60型熔融沉积 FDM3D 打印机设计含4张CAD图
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60 型熔融沉积 FDM3D 打印机设计Design of Model 60 Fused Deposition FDM3D Printer 摘 要 熔融沉积成形FDM3D打印技术可以用于制作各种各样的3D产品,即为人们的生活增添了乐趣,又使人们更加快速便利的得到自己需要零件,因而备受广大青年同胞的关注逐渐在市场上推广开来。由于FDM3D打印机所需要的耗材保存容易打印范围大、使用的地带与环境受限也不多因此逐渐成为目前市场上的主流。FDM3D打印机通过给定的参数,来制造人们所需要的符合规格的零件。打印材料以环保的PLA材质最为热门,另外坚硬的ABS、韧性极佳的尼龙、仿木纹金属或软Q的弹性材料也都是FDM可以使用的。现阶段,随着3D打印技术理论知识的逐步掌握,人们对快速成型加工技术所加工的零件的质量要求也越来越高,熔融沉积成型FDM3D打印机因为体积小、耗材环保、价格亲民因而在市场上拥有较高的占有率。3D打印机合理的机械结构是提高FDM3D打印机加工效率的重要途经之一,而目前的熔融沉积成型FDM3D打印机存在各种各样的问题,如打印精度低,打印速度慢、喷头容易堵塞等等。本文主要进行一些关于熔融沉积成型FDM3D打印机的传动以及丝杠校核的简单计算。关键词:FDM;熔融沉积;3D打印ABSTRACTFdm3d printing technology can be used to produce various 3D products, which adds fun to peoples 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 录1 绪论51.1 本课题研究背景和意义51.2 3D打印在国内外发展现状和趋势及工程级3D打印机的应用81.2.1 3D打印机的发展历史81.2.2工程级3D打印机的应用111.3 设计内容及方法121.4 3D打印机设计主要内容121.5 本章小结132 工程级3D打印机的结构分析132.1 整体框架的选择132.1.1 FDMD打印机的工作原理132.1.2 XYZ型FDM3D打印机152.2 喷头、平台等关键部件的分析探讨172.2.1喷头的设计172.2.2打印平台的设计202.3 本章小结213 总体的结构设计及修改213.1 喷头平台的设计223.1.1喷头的设计223.1.2 打印平台的设计223.2 其他关键部件的设计223.2.1送丝机构的设计223.2.2传动控制的选择223.2.3驱动器的选择233.2.4滚珠丝杠的设计243.3 装配体的整体修改253.3.1 丝杠的选型计算253.3.2 疲劳强度校核253.3.3 丝杠轴向径刚度263.4 本章小结274 配件的加工及装配284.1 配件的加工284.1.1送丝机构的设计284.1.2散热结构的设计294.2 机器的装配及线路的连接294.3 本章小结315 机器调试325.1 调试步骤325.2 打印工艺流程及步骤335.3 本章小结336 结论34参考文献36致 谢38V1 绪论1.1 本课题研究背景和意义进入二十一世纪,制造业也进入了新的发展阶段。我国经济得到显著提升的同时,机械行业也在逐年稳步发展。现如今,各项机械设备发展迅猛,国外的机械设备早已经处于发展的黄金期,生产制造出的机械设备性能优良,加工效率高。就我国而言,近年来同样投身于机械事业,国家大力发展机械装备技术,经过这些年的努力与研究,我国在机械技术方面取得了很大成就,机械技术已经在朝着欧美等发达国家行进的方向努力。其中,对于3D打印技术的研究最为突出,目前FDM3D打印机通过给定的参数,来制造人们所需要的零件,但是现阶段熔融沉积成型FDM3D打印机存在各种各样的问题,如打印精度低,打印速度慢、喷头容易堵塞等等的问题而无法得到人们的广泛认可。我国3D打印机和和国外在规范、种类、技术以及应用能力等方面的差距是巨大的。如,目前我国的3D打印机开发的自主性极低,技术使用受限。在软件方面,只针对应用软件开发,基础软件和关键部件依赖进口,产品成本高,技术约束强。基于此,近些年来3D打印机在各个机械行业中扮演着越来越重要的角色,据不完全统计调查,自04年起,3D打印机的销售量逐年增加,特别是中高端3D打印机的供应。可以预见的是,在未来几年内,3D打印机必将随着我国工业经济的发展广泛受到人们的认可,其具有非常大的发展潜力与广阔的前景。中国经济正在蓬勃发展,但与此同时,劳动力成本也在上涨,训练有素的产业工人短缺,而且培养难度较大,这无疑推动了机器人需求的快速增长。因此,国内企业对机器人的需求越来越高,如何开发和生产高性价比的产业用机械设备,成为企业和社会的重大问题。世界上较为成熟的3D打印机是由美国科学家恩里科迪尼发明的,3D打印件发展到现在已经逐步变成为一种潮流,并开始广泛应用在设计领域,尤其是动漫人物设计以及工业设计等。3D打印机可以在数小时内快速准确的完成一个模具的打印,节约了使一个新产品从构思到进入市场所需要的时间和成本。