簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)I摘 要三維打印機(jī)不僅使立體物品的造價(jià)降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。3D 打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(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,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(xiàng)技術(shù)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(shè)備，設(shè)計(jì)出一款新型的 FDM 3D 打印設(shè)備的擠出機(jī)構(gòu)，適用于家庭和辦公場(chǎng)地，當(dāng)然，也可以在加工車間工作。本設(shè)計(jì)首先通過分析提出了 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，然后從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和擠出機(jī)構(gòu)兩大方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核，最后通過 CAD 軟件繪制了該擠出機(jī)構(gòu)的裝配圖與主要零件圖。關(guān)鍵詞：3D 打印機(jī) 擠出機(jī)構(gòu) 齒輪 雙螺桿簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)III目 錄摘 要 IABSTRACT.II第 1 章 緒論 11.1 課題研究的意義 11.2 國(guó)內(nèi)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 .11.2.1 國(guó)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 .11.2.2 國(guó)內(nèi) 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀 .21.3 3D 打印設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì) .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(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì) 31.4 3D 打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) .3第 2 章 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.1 總體設(shè)計(jì)要求 52.2 總體方案的設(shè)計(jì) 52.2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .52.2.2 擠出機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .6第 3 章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 73.1 電機(jī)的選擇 73.1.1 電動(dòng)機(jī)的性能和分類 .73.1.2 本傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的類型選擇 .73.2 傳動(dòng)比的分配 93.3 各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 93.4 齒輪組設(shè)計(jì) 113.4.1 齒輪精度及材料的選擇 113.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 113.4.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 143.4.4 幾何尺寸計(jì)算 16簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)IV3.5 軸設(shè)計(jì) 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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 204.1 擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 204.2 擠出機(jī)構(gòu)的組成 214.3 雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 224.4 擠出機(jī)構(gòu)流道口設(shè)計(jì) 234.5 加熱腔的設(shè)計(jì) 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(xiàn) 30致 謝 31簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)的一種，它是一種數(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，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常在模具制造、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（比如髖關(guān)節(jié)或牙齒，或一些飛機(jī)零部件）已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。 “三維打印” 意味著這項(xiàng)技術(shù)的普及。三維打印機(jī)不僅使立體物品的造價(jià)降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。3D 打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(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,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(xiàng)技術(shù)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(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在 3D 打印機(jī)在電影動(dòng)漫、氣象、教育、外科醫(yī)療等領(lǐng)域都能發(fā)揮獨(dú)特的作用。在教育領(lǐng)域，3D 打印機(jī)能夠?qū)⒊橄蟾拍顜氍F(xiàn)實(shí)世界，將學(xué)生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸?shí)立體彩色模型，令教學(xué)更為生動(dòng)；在建筑領(lǐng)域，3D 打印機(jī)能夠?yàn)榍娈愋谓ㄖ闹匾軜?gòu)件快速制作精確模型，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑模型制作無法達(dá)到的工藝水平；在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，3D 打印機(jī)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(lǐng)域，3D 打印機(jī)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(shù)領(lǐng)域，3D 打印機(jī)還可根據(jù)電子游戲、三維動(dòng)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(guó)內(nèi)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀3D 打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于 19 世紀(jì)末的 美國(guó)， 1995 年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印 ”一詞，當(dāng)時(shí)的畢業(yè)生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 修改了噴墨打印機(jī)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?dāng)D壓在紙張上的方案[5] 。簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2圖 3 最早的 3D 打印機(jī)[6] 圖 4 現(xiàn)代 3D 打印機(jī)[6]當(dāng)前世界上最流行的 RP 技術(shù)有立體光刻（Stereolithography，SLA） 、疊層實(shí)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(guó)內(nèi) 3D 打印設(shè)備的研究現(xiàn)狀我國(guó)在 3D 打印設(shè)備的研究上起步比較晚。我國(guó)最早在快速成形技術(shù)方面開展工作的有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司。這些單位早期在開發(fā)系統(tǒng)設(shè)備方面各有側(cè)重。其中，清華大學(xué)以 FDM 和 LOM為主，西安交通大學(xué)則是 SLA，北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司為 SLS，而華中科技大學(xué)主要為 LOM 與 SLS。國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)是對(duì)快速成形技術(shù)反應(yīng)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(jì)效果[14-16]。簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3圖 7 北京殷華 圖 8 江蘇敦超1.3 3D 打印設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)1.3.1 3D 打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景根據(jù)國(guó)際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)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(zhǎng)速度。報(bào)告預(yù)期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長(zhǎng)，到 2016 年，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到 31 億美元，2020 年將達(dá)到 52 億美元[17]。但 3D 打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)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(xué)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(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D 打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對(duì)的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。圖 9 納米級(jí)別微型 3D 打印機(jī)[6] 圖 10 太空 3d 打印機(jī)[6]1.3.2 3D 打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來， 3D 打印技術(shù)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(shì)。拓展 3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)41.4 3D 打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前世界上主流的 3D 打印設(shè)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(diǎn)為[18-23]：(1) 能作為一種輸出設(shè)備直接與使用 CAD 的計(jì)算機(jī)相連，并且由設(shè)計(jì)者親自操作，使用方便，不需依靠專門的快速成形服務(wù)機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)室就能及時(shí)制作模型及用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速校驗(yàn)；(2 ) 整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關(guān)聯(lián)，零件可大可小，所見即所得，可隨時(shí)修改，隨時(shí)制造；(3 ) 設(shè)備體積小、運(yùn)行和維護(hù)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(duì)環(huán)境無特殊要求”由于沒有昂貴復(fù)雜的激光系統(tǒng)，所以整體造價(jià)大大降低。操作簡(jiǎn)單，因此該機(jī)易于普及；(4 ) 材料費(fèi)用低，如石膏、淀粉等產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無關(guān)，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(fù)雜性以及幾何形狀無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時(shí)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(fèi)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(qiáng)度較低 “由于采用液滴直接粘接成形，產(chǎn)品的強(qiáng)度低于其它快速成形方式，一般需要進(jìn)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(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5第 2 章 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，已經(jīng)有前人對(duì)此類機(jī)構(gòu)做了部分設(shè)計(jì)研究，所以本文的設(shè)計(jì)研究只要是在已有的研究基礎(chǔ)之上，注重考慮 3D 打印擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì) 3D 打印擠出機(jī)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改良。2.1 總體設(shè)計(jì)要求本文研究的 3D 打印設(shè)備屬于家庭桌面電器領(lǐng)域，涉及多軸聯(lián)動(dòng)，且 3D 打印設(shè)備的主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)采用直線元件驅(qū)動(dòng)，形成相互聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。按照建造一臺(tái)小型規(guī)格 3D 打印設(shè)備樣機(jī)的規(guī)格要求以及運(yùn)動(dòng)范圍參數(shù)，如表 2.1所示下：表 2.1 3D 打印設(shè)備設(shè)計(jì)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(jī)送絲速度 1.5m/min本文要求針對(duì)以上性能的打印機(jī)，設(shè)計(jì)其擠出機(jī)構(gòu)。