Prusa i3型3D打印機設(shè)計

Prusa i3型3D打印機設(shè)計,Prusa,i3型3D打印機設(shè)計,i3,打印機,設(shè)計 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目： Prusa i3 型 3D 打印機設(shè)計 學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機英 142 學(xué) 生 姓 名： 王金朋 指導(dǎo)教師（職稱）： 劉安生（副教授） 2018 年 1 月 5 日填 1 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）； 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實驗或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學(xué)生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計）工作，否則不允許 參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?2 一、選題依據(jù) 1論文（設(shè)計）題目 Prusa i3 型 3D 打印機設(shè)計 2研究領(lǐng)域 機械設(shè)計 3論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 3D 打印機技術(shù)是機械制造 中進行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段 3D 打印帶 來了全世界性制造業(yè)革命，它無 需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生 成任何形狀的物體。 經(jīng)過快速成型制 造完成的零部件，完全真實的再現(xiàn)三維造型，無 論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實準(zhǔn)確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備 進行修復(fù)。 從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極大的降低了新品開發(fā)的成 本及風(fēng)險。 到目前為止，各類 3D 打印機設(shè)備上所使用的材料種類有很多，樹脂、尼 龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末，基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對材料的機 械性能需求。 3D 打印技術(shù)已經(jīng)運用在醫(yī)療行業(yè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品原型、文物保護、建筑設(shè)計、 制造業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、汽車制造業(yè)和配飾制造等領(lǐng)域中，為這些領(lǐng)域帶來革命性的改變。 在工業(yè)中， 3D 打印機很難用于批量生產(chǎn)，因為對比于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)還有一定 的障礙，所以在工業(yè)中一般用于產(chǎn)品的開發(fā)研制，設(shè)計師可以把設(shè)計好的產(chǎn)品用 3D 打印機很快地制造出來，然后根據(jù)實際需要來繼續(xù)下一步的研發(fā)，大大降低了研發(fā)的 成本，還提升了研發(fā)速度。 3D 打印機還可以用于藝術(shù)雕塑品的制作，有些工藝設(shè)計 品難以用傳統(tǒng)工藝制造出來，而利用 3D 打印機，只需把作品的模型參數(shù)輸入電腦， 打印出來，而且還打破了材料的局限和工藝的限制，使得藝術(shù)品更具可觀性。 4目前研究的概況和發(fā)展趨勢 第一臺商用的 3D 打印機出現(xiàn)在 1986 年，但 3D 打印技 術(shù)的真正確立是以美國麻 省理工大學(xué)的 Scans E.M. 和 Cima M.J.等人于 1991 年申報的關(guān)于三維打印專利為標(biāo) 志的。目前，在 3D 打印領(lǐng)域比較著名的公司有 3D System、 Z-Corporation、 Object Geometries 等。 在國外 ， 經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展， 3D 打印技術(shù)有了長足的進步， 目前已經(jīng)能夠在 0.01mm 的單層厚度上實現(xiàn) 600dpi 的精細分辨率。在歐美發(fā)達國家， 3D 打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式，如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造 業(yè)等領(lǐng)域， 3D 打印技術(shù)可以以較低的成本、較高 的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完 成復(fù)雜而精細的造型。 在國內(nèi)，自 20 世紀(jì) 90 年代以來，國內(nèi)多所高校開展了 3D 打印技術(shù)的自主研發(fā)。 中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置， 有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng) 用。但總體而言，國內(nèi) 3D 技術(shù)的研發(fā)水平還有較大差距。