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簡易 3D 打印機擠出機構設計 I 摘 要 三維打印機不僅使立體物品的造價降低 且激發(fā)了人們的想象力 未來三維打 印機的應用將會更加廣泛 3D 打印技術最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具 就能直接從計算機圖形數(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 這項技術目前正迅猛發(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 結合 Makerbot Replicator 和 Ultimaker 3D 打印設備 設計出一款新型的 FDM 3D 打印設備的擠出機構 適用于家庭和辦公 場地 當然 也可以在加工車間工作 本設計首先通過分析提出了 3D 打印機擠出機構的設計方案 然后從傳動機構 和擠出機構兩大方面進行了詳細設計與校核 最后通過 CAD 軟件繪制了該擠出機構 的裝配圖與主要零件圖 關鍵詞 3D 打印機 擠出機構 齒輪 雙螺桿 簡易 3D 打印機擠出機構設計 II Abstract 3D 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 簡易 3D 打印機擠出機構設計 III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 緒論 1 1 1 課題研究的意義 1 1 2 國內(nèi)外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 1 1 2 1 國外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 1 1 2 2 國內(nèi) 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 2 1 3 3D 打印設備的發(fā)展趨勢 2 1 3 1 3D 打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景 2 1 3 2 3D 打印技術未來發(fā)展的主要趨勢 3 1 4 3D 打印設備的結構特點 3 第 2 章 總體方案及結構設計 5 2 1 總體設計要求 5 2 2 總體方案的設計 5 2 2 1 傳動機構方案設計 5 2 2 2 擠出機構方案設計 6 第 3 章 傳動機構設計 7 3 1 電機的選擇 7 3 1 1 電動機的性能和分類 7 3 1 2 本傳動機構電動機的類型選擇 7 3 2 傳動比的分配 9 3 3 各軸運動及動力參數(shù)計算 9 3 4 齒輪組設計 11 3 4 1 齒輪精度及材料的選擇 11 3 4 2 按齒面接觸強度設計 11 3 4 3 按齒根彎曲強度設計 14 3 4 4 幾何尺寸計算 16 簡易 3D 打印機擠出機構設計 IV 3 5 軸設計 17 3 5 1 作用在齒輪上的力 17 3 5 2 最小軸徑的確定 17 第 4 章 擠出機構的設計 20 4 1 擠出機構的設計要求 20 4 2 擠出機構的組成 21 4 3 雙螺桿擠出機構設計 22 4 4 擠出機構流道口設計 23 4 5 加熱腔的設計 25 4 6 加熱腔入口溢料問題的分析 26 4 6 1 流涎問題的分析 26 4 6 2 解決方案 27 總 結 29 參考文獻 30 致 謝 31 簡易 3D 打印機擠出機構設計 1 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的意義 三維打印 3D Printing 即快速成形技術的一種 它是一種數(shù)字模型文件為基 礎 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來構造物體的技術 過去其常在模具制造 工業(yè)設計等領域被用于制造模型 現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的 直接制造 特別是一些高價值應用 比如髖關節(jié)或牙齒 或一些飛機零部件 已經(jīng) 有使用這種技術打印而成的零部件 三維打印 意味著這項技術的普及 三維打印機不僅使立體物品的造價降低 且激發(fā)了人們的想象力 未來三維打 印機的應用將會更加廣泛 3D 打印技術最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具 就能直接從計算機圖形數(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 這項技術目前正迅猛發(fā)展 已越來越引起人們的廣泛重 視 隨著技術的進步 現(xiàn)在 3D 打印機在電影動漫 氣象 教育 外科醫(yī)療等領域 都能發(fā)揮獨特的作用 在教育領域 3D 打印機能夠?qū)⒊橄蟾拍顜氍F(xiàn)實世界 將 學生的構思轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸嵙Ⅲw彩色模型 令教學更為生動 在建 筑領域 3D 打印機能夠為曲面異形建筑的重要精密構件快速制作精確模型 實現(xiàn) 傳統(tǒng)建筑模型制作無法達到的工藝水平 在工業(yè)生產(chǎn)領域 3D 打印機可以為金屬 