60型熔融沉積 FDM3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)含4張CAD圖

60型熔融沉積 FDM3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)含4張CAD圖,60型熔融沉積,FDM3D,打印機(jī)設(shè)計(jì)含4張CAD圖,60,熔融,沉積,打印機(jī),設(shè)計(jì),CAD 60 型熔融沉積 FDM3D 打印機(jī)設(shè)計(jì) Design of Model 60 Fused Deposition FDM3D Printer 摘 要 熔融沉積成形FDM3D打印技術(shù)可以用于制作各種各樣的3D產(chǎn)品，即為人們的生活增添了樂(lè)趣，又使人們更加快速便利的得到自己需要零件，因而備受廣大青年同胞的關(guān)注逐漸在市場(chǎng)上推廣開(kāi)來(lái)。由于FDM3D打印機(jī)所需要的耗材保存容易打印范圍大、使用的地帶與環(huán)境受限也不多因此逐漸成為目前市場(chǎng)上的主流。FDM3D打印機(jī)通過(guò)給定的參數(shù)，來(lái)制造人們所需要的符合規(guī)格的零件。打印材料以環(huán)保的PLA材質(zhì)最為熱門，另外堅(jiān)硬的ABS、韌性極佳的尼龍、仿木紋金屬或軟Q的彈性材料也都是FDM可以使用的?，F(xiàn)階段，隨著3D打印技術(shù)理論知識(shí)的逐步掌握，人們對(duì)快速成型加工技術(shù)所加工的零件的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)因?yàn)轶w積小、耗材環(huán)保、價(jià)格親民因而在市場(chǎng)上擁有較高的占有率。3D打印機(jī)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)是提高FDM3D打印機(jī)加工效率的重要途經(jīng)之一，而目前的熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)存在各種各樣的問(wèn)題，如打印精度低，打印速度慢、噴頭容易堵塞等等。本文主要進(jìn)行一些關(guān)于熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)的傳動(dòng)以及絲杠校核的簡(jiǎn)單計(jì)算。 關(guān)鍵詞：FDM；熔融沉積；3D打印 ABSTRACT Fdm3d printing technology can be used to produce various 3D products, which adds fun to people's lives and makes people get their own parts more quickly and conveniently. Therefore, fdm3d printing technology has been widely spread in the market. Because fdm3d printer needs consumables to save easy to print, the use of the area and environment is limited, so gradually become the mainstream in the market. Fdm3d printer can manufacture the parts that meet the specifications by the given parameters. The printing materials are the most popular with the environmentally friendly PLA materials. In addition, the hard abs, the nylon with excellent toughness, wood like metal or soft Q elastic materials are also available for FDM. At present, with the gradual mastery of 3D printing technology theory, people have higher and higher quality requirements for parts processed by rapid prototyping technology. Fdm3d printer has a high market share because of its small size, environmental protection of consumables and close price. The reasonable mechanical structure of 3D printer is one of the important ways to improve the processing efficiency of fdm3d printer. However, there are many problems in fdm3d printer, such as low printing accuracy, slow printing speed, easy plugging of nozzle, etc. This paper mainly carries out some simple calculation about the transmission and screw checking of fdm3d printer formed by melt deposition. Key words: FDM; Melt deposition; 3D printing 目 錄 1 緒論 5 1.1 本課題研究背景和意義 5 1.2 3D打印在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)及工程級(jí)3D打印機(jī)的應(yīng)用 8 1.2.1 3D打印機(jī)的發(fā)展歷史 8 1.2.2工程級(jí)3D打印機(jī)的應(yīng)用 11 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法 12 1.4 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 12 1.5 本章小結(jié) 13 2 工程級(jí)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 13 2.1 整體框架的選擇 13 2.1.1 FDM３D打印機(jī)的工作原理 13 2.1.2 XYZ型FDM3D打印機(jī) 15 2.2 噴頭、平臺(tái)等關(guān)鍵部件的分析探討 17 2.2.1噴頭的設(shè)計(jì) 17 2.2.2打印平臺(tái)的設(shè)計(jì) 20 2.3 本章小結(jié) 21 3 總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及修改 21 3.1 噴頭平臺(tái)的設(shè)計(jì) 22 3.1.1噴頭的設(shè)計(jì) 22 3.1.2 打印平臺(tái)的設(shè)計(jì) 22 3.2 其他關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) 22 3.2.1送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22 3.2.2傳動(dòng)控制的選擇 22 3.2.3驅(qū)動(dòng)器的選擇 23 3.2.4滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 24 3.3 裝配體的整體修改 25 3.3.1 絲杠的選型計(jì)算? 25 3.3.2 疲勞強(qiáng)度校核 25 3.3.3 絲杠軸向徑剛度 26 3.4 本章小結(jié) 27 4 配件的加工及裝配 28 4.1 配件的加工 28 4.1.1送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 28 4.1.2散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 29 4.2 機(jī)器的裝配及線路的連接 29 4.3 本章小結(jié) 31 5 機(jī)器調(diào)試 32 5.1 調(diào)試步驟 32 5.2 打印工藝流程及步驟 33 5.3 本章小結(jié) 33 6 結(jié)論 34 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 38 V 1 緒論 1.1 本課題研究背景和意義 進(jìn)入二十一世紀(jì)，制造業(yè)也進(jìn)入了新的發(fā)展階段。我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到顯著提升的同時(shí)，機(jī)械行業(yè)也在逐年穩(wěn)步發(fā)展?，F(xiàn)如今，各項(xiàng)機(jī)械設(shè)備發(fā)展迅猛，國(guó)外的機(jī)械設(shè)備早已經(jīng)處于發(fā)展的黃金期，生產(chǎn)制造出的機(jī)械設(shè)備性能優(yōu)良，加工效率高。就我國(guó)而言，近年來(lái)同樣投身于機(jī)械事業(yè)，國(guó)家大力發(fā)展機(jī)械裝備技術(shù)，經(jīng)過(guò)這些年的努力與研究，我國(guó)在機(jī)械技術(shù)方面取得了很大成就，機(jī)械技術(shù)已經(jīng)在朝著歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家行進(jìn)的方向努力。