传统的3D工艺制作是通过把原材料进行消减,去除多余的部分从而制作出立体的3D模型或是磨具;而3D打印技术是通过把原材料通过堆叠来形成需要的打印物体的加法(堆积)原则。打印时,先通过电脑软件把需要打印物体的图纸转换为3D图像数据上传电脑, 之后FDM3D打印机打印喷头会根据电脑得到的图像数据开始把熔融状态的的打印丝材工整平稳有规律的挤出到打印平台上,随着打印丝材逐步挤出,挤出的熔融状态的打印丝材会逐步堆叠在一起成为一个立体物品。FDM3D打印机可以使用的打印材料多样,以环保的PLA材质最为热门,另外坚硬的ABS、韧性极佳的尼龙、仿木纹金属或软Q的弹性材料也都是FDM可以使用的,因此根据人们不同需求来打印出来各式各样的塑料玩具、饰品和金属零件、产品模型等,甚至可以用不同颜色打印材料打印出不同颜色的彩色的3D模型。随着科学技术的飞速发展FDM3D打印机的发展速度也在不断地快速发展,以及人们对FDM3D打印机的认识逐步加深使得FDM3D在市场上的需求量越来越大呈现出四个方面的发展趋势:(一)3D打印机在打印速度和打印效率正在不断的增快和优化;(二)3D打印机的价格与最初生产的3D打印机相比价格已经大大降低。一些体积小并且生产规模小的可以在家中和办公室使用的桌面式的3D打印机的价格在逐渐降低。(三)3D打印机采用的打印材料不断地丰富。比如纳米材料以及新型聚合材料甚至合成生物材料等都会在未来通过各种技术的改进从而应用于FDM3D打印机上;(四)FDM3D打印机最开始主要应用于航空航天、机械、医疗、建筑等等各个行业领域。在现在的科学技术水平下FDM3D打印机还可以用来快速制造出符合规格的汽车零件、飞机零件等具有高科技含量的零部件以及人体的皮肤、骨骼等活体组织。据专家预测,在不久的将来,小到服装、眼镜以及家具等生活常用的小件物品、大到汽车、摩托等便于出行的交通工具等各种产品都可以通过3D打印机来快速高效的生产出来。三维打印技术目前也已经被广泛应用于工业领域。截至2020年6月,3D打印技术应用于生物医学技术领域的人工骨、人工关节、人工器官和绿色能源技术领域的太阳能电池,通过三维喷墨技术来制造复杂金属制品选择性激光烧结(SLS),利用FDM技术制备了商用塑料制品等很多领域。在各种各样的3D打印方式下,FDM3D打印技术在市场上爆发式销售的原因有以下几点:坚硬的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、环保的聚乳酸(PLA)以及其他聚合物都可以用作FDM3D打印机的打印丝材;FDM3D打印机的造价便宜;不需要很高的印刷技巧,而且可以利用PC机和STL(Standard Triangulated Language)数据来制作打印件的三维结构。虽然现阶段FDM3D打印机在市场上的需求逐渐扩大。FDM3D打印机在一层一层打印物体时在打印件的边缘上形成了层槽。层槽产生以下两个问题。第一个是表面裂纹导致外观不良。二是由于内部孔隙的存在,硬度较低。因此,FDM3D打印机仅用于制作3D样品。因为FDM的主要应用是动漫人物和模型而且FDM的客户并不是公众,而是一群爱好制作3D动画的人或是使用建筑模型的建筑师和使用原型进行讨论的工程师。因此有必要创造新的、廉价的方法来完成三维打印结构的表面处理,来促进家用3D打印机的发展。通过这种方法,每个人都可以精确地打印出他们原来的产品形状取决于他们自己的设计(例如,耳机、眼镜、握把、头盔这些与个人形状相匹配的东西)。所以,需要一种可以去除打印件表层沟槽使表面光滑的新型技术。一般来说,通过打印件表面的精加工和在打印件表面上涂敷涂层来对三维打印结构进行表面处理时会遇到两种问题。第一个是无法删除内层槽而导致打印件的刚度低;第二个问题是在表面规则复杂的3D打印件上进行均匀处理很困难,虽然抛光容易去除表面的峰值,但难以填充表面的底部。所以,通常在抛光后会采用涂层工艺来填充底部。Dieste等人开发了一种自动抛光复杂形状的方法这种方法可以有效地对复杂的三维打印结构进行抛光处理。这种方法是可行的还能够去除3D打印结构表面的大部分层槽。有些3D打印机实际配备抛光装置;然而,该方法所需的装置是昂贵的,因此抵消了FDM 3D打印机的优势(即低成本和简单性)。根据它的工作原理,3D打印结构的抛光会产生灰尘,这对家庭来说是不够的,因此必须进行清洁恢复。然而,添加一个设备来回收灰尘会进一步增加成本和工作量。这些问题很重要在普通家庭中分发家用3D打印机。1.2 3D打印在国内外发展现状和趋势及工程级3D打印机的应用1.2.1 3D打印机的发展历史在历史上,各个国家都有着研究各种3D打印机的历史,而各个国家的3D打印机发展史有所不同,比如世界上第一批3D打印机诞生于英国,这是由于第一次工业革命后,英国工业迅猛发展,机械制造行业得到了飞速的提升,因此研究生产出世界上第一台3D打印机,对于机械制造行业的发展起到了重大的推动作用;而美国作为世界上的超级强国,3D打印机的质量与性能当属世界前列,起初美国研究3D打印机的目的主要是为了提高机械制造行业的市场利润,世界上第一台计算机埃尼阿克诞生于美国后,其便将计算机技术与3D打印机技术结合,生产出了世界上首台3D打印机并应用于实际生产运行中;德国同样不甘落后,它致力于引进英国和美国的3D打印机,首先建立起3D打印机实验室,将3D打印机作为研究专项进行研究制造,因此德国的3D打印机同样发展迅猛,其搬运小车的出口也一直居于世界首位【6-7】。