Prusa i3型3D打印机设计
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大 连 大 学 本科毕业论文 (设计 )开题报告 论 文 题 目: Prusa i3 型 3D 打印机设计 学 院: 机械工程学院 专 业 、班 级: 机英 142 学 生 姓 名: 王金朋 指导教师(职称): 刘安生(副教授) 2018 年 1 月 5 日填 1 毕业论文(设计)开题报告 要求 开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节,又是完成高质量毕业论文 (设计)的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化,特制定本要求。 一、选题依据 1.论文(设计)题目及研究领域; 2.论文(设计)工作的理论意义和应用价值; 3.目前研究的概况和发展趋势。 二、论文(设计)研究的内容 1.重点解决的问题; 2.拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路); 3.本论文(设计)预期取得的成果。 三、论文(设计)工作安排 1.拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数); 2.论文(设计)进度计划。 四、文献查阅及文献综述 学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料,并在此基础上通 过分析、研究、综合,形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相 关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通顺, 较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。 五、其他要求 1.开题报告应在毕业论文(设计)工作开始后的前四周内完成; 2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过; 3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生,须重做或补做合格后,方能继续论 文(设计)工作,否则不允许 参加答辩; 4.开题报告通过后,原则上不允许更换论文题目或指导教师; 5.开题报告的内容,要求打印并装订成册(部分专业可根据需要手写在统一纸张 上,但封面需按统一格式打印)。 2 一、选题依据 1论文(设计)题目 Prusa i3 型 3D 打印机设计 2研究领域 机械设计 3论文(设计)工作的理论意义和应用价值 3D 打印机技术是机械制造 中进行复杂原型或者零件制造的有效手段 3D 打印带 来了全世界性制造业革命,它无 需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中生 成任何形状的物体。 经过快速成型制 造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无 论外表面的曲面还是异形孔,都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备 进行修复。 从而提高企业研发效率,缩短产品设计周期,极大的降低了新品开发的成 本及风险。 到目前为止,各类 3D 打印机设备上所使用的材料种类有很多,树脂、尼 龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末,基本上满足了绝大多数产品对材料的机 械性能需求。 3D 打印技术已经运用在医疗行业、科学研究、产品原型、文物保护、建筑设计、 制造业、食品产业、汽车制造业和配饰制造等领域中,为这些领域带来革命性的改变。 在工业中, 3D 打印机很难用于批量生产,因为对比于传统的工业生产技术还有一定 的障碍,所以在工业中一般用于产品的开发研制,设计师可以把设计好的产品用 3D 打印机很快地制造出来,然后根据实际需要来继续下一步的研发,大大降低了研发的 成本,还提升了研发速度。 3D 打印机还可以用于艺术雕塑品的制作,有些工艺设计 品难以用传统工艺制造出来,而利用 3D 打印机,只需把作品的模型参数输入电脑, 打印出来,而且还打破了材料的局限和工艺的限制,使得艺术品更具可观性。 4目前研究的概况和发展趋势 第一台商用的 3D 打印机出现在 1986 年,但 3D 打印技 术的真正确立是以美国麻 省理工大学的 Scans E.M. 和 Cima M.J.等人于 1991 年申报的关于三维打印专利为标 志的。目前,在 3D 打印领域比较著名的公司有 3D System、 Z-Corporation、 Object Geometries 等。 在国外 , 经过十多年的探索和发展, 3D 打印技术有了长足的进步, 目前已经能够在 0.01mm 的单层厚度上实现 600dpi 的精细分辨率。在欧美发达国家, 3D 打印技术已经初步形成了成功的商用模式,如在消费电子业、航空业和汽车制造 业等领域, 3D 打印技术可以以较低的成本、较高 的效率生产小批量的定制部件,完 成复杂而精细的造型。 在国内,自 20 世纪 90 年代以来,国内多所高校开展了 3D 打印技术的自主研发。 中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置, 有望在微制造、光电器件领域得到应 用。但总体而言,国内 3D 技术的研发水平还有较大差距。我国港台地区很多高校和 企业都有自己的 3D 打印设备, RP 技术应用更为广泛,但并非自主研发。国产 3D 打 3 印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求,技 术水平有待进一步提升。 3D 打印既是制造业,更是服务业。 3D 打印产业链涉及到很多环节,包 括 3D 打 印机设备制造商、 3D 模型软件供应商、 3D 打印机服务商和 3D 打印材料的供应商。 因此围绕 3D 打印的产业链会产生很多机会。 