簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計I摘 要三維打印機不僅使立體物品的造價降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打印機的應用將會更加廣泛。3D 打印技術最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具 ,就能直接從計算機圖形數(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。這項技術目前正迅猛發(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 打印設備，設計出一款新型的 FDM 3D 打印設備的擠出機構(gòu)，適用于家庭和辦公場地，當然，也可以在加工車間工作。本設計首先通過分析提出了 3D 打印機擠出機構(gòu)的設計方案，然后從傳動機構(gòu)和擠出機構(gòu)兩大方面進行了詳細設計與校核，最后通過 CAD 軟件繪制了該擠出機構(gòu)的裝配圖與主要零件圖。關鍵詞：3D 打印機 擠出機構(gòu) 齒輪 雙螺桿簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計IIAbstract3D printer not only reduces the cost of three-dimensional objects, and inspire people's 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 簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計III目 錄摘 要 IABSTRACT.II第 1 章 緒論 11.1 課題研究的意義 11.2 國內(nèi)外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 .11.2.1 國外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 .11.2.2 國內(nèi) 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 .21.3 3D 打印設備的發(fā)展趨勢 .21.3.1 3D 打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景 21.3.2 3D 打印技術未來發(fā)展的主要趨勢 31.4 3D 打印設備的結(jié)構(gòu)特點 .3第 2 章 總體方案及結(jié)構(gòu)設計 52.1 總體設計要求 52.2 總體方案的設計 52.2.1 傳動機構(gòu)方案設計 .52.2.2 擠出機構(gòu)方案設計 .6第 3 章 傳動機構(gòu)設計 73.1 電機的選擇 73.1.1 電動機的性能和分類 .73.1.2 本傳動機構(gòu)電動機的類型選擇 .73.2 傳動比的分配 93.3 各軸運動及動力參數(shù)計算 93.4 齒輪組設計 113.4.1 齒輪精度及材料的選擇 113.4.2 按齒面接觸強度設計 113.4.3 按齒根彎曲強度設計 143.4.4 幾何尺寸計算 16簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計IV3.5 軸設計 173.5.1 作用在齒輪上的力 173.5.2 最小軸徑的確定 .17第 4 章 擠出機構(gòu)的設計 204.1 擠出機構(gòu)的設計要求 204.2 擠出機構(gòu)的組成 214.3 雙螺桿擠出機構(gòu)設計 224.4 擠出機構(gòu)流道口設計 234.5 加熱腔的設計 254.6 加熱腔入口溢料問題的分析 264.6.1 流涎問題的分析 264.6.2 解決方案 27總 結(jié) 29參考文獻 30致 謝 31簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計1第 1 章 緒論1.1 課題研究的意義三維打?。?D Printing） ，即快速成形技術的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎，運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。過去其常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價值應用（比如髖關節(jié)或牙齒，或一些飛機零部件）已經(jīng)有使用這種技術打印而成的零部件。 “三維打印” 意味著這項技術的普及。三維打印機不僅使立體物品的造價降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打印機的應用將會更加廣泛。3D 打印技術最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具 ,就能直接從計算機圖形數(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。這項技術目前正迅猛發(fā)展,已越來越引起人們的廣泛重視。隨著技術的進步，現(xiàn)在 3D 打印機在電影動漫、氣象、教育、外科醫(yī)療等領域都能發(fā)揮獨特的作用。