在20世纪中叶,日本成为在美国之后大力发展3D打印机的国家之一,日本由于其经济发展迅速,仓库中机械制造需求较大众但工作人员较少,因此导致日本的机械制造行业效率较低,基于此,日本对机械制造小车的需求较为急切,政府为机械制造小车的设计提供了较多便利政策,众多科研人员全身心投入机械制造小车的设计与研发之中,在当时日本机械制造小车的设计研发技术处于亚洲领先地位。日本机械制造行业的发展对韩国同样起到了一定的推动作用,韩国在对日本机械制造小车进行研究分析后,对日本现有的机械制造小车进行了一定的改进并进行了生产,在机械制造行业中表现良好,韩国的3D打印机发展进入了稳步运行阶段。接下来对3D打印机国外历史进行详细介绍。20世纪70年代末期,美国以及日本都有学者分别独立的提出了3D打印的概念,自此3D打印机才正式有了最基础的3D打印理论框架。世界上的第一台FDM3D打印机是由美国的Scott Crump博士发明的;他在1988年成功发明了熔融沉积制造(FDM),随后他创立了Stratasys公司,FDM3D打印机紧接着开始进入商品化阶段。1993年世界上第一台FDM3D打印机被设计研制了出来。2007年美国的Stratasys公司缩小了3D打印机所需要的占地面积,降低了3D打印机的生产成本; 3D打印机的桌面化以及不再那么昂贵的使得他们走进市场进入大众的视野,为3D打印机的推广和使用做出了很大的贡献。国外的多所高校在该领域的研究也有丰富的成果。新加坡国立大学研制的PLA丝料可以运用于组织工程当中。美国南加州大学申请了通过消除FDM3D打印机在打印生产过程中打印材料堆叠产生的台阶来提高打印精度的专利。澳大利亚的斯文本科技大学成功研制出了新型的复合材料来作为FDM3D打印机的打印丝材。印度理工学院重新定义了一种打印形式;使3D打印与原始的3D打印机相比在打印某些零件时具有更大的优势。目前世界上打印精度最高的3D打印机的打印精度约为到0.01mm,在保证打印件高精度的条件下堆积速度可以达到25mm/h。博洛尼亚大学通过实验得出了极限强度和杨氏模量是影响力学性能的决定因素。EricJ,Vamsik 等人通过实验,使ABS材料可以更好的溶于水中,令FDM3D打印技术在生物领域发挥出更重要的作用。我国机械业以及其衍生产业发展较为缓慢,其机械化程度发展较为缓慢,与国外发达家相比仍具有非常大的差距。在上世纪60年代时,我国某地区研制出了一台3D打印机,在当时引起了较大轰动,但由于内外环境的影响,最终未对其进行优化设计,致使3D打印机的研制停滞不前。直到90年代我国才开始引入发达国家诸如美国等国生产出的3D打印机。值得庆幸的是,我国政府认识到工业化发展对于综合国力的提升有着重大意义,因此,我国对工业化市场加大投入,加上我国研究人员与机械设备厂的通力协作,借鉴国外知名机器人的优点与长处,引进新兴3D打印机与国外厂家进行合作研究,3D打印机得到了长足发展,直到现在为止,我国3D打印机已经应用于市场之中,给人们带来了巨大的方便【10-12】。我国一直到20世纪九十年代才逐步开始研究3D打印技术。虽然国内对3D打印技术的研究起步相对较晚,但国内各大高校对3D打印技术的积极探索已经使我们国家成为继美国、德国、日本之后打印设备研究最多的国家。北京太尔时代科技有限公司在3D打印所用的打印丝材、打印系统以及打印技术等多方面都取得很多成果。陕西恒通智能机器有限公司研制出耐高温和高速FDM3D打印机。我国的学者们也在3D打印的控制系统、打印工艺等方面的技术做了大量的研究。提出的可视化3D打印过程,使我们可以得到在打印过程中打印机的温度场以及应力场的变化过程。从而得到了对3D打印件性能的预测和分析,对优化3D打印工艺过程提供了坚实可靠的依据。现阶段我国对与FDM3D打印技术的研究主要为材料的性能、温度场以及打印路径等方面,大大增大了3D打印机的打印精度,使得我国的FDM3D打印技术迅速发展。表1.1 国内外FDM3D打印机参数对照表针对去除FDM3D打印件表面的层槽,我国的学者也做了众多的研究。浙江大学的研究学者体出了一种方法,用丙酮和溶剂熔化表面用于从用于3D打印结构3638的ABS树脂中去除层槽在装置中蒸发,并在内部放置FDM 3D打印的成品。装置中蒸发的溶剂可以均匀的熔化在3D打印结构的表面,使层槽不那么明显。这种材料作为表面熔体,可以转化为液体凝胶,穿透3D打印结构表面的裂缝。因此,这种方法在消除3D打印结构表面的裂纹方面也有一定的效果;然而,这种方法有两个问题。首先,它不允许选择性修复。因此,蒸发的溶剂均匀地处理物体的表面,从而可能把不需要去除层槽区域的层槽去除。第二个问题是浪费大量人力,物力以及时间;即安装设备所需要的花费。由于大量使用易燃丙酮,还存在重大安全风险,因此不适合在家使用或是办公室使用。据统计,FDM3D打印机所制作的产品80%都不能直接投入使用,说明FDM3D打印技术仍然存在很大的问题需要完善。其中的问题主要有:(1) 打印某些零件时需要支撑结构;但是拆除支撑结构会使打印件的表面变得粗糙甚至损坏打印件。(2) 打印喷头的散热情况存在弊端,喷头处糟糕的散热会导致熔融状态的丝材堵塞喷嘴;(3) 打印件的硬度有限;(4) 打印件会有明显的阶梯状的纹路;成品精度低。