其中，對(duì)于3D打印技術(shù)的研究最為突出，目前FDM3D打印機(jī)通過(guò)給定的參數(shù)，來(lái)制造人們所需要的零件，但是現(xiàn)階段熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)存在各種各樣的問(wèn)題，如打印精度低，打印速度慢、噴頭容易堵塞等等的問(wèn)題而無(wú)法得到人們的廣泛認(rèn)可。我國(guó)3D打印機(jī)和和國(guó)外在規(guī)范、種類、技術(shù)以及應(yīng)用能力等方面的差距是巨大的。如，目前我國(guó)的3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)的自主性極低，技術(shù)使用受限。在軟件方面，只針對(duì)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，基礎(chǔ)軟件和關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口，產(chǎn)品成本高，技術(shù)約束強(qiáng)。基于此，近些年來(lái)3D打印機(jī)在各個(gè)機(jī)械行業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的角色，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)調(diào)查，自04年起，3D打印機(jī)的銷售量逐年增加，特別是中高端3D打印機(jī)的供應(yīng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在未來(lái)幾年內(nèi)，3D打印機(jī)必將隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展廣泛受到人們的認(rèn)可，其具有非常大的發(fā)展?jié)摿εc廣闊的前景。 中國(guó)經(jīng)濟(jì)正在蓬勃發(fā)展，但與此同時(shí)，勞動(dòng)力成本也在上漲，訓(xùn)練有素的產(chǎn)業(yè)工人短缺，而且培養(yǎng)難度較大，這無(wú)疑推動(dòng)了機(jī)器人需求的快速增長(zhǎng)。因此，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求越來(lái)越高，如何開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)高性價(jià)比的產(chǎn)業(yè)用機(jī)械設(shè)備，成為企業(yè)和社會(huì)的重大問(wèn)題。 世界上較為成熟的3D打印機(jī)是由美國(guó)科學(xué)家恩里科·迪尼發(fā)明的，3D打印件發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)逐步變成為一種潮流，并開(kāi)始廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是動(dòng)漫人物設(shè)計(jì)以及工業(yè)設(shè)計(jì)等。3D打印機(jī)可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)快速準(zhǔn)確的完成一個(gè)模具的打印，節(jié)約了使一個(gè)新產(chǎn)品從構(gòu)思到進(jìn)入市場(chǎng)所需要的時(shí)間和成本。? 傳統(tǒng)的3D工藝制作是通過(guò)把原材料進(jìn)行消減，去除多余的部分從而制作出立體的3D模型或是磨具；而3D打印技術(shù)是通過(guò)把原材料通過(guò)堆疊來(lái)形成需要的打印物體的加法（堆積）原則。打印時(shí)，先通過(guò)電腦軟件把需要打印物體的圖紙轉(zhuǎn)換為3D圖像數(shù)據(jù)上傳電腦， 之后FDM3D打印機(jī)打印噴頭會(huì)根據(jù)電腦得到的圖像數(shù)據(jù)開(kāi)始把熔融狀態(tài)的的打印絲材工整平穩(wěn)有規(guī)律的擠出到打印平臺(tái)上，隨著打印絲材逐步擠出，擠出的熔融狀態(tài)的打印絲材會(huì)逐步堆疊在一起成為一個(gè)立體物品。FDM3D打印機(jī)可以使用的打印材料多樣，以環(huán)保的PLA材質(zhì)最為熱門，另外堅(jiān)硬的ABS、韌性極佳的尼龍、仿木紋金屬或軟Q的彈性材料也都是FDM可以使用的，因此根據(jù)人們不同需求來(lái)打印出來(lái)各式各樣的塑料玩具、飾品和金屬零件、產(chǎn)品模型等，甚至可以用不同顏色打印材料打印出不同顏色的彩色的3D模型。? 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展FDM3D打印機(jī)的發(fā)展速度也在不斷地快速發(fā)展，以及人們對(duì)FDM3D打印機(jī)的認(rèn)識(shí)逐步加深使得FDM3D在市場(chǎng)上的需求量越來(lái)越大呈現(xiàn)出四個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)：（一）3D打印機(jī)在打印速度和打印效率正在不斷的增快和優(yōu)化;（二）3D打印機(jī)的價(jià)格與最初生產(chǎn)的3D打印機(jī)相比價(jià)格已經(jīng)大大降低。一些體積小并且生產(chǎn)規(guī)模小的可以在家中和辦公室使用的桌面式的3D打印機(jī)的價(jià)格在逐漸降低。（三）3D打印機(jī)采用的打印材料不斷地豐富。比如納米材料以及新型聚合材料甚至合成生物材料等都會(huì)在未來(lái)通過(guò)各種技術(shù)的改進(jìn)從而應(yīng)用于FDM3D打印機(jī)上；（四）FDM3D打印機(jī)最開(kāi)始主要應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、醫(yī)療、建筑等等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。在現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平下FDM3D打印機(jī)還可以用來(lái)快速制造出符合規(guī)格的汽車零件、飛機(jī)零件等具有高科技含量的零部件以及人體的皮膚、骨骼等活體組織。據(jù)專家預(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，小到服裝、眼鏡以及家具等生活常用的小件物品、大到汽車、摩托等便于出行的交通工具等各種產(chǎn)品都可以通過(guò)3D打印機(jī)來(lái)快速高效的生產(chǎn)出來(lái)。? 三維打印技術(shù)目前也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。截至2020年6月，3D打印技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工器官和綠色能源技術(shù)領(lǐng)域的太陽(yáng)能電池，通過(guò)三維噴墨技術(shù)來(lái)制造復(fù)雜金屬制品選擇性激光燒結(jié)（SLS），利用FDM技術(shù)制備了商用塑料制品等很多領(lǐng)域。在各種各樣的3D打印方式下，F(xiàn)DM3D打印技術(shù)在市場(chǎng)上爆發(fā)式銷售的原因有以下幾點(diǎn)：堅(jiān)硬的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、環(huán)保的聚乳酸（PLA）以及其他聚合物都可以用作FDM3D打印機(jī)的打印絲材；FDM3D打印機(jī)的造價(jià)便宜；不需要很高的印刷技巧，而且可以利用PC機(jī)和STL（Standard Triangulated Language）數(shù)據(jù)來(lái)制作打印件的三維結(jié)構(gòu)。雖然現(xiàn)階段FDM3D打印機(jī)在市場(chǎng)上的需求逐漸擴(kuò)大。FDM3D打印機(jī)在一層一層打印物體時(shí)在打印件的邊緣上形成了層槽。層槽產(chǎn)生以下兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)是表面裂紋導(dǎo)致外觀不良。二是由于內(nèi)部孔隙的存在，硬度較低。因此，F(xiàn)DM3D打印機(jī)僅用于制作3D樣品。因?yàn)镕DM的主要應(yīng)用是動(dòng)漫人物和模型而且FDM的客戶并不是公眾，而是一群愛(ài)好制作3D動(dòng)畫(huà)的人或是使用建筑模型的建筑師和使用原型進(jìn)行討論的工程師。 因此有必要?jiǎng)?chuàng)造新的、廉價(jià)的方法來(lái)完成三維打印結(jié)構(gòu)的表面處理，來(lái)促進(jìn)家用3D打印機(jī)的發(fā)展。通過(guò)這種方法，每個(gè)人都可以精確地打印出他們?cè)瓉?lái)的產(chǎn)品形狀取決于他們自己的設(shè)計(jì)（例如，耳機(jī)、眼鏡、握把、頭盔這些與個(gè)人形狀相匹配的東西）。所以，需要一種可以去除打印件表層溝槽使表面光滑的新型技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)打印件表面的精加工和在打印件表面上涂敷涂層來(lái)對(duì)三維打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面處理時(shí)會(huì)遇到兩種問(wèn)題。