在教育領域，3D 打印機能夠?qū)⒊橄蟾拍顜氍F(xiàn)實世界，將學生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸嵙Ⅲw彩色模型，令教學更為生動；在建筑領域，3D 打印機能夠為曲面異形建筑的重要精密構(gòu)件快速制作精確模型，實現(xiàn)傳統(tǒng)建筑模型制作無法達到的工藝水平；在工業(yè)生產(chǎn)領域，3D 打印機可以為金屬鑄件直接打印模型、模型插件和圖案；在地理空間領域，3D 打印機可以輕松將 GIS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地形及城市景觀模型或沙盤；而在娛樂藝術領域，3D 打印機還可根據(jù)電子游戲、三維動畫以及其他創(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 國內(nèi)外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀1.2.1 國外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀3D 打印技術的核心制造思想最早起源于 19 世紀末的 美國， 1995 年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印 ”一詞，當時的畢業(yè)生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 修改了噴墨打印機方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水擠壓在紙張上的方案[5] 。簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計2圖 3 最早的 3D 打印機[6] 圖 4 現(xiàn)代 3D 打印機[6]當前世界上最流行的 RP 技術有立體光刻（Stereolithography，SLA） 、疊層實體制造（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 1650[12] 圖 1.6 Genisys Xs[13]1.2.2 國內(nèi) 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀我國在 3D 打印設備的研究上起步比較晚。我國最早在快速成形技術方面開展工作的有清華大學、西安交通大學、華中理工大學和北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司。這些單位早期在開發(fā)系統(tǒng)設備方面各有側(cè)重。其中，清華大學以 FDM 和 LOM為主，西安交通大學則是 SLA，北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司為 SLS，而華中科技大學主要為 LOM 與 SLS。國內(nèi)的家電行業(yè)是對快速成形技術反應最為敏捷的行業(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)濟效果[14-16]。簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計3圖 7 北京殷華 圖 8 江蘇敦超1.3 3D 打印設備的發(fā)展趨勢1.3.1 3D 打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景根據(jù)國際快速制造行業(yè)權威報告《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 1988～2010 年間保持著 26.2%的年均增長速度。報告預期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長，到 2016 年，包含設備制造和服務在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到 31 億美元，2020 年將達到 52 億美元[17]。但 3D 打印技術要進一步擴展其產(chǎn)業(yè)應用空間，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 打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。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，打印效率還遠不適應大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D 打印技術的普及將使產(chǎn)品更容易被復制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權保護機制難以適應產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。圖 9 納米級別微型 3D 打印機[6] 圖 10 太空 3d 打印機[6]1.3.2 3D 打印技術未來發(fā)展的主要趨勢隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D 打印技術也將被推向更高的層面。未來， 3D 打印技術的發(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。拓展 3D 打印技術在生物醫(yī)學、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領域的創(chuàng)造性應用。簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計41.4 3D 打印設備的結(jié)構(gòu)特點目前世界上主流的 3D 打印設備為三維粉末粘接（ 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。