悬臂式3D打印机设计研究在民航维修中的应用与展望

冷宇嘉

（北京飞机维修工程有限公司，北京 100621）

悬臂式3D打印机设计研究在民航维修中的应用与展望

冷宇嘉

（北京飞机维修工程有限公司，北京 100621）

3D打印机是被看成是第三次工业革命的标志，拥有广阔的应用前景。但是传统的3D打印机局限性较大，不能满足复杂的产品设计要求，因此，设计出了一款更加适合民航维修的悬臂式3D打印机。本文首先对悬臂式3D打印机的结构和工作原理进行介绍，然后对该打印机在民航维修中的应用做出了具体阐述。

悬臂式3D打印机；设计；民航维修；应用与展望

近几年，3D打印技术已经逐渐进入人们的视野，各种各样的3D打印产品出现在人们的生活中，比如3D打印的鞋子、玩具等等。3D打印技术有以下特点:一是零技能生产，二是成本比较低，三是可以实现个性化定制，因为同时具备以上三个优点，所以3D打印广受各行各业的青睐，目前已经在制造业、医疗、航空、设计等众多领域得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。我国3D打印市场中使用最多的是龙门式打印机，这种打印机的打印区域比较固定，不能适应维度复杂的工作环境，因此，我国科研人员设计出了自由度更高的悬臂式3D打印机。悬臂式打印机以其独特的优势在民航维修中得到很好的应用，下文主要对悬臂式3D打印机和其在民航维修中的应用进行介绍。

1 悬臂式3D打印机的设计研究

1.1 悬臂式3D打印机的结构

悬臂式3D打印机同时具备以下三种功能：一是旋转功能，二是上下移动功能，三是水平移动功能。因此，悬臂式3D打印机有着活动范围大、工作区域开阔的优点，这也是传统的龙门式打印机做不到的。悬臂式3D打印机之所以能够有足够大的活动范围是因为它由四个主要结构组成，一是旋转运动结构，二是水平运动结构，三是垂直运动结构，四是打印所需产品材料挤出结构。打印机在打印产品的过程中可以依据计算机的指令准确的找准三维产品的打印位置，并给出准确数量的打印材料。

悬臂式3D打印机进行三维运动的关键是悬臂装置的设计。悬臂结构设计是悬臂式3D打印机设计的核心技术，具体设计为，将打印头与水平滑块进行连接，然后将水平导轨与打印机中心旋转轴连接，该部分由伺服电机进行驱动工作。打印头可以在悬臂水平导轨上根据实际需要自由滑动，悬臂可以在打印机中心轴上进行上下运行，而中心轴也可以在打印机底座的基础上自由旋转，这样就构成了一个可上可下、可左可右的三维打印空间。

悬臂式3D打印机的底座旋转体通过减速机承载体进行完成旋转工作。在进行底座旋转设计时，应考虑到打印机应用行业的工作强度和难度，设计符合要求的壁厚、轴肩、轴径。底座旋转轴的传动同样是由伺服电机进行驱动，并且配合减速机来控制旋转轴的旋转速度。

1.2 悬臂式3D打印机优化设计

悬臂式3D打印机在完成基本的机构设计之后应进行整机的优化实验设计。在整机优化设计中应充分考虑到整个悬臂式打印机的平衡性，由于悬臂式打印机有相当大的一部分机构是悬在打印机主轴之外的，假如不能很好的对打印机的平行性进行优化设计研究，那么在打印机运行过程中就可能出现倾倒等工作故障，造成不必要的经济损失。在进行打印机机体设计时为了提高整机的安全性能，机体材料大都采用了铸铁铸造，由于铁的重量很大，这使得打印机在进行移动时很不方便，为保证机体尽可能的轻量化，必须对机体重量进行优化设计。

在进行优化模型试验时，为保证减速器承受体与打印机真正所处的工作环境相同，同时避免较复杂的模型分析试验，因此，在实验时采用旋转轴传动装置作为优化对象。该优化模型中省去了复杂的安装支架和各种机器外壳，使优化模型变得简单准确。