随着智能制造,控制技术,材料技术,信息技术等不断发展和提升,这些技术也 被广泛地综合应用与制造工业, 3D 打印技术的发展将体现出精密化、智能化、便捷 化以及通用化等主要趋势。提升 3D 打印的速度、效率和精度,开拓并行打印、连续 打印、大件打印、多材料打印的工艺方法,提高成品的表面质量、力学和物理性能, 以实现直接面向产品的制造;开发更为多样的 3D 打印材料,如智能材料、功能梯度 材料、纳米材料、 非均质材料及复合材料等,特别是金属材料直接成型技术有可能成 为今后研究与应用的又一个热点; 3D 打印机的体积小型化、桌面化,成本更低廉, 操作更简便,更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需 求;软件集成化,实现 CAD/CAPP/RP 的一体化,使设计软件和生产控制软件能够无 缝对接,实现设计者直接联网控制的远程在线制造,拓展 3D 打印技术在生物医学、 建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。 从长期来看, 3D 打印技术其实就是颠覆性、破坏性的技术。尽管 3D 打印主要适 用于小批量生产,但是其打印的产品 可以远远优于传统制造业生产的产品 更轻 便、更坚固、定制化、直接组装成型。 3D 打印的另一个颠覆性特征是:单台机器能 创建各种完全不同的产品。而传统制造方式需要改变流水线才能完成定制生产,其过 程需要昂贵的设备投资和长时间的工厂停机。不难想象,未来的工厂可以用同一个车 间的 3D 打印机既制造茶杯,又制造汽车零部件和量身定制的医疗产品。 4 二、论文(设计)研究的内容 1.重点解决的问题 ( 1) 3D 打印机总体结构方案设计 ( 2) 3D 打印机传动方案设计计算 ( 3) 3D 打印机挤出机喷头设计 2.拟开展研究的几个主要方 面(论文写作大纲或设计思路) 通过设计计算 , CAD/SOLIDWORKS 绘图 ,查阅设计手册,参考文献等相关设计 资料,进行 3D 打印快速模型制造设备的设计并最终完成 3D 打印机的零件图、装配 图、 CAD 图及相关设计说明书。 论文写作大纲 : 1绪论 1.1 三维打印技术简介 1.2 3D 打印机概述 1.3 国内外 3D 打印机技术水平及发展概况 1.4 3D 打印机工作原理及过程 1.5 设计思路及主要问题 2. 总体设计方案选择 3. 3D 打印机机械结构设计 3.1 总体框架设计 3.2 X、 Y 轴传动方案 设计 3.3 Z 轴传动方案设计 3.4 喷头、挤出机设计 3.5 X、 Y、 Z 轴限位方式设计 4. 传动元件及传感器选择 4.1 丝杠选择 4.2 伺服电机和步进电机对比选择 4.3 限位传感器选择 4.4 温度传感器选择 5. 总结 3.本论文(设计)预期取得的成果 ( 1) 3D 打印机总体设计方案 ( 2) 3D 打印机结构设计计算 ( 3) 3D 打印机 CAD 图纸 ( 4) 3D 打印机 SW 装配建模 5 三、论文(设计)工作安排 1.拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数); 对 3D 打印机 结构进行研究,结合实际设计合 理的机构并进行计算, 并选择合理 的传动方式,最终完成对 3D 打印机的研究。 2.论文(设计)进度计划 第 1 周:查阅相关文献资料,了解设计内容; 第 2 周:初步方案设计; 第 3 周:总体方案设计; 第 4 周:撰写并完善开题报告; 第 56 周: 3D 打印机喷头部分研究设计; 第 79 周: 3D 打印机设计各部分零部件设计计算; 第 10 周: 3D 打印机设计各部分零部件设计计算; 第 1112 周:绘制相关图纸; 第 13 周:撰写设计说明书; 第 14 周:完善 毕业设计各项 内容,准备答辩。 四、需要阅读的参考文献 1 廖汉元 ,孔建益 .机械原理 M.北京 :机械工业出版社 ,2012. 2 濮良贵 ,陈国定 ,吴立言 .机械设计 (第九版 )M.北京 :高等教育出版社 ,2013. 3 成大先 .机械设计手册 M.北京 :化学出版社 ,2002. 4 程光仁等 .滚珠螺旋传动设计基础 M.北京:机械工业出版社 ,2007. 5 刘厚才 ,莫健华 .三维打印快速成形技术及其应用 J机械科学与技术 ,2008,(9):12-14. 6 饶振刚 ,田勇卫 .滚珠丝杠副及自锁装置 M.北京:国防工业出版社 ,1990. 7 徐进 .丝杠升降机构传动可靠性设计研究 J.煤矿机械 ,2003,( 10): 34-39. 8 代仕平 ,张娜 .基于滚珠丝杠副的升降机构设计 J.八一科技 ,2011,( 1) :50-52. 9 陈步庆 ,林柳兰 ,等三维打印技术及系统研究 J机电一体化 ,2005,( 4) :31-32. 10田地银 ,田云 .关于滚珠丝杠的选择 J.电子工艺技术 ,1997,(18): 18-25. 11蔡恩泽 .3D 打印颠覆传统制造业 J.中国中小企业 ,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 缺点是价格昂贵,可用材 料种类有限,制成品在光照下会逐渐解体。 选择性激光烧结打印 ( SLS) 是采用高功率的激光,把粉末加热烧结在一起形成 零件。 SLS 工艺的优点是可打印金属材料和多种热塑性塑料,如尼龙、聚碳酸酯、聚 丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等,打印时无需支撑,打印的零件 机械 性能好、强度高 ; 缺点是材料粉末比较松散,烧结后成型精度不高,且高功率的 激光器价格昂贵。 熔融沉积打印 ( FDM) 是采用热融喷头,使塑性纤维材料经熔化后从喷头内挤压 而出,并沉积在指定位置后固化成型。这种工艺类似于挤牙膏的方式,其优点是价格 低廉、体积小、生成操作难度相对较小 ; 缺点是成型件的表面有较明显的条纹,产品 层间的结合强度低、打印速度慢。 3D 打印是采用类似喷墨打印机喷头的工作方式,这种工艺与选择性激光烧结十 分类似,只是将激光烧结过程改为喷头粘结,光栅扫描器改为粘结剂喷射头。其优点 是打印速度快、价格 低 ; 缺点是打印出来的产品机械强度不高。 