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簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) I 摘 要 三維打印機(jī)不僅使立體物品的造價(jià)降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打 印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。3D 打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具 , 就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件,從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期, 提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。這項(xiàng)技術(shù)目前正迅猛發(fā)展,已越來越引起人們的廣泛重 視。 本文通過了解世界各地的 3D 打印成果，結(jié)合 Makerbot_Replicator 和 Ultimaker 3D 打印設(shè)備，設(shè)計(jì)出一款新型的 FDM 3D 打印設(shè)備的擠出機(jī)構(gòu)，適用于家庭和辦公 場(chǎng)地，當(dāng)然，也可以在加工車間工作。 本設(shè)計(jì)首先通過分析提出了 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，然后從傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 和擠出機(jī)構(gòu)兩大方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核，最后通過 CAD 軟件繪制了該擠出機(jī)構(gòu) 的裝配圖與主要零件圖。 關(guān)鍵詞：3D 打印機(jī) 擠出機(jī)構(gòu) 齒輪 雙螺桿 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) II Abstract 3D printer not only reduces the cost of three-dimensional objects, and inspire peoples imagination. Future applications of 3D printers will be more extensive. 3D printing technology is the most prominent advantages without any machining or tooling, parts of any shape can be generated directly from the computer graphics data, thus greatly shortening the product development cycle, improve productivity and reduce production costs. This technology is now developing rapidly, has increasingly attracted widespread attention. Through understanding around the world of 3D printing results, combined with Makerbot_Replicator and Ultimaker 3D printing equipment, design a new type of FDM 3D printing device extrusion mechanism, suitable for home and office space, of course, you can also work in the machine shop. The design is first made by analyzing the design of 3D printers out bodies and then carried out a detailed design from the drive mechanism and check out the two aspects and institutions, and finally draw a diagram of the extruded body assembly through CAD software with key parts diagram. Keywords: 3D printer Extruder mechanism Gear Gwin-screw 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) III 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 緒論 .1 1.1 課題研究的意義 .1 1.2 國(guó)內(nèi)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 .1 1.2.1 國(guó)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 .1 1.2.2 國(guó)內(nèi) 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 .2 1.3 3D 打印設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì) .2 1.3.1 3D 打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景 .2 1.3.2 3D 打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì) .3 1.4 3D 打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) .3 第 2 章 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .5 2.1 總體設(shè)計(jì)要求 .5 2.2 總體方案的設(shè)計(jì) .5 2.2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .5 2.2.2 擠出機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .6 第 3 章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .7 3.1 電機(jī)的選擇 .7 3.1.1 電動(dòng)機(jī)的性能和分類 .7 3.1.2 本傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的類型選擇 .7 3.2 傳動(dòng)比的分配 .9 3.3 各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 .9 3.4 齒輪組設(shè)計(jì) .11 3.4.1 齒輪精度及材料的選擇 .11 3.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) .11 3.4.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) .14 3.4.4 幾何尺寸計(jì)算 .16 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) IV 3.5 軸設(shè)計(jì) .17 3.5.1 作用在齒輪上的力 .17 3.5.2 最小軸徑的確定 .17 第 4 章 擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .20 4.1 擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .20 4.2 擠出機(jī)構(gòu)的組成 .21 4.3 雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .22 4.4 擠出機(jī)構(gòu)流道口設(shè)計(jì) .23 4.5 加熱腔的設(shè)計(jì) .25 4.6 加熱腔入口溢料問題的分析 .26 4.6.1 流涎問題的分析 .26 4.6.2 解決方案 .27 總 結(jié) .29 參考文獻(xiàn) .30 致 謝 .31 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 1.1 課題研究的意義 三維打?。?D Printing） ，即快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基 礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。 