第一個(gè)是無(wú)法刪除內(nèi)層槽而導(dǎo)致打印件的剛度低；第二個(gè)問(wèn)題是在表面規(guī)則復(fù)雜的3D打印件上進(jìn)行均勻處理很困難，雖然拋光容易去除表面的峰值，但難以填充表面的底部。所以，通常在拋光后會(huì)采用涂層工藝來(lái)填充底部。 Dieste等人開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)拋光復(fù)雜形狀的方法這種方法可以有效地對(duì)復(fù)雜的三維打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光處理。這種方法是可行的還能夠去除3D打印結(jié)構(gòu)表面的大部分層槽。有些3D打印機(jī)實(shí)際配備拋光裝置；然而，該方法所需的裝置是昂貴的，因此抵消了FDM 3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)（即低成本和簡(jiǎn)單性）。根據(jù)它的工作原理，3D打印結(jié)構(gòu)的拋光會(huì)產(chǎn)生灰塵，這對(duì)家庭來(lái)說(shuō)是不夠的，因此必須進(jìn)行清潔恢復(fù)。然而，添加一個(gè)設(shè)備來(lái)回收灰塵會(huì)進(jìn)一步增加成本和工作量。這些問(wèn)題很重要在普通家庭中分發(fā)家用3D打印機(jī)。 1.2 3D打印在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)及工程級(jí)3D打印機(jī)的應(yīng)用 1.2.1 3D打印機(jī)的發(fā)展歷史 在歷史上，各個(gè)國(guó)家都有著研究各種3D打印機(jī)的歷史，而各個(gè)國(guó)家的3D打印機(jī)發(fā)展史有所不同，比如世界上第一批3D打印機(jī)誕生于英國(guó)，這是由于第一次工業(yè)革命后，英國(guó)工業(yè)迅猛發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)得到了飛速的提升，因此研究生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)，對(duì)于機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展起到了重大的推動(dòng)作用；而美國(guó)作為世界上的超級(jí)強(qiáng)國(guó)，3D打印機(jī)的質(zhì)量與性能當(dāng)屬世界前列，起初美國(guó)研究3D打印機(jī)的目的主要是為了提高機(jī)械制造行業(yè)的市場(chǎng)利潤(rùn)，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)埃尼阿克誕生于美國(guó)后，其便將計(jì)算機(jī)技術(shù)與3D打印機(jī)技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)出了世界上首臺(tái)3D打印機(jī)并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中；德國(guó)同樣不甘落后，它致力于引進(jìn)英國(guó)和美國(guó)的3D打印機(jī)，首先建立起3D打印機(jī)實(shí)驗(yàn)室，將3D打印機(jī)作為研究專項(xiàng)進(jìn)行研究制造，因此德國(guó)的3D打印機(jī)同樣發(fā)展迅猛，其搬運(yùn)小車的出口也一直居于世界首位【6-7】。 在20世紀(jì)中葉，日本成為在美國(guó)之后大力發(fā)展3D打印機(jī)的國(guó)家之一，日本由于其經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，倉(cāng)庫(kù)中機(jī)械制造需求較大眾但工作人員較少，因此導(dǎo)致日本的機(jī)械制造行業(yè)效率較低，基于此，日本對(duì)機(jī)械制造小車的需求較為急切，政府為機(jī)械制造小車的設(shè)計(jì)提供了較多便利政策，眾多科研人員全身心投入機(jī)械制造小車的設(shè)計(jì)與研發(fā)之中，在當(dāng)時(shí)日本機(jī)械制造小車的設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)處于亞洲領(lǐng)先地位。日本機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展對(duì)韓國(guó)同樣起到了一定的推動(dòng)作用，韓國(guó)在對(duì)日本機(jī)械制造小車進(jìn)行研究分析后，對(duì)日本現(xiàn)有的機(jī)械制造小車進(jìn)行了一定的改進(jìn)并進(jìn)行了生產(chǎn)，在機(jī)械制造行業(yè)中表現(xiàn)良好，韓國(guó)的3D打印機(jī)發(fā)展進(jìn)入了穩(wěn)步運(yùn)行階段。接下來(lái)對(duì)3D打印機(jī)國(guó)外歷史進(jìn)行詳細(xì)介紹。 20世紀(jì)70年代末期，美國(guó)以及日本都有學(xué)者分別獨(dú)立的提出了3D打印的概念，自此3D打印機(jī)才正式有了最基礎(chǔ)的3D打印理論框架。世界上的第一臺(tái)FDM3D打印機(jī)是由美國(guó)的Scott Crump博士發(fā)明的；他在1988年成功發(fā)明了熔融沉積制造（FDM），隨后他創(chuàng)立了Stratasys公司，F(xiàn)DM3D打印機(jī)緊接著開(kāi)始進(jìn)入商品化階段。1993年世界上第一臺(tái)FDM3D打印機(jī)被設(shè)計(jì)研制了出來(lái)。2007年美國(guó)的Stratasys公司縮小了3D打印機(jī)所需要的占地面積，降低了3D打印機(jī)的生產(chǎn)成本； 3D打印機(jī)的桌面化以及不再那么昂貴的使得他們走進(jìn)市場(chǎng)進(jìn)入大眾的視野，為3D打印機(jī)的推廣和使用做出了很大的貢獻(xiàn)。國(guó)外的多所高校在該領(lǐng)域的研究也有豐富的成果。新加坡國(guó)立大學(xué)研制的PLA絲料可以運(yùn)用于組織工程當(dāng)中。美國(guó)南加州大學(xué)申請(qǐng)了通過(guò)消除FDM3D打印機(jī)在打印生產(chǎn)過(guò)程中打印材料堆疊產(chǎn)生的臺(tái)階來(lái)提高打印精度的專利。澳大利亞的斯文本科技大學(xué)成功研制出了新型的復(fù)合材料來(lái)作為FDM3D打印機(jī)的打印絲材。印度理工學(xué)院重新定義了一種打印形式；使3D打印與原始的3D打印機(jī)相比在打印某些零件時(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì)。目前世界上打印精度最高的3D打印機(jī)的打印精度約為到0.01mm，在保證打印件高精度的條件下堆積速度可以達(dá)到25mm/h。博洛尼亞大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了極限強(qiáng)度和楊氏模量是影響力學(xué)性能的決定因素。EricJ,Vamsik 等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使ABS材料可以更好的溶于水中，令FDM3D打印技術(shù)在生物領(lǐng)域發(fā)揮出更重要的作用。 我國(guó)機(jī)械業(yè)以及其衍生產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢，其機(jī)械化程度發(fā)展較為緩慢，與國(guó)外發(fā)達(dá)家相比仍具有非常大的差距。在上世紀(jì)60年代時(shí)，我國(guó)某地區(qū)研制出了一臺(tái)3D打印機(jī)，在當(dāng)時(shí)引起了較大轟動(dòng)，但由于內(nèi)外環(huán)境的影響，最終未對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，致使3D打印機(jī)的研制停滯不前。直到90年代我國(guó)才開(kāi)始引入發(fā)達(dá)國(guó)家諸如美國(guó)等國(guó)生產(chǎn)出的3D打印機(jī)。值得慶幸的是，我國(guó)政府認(rèn)識(shí)到工業(yè)化發(fā)展對(duì)于綜合國(guó)力的提升有著重大意義，因此，我國(guó)對(duì)工業(yè)化市場(chǎng)加大投入，加上我國(guó)研究人員與機(jī)械設(shè)備廠的通力協(xié)作，借鑒國(guó)外知名機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)與長(zhǎng)處，引進(jìn)新興3D打印機(jī)與國(guó)外廠家進(jìn)行合作研究，3D打印機(jī)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，直到現(xiàn)在為止，我國(guó)3D打印機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于市場(chǎng)之中，給人們帶來(lái)了巨大的方便【10-12】。 我國(guó)一直到20世紀(jì)九十年代才逐步開(kāi)始研究3D打印技術(shù)。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)3D打印技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，但國(guó)內(nèi)各大高校對(duì)3D打印技術(shù)的積極探索已經(jīng)使我們國(guó)家成為繼美國(guó)、德國(guó)、日本之后打印設(shè)備研究最多的國(guó)家。