FDM型3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含開(kāi)題及3張CAD圖
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XX設(shè)計(jì)（XX）開(kāi)題報(bào)告
論文題目：FDM型3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
專(zhuān)業(yè)班級(jí)：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
開(kāi)題時(shí)間： 年04月
1.1課題的意義
3D打印(3D printing，又稱(chēng)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(jì)發(fā)明，理論上這款打印機(jī)可以打印出任何東西[1]。它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)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(jià)格昂貴，技術(shù)不成熟，早期并沒(méi)有得到推普及。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，該技術(shù)已更加?jì)故臁⒕_，且價(jià)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(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車(chē)、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(jì)師利用3D打印將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換為原型并測(cè)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(kāi)展研究。這樣的創(chuàng)新應(yīng)用正不斷進(jìn)入大眾的視野[3]。
3D打印也為教育行業(yè)打開(kāi)了一扇新窗，一些教育機(jī)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(jìn)他們學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)技能的推動(dòng)力，更會(huì)對(duì)他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來(lái)的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[3]。
第三次工業(yè)革命又稱(chēng)為數(shù)字化革命?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)達(dá)、手機(jī)的普及正將我們包裹在用數(shù)字構(gòu)成的縱橫交錯(cuò)大網(wǎng)中。在這個(gè)階段，制造業(yè)會(huì)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(jī)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(shí)為創(chuàng)業(yè)者提供更多的機(jī)會(huì)，打破傳統(tǒng)創(chuàng)業(yè)時(shí)遇到的困難。大企業(yè)可以不用通過(guò)遷廠(chǎng)和在其它國(guó)家購(gòu)買(mǎi)零部件來(lái)降低生產(chǎn)成本，尤其能鼓勵(lì)一部分制造行業(yè)回遷發(fā)達(dá)國(guó)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(jìng)爭(zhēng)、抗衡的機(jī)會(huì)，甚至懷揣老板夢(mèng)的打工一族也可以不用因?yàn)闆](méi)有雄厚的資金而停止對(duì)夢(mèng)想的追逐。不管大件物品還是小件物品都無(wú)需在生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)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(méi)有地域限制[1]。
基于以上的論述，3D打印機(jī)對(duì)制造業(yè)的發(fā)展已帶來(lái)革命性的發(fā)展，其意義主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
一是制造工藝的深刻變革。3D打印的特點(diǎn)在于通過(guò)逐層堆積材料進(jìn)行加工，而不是通過(guò)去除多余材料進(jìn)行加工。因此，這項(xiàng)工藝也被稱(chēng)作“堆積制造”或“添加制造”。這改變了通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時(shí)問(wèn)，帶來(lái)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(shí)，3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動(dòng)包括新材料技術(shù)、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實(shí)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(xiàn)為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個(gè)性化、定制化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3D打印機(jī)的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)問(wèn)，產(chǎn)品用戶(hù)只要簡(jiǎn)單下載設(shè)計(jì)圖在數(shù)小時(shí)內(nèi)通過(guò)3D打印將產(chǎn)品“打印”出來(lái)，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)，不需要庫(kù)存大量的零部件，不需要大量的工人[4]。
1.2課題的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 3D打印機(jī)的總體發(fā)展趨勢(shì)
3D打印機(jī)的總體發(fā)展趨勢(shì)是更小巧，更便宜，更具有普及化。發(fā)展路線(xiàn)是由實(shí)驗(yàn)室走向企業(yè)，由軍工向重工繼而向民用。越來(lái)越貼近的走進(jìn)我們的生活之中。
如在尺寸方面，這項(xiàng)技術(shù)變得更小巧，尤其是在噴塑打印機(jī)這一類(lèi)[5]。
在價(jià)格方面，在近24個(gè)月里，價(jià)格跌到了3D打印吸引更廣泛受眾的價(jià)位[5]。
能夠打印工業(yè)制造原型的商用機(jī)型以前價(jià)格一度高達(dá)10萬(wàn)美元，如今起價(jià)只要約15000美元，而面向愛(ài)好者和教育市場(chǎng)的個(gè)人3D打印機(jī)售價(jià)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(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車(chē)、航天、牙科、醫(yī)療甚至美食等不同領(lǐng)域[6]。
1．2．2國(guó)外3D打印機(jī)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
對(duì)于3D打印機(jī)在國(guó)外的發(fā)展情況，整體上要領(lǐng)先國(guó)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(chǎng)化和商業(yè)化等方面。
3D打印技術(shù)經(jīng)過(guò)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(shì)必不會(huì)很快，目前較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)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(shí)現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達(dá)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(tái)商業(yè)化的3D生物打印機(jī)，對(duì)提取的活體進(jìn)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(dòng)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(jī)，能夠掃印山整個(gè)立體建筑體?！癉外形”二維打印機(jī)的底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，可噴灑出沙子和鎂質(zhì)鉆合物薄層。打印機(jī)噴頭打印出的每個(gè)薄層僅有5—10毫米厚，通過(guò)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(jiān)固的石質(zhì)建筑物，已建造出內(nèi)曲線(xiàn)、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(huì)產(chǎn)生廢棄物，十分環(huán)保。
2010年9月，美國(guó)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(jī)，美國(guó)醫(yī)療行業(yè)生產(chǎn)模型公司用3D打印機(jī)“打印”出擁有完美功能的假肢。
2010年11月，美國(guó)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(chē)。Urbee用電池和汽油作為混合動(dòng)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(guó)康奈爾大學(xué)科研人員研制出3D食物打印機(jī)，只要把“食物墨水”預(yù)先放進(jìn)一組注射器內(nèi)，再下載食譜軟件“FabApp”，機(jī)器便會(huì)根據(jù)電子設(shè)計(jì)圖，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(guó)公司開(kāi)發(fā)出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印機(jī)，能在幾分鐘內(nèi)用塑料打造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室的研究人員使用了一臺(tái)Objec公司生產(chǎn)的Connex500成功“打印”出了一只長(zhǎng)笛。