過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的 直接制造。特別是一些高價(jià)值應(yīng)用（比如髖關(guān)節(jié)或牙齒，或一些飛機(jī)零部件）已經(jīng) 有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。 “三維打印” 意味著這項(xiàng)技術(shù)的普及。 三維打印機(jī)不僅使立體物品的造價(jià)降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打 印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。3D 打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具 , 就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件,從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期, 提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。這項(xiàng)技術(shù)目前正迅猛發(fā)展,已越來越引起人們的廣泛重 視。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在 3D 打印機(jī)在電影動(dòng)漫、氣象、教育、外科醫(yī)療等領(lǐng)域 都能發(fā)揮獨(dú)特的作用。在教育領(lǐng)域，3D 打印機(jī)能夠?qū)⒊橄蟾拍顜氍F(xiàn)實(shí)世界，將 學(xué)生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸?shí)立體彩色模型，令教學(xué)更為生動(dòng)；在建 筑領(lǐng)域，3D 打印機(jī)能夠?yàn)榍娈愋谓ㄖ闹匾軜?gòu)件快速制作精確模型，實(shí)現(xiàn) 傳統(tǒng)建筑模型制作無法達(dá)到的工藝水平；在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，3D 打印機(jī)可以為金屬 鑄件直接打印模型、模型插件和圖案；在地理空間領(lǐng)域，3D 打印機(jī)可以輕松將 GIS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地形及城市景觀模型或沙盤；而在娛樂藝術(shù)領(lǐng)域，3D 打印機(jī)還可 根據(jù)電子游戲、三維動(dòng)畫以及其他創(chuàng)作產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)輕松制作自定義頭像和雕像。 1.2 國(guó)內(nèi)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 3D 打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于 19 世紀(jì)末的 美國(guó)， 1995 年，麻省理 工創(chuàng)造了“三維打印 ”一詞，當(dāng)時(shí)的畢業(yè)生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 修改了噴墨打印 機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的 方案5 。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 圖 3 最早的 3D 打印機(jī)6 圖 4 現(xiàn)代 3D 打印機(jī)6 當(dāng)前世界上最流行的 RP 技術(shù)有立體光刻（Stereolithography，SLA） 、疊層實(shí) 體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM） 、熔融沉積制造（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM） 、選擇性激光燒結(jié)（ Selective Laser Sintering，SLS）等工藝方法。 FDM 快速成形系統(tǒng)與 SLA，LOM，SLS 等系統(tǒng)的最大區(qū)別在于 FDM 沒有采用 激光系統(tǒng)，因此可以把成本降到最低7-11。 圖 1.5 FDM 165012 圖 1.6 Genisys Xs13 1.2.2 國(guó)內(nèi) 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 我國(guó)在 3D 打印設(shè)備的研究上起步比較晚。我國(guó)最早在快速成形技術(shù)方面開展 工作的有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公 司。這些單位早期在開發(fā)系統(tǒng)設(shè)備方面各有側(cè)重。其中，清華大學(xué)以 FDM 和 LOM 為主，西安交通大學(xué)則是 SLA，北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司為 SLS，而華中科 技大學(xué)主要為 LOM 與 SLS。國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)是對(duì)快速成形技術(shù)反應(yīng)最為敏捷的行 業(yè)，廣東的美的、華寶、科龍、江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用 快速成形系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效果14-16。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 圖 7 北京殷華 圖 8 江蘇敦超 1.3 3D 打印設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì) 1.3.1 3D 打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景 根據(jù)國(guó)際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)告WohlersReport 2011發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，全球 3D 打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在 19882010 年間保持著 26.2%的年均增長(zhǎng)速度。報(bào)告預(yù)期，3D 打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長(zhǎng)，到 2016 年，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總 產(chǎn)值將達(dá)到 31 億美元，2020 年將達(dá)到 52 億美元17。 但 3D 打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和 挑戰(zhàn)： 一是成本方面，現(xiàn)有 3D 打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶 來了困難。 二是打印材料方面，目前 3D 打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限 性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。 三是精度、速度和效率方面，目前 3D 打印成品的精度還不盡人意，打印效率 還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之 間存在嚴(yán)重沖突。 四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D 打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè) 面對(duì)的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。 圖 9 納米級(jí)別微型 3D 打印機(jī)6 圖 10 太空 3d 打印機(jī)6 1.3.2 3D 打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì) 隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷 被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來， 3D 打印技術(shù) 的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢(shì)。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。