我國港臺地區(qū)很多高校和 企業(yè)都有自己的 3D 打印設(shè)備， RP 技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，但并非自主研發(fā)。國產(chǎn) 3D 打 3 印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技 術(shù)水平有待進一步提升。 3D 打印既是制造業(yè)，更是服務(wù)業(yè)。 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈涉及到很多環(huán)節(jié)，包 括 3D 打 印機設(shè)備制造商、 3D 模型軟件供應(yīng)商、 3D 打印機服務(wù)商和 3D 打印材料的供應(yīng)商。 因此圍繞 3D 打印的產(chǎn)業(yè)鏈會產(chǎn)生很多機會。 隨著智能制造，控制技術(shù)，材料技術(shù)，信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也 被廣泛地綜合應(yīng)用與制造工業(yè)， 3D 打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷 化以及通用化等主要趨勢。提升 3D 打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù) 打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能， 以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的 3D 打印材料，如智能材料、功能梯度 材料、納米材料、 非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成 為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點； 3D 打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉， 操作更簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需 求；軟件集成化，實現(xiàn) CAD/CAPP/RP 的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無 縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造，拓展 3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、 建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。 從長期來看， 3D 打印技術(shù)其實就是顛覆性、破壞性的技術(shù)。盡管 3D 打印主要適 用于小批量生產(chǎn)，但是其打印的產(chǎn)品 可以遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品 更輕 便、更堅固、定制化、直接組裝成型。 3D 打印的另一個顛覆性特征是：單臺機器能 創(chuàng)建各種完全不同的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)制造方式需要改變流水線才能完成定制生產(chǎn)，其過 程需要昂貴的設(shè)備投資和長時間的工廠停機。不難想象，未來的工廠可以用同一個車 間的 3D 打印機既制造茶杯，又制造汽車零部件和量身定制的醫(yī)療產(chǎn)品。 4 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 （ 1） 3D 打印機總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 （ 2） 3D 打印機傳動方案設(shè)計計算 （ 3） 3D 打印機擠出機噴頭設(shè)計 2.擬開展研究的幾個主要方 面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） 通過設(shè)計計算 ， CAD/SOLIDWORKS 繪圖 ，查閱設(shè)計手冊，參考文獻等相關(guān)設(shè)計 資料，進行 3D 打印快速模型制造設(shè)備的設(shè)計并最終完成 3D 打印機的零件圖、裝配 圖、 CAD 圖及相關(guān)設(shè)計說明書。 論文寫作大綱 ： 1緒論 1.1 三維打印技術(shù)簡介 1.2 3D 打印機概述 1.3 國內(nèi)外 3D 打印機技術(shù)水平及發(fā)展概況 1.4 3D 打印機工作原理及過程 1.5 設(shè)計思路及主要問題 2. 總體設(shè)計方案選擇 3. 3D 打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 總體框架設(shè)計 3.2 X、 Y 軸傳動方案 設(shè)計 3.3 Z 軸傳動方案設(shè)計 3.4 噴頭、擠出機設(shè)計 3.5 X、 Y、 Z 軸限位方式設(shè)計 4. 傳動元件及傳感器選擇 4.1 絲杠選擇 4.2 伺服電機和步進電機對比選擇 4.3 限位傳感器選擇 4.4 溫度傳感器選擇 5. 總結(jié) 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 （ 1） 3D 打印機總體設(shè)計方案 （ 2） 3D 打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 （ 3） 3D 打印機 CAD 圖紙 （ 4） 3D 打印機 SW 裝配建模 5 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 對 3D 打印機 結(jié)構(gòu)進行研究，結(jié)合實際設(shè)計合 理的機構(gòu)并進行計算， 并選擇合理 的傳動方式，最終完成對 3D 打印機的研究。 