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本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
論文題目：FDM型3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué) 院：
專業(yè)班級：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
開題時間： 年04月
1.1課題的意義
3D打印(3D printing，又稱三維打印)是一種快速成形技術(shù)，由意大利發(fā)明家恩里科·迪尼設(shè)計發(fā)明，理論上這款打印機可以打印出任何東西[1]。它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，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構(gòu)造物體。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期就己出現(xiàn)，但由于價格昂貴，技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推普及。經(jīng)過20多年的發(fā)展，該技術(shù)已更加嫻熟、精確，且價格有所降低。
目前，3D打印技術(shù)己經(jīng)應(yīng)用到許多學(xué)科領(lǐng)域，在生產(chǎn)應(yīng)用方面有著巨大的潛力。3D打印技術(shù)在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科及醫(yī)療方面都能得到廣泛的應(yīng)用[2]。
工程師和工業(yè)設(shè)計師利用3D打印將設(shè)計方案轉(zhuǎn)換為原型并測試;外科醫(yī)生使用3D打印制作器官模型以協(xié)助策劃復(fù)雜的手術(shù)方案;考古學(xué)家和博物館的技師利用3D打印制作珍貴文物的復(fù)制品，并在此基礎(chǔ)上開展研究。這樣的創(chuàng)新應(yīng)用正不斷進入大眾的視野[3]。
3D打印也為教育行業(yè)打開了一扇新窗，一些教育機構(gòu)和組織正在研究。探索如何將該技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)和學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅可以享受到這種最新潮技術(shù)輔助教學(xué)的便利以及各種創(chuàng)新用法，還可以此作為促進他們學(xué)習(xí)設(shè)計技能的推動力，更會對他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響[3]。
第三次工業(yè)革命又稱為數(shù)字化革命?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)達、手機的普及正將我們包裹在用數(shù)字構(gòu)成的縱橫交錯大網(wǎng)中。在這個階段，制造業(yè)會受到影響，發(fā)生巨大變化，商品的制作方式將改變，就業(yè)格局也將打破[1]。
3D打印機也將改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式以及企業(yè)之間的生產(chǎn)關(guān)系，同時為創(chuàng)業(yè)者提供更多的機會，打破傳統(tǒng)創(chuàng)業(yè)時遇到的困難。大企業(yè)可以不用通過遷廠和在其它國家購買零部件來降低生產(chǎn)成本，尤其能鼓勵一部分制造行業(yè)回遷發(fā)達國家。小企業(yè)也隨著制造業(yè)小批量生產(chǎn)可能變得更加劃算，而也有了和大企業(yè)競爭、抗衡的機會，甚至懷揣老板夢的打工一族也可以不用因為沒有雄厚的資金而停止對夢想的追逐。不管大件物品還是小件物品都無需在生產(chǎn)車間進行生產(chǎn)，不管是辦公室、商店或者是自己的家里，任何地方，都可以根據(jù)自己的需要選擇而沒有地域限制[1]。
基于以上的論述，3D打印機對制造業(yè)的發(fā)展已帶來革命性的發(fā)展，其意義主要體現(xiàn)在以下三個方面：
一是制造工藝的深刻變革。3D打印的特點在于通過逐層堆積材料進行加工，而不是通過去除多余材料進行加工。因此，這項工藝也被稱作“堆積制造”或“添加制造”。這改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時問，帶來了制造工藝的深刻變革。
二是制造技術(shù)的重大飛躍。3D打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識，3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動包括新材料技術(shù)、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實現(xiàn)大的飛躍。