2 悬臂式3D打印机在民航维修中的应用

2.1 3D打印技术在民航维修中的应用现状

3D打印技术作为21世纪最具有创造力的高新科技，已经得到了广泛的应用。3D打印技术使得复杂的工作简单化，并且大大提高了工作效率。航空领域无论在飞机制造还是在飞机维修过程中，都需要大量的高精密零部件，这些零部件的生产占用了大量的人力劳动，并且通过人和传统机械配合生产出的零部件存在不合格率高的缺点，引入3D打印技术后，原来操作复杂的零件生产工作变得简单高效，这也是3D打印技术在民航维修中广泛引用的原因。目前，由于3D打印机可活动工作区域的限制，使得在民航维修过程中必须先将零件打印好，才能将打印好的零件组装到飞机上，不能在飞机上直接完成打印工作。如果打印机可以完成飞机的在翼维修，将会大大提高打印机的打印效率，减少故障飞机的停飞时间。

2.2 悬臂式3D打印机在民航维修中的独特优势

悬臂式3D打印机是传统3D打印机的升级产品，有着比传统3D打印机更大的活动区域。在民航维修中应用3D打印技术，可以大大提高飞机的维修效率。悬臂式3D打印机可以在工作对象机体上直接进行工作，飞机维修时，悬臂式3D打印机可以直接在机体上进行喷漆、图案设计、零部件打印等工作，保证施工质量和效率。民航飞机维修过程中存在以下几个难点：一是部分作业空间狭小，二是维修要求时间短，三是必须达到百分百的精准维修。以上三点对于人力维修来说要花很大的精力和准备时间才能完成好，可是悬臂式3D打印机却可以很好的进行以上几个操作，并且对于工作难度较高的部分也能游刃有余。由上可知，悬臂式3D打印机的应用对民航维修有着十分重要的意义，推动我国飞机维修技术向着科技化、机器化、智能化发展。

3 悬臂式3D打印机在民航维修中的前景展望

3D打印技术是近年来新兴起的一种快速打印成型技术，通过逐层三维打印的方法来进行物体浇筑。这种技术在我国快速发展，现在已经有很多3D打印的产品出现在市场中，但是，这种技术方法还在初期阶段，有些打印机有一些弊端，需要通过在实验中总结规律并且加以改进。3D打印技术之所以可以迅速得到人们的认可，是因为它使原本复杂的工作简单化，使原本专业性很强的工作也变成了零技术操作，在进行产品打印时，只需要在计算机上给出三维模型就可以通过打印机将产品打印出来，并且产品是一体的，而不是像有些传统产品通过组装生产。

3D打印技术被一些科学家称为第三次工业革命的生产工具。其实3D打印技术早在20世纪90年代就已经出现，只是当时的技术不够成熟，打印成本比较高，因此3D打印技术并没有得到普及。随着科学技术的不断发展，世界渐渐步入了信息化时代，这使得3D打印技术的成本大大降低，并且3D打印技术所需要的种种设备配件都相对廉价、精确。由于打印成本大幅度降低，3D打印技术在各行各业得到快速推广和应用。工程师和设计师通过3D打印机将设计方案转化为实物原形并进行测试。从事医疗工作的外科医生通过3D打印机打印手术器官模型，国家考古学家通过3D打印技术打印更多的国家珍贵文物供游客观赏。

对于很多人来讲，一旦说到打印技术他们第一想到的肯定是平面打印，比如打印照片、打印海报等，这是极其普通的二维打印。3D打印技术的打印空间是三维的，因此3D打印机可以将实物打印出来。3D打印机打印出物体的质量好坏与3D打印机的精度有很大关联，市场上比较廉价的3D打印机虽然也能打印出物体的三维原形，打印出的产品可能相对于高精度打印机不是那么精细，但是相比传统的铸造、冲压等方法制造出的产品，它可以快速的使产品成型，并且大大降低产品的不合格率。一般来说一件3D打印产品的打印完成需要经过以下四个阶段：一是建模，二是分层，三是打印，四是后期处理。建模和分层属于打印产品的前期准备工作，建模是在计算机上建立需要打印产品的数字模型，分层则是通过在计算机将建好的模型进行打印顺序的划分排序，使得打印机在打印产品时可以有序的进行。后期处理则指的是在打印完成后对打印效果不好的部分再进行精细化处理。悬臂式3D打印机相对于传统的3D打印机有着更为广阔的应用前景。民航维修中需要3D打印机进行在翼工作，这是传统打印机完成不了的，也是悬臂式3D打印机最初的设计构想，将来悬臂式3D打印机会以它独特的优势应用到更多的行业领域。

4 结语

综上所述，悬臂式3D打印机以其独特的工作优势在民航维修中起到十分重要的作用，提高了民航维修工作的效率。

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