北京太爾時(shí)代科技有限公司在3D打印所用的打印絲材、打印系統(tǒng)以及打印技術(shù)等多方面都取得很多成果。陜西恒通智能機(jī)器有限公司研制出耐高溫和高速FDM3D打印機(jī)。 我國(guó)的學(xué)者們也在3D打印的控制系統(tǒng)、打印工藝等方面的技術(shù)做了大量的研究。提出的可視化3D打印過(guò)程，使我們可以得到在打印過(guò)程中打印機(jī)的溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化過(guò)程。從而得到了對(duì)3D打印件性能的預(yù)測(cè)和分析，對(duì)優(yōu)化3D打印工藝過(guò)程提供了堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)?，F(xiàn)階段我國(guó)對(duì)與FDM3D打印技術(shù)的研究主要為材料的性能、溫度場(chǎng)以及打印路徑等方面，大大增大了3D打印機(jī)的打印精度，使得我國(guó)的FDM3D打印技術(shù)迅速發(fā)展。 表1.1 國(guó)內(nèi)外FDM3D打印機(jī)參數(shù)對(duì)照表 針對(duì)去除FDM3D打印件表面的層槽，我國(guó)的學(xué)者也做了眾多的研究。浙江大學(xué)的研究學(xué)者體出了一種方法，用丙酮和溶劑熔化表面用于從用于3D打印結(jié)構(gòu)36–38的ABS樹(shù)脂中去除層槽在裝置中蒸發(fā)，并在內(nèi)部放置FDM 3D打印的成品。裝置中蒸發(fā)的溶劑可以均勻的熔化在3D打印結(jié)構(gòu)的表面，使層槽不那么明顯。這種材料作為表面熔體，可以轉(zhuǎn)化為液體凝膠，穿透3D打印結(jié)構(gòu)表面的裂縫。因此，這種方法在消除3D打印結(jié)構(gòu)表面的裂紋方面也有一定的效果；然而，這種方法有兩個(gè)問(wèn)題。首先，它不允許選擇性修復(fù)。因此，蒸發(fā)的溶劑均勻地處理物體的表面，從而可能把不需要去除層槽區(qū)域的層槽去除。第二個(gè)問(wèn)題是浪費(fèi)大量人力，物力以及時(shí)間；即安裝設(shè)備所需要的花費(fèi)。由于大量使用易燃丙酮，還存在重大安全風(fēng)險(xiǎn)，因此不適合在家使用或是辦公室使用。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)DM3D打印機(jī)所制作的產(chǎn)品80%都不能直接投入使用，說(shuō)明FDM3D打印技術(shù)仍然存在很大的問(wèn)題需要完善。其中的問(wèn)題主要有： （1） 打印某些零件時(shí)需要支撐結(jié)構(gòu)；但是拆除支撐結(jié)構(gòu)會(huì)使打印件的表面變得粗糙甚至損壞打印件。 （2） 打印噴頭的散熱情況存在弊端，噴頭處糟糕的散熱會(huì)導(dǎo)致熔融狀態(tài)的絲材堵塞噴嘴； （3） 打印件的硬度有限； （4） 打印件會(huì)有明顯的階梯狀的紋路；成品精度低。 （5） 送絲機(jī)構(gòu)無(wú)法既滿足3D 打印機(jī)的速度需求又滿足打印精度的要求。同時(shí)送絲機(jī)構(gòu)在平穩(wěn)勻速輸出絲材方面存在欠缺； 在此基礎(chǔ)上，我國(guó)的3D打印機(jī)的研制得到了飛速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)3D打印機(jī)的市場(chǎng)占有率在與日俱增。就目前而言，我國(guó)3D打印機(jī)無(wú)論是從品種還是規(guī)格方面都有了巨大進(jìn)步，但是總得來(lái)看，規(guī)模較小，生產(chǎn)成本較高，還未產(chǎn)生系統(tǒng)的生產(chǎn)線，需加大研究力度，努力提高我國(guó)機(jī)器自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)【12-13】。 1.2.2 工程級(jí)3D打印機(jī)的應(yīng)用 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比為制藥產(chǎn)品制造提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是設(shè)計(jì)個(gè)性化藥物形式的能力：靈活的劑量，不同的形狀，多種活性藥物成分。而且，還可以提供用于口服、經(jīng)皮和植入式給藥的精密藥物遞送裝置。盡管如此，與醫(yī)藥制造業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)并非是簡(jiǎn)單的任務(wù)。畢竟FDM 3D打印機(jī)不是大規(guī)模生產(chǎn)的最佳解決方案。使用3D打印機(jī)高精度制作另一方面，在小規(guī)模的配制藥房中，兩者的速度相差很大手動(dòng)封裝粉末和使用打印機(jī)可能沒(méi)有那么大的區(qū)別。打印機(jī)還可以采用多個(gè)打印頭，可以同時(shí)打印多個(gè)單元，加快打印速度過(guò)程。三維打印過(guò)程的自動(dòng)化，特別是通過(guò)FDM實(shí)現(xiàn)的高精度技術(shù)使得藥品的印刷可能更安全。它還可以防止低質(zhì)量的問(wèn)題，并滿足必要的要求，采取藥物個(gè)性化的另一個(gè)層次。 3D打印機(jī)在配制藥房中的應(yīng)用將使他們進(jìn)入數(shù)字藥店。FDM3D打印技術(shù)可以將裝載有藥品的絲材熔融成任何需要的劑型；并且可以很靈活的制成不同形狀、有多種活性藥物成分集結(jié)于一體的藥物、也可以調(diào)制藥物的劑量來(lái)解放人們的時(shí)間。換句話說(shuō)，提供定制的藥物。這項(xiàng)工作旨在呈現(xiàn)更新這項(xiàng)技術(shù)，討論它的挑戰(zhàn)。制藥工業(yè)可以在必要的條件下大規(guī)模生產(chǎn)載藥纖維質(zhì)量和安全保證；而數(shù)字藥店可以將細(xì)絲轉(zhuǎn)化為個(gè)性化的按特定處方服藥。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在商業(yè)3D打印機(jī)的適應(yīng)將需要滿足衛(wèi)生要求的藥品配制出來(lái)。因此， 通過(guò)FDM3D打印技術(shù)來(lái)大批量的印刷藥物制品有可能成為制藥領(lǐng)域有史以來(lái)最大的技術(shù)飛躍。 在過(guò)去的幾年里，我們看到關(guān)于3D打印在（生物）分析和測(cè)量中的應(yīng)用的出版物微流控研究的人越來(lái)越多。作為3D打印材料在一定程度上研究了它們基于細(xì)胞或組織的特性、和生物相容性的物理性質(zhì)分析。這些實(shí)驗(yàn)將以通過(guò)不同的3D打印方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)應(yīng)用FDM3D打印技術(shù)可以使人們更好的發(fā)揮出自己的想象力以及創(chuàng)造力去制作自己腦海中突然浮現(xiàn)的模具或是模型又或者是動(dòng)漫人物造型。還可以用于工業(yè)的樣品制作；塑料零件、鑄造蠟?zāi)?樣件或模型?？焖僦圃煨庐a(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。還用于高端制造業(yè)領(lǐng)域,例如樣品功能測(cè)試、試驗(yàn)和裝配仿真模擬等。 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法 (1)查閱有關(guān)FDM3D打印機(jī)的基本參數(shù)的資料，對(duì)目前市面上的FDM3D打印機(jī)的基本參數(shù)進(jìn)行研究，著重了解3D打印機(jī)的不同種類，以及各種打印機(jī)的工作方式，為后面3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (2)通過(guò)查閱FDM3D打印機(jī)有關(guān)的文獻(xiàn)資料，來(lái)研究分析類似的3D打印機(jī)拆卸機(jī)構(gòu)，3D打印機(jī)整體裝置，以及3D打印機(jī)的基本傳動(dòng)方案及傳動(dòng)系統(tǒng)等，對(duì)適用的機(jī)構(gòu)進(jìn)行參考、改進(jìn)，并從中學(xué)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技巧，為3D打印機(jī)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 (3)對(duì)查閱的資料和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸類總結(jié)，通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)的不同設(shè)計(jì)方案的比對(duì)，最終選擇確定最佳傳動(dòng)方式。 (4)通過(guò)資料和經(jīng)驗(yàn)分析，如絲杠，電機(jī)的選擇及確定具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算強(qiáng)度壽命并進(jìn)行校核，定量分析機(jī)構(gòu)的可靠性。 