随着 3D 打印技术和商业应用的发展,“大批量的个性化定制”将成为重要的生产 模式。 3D 打印与现代服务业的紧密结合,将衍生出新的细分产业和新的商业模式, 创造出新的经济增长点。 3D 打印技术发展带来的产品技术、制造技术与管理技术的 进步使企业具备快速响应市场需求的能力,特别是形成适应全球市场上丰富多样的客 户群,实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的协调化新型生产模式,使生产模 式、商业模式等多个方面发生根本性的变化。 同立体印刷、叠层实体制造和选择性激光烧结快速成形技术相 比 , 3DP 不需要昂 贵的激光系统 , 具有设备价格便宜、运行和维护成本低的优势。与熔融沉积快速成形 技术相比 ,3DP 可以在常温下操作 ,具有运行可靠 ,成形材料种类多和价格低的优势。此 外 , 与其它 RP 系统相比 ,3DP 还有操作简单、成形速度快、制件精度高、成形过程无 污染 , 适合办公室环境使用等优点。因此 , 3DP 被认为是 RP 行业中最有生命力的新技 7 术之一 , 具有良好的发展潜力和广阔的应用前景。 利用 3DP技术进行产品的概念原型件制造是建立从概念信息到物理实现的最直接 方式。概念原件可以用于展示产品设计的整体概念、立体形态 和布局安排 , 进行产品 造型设计和结构设计的评价 ,如在建筑设计上 , 利用 3DP 技术制作的大楼或桥梁等建 筑物模型 , 可以帮助设计师进行评价和确定最终方案。医学上根据 CT 或 MRI 的数据 , 应用 3DP技术可以快速精确地制造人体的骨骼和软组织等器官模型 , 可以帮助医生进 行病情诊断、术前讨论和最终治疗方案的确定。概念原型件还可作为产品的展示模型 , 进行产品的招投标和新产品上市前的宣传使用。利用 3DP 技术制造的功能原型件可以 用于产品的结构设计检查 .装配干涉检验 , 静、动力学试验、物理和机械性能试验、 人机工程试验等 , 为产 品的优化设计提供依据。通过 3DP 技术快速制造出产的功能原 型件 , 可以尽早地对产品设计进行测试、检查和评估 , 缩短产品设计反馈的周期 , 提 高产品开发的成功率 , 大大降低产品的开发时间和开发成本。 显然 , 3D 打印技术给人类带来新奇和进步,但毕竟还是起步阶段,有的还在实验 室模拟试验之中,想要成为主流的生产制造技术,并形成庞大的产业,还面临巨大的 挑战。 首先, 3D 打印需要 CAD(计算机辅助设计)支撑。对于一般用户来说,要学会 CAD 等制作工具并非想像中那么简单。 CAD 是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进 行设计工作 ,利用计算机可以进行与图形编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图 形数据加工工作。 3D 打印制造神奇, CAD 是基础。就像指挥官指挥战争一样,一份标 示准确的地图往往决定战争的胜负。 CAD 是 3D 打印的基础工程。基于 3D 的 CAD 更加 复杂精细,需要具有高超编程技术的专业人士操作。这样的人才并非一般技术人员所 能担当。 其次,知识产权将成为较大纠结。人们的想象力有多大, 3D 打印的用途就有多广。 遗憾的是,打印对象副本,即使只是复制个人设计,这类行为仍然会产生知识产权问 题。 3D 打印被视作一门新兴技术,虽然法律对其知识产权问题尚 未作出明确界定,而 完全复制他人创意的做法还是不可取的。当 3D 打印机组合一个 3D 扫描仪时,知识产 权问题将更为突出。扫描仪不仅可以复制外形,而且可以复制更为复杂的细节。这种 行为要比抄袭专利或版权严重得多。犯罪分子可以用 3D 打印机设计 ATM 提款卡、钥 匙、武器或其他危险物品。 再次,价格优势还不明显。在某些情况下, 3D 打印产品最终耗费的成本和零售店 产品的价格差不多,目前条件下, 3D 打印还不具备规模经济的优势,价格方面的优势 尚不明显。所以对于大多数产品来说,不管你是打印多少件,价格都相差无几。但是, 相信随着 3D 技术的 逐渐成熟,价格会慢慢降下来。 采用 3DP 系统制造的概念原型 , 主要在于形状、色彩等外观表达功能 , 而对材料 的性能要求较低。可用于产品设计、测试或装配 , 可作为产品的展示模型、投标模型 等使用。由于 3DP 工艺能制造复杂结构和同时处理多种材料 , 因此在特殊材料的成型 和功能梯度成型方面具有强大的优势 , 在国外已被广泛应用于生物医学领域和微细 加工领域等特殊成型场合。随着快速成型技术及相关学科的发展 , 3DP 必将得到越来 越广泛的应用。 Prusa i3 3D打印机摘 要随着工业技术的发展,传统的加工方式已经很难满足现代加工的需求,于是一种全新的制造技术-3D打印技术应运而生。经过3D打印技术制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的曲面还是异形孔,都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。随着3D打印技术在市场的应用越来越深入和广泛,3D打印机的需求越来越大,因此,论文旨在设计一种桌面级3D打印机。本次设计主要是对3D打印机的机械结构进行设计以及一些必要的设计计算,通过对打印喷头以及x-y轴打印平台的分析,选择适当的材料以及参数,通过solidworks的绘图对设计产品进行3D构图,最后完成装配。最终要求3D打印机在打印过程中,运动和传动平稳,使其稳定生产。