2.論文（設(shè)計）進度計劃 第 1 周：查閱相關(guān)文獻資料，了解設(shè)計內(nèi)容； 第 2 周：初步方案設(shè)計； 第 3 周：總體方案設(shè)計； 第 4 周：撰寫并完善開題報告； 第 56 周： 3D 打印機噴頭部分研究設(shè)計； 第 79 周： 3D 打印機設(shè)計各部分零部件設(shè)計計算； 第 10 周： 3D 打印機設(shè)計各部分零部件設(shè)計計算； 第 1112 周：繪制相關(guān)圖紙； 第 13 周：撰寫設(shè)計說明書； 第 14 周：完善 畢業(yè)設(shè)計各項 內(nèi)容，準(zhǔn)備答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 1 廖漢元 ,孔建益 .機械原理 M.北京 :機械工業(yè)出版社 ,2012. 2 濮良貴 ,陳國定 ,吳立言 .機械設(shè)計 (第九版 )M.北京 :高等教育出版社 ,2013. 3 成大先 .機械設(shè)計手冊 M.北京 :化學(xué)出版社 ,2002. 4 程光仁等 .滾珠螺旋傳動設(shè)計基礎(chǔ) M.北京：機械工業(yè)出版社 ,2007. 5 劉厚才 ,莫健華 .三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用 J機械科學(xué)與技術(shù) ,2008,(9):12-14. 6 饒振剛 ,田勇衛(wèi) .滾珠絲杠副及自鎖裝置 M.北京：國防工業(yè)出版社 ,1990. 7 徐進 .絲杠升降機構(gòu)傳動可靠性設(shè)計研究 J.煤礦機械 ,2003,（ 10）： 34-39. 8 代仕平 ,張娜 .基于滾珠絲杠副的升降機構(gòu)設(shè)計 J.八一科技 ,2011,（ 1） :50-52. 9 陳步慶 ,林柳蘭 ,等三維打印技術(shù)及系統(tǒng)研究 J機電一體化 ,2005,（ 4） :31-32. 10田地銀 ,田云 .關(guān)于滾珠絲杠的選擇 J.電子工藝技術(shù) ,1997,(18)： 18-25. 11蔡恩澤 .3D 打印顛覆傳統(tǒng)制造業(yè) J.中國中小企業(yè) ,2012,（ 11） :46-47. 12Lischke F, Tovar A. Design of Self-Supported 3D Printed Parts for Fused Deposition ModelingC/ ASME 2016 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2016:V004T05A009. 13Beaman J, Bourell D, Wallace D. Special Issue: Additive Manufacturing (AM) and 3D PrintingJ. Journal of Manufacturing Science 缺點是價格昂貴，可用材 料種類有限，制成品在光照下會逐漸解體。 選擇性激光燒結(jié)打印 ( SLS) 是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結(jié)在一起形成 零件。 SLS 工藝的優(yōu)點是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚 丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等，打印時無需支撐，打印的零件 機械 性能好、強度高 ; 缺點是材料粉末比較松散，燒結(jié)后成型精度不高，且高功率的 激光器價格昂貴。 熔融沉積打印 ( FDM) 是采用熱融噴頭，使塑性纖維材料經(jīng)熔化后從噴頭內(nèi)擠壓 而出，并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式，其優(yōu)點是價格 低廉、體積小、生成操作難度相對較小 ; 缺點是成型件的表面有較明顯的條紋，產(chǎn)品 層間的結(jié)合強度低、打印速度慢。 3D 打印是采用類似噴墨打印機噴頭的工作方式，這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十 分類似，只是將激光燒結(jié)過程改為噴頭粘結(jié)，光柵掃描器改為粘結(jié)劑噴射頭。其優(yōu)點 是打印速度快、價格 低 ; 缺點是打印出來的產(chǎn)品機械強度不高。 隨著 3D 打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn) 模式。 3D 打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式， 創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點。 3D 打印技術(shù)發(fā)展帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的 進步使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場需求的能力，特別是形成適應(yīng)全球市場上豐富多樣的客 戶群，實現(xiàn)遠程定制、異地設(shè)計、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，使生產(chǎn)模 式、商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化。 同立體印刷、疊層實體制造和選擇性激光燒結(jié)快速成形技術(shù)相 比 , 3DP 不需要昂 貴的激光系統(tǒng) , 具有設(shè)備價格便宜、運行和維護成本低的優(yōu)勢。