鑄件直接打印模型 模型插件和圖案 在地理空間領域 3D 打印機可以輕松將 GIS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地形及城市景觀模型或沙盤 而在娛樂藝術領域 3D 打印機還可 根據(jù)電子游戲 三維動畫以及其他創(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 國內(nèi)外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 1 2 1 國外 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 3D 打印技術的核心制造思想最早起源于 19 世紀末的 美國 1995 年 麻省理 工創(chuàng)造了 三維打印 一詞 當時的畢業(yè)生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 修改了噴墨打印 機方案 變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案 而不是把墨水擠壓在紙張上的 方案 5 簡易 3D 打印機擠出機構設計 2 圖 3 最早的 3D 打印機 6 圖 4 現(xiàn)代 3D 打印機 6 當前世界上最流行的 RP 技術有立體光刻 Stereolithography SLA 疊層實 體制造 Laminated Object Manufacturing LOM 熔融沉積制造 Fused Deposition Modeling FDM 選擇性激光燒結 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 國內(nèi) 3D 打印設備的研究現(xiàn)狀 我國在 3D 打印設備的研究上起步比較晚 我國最早在快速成形技術方面開展 工作的有清華大學 西安交通大學 華中理工大學和北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公 司 這些單位早期在開發(fā)系統(tǒng)設備方面各有側重 其中 清華大學以 FDM 和 LOM 為主 西安交通大學則是 SLA 北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司為 SLS 而華中科 技大學主要為 LOM 與 SLS 國內(nèi)的家電行業(yè)是對快速成形技術反應最為敏捷的行 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)濟效果 14 16 簡易 3D 打印機擠出機構設計 3 圖 7 北京殷華 圖 8 江蘇敦超 1 3 3D 打印設備的發(fā)展趨勢 1 3 1 3D 打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景 根據(jù)國際快速制造行業(yè)權威報告 WohlersReport 2011 發(fā)布的調(diào)查結果 全球 3D 打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在 1988 2010 年間保持著 26 2 的年均增長速度 報告預期 3D 打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長 到 2016 年 包含設備制造和服務在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總 產(chǎn)值將達到 31 億美元 2020 年將達到 52 億美元 17 但 3D 打印技術要進一步擴展其產(chǎn)業(yè)應用空間 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 打印機造價仍普遍較為昂貴 給其進一步普及應用帶 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 還遠不適應大規(guī)模生產(chǎn)的需求 而且受打印機工作原理的限制 打印精度與速度之 間存在嚴重沖突 四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面 3D 打印技術的普及將使產(chǎn)品更容易被復制和擴散 制造業(yè) 面對的盜版風險大增 現(xiàn)有知識產(chǎn)權保護機制難以適應產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求 圖 9 納米級別微型 3D 打印機 6 圖 10 太空 3d 打印機 6 1 3 2 3D 打印技術未來發(fā)展的主要趨勢 隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟 新的信息技術 控制技術 材料技術等不斷 被廣泛應用到制造領域 3D 打印技術也將被推向更高的層面 未來 3D 打印技術 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 拓展 3D 打印技 術在生物醫(yī)學 建筑 車輛 服裝等更多行業(yè)領域的創(chuàng)造性應用 簡易 3D 打印機擠出機構設計 4 1 4 3D 打印設備的結構特點 目前世界上主流的 3D 打印設備為三維粉末粘接 Three