基于熔融沉积技术的金属3D打印机研制

第一章绪论 (1)

1.1课题背景及意义 (1)

1.2基于熔融沉积技术的3D打印机国内外研究现状 (3)

1.3三维打印技术的应用与发展方向 (7)

1.4论文主要内容及组织结构 (9)

第二章熔融沉积型3D打印机系统介绍 (10)

2.1熔融沉积成型系统的工作原理及特点 (10)

2.2三维模型数据获取与切片方法 (11)

2.2.1三维打印数据正向设计技术 (12)

2.2.2三维打印数据反求技术 (12)

2.2.3 STL文件解析算法 (13)

2.3样机总体设计方案 (16)

2.3.1 样机控制系统的硬件设计方案 (17)

2.3.2 样机控制系统的软件设计方案 (18)

2.4本章小结 (19)

第三章样机控制系统硬件设计 (20)

3.1机械系统设计 (20)

3.1.1送丝机构 (20)

3.1.2温控装置 (21)

3.1.3定位装置 (22)

3.1.4保护装置 (22)

3.2电子系统设计 (23)

3.2.1主控模块 (23)

3.2.2步进电机驱动模块 (28)

3.2.3温度控制模块 (30)

3.2.4串口通信模块 (32)

3.2.5人机接口模块 (33)

3.3本章小结 (35)

第四章样机控制系统软件设计 (36)

4.1主程序设计 (36)

4.2温度控制程序 (37)

4.3步进电机控制程序 (41)

4.4显示驱动程序 (45)

4.5串口通信程序 (47)

4.6本章小结 (47)

第五章虚拟三维模型数据获取方法以及系统调试 (49)

5.1三维模型数据获取方案设计 (49)

5.2三维模型点云数据处理 (50)

5.3切片软件分层处理流程 (51)

5.4系统调试 (52)

5.4.1控制系统硬件测试 (52)

5.4.2控制系统软件测试 (53)

5.4.3打印机成型测试 (54)

5.5本章小结 (55)

III

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第六章总结与展望 (56)

6.1研究总结 (56)

6.2未来的研究展望 (56)

参考文献 (57)

附录1攻读硕士学位期间撰写的论文 (60)

附录2攻读硕士学位期间申请的专利 (61)

致谢 (62)

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南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论

第一章绪论

1.1课题背景及意义

伴随着科学技术发展以及社会需求的多样性，产品制造市场的竞争变得越来越激烈。制造业市场竞争的焦点取决于新产品上市时间的迟与早，因此，要求科研人员能够根据市场的需求最早设计出符合市场的新产品。在极短的时间内构建出原产品复件以便能够进行产品性能的检验，因此是否能够较早掌握新产品开发技术便成了制造厂家竞争力的重要表现。顺应这一潮流而出现的先进制造技术即三维打印技术，这项技术可以以较快速度以及较高精度将设计员的概念设计物化为产品复件，它集成了计算机科学、机械制造学、物理学、材料工程学等相关的诸多学科技术。三维打印技术目前在欧美、日本等地区已被广泛应用于教育科研、汽车制造、建筑、航空航天、娱乐以及卫生医疗等诸多领域，并受到制造业界及各类用户的普遍关注[1]。三维打印其本质是以数字化为基础的新型成型技术，这项技术影响了制造企业的成型件模型、原型以及其制造方式[2-3]。进入21世纪以来，间接快速制模技术成为了快速成形（Rapid Prototyping，RP）当中较重要的一个应用方向，其中对于生物活性材料制备研究逐步形成了热点问题，使得生物材料的快速成形步入细胞以及大分子的阶段；近年来快速成形技术的研究重点逐渐地趋向于快速制造（Rapid Manufacturing，RM）方向即以直接金属构件制造为主，快速成形技术也由原先的快速原型逐步转换向快速制造方向[4]。熔融沉积技术（Fused Deposition Modeling，FDM）作为三维打印技术的一部分，如今已然成为了桌面型设备最广泛应用的RP技术之一。

三维打印技术是20世纪80年代末、90年代初出现的快速成型技术，各种成型工艺均是基于离散叠加的原理而实现快速加工原型件的，即使用待加工材料累积的方法制造三维实体。首先利用三维建模软件或逆向工程技术建立物体三维CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）模型，再利用计算机切片分层软件对获取的CAD模型进行切片分层（一般按照Z 方向，单位毫米级别）处理，从而得到各层面的二维截面轮廓信息，根据离散的二维轮廓信息生成下位机能识别的Gcode控制代码，快速成型机根据模型各层的数据信息控制运动单元以及成型材料精确地、规律地、迅速地形成一系列沿着某一轴向（Z方向）的二维平面层，层层堆叠形成三维制件原型，最后通过后处理等操作即成为产品原件。模型成型可看成是由点线面构成的空间实体，三维打印成型是体面线的离散与点线面的堆叠的过程，使待成型零件变得简化，只相当于传统切削30%-50%的加工时间以及20%-35%的成本，即可制造出空间

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