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 1.4 3D 打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 目前世界上主流的 3D 打印設(shè)備為三維粉末粘接（ Three Dimensional Printing and Gluing，3DP ） 、熔融沉積制造（ Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM） 、選擇性激光燒 結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS） 。 其中，三維粉末粘接和熔融沉積制造可以多色打印，而選擇性激光燒結(jié)則加工 速度快，可加工金屬粉末。它們的共同特點(diǎn)為18-23： (1) 能作為一種輸出設(shè)備直接與使用 CAD 的計(jì)算機(jī)相連，并且由設(shè)計(jì)者親自操 作，使用方便，不需依靠專門的快速成形服務(wù)機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)室就能及時(shí)制作模型及用 于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速校驗(yàn)； (2 ) 整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關(guān)聯(lián)，零件可大可小，所見 即所得，可隨時(shí)修改，隨時(shí)制造； (3 ) 設(shè)備體積小、運(yùn)行和維護(hù)成本低“ 成形過程中無毒無污染，可在普通的辦公 室內(nèi)使用，所以對(duì)環(huán)境無特殊要求”由于沒有昂貴復(fù)雜的激光系統(tǒng)，所以整體造價(jià)大 大降低。操作簡(jiǎn)單，因此該機(jī)易于普及； (4 ) 材料費(fèi)用低，如石膏、淀粉等產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無關(guān)，特別適合于新 產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)； (5) 產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性以及幾何形狀無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時(shí) 更顯優(yōu)越，這是傳統(tǒng)制模方法無法比擬的； (6) 成形速度快，加工周期短，成本低，一般制造費(fèi)用降低 50% ，加工周期節(jié) 約 70%以上； 三維打印成型的不足之處： (1) 產(chǎn)品的強(qiáng)度較低 “由于采用液滴直接粘接成形，產(chǎn)品的強(qiáng)度低于其它快速成 形方式，一般需要進(jìn)行后處理”； (2) 產(chǎn)品的精度有待提高 “由于材料是粉末，其表面精度受粉末材料特性的制約” 。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，已經(jīng)有前人對(duì)此類機(jī)構(gòu)做了部分設(shè)計(jì)研究，所以本文的設(shè) 計(jì)研究只要是在已有的研究基礎(chǔ)之上，注重考慮 3D 打印擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì) 3D 打 印擠出機(jī)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改良。 2.1 總體設(shè)計(jì)要求 本文研究的 3D 打印設(shè)備屬于家庭桌面電器領(lǐng)域，涉及多軸聯(lián)動(dòng)，且 3D 打印設(shè) 備的主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)采用直線元件驅(qū)動(dòng)，形成相互聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，具有成 型速度高，材料使用效率好，精度可控，消耗功率低而制造成本低的特點(diǎn)。 按照建造一臺(tái)小型規(guī)格 3D 打印設(shè)備樣機(jī)的規(guī)格要求以及運(yùn)動(dòng)范圍參數(shù)，如表 2.1 所示下： 表 2.1 3D 打印設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)格要求 構(gòu)建尺寸 200*185*195mm 精度 0.1mm 層厚 0.1-0.3mm （可調(diào)） 構(gòu)建速度 24 h 以上 最大打印溫度 260以下 原材料 3mm ABS 絲材 擠出機(jī)送絲速度 1.5m/min 本文要求針對(duì)以上性能的打印機(jī)，設(shè)計(jì)其擠出機(jī)構(gòu)。通過對(duì)前人做的部分設(shè)計(jì) 的研究，提出如下設(shè)計(jì)方案。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 考慮到結(jié)構(gòu)緊湊性和傳動(dòng)的平穩(wěn)性，本次采用齒輪傳動(dòng)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的分析有 以下結(jié)論： （1） 為避免傳動(dòng)齒輪影響原料絲材的送絲，齒輪尺寸不能取太大； （2） 為了保證電機(jī)不與入嘴干涉，有必須有較大中心距。 基于以上兩因素，此次采用小齒輪輸出，并增加中間過渡齒輪采用三軸傳動(dòng)的 形式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案如下： 輸 出 齒 輪 輸 出 軸 過 渡 齒 輪電 機(jī) 輸 入 齒 輪 圖 2-1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.2.2 擠出機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 本次 3D 打印機(jī)屬于家庭桌面電器領(lǐng)域，參數(shù)要求如下： 原材料 3mm ABB 絲材 擠出機(jī)送絲速度 1.5m/min 從以上參數(shù)可以看出，該 3D 打印機(jī)原料使用量比較小，送絲速度比較低。 如果采用普通滾輪式送絲機(jī)構(gòu)則需要采用較大減速比的減速機(jī)構(gòu)才能滿足要， 這樣會(huì)導(dǎo)致擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸及重量均會(huì)比較大。因此本次采用雙螺桿送絲機(jī)構(gòu)， 由于絲材 ABS 材料具有一定的塑性變形能力，因此該處的雙螺桿送絲機(jī)構(gòu)本身類似 于渦輪蝸桿傳動(dòng)，即使不使用任何減速器機(jī)構(gòu)其本身也可以有很大的傳動(dòng)比。即擠 出機(jī)構(gòu)方案如下： 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 主 動(dòng) 螺 桿 從 動(dòng) 螺 桿 絲 材 圖 2-2 雙螺桿擠出機(jī)構(gòu) 第 3 章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 電機(jī)的選擇 3.1.1 電動(dòng)機(jī)的性能和分類 電動(dòng)機(jī)可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類?，F(xiàn)就這兩種類型電機(jī)論述如下： (1) 交流電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單、耐用、可靠、易維護(hù)、價(jià)格低、特性硬，但起動(dòng)和調(diào)速性能 差，輕載時(shí)功率因素低，一般在無調(diào)速要求的機(jī)械廣泛應(yīng)用。在可變級(jí)頻率電源供 電下可平滑調(diào)速。 (2) 直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能好，范圍寬，采用電子控制，能充分適應(yīng)各種機(jī)械負(fù)載 特性的需求，但它的價(jià)格貴、維護(hù)復(fù)雜且需要直流電源，因此只有在交流電動(dòng)機(jī)不 能滿足要求時(shí)才采用。其中串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力大、特性軟、 適用于電力牽引機(jī)械等。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過載能力比并勵(lì)電動(dòng)機(jī)大，但調(diào) 速范圍稍窄。 