2011年6月，時(shí)裝設(shè)計(jì)師瑪麗黃與3D模型專(zhuān)家詹娜費(fèi)瑟利用Rhino 3DCAD設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)造出3D打印泳衣的藍(lán)圖，然后通過(guò)3D打印機(jī)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(guó)倫敦皇家藝術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)山“太陽(yáng)能燒結(jié)”3D打印機(jī)。能在全自動(dòng)的情況下將陽(yáng)光和沙子轉(zhuǎn)化成玻璃制品。它運(yùn)用了燒結(jié)技術(shù)。先是將一些沙子加熱至熔點(diǎn)，然后再將它們冷卻并凝結(jié)成固體（即變成玻璃）。此外，這臺(tái)3D打印機(jī)還能自動(dòng)移動(dòng)到合適的位置，以獲取最多的大陽(yáng)光射線(xiàn)融化。
2011年7月，英國(guó)?？撕卮髮W(xué)的研究人員開(kāi)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(jī)”。可以打印出既有實(shí)用功效又不乏食用價(jià)值的巧克力日用品和服裝。
2011年7月，美國(guó)明尼蘇達(dá)州廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出Stratasys Fortes 250mc 3D打印機(jī)。它使用ABSplus塑料進(jìn)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(guó)南安普敦大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)并放飛了世界第一架“打印”出來(lái)的飛機(jī)“SULSA”，這是一種無(wú)人駕駛飛機(jī)，整個(gè)結(jié)構(gòu)均采用這種“打印”方式，包括機(jī)翼、整體控制面和艙門(mén)?！癝ULSA”使用ROS ROSINT P730尼龍激光燒結(jié)機(jī)打印，通過(guò)層層打印的方式，整架飛機(jī)可在幾分鐘內(nèi)完成組裝并且無(wú)須任何工具。這款電動(dòng)機(jī)翼展2米，最高時(shí)速接近160公里[7]。
目前的全球3D打印機(jī)行業(yè)，美國(guó)ZCorporation和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占有絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。美國(guó)Stratasys公司率先推出了基于FDM技術(shù)的快速成型機(jī)，并很快發(fā)布了基于FDM的Dimension系列3D打印機(jī)。FDM枝術(shù)有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，適合汽車(chē)、家電電動(dòng)工具、機(jī)械加工、精密鑄造及工藝品制作等領(lǐng)域。
第一臺(tái)商用的3D打印機(jī)出現(xiàn)在1986年，但3D打印技術(shù)的真正確立是以美國(guó)麻省理工大學(xué)的Scans E.M.和CimaMJ.等人于1991年申報(bào)的關(guān)于三維打印專(zhuān)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(wú)論在技術(shù)、造價(jià)，還是應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在打印技術(shù)方面，目前，主流打印機(jī)能夠在0.01 mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi分辨率的打印精度，較先進(jìn)的產(chǎn)品己經(jīng)具備每小時(shí)1英寸以上的垂直打印速率，并可實(shí)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(kāi)發(fā)出的可打印材料約為14類(lèi)，可混搭出一百多種耗材。在造價(jià)方面，3D打印機(jī)的售價(jià)正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售價(jià)己經(jīng)下降到2199美元，高端的Replicator 2X也僅售2799美元，預(yù)計(jì)幾年后家用型的3D打印會(huì)降價(jià)到100美元以?xún)?nèi)[3]。
瑪麗·華盛頓大學(xué)的教師在 2012年的設(shè)計(jì)入門(mén)課程中使用3D打印機(jī)作為學(xué)習(xí)環(huán)境。由學(xué)生掃描實(shí)物或自己設(shè)計(jì)出物品，打印出原型，并在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)和改進(jìn)。在FullSail大學(xué)，學(xué)生們使用該技術(shù)制作3D漫畫(huà)人物，他們利用三維軟件設(shè)計(jì)人偶并打印出塑料模型。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生通過(guò)3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛，飛機(jī)的所有零部件都是通過(guò)3D打印制造的。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的數(shù)字圖書(shū)館項(xiàng)目提供了很多3D動(dòng)物和器官結(jié)構(gòu)模型，包括無(wú)脊椎和脊椎生物，很多是己滅絕生物。該項(xiàng)目的參與者正在掃描并打印復(fù)制占人類(lèi)化石。哈佛大學(xué)博物館的研究人員也在利用計(jì)算機(jī)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(shí)國(guó)外3D打印機(jī)的商業(yè)化、普及化、工業(yè)應(yīng)用上也發(fā)展的相對(duì)成熟。美國(guó)的3DSystems公司這些年不僅將市場(chǎng)放在重工方面，除了生產(chǎn)價(jià)值500萬(wàn)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(fèi)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(jī)無(wú)須組裝，使用簡(jiǎn)單的“彩色圖木”設(shè)計(jì)界而進(jìn)行操作。毫無(wú)疑問(wèn)，家長(zhǎng)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(jiǎn)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(jī)用戶(hù)，讓他們使用免費(fèi)軟件自己繪制設(shè)計(jì)圖。同時(shí)該公司的BoM HBD打印機(jī)也提供按需定制的服務(wù)。對(duì)于企業(yè)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，3DSystems公司還為他們提供了在網(wǎng)上銷(xiāo)售設(shè)計(jì)產(chǎn)品的渠道。這些在行業(yè)中的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，讓3DSystems公司一直運(yùn)行良好，目前的毛利潤(rùn)率接近50% [7]。
1．2．3國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代，我國(guó)國(guó)內(nèi)有多所高校自主研發(fā)RP技術(shù)，但是沒(méi)有一款達(dá)到國(guó)際水平的3D打印機(jī)成功推向市場(chǎng)。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(shí)體制造、FDM上藝，并開(kāi)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(shí)體制造)工藝，推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料;西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹(shù)脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。我國(guó)港臺(tái)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(guó)的大學(xué)校園中有很多的實(shí)驗(yàn)室或研發(fā)中心，華中科技大學(xué)的快速成型機(jī)制造中心成立于1991年，到現(xiàn)在整整21年，在這一過(guò)程中研發(fā)了不少的3D打印機(jī)。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(kuò)大到0.5m×0.5m，超過(guò)了當(dāng)時(shí)代表國(guó)際先進(jìn)水平的美國(guó)3DSystems公司，2005年以后，工作面達(dá)到1m×1m以上，據(jù)媒體稱(chēng)，這一產(chǎn)品的問(wèn)世遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)外同類(lèi)裝備水平[8]。
但在商業(yè)化和普及化方面，我國(guó)的發(fā)展卻不及國(guó)外的水平。
例如將這些成品產(chǎn)品化，似乎將會(huì)帶了一次新的制造業(yè)革命，事實(shí)上，我國(guó)普通民眾對(duì)它還知之甚少。
同時(shí)我國(guó)也存在市場(chǎng)錯(cuò)位的問(wèn)題。由于史玉升研究團(tuán)隊(duì)研制出了世界上最大的3D打印機(jī)，中央電視臺(tái)《我愛(ài)發(fā)明》節(jié)目組專(zhuān)門(mén)為他們做了一期節(jié)目，制作平時(shí)常用的生活用品，讓人們對(duì)未來(lái)有無(wú)限的想象，也勾起了大眾對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)入普通家庭的遐想，然而市場(chǎng)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(tuán)隊(duì)，華中數(shù)控主要依托于華中科技大學(xué)的史玉升研究團(tuán)隊(duì)，隨著這幾家公司宣布進(jìn)入3D打印領(lǐng)域，他們的股價(jià)短期上漲后便開(kāi)始大幅同落。這三家上市公司將市場(chǎng)放在了軍工、航空、核電等方面，民用方面無(wú)人問(wèn)津[8]。