它們的共同特點為[18-23]：(1) 能作為一種輸出設備直接與使用 CAD 的計算機相連，并且由設計者親自操作，使用方便，不需依靠專門的快速成形服務機構(gòu)或?qū)嶒炇揖湍芗皶r制作模型及用于產(chǎn)品設計的快速校驗；(2 ) 整個生產(chǎn)過程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關聯(lián)，零件可大可小，所見即所得，可隨時修改，隨時制造；(3 ) 設備體積小、運行和維護成本低“ 成形過程中無毒無污染，可在普通的辦公室內(nèi)使用，所以對環(huán)境無特殊要求”由于沒有昂貴復雜的激光系統(tǒng)，所以整體造價大大降低。操作簡單，因此該機易于普及；(4 ) 材料費用低，如石膏、淀粉等產(chǎn)品的單價幾乎與批量無關，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雜性以及幾何形狀無關，在加工復雜曲面時更顯優(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)品的強度較低 “由于采用液滴直接粘接成形，產(chǎn)品的強度低于其它快速成形方式，一般需要進行后處理”；(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” 。簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計5第 2 章 總體方案及結(jié)構(gòu)設計在此結(jié)構(gòu)設計之前，已經(jīng)有前人對此類機構(gòu)做了部分設計研究，所以本文的設計研究只要是在已有的研究基礎之上，注重考慮 3D 打印擠出機構(gòu)的設計，對 3D 打印擠出機構(gòu)部分結(jié)構(gòu)進行重新設計改良。2.1 總體設計要求本文研究的 3D 打印設備屬于家庭桌面電器領域，涉及多軸聯(lián)動，且 3D 打印設備的主要運動關節(jié)采用直線元件驅(qū)動，形成相互聯(lián)動運動機構(gòu)的運動形式，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。按照建造一臺小型規(guī)格 3D 打印設備樣機的規(guī)格要求以及運動范圍參數(shù)，如表 2.1所示下：表 2.1 3D 打印設備設計規(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 絲材擠出機送絲速度 1.5m/min本文要求針對以上性能的打印機，設計其擠出機構(gòu)。通過對前人做的部分設計的研究，提出如下設計方案。簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計62.2 總體方案的設計2.2.1 傳動機構(gòu)方案設計考慮到結(jié)構(gòu)緊湊性和傳動的平穩(wěn)性，本次采用齒輪傳動，通過對結(jié)構(gòu)的分析有以下結(jié)論：（1） 為避免傳動齒輪影響原料絲材的送絲，齒輪尺寸不能取太大；（2） 為了保證電機不與入嘴干涉，有必須有較大中心距?；谝陨蟽梢蛩?，此次采用小齒輪輸出，并增加中間過渡齒輪采用三軸傳動的形式，傳動機構(gòu)方案如下：輸 出 齒 輪輸 出 軸過 渡 齒 輪電 機輸 入 齒 輪圖 2-1 傳動機構(gòu)簡圖2.2.2 擠出機構(gòu)方案設計本次 3D 打印機屬于家庭桌面電器領域，參數(shù)要求如下：原材料 3mm ABB 絲材擠出機送絲速度 1.5m/min從以上參數(shù)可以看出，該 3D 打印機原料使用量比較小，送絲速度比較低。如果采用普通滾輪式送絲機構(gòu)則需要采用較大減速比的減速機構(gòu)才能滿足要，這樣會導致擠出機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸及重量均會比較大。因此本次采用雙螺桿送絲機構(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構(gòu)本身類似于渦輪蝸桿傳動，即使不使用任何減速器機構(gòu)其本身也可以有很大的傳動比。即擠出機構(gòu)方案如下：簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計7主 動 螺 桿 從 動 螺 桿絲 材圖 2-2 雙螺桿擠出機構(gòu)第 3 章 傳動機構(gòu)設計3.1 電機的選擇3.1.1 電動機的性能和分類電動機可分為交流電動機和直流電動機兩大類?，F(xiàn)就這兩種類型電機論述如下：(1) 交流電動機交流電動機簡單、耐用、可靠、易維護、價格低、特性硬，但起動和調(diào)速性能差，輕載時功率因素低，一般在無調(diào)速要求的機械廣泛應用。在可變級頻率電源供電下可平滑調(diào)速。(2) 直流電動機直流電動機的調(diào)速性能好，范圍寬，采用電子控制，能充分適應各種機械負載特性的需求，但它的價格貴、維護復雜且需要直流電源，因此只有在交流電動機不能滿足要求時才采用。其中串勵電動機的特點是起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力大、特性軟、適用于電力牽引機械等。復勵電動機的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力比并勵電動機大，但調(diào)速范圍稍窄。電機分別有：步進電機、伺服電機，究竟選擇哪個電機比較合適，我們做了一些對比如下表 3.1：表 3.1 動力元件的比較電機 因素 步進電機 伺服電機成本 低 高簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計8平穩(wěn)性 低頻存在振動 低頻平穩(wěn)控制 簡單 復雜結(jié)構(gòu) 簡單 復雜分辨率 較高 高尺寸 小 較小出于成本、應用場合和尺寸的考慮，我選擇直流伺服電機作為 3D 打印機擠出機構(gòu)的動力元件。3.1.2 本傳動機構(gòu)電動機的類型選擇由于本設計中電動機是用來給擠出機構(gòu)做動力，且載荷平穩(wěn)，常溫下連續(xù)運轉(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機。