关键词:3D打印技术;x-y轴打印平台;打印喷头ABSTRACTWith the development of industrial technology, traditional processing methods are hard to meet the needs of modern processing. A new manufacturing technology -3D printing technology came into being. The parts made by 3D printing technology are completely reproduced in three-dimensional modeling. No matter the surface of the surface or the shaped hole, it is true and accurate to complete the modeling, and no longer need to be repaired with the aid of the external equipment.With the more and more in-depth and extensive application of 3D printing technology in the market, the demand for 3D printers is becoming more and more large. Therefore, the paper aims to design a desktop 3D printer.The design is mainly designed for the mechanical structure of the 3D printer and some necessary design and calculation. Through the analysis of the printing nozzle and the X-Y axis printing platform, the appropriate materials and parameters are selected. The design of the product is made by the SolidWorks drawing, and the assembly is finished at the end. Ultimately, 3D printer needs to be stable in movement and transmission during printing.Keywords: 3D printing technology; X-Y axis printing platform; Print nozzle目录摘 要IABSTRACTII目录III引 言11.绪 论22.总体设计方案选择63.机械结构设计计算124.传感器选择24结论26参考文献27致谢2835引 言3D打印机技术是机械制造中进行复杂原型或者零件制造的有效手段,3D打印带来了全世界性制造业革命,它无需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体。经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的曲面还是异形孔,都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。从而提高企业研发效率,缩短产品设计周期,极大的降低了新品开发的成本及风险。随着智能制造,控制技术,材料技术,信息技术等不断发展和提升,这些技术也被广泛地综合应用与制造工业, 3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趋势。提升3D打印的速度、效率和精度,开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法,提高成品的表面质量、力学和物理性能,以实现直接面向产品的制造;开发更为多样的3D打印材料,如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等,特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点。3D打印机的体积小型化、桌面化,成本更低廉,操作更简便,更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求;软件集成化,实现CAD/CAPP/RP的一体化,使设计软件和生产控制软件能够无缝对接,实现设计者直接联网控制的远程在线制造,拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。1.绪 论1.1研究背景及研究意义1.1.1国内外3D打印机研究现状3D打印技术出现在上世纪90年代中期,是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术。打印机内装有粉末状金属或塑料等可粘合材料,与电脑连接后,通过一层又一层的多层打印方式,最终把计算机上的蓝图变成实物。第一台商用的3D打印机出现在1986年,但3D 打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的Scans E.M. 和Cima M.J.等人于1991 年申报的关于三维打印专利为标志的。在国外,经过十多年的探索和发展,3D打印技术有了长足的进步,目前已经能够在 0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。在欧美发达国家,3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式,如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域,3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件,完成复杂而精细的造型。在国内,自20世纪90年代以来,国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置,有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言,国内3D技术的研发水平还有较大差距。我国港台地区很多高校和企业都有自己的3D打印设备,RP技术应用更为广泛,但并非自主研发。国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求,技术水平有待进一步提升。1.1.2研究意义3D打印技术应用广泛,除了日常生活用品以外,3D打印技术还可以广泛运用于建筑、医学、艺术等领域。