通過對(duì)前人做的部分設(shè)計(jì)的研究，提出如下設(shè)計(jì)方案。簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)62.2 總體方案的設(shè)計(jì)2.2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到結(jié)構(gòu)緊湊性和傳動(dòng)的平穩(wěn)性，本次采用齒輪傳動(dòng)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的分析有以下結(jié)論：（1） 為避免傳動(dòng)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(jī)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(dòng)的形式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案如下：輸 出 齒 輪輸 出 軸過 渡 齒 輪電 機(jī)輸 入 齒 輪圖 2-1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2.2 擠出機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)本次 3D 打印機(jī)屬于家庭桌面電器領(lǐng)域，參數(shù)要求如下：原材料 3mm ABB 絲材擠出機(jī)送絲速度 1.5m/min從以上參數(shù)可以看出，該 3D 打印機(jī)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(jī)構(gòu)則需要采用較大減速比的減速機(jī)構(gòu)才能滿足要，這樣會(huì)導(dǎo)致擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸及重量均會(huì)比較大。因此本次采用雙螺桿送絲機(jī)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(jī)構(gòu)本身類似于渦輪蝸桿傳動(dòng)，即使不使用任何減速器機(jī)構(gòu)其本身也可以有很大的傳動(dòng)比。即擠出機(jī)構(gòu)方案如下：簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)7主 動(dòng) 螺 桿 從 動(dòng) 螺 桿絲 材圖 2-2 雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)第 3 章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 電機(jī)的選擇3.1.1 電動(dòng)機(jī)的性能和分類電動(dòng)機(jī)可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類。現(xiàn)就這兩種類型電機(jī)論述如下：(1) 交流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單、耐用、可靠、易維護(hù)、價(jià)格低、特性硬，但起動(dòng)和調(diào)速性能差，輕載時(shí)功率因素低，一般在無調(diào)速要求的機(jī)械廣泛應(yīng)用。在可變級(jí)頻率電源供電下可平滑調(diào)速。(2) 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能好，范圍寬，采用電子控制，能充分適應(yīng)各種機(jī)械負(fù)載特性的需求，但它的價(jià)格貴、維護(hù)復(fù)雜且需要直流電源，因此只有在交流電動(dòng)機(jī)不能滿足要求時(shí)才采用。其中串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力大、特性軟、適用于電力牽引機(jī)械等。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過載能力比并勵(lì)電動(dòng)機(jī)大，但調(diào)速范圍稍窄。電機(jī)分別有：步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)，究竟選擇哪個(gè)電機(jī)比較合適，我們做了一些對(duì)比如下表 3.1：表 3.1 動(dòng)力元件的比較電機(jī) 因素 步進(jìn)電機(jī) 伺服電機(jī)成本 低 高簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)8平穩(wěn)性 低頻存在振動(dòng) 低頻平穩(wěn)控制 簡(jiǎn)單 復(fù)雜結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 復(fù)雜分辨率 較高 高尺寸 小 較小出于成本、應(yīng)用場(chǎng)合和尺寸的考慮，我選擇直流伺服電機(jī)作為 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)的動(dòng)力元件。3.1.2 本傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的類型選擇由于本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)是用來給擠出機(jī)構(gòu)做動(dòng)力，且載荷平穩(wěn)，常溫下連續(xù)運(yùn)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(dòng)機(jī)。（1）選擇電動(dòng)機(jī)的功率(容量)電動(dòng)機(jī)功率選擇是否合適，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。功率過小不能保證工作機(jī)的正常工作，若功率選得過大，電動(dòng)機(jī)的價(jià)格高，效率和功率因數(shù)都較低，造成浪費(fèi)。負(fù)荷穩(wěn)定(或變化很小) 、長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械(例如運(yùn)輸機(jī))，可按照電動(dòng)機(jī)的額定功率選擇，而不必校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。選擇時(shí)應(yīng)保證rP?0式中 — 電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；0P— 工作機(jī)所需電動(dòng)機(jī)功率，kW；r所需電動(dòng)機(jī)功率有下式計(jì)算=rP?W式中 — 工作機(jī)所需有效功率，有工作機(jī)的工藝阻力及運(yùn)行參數(shù)確定；W— 電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的總效率。?傳動(dòng)裝置的總效率 ，有傳動(dòng)裝置的組成確定。多級(jí)串聯(lián)的傳動(dòng)裝置的總效率為： W??321.本次送絲電機(jī)負(fù)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(jī)額定功率為 50W。（2）確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇電動(dòng)機(jī)，除了選擇合適的電動(dòng)機(jī)系列及容量外，尚需確定適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速。因?yàn)槿萘肯嗤耐愲姍C(jī)，可以有不同的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)工作機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)9勢(shì)必使傳動(dòng)比增大，致使傳動(dòng)裝置復(fù)雜，外廓尺寸增大，制造成本高。