（1）選擇電動機的功率(容量)電動機功率選擇是否合適，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。功率過小不能保證工作機的正常工作，若功率選得過大，電動機的價格高，效率和功率因數(shù)都較低，造成浪費。負荷穩(wěn)定(或變化很小) 、長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的機械(例如運輸機)，可按照電動機的額定功率選擇，而不必校驗電動機的發(fā)熱和起動轉(zhuǎn)矩。選擇時應保證rP?0式中 — 電動機額定功率，kW；0P— 工作機所需電動機功率，kW；r所需電動機功率有下式計算=rP?W式中 — 工作機所需有效功率，有工作機的工藝阻力及運行參數(shù)確定；W— 電動機到工作機的總效率。?傳動裝置的總效率 ，有傳動裝置的組成確定。多級串聯(lián)的傳動裝置的總效率為： W??321.本次送絲電機負載很小，只需要克服送絲阻力及構(gòu)件之間的摩擦力。因此本次選用電機額定功率為 50W。（2）確定電動機的轉(zhuǎn)速選擇電動機，除了選擇合適的電動機系列及容量外，尚需確定適當?shù)霓D(zhuǎn)速。因為容量相同的同類電機，可以有不同的轉(zhuǎn)速。電動機轉(zhuǎn)速相對工作機轉(zhuǎn)速過高時，簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計9勢必使傳動比增大，致使傳動裝置復雜，外廓尺寸增大，制造成本高。而選用電動機轉(zhuǎn)速過低時，優(yōu)缺點剛好相反。因此，在確定電動機轉(zhuǎn)速時，應分析比較，權衡利弊，安最佳方案選擇。擠出機送絲速度： ，送絲速度不高。min/5.1v?為減小傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，本次選用電機轉(zhuǎn)速為 1500r/min傳動裝置總效率 = . . . .?聯(lián) 齒 輪4軸 承 滾 筒?帶按《機械設計課程設計手冊》表 4.2-9 取：聯(lián)軸器效率 =0.99聯(lián)齒輪傳動效率 =0.97齒 輪?滾動軸承效率 =0.98軸 承滾筒效率 =0.96滾 筒帶傳動效率 =0.95帶?則傳動總效率 =0.99×0.97×0.98 ×0.96×0.95=0.814螺桿轉(zhuǎn)速 = （p 為螺桿螺距，此處取 p=1mm）wnmin/150.rpv?查《機械設計課程設計手冊》表 4.12-1，選擇 90ZYT01 型號直流電動機，其額定功率 =50W，轉(zhuǎn)速 1500 r/min。0P3.2 傳動比的分配傳動裝置的總傳動比可根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速 和工作機軸的轉(zhuǎn)速 ，由 =0nWni算出。然后將總傳動比合理地分配給各級傳動?？倐鲃颖鹊扔诟骷墏鲃颖鹊倪B乘wn0積，即 ??21i當設計多級傳動比的傳動裝置時，分配傳動比是一個重要的步驟。往往與有傳動比分配不當，造成尺寸不緊湊、結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)、成本高、維護不便等許多問題。傳動比可按下式分配??214.3ii～?簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計10即 ??減～ ii4.131?式中 分別為高速級和低速級的傳動比； 為減速器的傳動比。21,i 減i本設計中，傳動裝置的總傳動比= = =1iwn015根據(jù)《機械設計課程設計手冊》表 4.2-9 取 =2.5，則齒輪傳動機構(gòu)比為：帶i=1齒3.3 各軸運動及動力參數(shù)計算在選出電動機型號、分配傳動比之后，應將傳動裝置中各軸的傳遞功率、轉(zhuǎn)速、專據(jù)計算出來，為傳動零件和周的設計計算提供依據(jù)。(1)各軸的轉(zhuǎn)速可根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速及傳動比進行計算。(2)各軸的功率和轉(zhuǎn)矩均按輸入計算，有兩種計算方法，其一是按工作機的需要功率計算；其二是按照電動機的額定功率計算。前一種方法的優(yōu)點是，設計出的傳動裝置結(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機額定功率 略0P大于所需電動機功率 ，故根據(jù) 計算出個州功率和轉(zhuǎn)矩較實際需要的大一些，設rP0計出的傳動零件的結(jié)構(gòu)尺寸較實際需要的大一些，因此傳動裝置的承載能力對生產(chǎn)具有一定的潛力。將傳動裝置中各軸從高速到低速依次定為Ⅰ軸、Ⅱ軸……(電動機的 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 ……，則本設計中傳動系統(tǒng)各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計算為：,21T0 軸：0 軸即電動機軸= =50WPr=1500 r/min 0n=9.55 =9.55 =0.318 Nm0T0150.3?Ⅰ軸：Ⅰ軸即中間齒輪軸簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計11= =0.05 =0.049KW1P0齒??98.0= =1500 r/minn= =9.55 =0.312 Nm1T15.95014.3?Ⅱ軸：Ⅱ軸即主動螺桿軸= . . =0.049 0.98 0.98=0.047 kW2P1?齒 輪?軸 承= =1500 r/minn=9.55 =9.55 =0.3Nm2T2?15047.3?