人们已经使用该技术打印出了灯罩、身体器官、珠宝等,有些人甚至使用该技术制造出了机械设备。传统的产品从设计到生产要经过漫长的周期,一些很复杂的产品如汽车发动机、航空发动机、房子等需要耗费大量的时间对原料进行加工和建造。而3D打印技术集产品设计与打印制造于一身,短则几小时,多则几天就能把结构复杂的产品生产出来。传统的制造会浪费大量材料,在一些高新技术产品的生产过程中一些废弃角料无法回收利用,造成大量浪费,增加生产成本。而3D打印技术使用的材料主要是PLA、ABS或金属材料,它几乎没有材料损耗,大大降低了生产成本,为企业增加利润创造条件;传统产品的生产过程需要大量的人力、场地和设备,给企业增加了较大负担。而使用3D打印技术生产产品只需要几个技术熟练的3D打印技术人员即可完成从设计到生产制造的全部过程。从长期来看,3D打印技术是一种颠覆性的技术,在未来将会是实现高端制造业发展的重要手段之一。1.2 3D打印机的发展趋势随着新兴技术的不断发展,3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趋势。3D打印机的发展目前主要是如何提升3D打印的速度、效率和精度,实现断电断点连续打印、大件打印、多材料打印,并提高成品的表面质量、力学和物理性能,以实现强度高、表面质量好的成品。但受限于3D打印技术自身原因,无法应用于大量生产,它适合一些小规模制造,尤其是高端的定制化产品,比如汽车零部件制造。而且受材料的限制,3D打印机可以生产的其他产品也很少,现在所应用的主要材料还是塑料,但未来金属材料肯定会被运用到3D打印中来,3D打印技术可应用的的范围会越来越广。未来在生物医学、建筑、车辆、服装等行业领域将会有更多创造性应用。1.3 3D打印机工作原理1.3.1熔融沉积快速成型技术简介典型的快速成型技术有立体光固造型SLA、叠层实体制造LOM、选择性激光烧结SLS、熔融沉积技术SLS。其中熔融沉积的制造过程是通过对CAD模型进行快速切片,从而生成每一层的几何形状,将热塑性材料加热融化,通过计算机控制移动并挤出半流体材料,凝固成实际部分薄层,并在垂直提升系统下生成下一层,使两层固化在一起。最后成为三维实体。1.3.2基于熔积技术的3D打印机工作原理图1-1为3D打印机工作原理示意图,打印喷头首先将材料融化,通过打印喷头将材料挤出。计算机已设计好所要打印的3D模型,由打印头喷出零件底层截面的形状三维打印技术是采用喷头融化并挤出热塑性材料。根据截面轮廓形状信息并在计算机的控制下打印头做x-y轴运动,最终打印出底层截面形状。然后Z轴进行上下移动,继续打印出下一层截面形状。经过一层一层的打印粘结最后形成所需要的模型。Z轴移动的距离即每层的厚度由喷涂材料及打印机的结构决定,为几十毫米轴到几百毫米不等,对于模型的层片分割由软件来实现。图1-1 熔积式打印机工作原理图1.4 3D打印机工作流程工作流程如下:(1) 三维建模 应用CAD、Solidworks、Pro/E等三维建模软件构建三维模型,然后进行切片处理,也可对实体进行扫描获得数据点,进行三维构造。(2) 三维模型的处理 在使用3D打印机加工前,由于模型上往往有一些不规则的曲面,加工前必须对其进行近似处理。处理后的模型文件为STL格式,一般三维建模软件可直接转为此文件格式。(3) 三维模型切片处理 由于3D打印技术是一层层的加工,故必须对三维模型进行切片处理,即每隔一定间距分一层,已获得轮廓形状,为获得光滑的实体表面,层片厚度应小于1mm。层片厚度越小表面越光滑,但加工时间越长。(4) 截面加工 根据切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,喷头由数控系统控制在x-y平面内按截面轮廓进行扫描,并挤出材料凝固,得到一层层截面。(5) 获得三维实体 每层截面形成之后,下一层材料被送至已成形的层面上,与前一层面相粘结,从而将一层层的截面逐步叠合在一起,最终形成三维产品。1.5本次设计主要内容1.5.1 主要设计方面(1) Y轴(打印截面平面)运动机构(2) 轴(截面累积)运动机构(3) 挤出机(耗材挤出)机构(4) 框架设计通过以上四个主要机械结构,构成3D打印机的基本运动结构,可以初步实现3D打印的打印过程。1.5.2 设计参数成 型 空 间 :210mm*210mm*220mm最大移动速度:50mm/s喷头定位精度:0.05mm最大成型质量:500g2.总体设计方案选择2.1机架部分设计在机械框架方面,采用主流的四边形支撑架构,这种架构结实稳定而且容易安装其他零件,抗震能力也更为出色。本次设计的机架部分,主要由铝型材进行拼装组成,如图2-1所示,这种架构相对于亚克力板材质,更为牢固、结实,使用过程中不易出现损坏。图2-1 机架2.2传动设计2.2.1 XYZ轴传动方式选择传动方式上,常规的传动方式主要有丝杆传动和同步带传动,二者各有其优缺点。丝杆螺母副传动启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给,无侧隙、刚性高;但是其速度较慢,而且价格昂贵。同步带传动传动比范围大,结构紧凑,维护保养方便,运转费用低,但同步带用久后会被拉长,需要经常换皮带。(1) Z轴:由于Z轴方向需带动X轴以及打印挤出头,所受重力较大,而且Z轴位移较慢,所以采用丝杆传动,既保证电机有足够的力使其移动,又保证了进给的准确性。 丝杠螺母传动形式采用螺杆转动,螺母做直线运动,由电机驱动螺杆,螺母的移动为Z轴直线运动。图2-2为传动简图与螺杆载荷图。图2-2 丝杆螺母传动简图(2) 在X轴和Y轴方面,要求传动比准确,传动效率高。X与Y轴由于没有重力作用,所承受力较小,同步带与丝杠螺母相比较而言,同步带价格较低,体积小,空间占用率高,而且在使用过程中维修方便,而且在打印过程中为了保证有足够的速度,故采用同步带传动,同步带只会有轻微的变形,不会影响到精度。故3D打印机机械传动方式如表2-1所示。表2-1 传动方式表X轴同步带轮机构Y轴同步带轮机构Z轴光杆丝杠机构2.2.2 电机选择3D打印机制作的产品精度高,所以对于电机的要求较高。在步进电机和伺服电机选择,分析它们的性能如图2-3所示:图2-3 步进电机伺服电机对比综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但伺服电机的成本远高于步进电机。