而選用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，優(yōu)缺點(diǎn)剛好相反。因此，在確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)分析比較，權(quán)衡利弊，安最佳方案選擇。擠出機(jī)送絲速度： ，送絲速度不高。min/5.1v?為減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，本次選用電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500r/min傳動(dòng)裝置總效率 = . . . .?聯(lián) 齒 輪4軸 承 滾 筒?帶按《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 4.2-9 ?。郝?lián)軸器效率 =0.99聯(lián)齒輪傳動(dòng)效率 =0.97齒 輪?滾動(dòng)軸承效率 =0.98軸 承滾筒效率 =0.96滾 筒帶傳動(dòng)效率 =0.95帶?則傳動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 4.12-1，選擇 90ZYT01 型號(hào)直流電動(dòng)機(jī)，其額定功率 =50W，轉(zhuǎn)速 1500 r/min。0P3.2 傳動(dòng)比的分配傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速 和工作機(jī)軸的轉(zhuǎn)速 ，由 =0nWni算出。然后將總傳動(dòng)比合理地分配給各級(jí)傳動(dòng)?？倐鲃?dòng)比等于各級(jí)傳動(dòng)比的連乘wn0積，即 ??21i當(dāng)設(shè)計(jì)多級(jí)傳動(dòng)比的傳動(dòng)裝置時(shí)，分配傳動(dòng)比是一個(gè)重要的步驟。往往與有傳動(dòng)比分配不當(dāng)，造成尺寸不緊湊、結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)、成本高、維護(hù)不便等許多問題。傳動(dòng)比可按下式分配??214.3ii～?簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)10即 ??減～ ii4.131?式中 分別為高速級(jí)和低速級(jí)的傳動(dòng)比； 為減速器的傳動(dòng)比。21,i 減i本設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比= = =1iwn015根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 4.2-9 取 =2.5，則齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比為：帶i=1齒3.3 各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算在選出電動(dòng)機(jī)型號(hào)、分配傳動(dòng)比之后，應(yīng)將傳動(dòng)裝置中各軸的傳遞功率、轉(zhuǎn)速、專據(jù)計(jì)算出來，為傳動(dòng)零件和周的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。(1)各軸的轉(zhuǎn)速可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比進(jìn)行計(jì)算。(2)各軸的功率和轉(zhuǎn)矩均按輸入計(jì)算，有兩種計(jì)算方法，其一是按工作機(jī)的需要功率計(jì)算；其二是按照電動(dòng)機(jī)的額定功率計(jì)算。前一種方法的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)計(jì)出的傳動(dòng)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(dòng)機(jī)額定功率 略0P大于所需電動(dòng)機(jī)功率 ，故根據(jù) 計(jì)算出個(gè)州功率和轉(zhuǎn)矩較實(shí)際需要的大一些，設(shè)rP0計(jì)出的傳動(dòng)零件的結(jié)構(gòu)尺寸較實(shí)際需要的大一些，因此傳動(dòng)裝置的承載能力對(duì)生產(chǎn)具有一定的潛力。將傳動(dòng)裝置中各軸從高速到低速依次定為Ⅰ軸、Ⅱ軸……(電動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)中傳動(dòng)系統(tǒng)各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算為：,21T0 軸：0 軸即電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)如下：軸名 功率 wP/轉(zhuǎn)矩 mNT?/轉(zhuǎn)速 in)/(?r電機(jī)軸 50 0.318 1500Ⅰ 49 0.312 1500Ⅱ 47 0.3 15003.4 齒輪組設(shè)計(jì)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(dòng)，精度選擇 7 級(jí)，因?yàn)閲婎^結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使他盡可能簡(jiǎn)單，而且不宜過重，所以選的材料用 45 號(hào)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(hào)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(gè)齒輪齒數(shù)均取相同，該處取 5321?z3.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)（1）試選載荷系數(shù) kt=1.6（2）由下圖 4.4.11[28]：簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)12圖 4.4.11得區(qū)域系數(shù) ZH=2.5（3）由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)的端面重合度圖如下圖 4.4.12[28]：圖 4.4.12 標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)的端面重合度得標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)的端面重合度：=0.765 =0.82簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)力循環(huán)次數(shù)：簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)14N1=60n1jLn=60其中 n1 為小齒輪的轉(zhuǎn)速，小齒輪與步進(jìn)電機(jī)直接相接，由步進(jìn)電機(jī)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(qiáng)度設(shè)計(jì)（1）計(jì)算載荷系數(shù) k1=（2）查取齒形系數(shù) 和應(yīng)力校正系數(shù) 為如下表 4.4.3：表 4.4.3 齒形系數(shù) 和應(yīng)力校正系數(shù)簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)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(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) s=1.4∴[ ]1=∴[ ]2=263.57MPa；簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16（6）計(jì)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(jìn)行計(jì)算。