1.4 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 本文主要針對(duì)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，完成本次3D打印機(jī)需要做一定的前期準(zhǔn)備工作，首先要對(duì)目前市面上已有的3D打印機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行深入研究分析，通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行分析研究，運(yùn)用以學(xué)到的知識(shí)分析問(wèn)題解決問(wèn)題。此外，需要對(duì)現(xiàn)有3D打印機(jī)進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，研究其傳動(dòng)方案等，對(duì)目前現(xiàn)有的3D打印機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)并得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為接下來(lái)的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，還需制定3D打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，增強(qiáng)繪圖能力，并對(duì)3D打印機(jī)國(guó)外水平進(jìn)行分析研究，借鑒其先進(jìn)水平。 本文主要針對(duì)3D打印機(jī)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行整機(jī)改造設(shè)計(jì)，依據(jù)本科階段所學(xué)的課程作為理論基礎(chǔ)完成3D打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)以及零部件設(shè)計(jì)。 1.5 本章小結(jié) 本章主要針對(duì)3D打印機(jī)的特點(diǎn)以及概念進(jìn)行了介紹，由于打印方式存在較多問(wèn)題，因此3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)有著很大的應(yīng)用前景。對(duì)3D打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，明確了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所研究的主要內(nèi)容，為后續(xù)的研究指明了方向。 2 工程級(jí)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 2.1 整體框架的選擇 成型體積：600*600*400； 噴頭定位精度：0.01mm； Z向定位精度：0.01mm； 加熱板、絲桿及直線導(dǎo)軌軸等的總重量約15kg； 最大成型體積重量：約為14KG； 噴頭最大運(yùn)行速度：60mm/s； 為了滿足FDM3D打印機(jī)可以平穩(wěn)的運(yùn)行，且盡量不產(chǎn)生噪音，還要有良好的使用壽命，因此選用具有耐磨性和減震性良好的材料作為3D打印機(jī)的機(jī)架，材料采用鋁合金材質(zhì)，其重量輕且強(qiáng)度高，并且鋁合金機(jī)架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可以保證噴頭長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)的打印工作，強(qiáng)韌的合金可以滿足彈性需要，讓打印變得高質(zhì)量。 2.1.1 FDM３D打印機(jī)的工作原理 熔融沉積成型FDM3D打印技術(shù)又被稱作快速成型打印技術(shù)。它工作原理很簡(jiǎn)單：先由送絲機(jī)構(gòu)將打印絲材送入打印噴頭，在打印噴頭內(nèi)打印絲材被已經(jīng)加熱的高溫噴頭加熱融化為熔融狀態(tài)，并由打印噴頭擠出，同時(shí)打印噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下在打印平面內(nèi)進(jìn)行有規(guī)則的移動(dòng)，打印出打印件的輪廓并進(jìn)行填充。使熔融狀態(tài)的絲材在指定為止沉積凝固成型；一層完成后，打印平臺(tái)或噴頭移動(dòng)一個(gè)高度進(jìn)行第二層的打印操作，在熔融狀態(tài)的打印絲材層層堆疊后最終形成符合設(shè)計(jì)要求規(guī)格的物體。這樣的打印方法讓FDM3D打印機(jī)擁有了屬于自己的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： （1） 系統(tǒng)簡(jiǎn)單便與實(shí)現(xiàn)。打印機(jī)的制作成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光固化粉末式技術(shù)的打印機(jī)。 （2） 打印所需要的原料環(huán)保且無(wú)毒且占地面積小。適宜在辦公室以及家中進(jìn)行打印操作。 （3） 即便是較為復(fù)雜的模型也可以很好的打印成型。 （4） 打印過(guò)程均為物理變化，生產(chǎn)過(guò)程安全環(huán)保。 （5） 目前已經(jīng)擁有可以雙色打印的技術(shù)，可以直接制成彩色模型。 FDM也有很多缺點(diǎn)，如： （1） 打印件的表面有很明顯的階梯層次感，不光滑。 （2） 打印速度慢，打印效率底下。 （3） 對(duì)于某些打印件需要添加支撐，打印完成后支撐的去除導(dǎo)致支撐面顯得粗糙，同時(shí)添加支撐也造成了打印所需要的原材料的增加。 圖2.1 FDM3D打印的原理 圖2.2 普通3D打印機(jī)工藝流程圖 3D打印技術(shù)可以直接從計(jì)算機(jī)中獲取打印件的各種信息，然后通過(guò)熔融沉積完成打印件，這和傳統(tǒng)的制作工藝完全不同，傳統(tǒng)工藝為減材制造，浪費(fèi)原材料而且會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。3D打印作為增材制造技術(shù)對(duì)原材料的利用率極高僅有少部分遠(yuǎn)端送絲機(jī)構(gòu)會(huì)造成少量的浪費(fèi)，并且3D打印不需要機(jī)械加工或模具，既可以打印任意幾何結(jié)構(gòu)，而且打印產(chǎn)品無(wú)害，體積小噪音少可以在辦公室或家庭環(huán)境下操作運(yùn)行，前景廣泛。 2.1.2 XYZ型FDM3D打印機(jī) XYZ型FDM3D打印機(jī)的3個(gè)軸的傳動(dòng)分別由一組步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行相互獨(dú)立互不干擾，以便于3個(gè)軸可以更加自由的傳動(dòng)。常見(jiàn)的XYZ型FDM3D打印機(jī)有：Ultimaker、Reprap、printrbot等3。 （1）Ulrimaker系列的打印機(jī)： Ulrimaker系列的打印機(jī)是現(xiàn)階段市場(chǎng)上銷售量最多的機(jī)型，也是打印性能較為完整的機(jī)型。這種機(jī)型的打印平臺(tái)只沿著z軸做垂直的上下移動(dòng)并且打印機(jī)的打印噴頭只在xy平面內(nèi)工作。打印平臺(tái)先先移動(dòng)到打印噴頭的位置，隨著打印噴頭打印完一層，打印平臺(tái)逐步向下移動(dòng)，直到打印件被完整的打印出來(lái)。 圖2.3 Ulrimaker系列3D打印機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： 1） 打印速度快、打印精度高； 2） 打印的成品精度高，可以達(dá)到0.1mm； 3） 電源、電線等可以收納在機(jī)箱內(nèi)部；外觀整潔 缺點(diǎn)： 1） 打印機(jī)的安裝過(guò)程復(fù)雜并且打印機(jī)損壞或不工作后的維修相對(duì)困難； 2） 成本較高； （2）Reprap系列的打印機(jī)： Reprap系列的打印機(jī)在X、Y、Z三個(gè)方向上都安裝有步進(jìn)電機(jī)，x方向上的步進(jìn)電機(jī)主要是用于控制噴頭在橫桿上的往復(fù)移動(dòng)；z方向的步進(jìn)電機(jī)用于控制噴頭的上下移動(dòng)；Y方向的步進(jìn)電機(jī)則是帶動(dòng)打印平臺(tái)運(yùn)動(dòng)完成打印。 圖2.4 Reprap系列3D打印機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝和維修都很方便； 2） 對(duì)絲桿、光軸的精度要求低； 缺點(diǎn)： 1） 該系列的機(jī)型所打印出來(lái)的的成品的精度低，而提高打印機(jī)的打印精度需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)調(diào)試打印平臺(tái)； 2） 打印機(jī)在工作時(shí)，打印模型會(huì)隨著打印平臺(tái)在Y軸方向移動(dòng)； （3）Printrbot系列的打印件： Printrbot系列的打印機(jī)的組裝精度高并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；步進(jìn)電機(jī)安裝在底部來(lái)降低重心。 圖2.5 Printrbot系列3D打印機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、維修方便； 2） 精度高； 缺點(diǎn)： 1）打印時(shí)打印件隨著打印平臺(tái)在Y軸方向上移動(dòng)； 2.2 噴頭、平臺(tái)等關(guān)鍵部件的分析探討 2.2.1 噴頭的設(shè)計(jì) FDM3D打印機(jī)的噴頭部分應(yīng)該包括進(jìn)料喉管、加熱電阻、打印噴嘴等組成為了使絲料可以更穩(wěn)定均勻的流出還應(yīng)該具有散熱器、熱敏電阻、散熱扇。