在考虑设计的经济性时,我们选择步进电机作为运动源。2.3打印平台设计打印平台由加热板和打印固定板通过螺栓螺母固定而成,如图2-4所示,底层为固定板,上层为加热板。两层板由四角处的螺栓连接,之间放置弹簧,通过调节螺母来调节平台的高度。打印平台下部固定直线滑动轴承,再通过光轴与直线滑动轴承的配合完成Y轴打印平台的运动。图2-4 打印平台2.4挤出机设计2.4.1 电机选择挤出机挤出融化材料时需要运动平稳,精度要求高,但是对转速的要求不高,根据上节的电机选择分析可选择步进电机。2.4.2 挤出机构原理耗材挤出机构的基本要求是:将成型料丝送人液化器中,在其中及时而充分地熔化,由固态变为熔融态。然后再进一步从更小直径的喷嘴中以极细丝状挤出,按扫描路径堆积成型。而且送丝速度要与扫描速度相匹配,以保证均匀一致的材料堆积路径。挤出机的功能要求可以分解为以下几点:(1) 供应功能:将料丝从丝筒上拉出,提供成型材料。(2) 熔丝功能:将送进的固态料丝及时且充分地熔化成为熔融状态。(3) 流道功能:固态料丝以及熔融状态下的材料的运输通道。(4) 定径功能:对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积。(5) 出丝速度可控:在打印机工作起始以及Z轴向上移动时,出丝速度应随之变化或者停止。(6)散热功能:3D打印机工作时,挤出的材料应该快速冷却,以固定打印的实体,避免出现断层现象。2.4.3 挤出机结构设计(1) 供料机构供料机构由步进电机作为动力源提供动力,工作原理是通过挤压齿轮对线性材料进行挤压,材料在内凹型轴承内滑动来完成供料。设计出的供料基本结构如图2-5所示,轴承支架通过螺栓固定于步进电机上,同时可围绕螺栓旋转。齿轮连接在电机轴上,随电机转动。轴承支架另一端的弹簧使轴承对齿轮施加压力,齿轮与轴承之间的线性材料便随着齿轮的转动被挤出。图2-5 供料机构图当需要换料盘或者撤出线性材料时,需要按下轴承支架右端,使轴承远离齿轮,此时便可以撤出材料。(2) 融化出丝机构如图2-6所示,融化出丝机构完成了熔丝、通道、定径功能。材料经过喉管进行运输,加热棒和铝块将材料进行融化,最后经由喷头使融化的材料变为需要的细丝。喉管由螺旋副连接在支架上,材料经过供料机构被送入喉管内,沿着喉管向下运动。由加热铝块内插入的加热棒提供热量,用于融化线性材料,使材料变为熔融状态,融化彻底的材料经过喷头进行挤出,成为打印所需要的细丝。加热铝块的作用是将加热棒的热量均匀的分布于喉管周围,避免因为加热不均匀而导致的融化不彻底。如果有未融化的材料进入喷头,会使喷头堵塞,打印机无法正常出料。散热片连接于喉管上,加速喉管的散热。避免了加热铝块的热量沿着喉管向上传导,是材料提前融化,无法向下运输。图2-6 融化出丝机构图(3) 散热机构散热机构采用双风扇结构,一个风扇对打印的实体进行冷却,另一个风扇对步进电机降温,使其更好地工作。3.机械结构设计计算3.1步进电机的选择3.1.1 3D打印机使用步进电机的参数(1)转速要求:3D打印机其实对步进电机的转速要求并不高,3D打印机除了对X.Y轴的电机转速要求高一点外,像Z轴及挤出机部分电机的转速都比较低。(2)驱动电流的大小:目前3D打印机用的基本上都是1A或者2A的主板,也就是说驱动电流都在在2A以下。(3)温度的要求:很多3D打印机所使用的步进电机都是直接外露的,所以对电机表面温度的要求就比较高,正常情况下步进电机的表面温度在80度以下都是正常的,而3D打印机上的步进电机因为有直接外露的,所以要求电机的表面温度不能太高,温度在40度以下最好。相同驱动电流的情况下要让步进电机的温度降下来,步进电机的相电阻就必须不能太高,所以3D打印机用的步进电机的相电阻一般都在2欧以下,1.5欧左右最好。相同电流的情况下,步进电机相电阻越大力矩越大,而为了保证电机的表面温度,就不得不牺牲步进电机本身的力矩。3.1.2传动电机的选择3D打印机传动部分的电机为XYZ三轴的电机,设计对电机的要求较高,要求运动性能一致,故需选用同一种电机。在三轴之中,Z轴电机所需力矩最大,故只需计算Z轴来选择电机。Z轴电机带动X轴及打印挤出头套件上下移动,X轴运动部件和挤出头套件总重约为1.6kg,移动速度为2m/min。G = mg = 16NV = 33mm/s(1) 电机转速n电机 = VP(3-1)P为丝杠螺距,取P=4mmn电机 = VP = 20.004 =500r/min(2) 负载转矩TL=gMP2=0.3101.60.00420.9=0.034Nm(3-2)其中:: 摩擦系数,取0.3M: 负载质量,1.6KgP: 丝杆导程,0.004mm: 传动效率,取0.9(3) 负载惯量上下垂直运动:JLM=MP22=1.60.00422=4.0710-6(kgm2)(3-3)丝杆螺母惯量:JB=32LBDB4=327.80.320.0084=10-9(3-4)JB=32LBDB4=327.80.320.0084=10-9其中:为密度,取7.8LB为丝杆长度,取0.32mmDB为丝杆直径,取0.008mm总惯量 J=4.0710-6(kgm2)(4) 电机转矩启动转矩:TS=2NM(JM+J)60=0.016(3-5)选取安全系数为3,故电机力矩为:Ts=(0.016+0.034)3=0.15 Nm选用电机为飞凌厂家的42步进电机,图3-1为电机型号参数。图3-1 步进电机参数由上图可知FL42BYG40力矩满足要求,电机外形图如下。图3-2 电机外形尺寸图外形尺寸42*42*40,轴径输出5mm。3.2丝杠螺母设计计算3.2.1螺纹基本参数本次设计采用滑动螺旋,螺纹为矩形螺纹,矩形螺纹传动效率较高,但强度较低。3.2.2螺旋副材料选择滑动螺旋传动的主要零件是螺杆和螺母,螺杆的材料应有足够的强度和耐磨性,以及良好的加工性。对于精密的传导螺纹要求热处理后有较好的尺寸稳定性。螺母材料以ZCuSn10Pb1最耐磨,但价格较贵,主要用于高精度的传导螺旋。下表3-1为螺杆的常用材料及热处理。表3-1 常用材料热处理精度等级是否淬硬材料热处理中等及中等以上精度淬硬合金工具钢9Mn2V、CrWMnC56氮化钢38CrMoAlAD0.5-900不淬硬高碳工具钢T10T215中等以下精度淬硬合金钢40CrG42不淬硬中碳钢45T235易切削钢Y40Mn通过以上分析,螺杆材料可选择9Mn2V,螺母材料选择ZCuSn10Pb1。