(5) 送丝机构无法既满足3D 打印机的速度需求又满足打印精度的要求。同时送丝机构在平稳匀速输出丝材方面存在欠缺;在此基础上,我国的3D打印机的研制得到了飞速发展,据不完全统计,我国3D打印机的市场占有率在与日俱增。就目前而言,我国3D打印机无论是从品种还是规格方面都有了巨大进步,但是总得来看,规模较小,生产成本较高,还未产生系统的生产线,需加大研究力度,努力提高我国机器自动化产业【12-13】。1.2.2 工程级3D打印机的应用3D打印技术与传统方法相比为制药产品制造提供了独特的优势,特别是设计个性化药物形式的能力:灵活的剂量,不同的形状,多种活性药物成分。而且,还可以提供用于口服、经皮和植入式给药的精密药物递送装置。尽管如此,与医药制造业的大规模生产竞争并非是简单的任务。毕竟FDM 3D打印机不是大规模生产的最佳解决方案。使用3D打印机高精度制作另一方面,在小规模的配制药房中,两者的速度相差很大手动封装粉末和使用打印机可能没有那么大的区别。打印机还可以采用多个打印头,可以同时打印多个单元,加快打印速度过程。三维打印过程的自动化,特别是通过FDM实现的高精度技术使得药品的印刷可能更安全。它还可以防止低质量的问题,并满足必要的要求,采取药物个性化的另一个层次。3D打印机在配制药房中的应用将使他们进入数字药店。FDM3D打印技术可以将装载有药品的丝材熔融成任何需要的剂型;并且可以很灵活的制成不同形状、有多种活性药物成分集结于一体的药物、也可以调制药物的剂量来解放人们的时间。换句话说,提供定制的药物。这项工作旨在呈现更新这项技术,讨论它的挑战。制药工业可以在必要的条件下大规模生产载药纤维质量和安全保证;而数字药店可以将细丝转化为个性化的按特定处方服药。为了实现这一点,在商业3D打印机的适应将需要满足卫生要求的药品配制出来。因此, 通过FDM3D打印技术来大批量的印刷药物制品有可能成为制药领域有史以来最大的技术飞跃。在过去的几年里,我们看到关于3D打印在(生物)分析和测量中的应用的出版物微流控研究的人越来越多。作为3D打印材料在一定程度上研究了它们基于细胞或组织的特性、和生物相容性的物理性质分析。这些实验将以通过不同的3D打印方法来实现。通过应用FDM3D打印技术可以使人们更好的发挥出自己的想象力以及创造力去制作自己脑海中突然浮现的模具或是模型又或者是动漫人物造型。还可以用于工业的样品制作;塑料零件、铸造蜡模,样件或模型。快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。还用于高端制造业领域,例如样品功能测试、试验和装配仿真模拟等。1.3 设计内容及方法(1)查阅有关FDM3D打印机的基本参数的资料,对目前市面上的FDM3D打印机的基本参数进行研究,着重了解3D打印机的不同种类,以及各种打印机的工作方式,为后面3D打印机的设计打下坚实的基础。(2)通过查阅FDM3D打印机有关的文献资料,来研究分析类似的3D打印机拆卸机构,3D打印机整体装置,以及3D打印机的基本传动方案及传动系统等,对适用的机构进行参考、改进,并从中学到结构设计的技巧,为3D打印机的创新性设计打下基础。(3)对查阅的资料和经验进行归类总结,通过对3D打印机的不同设计方案的比对,最终选择确定最佳传动方式。(4)通过资料和经验分析,如丝杠,电机的选择及确定具体的设计参数,计算强度寿命并进行校核,定量分析机构的可靠性。1.4 3D打印机设计主要内容本文主要针对3D打印机机械结构进行研究设计,完成本次3D打印机需要做一定的前期准备工作,首先要对目前市面上已有的3D打印机的性能参数进行深入研究分析,通过查阅国内外文献对3D打印机进行分析研究,运用以学到的知识分析问题解决问题。此外,需要对现有3D打印机进行实物实验,研究其传动方案等,对目前现有的3D打印机进行试验并得到实验数据,为接下来的设计提供实验数据支撑,还需制定3D打印机的整体设计方案,增强绘图能力,并对3D打印机国外水平进行分析研究,借鉴其先进水平。本文主要针对3D打印机传统设备进行整机改造设计,依据本科阶段所学的课程作为理论基础完成3D打印机的整体设计以及零部件设计。1.5 本章小结本章主要针对3D打印机的特点以及概念进行了介绍,由于打印方式存在较多问题,因此3D打印机的设计研发有着很大的应用前景。对3D打印机的基本结构与特点进行了介绍,明确了本次毕业设计所研究的主要内容,为后续的研究指明了方向。2 工程级3D打印机的结构分析2.1 整体框架的选择成型体积:600*600*400;喷头定位精度:0.01mm;Z向定位精度:0.01mm;加热板、丝杆及直线导轨轴等的总重量约15kg;最大成型体积重量:约为14KG;喷头最大运行速度:60mm/s;为了满足FDM3D打印机可以平稳的运行,且尽量不产生噪音,还要有良好的使用寿命,因此选用具有耐磨性和减震性良好的材料作为3D打印机的机架,材料采用铝合金材质,其重量轻且强度高,并且铝合金机架的结构稳定可以保证喷头长时间平稳的打印工作,强韧的合金可以满足弹性需要,让打印变得高质量。2.1.1 FDMD打印机的工作原理熔融沉积成型FDM3D打印技术又被称作快速成型打印技术。