與熔融沉積快速成形 技術(shù)相比 ,3DP 可以在常溫下操作 ,具有運行可靠 ,成形材料種類多和價格低的優(yōu)勢。此 外 , 與其它 RP 系統(tǒng)相比 ,3DP 還有操作簡單、成形速度快、制件精度高、成形過程無 污染 , 適合辦公室環(huán)境使用等優(yōu)點。因此 , 3DP 被認為是 RP 行業(yè)中最有生命力的新技 7 術(shù)之一 , 具有良好的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。 利用 3DP技術(shù)進行產(chǎn)品的概念原型件制造是建立從概念信息到物理實現(xiàn)的最直接 方式。概念原件可以用于展示產(chǎn)品設(shè)計的整體概念、立體形態(tài) 和布局安排 , 進行產(chǎn)品 造型設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的評價 ,如在建筑設(shè)計上 , 利用 3DP 技術(shù)制作的大樓或橋梁等建 筑物模型 , 可以幫助設(shè)計師進行評價和確定最終方案。醫(yī)學(xué)上根據(jù) CT 或 MRI 的數(shù)據(jù) , 應(yīng)用 3DP技術(shù)可以快速精確地制造人體的骨骼和軟組織等器官模型 , 可以幫助醫(yī)生進 行病情診斷、術(shù)前討論和最終治療方案的確定。概念原型件還可作為產(chǎn)品的展示模型 , 進行產(chǎn)品的招投標(biāo)和新產(chǎn)品上市前的宣傳使用。利用 3DP 技術(shù)制造的功能原型件可以 用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計檢查 .裝配干涉檢驗 , 靜、動力學(xué)試驗、物理和機械性能試驗、 人機工程試驗等 , 為產(chǎn) 品的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。通過 3DP 技術(shù)快速制造出產(chǎn)的功能原 型件 , 可以盡早地對產(chǎn)品設(shè)計進行測試、檢查和評估 , 縮短產(chǎn)品設(shè)計反饋的周期 , 提 高產(chǎn)品開發(fā)的成功率 , 大大降低產(chǎn)品的開發(fā)時間和開發(fā)成本。 顯然 ， 3D 打印技術(shù)給人類帶來新奇和進步，但畢竟還是起步階段，有的還在實驗 室模擬試驗之中，想要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)，并形成龐大的產(chǎn)業(yè)，還面臨巨大的 挑戰(zhàn)。 首先， 3D 打印需要 CAD（計算機輔助設(shè)計）支撐。對于一般用戶來說，要學(xué)會 CAD 等制作工具并非想像中那么簡單。 CAD 是指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進 行設(shè)計工作 ，利用計算機可以進行與圖形編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖 形數(shù)據(jù)加工工作。 3D 打印制造神奇， CAD 是基礎(chǔ)。就像指揮官指揮戰(zhàn)爭一樣，一份標(biāo) 示準(zhǔn)確的地圖往往決定戰(zhàn)爭的勝負。 CAD 是 3D 打印的基礎(chǔ)工程?；?3D 的 CAD 更加 復(fù)雜精細，需要具有高超編程技術(shù)的專業(yè)人士操作。這樣的人才并非一般技術(shù)人員所 能擔(dān)當(dāng)。 其次，知識產(chǎn)權(quán)將成為較大糾結(jié)。人們的想象力有多大， 3D 打印的用途就有多廣。 遺憾的是，打印對象副本，即使只是復(fù)制個人設(shè)計，這類行為仍然會產(chǎn)生知識產(chǎn)權(quán)問 題。 3D 打印被視作一門新興技術(shù)，雖然法律對其知識產(chǎn)權(quán)問題尚 未作出明確界定，而 完全復(fù)制他人創(chuàng)意的做法還是不可取的。當(dāng) 3D 打印機組合一個 3D 掃描儀時，知識產(chǎn) 權(quán)問題將更為突出。掃描儀不僅可以復(fù)制外形，而且可以復(fù)制更為復(fù)雜的細節(jié)。這種 行為要比抄襲專利或版權(quán)嚴重得多。犯罪分子可以用 3D 打印機設(shè)計 ATM 提款卡、鑰 匙、武器或其他危險物品。 再次，價格優(yōu)勢還不明顯。在某些情況下， 3D 打印產(chǎn)品最終耗費的成本和零售店 產(chǎn)品的價格差不多，目前條件下， 3D 打印還不具備規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢，價格方面的優(yōu)勢 尚不明顯。所以對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，不管你是打印多少件，價格都相差無幾。但是， 相信隨著 3D 技術(shù)的 逐漸成熟，價格會慢慢降下來。 采用 3DP 系統(tǒng)制造的概念原型 , 主要在于形狀、色彩等外觀表達功能 , 而對材料 的性能要求較低?？捎糜诋a(chǎn)品設(shè)計、測試或裝配 , 可作為產(chǎn)品的展示模型、投標(biāo)模型 等使用。由于 3DP 工藝能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和同時處理多種材料 , 因此在特殊材料的成型 和功能梯度成型方面具有強大的優(yōu)勢 , 在國外已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和微細 加工領(lǐng)域等特殊成型場合。隨著快速成型技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展 , 3DP 必將得到越來 越廣泛的應(yīng)用。