為了避免噴嘴的堵塞的問(wèn)題，就需要嚴(yán)格控制打印噴頭處的散熱情況；因此，在噴頭處安裝有利于加快散熱的散熱片以及小風(fēng)扇會(huì)來(lái)改善噴嘴的堵塞現(xiàn)象。 圖2.6 3D打印機(jī)噴頭的設(shè)計(jì) 熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)在進(jìn)行打印工作時(shí)需要先將PLA（尼龍、ABS等）打印絲料熔化為熔融狀態(tài)，打印絲料就可以從噴頭里流出，流出的熔融狀態(tài)的打印絲料隨著噴頭的運(yùn)動(dòng)按照一定的形狀進(jìn)行堆積疊加，最后制作出完整的符合設(shè)計(jì)要求規(guī)格的3D打印件。因此打印絲料的流出速度是否平穩(wěn)對(duì)打印件的精度起到?jīng)Q定性作用。作為FDM3D打印機(jī)的核心部件，打印噴頭的結(jié)構(gòu)對(duì)絲料出口速度的穩(wěn)定性有很大的影響，進(jìn)而會(huì)影響3D打印機(jī)的打印精度。 打印絲材再噴頭內(nèi)融化為流體然后再?gòu)膰娍诹鞒觥Ａ黧w的流動(dòng)一定是遵循質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律的。 連續(xù)性方程： ?p?t+?(ρux)?x+?(ρuy)?y+?(ρuz)?z=0 能量方程： ?t?τ+u?t?x+u?t?x+u?t?x=α?2t?x2+α?2t?y2+α?2t?z 噴頭的物理模型： 打印噴頭的結(jié)構(gòu)大致如圖所示。參數(shù)包括過(guò)度圓弧半徑r、整流段長(zhǎng)度L2、噴頭收斂角α和噴頭出口端直徑d。噴頭入口段圓柱段長(zhǎng)度L1和入口端直徑D為定值。 圖2.7 噴頭結(jié)構(gòu)示意圖 經(jīng)過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)噴頭收斂角、過(guò)渡圓弧半徑和整流段長(zhǎng)度是影響絲料出口速度穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)主要集中在噴頭。在過(guò)渡圓弧半徑不變的情況下，噴頭出口速度隨著噴頭收斂角的收縮角的增大變的不均勻。 采用熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)在制作某些懸空的打印件時(shí)需要制作支撐結(jié)構(gòu)來(lái)使絲料可以在空中沉積凝固，因此選擇使用雙噴頭的設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)擠出成型材料，另外一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)擠出支撐材料，來(lái)達(dá)到節(jié)省材料成本和提高打印件成型的效率。 使用更為精細(xì)質(zhì)量較好的打印絲材來(lái)進(jìn)行3D打印件的打印。選用較為粗糙且廉價(jià)的材料用于制作支撐結(jié)構(gòu)的的材料。選用水溶性材料或比成型材料熔點(diǎn)低的材料來(lái)做支撐材料可以很方便地把支撐結(jié)構(gòu)去除干凈。 2.2.2 打印平臺(tái)的設(shè)計(jì) 因?yàn)榇蛴〗z材是在熔融的狀態(tài)下與打印平臺(tái)相接觸的，而熔融狀態(tài)的打印絲材具有很強(qiáng)的黏著性，因此在打印件完成后由于與打印平臺(tái)相接觸的熔融狀態(tài)絲材的凝固導(dǎo)致打印件不易于從打印平臺(tái)上取下，特別是打印尺寸較大的模型。而分離不宜取下的模型時(shí)可能會(huì)損壞模型，特別是模型壁比較薄的模型。 查閱資料可知，模型難以與平臺(tái)分離的原因大致有4點(diǎn)： 1) 打印平臺(tái)的粘性過(guò)大； 2) 打印件與打印平臺(tái)的接觸面面積過(guò)大； 3) 噴頭在打印打印件的第一層時(shí)橫向位移間隔不足； 4) 噴頭第一層離平臺(tái)太近； 大致提出4種可行辦法： 1) 可以將平臺(tái)的表面設(shè)計(jì)成波浪形等不平整的表面來(lái)降低打印件與打印平臺(tái)的接觸面積； 2) 預(yù)先在打印平臺(tái)上打孔，在平臺(tái)下方附加一套負(fù)壓吸附裝置； 3) 把打印平臺(tái)做成兩個(gè)部分，打印平臺(tái)上方選用據(jù)有彈性的材料，在打印完成摘取模型時(shí)可以直接將模型連同打印平臺(tái)上的半部分一起取下，然后只用彎曲打印件下方的打印平臺(tái)就可以使打印件輕松剝離。 4) 在平臺(tái)上設(shè)置多個(gè)頂針，在打印機(jī)打印完成后上升頂針來(lái)使模型從打印平臺(tái)上脫離。 2.3 本章小結(jié) 本章基于第一章3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定了3D打印機(jī)整體框架，對(duì)打印機(jī)中關(guān)鍵零部件如噴頭、打印平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，為3D打印機(jī)后續(xù)的生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)并減少了生產(chǎn)制造成本。 3 總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及修改 3.1 噴頭平臺(tái)的設(shè)計(jì) 3.1.1噴頭的設(shè)計(jì) 由于收斂角的大小對(duì)噴嘴出絲的穩(wěn)定性影響最大，因此此次設(shè)計(jì)選用較小的噴頭收斂角，較大的噴嘴的過(guò)渡圓弧半徑；來(lái)改善噴頭絲料出口速度穩(wěn)定性，提高打印的精度。 查閱資料可知在噴嘴的收斂角為15°，過(guò)渡圓弧半徑為3mm，整流長(zhǎng)度為1.0mm時(shí)打印機(jī)噴頭絲料出口速度最為穩(wěn)定。 3.1.2 打印平臺(tái)的設(shè)計(jì) 平臺(tái)選用可分離的兩部分，上半部分使用有彈性的材料；在打印完成后模型連同打印平臺(tái)上半部分一起取下，然后使平臺(tái)上半部分彎曲剝離。 3.2 其他關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) 3.2.1送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) FDM3D打印機(jī)的送絲機(jī)構(gòu)主要由卡絲輪組、第一卡絲輪和第二卡絲輪組成，為了確保送絲機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)均勻的輸出絲材，采用驅(qū)動(dòng)輪，即增大了送絲推力，又保證送絲可靠。在此同時(shí)還可以將熱熔絲壓緊，進(jìn)一步減小了熱熔絲打滑的可能性，提高了FDM3D打印機(jī)打印可靠性。 3.2.2傳動(dòng)控制的選擇 本文設(shè)計(jì)的FDM3D打印機(jī)采用XYZ型結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)方式；具體方案為：噴頭安裝于X軸上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)X軸帶動(dòng)噴頭，使噴頭可以在X軸方向上自由運(yùn)動(dòng)；X軸安裝于Z軸上，這樣步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)帶動(dòng)Z軸的移動(dòng)進(jìn)而可以使噴頭在Z軸方向自由移動(dòng)。在X軸和Y軸的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)共同作用下，可以實(shí)現(xiàn)噴頭在XY平面內(nèi)任意移動(dòng)。打印平臺(tái)沿著Y軸自由運(yùn)動(dòng)；同步齒形帶帶傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)形式，它內(nèi)側(cè)的齒形與齒形帶輪相嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，帶與帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)。這種傳動(dòng)方式的傳動(dòng)比恒定而且傳動(dòng)效率可達(dá)高；不但結(jié)構(gòu)緊湊而且耐磨性也號(hào)；預(yù)緊力小,使得軸承的受力也小等等的優(yōu)點(diǎn)；因此傳動(dòng)方式選用同步齒形帶帶傳動(dòng)。 圖3.1 機(jī)械系統(tǒng)框架圖 3.2.3驅(qū)動(dòng)器的選擇 由于伺服電機(jī)的造價(jià)昂貴而步進(jìn)電機(jī)的特性剛好完全適用于FDM３D打印機(jī)所需要的各個(gè)要求，因此選用更為廉價(jià)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)作為3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)作為FDM3D打印機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可以把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移物理量，從而帶動(dòng)物體的旋轉(zhuǎn)。