三是制造模式的一次“革命”。3D打印作為一種新的加工工藝，將改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3D打印機的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場的時問，產(chǎn)品用戶只要簡單下載設(shè)計圖在數(shù)小時內(nèi)通過3D打印將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要庫存大量的零部件，不需要大量的工人[4]。
1.2課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 3D打印機的總體發(fā)展趨勢
3D打印機的總體發(fā)展趨勢是更小巧，更便宜，更具有普及化。發(fā)展路線是由實驗室走向企業(yè)，由軍工向重工繼而向民用。越來越貼近的走進我們的生活之中。
如在尺寸方面，這項技術(shù)變得更小巧，尤其是在噴塑打印機這一類[5]。
在價格方面，在近24個月里，價格跌到了3D打印吸引更廣泛受眾的價位[5]。
能夠打印工業(yè)制造原型的商用機型以前價格一度高達10萬美元，如今起價只要約15000美元，而面向愛好者和教育市場的個人3D打印機售價更是不到1500美元[5]。
在使用方面則更具普及化，目前3D打印技術(shù)支持多種材料，可以廣泛應(yīng)用在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科、醫(yī)療甚至美食等不同領(lǐng)域[6]。
1．2．2國外3D打印機的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
對于3D打印機在國外的發(fā)展情況，整體上要領(lǐng)先國內(nèi)。這種領(lǐng)先不僅體現(xiàn)在純粹的技術(shù)方面。而更加體現(xiàn)在普及度，市場化和商業(yè)化等方面。
3D打印技術(shù)經(jīng)過十多年的探索與發(fā)展，日前能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。當(dāng)然受到噴墨打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，目前較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達24位。
2010年2月，Invetech公司和Crganovo醫(yī)學(xué)公司合作，研制出了首臺商業(yè)化的3D生物打印機，對提取的活體進行組合排列，打印出所需要的細(xì)胞，誤差可以控制在20微米之內(nèi)，能夠打印人體的組織和器官，包括動脈和靜脈而管以及小到牙齒、大到血管網(wǎng)在內(nèi)的身體器官。
2010年5月。意大利發(fā)明家恩眼科·迪尼成功研制出一種叫做“D外形”的大型二維打印機，能夠掃印山整個立體建筑體?！癉外形”二維打印機的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴灑出沙子和鎂質(zhì)鉆合物薄層。打印機噴頭打印出的每個薄層僅有5—10毫米厚，通過一層層地將黏合物和沙子結(jié)合，可逐漸鑄成石質(zhì)固體，最終形成與巖石一樣堅固的石質(zhì)建筑物，已建造出內(nèi)曲線、分割體導(dǎo)管和中空柱等各種建筑結(jié)構(gòu)，且打印建筑物的速度是普通建筑方法的4倍，幾乎不會產(chǎn)生廢棄物，十分環(huán)保。
2010年9月，美國科學(xué)家發(fā)明了一種可打印出塑料立體物品的3D打印機，美國醫(yī)療行業(yè)生產(chǎn)模型公司用3D打印機“打印”出擁有完美功能的假肢。
2010年11月，美國與加拿大兩家公司研制成功全球首輛利用3D打印枝術(shù)制造的Urbee雙座汽車。Urbee用電池和汽油作為混合動力，每加侖汽油能夠在高速公路上行駛320公里。
2010年12月，美國康奈爾大學(xué)科研人員研制出3D食物打印機，只要把“食物墨水”預(yù)先放進一組注射器內(nèi)，再下載食譜軟件“FabApp”，機器便會根據(jù)電子設(shè)計圖，結(jié)合計算機輔助設(shè)計軟件，令各種“墨水”按照指令準(zhǔn)確落墨，逐行逐層“打印”出立體食物。
2011年1月，美國公司開發(fā)出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印機，能在幾分鐘內(nèi)用塑料打造出結(jié)構(gòu)簡單的塑料物品。如浴缸、塑料瓶、鏡框、支架墊、螺帽等，以及任何幾何形狀物休。
2011年1月，麻省理工學(xué)院媒體實驗室的研究人員使用了一臺Objec公司生產(chǎn)的Connex500成功“打印”出了一只長笛。
2011年6月，時裝設(shè)計師瑪麗黃與3D模型專家詹娜費瑟利用Rhino 3DCAD設(shè)計軟件創(chuàng)造出3D打印泳衣的藍圖，然后通過3D打印機打印出比基尼泳衣，最薄處僅為0.7毫米。由于使用了尼龍12材料，質(zhì)地非常柔軟而且不易破裂。
2011年7月，英國倫敦皇家藝術(shù)學(xué)院設(shè)計專業(yè)學(xué)生設(shè)計山“太陽能燒結(jié)”3D打印機。能在全自動的情況下將陽光和沙子轉(zhuǎn)化成玻璃制品。它運用了燒結(jié)技術(shù)。先是將一些沙子加熱至熔點，然后再將它們冷卻并凝結(jié)成固體（即變成玻璃）。此外，這臺3D打印機還能自動移動到合適的位置，以獲取最多的大陽光射線融化。