Dimensional Printing and Gluing 3DP 熔融沉積制造 Fused Deposition Modeling FDM 選擇性激光燒 結 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 而選擇性激光燒結則加工 速度快 可加工金屬粉末 它們的共同特點為 18 23 1 能作為一種輸出設備直接與使用 CAD 的計算機相連 并且由設計者親自操 作 使用方便 不需依靠專門的快速成形服務機構或?qū)嶒炇揖湍芗皶r制作模型及用 于產(chǎn)品設計的快速校驗 2 整個生產(chǎn)過程數(shù)字化 與 CAD 模型具有直接的關聯(lián) 零件可大可小 所見 即所得 可隨時修改 隨時制造 3 設備體積小 運行和維護成本低 成形過程中無毒無污染 可在普通的辦公 室內(nèi)使用 所以對環(huán)境無特殊要求 由于沒有昂貴復雜的激光系統(tǒng) 所以整體造價大 大降低 操作簡單 因此該機易于普及 4 材料費用低 如石膏 淀粉等產(chǎn)品的單價幾乎與批量無關 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雜性以及幾何形狀無關 在加工復雜曲面時 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)品的強度較低 由于采用液滴直接粘接成形 產(chǎn)品的強度低于其它快速成 形方式 一般需要進行后處理 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 簡易 3D 打印機擠出機構設計 5 第 2 章 總體方案及結構設計 在此結構設計之前 已經(jīng)有前人對此類機構做了部分設計研究 所以本文的設 計研究只要是在已有的研究基礎之上 注重考慮 3D 打印擠出機構的設計 對 3D 打 印擠出機構部分結構進行重新設計改良 2 1 總體設計要求 本文研究的 3D 打印設備屬于家庭桌面電器領域 涉及多軸聯(lián)動 且 3D 打印設 備的主要運動關節(jié)采用直線元件驅(qū)動 形成相互聯(lián)動運動機構的運動形式 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 按照建造一臺小型規(guī)格 3D 打印設備樣機的規(guī)格要求以及運動范圍參數(shù) 如表 2 1 所示下 表 2 1 3D 打印設備設計規(guī)格要求 構建尺寸 200 185 195mm 精度 0 1mm 層厚 0 1 0 3mm 可調(diào) 構建速度 24 h 以上 最大打印溫度 260 以下 原材料 3mm ABS 絲材 擠出機送絲速度 1 5m min 本文要求針對以上性能的打印機 設計其擠出機構 通過對前人做的部分設計 的研究 提出如下設計方案 簡易 3D 打印機擠出機構設計 6 2 2 總體方案的設計 2 2 1 傳動機構方案設計 考慮到結構緊湊性和傳動的平穩(wěn)性 本次采用齒輪傳動 通過對結構的分析有 以下結論 1 為避免傳動齒輪影響原料絲材的送絲 齒輪尺寸不能取太大 2 為了保證電機不與入嘴干涉 有必須有較大中心距 基于以上兩因素 此次采用小齒輪輸出 并增加中間過渡齒輪采用三軸傳動的 形式 傳動機構方案如下 輸 出 齒 輪 輸 出 軸 過 渡 齒 輪電 機 輸 入 齒 輪 圖 2 1 傳動機構簡圖 2 2 2 擠出機構方案設計 本次 3D 打印機屬于家庭桌面電器領域 參數(shù)要求如下 原材料 3mm ABB 絲材 擠出機送絲速度 1 5m min 從以上參數(shù)可以看出 該 3D 打印機原料使用量比較小 送絲速度比較低 如果采用普通滾輪式送絲機構則需要采用較大減速比的減速機構才能滿足要 這樣會導致擠出機構結構尺寸及重量均會比較大 因此本次采用雙螺桿送絲機構 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構本身類似 于渦輪蝸桿傳動 即使不使用任何減速器機構其本身也可以有很大的傳動比 即擠 出機構方案如下 簡易 3D 打印機擠出機構設計 7 主 動 螺 桿 從 動 螺 桿 絲 材 圖 2 2 雙螺桿擠出機構 第 3 章 傳動機構設計 3 1 電機的選擇 3 1 1 電動機的性能和分類 電動機可分為交流電動機和直流電動機兩大類 現(xiàn)就這兩種類型電機論述如下 1 交流電動機 交流電動機簡單 耐用 可靠 易維護 價格低 特性硬 但起動和調(diào)速性能 差 輕載時功率因素低 一般在無調(diào)速要求的機械廣泛應用 在可變級頻率電源供 電下可平滑調(diào)速 2 直流電動機 直流電動機的調(diào)速性能好 范圍寬 采用電子控制 能充分適應各種機械負載 特性的需求 但它的價格貴 維護復雜且需要直流電源 因此只有在交流電動機不 能滿足要求時才采用 其中串勵電動機的特點是起動轉(zhuǎn)矩大 過載能力大 特性軟 適用于電力牽引機械等 復勵電動機的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力比并勵電動機大 但調(diào) 速范圍稍窄 電機分別有 步進電機 伺服電機 究竟選擇哪個電機比較合適 我們做了一 些對比如下表 3 1 表 3 1 動力元件的比較 電機 因素 步進電機 伺服電機 成本 低 高 簡易 3D 打印機擠出機構設計 8 平穩(wěn)性 低頻存在振動 低頻平穩(wěn) 控制 簡單 