《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Effects of Electronic Layout and Beam Design on High-Speed Dynamic Characteristics of FFF 3D Printers
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高速熔融挤出成型（Fused Filament Fabrication，FFF）打印机在高速加速运动过程中，易因运动部件惯性、框架柔性与模态耦合而产生喷嘴振动，进而降低沉积轨迹稳定性。本研究在整机边界条件下，评估了CoreXY型FFF打印机的电子布局与X轴横梁
高速熔融挤出成型（Fused Filament Fabrication，FFF）打印机在高速加速运动过程中，易因运动部件惯性、框架柔性与模态耦合而产生喷嘴振动，进而降低沉积轨迹稳定性。本研究在整机边界条件下，评估了CoreXY型FFF打印机的电子布局与X轴横梁构型对动态适应性的影响。研究建立了包含框架、XY运动机构、打印头、热床及电子元件的有限元模型。通过先对比后置式与底部式电子布局，再对比三种横梁设计方案，进行了模态分析与Y向谐响应分析。在基准横梁条件下，两种布局的一阶固有频率均为83 Hz，而后置式布局使二阶至六阶频率分别提高6.8%、24.2%、32.0%、29.2%和15.3%。在后置式布局下，三种横梁的前六阶模态频率相近，但开孔横梁的喷嘴峰值最低，全频段Y向响应为0.402 mm，较基准横梁和空心方管横梁分别降低16.1%和20.4%。该横梁质量仅为41.98 g，较基准横梁减轻45.1%。因此，在当前仿真条件下，后置式电子布局配合开孔横梁为优选方案。
**高速FFF 3D打印机整机动态特性研究：电子布局与横梁设计的系统评估**
**一、研究背景与问题提出**
增材制造通过逐层沉积材料成形零件，为复杂结构设计、快速原型及小批量定制生产提供了区别于传统减材制造的技术路径。在众多增材制造工艺中，熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），亦称熔融挤出成型（Fused Filament Fabrication，FFF），凭借设备成本低、材料来源广泛、工艺链简单及开源生态成熟等优势，已成为聚合物增材制造中应用最广泛的技术之一。除制造复杂三维几何形状定制零件的优势外，FFF还可利用喷嘴挤出过程中产生的固有剪切流场驱动聚合物分子链及纳米填料的定向排列，实现各向异性微结构的原位构建，以及高效电磁干扰屏蔽和定向导热等可定制多功能特性。
在常规打印速度下，影响零件质量的主要因素包括层厚、线宽、喷嘴温度、冷却方式、填充图案、路径规划及材料收缩等工艺参数。然而，随着FFF 3D打印机向高速化方向发展，运动系统的动态特性正逐渐成为限制打印质量的关键因素。高速FFF 3D打印机通常需要更高的进给速度和更大的加速度；当打印头在短时间内频繁启停和换向时，惯性载荷、同步带传动扰动及框架振动可能共同导致喷嘴偏离相对于工件的预期位置。
现有研究已在FFF工艺参数优化、设备振动识别和软件补偿方面奠定了重要基础，但针对高速CoreXY型FFF打印机的整机配置方案适应性研究仍显不足。首先，多数研究聚焦于材料沉积过程、零件表面质量或打印对象的动态性能，鲜有研究在单一完整系统框架内同时比较电子元件布局、框架质量分布、X轴横梁结构与喷嘴端响应。其次，现有振动补偿研究多集中于特定运动机构的轨迹误差抑制或传感器诊断，若缺乏结构层面的低阶模态与谐响应评估，补偿方法可能难以识别风险频段来源。
针对上述问题，本研究以一台紧凑型CoreXY FFF 3D打印机为研究对象，建立包含框架、XY平面运动机构、X轴横梁、导轨滑块、打印头等效结构、热床平台及电子元件布局的整机有限元模型，旨在评估并筛选在当前模型边界条件下可能实际采用的结构配置方案。
**二、研究内容与主要技术方法**
研究分为两个层次的方案比较。第一层次涉及电子元件布局，包括后置式和底部式两种方案，两方案保持框架、XY运动机构、横梁构型及材料参数不变，仅改变电子元件在机内的位置，以评估质量分布对低阶模态和喷嘴响应的影响。第二层次涉及X轴横梁结构，包括原始横梁、空心方管横梁和开孔横梁三种方案，三者在安装接口、行程及滑块连接位置保持一致。
研究采用的主要技术方法包括：基于SolidWorks 2022建立三维几何模型并导入ANSYS Workbench 2024 R1进行有限元分析，选用SOLID187三维十节点四面体单元，网格数量约48万；模态分析提取前10阶固有频率，重点关注前六阶及与响应峰值直接相关的低阶模态；谐响应分析采用Y向惯性激励，高速打印边界设定为20000 mm/s2的匀加速度，频率范围为40–200 Hz，步长1 Hz，阻尼比0.01，响应测量点位于喷嘴处；此外还定义了等效平方幅值谱指标以表征频域采样点处平方响应幅值的集中程度，并进行了网格敏感性分析以验证数值收敛性。