2011年7月，英國?？撕卮髮W(xué)的研究人員開發(fā)出世界第一款使用液態(tài)巧克力作為“油墨”的 "3D巧克力打印機”?？梢源蛴〕黾扔袑嵱霉πв植环κ秤脙r值的巧克力日用品和服裝。
2011年7月，美國明尼蘇達州廠商開發(fā)出Stratasys Fortes 250mc 3D打印機。它使用ABSplus塑料進行3D打印，可注入多種顏色的塑料，支持0.007英寸、0.01英寸和0.013英寸3種厚度的單層材料輸出，可以打印出形狀較為準(zhǔn)確的磨具、工藝品。
2011年8月，英國南安普敦大學(xué)的工程師設(shè)計并放飛了世界第一架“打印”出來的飛機“SULSA”，這是一種無人駕駛飛機，整個結(jié)構(gòu)均采用這種“打印”方式，包括機翼、整體控制面和艙門。“SULSA”使用ROS ROSINT P730尼龍激光燒結(jié)機打印，通過層層打印的方式，整架飛機可在幾分鐘內(nèi)完成組裝并且無須任何工具。這款電動機翼展2米，最高時速接近160公里[7]。
目前的全球3D打印機行業(yè)，美國ZCorporation和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占有絕大多數(shù)市場份額。美國Stratasys公司率先推出了基于FDM技術(shù)的快速成型機，并很快發(fā)布了基于FDM的Dimension系列3D打印機。FDM枝術(shù)有其得天獨厚的優(yōu)勢，適合汽車、家電電動工具、機械加工、精密鑄造及工藝品制作等領(lǐng)域。
第一臺商用的3D打印機出現(xiàn)在1986年，但3D打印技術(shù)的真正確立是以美國麻省理工大學(xué)的Scans E.M.和CimaMJ.等人于1991年申報的關(guān)于三維打印專利為標(biāo)志的。目前，在3D打印領(lǐng)域比較著名的公司有3DSystem、Z-corporation等。
經(jīng)歷十多年的探索和發(fā)展后，3D打印無論在技術(shù)、造價，還是應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了長足的進步。在打印技術(shù)方面，目前，主流打印機能夠在0.01 mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi分辨率的打印精度，較先進的產(chǎn)品己經(jīng)具備每小時1英寸以上的垂直打印速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印iii用于打印的材料涵蓋從石料。金屬到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，己經(jīng)開發(fā)出的可打印材料約為14類，可混搭出一百多種耗材。在造價方面，3D打印機的售價正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售價己經(jīng)下降到2199美元，高端的Replicator 2X也僅售2799美元，預(yù)計幾年后家用型的3D打印會降價到100美元以內(nèi)[3]。
瑪麗·華盛頓大學(xué)的教師在 2012年的設(shè)計入門課程中使用3D打印機作為學(xué)習(xí)環(huán)境。由學(xué)生掃描實物或自己設(shè)計出物品，打印出原型，并在此基礎(chǔ)上試驗和改進。在FullSail大學(xué)，學(xué)生們使用該技術(shù)制作3D漫畫人物，他們利用三維軟件設(shè)計人偶并打印出塑料模型。美國弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生通過3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機并成功試飛，飛機的所有零部件都是通過3D打印制造的。美國國家科學(xué)基金會(NSF)的數(shù)字圖書館項目提供了很多3D動物和器官結(jié)構(gòu)模型，包括無脊椎和脊椎生物，很多是己滅絕生物。該項目的參與者正在掃描并打印復(fù)制占人類化石。哈佛大學(xué)博物館的研究人員也在利用計算機為收集到的殘缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出復(fù)制品[3]。
同時國外3D打印機的商業(yè)化、普及化、工業(yè)應(yīng)用上也發(fā)展的相對成熟。美國的3DSystems公司這些年不僅將市場放在重工方面，除了生產(chǎn)價值500萬的重工產(chǎn)品外，還生產(chǎn)可以打印吉他等玩具的產(chǎn)品。3DSystems公司為消費者提供了結(jié)合功能性和適應(yīng)性的最佳產(chǎn)品，他們推出的打印機無須組裝，使用簡單的“彩色圖木”設(shè)計界而進行操作。毫無疑問，家長們希望自己的孩子玩的東西，不要像高中手工課的組裝作品那么復(fù)雜。除了簡單，3DSystems公司還推出預(yù)先制作的應(yīng)用程序，提供給最有創(chuàng)意的Cube 3D打印機用戶，讓他們使用免費軟件自己繪制設(shè)計圖。同時該公司的BoM HBD打印機也提供按需定制的服務(wù)。對于企業(yè)用戶來說，3DSystems公司還為他們提供了在網(wǎng)上銷售設(shè)計產(chǎn)品的渠道。這些在行業(yè)中的主導(dǎo)優(yōu)勢，讓3DSystems公司一直運行良好，目前的毛利潤率接近50% [7]。
