任建玺，刘 轶，田小柳

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750021）

0 引言

在我国产业升级的背景下，3D 打印技术得到国家层面的重视，尤其是2017 年12 月工信部等12 部门印发的《增材制造产业发展行动计划（2017-2020 年）》，为我国的3D 打印行业发展提出了目标及要求。目前，3D 打印行业正在逐步由导入期进入成长期，新机器、新技术、新材料、新应用程序不断推陈出新，已经形成一条比较完整的产业链。

3D 技术的进步，最直观的反馈来自设备所打印出的产品质量。目前3DP 打印机主要由工作箱、举升机构、辊道、铺砂器、清扫机构、清洗机构、打印头、混砂机构等多种机构组成，多种机构共同组装在框架上，构成的尺寸链关系与尺寸精度，组成了设备的打印精度。

1 框架的材料选择

三维打印（3DP）设备的主体是由型材搭接而成，在设备长期运行后，型材本身的机械力学性能对设备精度起着至关重要的作用，以下是具体分析调研过程。

型材的材料主要分为：低碳钢、低合金钢、不锈钢、中碳钢、合金结构钢等材料，中碳钢和合金结构钢按照具体的元素组成，又分为一般和较差两种类型，较差类焊接后有形成裂纹的倾向[1]，而在3D 打印中，因为铺砂器、清扫机构会产生较大震动，必定会导致焊缝形成裂纹，使得框架焊接结构不稳定，所以不可选取；而一般类的中碳钢和合金结构钢在较复杂的焊接情况下，需要预热到150℃以上进行焊接，会导致焊接工艺的复杂性。最后在综合了各方面因素后，选择了焊接性能良好的Q345B 低合金钢。Q345B 是珠光体+铁素体材料，综合力学性能良好，低温性能好，冷冲压性能强，可切削性能良好，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等行业。如图1 所示，是对实际使用中的Q345B 材料在显微镜下放大1000 倍与500 倍进行实际分析后的基体组织与晶粒组织成像，然后与理论比较，用来检验来料的规范性。

图1 实测使用中Q345B 的微观图片

2 框架方案设计

框架结构的优点是将集中载荷通过钢架结构及其与立柱的多个连接点分散、均匀地传递到立柱和地面上，结构共同受力，利用空间钢架梁的高度换取其承载能力，大大提高了梁的强度、刚度及稳定性[2]。设备的运行方式体现在框架的结构设计，最终设备的所有运动都是集成后在框架上表现出来，在结构设计时，要考虑诸多因素。

2.1 型材的承载能力

不同规格的型材受力能力不同，主要体现在型材的壁厚、具体规格（方形管、矩形管）、放置方向等。一般情况下，矩形管沿长边竖直放置时的承载力高于短边竖直放置的承载力，壁厚视具体情况而定，因为增加壁厚会增加型材的自身重量，需要单独进行受力计算，要是再设计时遇到同样外形尺寸的型材，薄壁厚与厚壁厚规格型材仿真后，结果一样，都不能完全满足设计要求，可以在壁厚较厚的型材上加减重孔，降低型材本身的重量，以此来满足设计要求。

2.2 设计前方案布局

3D 打印机的运动方式主要分为跟随式打印、双箱交错式打印、双箱同步式打印、单箱同步式打印等。在项目立项后，打印机的运动方式就已经确定了，然后需要以设备运动方式为基础，设计可以保证设备精度的整机框架结构。初步设计时，需要考虑框架的组成形式和整机的调运、固定。

2.2.1 框架的组成形式

有一体式和分体式两种结构，这两种结构各有利弊，一体式框架结构优点在于安装时框架自身的设备精度不需要调节，只要其他部件按照标准安装好后，调整其他部件的相对位置精度，就可以完成设备精度的调整，但对于结构复杂或者成型尺寸比较大的打印机，一体式框架因为加工、运输的考虑，往往不太适应，所以一体式框架比较适用于结构简单且成型尺寸小的打印机。如图2 所示，是砂芯成型尺寸为800mm×600mm×700mm单箱同步打印机框架，对此设备进行铺粉、打印等功能分析后，在保证功能基础上，考虑安装与精度因素，一体式框架可以满足，最终选用一体式框架设计；分体式框架的优点是单个框架设计时尺寸小、加工运输方便，但需要在组装时调节框架的安装精度，通过销或者基准面来确保框架精度的稳定性。如图2 所示，是砂芯成型尺寸为1200mm×800mm×750mm 单箱跟随式打印机框架，因为此打印机功能结构复杂，成型尺寸大，如果采用一体式框架加工、安装困难，最终选用分体式框架设计。

图2 砂芯成型尺寸：800mm×600mm×700mm 单箱同步打印

2.2.2 整机的调运、固定

设计前期需要考虑设备在安装完成后，需要拆卸后送往顾客现场，并在客户现场安装的吊装方式与固定方式。拆卸和吊装是考验设备精度的重要环节，为了保证框架精度的稳定性，要合理的设计框架的连接方式与吊装孔位置。另因为吊装和固定决定了设备框架的连接方式，如果前期不能充分考虑这一点，待后续详细设计时，一旦没有合适的吊装运输与固定方式，将会影响框架的整体设计，使得前期的设计工作白白浪费。

3 详细设计与精度调整

在完成打印机的初步布局以后，下一步就是框架的具体结构设计，框架具体结构设计可以分为两部分：与其他部件的连接方式和框架自身精度的调整和稳定性保证。与其他部件的连接方式主要考虑连接处的型材或者板材的刚性强度，以此来保证所装配零件的稳定性和精度，必要时需要进行受力分析。

（1）在3D 打印机设计中，框架是所有部件连接的桥梁，所以框架自身的精度决定了各部件之间的尺寸链精度即设备精度，框架自身精度初步是由运行过程中受负载施加力后受力变形所决定，因此在框架设计时，需要对框架的运动部分进行必要的受力分析[3]。如图3 所示，是对3D 打印机打印头横梁再进行受力分析后的结果，由图可以看出，最大变形量0.049mm,可以满足此部件的使用要求，如果分析后不能满足使用性能，一般可以通过增加加强筋板、增加支撑梁、增加贴块的板厚等方式来进行优化。

图3 打印头横梁受力位移分析

（2）在设计时要确定设备对应结构的精度调整方式，如通过测量平行度[4]、垂直度对基准面调整、定位销孔调整、工装调整，同时要考虑调整时所用工具，如内径千分尺、框式水平仪器、游标卡尺等工具，确保调整时要贴合现场实际情况。

4 结束语

目前国内已经建成并投产了多个铸造领域的数字化智能工厂，3D 打印技术也正深深影响着传统铸造行业的转型升级[5]，引领铸造工厂向数字化、绿色化、智能化迈进。文章介绍了影响3D 打印机框架稳定性的因素及其相关的解决办法，从源头的选材到最终的详细设计，具体阐述了如何设计能够保证框架的稳定性，不仅适用于3D 打印行业，对其他以框架结构为主体的设备也同样适用。