整理各軸運動及動力參數(shù)如下：軸名 功率 wP/轉(zhuǎn)矩 mNT?/轉(zhuǎn)速 in)/(?r電機軸 50 0.318 1500Ⅰ 49 0.312 1500Ⅱ 47 0.3 15003.4 齒輪組設計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，精度選擇 7 級，因為噴頭結(jié)構(gòu)設計使他盡可能簡單，而且不宜過重，所以選的材料用 45 號鋼（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，故三個齒輪齒數(shù)均取相同，該處取 5321?z3.4.2 按齒面接觸強度設計（1）試選載荷系數(shù) kt=1.6（2）由下圖 4.4.11[28]：簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計12圖 4.4.11得區(qū)域系數(shù) ZH=2.5（3）由標準圓柱齒輪傳動的端面重合度圖如下圖 4.4.12[28]：圖 4.4.12 標準圓柱齒輪傳動的端面重合度得標準圓柱齒輪傳動的端面重合度：=0.765 =0.82簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計13∴ =1.585（3）由下表 4.4.1[28]：表 4.4.1 齒寬系數(shù)選取齒寬系數(shù)為： d=1（4）由下表 4.2[28]：表 4.4.2 彈性模量得 ZE=189.8M（5）由下圖[28]c 和 d 可知：得 Hlim1=550MPa（小齒輪） Hlim2=400MPa（大齒輪）∴應力循環(huán)次數(shù)：簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計14N1=60n1jLn=60其中 n1 為小齒輪的轉(zhuǎn)速，小齒輪與步進電機直接相接，由步進電機的參數(shù)可知n1=3000r/mim（6）按接觸疲勞選壽命系數(shù)：由下圖 4.4.13[28]：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[ H]1=初步選取兩齒輪模數(shù) 、齒數(shù) 15321?zz則分度圓直徑分別為： md321?3.4.3 按齒根彎曲強度設計（1）計算載荷系數(shù) k1=（2）查取齒形系數(shù) 和應力校正系數(shù) 為如下表 4.4.3：表 4.4.3 齒形系數(shù) 和應力校正系數(shù)簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計15Z 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 272.97 2.91 2.85 2.80 2.76 2.72 2.69 2.65 2.62 2.6 2.571.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.575 1.58 1.59 1.595 1.60Z 28 29 30 35 40 45 50 60 70 80 902.55 2.53 2.52 2.45 2.40 2.35 2.32 2.28 2.24 2.22 2.201.61 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 4.4.14[28]：圖 4.4.14 調(diào)制處理鋼查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強度極限（4）由于在前一頁中已經(jīng)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 、（5）計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù) s=1.4∴[ ]1=∴[ ]2=263.57MPa；簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計16（6）計算大、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)值進行計算。（7）設計計算m故齒輪的模數(shù) m=1，這樣設計的齒輪既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并且做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。則齒輪齒數(shù) 。15321?zz3.4.4 幾何尺寸計算幾何尺寸計算如下表 5：表 5 直齒輪參數(shù)擠出機構(gòu)直齒輪相關參數(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 ɑ 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簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計17標準中心距 a=m*(z1+z2)/2 15傳動比 i=z2/z1 1有了該對齒輪組的尺寸數(shù)據(jù)，就可以設計噴頭擠出機構(gòu)各個零部件的相關參數(shù)，進而可以完成擠出機構(gòu)的設計。3.5 軸設計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 4.5.1[28]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)設計擬定擠出機構(gòu)軸上的零件的裝配方案選用下圖 4.5.1 所示：簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計18153.53.59.250.7532.75φ8-0.013-0.022φ8+0.024+0.015φ8+0.024+0.015φ9 φ9 M63.23.2圖 4.5.1 傳動軸（1）Ⅰ-Ⅱ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 級公差，0 級游隙。