3.2.3丝杆螺母校核计算由上一章得丝杆的轴向载荷F=16N (1)螺纹中径的计算梯形螺纹螺纹中径d2:d20.8FPp=0.81.61.211=0.968mm(3-6)其中: Pp-螺纹副许用压强,见表3-2 值取1.2表3-2滑动螺旋传动许用压强螺纹副材料速度范围许用压强钢对青铜低速0.50.10.20.51825111871012钢对耐磨铸铁0.10.268由d2可选取螺纹公称直径d为8mm,螺距P为4mm,线数X为1。(2) 螺杆强度计算Ff=mg=0.216=3.2NT=Ffd21000=0.011Nm(3-7)选取安全系数为3T=0.0113=0.033d1=6.6mm螺杆工作时承受轴向载荷F和扭矩T的作用,因此,校核螺纹强度时根据第四强度理论求出危险截面计算应力ca。其强度条件为:ca=2+32=1AF2+3(4Td1)2(3-8)其中:F-轴向压力,NA-危险截面面积,mmd1-螺纹小径,mmT-螺杆所受扭矩,Nmm求得:ca=146.62162+3(4336.6)2=1.12N/mm2查表3-3得:=s5=1505=30MPa故ca,螺杆强度足够。表3-3 材料应力表材料许用拉应力许用弯曲应力许用剪应力螺杆钢s5螺母青铜耐磨铸铁铸铁钢40605060455530404040(3) 螺纹强度计算剪切强度:=Fd1bn(3-9)牙根部宽度b=0.5P=2mm旋合圈数n=5=166.625=0.077N/mm2查表3-3得:40Nmm-2弯曲强度:b=3FH1d1b2n(3-10)基本牙型高度H=0.5P=2mmb=31626.6225=0.23N/mm2b故螺纹强度足够。(4) 效率由回转运动转化为直线运动时=(0.950.99)tantan()(3-11)(0.950.99)为轴承系数,决定与轴承形式,滑动轴承取最小值,轴向载荷与涌动方向相反时取+号。其中:=arctanSd2=9(3-12)=arctanfcos2=5.7(3-13)f如表3-4取0.1。表3-4 摩擦因数f值螺杆和螺母材料F值淬火钢和青铜0.060.08钢和青铜0.080.10钢和耐磨铸铁0.100.12=(0.950.99)tan9tan(95.7)故上升时效率为0.57、下降时效率为2.5。3.3同步带轮的设计计算设定电机功率为0.2Kw,每天使用8小时,其工作系数KA为1.0。则计算功率为: P=0.2Kw。(1) 计算同步带轮转速n=v2r=3260=75r/min(3-14)(2) 选取同步带带型由于电机功率以及转速不大,所以可选取MXL型号同步带,为了满足精度要求,选取梯形齿形同步带,节距Pb=2mm,带宽b=4.8mm。(3) 选取同步带齿数查表3-5得同步带轮最小齿数为10,本次设计取15。表3-5 同步带轮齿数表(4) 同步带轮节圆直径d=ZPb=21.5=9.6mm(3-15)同步带速确定v=dn601000=9.675601000=0.04m/s(3-16)(5) 同步带长确定轴间间距为410mm,故同步带长为:L0=2410+22d=850mm(6) 基准额定功率计算周节制:P0=T-mv2v1000(3-17)其中: T-许用工作压力m-单位长度质量查表3-6得:T=27N, m=0.007kg/m,最后算得:P0=27-0.0070.0420.041000=0.001kw表3-6 周节制带的基准宽度、许用拉力T及质量m型号MXLXXLL基准宽度/mm6.46.49.5许用拉力T/N273150.17带的质量/kg/m0.0070.010.022(7) 作用于轴上的力F=1000PdV=0.24N3.4联轴器的设计计算联轴器用于连接丝杆与电机输出轴,用于传递扭矩。本次设计采用LMX型梅花联轴器,具有缓冲减震、不需润滑、维护方便的特点,具有补偿两轴相对偏移的能力。适用于载荷变化不大、工作平稳、正反转、中低速、频繁启动、中小功率的传动。图3.3为梅花联轴器零件图。图3-3梅花联轴器联轴器承受转矩:TC=KaT=1.30.033=0.0429Nm15Nm表3-7技术参数表规格额定转矩Nm最高转速r/min主要尺寸/mmd1、d2(mm)DD1L1615190005163025503.5滚动直线导套副的寿命计算滚动直线导套副由直线运动球轴承,圆形导轨轴组成。由于结构原因,轴承只能在圆形导轨轴上做直线往复运动。采用轴承代号为LBP81524,表3-8为尺寸表:表3-8 LBP81524尺寸表轴承代号外形尺寸LBP型内径外径长度LBP 8152481524设计中,工作台与工件总重约为20N,共有两根轴承载工作台,每根轴上装有两套轴承,则每个导套所受载荷为5N。由表3-9查得fT=1,由表3-10查得fc=0.81,由表3-11查得fw=1.2。滚动直线导套副的额定动载荷为80N。计算:L=(fHfTfCfWcPc)350=110.811.2805350=62986Km(3-18)Lh=8.3Lln=8.3629860.450=26139h预计使用年限为 26139/(8*300)=11.9a。表3-9 温度系数fT工作温度fT100 1.001001500.901502000.732002500.6表3-10 接触系数fc每根导轨上的滑块数量或每根轴上花键套个数fc11.0020.8130.7240.6650.61表3-11 载荷系数fw工作条件fw无外部冲击或震动的低速运动场合,速度小于15m/min11.5无明显冲击或震动的中速运动场合,速度小于60m/min1.52有外部冲击或震动的高速运动场合,速度大于60m/min23.53.6导向光轴的校核本设计中对XYZ进给精度要求高,而且轴的跨度较大。比较XYZ轴所受载荷的大小,YZ轴是竖直安装的,所以其受的载荷相对X轴的工作台要小些。故选取x轴进行校核。3.6.1轴径计算轴的材料均采用45钢,为加强其性能,采用调质处理。查得b=640MPa,A0=110。由公式得d1103200111000= 6.68mm取轴直径d=8mm。3.6.2轴的刚度校核轴两端有固定支撑,简化为A、B两个铰支点,作用力作用在中点上。处于中点时,轴的挠度最大,设所受力为8N。