復雜 結構 簡單 復雜 分辨率 較高 高 尺寸 小 較小 出于成本 應用場合和尺寸的考慮 我選擇直流伺服電機作為 3D 打印機擠出 機構的動力元件 3 1 2 本傳動機構電動機的類型選擇 由于本設計中電動機是用來給擠出機構做動力 且載荷平穩(wěn) 常溫下連續(xù)運轉(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機 1 選擇電動機的功率 容量 電動機功率選擇是否合適 對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響 功率過小不能 保證工作機的正常工作 若功率選得過大 電動機的價格高 效率和功率因數(shù)都較 低 造成浪費 負荷穩(wěn)定 或變化很小 長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的機械 例如運輸機 可按照電動機的額 定功率選擇 而不必校驗電動機的發(fā)熱和起動轉(zhuǎn)矩 選擇時應保證 rP 0 式中 電動機額定功率 kW 0P 工作機所需電動機功率 kW r 所需電動機功率有下式計算 rP W 式中 工作機所需有效功率 有工作機的工藝阻力及運行參數(shù)確定 W 電動機到工作機的總效率 傳動裝置的總效率 有傳動裝置的組成確定 多級串聯(lián)的傳動裝置的總效率 為 W 321 本次送絲電機負載很小 只需要克服送絲阻力及構件之間的摩擦力 因此本次 選用電機額定功率為 50W 2 確定電動機的轉(zhuǎn)速 選擇電動機 除了選擇合適的電動機系列及容量外 尚需確定適當?shù)霓D(zhuǎn)速 因 為容量相同的同類電機 可以有不同的轉(zhuǎn)速 電動機轉(zhuǎn)速相對工作機轉(zhuǎn)速過高時 簡易 3D 打印機擠出機構設計 9 勢必使傳動比增大 致使傳動裝置復雜 外廓尺寸增大 制造成本高 而選用電動 機轉(zhuǎn)速過低時 優(yōu)缺點剛好相反 因此 在確定電動機轉(zhuǎn)速時 應分析比較 權衡 利弊 安最佳方案選擇 擠出機送絲速度 送絲速度不高 min 5 1v 為減小傳動機構結構尺寸 本次選用電機轉(zhuǎn)速為 1500r min 傳動裝置總效率 聯(lián) 齒 輪 4軸 承 滾 筒 帶 按 機械設計課程設計手冊 表 4 2 9 取 聯(lián)軸器效率 0 99聯(lián) 齒輪傳動效率 0 97齒 輪 滾動軸承效率 0 98軸 承 滾筒效率 0 96滾 筒 帶傳動效率 0 95帶 則傳動總效率 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 wn min 150 rpv 查 機械設計課程設計手冊 表 4 12 1 選擇 90ZYT01 型號直流電動機 其額 定功率 50W 轉(zhuǎn)速 1500 r min 0P 3 2 傳動比的分配 傳動裝置的總傳動比可根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速 和工作機軸的轉(zhuǎn)速 由 0nWni 算出 然后將總傳動比合理地分配給各級傳動 總傳動比等于各級傳動比的連乘wn 0 積 即 21i 當設計多級傳動比的傳動裝置時 分配傳動比是一個重要的步驟 往往與有傳 動比分配不當 造成尺寸不緊湊 結構不協(xié)調(diào) 成本高 維護不便等許多問題 傳動比可按下式分配 214 3ii 簡易 3D 打印機擠出機構設計 10 即 減 ii4 131 式中 分別為高速級和低速級的傳動比 為減速器的傳動比 21 i 減i 本設計中 傳動裝置的總傳動比 1iwn 015 根據(jù) 機械設計課程設計手冊 表 4 2 9 取 2 5 則齒輪傳動機構比為 帶i 1齒 3 3 各軸運動及動力參數(shù)計算 在選出電動機型號 分配傳動比之后 應將傳動裝置中各軸的傳遞功率 轉(zhuǎn)速 專據(jù)計算出來 為傳動零件和周的設計計算提供依據(jù) 1 各軸的轉(zhuǎn)速可根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速及傳動比進行計算 2 各軸的功率和轉(zhuǎn)矩均按輸入計算 有兩種計算方法 其一是按工作機的需要 功率計算 其二是按照電動機的額定功率計算 前一種方法的優(yōu)點是 設計出的傳 動裝置結構尺寸較為緊湊 而后一種方法 由于一般所選定的電動機額定功率 略0P 大于所需電動機功率 故根據(jù) 計算出個州功率和轉(zhuǎn)矩較實際需要的大一些 設rP0 計出的傳動零件的結構尺寸較實際需要的大一些 因此傳動裝置的承載能力對生產(chǎn) 具有一定的潛力 將傳動裝置中各軸從高速到低速依次定為 軸 軸 電動機的 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 則本設計中傳動系統(tǒng)各軸功率 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計算為 21T 0 軸 0 軸即電動機軸 50WPr 1500 r min 0n 9 55 9 55 0 318 Nm0T0150 3 軸 軸即中間齒輪軸 簡易 3D 打印機擠出機構設計 11 0 05 0 049KW1P0齒 98 0 1500 r minn 9 55 0 312 Nm1T1 5 95014 3 軸 軸即主動螺桿軸 0 049 0 98 0 98 0 