因此我們可以通過(guò)控制電脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)精確實(shí)現(xiàn)XYZ軸的位移量。 步進(jìn)電機(jī)的種類以及型號(hào)眾多，選出合適的步進(jìn)電機(jī)對(duì)打印機(jī)的打印質(zhì)量和使用壽命也起到很大的影響。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)還需要注意查看電機(jī)的額定電壓和額定電流參數(shù)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元可以控制電流輸出時(shí)，就可以使用任何比電機(jī)額定電壓高的供電電壓?？梢酝ㄟ^(guò)公式：步數(shù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)×驅(qū)動(dòng)板的細(xì)分?jǐn)?shù)÷帶間距÷步進(jìn)電機(jī)上齒的數(shù)量。計(jì)算出同步帶運(yùn)動(dòng)1mm時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。然后再通過(guò)計(jì)算，修改XYZ軸電機(jī)以及擠出機(jī)的步數(shù)。 圖3.2 57BYG096型步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖 圖3.3 57BYG096型步進(jìn)電機(jī)尺寸圖 圖3.4步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造 3.2.4滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 為了確保FDM3D打印機(jī)可以快速平穩(wěn)的運(yùn)行，滑軌最終選則使用TRH20直線導(dǎo)軌；滾珠絲杠作為經(jīng)常使用的傳動(dòng)元件，它可以將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為噴頭或打印平面的直線運(yùn)動(dòng)，還具有可逆性和高效率的特點(diǎn)；此基礎(chǔ)上滾珠絲杠又具有我們所期望的摩擦阻力小、使用壽命長(zhǎng)、定位精度高等等的優(yōu)點(diǎn)，因此此次設(shè)計(jì)將選用滾珠絲杠進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.3 裝配體的整體修改 3.3.1 絲杠的選型計(jì)算? 螺桿總長(zhǎng)L=500mm 將工作行程誤差換算成每300mm允許的誤差：0.01/400=0.0075/300 e300=7.5 查表得，要滿足e300為7.5μm，選用的精度等級(jí)為2級(jí)。 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nmax=1000r/min； 噴頭的最大移動(dòng)速度Vmax=3600mm/min；傳動(dòng)比為1，所以 Ph≥Vmaxnmax×i=3.6 確定導(dǎo)程Ph=5mm，螺桿公稱直徑d=20mm； 由于螺母內(nèi)的各圈滾珠所承受的載荷是不相等，一般來(lái)說(shuō)，第一圈滾珠約承受軸向載荷的30%-45%；第二圈滾珠約承受軸向載荷的20%-30%；第三圈滾珠約承受軸向載荷的10%-20%；第四圈、第五圈滾珠實(shí)際上只承受很小的載荷或基本上不承受載荷。為了提高滾珠的流暢性，在一列的循環(huán)回路內(nèi)，滾珠數(shù)應(yīng)小于150個(gè)，每列工作圈數(shù)不得超過(guò)3.5圈。本次設(shè)計(jì)選用滾珠圈數(shù)ib=3。 滾珠圈數(shù)： zn=ibπd0db 其中db=0.6Ph=6mm，帶入上式得zn=39。 根據(jù)得到的數(shù)據(jù)初步選用SFU2005-2型號(hào)的滾珠絲杠。 3.3.2 疲勞強(qiáng)度校核 滾珠絲杠滾道適應(yīng)度f(wàn)rn、frs： frs=rs/db=0.55frn=rn/db=0.55 軸向額定靜載荷Ca： Ca=fc?i?cosα0.7?z2/3?db1.8?tanα fc—額定動(dòng)載荷特性值； fu—工作行程系數(shù)； z—一圈螺紋滾道內(nèi)鋼球數(shù)量； lu—有效工作行程，單位為mm； 其中： fc=9.32?f1?f211-12frs0.41fu-19+CsCn10/3-0.3 CSCN=f3?2-1/frn2-1/frs0.41,f3=1-γ1+γ1.72 f1=101-sinα3,f2=γ0.31+γ1.391+γ1/3 fu=luPn?i-1,γ=db/d0cosα，z=πd0db 將已知數(shù)據(jù)帶入以上公式計(jì)算得fc=136.70 將fc帶入總公式計(jì)算Ca=980 轉(zhuǎn)速壽命計(jì)算：FAKFεL0=CAε=常量 對(duì)于滾珠絲桿副來(lái)說(shuō)，ε=3，則： L0=CaFaKfε=CaFaKf3 L0—壽命，單位為106r（百萬(wàn)轉(zhuǎn)）； KF—載荷系數(shù)KF=1.0 Fa—軸向工作載荷Fa=（15kg+14kg）g=290N。 將上述計(jì)算結(jié)果帶入以上公式得L0=1374276×106 時(shí)間壽命計(jì)算Lh： Lh=L060n N—滾珠絲桿的轉(zhuǎn)速（15r/min）： 將已知數(shù)據(jù)帶入以上公式可得：Lh=1527×106h 按照滾動(dòng)螺旋副的壽命要求，普通機(jī)械預(yù)期壽命Lh，=5000～10000h,壽命條件為L(zhǎng)h≥Lh，，該滾珠絲桿符合設(shè)計(jì)要求。 3.3.3 絲杠軸向徑剛度 由于絲杠處于兩端固定的狀態(tài),螺母在支撐中間Lz2時(shí)，K1為最小值，所以計(jì)算方法為: K1min=πEd12Lz E—材料的縱向彈性模量，剛的彈性模量E=2.1×105N/mm2; d1—絲桿螺紋內(nèi)徑，單位為mm； d1=d0+2e-2R 計(jì)算得：d1=18.8mm。 Lz—支撐的距離，單位為mm； 本設(shè)計(jì)為400m。 將所得數(shù)據(jù)帶入公式得K1min=582.94×103N/mm。 3.4 本章小結(jié) 本章對(duì)3D打印機(jī)的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，首先對(duì)噴頭平臺(tái)和打印平臺(tái)進(jìn)行了介紹，此外，對(duì)打印機(jī)中關(guān)鍵零部件如送絲機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器以及滾珠絲杠進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算與說(shuō)明，最后對(duì)打印機(jī)中的絲杠、導(dǎo)軌以及絲杠螺母和電機(jī)進(jìn)行了選型，完善了3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)，為下一步的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。 4 配件的加工及裝配 4.1 配件的加工 4.1.1送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 目前的3D打印機(jī)的送絲機(jī)構(gòu)有兩種：近端送絲和遠(yuǎn)端送絲。 圖4.1遠(yuǎn)端送絲 圖4.2近端送絲 近端送絲機(jī)構(gòu)安裝于噴頭處，它的送絲控制比遠(yuǎn)程擠出更為精確；這種送絲機(jī)構(gòu)對(duì)送絲系統(tǒng)的力矩要求也很低；但是噴頭處的過(guò)多的零部件過(guò)多會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不易于拆卸，而且大大增大了噴頭處的重量；由于噴頭處零部件的增多重量的增大使得打印機(jī)噴頭的慣性增大，不利于打印機(jī)噴頭在打印過(guò)程中的精確移動(dòng)。 遠(yuǎn)端送絲機(jī)構(gòu)安裝于打印機(jī)后方，因此噴頭處的重量會(huì)大大降低，隨著重量的降低噴頭的慣性也變低，從而使得打印噴頭的打印速度大大增加；定位也隨之變的更加精確；遠(yuǎn)端送絲機(jī)構(gòu)由于在打印機(jī)后方的機(jī)架上獨(dú)立安裝，因此拆卸方便，而且便于維修。然而由于送絲距離變遠(yuǎn)，因此需要使用更大力矩的電機(jī)來(lái)完成送料的工作；并且由于絲盤與噴頭距離較遠(yuǎn)送絲系統(tǒng)中的部分絲材無(wú)法得到有效的利用而造成少量浪費(fèi)。 考慮到打印機(jī)的精度、是否方便維修以及能否使絲材順暢穩(wěn)定的輸出等問(wèn)題，最終選擇遠(yuǎn)端送絲機(jī)構(gòu)。 4.1.2散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 熱量的傳遞在自然界中十分普遍。熱量會(huì)隨著溫差從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分直到溫差變?yōu)?。在不考慮外界因素的影響的條件下，物體內(nèi)部的熱流量與溫差的關(guān)系可表示為： Q=qf=?t/RW 熱電阻在對(duì)噴嘴處的打印絲材加熱的過(guò)程中，噴嘴處的熱量極高，而遠(yuǎn)離熱電阻的部分溫度卻很低，熱量的流動(dòng)會(huì)使遠(yuǎn)離噴嘴處的噴頭的溫度升高提前融化打印絲材，最終導(dǎo)致絲材在噴頭內(nèi)堆積從而導(dǎo)致噴頭堵塞。