**三、研究结果**
**3.1 电子设备布局对整机动态特性的影响**
模态频率比较结果表明，后置式和底部式电子布局的一阶固有频率分别为83.289 Hz和83.548 Hz，差异甚微。然而，自二阶模态起，两种布局呈现明显分化。后置式电子布局的二至六阶固有频率分别为104.04 Hz、127.86 Hz、150.11 Hz、155.77 Hz和164.39 Hz，对应底部式布局则为97.406 Hz、102.98 Hz、113.72 Hz、120.60 Hz和142.64 Hz。相较底部式布局，后置式布局使二至六阶频率分别提高约6.8%、24.2%、32.0%、29.2%和15.3%。这一结果表明，电子元件的布局不仅是布线或装配问题，更是改变整机低中阶模态分布的结构因素。
模态振型分析显示，两种构型在约83 Hz处均存在一阶模态，其变形区域主要涉及热床和打印头附近的部件。该模态的危险性在于喷嘴本身参与振动，模态响应直接转化为喷嘴相对于热床的横向位移。影响打印质量的危险模态主要包括两类：一是喷嘴的局部平移或转动运动，直接改变熔融丝材的落点位置；二是热床相关运动，改变喷嘴与工件基准面之间的相对位置。
喷嘴响应结果表明，在原始横梁条件下，后置式电子布局的喷嘴峰值为0.480 mm，出现在83 Hz处；底部式布局的喷嘴峰值为0.490 mm，出现在154 Hz处，两者差异约2.0%。尽管仅从最大喷嘴响应值来看后置式布局优势有限，但其显著提高了二至六阶模态频率，最终被选为横梁结构筛选的基准配置。
**3.2 后置式电子布局下的横梁结构改进**
在后置式电子布局下，三种横梁的前六阶固有频率差异甚微，仅个别模态存在小幅度变化，低阶频率几乎重叠。这表明在当前整机模型边界条件下，横梁几何形状的改变并未显著影响整机固有频率，三种横梁基本保持了相同的低阶模态频率分布。横梁结构的主要影响体现在运动质量、局部模态参与度和谐响应峰值方面。
Y向喷嘴响应曲线显示，三种方案均在83–84 Hz附近出现第一主峰，对应前述一阶模态；在103–105 Hz附近存在次级峰，对应打印头或上部运动机构在二阶模态附近的局部振动；在150–156 Hz附近出现另一组主峰，对应打印头、横梁和框架在四至五阶模态附近的耦合振动。在后置式电子布局下，原始横梁的喷嘴峰值为0.480 mm，空心方管横梁为0.505 mm，开孔横梁为0.402 mm。相较原始横梁，开孔横梁将喷嘴峰值降低约16.1%；相较空心方管横梁，降幅约20.4%。开孔横梁在78–88 Hz和145–160 Hz两个主导峰频段分别降低16.1%和13.8%，其在96–108 Hz次级峰频段的4.2%增幅（0.112 mm）较小，不影响其更低的全频段最大值。
**3.3 横梁方案综合评价**
最大变形结果显示，在后置式电子布局下，原始横梁、空心方管横梁和开孔横梁的总变形值分别为0.74 mm、0.72 mm和0.62 mm，开孔横梁在相同加速度激励下具有最小的最大变形。等效平方幅值谱峰值方面，开孔横梁的喷嘴等效平方幅值谱峰值为161.92×10?3 mm2/Hz，低于原始横梁的230.13×10?3 mm2/Hz和空心方管横梁的255.48×10?3 mm2/Hz，表明开孔横梁同时降低了喷嘴最大响应幅值和主导峰值处的平方响应幅值集中度。
综合六种布局-横梁组合的模态、谐响应和质量指标评价结果显示：原始横梁作为稳健基线，质量和响应水平居中，可用作实验对照方案；空心方管横梁虽然保持相近的低阶模态频率，但在83 Hz和155 Hz两个主喷嘴峰频段出现响应放大，不宜作为高速打印优选方案；开孔横梁大幅降低质量，并在后置式电子布局下同时降低全频段喷嘴峰值，在两个主要风险频段的响应也低于原始横梁。
**四、结论**
本研究表明，电子布局对整机低中阶模态基线具有明确影响：后置式布局将二至六阶固有频率从97.41–142.64 Hz提升至104.04–164.39 Hz，可改善紧凑型CoreXY FFF打印机的模态裕度；约83–84 Hz的一阶模态是高速打印的关键模态，打印头和上部运动机构参与该模态振动，模态响应可直接影响喷嘴与热床的相对位置；三种横梁的低阶固有频率差异甚微，横梁设计的主要效果体现在运动质量、局部模态参与度和喷嘴谐响应幅值方面；开孔横梁质量仅41.98 g，较基准横梁减轻约45.1%，全频段Y向喷嘴峰值为0.402 mm，分别较原始横梁（0.480 mm）和空心方管横梁（0.505 mm）降低约16.1%和20.4%，在保持低阶模态频率分布基本不变的同时可降低运动惯性和抑制喷嘴振动。
这些发现表明，高速FFF打印机设计应被视为系统级结构适配问题而非孤立的部件优化问题。非运动部件的质量分布与运动横梁的轻量化设计应被协同评估，因为两者均影响模态基线和喷嘴稳定性。未来工作应通过锤击法或扫频试验验证仿真模态频率和响应峰值，将实测喷嘴或框架振动与打印件的振纹、表面波纹度和尺寸误差相关联，并在将该配置应用于原型设计前进一步评估开孔横梁的局部强度、疲劳抗力及对制造误差的敏感性。