047 kW2P1 齒 輪 軸 承 1500 r minn 9 55 9 55 0 3Nm2T2 15047 3 整理各軸運動及動力參數(shù)如下 軸名 功率 wP 轉(zhuǎn)矩 mNT 轉(zhuǎn)速 in r 電機軸 50 0 318 1500 49 0 312 1500 47 0 3 1500 3 4 齒輪組設計 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 精度選擇 7 級 因為噴頭結構設計使他盡可 能簡單 而且不宜過重 所以選的材料用 45 號鋼 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 故三個齒輪齒數(shù)均取相同 該處取 5321 z 3 4 2 按齒面接觸強度設計 1 試選載荷系數(shù) kt 1 6 2 由下圖 4 4 11 28 簡易 3D 打印機擠出機構設計 12 圖 4 4 11 得區(qū)域系數(shù) ZH 2 5 3 由標準圓柱齒輪傳動的端面重合度圖如下圖 4 4 12 28 圖 4 4 12 標準圓柱齒輪傳動的端面重合度 得標準圓柱齒輪傳動的端面重合度 0 765 0 82 簡易 3D 打印機擠出機構設計 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 應力循環(huán)次數(shù) 簡易 3D 打印機擠出機構設計 14 N1 60n1jLn 60 其中 n1 為小齒輪的轉(zhuǎn)速 小齒輪與步進電機直接相接 由步進電機的參數(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 按齒根彎曲強度設計 1 計算載荷系數(shù) k1 2 查取齒形系數(shù) 和應力校正系數(shù) 為如下表 4 4 3 表 4 4 3 齒形系數(shù) 和應力校正系數(shù) 簡易 3D 打印機擠出機構設計 15 Z 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 2 97 2 91 2 85 2 80 2 76 2 72 2 69 2 65 2 62 2 6 2 57 1 52 1 53 1 54 1 55 1 56 1 57 1 575 1 58 1 59 1 595 1 60 Z 28 29 30 35 40 45 50 60 70 80 90 2 55 2 53 2 52 2 45 2 40 2 35 2 32 2 28 2 24 2 22 2 20 1 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度極限 大齒輪的彎曲疲勞強度極限 4 由于在前一頁中已經(jīng)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 5 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù) s 1 4 1 2 263 57MPa 簡易 3D 打印機擠出機構設計 16 6 計算大 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)值進行計算 7 設計計算 m 故齒輪的模數(shù) m 1 這樣設計的齒輪既滿足了齒面接觸疲勞強度 又滿足了齒 根彎曲疲勞強度 并且做到了結構緊湊 避免浪費 則齒輪齒數(shù) 15321 zz 3 4 4 幾何尺寸計算 幾何尺寸計算如下表 5 表 5 直齒輪參數(shù) 擠出機構直齒輪相關參數(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 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 簡易 3D 打印機擠出機構設計 17 標準中心距 a m z1 z2 2 15 傳動比 i z2 z1 1 有了該對齒輪組的尺寸數(shù)據(jù) 就可以設計噴頭擠出機構各個零部件的相關參數(shù) 進而可以完成擠出機構的設計 3 5 軸設計 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 軸的結構設計 擬定擠出機構軸上的零件的裝配方案選用下圖 4 5 1 所示 簡易 3D 打印機擠出機構設計 18 153 5 3 59 250 75 32 75 8 0 013 0 022 8 0 024 0 015 8 0 024 0 015 9 9 M6 3 2 3 2 圖 4 5 1 傳動軸 1 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 級公差 0 級游隙 所以該處的軸直徑為 10mm 軸承的厚度 T 5mm 所以 L 4 6mm 2 軸段與 之間要有一個定位軸肩 在 處定位軸肩 則 h 2mm 所以 軸段的直徑取 d 12mm 因為齒輪端面與擠出機構內(nèi)壁的距離為 0 2mm 所以此處長度為 L 0 2mm 3 軸段齒輪 該齒輪在軸上 相關參數(shù)如表 5 所示 所以直徑為齒輪 齒頂圓 則 d 19 52mm 分度圓直徑為 19 2mm 故長度為齒寬 L 1 4mm 1mm 1 4mm 3 8mm 4 與軸承配合 的直徑為標準值 8 SKF 深溝球軸承型號為 61800 長 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 