所以我國(guó)3D打印機(jī)的發(fā)展不僅要在技術(shù)方面要有長(zhǎng)足的發(fā)展，繼續(xù)突破，追趕世界水平。同時(shí)，在市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)，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(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外目前3D打印機(jī)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(jìn)行探索，進(jìn)行3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)。同時(shí)也應(yīng)對(duì)3D打印機(jī)的推廣及普及有所作用。
2. 主要工作及理論方法
本文運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等的基本理論及相關(guān)知識(shí)，對(duì)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究及設(shè)計(jì)。該論文的主要內(nèi)容包括：
(1)整體尺寸的確定；
(2)動(dòng)力及傳動(dòng)方法選擇及確定；
(3)進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)；
(4)機(jī)床防護(hù)門(mén)的設(shè)計(jì)。
3. 預(yù)計(jì)困難及解決方法
(1)首先自己之前對(duì)3D打印技術(shù)了解較少，也沒(méi)有過(guò)全面的對(duì)實(shí)物的觀測(cè)，對(duì)3D打印機(jī)的具體結(jié)構(gòu)比較朦朧。應(yīng)該通過(guò)多看相關(guān)的書(shū)籍，查看相關(guān)資料，以及向老師請(qǐng)教；
(2)英文文獻(xiàn)相關(guān)資料少，查找比較困難，英語(yǔ)水平有限，翻譯需要些時(shí)間；
(3)缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和方法,在實(shí)際的工作過(guò)程中可能還會(huì)遇到很多沒(méi)有考慮到的問(wèn)題。
4. 進(jìn)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(kāi)題報(bào)告的撰寫(xiě)
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(jì)
6
4月21日-4月27日
傳動(dòng)方式的計(jì)算機(jī)確定
7
4月28日-5月4 日
托板（工作臺(tái)）傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算
8
5月5日-5月11日
工作臺(tái)關(guān)鍵件校核
9
5月12日-5月18日
打印頭部分傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)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(jì)及校對(duì)
12
6月2日-6月8 日
部件圖設(shè)計(jì)及校對(duì)
13
6月9日-6月15日
撰寫(xiě)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
5.參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
密級(jí)：
FDM型3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Design of Mechanical Structure for FDM-type 3D Printer
學(xué) 院：
專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
學(xué) 生 姓 名：
指 導(dǎo) 教 師：
II
摘 要
課題以FDM型3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要工作。通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)在工作過(guò)程中所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)后，便可滿(mǎn)足3D打印機(jī)打印功能的基本要求。
在設(shè)計(jì)中，首先了解3D打印機(jī)的功能及工作原理，進(jìn)而分析3D打印機(jī)在工作過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)怎樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而思考怎樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。列出可以采用的幾種方案，論述所列方案的優(yōu)缺點(diǎn)、機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難易程度及各個(gè)方案的機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性，在綜合考量各個(gè)方案后選出相對(duì)合理的提案，并進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
3D打印機(jī)在工作過(guò)程中，主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此，所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)達(dá)到X、Y、Z三個(gè)方向平動(dòng)的要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)的觀看，結(jié)合其他機(jī)床實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方法，從而得出自己最終要選擇的設(shè)計(jì)方案。
設(shè)計(jì)過(guò)程中首先列出幾種傳動(dòng)方案，如齒輪傳動(dòng)，齒條傳動(dòng)，齒形帶傳動(dòng)及絲杠等。通過(guò)對(duì)各種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析、所設(shè)計(jì)3D打印機(jī)外形尺寸的考慮及各個(gè)方面的參考后，本次3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)，最終選擇通過(guò)絲杠、導(dǎo)軌及導(dǎo)柱等實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力傳動(dòng)選擇伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與導(dǎo)軌直連實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：FDM；3D打印機(jī)；齒型帶傳動(dòng)
Abstract
The topic of my graduated design is FDM 3D printers mechanical design. 3D object is achieved by the work of the analysis and design of the mechanical structure of the printer to achieve 3D printer during operation of the mechanical movement required. when achieved the mechanical movement, you can meet the basic requirements of 3D printer functions.
In the design of the course, I get the meaning of the function and operation principle 3D printer ,3D printer at first .Then analyzed in the work process to achieve what needs to mechanical motion, thus we need to think what mechanical structure about how to achieve the required mechanical movement. Then lists several options can be used and thinking the advantages and disadvantages are listed in the program and the degree of difficulty to achieve advantages and disadvantages of the various agencies and programs implemented in various programs after comprehensive consideration of the proposal to elect a relatively reasonable, and mechanical Design.
3D printers in the course of their work, mainly to be achieved three directions mechanical movement of X, Y, Z. Thus, the mechanical structure of the printer should be designed to achieve 3D X, Y, Z three movable parallel to the direction required. By watching in the design process a 3D printer, combined with other methods to achieve the mechanical movement of the machine, to get the final design.
Several design process is listed first transmission scheme, such as gears, rack drive, belt drive and screw and so on. Consider and refer to various aspects of the 3D printer dimensions achieved through a variety of agencies to analyze the characteristics of the transmission, the design, the design of this 3D printer, 3D printer to achieve the final selection by the screw, guide rails and columns, and other mechanical movement. Select the servo motor power transmission and rail directly connected via coupling to achieve.
