1．目的及意义

增材制造（AM），通常也称为3D打印，在过去的20年中经历了巨大的发展，并且仍在继续[1]。随着科学技术的发展，3D打印这一先进的科技得到越来越多的应用[2]。由于它综合了数字建模技术、机电传动控制技术、信息技术、材料科学工程等方面的前沿技术知识，是一项综合科技技术[3]，它突破了传统的加工模式，所以被称之为“第三次工业革命”代表性技术[4]。从目前的形势来看，整个3D打印产业都存在巨大的潜在发展空间。但大空间3D打印机的研发和推广，还远没有像个人小型3D打印机发展的快，大空间3D打印机还有很大的提升空间。

相比较于小型3D打印机，大空间3D打印机首先是打印尺寸大幅度提升。传统的3D打印机，一般打印尺寸不会超过30立方厘米，不利于承重和结构强度的需要[5]。随着各种混合材料的出现，传统的3D打印机很难满足打印制品对材料和体积的需求，大型化、多材料适用性的大空间3D打印机在未来必将会得到较大的发展[6]。而大空间3D打印机中机械臂的结构设计有着十分重要的地位，整个打印机的精度大部分取决于机械臂，精度不高的机械臂制造出产品往往无法满足人们的要求。随着技术的发展，人们不仅仅满足于精度的要求，希望机械臂在达到高精度的同时，可以更加轻量化。由此可以看出，对大空间3D打印机的机械臂进行优化设计是十分必要的。

3D打印技术源于Scott Crump发明了熔融沉积快速成型技术，并成立Stratasys公司，该公司于1992年推出了第一台基于FDM技术的3D打印机，标志着FDM技术步入了商用阶段[7]。但基于FDM技术的3D打印机存在打印效率低、成型精度差等不足[8]，随着技术的不断发展，3D打印涌现了更多技术，如SLA（立体光固化成型）、DLP（数字光投）[9]。但这几种成型方式机器多为小型3D打印机，往往得不到工业级要求。

2012年，中国商飞公司与西北工业大学联合攻关，成功用大型SLS 3D打印机制造出高达3m的C919飞机大型钛合金结构件-中央翼缘边[10]。由大连理工大学[11]参与研发的最大加工尺寸达1.8米的激光3D打印机，采用“轮廓线扫描”的独特技术路线，可以制作大型工业样件及复杂的铸造模具。2016年5月，知名工业级3D打印解决方案供应商EnvisisonTEC宣布推出SLCOM工业级复合材料3D打印机，该款3D打印机采用的技术为选择性分层复合对象制造，作为第一款使用该技术的3D打印机，SLCOM的打印尺寸为 61×76×61cm[12]，相比较传统打印机，打印空间得到了很大的提升。在欧洲模具展上推出了成形平台尺寸为1000×800×500mm的Object1000大型3D打印机，被认为是用于汽车、国防、航空航天、工业机械的理想设备[13]。由此可见大空间3D打印机正在逐步发展。

但机械臂式3D打印机国内外发展不足，俄罗斯的ApisCor公司研发了下图一所示的伸缩臂式的建筑打印机，麻省理工大学下图二所示的伸缩臂加机器人一体的建筑打印机[14],这两种机器都是实验室级别的，还没有真正工程应用。麻省理工研发的打印机及材料不同于之前的展示案例，DCP采用伸缩臂伸展打印范围，采用太阳能板供电，打印材料为轻体的类似于泡沫的材料[15]。清华大学徐为国教授[16]等人为实现空间曲面形态的打印，设计了一台由两台机械臂协同工作的3D打印机，不仅实现了提高工作效率和扩大作业范围，也用分层错缝的方式解决了3D打印混凝土的接缝强度薄弱的问题，但两个机械臂也占用了很大的空间。日本Mimaki发布过一款全新的工业级全彩3D打印机，这款机器可以产生1000万种颜色，新打印机的体积为508×508×305mm，远远大于大多数3D打印机的体积。但是它的打印速度非常慢，打印一个100×100×100mm的对象，在简单、标准和高清模式下分别需要14.4、17.0和25.7h[17]。

虽然以上机械臂式的3D打印机都可以完成大范围的加工，但自身重量过重，对所能承受的载荷有所限制，所以对机械臂的轻量化设计是十分必要的。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1研究的基本内容

1、确定机械臂约束条件和所要达到的目标精度；

2、对3D打印机Z轴机械手大臂进行结构设计；