L 6 6 3 9 3 mm 24 3mm 取整 則得 L 25mm 5 軸 段安裝軸承 處為定位軸肩 尺寸與之前的軸肩一樣 因此直 徑為 d 10mm 長度比軸承厚度要短 則長度為 L 4 8mm 6 在軸 段 為軸承的定位軸肩 尺寸與之前的軸肩一樣 h 2mm 所 以 軸段的直徑取 d 12mm 因為齒輪端面與擠出機構內(nèi)壁的距離為 0 2mm 所以此處長度為 L 0 2mm 到此 我們就可以得到擠出機構的相關零件的所以參數(shù)了 則擠出機構的建模 爆炸圖如下圖所示 簡易 3D 打印機擠出機構設計 19 簡易 3D 打印機擠出機構設計 20 第 4 章 擠出機構的設計 4 1 擠出機構的設計要求 很多技術都有自己的關鍵技術 熔絲沉積成形也不例外 擠出技術是熔絲沉積 成形工藝的關鍵使能技術 擠出機構是實現(xiàn)熔絲沉積成形的關鍵部件 在機械運動 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 結形成三維實體 擠出機構系統(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絲 狀 按預設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 24 27 l 將原料絲材從絲筒上拉出 提供成形原料 即原料絲材的供應功能 2 將原料絲材送入加熱腔 稱為原料絲材送進功能 簡稱送絲功能 3 將送進的固態(tài)原料絲材及時而充分地熔化成為熔融態(tài) 簡稱熔絲功能 4 提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動的通道 簡稱流道功能 5 將熔融材料擠出噴嘴 簡稱擠出功能 6 對擠出熔融態(tài)物料進行定徑 變?yōu)闈M足要求的更細小直徑的絲材以進行堆積 簡稱定徑功能 7 出絲速度應該可控 并能根據(jù)掃描速度進行調(diào)整 以相互匹配 簡稱速度匹 配功能 8 出絲應能根據(jù)路徑掃描要求及時起停 以保證高質(zhì)量的成形路徑 尤其在路 徑起停處 簡稱出絲起?？刂乒δ?工藝原理中一個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)動力 送絲功能 2 和擠出功能 5 是等效的 在以上各項功能中 前六項是基本功能要求 是實現(xiàn)工藝原理的必要條件 后 兩項則是實現(xiàn)高質(zhì)量成形的必要條件 是提高造型精度的關鍵 在進行擠出頭系統(tǒng)設計時 還應遵守工藝優(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)實現(xiàn) 2 加熱腔加熱功率應盡量小 該部分應采取隔熱措施 一方面減少熱量損失 減少能源消耗 另一方面減少高溫對其它部件的影響 3 送絲機構應能提供足夠大的推動力 以克服高聚物材料擠出時產(chǎn)生的阻力 簡易 3D 打印機擠出機構設計 21 4 加熱腔和噴嘴結構對流動的阻力盡量小 在滿足要求的前提下加熱腔流道應 盡量短 既減少流動阻力 又可減小擠出頭總體尺寸 5 結構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 符合人機工程原理 方便人工操作和維護 4 2 擠出機構的組成 擠出機構結構圖如下圖所示 擠出裝置分別由擠出機構 導熱機構 噴嘴組成 由左圖的原理圖可知 FDM 的工作原理 就是通過擠出機構把 FDM 的物料棒 送到導熱機構 使物料在導熱機構中融化 然后通過噴嘴打印到工作臺上 在 X Y 軸的聯(lián)合運動作用下實現(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 簡易 3D 打印機擠出機構設計 22 擠出機構是噴頭的重要組成部分 沒有了擠出機構 FDM 物料棒就無法連續(xù)供 給到導熱裝置 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 在設計 擠出機構過程中 我們先定下設計方案 然后初定設計參數(shù) 最后進行數(shù)據(jù)的校核 看看是否滿足要求 擠出機構中 主要是要實現(xiàn)兩個滾輪帶動棒料緩緩下落的功能 所有應該有一 個步進電動機 因為步進電動機在高速的時候控制力可以 但是在速度低的時候控 制力不足 所以應該連接一對傳動比比較大的直齒輪 下圖中是由步進電動機作為 動力 通過小齒輪帶動大的直齒輪 然后帶動滾輪 從而實現(xiàn)棒料的下落 除了齒 輪組和電動機 擠出機構還有導入嘴 嘴應該設計開頭較大 防止物料溢出 或者 因為太小二卡死 因此整個擠出裝置的主要部件為 導入嘴 步進電機 兩個滾輪 一對齒輪組 頂板 以及支撐端板 如圖 4 4 所示 圖 4 4 擠出機構 4 3 雙螺桿擠出機構設計 前述已選定螺桿螺距 p 1mm 結合整體結構尺寸 取螺桿外徑 d 20mm 詳細 結構尺寸如下圖示 簡易 3D 打印機擠出機構設計 23 1 1 0 2 0 2 153 5 3 59 250 75 32 75 8 0 013 0 022 8 0 024 0 015 8 0 024 0 015 9 9 M6 3 2 3 2 圖 4 5 主動螺桿 4 4 擠出機構流道口設計 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管道包含如下兩個基本組成部分 