因此我們需要通過(guò)人為干涉來(lái)使原理熱電阻的噴頭部分進(jìn)行散熱處理。可以通過(guò)外加小風(fēng)扇來(lái)加速噴頭處熱量的散失，也可以通過(guò)增大噴頭的散熱面積來(lái)增大散熱量。為了設(shè)備的美觀因此選擇使用外加環(huán)形散熱片來(lái)擴(kuò)大散熱面積。 4.2 機(jī)器的裝配及線路的連接 3D打印機(jī)的裝配步驟大致為： （1） Y軸平臺(tái)組件的安裝； 1) 搭建底座框架； 2) 使用軸固定座固定導(dǎo)向軸，并裝入滑塊； 3) 安裝底座平臺(tái)連接板，使用螺絲將平臺(tái)與滑塊連接； 4) 安裝Y軸電機(jī)固定座； 5) 安裝Y軸同步帶從動(dòng)輪組件； 6) 安裝Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和同步輪； 7) 安裝同步帶與平臺(tái)連接組件； 8) 安裝Y軸平臺(tái)限位開(kāi)關(guān)固定座和原點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)； 9) 安裝打印平臺(tái)，裝入平臺(tái)連接板； （2） Z軸升降組件的安裝； 1) 固定兩側(cè)支撐型材； 2) 固定橫向型材； 3) 連接正上方的連接板； 4) 連接底部軸固定座連接板的連接； 5) 安裝Z軸固定座； 6) 安裝固定座連接板； 7) 使用連接板和固定板組成電機(jī)固定座固定電機(jī)； 8) 使用連接板連接Z軸滑塊； 9) 使用軸固定座連接滑塊和絲桿螺母； （3） X軸擠出組件的安裝； 1) 安裝X軸固定座； 2) 安裝X軸導(dǎo)向軸和滑塊； 3) 安裝X軸電機(jī)固定座固定電機(jī)； 4) 安裝同步帶輪； 5) 安裝X軸同步帶； 6) 安裝Z軸原點(diǎn)開(kāi)關(guān)固定座和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)； 7) 安裝打印噴頭； 8) 最后安裝加熱部分； （4） 控制組裝與線路的連接； 1) 先安裝主控盒； 2) 用纏繞管整理噴頭部分的接線； 3) 焊接Y軸步進(jìn)電機(jī)線； 4) 焊接Z軸步進(jìn)電機(jī)線； 5) 整理步進(jìn)電機(jī)的走線； 6) 焊接Y軸原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，并整理走線，插入主板； 7) 焊接安裝X軸原點(diǎn)開(kāi)關(guān)； 8) 焊接安裝Z軸原點(diǎn)開(kāi)關(guān)； 9) 安裝顯示屏主控線； 10) 固定顯示屏控制盒，整理安裝顯示屏走線； 4.3 本章小結(jié) 本章對(duì)3D打印機(jī)配件的加工與裝配進(jìn)行了介紹與說(shuō)明，對(duì)機(jī)器的送絲機(jī)構(gòu)、散熱機(jī)構(gòu)和裝配及線路的連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，為后續(xù)打印機(jī)的調(diào)試提供了基礎(chǔ)。 5 機(jī)器調(diào)試 5.1調(diào)試步驟 （1） 燒錄固件； （2） 打開(kāi)marlin固件，找到配置文件； （3） 找到X,Y,Z軸方向定義，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改； （4） 修改3D打印機(jī)X，Y，Z軸的最大尺寸； （5） 在修改X，Y，Z軸的脈沖數(shù)以及各軸的最大速度加速度，根據(jù)自己實(shí)際主板機(jī)構(gòu)設(shè)置； （6） 編譯上傳； （7） 打開(kāi)Simplify3D，設(shè)置自己的打印機(jī)的基本參數(shù)； （8） 打開(kāi)軟件的控制面板，確保連接后點(diǎn)X，Y，Z回到原點(diǎn)； （9） 通過(guò)移動(dòng)X軸和Y軸到四個(gè)角，用A4紙進(jìn)行調(diào)平； （10） 最后進(jìn)行打印測(cè)試； 5.2打印工藝流程及步驟 本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)出的3D打印機(jī)需具備增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物模型的功能。眾所周知，傳統(tǒng)意義上的機(jī)械加工對(duì)材料的成本，設(shè)備的費(fèi)用都是很高的，并且對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)加工制造。所以此次設(shè)計(jì)選用3D打印成型技術(shù)是較為合理的。為了節(jié)約成本和便于操作，此次對(duì)打印機(jī)為FDM（熔融沉積成型）打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其用于桌面辦公等場(chǎng)所。一般來(lái)說(shuō)選用打印材料為ABS。ABS這類材料是使用很普遍的塑料，成本低，可以循環(huán)利用，所以廣泛應(yīng)用于FDM三維打印機(jī)的使用上。 步驟1：使用三維軟件進(jìn)行建模； 本次使用SW建模，通用格式是stp/ste0p；過(guò)程中需要注意的是第一模型必須是封閉的，不是封閉的模型無(wú)法進(jìn)行打?。?第二觀察最大尺寸和壁厚；第三是正確的法線； 步驟2：三維模型格式的轉(zhuǎn)換； 3D打印機(jī)能識(shí)別的格式是STL，所以我們通常將格式轉(zhuǎn)換為STL； 步驟3：三維模型的切片處理； 常使用的切片軟件為Cura。是由一系列三角面片模擬物體表面； 步驟4：成型加工； 將切片處理完成后的文件轉(zhuǎn)換為gsd格式，存入讀卡器，接著將讀卡器插入FDM打印機(jī)，選擇打印模式及時(shí)間，進(jìn)行打??； 步驟5：零件的后處理； 取出實(shí)物后有支撐的去除支撐材料，接著進(jìn)行打磨處理（拋光、噴漆、電鍍）； 步驟6：打印完成。 5.3 本章小結(jié) 本章對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行了調(diào)試，對(duì)3D打印機(jī)的調(diào)試步驟進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明并給出了工藝流程和步驟，對(duì)之后3D打印機(jī)的生產(chǎn)制造提供了一定的實(shí)際參考，為后續(xù)3D打印機(jī)的進(jìn)一步研究提供了研究基礎(chǔ)。 6 結(jié)論 本文中詳細(xì)的介紹了對(duì)熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)思路。敘述了FDM3D打印在世界上的發(fā)展前景以及國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們對(duì)FDM3D打印機(jī)的研究以及成就。從3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)入手依次設(shè)計(jì)了打印機(jī)的噴頭，打印平面，驅(qū)動(dòng)器、送絲機(jī)構(gòu)等。本次設(shè)計(jì)工作主要分為三部分：（1）熔融沉積FDM3D打印機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)（2）FDM3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)的分析及選擇。（3）FDM3D打印機(jī)總體的設(shè)計(jì)以及修改。 熔融沉積成型FDM3D打印機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)涉及到：（1）對(duì)打印噴頭，打印平面的設(shè)計(jì)；（2）傳動(dòng)裝置的選型和設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)器的選擇，絲杠的選擇設(shè)計(jì)，傳動(dòng)方式的選型設(shè)計(jì)（3）其他關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)分析。 研究了老式FDM3D打印機(jī)會(huì)面對(duì)的如噴頭堵塞、打印件拆卸問(wèn)題等諸多問(wèn)題，并提出改進(jìn)方案。對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行了選型計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算等等。 由于此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)處于疫情的特殊時(shí)刻，大部分的資料和參考都在網(wǎng)上進(jìn) 行，有很多的資料不能完整查閱，設(shè)計(jì)中也存在很多漏洞。盡管作者對(duì)3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定研究，但由于作者時(shí)間與經(jīng)驗(yàn)不足，3D打印機(jī)仍需對(duì)進(jìn)行深入研究。 此次的設(shè)計(jì)讓我鞏固了已有的知識(shí)，對(duì)FDM3D打印機(jī)的構(gòu)造以及驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)方式、絲杠等零部件有了很深刻的認(rèn)識(shí)。  參考文獻(xiàn) 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