Keywords: FDM; 3D printer; The teeth type belt drive
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章3D打印機(jī)概述 1
1.1什么是3D打印機(jī) 1
1.2 3D打印機(jī)的工作原理 1
1.3 3D打印機(jī)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) 2
1.4 3D打印機(jī)的工作范圍 2
1.5 3D打印機(jī)在國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.6 3D打印機(jī)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.7 3D打印機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 4
第二章 FDM型3D打印機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)分析 6
2.1 FDM型3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)確定與分析 6
2.1.1 FDM型3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)的方案選擇與確定 6
2.1.2 FDM型3D打印機(jī)Z軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 7
2.1.4 FDM型3D打印機(jī)X軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 9
2.1.3 FDM型3D打印機(jī)Y軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 10
第三章 部件的選擇 12
3.1電機(jī)的選擇 12
3.1.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)對(duì)比 12
3.1.2直流交流伺服電機(jī)對(duì)比 12
3.2.同步帶輪及同步帶的選用 12
3.3絲杠的設(shè)計(jì)和選擇 14
3.4導(dǎo)柱的設(shè)計(jì)與選擇 15
第四章部分零件的校核 18
4.1帶輪及齒帶的校核 18
4.2絲杠的校核 19
第五章總結(jié) 20
參 考 文 獻(xiàn) 21
致 謝 22
III
第一章 3D打印機(jī)概述
1.1什么是3D打印機(jī)
3D打印機(jī)（3D Printers）是一位名為恩里科·迪尼（Enrico Dini）的發(fā)明家設(shè)計(jì)的一種打印機(jī)，可以直接打印出立體物體。它源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，上世紀(jì)80年代已有雛形。通俗來(lái)講，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。[1] 3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加制造技術(shù)中三維對(duì)象是通過(guò)連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來(lái)的。過(guò)去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)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(jià)值應(yīng)用，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。
1.2 3D打印機(jī)的工作原理
3D打印并非是新鮮的技術(shù)，這個(gè)思想起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣。3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加劑制造技術(shù)中三維對(duì)象是通過(guò)連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來(lái)的。功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過(guò)逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同。稱(chēng)之為“打印機(jī)”是參照了其技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似[2]。
其工作步驟是：首先可使用CAD軟件來(lái)創(chuàng)建物品，然后把它拷貝到3D打印機(jī)中，進(jìn)行打印設(shè)置后，打印機(jī)將自動(dòng)分析將要打印物體的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行分層打印。
每一層的打印過(guò)程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化黏結(jié)，而沒(méi)有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。
1.3 3D打印機(jī)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)
3D打印機(jī)是一種用于快速原型和模具制造的強(qiáng)大工具，相對(duì)于其他的添加制造技術(shù)而言，無(wú)須機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，能夠在各個(gè)零部件的構(gòu)造復(fù)雜性和重量輕型化兩者之間找到最佳平衡點(diǎn)。3D打印機(jī)具有打印精度高。速度快、價(jià)格便宜、高效易用性等特點(diǎn)，可以極大地縮短產(chǎn)品研制周期，降低了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。這種打印機(jī)比常規(guī)建筑方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原來(lái)的三分之一到二分之一，更重要的是幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何廢棄物，有利于對(duì)資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)。
1.4 3D打印機(jī)的工作范圍
3D打印機(jī)作為一種全新的技術(shù)，對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了重要的影響。隨著技術(shù)的成熟和進(jìn)一步的發(fā)展，3D打印機(jī)憑借其特殊的優(yōu)勢(shì)逐漸發(fā)展到生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。理論上，3D打印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。目前3D打印機(jī)主要應(yīng)用的領(lǐng)域有：
2010年9月美國(guó)醫(yī)療行業(yè)生產(chǎn)模型公司用3D打印機(jī)“打印”出擁有完美功能的假肢。
2010年11月，美國(guó)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(chē)。
2010年12月，美國(guó)康奈爾大學(xué)科研人員研制出3D食物打印機(jī)，只要把“食物墨水”預(yù)先放進(jìn)一組注射器內(nèi)，再下載食譜軟件“FabApp”，機(jī)器便會(huì)根據(jù)電子設(shè)計(jì)圖，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(guó)公司開(kāi)發(fā)出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印機(jī)，能在幾分鐘內(nèi)用塑料打造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室的研究人員使用了一臺(tái)Objec公司生產(chǎn)的Connex500成功“打印”出了一只長(zhǎng)笛。
2011年7月，英國(guó)倫敦皇家藝術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)山“太陽(yáng)能燒結(jié)”3D打印機(jī)。能在全自動(dòng)的情況下將陽(yáng)光和沙子轉(zhuǎn)化成玻璃制品。
2011年7月，英國(guó)?？巳卮髮W(xué)的研究人員開(kāi)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(jī)”?？梢源蛴〕黾扔袑?shí)用功效又不乏食用價(jià)值的巧克力日用品和服裝。
2011年7月，美國(guó)明尼蘇達(dá)州廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出Stratasys Fortes 250mc 3D打印機(jī)。它使用ABSplus塑料進(jìn)行3D打印，可注入多種顏色的塑料，可以打印出形狀較為準(zhǔn)確的磨具、工藝品。
有上述可見(jiàn)，3D打印機(jī)在醫(yī)療行業(yè)、傳統(tǒng)制造業(yè)甚至在高精密行業(yè)都已經(jīng)逐漸得到應(yīng)用[3]。
1.5 3D打印機(jī)在國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀
