六安職業(yè)技術(shù)學院機電技術(shù)系，六安，237158

為了克服3D打印機自身的成形空間限制，將大尺度零件在3D設(shè)計軟件中劃分成若干小模塊，在各模塊之間設(shè)計一種合理的接口，打印后組裝成完整的大尺度零件，以大型壓力機機身零件模型為例，將其合理地劃分成4個模塊，設(shè)計一種燕尾式接口模型，并進行有限元分析。最后利用 3D打印機將接口模型成功打印出來，實現(xiàn)了現(xiàn)場驗證。結(jié)果表明：這種接口組裝的模型具有強度足，組裝操作簡單、便于展示和攜帶等優(yōu)點。

3D打印機；大尺度零件；接口設(shè)計；有限元分析

3D打印可以服務(wù)于大尺度零件的產(chǎn)品銷售和產(chǎn)品設(shè)計工作。在銷售中，采用3D打印機將設(shè)計方案打印模型，方便用戶直接了解零件的結(jié)構(gòu)、運動過程、相互間的匹配過程和主要設(shè)計難點等問題[1]；在產(chǎn)品設(shè)計中，采用3D打印機打印出縮小比例的模型，方便設(shè)計人員檢驗設(shè)計方案的正確性，及時發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計問題，糾正和調(diào)整設(shè)計圖樣，保證設(shè)計質(zhì)量。

目前，3D打印機主要采用FDM、SLA、SLS、3DP等快速成形技術(shù)[2]，但每一種打印機都有一定的成形空間，限制了大尺度零件模型的快速原型打印技術(shù)的發(fā)展。由于成型空間的限制，在現(xiàn)實打印過程中三維模型往往需經(jīng)過縮放或分割處理[3]，使得模型在后處理階段操作變得繁瑣。實際上，可以將大尺寸零件數(shù)字模型進行整體劃分成單個模塊，在各個模塊之間設(shè)計一種接口，打印后通過接口組裝各模塊成整機零件。本文根據(jù)現(xiàn)有的塑料拼插件接口設(shè)計理論基礎(chǔ)，采用理論論證和仿真分析相結(jié)合的方法，以典型框架式液壓機機身大尺度零件為例，建立三維模型劃分模塊，設(shè)計模塊之間的接口。

1 大尺度零件

1.1 框架式液壓機機身三維模型與結(jié)構(gòu)分析

框架式液壓機的主要結(jié)構(gòu)包括框架上梁、主油缸、動梁(滑塊)、墊塊、下梁、頂出缸等部件(圖1)。

圖1 框架式液壓機機身結(jié)構(gòu)

根據(jù)中小型液壓機設(shè)計規(guī)范[4]，三液壓缸框架式液壓機工作時的受力分析如圖2(a)所示，主液壓缸受力為P1，副液壓缸受力為P2，不考慮偏心載荷，可以簡化為單缸受力圖如圖2(b)所示，λ為折算系

圖2 框架式液壓機整機受力分析

數(shù)，不影響最大應力的求解，液壓機的整體彎矩圖如圖2(c)所示。其相應的A點彎矩MA、B點彎矩MB公式計算如下：

(1)

(2)

從圖2(c)可知，在上梁的兩端處和液壓缸處、下梁的兩端處和滑塊接觸處有比較大的彎矩，且都是正應力危險部位，必須滿足強度要求[5]，見式(3)。為了保證沖壓精度，垂直方向的位移形變也必須滿足剛度要求，見式(4)。

(3)

fL≤[fL]

(4)

1.2 組合框架式液壓機模型機結(jié)構(gòu)劃分

圖3 結(jié)構(gòu)劃分

根據(jù)圖1所示的模型尺寸，如果該尺度機身放進一般3D打印機進行打印，則無法打??；如果整體縮小10倍進行打印，則總體尺寸為346×193×173(mm3)，機床結(jié)構(gòu)的局部細節(jié)難以表述，設(shè)計中的難點問題也不能有效表征，不能為用戶和設(shè)計人員接受，失去了3D打印的意義；如果整體縮小5倍進行打印，則總體尺寸為692×386×346(mm3)，但是無法進入3D打印機進行打印，必須進行結(jié)構(gòu)劃分。

由于框架式液壓機既是左右對稱的，也是前后對稱的，所以可以按如圖3(a)方式進行劃分。按照這種形式劃分，每一個打印件的高度減少一半，建模個數(shù)為2個，每個模型打印件數(shù)為2個，并進行兩次打印，且打印件結(jié)構(gòu)簡單，便于質(zhì)量控制。因此，可以依據(jù)模塊化設(shè)計思路[6]，將大尺度的框架式液壓機劃分成4塊進行打印。

2 模塊接口設(shè)計

大尺度的框架式液壓機屬大型較規(guī)則的箱體類零件，由于劃分的模塊較多，接口數(shù)量、類型也較多。單一的接口通常滿足不了多方位的組裝需求。以圖3(a)中斷面1的連接接口為例。由于該零件尺寸值太大，故將零件模型縮小5倍處理，這樣1面移出截面的尺寸如圖3(b)所示。對于斷面1而言，它與結(jié)構(gòu)之間屬于大平面接觸，可以參考燕尾槽設(shè)計標準，考慮用燕尾槽式接口組裝[7]。