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 與擠出頭結構對應 熔體流道中的流動過程分為三段 即直徑為 段的等截面 圓管流動 由 到 的過渡段錐形管道流動和直徑為 的等截面圓管流動 熔體流 動包括連續(xù)變化的三個過程 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 簡易 3D 打印機擠出機構設計 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) 對于牛頓流體 1 對于高聚物等非牛頓 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 計算流道兩端的壓力差實際上為熔體在流道中流動時的沿程壓力損失 相應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對流體產(chǎn)生附加阻力來說非常小 在此將其忽略 不計 即可認為 與上式計算的壓力差相應的阻力即為流道對絲材送進的全部阻力 由于本工藝中 流道中未熔絲材要承擔活塞作用 利用絲材本身來傳遞驅(qū)動機構的 驅(qū)動力 驅(qū)動力對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的驅(qū)動力 F 的理論計算公式即為 4 7 下面根據(jù)公式 4 7 進一步分析驅(qū)動力與有關參數(shù)間的關系 29 1 驅(qū)動力與流率 Q 的關系根據(jù)公式 4 7 驅(qū)動力與流率間存在下列非線性關系 對于本系統(tǒng)采用的材料 ABS 熔體 非牛頓流體 來說 n 在 1 3 左右 所以 即對于非牛頓流體來說 流率增加時 伴隨的壓力和所需驅(qū)動了并不是成 比例的線性增加 當流率從 0 開始增加時 在最初階段 壓力會有急劇的上升 但 流率增加到一定值后 盡管流率有很大增加 但相應壓力和驅(qū)動力的變化卻比較小 簡易 3D 打印機擠出機構設計 25 實際進行的 ABS 熔體流動實驗也證明了這一點 2 在擠出頭流道直徑依次縮小的情況下 各段長度對應的比例系數(shù)為 當 時即為 9 3 1 即較小直徑的噴嘴出口段的長度對總壓力差 的影響最大 是過渡段的 3 倍 是入口段的 9 倍 所以擠出頭設計時 在滿足出絲 口定徑功能的前提下應盡量減小噴嘴出口段的長度 這對減小擠出頭中的總體流動 阻力效果最為顯著 3 實例計算分析這里以一種特定配方的 ABS 塑料為例進行計算分析 在工作溫 度下 基本參數(shù)如下 參考剪切速率 1 s 時 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 設工作時進絲速度 絲材直 徑為 1 8mm 計算得 最后 計算獲得 因為這個驅(qū)動力為計算的理論值 進行了一些近似和忽略 所 以在利用這個值作參考選擇電機和設計送絲結構時應該適當放大 4 5 加熱腔的設計 本課題研發(fā)的熔絲沉積成形系統(tǒng)采用一對摩擦輪將直徑約為 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 簡易 3D 打印機擠出機構設計 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 當加工做成中 送絲突然中斷過長時間 處于流道口上的所以絲材會因受熱 距離入口處溫度較低不至于融化 但會因受熱而膨脹 直徑變大 出現(xiàn)卡死現(xiàn)象 距離入口較遠處溫度高而導致融化 使得再加工時出現(xiàn)熔漿溢出現(xiàn)象 4 6 1 流涎問題的分析 在進行工藝實驗的過程中發(fā)現(xiàn) 送絲電機停止轉(zhuǎn)動以后 噴嘴并不會馬上停止 出絲 而是長時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 為非結晶型聚合物溫度一形變 曲線 在溫度較低時 材料呈現(xiàn)剛性固體狀 稱之為玻璃態(tài) 當溫度升高至玻璃化 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 則會出現(xiàn)粘性流動 稱之為粘流態(tài) 簡易 3D 打印機擠出機構設計 27 圖 4 72 非結晶型聚合物溫度一形變曲線 29 導致流涎的原因主要為在停止送絲后 由于余熱的存在 熱膨脹使得處于粘彈 態(tài)絲材被迫壓出 4 6 2 解決方案 從根本上說 解決入口溢料問題的關鍵是減少入口處絲材的受熱 同時保證一 定的溫度梯度 經(jīng)過分析 我認為可以通過減小或消除高彈區(qū) 粘彈區(qū) 來減小流涎 量 直接的方法就是減小流道高溫區(qū)的容積 希望絲材只在噴嘴前端的過渡區(qū)熔融 這樣壓力可以直接傳遞到噴嘴處 針對如圖 4 7 所示結構的不足 進行了如下改進 一方面減小了加熱銅塊的厚 度 另一方面適當增加摩擦輪與加熱塊的距離 在其間加入熱障塊 這種結構減少 了絲材在流道內(nèi)的受熱長度 減小高溫段的體積 從而減小處于高彈態(tài)的材料 達 到減小流涎量的目的 建模效果圖 4 7 3 如下 圖 4 7 3 建模效果圖 很多機械設備在加工過程中 由于過熱而影響到加工精度和穩(wěn)定性 例如支撐 熱障塊 管式加熱器 導熱塊 螺釘墊片 噴嘴 簡易 3D 打印機擠出機構設計 28 板材過熱會發(fā)生形變 