電機(jī)分別有：步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)，究竟選擇哪個(gè)電機(jī)比較合適，我們做了一 些對(duì)比如下表 3.1： 表 3.1 動(dòng)力元件的比較 電機(jī) 因素 步進(jìn)電機(jī) 伺服電機(jī) 成本 低 高 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 平穩(wěn)性 低頻存在振動(dòng) 低頻平穩(wěn) 控制 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 分辨率 較高 高 尺寸 小 較小 出于成本、應(yīng)用場(chǎng)合和尺寸的考慮，我選擇直流伺服電機(jī)作為 3D 打印機(jī)擠出 機(jī)構(gòu)的動(dòng)力元件。 3.1.2 本傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的類型選擇 由于本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)是用來給擠出機(jī)構(gòu)做動(dòng)力，且載荷平穩(wěn)，常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)， 生產(chǎn)批量為小批量，所以按工作要求及工作條件選用直流電動(dòng)機(jī)。 （1）選擇電動(dòng)機(jī)的功率(容量) 電動(dòng)機(jī)功率選擇是否合適，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。功率過小不能 保證工作機(jī)的正常工作，若功率選得過大，電動(dòng)機(jī)的價(jià)格高，效率和功率因數(shù)都較 低，造成浪費(fèi)。 負(fù)荷穩(wěn)定(或變化很小) 、長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械(例如運(yùn)輸機(jī))，可按照電動(dòng)機(jī)的額 定功率選擇，而不必校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。選擇時(shí)應(yīng)保證 rP0 式中 電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；0P 工作機(jī)所需電動(dòng)機(jī)功率，kW；r 所需電動(dòng)機(jī)功率有下式計(jì)算 =rP W 式中 工作機(jī)所需有效功率，有工作機(jī)的工藝阻力及運(yùn)行參數(shù)確定；W 電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的總效率。 傳動(dòng)裝置的總效率 ，有傳動(dòng)裝置的組成確定。多級(jí)串聯(lián)的傳動(dòng)裝置的總效率 為： W321. 本次送絲電機(jī)負(fù)載很小，只需要克服送絲阻力及構(gòu)件之間的摩擦力。因此本次 選用電機(jī)額定功率為 50W。 （2）確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 選擇電動(dòng)機(jī)，除了選擇合適的電動(dòng)機(jī)系列及容量外，尚需確定適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速。因 為容量相同的同類電機(jī)，可以有不同的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)工作機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)， 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 勢(shì)必使傳動(dòng)比增大，致使傳動(dòng)裝置復(fù)雜，外廓尺寸增大，制造成本高。而選用電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，優(yōu)缺點(diǎn)剛好相反。因此，在確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)分析比較，權(quán)衡 利弊，安最佳方案選擇。 擠出機(jī)送絲速度： ，送絲速度不高。min/5.1v 為減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，本次選用電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500r/min 傳動(dòng)裝置總效率 = . . . .聯(lián) 齒 輪 4軸 承 滾 筒帶 按機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表 4.2-9 取： 聯(lián)軸器效率 =0.99聯(lián) 齒輪傳動(dòng)效率 =0.97齒 輪 滾動(dòng)軸承效率 =0.98軸 承 滾筒效率 =0.96滾 筒 帶傳動(dòng)效率 =0.95帶 則傳動(dòng)總效率 =0.990.970.98 0.960.95=0.814 螺桿轉(zhuǎn)速 = （p 為螺桿螺距，此處取 p=1mm）wn min/150.rpv 查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表 4.12-1，選擇 90ZYT01 型號(hào)直流電動(dòng)機(jī)，其額 定功率 =50W，轉(zhuǎn)速 1500 r/min。0P 3.2 傳動(dòng)比的分配 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速 和工作機(jī)軸的轉(zhuǎn)速 ，由 =0nWni 算出。然后將總傳動(dòng)比合理地分配給各級(jí)傳動(dòng)?？倐鲃?dòng)比等于各級(jí)傳動(dòng)比的連乘wn 0 積，即 21i 當(dāng)設(shè)計(jì)多級(jí)傳動(dòng)比的傳動(dòng)裝置時(shí)，分配傳動(dòng)比是一個(gè)重要的步驟。往往與有傳 動(dòng)比分配不當(dāng)，造成尺寸不緊湊、結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)、成本高、維護(hù)不便等許多問題。 傳動(dòng)比可按下式分配 214.3ii 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 即 減 ii4.131 式中 分別為高速級(jí)和低速級(jí)的傳動(dòng)比； 為減速器的傳動(dòng)比。21,i 減i 本設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比 = = =1iwn 015 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表 4.2-9 取 =2.5，則齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比為：帶i =1齒 3.3 各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 在選出電動(dòng)機(jī)型號(hào)、分配傳動(dòng)比之后，應(yīng)將傳動(dòng)裝置中各軸的傳遞功率、轉(zhuǎn)速、 專據(jù)計(jì)算出來，為傳動(dòng)零件和周的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。 (1)各軸的轉(zhuǎn)速可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比進(jìn)行計(jì)算。 (2)各軸的功率和轉(zhuǎn)矩均按輸入計(jì)算，有兩種計(jì)算方法，其一是按工作機(jī)的需要 功率計(jì)算；其二是按照電動(dòng)機(jī)的額定功率計(jì)算。前一種方法的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)計(jì)出的傳 動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)尺寸較為緊湊；而后一種方法，由于一般所選定的電動(dòng)機(jī)額定功率 略0P 大于所需電動(dòng)機(jī)功率 ，故根據(jù) 計(jì)算出個(gè)州功率和轉(zhuǎn)矩較實(shí)際需要的大一些，設(shè)rP0 計(jì)出的傳動(dòng)零件的結(jié)構(gòu)尺寸較實(shí)際需要的大一些，因此傳動(dòng)裝置的承載能力對(duì)生產(chǎn) 具有一定的潛力。 