(1) 变形计算丝杆轴横截面的惯性矩为:I=d464=8464=201mm4作用力所引起的挠度为:wc=-Fl348EI=-8240348EI=-0.054mm(2) 刚度校验由于X轴进给精度为0.01mm,所以wcw故刚度满足要求。4.传感器选择4.1温度传感器选择温度传感器分为接触式和非接触式传感器,非接触式传感器结构复杂、体积大、价格昂贵,故选用接触式温度传感器。接触式温度传感器适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温,并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉。下表4-1为几种接触式温度传感器:表4-1 接触式温度传感器对比传感器类型测温范围精度(%)特点常用热电阻-2608500.05可连续工作2000h,失效率小于1,使用期为10年。管缆热电阻-205000.5最高上限为1000陶瓷热电阻200+5000.3、0.15超低温热电阻268.8253-272.9272.990.5热敏电阻器-503000.30.5体积小,重量轻,灵敏度高。综上所述,热敏电阻器测温范围在-50300,精度在0.30.5%,标准度高,使用性能好,在本次设计中,打印温度为200左右,所以使用热敏电阻适合做温度传感器。4.2限位开关选择限位开关用于确定XYZ三轴起始位置,3D打印机每一次打印运行前,都需要确定起始位置,找到XYZ轴的零点,保证打印的准确。本次设计采用微动式接触式限位开关。图4-1为微动式限位开关外形及结构图。 图4-1 限位开关外形结构图结论本次设计完成了对3D打印机机械结构的设计,本设计总体由铝型材构造而成,完成了对三D打印机XYZ三坐标进给系统设计,挤出装置设计,设计的3D打印机可以完成制作精度为0.05mm的实体打印。(1) X轴由步进电机驱动,通过同步带进行传动,同步带带动打印挤出机进行X轴的移动,最大移动距离为220mm。(2) Y轴由步进电机驱动,通过同步带进行传动,同步带带动打印平台进行Y轴的移动,最大移动距离为220mm。(3) Z轴由步进电机驱动,通过丝杠螺母进行传动,丝杠通过联轴器连接步进电机输出轴,带动整个X轴进行Y轴的移动,最大移动距离为230mm。(4) 耗材挤出装置主要由挤压齿轮进行摩擦挤压,将耗材送入喉管,最后经由喷头加热融化挤出成为所需要的细丝。本设计与市场上较为成熟的3D打印机相比较,打印精度较低,零件中有一部分为塑料件,质量较差,但可以通过优化系统结构进行改善。参考文献1 廖汉元,孔建益.机械原理M.北京:机械工业出版社,2012.2 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计(第九版)M.北京:高等教育出版社,2013.3 成大先.机械设计手册M.北京:化学出版社,2002.4 程光仁等.滚珠螺旋传动设计基础M.北京:机械工业出版社,2007.5 刘厚才,莫健华.三维打印快速成形技术及其应用J机械科学与技术,2008,(9):12-14.6 饶振刚,田勇卫.滚珠丝杠副及自锁装置M.北京:国防工业出版社,1990.7 进.丝杠升降机构传动可靠性设计研究J.煤矿机械,2003,(10):34-39.8 代仕平,张娜.基于滚珠丝杠副的升降机构设计J.八一科技,2011,(1):50-52.9 陈步庆,林柳兰,等三维打印技术及系统研究J机电一体化,2005,(4):31-32.10 田地银,田云.关于滚珠丝杠的选择J.电子工艺技术,1997,(18):18-25.11 蔡恩泽.3D打印颠覆传统制造业J.中国中小企业,2012,(11):46-47.12 Lischke 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:V004T05A009.13 Beaman J, Bourell D, Wallace D. Special Issue: Additive Manufacturing (AM) and 3D PrintingJ. Journal of Manufacturing Science & Engineering, 2016, 136(6):060301. Additive Manufacturing and 3D PrintingJ. Chemical Industry Digest.14 Letcher T, Waytashek M. Material Property Testing of 3D-Printed Specimen in PLA on an Entry-Level 3D PrinterC/ ASME Imece,2014.致谢经过了几个月的努力,我最后完成了论文的写作。从开始接到论文题目到系统的实现,再到论文文章的完成,每走一步对我来说都是新的尝试与挑战,这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里,我学到了很多知识也有很多感受,从一无所知,我开始了独立的学习和试验,查看相关的资料和书籍,让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰,使自己十分稚嫩作品一步步完善起来,每一次改善都是我学习的收获,每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。本设计在刘安生老师的悉心指导和严格要求下完成,从课题选取、方案论证到具体设计和调试,无不凝聚着刘安生老师的心血和汗水,在四年的本科学习和生活期间,也始终感受着老师的精心指导和无私的关怀,我受益匪浅。在此向刘安生老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里,本设计能够顺利的完成,也归功于各位任课老师的认真负责,使我能够很好的掌握和运用专业知识,并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮忙和支持,才使我的毕业论文工作顺利完成,在此向大连大学,机械工程学院的全体老师表示由衷的谢意,感谢他们四年来的辛勤栽培。
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