它工作原理很简单:先由送丝机构将打印丝材送入打印喷头,在打印喷头内打印丝材被已经加热的高温喷头加热融化为熔融状态,并由打印喷头挤出,同时打印喷头在计算机的控制下在打印平面内进行有规则的移动,打印出打印件的轮廓并进行填充。使熔融状态的丝材在指定为止沉积凝固成型;一层完成后,打印平台或喷头移动一个高度进行第二层的打印操作,在熔融状态的打印丝材层层堆叠后最终形成符合设计要求规格的物体。这样的打印方法让FDM3D打印机拥有了属于自己的独特的优点:(1) 系统简单便与实现。打印机的制作成本远远小于光固化粉末式技术的打印机。(2) 打印所需要的原料环保且无毒且占地面积小。适宜在办公室以及家中进行打印操作。(3) 即便是较为复杂的模型也可以很好的打印成型。(4) 打印过程均为物理变化,生产过程安全环保。(5) 目前已经拥有可以双色打印的技术,可以直接制成彩色模型。FDM也有很多缺点,如:(1) 打印件的表面有很明显的阶梯层次感,不光滑。(2) 打印速度慢,打印效率底下。(3) 对于某些打印件需要添加支撑,打印完成后支撑的去除导致支撑面显得粗糙,同时添加支撑也造成了打印所需要的原材料的增加。图2.1 FDM3D打印的原理图2.2 普通3D打印机工艺流程图3D打印技术可以直接从计算机中获取打印件的各种信息,然后通过熔融沉积完成打印件,这和传统的制作工艺完全不同,传统工艺为减材制造,浪费原材料而且会花费大量的时间。3D打印作为增材制造技术对原材料的利用率极高仅有少部分远端送丝机构会造成少量的浪费,并且3D打印不需要机械加工或模具,既可以打印任意几何结构,而且打印产品无害,体积小噪音少可以在办公室或家庭环境下操作运行,前景广泛。2.1.2 XYZ型FDM3D打印机XYZ型FDM3D打印机的3个轴的传动分别由一组步进电机带动,3个步进电机的运行相互独立互不干扰,以便于3个轴可以更加自由的传动。常见的XYZ型FDM3D打印机有:Ultimaker、Reprap、printrbot等3。(1)Ulrimaker系列的打印机:Ulrimaker系列的打印机是现阶段市场上销售量最多的机型,也是打印性能较为完整的机型。这种机型的打印平台只沿着z轴做垂直的上下移动并且打印机的打印喷头只在xy平面内工作。打印平台先先移动到打印喷头的位置,随着打印喷头打印完一层,打印平台逐步向下移动,直到打印件被完整的打印出来。图2.3 Ulrimaker系列3D打印机优点:1) 打印速度快、打印精度高;2) 打印的成品精度高,可以达到0.1mm;3) 电源、电线等可以收纳在机箱内部;外观整洁缺点:1) 打印机的安装过程复杂并且打印机损坏或不工作后的维修相对困难;2) 成本较高;(2)Reprap系列的打印机:Reprap系列的打印机在X、Y、Z三个方向上都安装有步进电机,x方向上的步进电机主要是用于控制喷头在横杆上的往复移动;z方向的步进电机用于控制喷头的上下移动;Y方向的步进电机则是带动打印平台运动完成打印。图2.4 Reprap系列3D打印机优点:1) 结构简单,组装和维修都很方便;2) 对丝杆、光轴的精度要求低;缺点:1) 该系列的机型所打印出来的的成品的精度低,而提高打印机的打印精度需要花费大量的时间和精力来调试打印平台;2) 打印机在工作时,打印模型会随着打印平台在Y轴方向移动;(3)Printrbot系列的打印件:Printrbot系列的打印机的组装精度高并且结构简单;步进电机安装在底部来降低重心。图2.5 Printrbot系列3D打印机优点:1) 结构简单,安装、维修方便;2) 精度高;缺点:1)打印时打印件随着打印平台在Y轴方向上移动;2.2 喷头、平台等关键部件的分析探讨2.2.1 喷头的设计FDM3D打印机的喷头部分应该包括进料喉管、加热电阻、打印喷嘴等组成为了使丝料可以更稳定均匀的流出还应该具有散热器、热敏电阻、散热扇。为了避免喷嘴的堵塞的问题,就需要严格控制打印喷头处的散热情况;因此,在喷头处安装有利于加快散热的散热片以及小风扇会来改善喷嘴的堵塞现象。图2.6 3D打印机喷头的设计熔融沉积成型FDM3D打印机在进行打印工作时需要先将PLA(尼龙、ABS等)打印丝料熔化为熔融状态,打印丝料就可以从喷头里流出,流出的熔融状态的打印丝料随着喷头的运动按照一定的形状进行堆积叠加,最后制作出完整的符合设计要求规格的3D打印件。因此打印丝料的流出速度是否平稳对打印件的精度起到决定性作用。作为FDM3D打印机的核心部件,打印喷头的结构对丝料出口速度的稳定性有很大的影响,进而会影响3D打印机的打印精度。打印丝材再喷头内融化为流体然后再从喷口流出。流体的流动一定是遵循质量守恒定律和能量守恒定律的。连续性方程:pt+(ux)x+(uy)y+(uz)z=0能量方程:t+utx+utx+utx=2tx2+2ty2+2tz喷头的物理模型:打印喷头的结构大致如图所示。参数包括过度圆弧半径r、整流段长度L2、喷头收敛角和喷头出口端直径d。喷头入口段圆柱段长度L1和入口端直径D为定值。图2.7 喷头结构示意图经过查阅资料发现喷头收敛角、过渡圆弧半径和整流段长度是影响丝料出口速度稳定性的结构主要集中在喷头。在过渡圆弧半径不变的情况下,喷头出口速度随着喷头收敛角的收缩角的增大变的不均匀。