將傳動(dòng)裝置中各軸從高速到低速依次定為軸、軸(電動(dòng)機(jī)的 0 軸)，各 軸的輸入功率為 ，各軸轉(zhuǎn)速為 ，各軸的輸入轉(zhuǎn)矩21,P,21n 為 ，則本設(shè)計(jì)中傳動(dòng)系統(tǒng)各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算為：,21T 0 軸：0 軸即電動(dòng)機(jī)軸 = =50WPr =1500 r/min 0n =9.55 =9.55 =0.318 Nm0T0150 .3 軸：軸即中間齒輪軸 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 = =0.05 =0.049KW1P0齒98.0 = =1500 r/minn = =9.55 =0.312 Nm1T1 5.95014.3 軸：軸即主動(dòng)螺桿軸 = . . =0.049 0.98 0.98=0.047 kW2P1齒 輪軸 承 = =1500 r/minn =9.55 =9.55 =0.3Nm2T2 15047.3 整理各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)如下： 軸名 功率 wP/轉(zhuǎn)矩 mNT/轉(zhuǎn)速 in)/(r 電機(jī)軸 50 0.318 1500 49 0.312 1500 47 0.3 1500 3.4 齒輪組設(shè)計(jì) 3.4.1 齒輪精度及材料的選擇 該齒輪組選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，精度選擇 7 級(jí)，因?yàn)閲婎^結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使他盡可 能簡(jiǎn)單，而且不宜過重，所以選的材料用 45 號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 250HBS，而大 齒輪沒有過重的要求，所以選 45 號(hào)鋼（正火） ，硬度為 210HBS。二者材料硬度差 為 40HBS。 先選擇齒輪模數(shù)為 1 壓力 20 度 由于減速比為 1，故三個(gè)齒輪齒數(shù)均取相同， 該處取 5321z 3.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）試選載荷系數(shù) kt=1.6 （2）由下圖 4.4.1128： 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 圖 4.4.11 得區(qū)域系數(shù) ZH=2.5 （3）由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)的端面重合度圖如下圖 4.4.1228： 圖 4.4.12 標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)的端面重合度 得標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)的端面重合度： =0.765 =0.82 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 =1.585 （3）由下表 4.4.128： 表 4.4.1 齒寬系數(shù) 選取齒寬系數(shù)為： d=1 （4）由下表 4.228： 表 4.4.2 彈性模量 得 ZE=189.8M （5）由下圖28c 和 d 可知： 得 Hlim1=550MPa（小齒輪） Hlim2=400MPa（大齒輪） 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 N1=60n1jLn=60 其中 n1 為小齒輪的轉(zhuǎn)速，小齒輪與步進(jìn)電機(jī)直接相接，由步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)可知 n1=3000r/mim （6）按接觸疲勞選壽命系數(shù)： 由下圖 4.4.1328： 圖 4.4.13 彎曲疲勞選壽命系數(shù) KFN 取小齒輪 、大齒輪 失效概率為 1%，安全系數(shù)為 s=1.4 H1= 初步選取兩齒輪模數(shù) 、齒數(shù) 15321zz 則分度圓直徑分別為： md321 3.4.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）計(jì)算載荷系數(shù) k1= （2）查取齒形系數(shù) 和應(yīng)力校正系數(shù) 為如下表 4.4.3： 表 4.4.3 齒形系數(shù) 和應(yīng)力校正系數(shù) 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 Z 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 2.97 2.91 2.85 2.80 2.76 2.72 2.69 2.65 2.62 2.6 2.57 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.575 1.58 1.59 1.595 1.60 Z 28 29 30 35 40 45 50 60 70 80 90 2.55 2.53 2.52 2.45 2.40 2.35 2.32 2.28 2.24 2.22 2.20 1.61 1.62 1.625 1.65 1.67 1.68 1.70 1.73 1.75 1.77 1.78 由上表得 （3）由下圖 4.4.1428： 圖 4.4.14 調(diào)制處理鋼 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 （4）由于在前一頁中已經(jīng)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 、 （5）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) s=1.4 1= 2=263.57MPa； 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 （6）計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較 ； 小齒輪的數(shù)值大，則用小齒輪的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。 （7）設(shè)計(jì)計(jì)算 m 故齒輪的模數(shù) m=1，這樣設(shè)計(jì)的齒輪既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒 根彎曲疲勞強(qiáng)度，并且做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 則齒輪齒數(shù) 。15321zz 3.4.4 幾何尺寸計(jì)算 幾何尺寸計(jì)算如下表 5： 表 5 直齒輪參數(shù) 擠出機(jī)構(gòu)直齒輪相關(guān)參數(shù) 齒輪參數(shù) 輸入齒輪 輸出齒輪 過渡齒輪 模數(shù) m 1 1 1 齒數(shù) z 15 15 15 壓力角 20 20 20 分度圓直徑 d=mz 15 15 15 齒頂高 ha=1*m 1 1 1 齒根高 hf=1.25*m 1.25 1.25 1.25 齒全高 h=2.25*m 2.25 2.25 2.25 齒頂圓直徑 da=(z+2)*m 15 15 15 齒根圓直徑 df=(z-2- 2*0.25)*m 12.5 12.5 12.5 基圓直徑 db=dcosa 14.0954 14.0954 14.0954 齒距 p=3.14*m 3.14 3.14 3.14 齒厚 s=p/2 1.57 1.57 1.57 齒槽寬 e=p/2 1.57 1.57 1.57 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 標(biāo)準(zhǔn)中心距 a=m*(z1+z2) /2 15 傳動(dòng)比 i=z2/z1 1 有了該對(duì)齒輪組的尺寸數(shù)據(jù)，就可以設(shè)計(jì)噴頭擠出機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件的相關(guān)參數(shù)， 進(jìn)而可以完成擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 3.5 軸設(shè)計(jì) 3.5.1 作用在齒輪上的力 大齒輪上的力為：圓周力 = 徑向力 小齒輪上的力為：圓周力 = 徑向力 3.5.2 最小軸徑的確定 初步確定大齒輪軸的最小直徑如下表 4.5.128所示： 表 4.5.1 軸直徑分布 選軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)上表，取 A0=103，于是 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 擬定擠出機(jī)構(gòu)軸上的零件的裝配方案選用下圖 4.5.1 所示： 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 153.5 3.59.250.75 32.75 8-0. 013-0.022 8+0. 024+0.015 8+0. 024+0.0159 9 M6 3.2 3.2 圖 4.5.1 傳動(dòng)軸 （1）-的直徑為與其配合軸承的直徑，為了滿足最小直徑要求，于是選內(nèi) 徑為 8mm，外徑為 12mm 的 SKF 深溝球軸承，尺寸系列為 00，0 級(jí)公差，0 級(jí)游隙。 