第一臺(tái)商用的3D打印機(jī)出現(xiàn)在1986年，但3D打印技術(shù)的真正確立是以美國(guó)麻省理工大學(xué)的Scans E.M.和CimaMJ等人于1991年申報(bào)的關(guān)于三維打印專(zhuān)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(wú)論在技術(shù)、造價(jià)，還是應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在打印技術(shù)方面，目前，主流打印機(jī)能夠在0.01 mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi分辨率的打印精度，較先進(jìn)的產(chǎn)品己經(jīng)具備每小時(shí)1英寸以上的垂直打印速率，并可實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩色打印。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(kāi)發(fā)出的可打印材料約為14類(lèi)，可混搭出一百多種耗材。在造價(jià)方面，3D打印機(jī)的售價(jià)正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售價(jià)己經(jīng)下降到2199美元，高端的Replicator 2X也僅售2799美元，預(yù)計(jì)幾年后家用型的3D打印會(huì)降價(jià)到100美元以?xún)?nèi)[3]。
瑪麗·華盛頓大學(xué)的教師在 2012年的設(shè)計(jì)入門(mén)課程中使用3D打印機(jī)作為學(xué)習(xí)環(huán)境。由學(xué)生掃描實(shí)物或自己設(shè)計(jì)出物品，打印出原型，并在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)和改進(jìn)。在FullSail大學(xué)，學(xué)生們使用該技術(shù)制作3D漫畫(huà)人物，他們利用三維軟件設(shè)計(jì)人偶并打印出塑料模型。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生通過(guò)3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛，飛機(jī)的所有零部件都是通過(guò)3D打印制造的。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的數(shù)字圖書(shū)館項(xiàng)目提供了很多3D動(dòng)物和器官結(jié)構(gòu)模型，包括無(wú)脊椎和脊椎生物，很多是己滅絕生物。該項(xiàng)目的參與者正在掃描并打印復(fù)制占人類(lèi)化石。哈佛大學(xué)博物館的研究人員也在利用計(jì)算機(jī)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(shí)國(guó)外3D打印機(jī)的商業(yè)化、普及化、工業(yè)應(yīng)用上也發(fā)展的相對(duì)成熟。美國(guó)的3DSystems公司這些年不僅將市場(chǎng)放在重工方面，除了生產(chǎn)價(jià)值500萬(wàn)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(fèi)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(jī)無(wú)須組裝，使用簡(jiǎn)單的“彩色圖木”設(shè)計(jì)界而進(jìn)行操作。除了簡(jiǎn)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(jī)用戶(hù)，讓他們使用免費(fèi)軟件自己繪制設(shè)計(jì)圖。同時(shí)該公司的BOM HBD打印機(jī)也提供按需定制的服務(wù)。對(duì)于企業(yè)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，3DSystems公司還為他們提供了在網(wǎng)上銷(xiāo)售設(shè)計(jì)產(chǎn)品的渠道。這些在行業(yè)中的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，讓3DSystems公司一直運(yùn)行良好，目前的毛利潤(rùn)率接近50% [4]。
1.6 3D打印機(jī)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代，我國(guó)國(guó)內(nèi)有多所高校自主研發(fā)RP技術(shù)，但是沒(méi)有一款達(dá)到國(guó)際水平的3D打印機(jī)成功推向市場(chǎng)。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(shí)體制造、FDM上藝，并開(kāi)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(shí)體制造)工藝，推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料;西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹(shù)脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。我國(guó)港臺(tái)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)[4]。
1.7 3D打印機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
第一，向低成本方向發(fā)展。目前大多3D打印機(jī)造價(jià)仍比較昂貴，這給其進(jìn)入家庭帶來(lái)了困難。現(xiàn)在已有一些小規(guī)模的3D打印機(jī)制造商推出較低價(jià)的3D打印機(jī)，一些愛(ài)好者參與改良3D打印機(jī)，共同促成低價(jià)3D打印機(jī)的誕生和普及。
第二，向材料多樣性方面發(fā)展。3D打印機(jī)的成型材料多采用化學(xué)聚合物，材料的安全性是一個(gè)很重要的參考因素。開(kāi)發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及其他方法難以制作的復(fù)合材料等，金屬材料、直接金屬成型技術(shù)將會(huì)成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)。
第三，向提高精度、速度和效率方面發(fā)展。改養(yǎng)3D打印系統(tǒng)的可靠性、生產(chǎn)效率和制作大件能力，提高3D打印的速度和效率。開(kāi)拓并行、多材料制造的工藝方法，提高成型件的精度、表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以便能夠直接面向產(chǎn)品制造，許多新的成型方法與工藝會(huì)應(yīng)用于3D打印機(jī)。
第四，技術(shù)和研究方面。比如3D生物打印機(jī)的困難并不是制造器官本身，而是復(fù)制器官內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)。這些血管起到了滋養(yǎng)器官。為器官提供氧氣的作用。有專(zhuān)家設(shè)想打印出一個(gè)器官最大的連接性血管，然后給那些大血管細(xì)胞留出充足的時(shí)間、空間和理想環(huán)境自造剩余血管，最終器官便可以被植入體內(nèi)，用病患自己的細(xì)胞打印出功能齊全的肝、腎或者心臟。世界各地醫(yī)藥、生物、化學(xué)、工程等領(lǐng)域的專(zhuān)家們正致力于研究這些難題。
無(wú)可厚非的是，3D打印機(jī)已經(jīng)向我們走來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印機(jī)將成為市場(chǎng)的主流，有可能顛覆其涉及的許多領(lǐng)域，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)重大的影響。未來(lái)，也許3D打印機(jī)服務(wù)將會(huì)與發(fā)送電子郵件、即時(shí)短信通訊一樣普及。制造業(yè)將徹底擺脫集中式管理模式，大規(guī)模定制化將超越傳統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)方式，某一天3D打印機(jī)可能會(huì)像電腦、照相機(jī)、微波爐一樣進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，為我們的生活增添無(wú)窮樂(lè)趣。[5]
在中國(guó)的大學(xué)校園中有很多的實(shí)驗(yàn)室或研發(fā)中心，華中科技大學(xué)的快速成型機(jī)制造中心成立于1991年，到現(xiàn)在整整23年，在這一過(guò)程中研發(fā)了不少的3D打印機(jī)。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(kuò)大到0.5m×0.5m，超過(guò)了當(dāng)時(shí)代表國(guó)際先進(jìn)水平的美國(guó)3DSystems公司，2005年以后，工作面達(dá)到1m×1m以上，據(jù)媒體稱(chēng)，這一產(chǎn)品的問(wèn)世遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)外同類(lèi)裝備水平[6]。
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第二章 FDM型3D打印機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)分析