（7）設(shè)計(jì)計(jì)算m故齒輪的模數(shù) m=1，這樣設(shè)計(jì)的齒輪既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并且做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。則齒輪齒數(shù) 。15321?zz3.4.4 幾何尺寸計(jì)算幾何尺寸計(jì)算如下表 5：表 5 直齒輪參數(shù)擠出機(jī)構(gòu)直齒輪相關(guān)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(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)17標(biāo)準(zhǔn)中心距 a=m*(z1+z2)/2 15傳動(dòng)比 i=z2/z1 1有了該對(duì)齒輪組的尺寸數(shù)據(jù)，就可以設(shè)計(jì)噴頭擠出機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而可以完成擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。3.5 軸設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)擬定擠出機(jī)構(gòu)軸上的零件的裝配方案選用下圖 4.5.1 所示：簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jí)公差，0 級(jí)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(gè)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?yàn)辇X輪端面與擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)壁的距離為0.2mm，所以此處長(zhǎng)度為 LⅡ-Ⅲ=0.2mm 。（3）Ⅲ-Ⅳ軸段齒輪，該齒輪在軸上，相關(guān)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(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)值 Φ8，SKF 深溝球軸承型號(hào)為 61800，長(zhǎng)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(zhǎng)度比軸承厚度要短，則長(zhǎng)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?yàn)辇X輪端面與擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)壁的距離為0.2mm，所以此處長(zhǎng)度為 LⅣ-Ⅴ=0.2mm 。到此，我們就可以得到擠出機(jī)構(gòu)的相關(guān)零件的所以參數(shù)了。則擠出機(jī)構(gòu)的建模爆炸圖如下圖所示：簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)19簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)20第 4 章 擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.1 擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求很多技術(shù)都有自己的關(guān)鍵技術(shù)，熔絲沉積成形也不例外，擠出技術(shù)是熔絲沉積成形工藝的關(guān)鍵使能技術(shù)。擠出機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)熔絲沉積成形的關(guān)鍵部件，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shí)體。擠出機(jī)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(shí)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(xì)絲狀，按預(yù)設(shè)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(diǎn)[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(yīng)功能。2)將原料絲材送入加熱腔，稱為原料絲材送進(jìn)功能，簡(jiǎn)稱送絲功能。3)將送進(jìn)的固態(tài)原料絲材及時(shí)而充分地熔化成為熔融態(tài)，簡(jiǎn)稱熔絲功能。4)提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動(dòng)的通道，簡(jiǎn)稱流道功能。5)將熔融材料擠出噴嘴，簡(jiǎn)稱擠出功能。6)對(duì)擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑，變?yōu)闈M足要求的更細(xì)小直徑的絲材以進(jìn)行堆積，簡(jiǎn)稱定徑功能。7)出絲速度應(yīng)該可控，并能根據(jù)掃描速度進(jìn)行調(diào)整，以相互匹配，簡(jiǎn)稱速度匹配功能。8)出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時(shí)起停，以保證高質(zhì)量的成形路徑，尤其在路徑起停處，簡(jiǎn)稱出絲起?？刂乒δ?。 。工藝原理中一個(gè)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(dòng)力，送絲功能 2)和擠出功能 5)是等效的。 。在以上各項(xiàng)功能中，前六項(xiàng)是基本功能要求，是實(shí)現(xiàn)工藝原理的必要條件，后兩項(xiàng)則是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成形的必要條件，是提高造型精度的關(guān)鍵。在進(jìn)行擠出頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)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(shí)現(xiàn))。2)加熱腔加熱功率應(yīng)盡量小，該部分應(yīng)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(duì)其它部件的影響。3)送絲機(jī)構(gòu)應(yīng)能提供足夠大的推動(dòng)力，以克服高聚物材料擠出時(shí)產(chǎn)生的阻力。簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)214)加熱腔和噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的阻力盡量小。在滿足要求的前提下加熱腔流道應(yīng)盡量短，既減少流動(dòng)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(jī)工程原理，方便人工操作和維護(hù)。4.2 擠出機(jī)構(gòu)的組成擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：擠出裝置分別由擠出機(jī)構(gòu)，導(dǎo)熱機(jī)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(jī)構(gòu)把 FDM 的物料棒送到導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)，使物料在導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)中融化。