所以該處的軸直徑為 10mm，軸承的厚度 T=5mm，所以 LⅠ-Ⅱ=4.6mm（2）Ⅱ-Ⅲ軸段與Ⅰ- Ⅱ之間要有一個定位軸肩，在Ⅱ處定位軸肩，則 h=2mm，所以Ⅱ- Ⅲ軸段的直徑取 dⅡ-Ⅲ=12mm ，因為齒輪端面與擠出機構(gòu)內(nèi)壁的距離為0.2mm，所以此處長度為 LⅡ-Ⅲ=0.2mm 。（3）Ⅲ-Ⅳ軸段齒輪，該齒輪在軸上，相關參數(shù)如表 5 所示，所以直徑為齒輪齒頂圓，則 dⅢ- Ⅳ=19.52mm，分度圓直徑為 19.2mm。故長度為齒寬 LⅢ-Ⅳ=1.4mm+1mm+1.4mm=3.8mm。（4）與軸承配合Ⅵ-Ⅶ的直徑為標準值 Φ8，SKF 深溝球軸承型號為 61800，長度為軸承套、大齒輪、墊片和螺母的厚度之和，所以最小尺寸為 LⅤ-Ⅵ= =(6+6+3+9.3)mm=24.3mm，取整，則得 LⅤ-Ⅵ=25mm。（5）軸Ⅴ-Ⅵ段安裝軸承，Ⅴ處為定位軸肩，尺寸與之前的軸肩一樣，因此直徑為：dⅤ-Ⅵ =10mm，長度比軸承厚度要短，則長度為 LⅤ-Ⅵ=4.8mm（6）在軸Ⅳ-Ⅴ段，為軸承的定位軸肩，尺寸與之前的軸肩一樣，h=2mm，所以Ⅳ- Ⅴ 軸段的直徑取 dⅣ-Ⅴ=12mm ，因為齒輪端面與擠出機構(gòu)內(nèi)壁的距離為0.2mm，所以此處長度為 LⅣ-Ⅴ=0.2mm 。到此，我們就可以得到擠出機構(gòu)的相關零件的所以參數(shù)了。則擠出機構(gòu)的建模爆炸圖如下圖所示：簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計19簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計20第 4 章 擠出機構(gòu)的設計4.1 擠出機構(gòu)的設計要求很多技術都有自己的關鍵技術，熔絲沉積成形也不例外，擠出技術是熔絲沉積成形工藝的關鍵使能技術。擠出機構(gòu)是實現(xiàn)熔絲沉積成形的關鍵部件，在機械運動控制的精密控制下，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)形成三維實體。擠出機構(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絲狀，按預設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[24-27]：l)將原料絲材從絲筒上拉出，提供成形原料，即原料絲材的供應功能。2)將原料絲材送入加熱腔，稱為原料絲材送進功能，簡稱送絲功能。3)將送進的固態(tài)原料絲材及時而充分地熔化成為熔融態(tài)，簡稱熔絲功能。4)提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動的通道，簡稱流道功能。5)將熔融材料擠出噴嘴，簡稱擠出功能。6)對擠出熔融態(tài)物料進行定徑，變?yōu)闈M足要求的更細小直徑的絲材以進行堆積，簡稱定徑功能。7)出絲速度應該可控，并能根據(jù)掃描速度進行調(diào)整，以相互匹配，簡稱速度匹配功能。8)出絲應能根據(jù)路徑掃描要求及時起停，以保證高質(zhì)量的成形路徑，尤其在路徑起停處，簡稱出絲起?？刂乒δ?。 。工藝原理中一個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)動力，送絲功能 2)和擠出功能 5)是等效的。 。在以上各項功能中，前六項是基本功能要求，是實現(xiàn)工藝原理的必要條件，后兩項則是實現(xiàn)高質(zhì)量成形的必要條件，是提高造型精度的關鍵。在進行擠出頭系統(tǒng)設計時，還應遵守工藝優(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)實現(xiàn))。2)加熱腔加熱功率應盡量小，該部分應采取隔熱措施。一方面減少熱量損失，減少能源消耗，另一方面減少高溫對其它部件的影響。3)送絲機構(gòu)應能提供足夠大的推動力，以克服高聚物材料擠出時產(chǎn)生的阻力。簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計214)加熱腔和噴嘴結(jié)構(gòu)對流動的阻力盡量小。在滿足要求的前提下加熱腔流道應盡量短，既減少流動阻力，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)符合人機工程原理，方便人工操作和維護。4.2 擠出機構(gòu)的組成擠出機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：擠出裝置分別由擠出機構(gòu)，導熱機構(gòu)，噴嘴組成。由左圖的原理圖可知，F(xiàn)DM 的工作原理，就是通過擠出機構(gòu)把 FDM 的物料棒送到導熱機構(gòu)，使物料在導熱機構(gòu)中融化。然后通過噴嘴打印到工作臺上，在X、Y 軸的聯(lián)合運動作用下實現(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 原理圖簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計22擠出機構(gòu)是噴頭的重要組成部分，沒有了擠出機構(gòu)，F(xiàn)DM 物料棒就無法連續(xù)供給到導熱裝置，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。在設計擠出機構(gòu)過程中，我們先定下設計方案，然后初定設計參數(shù)，最后進行數(shù)據(jù)的校核，看看是否滿足要求。