2.1 FDM型3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)確定與分析
2.1.1 FDM型3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)的方案選擇與確定
根據(jù)FDM型3D打印機(jī)打工作原理及工作方式，可以了解到，打印機(jī)在工作過(guò)程中要有上下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣才能實(shí)現(xiàn)FDM型3D打印機(jī)在工作過(guò)程中逐層打印的功能。同時(shí)打印每一“層”時(shí)，打印頭相對(duì)于托盤(pán)要有左右及前后的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。及FDM型3D打印機(jī)要實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的自由運(yùn)動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)FDM型3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，主要任務(wù)就是所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)。
據(jù)此可以根據(jù)上述結(jié)論，首先確定FDM型3D打印機(jī)整體的運(yùn)動(dòng)方案。例如在Z軸（即上下）方向上的運(yùn)動(dòng)，我們可以選擇由打印頭作上下運(yùn)動(dòng)而托盤(pán)保持相對(duì)靜止，反之也可以是打印頭相對(duì)靜止而托盤(pán)做上下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在X軸（即左右運(yùn)動(dòng)）方向和Y軸（即前后）方向的運(yùn)動(dòng)方式也可以由多種選擇。例如我們可以選擇某一軸與上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，也可以選擇各軸都獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。因此在選取方案前，應(yīng)仔細(xì)分析各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并做出決定。
當(dāng)再次仔細(xì)分析3D打印機(jī)在進(jìn)行打印工作時(shí)，各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，可以發(fā)現(xiàn)，Z軸（即上下）方向的運(yùn)動(dòng)是一種階段性的運(yùn)動(dòng)。即是在每打印完“一層”時(shí)，才再做一次運(yùn)動(dòng)，來(lái)打印下一層。而在打印每一層的過(guò)程中，打印頭相對(duì)于托盤(pán)在Z軸（即上下）方向上要保持相對(duì)靜止。如選擇Z軸（即上下）方向運(yùn)動(dòng)的部件同時(shí)也作X軸或Y軸方向的運(yùn)動(dòng)，這樣在保持Z軸方向上相對(duì)靜止時(shí)，還要同時(shí)做X軸或Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。這樣不利于精度保持。所以，最后確定，Z軸方向的運(yùn)動(dòng)做獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)部件與X軸或Y軸方向的運(yùn)動(dòng)部件不關(guān)聯(lián)，使之相對(duì)于X軸或Y軸的運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立。
但若選擇打印機(jī)噴頭做Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，那么若要使X軸或Y軸方向的運(yùn)動(dòng)與之不關(guān)聯(lián)，唯有托盤(pán)做X軸或Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。但托盤(pán)的材料較多，重力較大，同時(shí)托盤(pán)上又要放置被打印物體，因此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中慣性較大，相對(duì)不容易實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)變化。所以相對(duì)而言，選擇托盤(pán)做Z軸方向上的運(yùn)動(dòng)，而打印頭做X軸及Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)，相對(duì)合理。
因此最后確定所要設(shè)計(jì)的FDM型3D打印機(jī)的整體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)為：由托盤(pán)實(shí)行Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，而由打印頭完成X軸及Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。
2.1.2 FDM型3D打印機(jī)Z軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析
如上論述，此次設(shè)計(jì)的FDM型3D打印機(jī)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)有托盤(pán)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。，經(jīng)多次設(shè)計(jì)修改，最后設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由圖2-1和2-2所示。
圖2-1 Z軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
圖2-2 Z軸方向運(yùn)動(dòng)傳遞圖
Z軸方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，由一臺(tái)伺服電機(jī)提供。該伺服電機(jī)被固定于打印機(jī)整體框架的最下層后方的橫梁上。托盤(pán)的左右兩邊各有兩根絲杠和兩根導(dǎo)柱。絲杠和導(dǎo)柱的滑塊被固定在安裝托盤(pán)的內(nèi)框架上。這樣當(dāng)絲杠接受伺服電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠上的滑塊將做向上或向下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)便可帶動(dòng)安裝托盤(pán)的內(nèi)框架與之同步運(yùn)動(dòng)。這樣動(dòng)力便傳遞到托盤(pán)上，使托盤(pán)能夠在Z軸方向上運(yùn)動(dòng)。而被固定在安裝托盤(pán)的內(nèi)框架上的導(dǎo)柱滑塊也隨之沿著導(dǎo)柱在Z軸方向上運(yùn)動(dòng)。這時(shí)導(dǎo)柱將起到導(dǎo)引及增加穩(wěn)定性的作用，增加托盤(pán)的平穩(wěn)性及精度，進(jìn)而增加整個(gè)機(jī)器的打印精度。
伺服電機(jī)的動(dòng)力傳到絲杠上是由齒形帶和同步帶輪完成的。齒帶由伺服電機(jī)上的帶輪引出，與四個(gè)固定在絲杠下端的帶輪相連，并且繞過(guò)四個(gè)固定在托盤(pán)下端與打印機(jī)外框相固定的型材上的滑輪。這樣做的目的是為齒帶提供一個(gè)預(yù)張力，可以增加齒帶傳遞的準(zhǔn)確性。
電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)帶輪將動(dòng)力傳遞到齒帶，齒帶在將動(dòng)力傳遞到四個(gè)固定于絲杠底端的帶輪上。這樣絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使絲杠上的滑塊延絲杠滑動(dòng)，帶動(dòng)與之固定的內(nèi)框，固定在內(nèi)框上的托盤(pán)也就可以隨之運(yùn)動(dòng)。同時(shí)四個(gè)導(dǎo)柱起到引導(dǎo)和增加穩(wěn)定的作用。這樣，打印機(jī)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)便可以實(shí)現(xiàn)了。
2.1.4 FDM型3D打印機(jī)X軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析
如圖2-3所示為3D打印機(jī)X軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2-3 X軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力由右上方的伺服電機(jī)提供。動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)的傳遞是：首先，上圖中右上方的伺服電機(jī)軸上有一帶輪。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。帶輪通過(guò)齒帶將運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞到前面上方延Y軸方向的傳動(dòng)軸上。該傳動(dòng)軸的左端安裝固定有一帶輪，同過(guò)這個(gè)帶輪又通過(guò)左邊這個(gè)齒帶將動(dòng)力傳遞到后面延X(jué)軸方向的傳動(dòng)軸上。左右兩根齒帶的上帶各相對(duì)有一剛性連接的滑塊，滑塊同時(shí)套在齒帶上方的一個(gè)導(dǎo)柱上，該導(dǎo)柱承擔(dān)這個(gè)滑塊的重力。這兩個(gè)與齒帶剛性連接的滑塊通過(guò)兩根導(dǎo)柱延Y軸方向相連，并且導(dǎo)柱穿過(guò)固定有打印頭的滑塊即圖中中間的滑塊。