從而導致了加工過程中對刀的誤差以及加工誤差 并且會產(chǎn) 生累積效應 使得最終的加工零件與設計的零件有差距 因此 我們應該在噴頭上 加入風扇和散熱片 一來可以起到散熱作用 二來 細密的網(wǎng)格結構起到一定的保 護作用 因此噴頭機構整體裝配效果如圖 4 7 4 所示 圖 4 7 4 噴頭機構整體裝配效果圖 簡易 3D 打印機擠出機構設計 29 總 結 本文首先分析了單螺桿擠出機的工作原理及技術參數(shù) 接著對擠出機擠壓系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)等進行了詳細設計與校核 最后使用 CAD 二維軟件繪制了擠出機的裝配圖 和主要零件圖并采用 Pro E 三維軟件設計了擠出機的三維模型 通過這次設計 我學到了很多知識 鞏固了一些原來遺忘 疏忽的知識點 原 來不理解 沒有掌握好的問題 也通過翻閱資料 請教老師 把它們都解決了 通 過本次畢業(yè)設計 我體會到了團隊精神的重要性 同時 我也發(fā)現(xiàn)自己在學習過程 中存在的不足 尤其是專業(yè)知識的應用方面 不能在實踐中很好的運用 通過這次 畢業(yè)設計 使自己有了一種新的感受和認識 相信自己在今后的工作和學習當中會 發(fā)揮的更好 簡易 3D 打印機擠出機構設計 30 參考文獻 1 吳大鳴 李曉林 劉穎 單螺桿精密擠出成型技術進展 J 中國塑料 2003 02 2 王雪瑩 3D 打印技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析 J 中國高新技術企 2012 09 10 張劍峰 張建華 趙劍峰 沈以赴 花國然 黃因慧 激光快速成形制造技術的應用研究進展 J 航 空制造技術 2002 07 15 3 張愛英 王連才 劉厚利 魏宏亮 馮增國 基于快速成型技術的組織工程支架制備進 展 J 化工進展 2004 03 30 4 張會 ZPrinter310 系統(tǒng) X Y 執(zhí)行機構中的 Y 軸設計 J 機械管理開發(fā) 2008 06 15 5 張昌明 三維打印機 ZPrinter310 系統(tǒng) Z 向升降臺的結構設計 J 機械管理開發(fā) 2008 08 15 6 劉海濤 光固化三維打印成形材料的研究與應用 D 華中科技大學 2009 05 11 7 吳宗澤主編 機械零件設計手冊 M 機械工業(yè)出版社 2003 8 譚建榮 張樹有 施岳定主編 圖學基礎教程 M 高等教育出版社 1999 9 楊明忠 朱家誠主編 機械設計 M 武漢理工大學出版社 2001 10 鄭文緯 吳克堅主編 機械原理 M 第七版 高等教育出版社 1997 11 Andrew AlleyneDanian Zheng Learning Control of an Injection Molding Machine Cycle J OL 2000 NSF Design Manufacturing Research Conference 12 ZHAO Zhenmei WEI Xiuying XIONG Yuhua MAO Changhui Preparation of Ti Mo getters by injection molding J OL RARE METALS 2009 28 2 TG1 簡易 3D 打印機擠出機構設計 31 致 謝 時光飛逝 四年的大學學習生涯就要結束了 在這短暫而漫長的四年里 使我 更進一步的熟悉和掌握了如何去學習 生活和工作 同時 也是校園讓我們學會了 學習 學會了思考 學會了做人 雖其短暫 但是在這四年里所學的知識必將可以 使我受用終生 在這大學生涯即將結束的最后半年的畢業(yè)設計過程中 不僅是對我們每一個人 的一次全面的考查 同時也是對我們所學習和掌握知識的一次實際而綜合運用 這 不僅僅是只是一次知識的檢驗 更是對我們認識問題 分析問題 解決問題的綜合 能力的鍛煉與培養(yǎng) 同時對于我們來說 這也是一次難能可貴的在校學習的經(jīng)歷 一次知識和經(jīng)驗的積累的機會 為此 我應該感謝給予我這個機會的人 是他們給予了我這次學習的機會 同 時也是他們給予我了關懷與支持 正是在他們的關心 支持與幫助下 我的大學學 習 生活 以及這次畢業(yè)設計才能完滿結束 為我大學生涯畫上一個完美的句號 在這里 我首先要感謝母校 是母校為我提供了這個平臺 給予我了夢寐已久 的學習和生活的機會 從而是我的人生更加精彩 其次 要感謝的是我的指導老師 在這幾個月畢業(yè)設計的日子里 對我們的耐 心的關懷與輔導 在這四年的大學生涯中 以前學的專業(yè)知識 對于我們來說象一 盤散沙 雜亂無章沒有系統(tǒng)性 但是在老師的悉心輔導下 使我們對自己的知識進 行了整理 組織和裝配 使我的知識結構更加明朗化 體系化了 在此感謝老師在 我的畢業(yè)設計過程中給予了我莫大的支持和幫助 同時 我還要感謝同組的成員 以及關心和支持我的所有的同學 在我們共同 學習 和生活的日子里 大家共同努力 克服困難 不斷提出和完善新的設計思路 和方法 使我們的學習 生活和本次畢業(yè)設計工作得以順利而完滿的結束 生活上 互相幫助 彼此間留下了最珍貴而溫馨的友誼 是你們讓我擁有了一段美好的大學 生活 最后 我要感謝所有的教過我的老師們 感謝您們的辛勤培育和無微不至的關 懷 是你們的高尚品德和人格魅力影響了并改變了我 在以后的學習 生活 工作 中 我將牢記您們的諄諄教誨 不斷學習 不斷進步 在此 衷心地祝福和感謝你 們