3D 打印機框架設(shè)計穩(wěn)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(chǎn)業(yè)升級的背景下，3D 打印技術(shù)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(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020 年）》，為我國的3D 打印行業(yè)發(fā)展提出了目標及要求。目前，3D 打印行業(yè)正在逐步由導(dǎo)入期進入成長期，新機器、新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用程序不斷推陳出新，已經(jīng)形成一條比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

3D 技術(shù)的進步，最直觀的反饋來自設(shè)備所打印出的產(chǎn)品質(zhì)量。目前3DP 打印機主要由工作箱、舉升機構(gòu)、輥道、鋪砂器、清掃機構(gòu)、清洗機構(gòu)、打印頭、混砂機構(gòu)等多種機構(gòu)組成，多種機構(gòu)共同組裝在框架上，構(gòu)成的尺寸鏈關(guān)系與尺寸精度，組成了設(shè)備的打印精度。

1 框架的材料選擇

三維打?。?DP）設(shè)備的主體是由型材搭接而成，在設(shè)備長期運行后，型材本身的機械力學(xué)性能對設(shè)備精度起著至關(guān)重要的作用，以下是具體分析調(diào)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(jié)構(gòu)鋼等材料，中碳鋼和合金結(jié)構(gòu)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(gòu)會產(chǎn)生較大震動，必定會導(dǎo)致焊縫形成裂紋，使得框架焊接結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，所以不可選??；而一般類的中碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼在較復(fù)雜的焊接情況下，需要預(yù)熱到150℃以上進行焊接，會導(dǎo)致焊接工藝的復(fù)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(xué)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(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等行業(yè)。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(guī)范性。

圖1 實測使用中Q345B 的微觀圖片

2 框架方案設(shè)計

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是將集中載荷通過鋼架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wěn)定性[2]。設(shè)備的運行方式體現(xiàn)在框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終設(shè)備的所有運動都是集成后在框架上表現(xiàn)出來，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮諸多因素。

2.1 型材的承載能力

不同規(guī)格的型材受力能力不同，主要體現(xiàn)在型材的壁厚、具體規(guī)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(shè)計時遇到同樣外形尺寸的型材，薄壁厚與厚壁厚規(guī)格型材仿真后，結(jié)果一樣，都不能完全滿足設(shè)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(shè)計要求。

2.2 設(shè)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(jīng)確定了，然后需要以設(shè)備運動方式為基礎(chǔ)，設(shè)計可以保證設(shè)備精度的整機框架結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計時，需要考慮框架的組成形式和整機的調(diào)運、固定。

2.2.1 框架的組成形式

有一體式和分體式兩種結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)各有利弊，一體式框架結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于安裝時框架自身的設(shè)備精度不需要調(diào)節(jié)，只要其他部件按照標準安裝好后，調(diào)整其他部件的相對位置精度，就可以完成設(shè)備精度的調(diào)整，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)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?shù)目紤]，往往不太適應(yīng)，所以一體式框架比較適用于結(jié)構(gòu)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(shè)備進行鋪粉、打印等功能分析后，在保證功能基礎(chǔ)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(shè)計；分體式框架的優(yōu)點是單個框架設(shè)計時尺寸小、加工運輸方便，但需要在組裝時調(diào)節(jié)框架的安裝精度，通過銷或者基準面來確保框架精度的穩(wěn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)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(diào)運、固定

設(shè)計前期需要考慮設(shè)備在安裝完成后，需要拆卸后送往顧客現(xiàn)場，并在客戶現(xiàn)場安裝的吊裝方式與固定方式。拆卸和吊裝是考驗設(shè)備精度的重要環(huán)節(jié)，為了保證框架精度的穩(wěn)定性，要合理的設(shè)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(shè)備框架的連接方式，如果前期不能充分考慮這一點，待后續(xù)詳細設(shè)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(shè)計，使得前期的設(shè)計工作白白浪費。

3 詳細設(shè)計與精度調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計，框架具體結(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)整和穩(wěn)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(wěn)定性和精度，必要時需要進行受力分析。

（1）在3D 打印機設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(yōu)化。

圖3 打印頭橫梁受力位移分析

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

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)已經(jīng)建成并投產(chǎn)了多個鑄造領(lǐng)域的數(shù)字化智能工廠，3D 打印技術(shù)也正深深影響著傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級[5]，引領(lǐng)鑄造工廠向數(shù)字化、綠色化、智能化邁進。文章介紹了影響3D 打印機框架穩(wěn)定性的因素及其相關(guān)的解決辦法，從源頭的選材到最終的詳細設(shè)計，具體闡述了如何設(shè)計能夠保證框架的穩(wěn)定性，不僅適用于3D 打印行業(yè)，對其他以框架結(jié)構(gòu)為主體的設(shè)備也同樣適用。