采用熔融沉积成型FDM3D打印机在制作某些悬空的打印件时需要制作支撑结构来使丝料可以在空中沉积凝固,因此选择使用双喷头的设计,通过一个喷头负责挤出成型材料,另外一个喷头负责挤出支撑材料,来达到节省材料成本和提高打印件成型的效率。使用更为精细质量较好的打印丝材来进行3D打印件的打印。选用较为粗糙且廉价的材料用于制作支撑结构的的材料。选用水溶性材料或比成型材料熔点低的材料来做支撑材料可以很方便地把支撑结构去除干净。2.2.2 打印平台的设计因为打印丝材是在熔融的状态下与打印平台相接触的,而熔融状态的打印丝材具有很强的黏着性,因此在打印件完成后由于与打印平台相接触的熔融状态丝材的凝固导致打印件不易于从打印平台上取下,特别是打印尺寸较大的模型。而分离不宜取下的模型时可能会损坏模型,特别是模型壁比较薄的模型。查阅资料可知,模型难以与平台分离的原因大致有4点:1) 打印平台的粘性过大;2) 打印件与打印平台的接触面面积过大;3) 喷头在打印打印件的第一层时横向位移间隔不足;4) 喷头第一层离平台太近;大致提出4种可行办法:1) 可以将平台的表面设计成波浪形等不平整的表面来降低打印件与打印平台的接触面积;2) 预先在打印平台上打孔,在平台下方附加一套负压吸附装置;3) 把打印平台做成两个部分,打印平台上方选用据有弹性的材料,在打印完成摘取模型时可以直接将模型连同打印平台上的半部分一起取下,然后只用弯曲打印件下方的打印平台就可以使打印件轻松剥离。4) 在平台上设置多个顶针,在打印机打印完成后上升顶针来使模型从打印平台上脱离。2.3 本章小结本章基于第一章3D打印机的设计任务,对3D打印机的结构进行了分析,确定了3D打印机整体框架,对打印机中关键零部件如喷头、打印平台进行了详细的设计计算,为3D打印机后续的生产提供了理论基础并减少了生产制造成本。3 总体的结构设计及修改3.1 喷头平台的设计3.1.1喷头的设计由于收敛角的大小对喷嘴出丝的稳定性影响最大,因此此次设计选用较小的喷头收敛角,较大的喷嘴的过渡圆弧半径;来改善喷头丝料出口速度稳定性,提高打印的精度。查阅资料可知在喷嘴的收敛角为15,过渡圆弧半径为3mm,整流长度为1.0mm时打印机喷头丝料出口速度最为稳定。3.1.2 打印平台的设计平台选用可分离的两部分,上半部分使用有弹性的材料;在打印完成后模型连同打印平台上半部分一起取下,然后使平台上半部分弯曲剥离。3.2 其他关键部件的设计3.2.1送丝机构的设计FDM3D打印机的送丝机构主要由卡丝轮组、第一卡丝轮和第二卡丝轮组成,为了确保送丝机构可以平稳均匀的输出丝材,采用驱动轮,即增大了送丝推力,又保证送丝可靠。在此同时还可以将热熔丝压紧,进一步减小了热熔丝打滑的可能性,提高了FDM3D打印机打印可靠性。3.2.2传动控制的选择本文设计的FDM3D打印机采用XYZ型结构的传动方式;具体方案为:喷头安装于X轴上,步进电机驱动X轴带动喷头,使喷头可以在X轴方向上自由运动;X轴安装于Z轴上,这样步进电机可以通过带动Z轴的移动进而可以使喷头在Z轴方向自由移动。在X轴和Y轴的两个步进电机共同作用下,可以实现喷头在XY平面内任意移动。打印平台沿着Y轴自由运动;同步齿形带带传动是一种挠性传动形式,它内侧的齿形与齿形带轮相啮合进行传动,带与带轮之间没有相对滑动。这种传动方式的传动比恒定而且传动效率可达高;不但结构紧凑而且耐磨性也号;预紧力小,使得轴承的受力也小等等的优点;因此传动方式选用同步齿形带带传动。图3.1 机械系统框架图3.2.3驱动器的选择由于伺服电机的造价昂贵而步进电机的特性刚好完全适用于FDMD打印机所需要的各个要求,因此选用更为廉价的步进电机来作为3D打印机的驱动器。步进电机作为FDM3D打印机的执行机构,它可以把电脉冲信号转化为角位移物理量,从而带动物体的旋转。因此我们可以通过控制电脉冲的个数来精确实现XYZ轴的位移量。步进电机的种类以及型号众多,选出合适的步进电机对打印机的打印质量和使用寿命也起到很大的影响。选择步进电机时还需要注意查看电机的额定电压和额定电流参数。当步进电机的驱动单元可以控制电流输出时,就可以使用任何比电机额定电压高的供电电压。可以通过公式:步数电机旋转一周的步数驱动板的细分数带间距步进电机上齿的数量。计算出同步带运动1mm时,步进电机的步数。然后再通过计算,修改XYZ轴电机以及挤出机的步数。图3.2 57BYG096型步进电机实物图图3.3 57BYG096型步进电机尺寸图图3.4步进电机的内部构造3.2.4滚珠丝杠的设计为了确保FDM3D打印机可以快速平稳的运行,滑轨最终选则使用TRH20直线导轨;滚珠丝杠作为经常使用的传动元件,它可以将步进电机的旋转运动转化为喷头或打印平面的直线运动,还具有可逆性和高效率的特点;此基础上滚珠丝杠又具有我们所期望的摩擦阻力小、使用寿命长、定位精度高等等的优点,因此此次设计将选用滚珠丝杠进行设计。3.3 装配体的整体修改3.3.1 丝杠的选型计算螺杆总长L=500mm将工作行程误差换算成每300mm允许的误差:0.01/400=0.0075/300e300=7.5查表得,要满足e300为7.5m,选用的精度等级为2级。