所以該處的軸直徑為 10mm，軸承的厚度 T=5mm，所以 L-=4.6mm （2）-軸段與- 之間要有一個(gè)定位軸肩，在處定位軸肩，則 h=2mm， 所以- 軸段的直徑取 d-=12mm ，因?yàn)辇X輪端面與擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)壁的距離為 0.2mm，所以此處長(zhǎng)度為 L-=0.2mm 。 （3）-軸段齒輪，該齒輪在軸上，相關(guān)參數(shù)如表 5 所示，所以直徑為齒輪 齒頂圓，則 d- =19.52mm，分度圓直徑為 19.2mm。故長(zhǎng)度為齒寬 L- =1.4mm+1mm+1.4mm=3.8mm。 （4）與軸承配合-的直徑為標(biāo)準(zhǔn)值 8，SKF 深溝球軸承型號(hào)為 61800，長(zhǎng) 度為軸承套、大齒輪、墊片和螺母的厚度之和，所以最小尺寸為 L-= =(6+6+3+9.3)mm=24.3mm，取整，則得 L-=25mm。 （5）軸-段安裝軸承，處為定位軸肩，尺寸與之前的軸肩一樣，因此直 徑為：d- =10mm，長(zhǎng)度比軸承厚度要短，則長(zhǎng)度為 L-=4.8mm （6）在軸-段，為軸承的定位軸肩，尺寸與之前的軸肩一樣，h=2mm，所 以- 軸段的直徑取 d-=12mm ，因?yàn)辇X輪端面與擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)壁的距離為 0.2mm，所以此處長(zhǎng)度為 L-=0.2mm 。 到此，我們就可以得到擠出機(jī)構(gòu)的相關(guān)零件的所以參數(shù)了。則擠出機(jī)構(gòu)的建模 爆炸圖如下圖所示： 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 第 4 章 擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.1 擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 很多技術(shù)都有自己的關(guān)鍵技術(shù)，熔絲沉積成形也不例外，擠出技術(shù)是熔絲沉積 成形工藝的關(guān)鍵使能技術(shù)。擠出機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)熔絲沉積成形的關(guān)鍵部件，在機(jī)械運(yùn)動(dòng) 控制的精密控制下，從原材料的棒料形態(tài)轉(zhuǎn)換到堆積路徑單元的形態(tài)，層層堆積粘 結(jié)形成三維實(shí)體。 擠出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在熔絲沉積成形系統(tǒng)的基本要求是：將原料絲材送入加熱腔中， 在其中及時(shí)而充分地熔化，變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后從滿足精度要求的噴嘴中擠出成細(xì)絲 狀，按預(yù)設(shè)的掃描路徑填充堆積成形。送絲速度要與掃描速度相匹配，以形成均勻 一致的材料堆積路徑，滿足成形工藝要求。采用功能分解思想，擠出頭系統(tǒng)的功能 要求可以分解為以下幾點(diǎn)24-27： l)將原料絲材從絲筒上拉出，提供成形原料，即原料絲材的供應(yīng)功能。 2)將原料絲材送入加熱腔，稱為原料絲材送進(jìn)功能，簡(jiǎn)稱送絲功能。 3)將送進(jìn)的固態(tài)原料絲材及時(shí)而充分地熔化成為熔融態(tài)，簡(jiǎn)稱熔絲功能。 4)提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動(dòng)的通道，簡(jiǎn)稱流道功能。 5)將熔融材料擠出噴嘴，簡(jiǎn)稱擠出功能。 6)對(duì)擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑，變?yōu)闈M足要求的更細(xì)小直徑的絲材以進(jìn)行堆積， 簡(jiǎn)稱定徑功能。 7)出絲速度應(yīng)該可控，并能根據(jù)掃描速度進(jìn)行調(diào)整，以相互匹配，簡(jiǎn)稱速度匹 配功能。 8)出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時(shí)起停，以保證高質(zhì)量的成形路徑，尤其在路 徑起停處，簡(jiǎn)稱出絲起?？刂乒δ堋?。 工藝原理中一個(gè)重要思想就是借助加熱腔中未熔絲材的活塞作用，將熔融材料 擠出噴嘴。出絲推力近似等于送絲驅(qū)動(dòng)力，送絲功能 2)和擠出功能 5)是等效的。 。 在以上各項(xiàng)功能中，前六項(xiàng)是基本功能要求，是實(shí)現(xiàn)工藝原理的必要條件，后 兩項(xiàng)則是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成形的必要條件，是提高造型精度的關(guān)鍵。 在進(jìn)行擠出頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)遵守工藝優(yōu)化的要求以及其他特殊要求等，具 體包括以下方面27 ： l)在合適的加熱功率下按一定速度送入加熱腔的材料經(jīng)過熔化充分!均勻，在加 熱腔中處于合適的熔融區(qū)間(靠控溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn))。 2)加熱腔加熱功率應(yīng)盡量小，該部分應(yīng)采取隔熱措施。一方面減少熱量損失， 減少能源消耗，另一方面減少高溫對(duì)其它部件的影響。 3)送絲機(jī)構(gòu)應(yīng)能提供足夠大的推動(dòng)力，以克服高聚物材料擠出時(shí)產(chǎn)生的阻力。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 4)加熱腔和噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的阻力盡量小。在滿足要求的前提下加熱腔流道應(yīng) 盡量短，既減少流動(dòng)阻力，又可減小擠出頭總體尺寸。 5)結(jié)構(gòu)合理易于安裝和拆卸，并可方便地與系統(tǒng)其他部件集成。 6)符合人機(jī)工程原理，方便人工操作和維護(hù)。 4.2 擠出機(jī)構(gòu)的組成 擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 擠出裝置分別由擠出機(jī)構(gòu)，導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)，噴嘴組成。 由左圖的原理圖可知，F(xiàn)DM 的工作原理，就是通過擠出機(jī)構(gòu)把 FDM 的物料棒 送到導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)，使物料在導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)中融化。然后通過噴嘴打印到工作臺(tái)上，在 X、Y 軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)工件的一層一層疊加，漸漸把所需零件加工出來。 圖 4.3 FDM 原理圖 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 擠出機(jī)構(gòu)是噴頭的重要組成部分，沒有了擠出機(jī)構(gòu)，F(xiàn)DM 物料棒就無法連續(xù)供 給到導(dǎo)熱裝置，使得噴嘴得不到熔融狀態(tài)的疊加物料，工件無法完成加工。在設(shè)計(jì) 擠出機(jī)構(gòu)過程中，我們先定下設(shè)計(jì)方案，然后初定設(shè)計(jì)參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的校核， 看看是否滿足要求。 擠出機(jī)構(gòu)中，主要是要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)滾輪帶動(dòng)棒料緩緩下落的功能，所有應(yīng)該有一 個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)在高速的時(shí)候控制力可以，但是在速度低的時(shí)候控 制力不足，所以應(yīng)該連接一對(duì)傳動(dòng)比比較大的直齒輪。下圖中是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為 動(dòng)力，通過小齒輪帶動(dòng)大的直齒輪，然后帶動(dòng)滾輪，從而實(shí)現(xiàn)棒料的下落。除了齒 輪組和電動(dòng)機(jī)，擠出機(jī)構(gòu)還有導(dǎo)入嘴， 嘴應(yīng)該設(shè)計(jì)開頭較大，防止物料溢出，或者 因?yàn)樘《ㄋ?。因此整個(gè)擠出裝置的主要部件為：導(dǎo)入嘴、步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)滾輪、 一對(duì)齒輪組、頂板、以及支撐端板。