圖4 燕尾槽前后截面圖

考慮3D打印工藝，對于斷面1接口，在燕尾槽結(jié)構(gòu)上稍作改進，即將燕尾槽根部U型槽改為圓弧型槽，讓槽身有一定的斜度，以達到限位的目的。其中燕尾槽、凸臺前后兩剖面形狀如圖4、5所示，利用Pro/E軟件設(shè)計燕尾式接口，三維效果如圖6所示。

圖5 燕尾凸臺前后截面圖

圖6 燕尾式接口三維效果及組裝

3 燕尾式接口連接穩(wěn)定性分析

由于上述燕尾式接口主要用于對液壓機身3D模型連接組裝，所以對其定位要求低。目前，在3D打印中常用的材料有ABS和PLA，均具有高強度、低重量的特點，打印完成的模型都要進行打磨和拋光處理，但處理后的模型表面精度仍較低，摩擦系數(shù)高。同時，如圖4、5燕尾槽與凸臺前后截面圖所示，燕尾式接口前后端是作變截面處理，而二者裝配采用過盈配合處理，以保證接口在連接時具有足夠的穩(wěn)定性。

4 燕尾式接口的強度分析

4.1 有限元分析

燕尾式接口3D幾何模型是在Pro/E三維軟件中建立，再將模數(shù)據(jù)型直接導入ANSYS 14.0軟件進行剛強度分析[8]。在3D打印過程中，用ABS塑料打印接口零件模型，其楊氏模量為2.0e8 Mpa，泊松比為0.394，密度為1.1 g/cm3，抗拉強度為70～90 Mpa。

表1 燕尾凸臺的云圖分析數(shù)據(jù)

表2 燕尾槽的云圖分析數(shù)據(jù)

根據(jù)表1、2，可以得出下列結(jié)論：

(1)燕尾凸臺和燕尾槽的等效彈性應變量、總應變量和等效應力會隨著施加載荷的增大而增大；

(2)相同大小的載荷作用下，燕尾槽的等效彈性應變量、總應變量和等效應力大于燕尾凸臺；

(3)考慮實際工況，燕尾凸臺和燕尾槽接口經(jīng)組裝后在外界載荷作用下所產(chǎn)生的應變量和應力能滿足要求，能維持大尺度零件模塊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4.2 吊重物實驗

經(jīng)3D打印機打印成形的接口模型如圖7所示，總尺寸為900×870×420(mm3)。為了減少昂貴的材料，將模型內(nèi)部處理成網(wǎng)格狀，組裝接口模型總質(zhì)量僅有150 g。對于接口組裝強度問題，進行現(xiàn)場“吊重物實驗”，如圖8所示。重物總質(zhì)量為30 kg，觀察接口模型的變形情況和組裝穩(wěn)定性；同時，測試在外力摔打的情況下接口之間是否容易脫落或出現(xiàn)間隙增大的現(xiàn)象，均能具有良好力學性能。

圖7 接口模型

圖8 吊重物實驗

5 結(jié)束語

這種燕尾槽式接口可用于該框架式機身零件3D打印模型組裝，經(jīng)現(xiàn)場模擬測試，模型接口在載荷作用下仍具有良好的力學性能和連接穩(wěn)定性。由此可見，類似機身大尺度零件的模型能夠通過有效地劃分模塊單元，設(shè)計可行模塊接口能實現(xiàn)快速打印，并具有組裝操作簡單、便于展示和攜帶等優(yōu)點。

[1]張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應用對未來產(chǎn)品設(shè)計的影響[J].機械設(shè)計，2013,30(7):97-99[2]盧秉恒，李滌塵.增材制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展[J].機械制造與自動化，2013,42(4):1-4

[3]孫柏林.試析“3D打印技術(shù)”的優(yōu)點與局限[J].自動化技術(shù)與應用，2013 (6):1-6

[4]楊兆忠,翟華,柯尊忠.自動精密校直液壓機系列化產(chǎn)品 CAD 集成系統(tǒng)[J].機床與液壓,2008,36(4):146-148

[5]Charles F.Kirschman,Jr.Automated support structuce design for stereolitho-graphic parts[D].South Carolina,USA:The Graduate School of Clemson University,1991:443-448

[6]許靜,紀楊建,祁國寧,等.基于模塊化產(chǎn)品平臺的技術(shù)對象重用建模技術(shù)研究[J].中國機械工程,2012,23(14):1681-1687

[7]吳宗澤．機械零件設(shè)計手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003:27-28

[8]王思國，翟華，夏鏈，等.大型落地鏜銑床滑枕的有限元分析[J].汽車科技，2011(4):71-73

(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.06.028

2017-03-18

安徽省高校自然科學研究重點項目“基于3D打印機打印大尺度零件模塊化接口研究”(KJ2016A688)。

劉先梅(1981-)女，安徽六安人，碩士，講師，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計理論。

TH12

A

1673-2006(2017)06-0105-04