电机的额定转速nmax=1000r/min;喷头的最大移动速度Vmax=3600mm/min;传动比为1,所以PhVmaxnmaxi=3.6确定导程Ph=5mm,螺杆公称直径d=20mm;由于螺母内的各圈滚珠所承受的载荷是不相等,一般来说,第一圈滚珠约承受轴向载荷的30%-45%;第二圈滚珠约承受轴向载荷的20%-30%;第三圈滚珠约承受轴向载荷的10%-20%;第四圈、第五圈滚珠实际上只承受很小的载荷或基本上不承受载荷。为了提高滚珠的流畅性,在一列的循环回路内,滚珠数应小于150个,每列工作圈数不得超过3.5圈。本次设计选用滚珠圈数ib=3。滚珠圈数:zn=ibd0db其中db=0.6Ph=6mm,带入上式得zn=39。根据得到的数据初步选用SFU2005-2型号的滚珠丝杠。3.3.2 疲劳强度校核滚珠丝杠滚道适应度frn、frs:frs=rs/db=0.55frn=rn/db=0.55轴向额定静载荷Ca:Ca=fcicos0.7z2/3db1.8tanfc额定动载荷特性值;fu工作行程系数;z一圈螺纹滚道内钢球数量;lu有效工作行程,单位为mm;其中: fc=9.32f1f211-12frs0.41fu-19+CsCn10/3-0.3CSCN=f32-1/frn2-1/frs0.41,f3=1-1+1.72f1=101-sin3,f2=0.31+1.391+1/3fu=luPni-1,=db/d0cos,z=d0db将已知数据带入以上公式计算得fc=136.70将fc带入总公式计算Ca=980转速寿命计算:FAKFL0=CA=常量对于滚珠丝杆副来说,=3,则:L0=CaFaKf=CaFaKf3L0寿命,单位为106r(百万转);KF载荷系数KF=1.0Fa轴向工作载荷Fa=(15kg+14kg)g=290N。将上述计算结果带入以上公式得L0=1374276106时间寿命计算Lh:Lh=L060nN滚珠丝杆的转速(15r/min):将已知数据带入以上公式可得:Lh=1527106h按照滚动螺旋副的寿命要求,普通机械预期寿命Lh,=500010000h,寿命条件为LhLh,该滚珠丝杆符合设计要求。3.3.3 丝杠轴向径刚度由于丝杠处于两端固定的状态,螺母在支撑中间Lz2时,K1为最小值,所以计算方法为:K1min=Ed12LzE材料的纵向弹性模量,刚的弹性模量E=2.1105N/mm2;d1丝杆螺纹内径,单位为mm;d1=d0+2e-2R计算得:d1=18.8mm。Lz支撑的距离,单位为mm;本设计为400m。将所得数据带入公式得K1min=582.94103N/mm。3.4 本章小结本章对3D打印机的具体结构进行了设计与研究,首先对喷头平台和打印平台进行了介绍,此外,对打印机中关键零部件如送丝机构、传动控制机构、驱动器以及滚珠丝杠进行了详细的计算与说明,最后对打印机中的丝杠、导轨以及丝杠螺母和电机进行了选型,完善了3D打印机的设计,为下一步的生产奠定了基础。4 配件的加工及装配4.1 配件的加工4.1.1送丝机构的设计目前的3D打印机的送丝机构有两种:近端送丝和远端送丝。 图4.1远端送丝 图4.2近端送丝近端送丝机构安装于喷头处,它的送丝控制比远程挤出更为精确;这种送丝机构对送丝系统的力矩要求也很低;但是喷头处的过多的零部件过多会导致系统不易于拆卸,而且大大增大了喷头处的重量;由于喷头处零部件的增多重量的增大使得打印机喷头的惯性增大,不利于打印机喷头在打印过程中的精确移动。远端送丝机构安装于打印机后方,因此喷头处的重量会大大降低,随着重量的降低喷头的惯性也变低,从而使得打印喷头的打印速度大大增加;定位也随之变的更加精确;远端送丝机构由于在打印机后方的机架上独立安装,因此拆卸方便,而且便于维修。然而由于送丝距离变远,因此需要使用更大力矩的电机来完成送料的工作;并且由于丝盘与喷头距离较远送丝系统中的部分丝材无法得到有效的利用而造成少量浪费。考虑到打印机的精度、是否方便维修以及能否使丝材顺畅稳定的输出等问题,最终选择远端送丝机构。4.1.2散热结构的设计热量的传递在自然界中十分普遍。热量会随着温差从温度较高的部分传递到温度较低的部分直到温差变为0。在不考虑外界因素的影响的条件下,物体内部的热流量与温差的关系可表示为:Q=qf=t/RW热电阻在对喷嘴处的打印丝材加热的过程中,喷嘴处的热量极高,而远离热电阻的部分温度却很低,热量的流动会使远离喷嘴处的喷头的温度升高提前融化打印丝材,最终导致丝材在喷头内堆积从而导致喷头堵塞。因此我们需要通过人为干涉来使原理热电阻的喷头部分进行散热处理。可以通过外加小风扇来加速喷头处热量的散失,也可以通过增大喷头的散热面积来增大散热量。为了设备的美观因此选择使用外加环形散热片来扩大散热面积。