如圖 4.4 所示 圖 4.4 擠出機(jī)構(gòu) 4.3 雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 前述已選定螺桿螺距 p=1mm，結(jié)合整體結(jié)構(gòu)尺寸，取螺桿外徑 d=20mm，詳細(xì) 結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示： 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 1 1 0.2 0.2 153.5 3.59.250.75 32.75 8-0 .013-0.022 8+0 .024+0.015 8+0 .024+0.0159 9 M6 3.2 3.2 圖 4.5 主動(dòng)螺桿 4.4 擠出機(jī)構(gòu)流道口設(shè)計(jì) 根據(jù)熔絲沉積成形 FDM 的基本工藝原理，原料絲材直徑為 ，然而噴嘴流道 的直徑是比 小的 孔，因此擠出頭中的熔體流動(dòng)管道包含如下兩個(gè)基本組成部分： 直徑分別為 (略大于絲材直徑 )和 的等截面圓形管道和由 到 的錐形過渡圓 管道24。 與擠出頭結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，熔體流道中的流動(dòng)過程分為三段，即直徑為 段的等截面 圓管流動(dòng)，由 到 的過渡段錐形管道流動(dòng)和直徑為 的等截面圓管流動(dòng)。熔體流 動(dòng)包括連續(xù)變化的三個(gè)過程，整過擠出頭流道中的總壓力差為三段壓力差之和，如 公式 4.6 所示： 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 (4.6) 其中：系數(shù) ；無因次壓力梯度 為參考粘度； 為參考剪切速率；Q 為熔體沿管道的體積流率；直徑縮小系 數(shù) ；n 為流體壓力梯度與流率系數(shù)，對(duì)于牛頓流體 1，對(duì)于高聚物等非牛頓 流體( 如 ABS 熔體)，n 取 1/3；系數(shù) 。 圖 4.6 擠出頭流道示意圖 公式(4.6)計(jì)算流道兩端的壓力差實(shí)際上為熔體在流道中流動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失， 相應(yīng)的阻力即為沿程阻力，它主要是由于材料粘性而在熔體中產(chǎn)生的摩擦阻力。另 外，流道中局部可能存在的紊流會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生附加阻力來說非常小，在此將其忽略 不計(jì)，即可認(rèn)為，與上式計(jì)算的壓力差相應(yīng)的阻力即為流道對(duì)絲材送進(jìn)的全部阻力。 由于本工藝中，流道中未熔絲材要承擔(dān)活塞作用，利用絲材本身來傳遞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的 驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力對(duì)熔體的作用面積即為絲材截面積，也就是流道入口處的截面積況， 因此所需的絲材送進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力 F 的理論計(jì)算公式即為： （4.7） 下面根據(jù)公式(4.7) 進(jìn)一步分析驅(qū)動(dòng)力與有關(guān)參數(shù)間的關(guān)系29： (1)驅(qū)動(dòng)力與流率 Q 的關(guān)系根據(jù)公式 (4.7)，驅(qū)動(dòng)力與流率間存在下列非線性關(guān)系： 對(duì)于本系統(tǒng)采用的材料 ABS 熔體(非牛頓流體)來說，n 在 1/3 左右，所以： 即對(duì)于非牛頓流體來說，流率增加時(shí)，伴隨的壓力和所需驅(qū)動(dòng)了并不是成 比例的線性增加。當(dāng)流率從 0 開始增加時(shí)，在最初階段，壓力會(huì)有急劇的上升，但 流率增加到一定值后，盡管流率有很大增加，但相應(yīng)壓力和驅(qū)動(dòng)力的變化卻比較小。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 實(shí)際進(jìn)行的 ABS 熔體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。 (2)在擠出頭流道直徑依次縮小的情況下，各段長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)為： 。當(dāng) 時(shí)即為 9：3：1 即較小直徑的噴嘴出口段的長(zhǎng)度對(duì)總壓力差 的影響最大，是過渡段的 3 倍，是入口段的 9 倍。所以擠出頭設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足出絲 口定徑功能的前提下應(yīng)盡量減小噴嘴出口段的長(zhǎng)度，這對(duì)減小擠出頭中的總體流動(dòng) 阻力效果最為顯著。 (3)實(shí)例計(jì)算分析這里以一種特定配方的 ABS 塑料為例進(jìn)行計(jì)算分析，在工作溫 度下( )基本參數(shù)如下：參考剪切速率 1/s 時(shí)，參考粘度 ； 恒定剪切速率下粘度的溫度系數(shù) ，冪指數(shù) n=1/3，熔體密度 。取如圖 2 一 3 所示的流道尺寸由 ， ， ；設(shè)工作時(shí)進(jìn)絲速度 ，絲材直 徑為 1.8mm。計(jì)算得： ，最后 計(jì)算獲得 。因?yàn)檫@個(gè)驅(qū)動(dòng)力為計(jì)算的理論值，進(jìn)行了一些近似和忽略，所 以在利用這個(gè)值作參考選擇電機(jī)和設(shè)計(jì)送絲結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該適當(dāng)放大。 4.5 加熱腔的設(shè)計(jì) 本課題研發(fā)的熔絲沉積成形系統(tǒng)采用一對(duì)摩擦輪將直徑約為 3mm 的絲狀料 帶入加熱腔，絲材在加熱腔內(nèi)加熱熔融，粘度降低，并從出口擠出，實(shí)現(xiàn)熔絲 沉積造型。 圖 4.7 為絲材在流道中熔融擠出過程示意圖 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 圖 4.7 絲材在流道中的熔融擠出過程示意圖 4.6 加熱腔入口溢料問題的分析 當(dāng)加工做成中，送絲突然中斷過長(zhǎng)時(shí)間，處于流道口上的所以絲材會(huì)因受熱， 距離入口處溫度較低不至于融化，但會(huì)因受熱而膨脹，直徑變大，出現(xiàn)卡死現(xiàn)象； 距離入口較遠(yuǎn)處溫度高而導(dǎo)致融化，使得再加工時(shí)出現(xiàn)熔漿溢出現(xiàn)象。 4.6.1 流涎問題的分析 在進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，送絲電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)以后，噴嘴并不會(huì)馬上停止 出絲，而是長(zhǎng)時(shí)間的由快到慢的緩緩出絲，我們把這種現(xiàn)象稱為“流涎” 流涎是擠出 頭起停響應(yīng)滯后現(xiàn)象的一種表現(xiàn)形式29。 本系統(tǒng)所采用的絲材為 ABS 材料，ABS 是一種非結(jié)晶型(無定形)聚合物。高分 子材料在不同的溫度下具有不同的形變特性。圖 4.7.2 為非結(jié)晶型聚合物溫度一形變 曲線。在溫度較低時(shí)，材料呈現(xiàn)剛性固體狀，稱之為玻璃態(tài)；當(dāng)溫度升高至玻璃化 溫度幾后，高聚物呈現(xiàn)柔軟的彈性狀，稱之為高彈態(tài)；溫度繼續(xù)升高至粘流溫度今 則會(huì)出現(xiàn)粘性流動(dòng)，稱之為粘流態(tài)。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 圖 4.72 非結(jié)晶型聚合物溫度一形變曲線 29 導(dǎo)致流涎的原因主要為在停止送絲后，由于余熱的存在，熱膨脹使得處于粘彈 態(tài)絲材被迫壓出； 4.6.2 解決方案 從根本上說，解決入口溢料問題的關(guān)鍵是減少入口處絲材的受熱，同時(shí)保證一 定的溫度梯度。經(jīng)過分析，我認(rèn)為可以通過減小或消除高彈區(qū)(粘彈區(qū))來減小流涎 量。直接的方法就是減小流道高溫區(qū)的容積，希望絲材只在噴嘴前端的過渡區(qū)熔融， 這樣壓力可以直接傳遞到噴嘴處。 針對(duì)如圖 4.7 所示結(jié)構(gòu)的不足，進(jìn)行了如下改進(jìn)：一方面減小了加熱銅塊的厚 度，另一方面適當(dāng)增加摩擦輪與加熱塊的距離，在其間加入熱障塊。這種結(jié)構(gòu)減少 了絲材在流道內(nèi)的受熱長(zhǎng)度，減小高溫段的體積，從而減小處于高彈態(tài)的材料，達(dá) 到減小流涎量的目的。建模效果圖 4.7.3 如下： 圖 4.7.3 建模效果圖 很多機(jī)械設(shè)備在加工過程中，由于過熱而影響到加工精度和穩(wěn)定性。