這樣，這臺(tái)3D打印機(jī)X軸方向的運(yùn)動(dòng)即是：當(dāng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)軸上的帶輪隨之同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)齒帶將運(yùn)動(dòng)傳遞到前上方的通過(guò)齒帶相連的傳動(dòng)軸上。該傳動(dòng)軸有通過(guò)左端的帶輪和其上的齒帶將運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞到后面延Y軸安裝的傳動(dòng)軸。左右兩條齒帶在傳動(dòng)時(shí)帶動(dòng)與齒帶剛性相連的滑塊。同時(shí)兩個(gè)滑塊通過(guò)兩根導(dǎo)柱相連，并且導(dǎo)柱穿過(guò)安裝有打印頭的滑塊，這樣安裝有打印頭的滑塊將隨齒帶運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了X軸方向的移動(dòng)。
2.1.3 FDM型3D打印機(jī)Y軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析
如圖2-4為3D打印機(jī)Y軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力由左上方的伺服電機(jī)提供。
圖2-4 Y軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)的傳遞是：首先，上圖中左上方的傳動(dòng)軸與伺服電機(jī)直聯(lián)。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)左上方的傳動(dòng)軸隨之同步轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸的兩端各固定有一個(gè)帶輪，帶輪通過(guò)齒帶將運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞到右上方的傳動(dòng)軸上。前后兩根齒帶的上帶各相對(duì)有一剛性連接的滑塊，滑塊同時(shí)套在齒帶上方的一個(gè)導(dǎo)柱上，該導(dǎo)柱承擔(dān)這個(gè)滑塊的重力。這前后兩個(gè)與齒帶剛性連接的滑塊通過(guò)兩根導(dǎo)柱延X(jué)軸方向相連，并且導(dǎo)柱穿過(guò)固定有打印頭的滑塊及圖中中間的滑塊。
這樣，這臺(tái)3D打印機(jī)Y方向的運(yùn)動(dòng)即是。當(dāng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與電機(jī)直聯(lián)的傳動(dòng)軸隨之同步轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸上的前后兩個(gè)帶輪也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)齒帶將運(yùn)動(dòng)傳遞到右上方的通過(guò)齒帶相連的傳動(dòng)軸上。前后兩條齒帶在傳動(dòng)時(shí)帶動(dòng)與齒帶剛性相連的滑塊。同時(shí)兩個(gè)滑塊通過(guò)兩根導(dǎo)柱相連，并且導(dǎo)柱穿過(guò)安裝有打印頭的滑塊，這樣安裝有打印頭的滑塊將隨齒帶運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了X軸方向的移動(dòng)。
第三章 部件的選擇
3.1電機(jī)的選擇
3.1.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)對(duì)比
控制電機(jī)的比較與選?。弘姍C(jī)控制系統(tǒng)按照運(yùn)動(dòng)過(guò)程的需要分為驅(qū)動(dòng)伺服和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)兩大類(lèi)。伺服有速度控制和位置控制模式。速度控制模式下，通過(guò)伺服電機(jī)的CL信號(hào)和INH信號(hào)，選擇伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的4檔內(nèi)部速度，這四檔內(nèi)部速度由驅(qū)動(dòng)器的四個(gè)內(nèi)部?jī)?chǔ)存器記錄，其數(shù)值為零就是停轉(zhuǎn)，數(shù)值為零是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，小于零則為逆時(shí)針，也可通過(guò)ZEROSPD控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。
3.1.2直流交流伺服電機(jī)對(duì)比
伺服電機(jī)可以考慮直流和交流兩種：但直流電動(dòng)機(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的 最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10﹪～70﹪，此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。
綜合考慮以上資料，本次設(shè)計(jì)最終選擇交流伺服電機(jī)。
3.2.同步帶輪及同步帶的選用
我國(guó)現(xiàn)在選用最多的仍然是T型齒同步帶，這種帶稱(chēng)為“節(jié)距制”帶，即以帶齒間的間距為規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)，其帶的外形與截形如圖3-1所示。
圖3-1 齒形帶界面圖
這種帶的齒形為梯形，大多數(shù)齒形的夾角為40度，帶的齒高（梯形的高度）、節(jié)距（兩齒間的距離）及厚度可以從產(chǎn)品樣本中查到（如：型號(hào)為L(zhǎng)的T型齒同步帶，其節(jié)距Pb為9.525mm 齒高h(yuǎn)t為0.51mm 帶厚hs為1.14mm）。實(shí)質(zhì)上，這種節(jié)距制傳動(dòng)帶是一種英制的標(biāo)準(zhǔn)，一英寸等于25.4毫米，每英寸含8英分，即一英分等于3.175毫米，三英分就是9.524毫米，四英分是12.7毫米（在英制度量中以1/8” 1/4” 3/8” 1/2”等方式表述）。
其實(shí)，同步帶在傳動(dòng)時(shí)，梯形齒的兩側(cè)只能用來(lái)和同步帶輪的輪齒貼合，以便能夠傳遞帶和帶輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳遞到同步帶上之后，就要依靠同步帶本身來(lái)傳遞產(chǎn)生力矩的拉力，也就是說(shuō)此時(shí)同步帶的作用與平皮帶完全一樣了。
圖3-2 齒形帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從帶的截形圖看，如果同步帶只用單一材料制作，上述拉力只能夠由連接兩帶齒之間那一薄層來(lái)承受，這對(duì)于制作同步帶的基底材料聚氨酯橡膠而言是不可能的。所以同步帶還需要做成一種復(fù)合型的結(jié)構(gòu)——在同步帶聚氨酯橡膠基底材料中加入尼龍繩、錦綸繩或鋼絲繩作為“承載繩”，這些承載繩安置就在“薄層”的位置（見(jiàn)圖3-2），它們和同步帶基底材料緊密結(jié)合，帶齒受到的傳動(dòng)力直接傳遞到承載繩上，完成拉力的傳遞。
在帶傳動(dòng)中，傳動(dòng)帶本身一定是有彈性、會(huì)出現(xiàn)“緊邊”“松邊”、緊邊長(zhǎng)度被拉長(zhǎng)、松邊長(zhǎng)度相對(duì)較短的問(wèn)題，而同步帶內(nèi)的承載繩就不容易被拉力“拉長(zhǎng)”，所以同步帶就能夠?qū)崿F(xiàn)恒定速比的傳動(dòng)，由此可見(jiàn)所謂“恒定速比”不僅是指宏觀上兩根軸之間的轉(zhuǎn)速比值，而且也應(yīng)該包含每一個(gè)傳動(dòng)時(shí)刻兩根軸之間的角速度比值。
圖3-3齒形帶與帶輪嚙合
有了以上的基礎(chǔ)，理解傳動(dòng)時(shí)同步帶輪與同步帶的位置關(guān)系就比較容易了（見(jiàn)圖3-3）。從圖3-3中可以看出，雖然傳動(dòng)時(shí)同步帶輪的齒頂圓只能與同步帶齒凸起的底部相貼合，但是實(shí)際上同步帶長(zhǎng)度不變的位置仍然在承載繩處，因此在傳動(dòng)中同步帶輪的作用直徑（計(jì)算速比的直徑）卻在同步帶輪齒頂?shù)摹吧厦妗?，此直徑可從相關(guān)的表格中查到、計(jì)算出來(lái)。
大多數(shù)情況下，為使結(jié)構(gòu)的體積盡可能緊湊，同步帶輪的直徑總是希望小一些為好，一般情況下只要結(jié)構(gòu)尺寸比較合理，受力校核不會(huì)不合格的。
由于T型同步帶是英制的，所以所有計(jì)算得到的尺寸必然不是整數(shù)，在關(guān)于同步帶齒形及相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算中不需要把所得到的尺寸進(jìn)行圓整。
參考以上資料，本次設(shè)計(jì)最終選擇T型齒同步帶及同步帶輪。
3.3絲杠的設(shè)計(jì)和選擇
本次設(shè)計(jì)，考慮設(shè)計(jì)的難度幾精度所要達(dá)到的程度，最終選擇選用梯形螺紋絲杠。具體選擇參考如下：
絲杠的設(shè)計(jì)方法與主軸相似，其支承軸徑與絲杠的長(zhǎng)徑比都與主軸相同，不同的是絲杠上：有一段螺紋，因此，還需考慮螺紋的牙形角、螺距、直徑、螺紋公差的設(shè)計(jì)。
1．螺紋牙形的選擇精密絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，常用的螺紋有牙形角為60。的普通公制螺紋和牙形角為30。的梯形螺紋兩種。選擇哪種螺紋，取決于傳動(dòng)精度、效率和制造工藝。