1．2．3國內(nèi)3D打印機的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代，我國國內(nèi)有多所高校自主研發(fā)RP技術(shù)，但是沒有一款達到國際水平的3D打印機成功推向市場。清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué)理論。SSM分層實體制造、FDM上藝，并開展了基于SL工藝金屬模具的研究;華中科技大學(xué)研究LOM(分層實體制造)工藝，推出了HRP系列成型機和成型材料;西安交通大學(xué)開發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。我國港臺地區(qū)的很多高校、企業(yè)都有自己的3D打印設(shè)備，RP技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，但并非自主研發(fā)[7]。
在中國的大學(xué)校園中有很多的實驗室或研發(fā)中心，華中科技大學(xué)的快速成型機制造中心成立于1991年，到現(xiàn)在整整21年，在這一過程中研發(fā)了不少的3D打印機。2000年，該中心研發(fā)出0.1m×0.1m工作面的基于粉末床的快速制造裝備，2003年，擴大到0.5m×0.5m，超過了當(dāng)時代表國際先進水平的美國3DSystems公司，2005年以后，工作面達到1m×1m以上，據(jù)媒體稱，這一產(chǎn)品的問世遠遠超過國外同類裝備水平[8]。
但在商業(yè)化和普及化方面，我國的發(fā)展卻不及國外的水平。
例如將這些成品產(chǎn)品化，似乎將會帶了一次新的制造業(yè)革命，事實上，我國普通民眾對它還知之甚少。
同時我國也存在市場錯位的問題。由于史玉升研究團隊研制出了世界上最大的3D打印機，中央電視臺《我愛發(fā)明》節(jié)目組專門為他們做了一期節(jié)目，制作平時常用的生活用品，讓人們對未來有無限的想象，也勾起了大眾對3D打印機進入普通家庭的遐想，然而市場反應(yīng)讓人失望。目前在A股上市公司中僅一家直接涉及到該領(lǐng)域，其中南風(fēng)股份和中航重工主要依托于北京航空航天大學(xué)王華明的團隊，華中數(shù)控主要依托于華中科技大學(xué)的史玉升研究團隊，隨著這幾家公司宣布進入3D打印領(lǐng)域，他們的股價短期上漲后便開始大幅同落。這三家上市公司將市場放在了軍工、航空、核電等方面，民用方面無人問津[8]。
所以我國3D打印機的發(fā)展不僅要在技術(shù)方面要有長足的發(fā)展，繼續(xù)突破，追趕世界水平。同時，在市場營銷，產(chǎn)品推廣，使用普及方面也應(yīng)該有所發(fā)展。
1.3課題的目的
通過對國內(nèi)外目前3D打印機的發(fā)展水平的分析，此次課題的目的首先是在技術(shù)方面進行探索，進行3D打印機的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計。同時也應(yīng)對3D打印機的推廣及普及有所作用。
2. 主要工作及理論方法
本文運用機械設(shè)計、機械制造等的基本理論及相關(guān)知識，對3D打印機結(jié)構(gòu)進行研究及設(shè)計。該論文的主要內(nèi)容包括：
(1)整體尺寸的確定；
(2)動力及傳動方法選擇及確定；
(3)進料裝置設(shè)計；
(4)機床防護門的設(shè)計。
3. 預(yù)計困難及解決方法
(1)首先自己之前對3D打印技術(shù)了解較少，也沒有過全面的對實物的觀測，對3D打印機的具體結(jié)構(gòu)比較朦朧。應(yīng)該通過多看相關(guān)的書籍，查看相關(guān)資料，以及向老師請教；
(2)英文文獻相關(guān)資料少，查找比較困難，英語水平有限，翻譯需要些時間；
(3)缺乏設(shè)計經(jīng)驗和方法,在實際的工作過程中可能還會遇到很多沒有考慮到的問題。
4. 進度安排
步驟
周次
工 作 內(nèi) 容 安 排
1
3月17日-3月23日
查閱資料，了解課題內(nèi)容
2
3月24日-3月30日
按要求完成外文資料的翻譯
3
3月31日-4月6日
在了解相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，完成開題報告的撰寫
4
4月7日-4月13日
總體結(jié)構(gòu)方案討論，初步確定
5
4月14日-4月20日
總體支撐方案設(shè)計
6
4月21日-4月27日
傳動方式的計算機確定
7
4月28日-5月4 日
托板（工作臺）傳動及運動設(shè)計與計算
8
5月5日-5月11日
工作臺關(guān)鍵件校核
9
5月12日-5月18日
打印頭部分傳動及運動設(shè)計與計算
10
5月19日-5月25日
打印頭部分與關(guān)鍵件校核
11
5月26日-6月1 日
總裝圖設(shè)計及校對
12
6月2日-6月8 日
部件圖設(shè)計及校對
13
6月9日-6月15日
撰寫論文
14
6月16日-6月22日
論文及圖紙的完善、修改
15
6月23日-6月29日
準(zhǔn)備答辯
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指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日