4.2 机器的装配及线路的连接3D打印机的装配步骤大致为:(1) Y轴平台组件的安装;1) 搭建底座框架;2) 使用轴固定座固定导向轴,并装入滑块;3) 安装底座平台连接板,使用螺丝将平台与滑块连接;4) 安装Y轴电机固定座;5) 安装Y轴同步带从动轮组件;6) 安装Y轴驱动电机和同步轮;7) 安装同步带与平台连接组件;8) 安装Y轴平台限位开关固定座和原点限位开关;9) 安装打印平台,装入平台连接板;(2) Z轴升降组件的安装;1) 固定两侧支撑型材;2) 固定横向型材;3) 连接正上方的连接板;4) 连接底部轴固定座连接板的连接;5) 安装Z轴固定座;6) 安装固定座连接板;7) 使用连接板和固定板组成电机固定座固定电机;8) 使用连接板连接Z轴滑块;9) 使用轴固定座连接滑块和丝杆螺母;(3) X轴挤出组件的安装;1) 安装X轴固定座;2) 安装X轴导向轴和滑块;3) 安装X轴电机固定座固定电机;4) 安装同步带轮;5) 安装X轴同步带;6) 安装Z轴原点开关固定座和原点开关;7) 安装打印喷头;8) 最后安装加热部分;(4) 控制组装与线路的连接;1) 先安装主控盒;2) 用缠绕管整理喷头部分的接线;3) 焊接Y轴步进电机线;4) 焊接Z轴步进电机线;5) 整理步进电机的走线;6) 焊接Y轴原点开关,并整理走线,插入主板;7) 焊接安装X轴原点开关;8) 焊接安装Z轴原点开关;9) 安装显示屏主控线;10) 固定显示屏控制盒,整理安装显示屏走线;4.3 本章小结本章对3D打印机配件的加工与装配进行了介绍与说明,对机器的送丝机构、散热机构和装配及线路的连接进行了设计与分析,为后续打印机的调试提供了基础。5 机器调试5.1调试步骤(1) 烧录固件;(2) 打开marlin固件,找到配置文件;(3) 找到X,Y,Z轴方向定义,根据实际情况进行修改;(4) 修改3D打印机X,Y,Z轴的最大尺寸;(5) 在修改X,Y,Z轴的脉冲数以及各轴的最大速度加速度,根据自己实际主板机构设置;(6) 编译上传;(7) 打开Simplify3D,设置自己的打印机的基本参数;(8) 打开软件的控制面板,确保连接后点X,Y,Z回到原点;(9) 通过移动X轴和Y轴到四个角,用A4纸进行调平;(10) 最后进行打印测试;5.2打印工艺流程及步骤本次产品设计出的3D打印机需具备增材制造技术实现实物模型的功能。众所周知,传统意义上的机械加工对材料的成本,设备的费用都是很高的,并且对于一些结构复杂的机构难以实现加工制造。所以此次设计选用3D打印成型技术是较为合理的。为了节约成本和便于操作,此次对打印机为FDM(熔融沉积成型)打印机进行设计,使其用于桌面办公等场所。一般来说选用打印材料为ABS。ABS这类材料是使用很普遍的塑料,成本低,可以循环利用,所以广泛应用于FDM三维打印机的使用上。步骤1:使用三维软件进行建模;本次使用SW建模,通用格式是stp/ste0p;过程中需要注意的是第一模型必须是封闭的,不是封闭的模型无法进行打印; 第二观察最大尺寸和壁厚;第三是正确的法线;步骤2:三维模型格式的转换;3D打印机能识别的格式是STL,所以我们通常将格式转换为STL;步骤3:三维模型的切片处理;常使用的切片软件为Cura。是由一系列三角面片模拟物体表面;步骤4:成型加工;将切片处理完成后的文件转换为gsd格式,存入读卡器,接着将读卡器插入FDM打印机,选择打印模式及时间,进行打印;步骤5:零件的后处理;取出实物后有支撑的去除支撑材料,接着进行打磨处理(抛光、喷漆、电镀);步骤6:打印完成。5.3 本章小结本章对3D打印机进行了调试,对3D打印机的调试步骤进行了详细说明并给出了工艺流程和步骤,对之后3D打印机的生产制造提供了一定的实际参考,为后续3D打印机的进一步研究提供了研究基础。6 结论本文中详细的介绍了对熔融沉积成型FDM3D打印机各个零部件的设计思路。叙述了FDM3D打印在世界上的发展前景以及国内外的学者们对FDM3D打印机的研究以及成就。从3D打印机的结构入手依次设计了打印机的喷头,打印平面,驱动器、送丝机构等。本次设计工作主要分为三部分:(1)熔融沉积FDM3D打印机在国内外的发展现状和趋势(2)FDM3D打印机结构的分析及选择。(3)FDM3D打印机总体的设计以及修改。熔融沉积成型FDM3D打印机主要部件的设计涉及到:(1)对打印喷头,打印平面的设计;(2)传动装置的选型和设计,包括驱动器的选择,丝杠的选择设计,传动方式的选型设计(3)其他关键部分的设计分析。 研究了老式FDM3D打印机会面对的如喷头堵塞、打印件拆卸问题等诸多问题,并提出改进方案。对滚珠丝杠进行了选型计算、疲劳强度校核计算等等。由于此次的毕业设计处于疫情的特殊时刻,大部分的资料和参考都在网上进 行,有很多的资料不能完整查阅,设计中也存在很多漏洞。尽管作者对3D打印机的设计进行了一定研究,但由于作者时间与经验不足,3D打印机仍需对进行深入研究。 此次的设计让我巩固了已有的知识,对FDM3D打印机的构造以及驱动器、传动方式、丝杠等零部件有了很深刻的认识。参考文献1刘鸿文.材料力学第4版M.高等教育出版社,2009:;33-372哈尔滨工业大学,天津大学.机床设计图册M.上海科学技术出板社上海纺织工学院出版社,19793郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础M.机械工业出版社,1997;53-564吴宗泽等.机械设计第4版M.高等教育出版社,2011;101-1035邹青等.机械制造技术基础课程设计指南M.机械工业出版社,20026寇尊权.机械设计课程设计M.吉林科学技术出版社,19997王新义.经济型数控机床系统设计M.机械工业出版社,19938吴振彪.机电综合设计指导M.中国人民大学出版社,20009杨黎明等.机电体化系统设计手册M.国防工业大学北出版社,199510邹建风.光固化成
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