當(dāng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的載荷不大，螺紋間的摩擦力對(duì)工作影響不大，而又要求小螺距時(shí)(螺距為0. 5～1 mm)．可采用公制基本螺紋和公制細(xì)牙螺紋。當(dāng)載荷較大，螺距也較大時(shí)，宜用梯形螺紋。梯形螺紋比三角形螺紋的傳動(dòng)效率高、強(qiáng)度大、螺距大(最小直徑為 10 mm，最小螺距為2 mm)。螺距小時(shí)，制造困難，而且不耐磨，故不易得到高精度絲杠。
2. 螺距選擇常用的梯形螺紋螺距有2、3、4、5、6 mm等。在精密儀器設(shè)備中，采用的公制螺紋螺距系列有0. 25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75 mm等，可根據(jù)傳動(dòng)進(jìn)給的實(shí)際需要選取，或參考同類(lèi)型設(shè)備，初選螺距，然后計(jì)算步進(jìn)機(jī)構(gòu)中間傳動(dòng)速比i，若求得的速比i是合理的，則初選的f可最終確定 為所選螺距。
3．絲杠直徑的確定
(1)類(lèi)比法參考同類(lèi)型設(shè)備的絲杠直輕，并按所設(shè)計(jì)的設(shè)備具體情況確定。或者按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，先確定絲杠總長(zhǎng)度L，再按長(zhǎng)徑比關(guān)系確定絲杠直徑矗，通常L/d<30。對(duì)于電子精密機(jī)械設(shè)備，一般移動(dòng)距離較短，一般取1= (15～20)d。
(2)計(jì)算法 在沒(méi)有同類(lèi)型設(shè)備可參考，或需要驗(yàn)算初選的絲杠直徑時(shí)，可采用計(jì)算法。
絲杠計(jì)算通常包括耐磨性、剛度、穩(wěn)定性和強(qiáng)度四項(xiàng)。電子精密機(jī)械設(shè)備中的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，一般承受載荷不大，而精度要求較高，往往是由于磨損而失效，所以，可根據(jù)磨損條件來(lái)選擇材料，并確定絲杠副的尺寸。
由于螺母的材料一般比絲杠的材料軟，所以，磨損主要發(fā)生在螺母的螺紋表面。磨損的計(jì)算方法，通常是采用限制螺紋表面的壓強(qiáng)，就是使螺紋工作表面的壓強(qiáng)聲小于或等于其許用壓強(qiáng)[p]。計(jì)算時(shí)，將螺母的螺紋牙看成是盤(pán)旋繞在圓柱表面上的長(zhǎng)條，展開(kāi)后相當(dāng)于懸臂梁。
3.4導(dǎo)柱的設(shè)計(jì)與選擇
導(dǎo)柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用最普遍，主要零件是導(dǎo)柱和導(dǎo)套1、導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)形式
如圖3-4所示，圖3-4為直形導(dǎo)柱：除安裝部分的凸肩外，長(zhǎng)度的其余部分直徑相同；圖3-4b、c為階梯導(dǎo)柱：除安裝部分的凸肩外，安裝配合部分直徑比外伸的工作部分尺寸直徑大。導(dǎo)柱的導(dǎo)滑部分根據(jù)需要可加工出油槽。圖3-4c所示導(dǎo)柱用于固定板太薄的場(chǎng)合在固定板下面再加墊板固定，這種結(jié)構(gòu)不常用。
圖3-4導(dǎo)柱類(lèi)型
2導(dǎo)柱技術(shù)要求
（1）長(zhǎng)度：導(dǎo)柱導(dǎo)向部分的長(zhǎng)度應(yīng)比凸模端面的高度高出8到12mm，以避免出現(xiàn)導(dǎo)柱未入正方向而型芯先進(jìn)入型腔。
（2）形狀：導(dǎo)柱前端應(yīng)做成錐臺(tái)形或半球形，以使導(dǎo)柱順利地進(jìn)入導(dǎo)向孔。
（3）材料：導(dǎo)柱應(yīng)具有硬而耐磨的表面，堅(jiān)韌而不易折斷的內(nèi)芯，因此多采用20鋼，經(jīng)滲碳淬火處理，或者T8、T10鋼，經(jīng)淬火處理，硬度為50~55HRC。導(dǎo)柱固定部分的表面粗糙度為Ra＝0.8μm，導(dǎo)向部分的表面粗糙度為Ra＝0.8~0.4μm。
數(shù)量及布置：導(dǎo)柱應(yīng)合理均布在模具分型面的四周，導(dǎo)柱中心至模具邊緣應(yīng)有足夠的距離，以保證模具強(qiáng)度（導(dǎo)柱中心到模具邊緣距離通常為導(dǎo)柱直徑的1~1.5倍）。為確保合模時(shí)只能按一個(gè)方向合模，導(dǎo)柱的布置可采用等直徑導(dǎo)柱不對(duì)稱(chēng)布置或不等直徑導(dǎo)柱對(duì)稱(chēng)布置，如圖3-5所示
配合精度：導(dǎo)柱固定端與模板之間一般采用H7／m6或H7／k6的過(guò)渡配合；導(dǎo)柱的導(dǎo)向部分通常采用H7／f7或H8／f7的間隙配合。
圖3-5導(dǎo)柱布置
第四章 部分零件的校核
4.1帶輪及齒帶的校核
1確定計(jì)算功率
根據(jù)已知工作條件查表，去 則
2選定帶型和節(jié)距
根據(jù)
確定帶型為T(mén)型，對(duì)應(yīng)節(jié)距
3選帶輪直徑d
帶輪節(jié)圓直徑
4校核帶速
帶速符合要求
5確定中心距及帶長(zhǎng)
初定中心距：
定
選擇標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng)：由設(shè)計(jì)帶長(zhǎng)
6計(jì)算嚙合齒數(shù)
=8
7確定帶寬
8 計(jì)算軸上的壓力
4.2絲杠的校核
在這次所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)中，絲杠只承擔(dān)軸向力，因此在校核時(shí)只需對(duì)軸向力進(jìn)行校核。首先對(duì)螺紋牙強(qiáng)度進(jìn)行校核。
螺紋牙的剪切和彎曲破壞多發(fā)生在螺母。
螺紋牙底寬
許用壓應(yīng)力
許用切應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)力
相旋合螺紋圈數(shù)
剪切強(qiáng)度條件
彎曲強(qiáng)度條件
第五章 總結(jié)
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，主要問(wèn)題在于了解3D打印機(jī)的工作原理，進(jìn)而分析3D打印機(jī)在工作過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)的哪些運(yùn)動(dòng)，從而設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在近三個(gè)月的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先通過(guò)查閱資料及文獻(xiàn)，了解了3D打印機(jī)工作的原理。然后通過(guò)其工作原理，分析了其在工作中需要哪些運(yùn)動(dòng)，即需要有X、Y及Z軸三個(gè)方向的平動(dòng)。
設(shè)計(jì)過(guò)程中首先列出幾種傳動(dòng)方案，如齒輪傳動(dòng)，齒條傳動(dòng)，齒形帶傳動(dòng)及絲杠等。通過(guò)對(duì)各種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析、所設(shè)計(jì)3D打印機(jī)外形尺寸的考慮及各個(gè)方面的參考后，本次3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)，最終選擇通過(guò)絲杠、導(dǎo)軌及導(dǎo)柱等實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力傳動(dòng)選擇伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與導(dǎo)軌直連實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)過(guò)程中主要解決了X軸和Y軸如何實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，托盤(pán)的固定與卸取等問(wèn)題。并最終完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。
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致 謝
對(duì)于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，首先要感謝的是我的指導(dǎo)教師李強(qiáng)老師。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，李老師對(duì)我進(jìn)行了很多指導(dǎo)和幫助，為我解決了很多問(wèn)題。在這里我深表感謝
其次要感謝沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，為我提供了一個(gè)良好的環(huán)境，特別是在圖書(shū)館及電子圖書(shū)館中，我查到了大量的資料，對(duì)我能完成畢業(yè)設(shè)計(jì)有很大幫助。
最后我也要感謝我周?chē)囊恍┩瑢W(xué)。在我進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我曾向他們請(qǐng)教了很多問(wèn)題，特別在使用畫(huà)圖軟件方面，為我提供了很大幫助?？傊兄x所有在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助過(guò)我的人。
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