例如支撐 熱障塊 管式加熱器 導(dǎo)熱塊 螺釘墊片 噴嘴 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 28 板材過熱會(huì)發(fā)生形變，從而導(dǎo)致了加工過程中對(duì)刀的誤差以及加工誤差。并且會(huì)產(chǎn) 生累積效應(yīng)，使得最終的加工零件與設(shè)計(jì)的零件有差距。因此，我們應(yīng)該在噴頭上 加入風(fēng)扇和散熱片。一來可以起到散熱作用；二來，細(xì)密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)起到一定的保 護(hù)作用。因此噴頭機(jī)構(gòu)整體裝配效果如圖 4.7.4 所示： 圖 4.7.4 噴頭機(jī)構(gòu)整體裝配效果圖 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 總 結(jié) 本文首先分析了單螺桿擠出機(jī)的工作原理及技術(shù)參數(shù)，接著對(duì)擠出機(jī)擠壓系統(tǒng)、 傳動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核，最后使用 CAD 二維軟件繪制了擠出機(jī)的裝配圖 和主要零件圖并采用 Pro/E 三維軟件設(shè)計(jì)了擠出機(jī)的三維模型。 通過這次設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多知識(shí)，鞏固了一些原來遺忘，疏忽的知識(shí)點(diǎn)，原 來不理解、沒有掌握好的問題，也通過翻閱資料，請(qǐng)教老師，把它們都解決了。通 過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)精神的重要性。同時(shí)，我也發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)過程 中存在的不足，尤其是專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用方面，不能在實(shí)踐中很好的運(yùn)用。通過這次 畢業(yè)設(shè)計(jì)，使自己有了一種新的感受和認(rèn)識(shí)，相信自己在今后的工作和學(xué)習(xí)當(dāng)中會(huì) 發(fā)揮的更好。 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 30 參考文獻(xiàn) 1吳大鳴,李曉林 ,劉穎. 單螺桿精密擠出成型技術(shù)進(jìn)展J. 中國(guó)塑料. 2003(02) 2 王雪瑩. 3D 打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析J . 中國(guó)高新技術(shù)企，2012-09-10 張劍峰， 張建華，趙劍峰，沈以赴，花國(guó)然，黃因慧. 激光快速成形制造技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展J . 航 空制造技術(shù)，2002-07-15 3 張愛英，王連才，劉厚利，魏宏亮，馮增國(guó). 基于快速成型技術(shù)的組織工程支架制備進(jìn) 展J . 化工進(jìn)展， 2004-03-30 4 張會(huì). ZPrinter310 系統(tǒng) X-Y 執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的 Y 軸設(shè)計(jì)J . 機(jī)械管理開發(fā)，2008-06-15 5 張昌明. 三維打印機(jī) ZPrinter310 系統(tǒng) Z 向升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J . 機(jī)械管理開發(fā)， 2008-08-15 6 劉海濤. 光固化三維打印成形材料的研究與應(yīng)用D . 華中科技大學(xué)，2009-05-11 7吳宗澤主編，機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)M，機(jī)械工業(yè)出版社， 2003 8譚建榮、張樹有、施岳定主編，圖學(xué)基礎(chǔ)教程M，高等教育出版社， 1999 9楊明忠、朱家誠(chéng)主編，機(jī)械設(shè)計(jì)M，武漢理工大學(xué)出版社， 2001 10鄭文緯、吳克堅(jiān)主編，機(jī)械原理M.第七版，高等教育出版社， 1997 11Andrew AlleyneDanian Zheng, Learning Control of an Injection Molding Machine CycleJ/OL, 2000 NSF Design & Manufacturing Research Conference 12ZHAO Zhenmei WEI Xiuying XIONG Yuhua MAO Changhui, Preparation of Ti-Mo getters by injection moldingJ/OL, RARE METALS 2009 28(2) TG1 簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 31 致 謝 時(shí)光飛逝，四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯就要結(jié)束了，在這短暫而漫長(zhǎng)的四年里，使我 更進(jìn)一步的熟悉和掌握了如何去學(xué)習(xí)、生活和工作。同時(shí)，也是校園讓我們學(xué)會(huì)了 學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)了思考，學(xué)會(huì)了做人，雖其短暫，但是在這四年里所學(xué)的知識(shí)必將可以 使我受用終生。 在這大學(xué)生涯即將結(jié)束的最后半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，不僅是對(duì)我們每一個(gè)人 的一次全面的考查，同時(shí)也是對(duì)我們所學(xué)習(xí)和掌握知識(shí)的一次實(shí)際而綜合運(yùn)用，這 不僅僅是只是一次知識(shí)的檢驗(yàn)，更是對(duì)我們認(rèn)識(shí)問題、分析問題、解決問題的綜合 能力的鍛煉與培養(yǎng)。同時(shí)對(duì)于我們來說，這也是一次難能可貴的在校學(xué)習(xí)的經(jīng)歷， 一次知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累的機(jī)會(huì)。 為此，我應(yīng)該感謝給予我這個(gè)機(jī)會(huì)的人，是他們給予了我這次學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，同 時(shí)也是他們給予我了關(guān)懷與支持，正是在他們的關(guān)心、支持與幫助下，我的大學(xué)學(xué) 習(xí)，生活，以及這次畢業(yè)設(shè)計(jì)才能完滿結(jié)束，為我大學(xué)生涯畫上一個(gè)完美的句號(hào)。 在這里，我首先要感謝母校，是母校為我提供了這個(gè)平臺(tái)，給予我了夢(mèng)寐已久 的學(xué)習(xí)和生活的機(jī)會(huì)，從而是我的人生更加精彩。 其次，要感謝的是我的指導(dǎo)老師，在這幾個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)的日子里，對(duì)我們的耐 心的關(guān)懷與輔導(dǎo)。在這四年的大學(xué)生涯中，以前學(xué)的專業(yè)知識(shí)，對(duì)于我們來說象一 盤散沙，雜亂無章沒有系統(tǒng)性。但是在老師的悉心輔導(dǎo)下，使我們對(duì)自己的知識(shí)進(jìn) 行了整理、組織和裝配，使我的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加明朗化、體系化了。在此感謝老師在 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予了我莫大的支持和幫助。 同時(shí)，我還要感謝同組的成員，以及關(guān)心和支持我的所有的同學(xué)，在我們共同 學(xué)習(xí)、和生活的日子里，大家共同努力，克服困難，不斷提出和完善新的設(shè)計(jì)思路 和方法，使我們的學(xué)習(xí)、生活和本次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作得以順利而完滿的結(jié)束；生活上 互相幫助，彼此間留下了最珍貴而溫馨的友誼。是你們讓我擁有了一段美好的大學(xué) 生活。 最后，我要感謝所有的教過我的老師們，感謝您們的辛勤培育和無微不至的關(guān) 懷，是你們的高尚品德和人格魅力影響了并改變了我。在以后的學(xué)習(xí)、生活、工作 中，我將牢記您們的諄諄教誨，不斷學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步。在此，衷心地祝福和感謝你 們!