然后通過噴嘴打印到工作臺(tái)上，在X、Y 軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)作用下實(shí)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(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)22擠出機(jī)構(gòu)是噴頭的重要組成部分，沒有了擠出機(jī)構(gòu)，F(xiàn)DM 物料棒就無法連續(xù)供給到導(dǎo)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(shè)計(jì)擠出機(jī)構(gòu)過程中，我們先定下設(shè)計(jì)方案，然后初定設(shè)計(jì)參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的校核，看看是否滿足要求。擠出機(jī)構(gòu)中，主要是要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)滾輪帶動(dòng)棒料緩緩下落的功能，所有應(yīng)該有一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)在高速的時(shí)候控制力可以，但是在速度低的時(shí)候控制力不足，所以應(yīng)該連接一對(duì)傳動(dòng)比比較大的直齒輪。下圖中是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，通過小齒輪帶動(dòng)大的直齒輪，然后帶動(dòng)滾輪，從而實(shí)現(xiàn)棒料的下落。除了齒輪組和電動(dòng)機(jī)，擠出機(jī)構(gòu)還有導(dǎo)入嘴， 嘴應(yīng)該設(shè)計(jì)開頭較大，防止物料溢出，或者因?yàn)樘《ㄋ?。因此整個(gè)擠出裝置的主要部件為：導(dǎo)入嘴、步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)滾輪、一對(duì)齒輪組、頂板、以及支撐端板。如圖 4.4 所示圖 4.4 擠出機(jī)構(gòu)4.3 雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xì)結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)螺桿4.4 擠出機(jī)構(gòu)流道口設(shè)計(jì)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(dòng)管道包含如下兩個(gè)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(duì)應(yīng)，熔體流道中的流動(dòng)過程分為三段，即直徑為 段的等截面圓管流動(dòng)，由 到 的過渡段錐形管道流動(dòng)和直徑為 的等截面圓管流動(dòng)。熔體流動(dòng)包括連續(xù)變化的三個(gè)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(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)于牛頓流體 1，對(duì)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(jì)算流道兩端的壓力差實(shí)際上為熔體在流道中流動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失，相應(yīng)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(huì)對(duì)流體產(chǎn)生附加阻力來說非常小，在此將其忽略不計(jì)，即可認(rèn)為，與上式計(jì)算的壓力差相應(yīng)的阻力即為流道對(duì)絲材送進(jìn)的全部阻力。由于本工藝中，流道中未熔絲材要承擔(dān)活塞作用，利用絲材本身來傳遞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力對(duì)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(jìn)的驅(qū)動(dòng)力 F 的理論計(jì)算公式即為：（4.7）下面根據(jù)公式(4.7) 進(jìn)一步分析驅(qū)動(dòng)力與有關(guān)參數(shù)間的關(guān)系[29]：(1)驅(qū)動(dòng)力與流率 Q 的關(guān)系根據(jù)公式 (4.7)，驅(qū)動(dòng)力與流率間存在下列非線性關(guān)系：對(duì)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(duì)于非牛頓流體來說，流率增加時(shí)，伴隨的壓力和所需驅(qū)動(dòng)了并不是成比例的線性增加。當(dāng)流率從 0 開始增加時(shí)，在最初階段，壓力會(huì)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(yīng)壓力和驅(qū)動(dòng)力的變化卻比較小。簡(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)25實(shí)際進(jìn)行的 ABS 熔體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。(2)在擠出頭流道直徑依次縮小的情況下，各段長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)為： 。當(dāng) 時(shí)即為 9：3：1 即較小直徑的噴嘴出口段的長(zhǎng)度對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)，在滿足出絲口定徑功能的前提下應(yīng)盡量減小噴嘴出口段的長(zhǎng)度，這對(duì)減小擠出頭中的總體流動(dòng)阻力效果最為顯著。(3)實(shí)例計(jì)算分析這里以一種特定配方的 ABS 塑料為例進(jìn)行計(jì)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(shí)，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(shè)工作時(shí)進(jìn)絲速度 ，絲材直徑為 1.8mm。計(jì)算得： ，最后計(jì)算獲得 。因?yàn)檫@個(gè)驅(qū)動(dòng)力為計(jì)算的理論值，進(jìn)行了一些近似和忽略，所以在利用這個(gè)值作參考選擇電機(jī)和設(shè)計(jì)送絲結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該適當(dāng)放大。4.5 加熱腔的設(shè)計(jì)本課題研發(fā)的熔絲沉積成形系統(tǒng)采用一對(duì)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(shí)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(jiǎn)易 3D 打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dāng)加工做成中，送絲突然中斷過長(zhǎng)時(shí)間，處于流道口上的所以絲材會(huì)因受熱，距離入口處溫度較低不至于融化，但會(huì)因受熱而膨脹，直徑變大，出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；距離入口較遠(yuǎn)處溫度高而導(dǎo)致融化，使得再加工時(shí)出現(xiàn)熔漿溢出現(xiàn)象。4.6.1 流涎問題的分析在進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，送絲電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)以后，噴嘴并不會(huì)馬上停止出絲，而是長(zhǎng)時(shí)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(yīng)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(shí)，材料呈現(xiàn)剛性固體狀，稱之為玻璃態(tài)；當(dāng)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(huì)出現(xiàn)粘性流動(dòng)，稱之為粘流態(tài)。