擠出機構(gòu)中，主要是要實現(xiàn)兩個滾輪帶動棒料緩緩下落的功能，所有應該有一個步進電動機，因為步進電動機在高速的時候控制力可以，但是在速度低的時候控制力不足，所以應該連接一對傳動比比較大的直齒輪。下圖中是由步進電動機作為動力，通過小齒輪帶動大的直齒輪，然后帶動滾輪，從而實現(xiàn)棒料的下落。除了齒輪組和電動機，擠出機構(gòu)還有導入嘴， 嘴應該設計開頭較大，防止物料溢出，或者因為太小二卡死。因此整個擠出裝置的主要部件為：導入嘴、步進電機、兩個滾輪、一對齒輪組、頂板、以及支撐端板。如圖 4.4 所示圖 4.4 擠出機構(gòu)4.3 雙螺桿擠出機構(gòu)設計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，詳細結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計23110.20.2153.53.59.250.7532.75φ8-0.013-0.022φ8+0.024+0.015φ8+0.024+0.015φ9 φ9 M63.23.2圖 4.5 主動螺桿4.4 擠出機構(gòu)流道口設計根據(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管道包含如下兩個基本組成部分：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)對應，熔體流道中的流動過程分為三段，即直徑為 段的等截面圓管流動，由 到 的過渡段錐形管道流動和直徑為 的等截面圓管流動。熔體流動包括連續(xù)變化的三個過程，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：簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計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)，對于牛頓流體 1，對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)計算流道兩端的壓力差實際上為熔體在流道中流動時的沿程壓力損失，相應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對流體產(chǎn)生附加阻力來說非常小，在此將其忽略不計，即可認為，與上式計算的壓力差相應的阻力即為流道對絲材送進的全部阻力。由于本工藝中，流道中未熔絲材要承擔活塞作用，利用絲材本身來傳遞驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動力，驅(qū)動力對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的驅(qū)動力 F 的理論計算公式即為：（4.7）下面根據(jù)公式(4.7) 進一步分析驅(qū)動力與有關參數(shù)間的關系[29]：(1)驅(qū)動力與流率 Q 的關系根據(jù)公式 (4.7)，驅(qū)動力與流率間存在下列非線性關系：對于本系統(tǒng)采用的材料 ABS 熔體(非牛頓流體)來說，n 在 1/3 左右，所以：即對于非牛頓流體來說，流率增加時，伴隨的壓力和所需驅(qū)動了并不是成比例的線性增加。當流率從 0 開始增加時，在最初階段，壓力會有急劇的上升，但流率增加到一定值后，盡管流率有很大增加，但相應壓力和驅(qū)動力的變化卻比較小。簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計25實際進行的 ABS 熔體流動實驗也證明了這一點。(2)在擠出頭流道直徑依次縮小的情況下，各段長度對應的比例系數(shù)為： 。當 時即為 9：3：1 即較小直徑的噴嘴出口段的長度對總壓力差的影響最大，是過渡段的 3 倍，是入口段的 9 倍。所以擠出頭設計時，在滿足出絲口定徑功能的前提下應盡量減小噴嘴出口段的長度，這對減小擠出頭中的總體流動阻力效果最為顯著。(3)實例計算分析這里以一種特定配方的 ABS 塑料為例進行計算分析，在工作溫度下( )基本參數(shù)如下：參考剪切速率 1/s 時，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 ， ， ；設工作時進絲速度 ，絲材直徑為 1.8mm。計算得： ，最后計算獲得 。因為這個驅(qū)動力為計算的理論值，進行了一些近似和忽略，所以在利用這個值作參考選擇電機和設計送絲結(jié)構(gòu)時應該適當放大。4.5 加熱腔的設計本課題研發(fā)的熔絲沉積成形系統(tǒng)采用一對摩擦輪將直徑約為 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 簡易 3D 打印機擠出機構(gòu)設計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加工做成中，送絲突然中斷過長時間，處于流道口上的所以絲材會因受熱，距離入口處溫度較低不至于融化，但會因受熱而膨脹，直徑變大，出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；距離入口較遠處溫度高而導致融化，使得再加工時出現(xiàn)熔漿溢出現(xiàn)象。4.6.1 流涎問題的分析在進行工藝實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，送絲電機停止轉(zhuǎn)動以后，噴嘴并不會馬上停止出絲，而是長時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，材料呈現(xiàn)剛性固體狀，稱之為玻璃態(tài)；當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出現(xiàn)粘性流動，稱之為粘流態(tài)。