3D打印机的机械结构设计
3D打印机系统设计
Harbin Institute of Technology课程设计说明书课程名称:自动控制元件及线路设计题目：3D打印机的研究与设计方案院系: 航天学院自动化班级: 1104104设计者：学号:指导教师:设计时间：10.15—-12。
22哈尔滨工业大学摘要本次课程设计通过对2D打印机的了解和对电机传感器的认识，通过类比和分析来初步设计3D打印机。
本文主要内容为电机类型,型号选择及参数的测算，并且应用了PWM控制等数字信号在电机控制中进行驱动。
比较了不同种类传感器的优劣，选出了对比优化方案及元件。
利用控制理论实现了3维定位和实现打印功能，给出初步设计方案。
关键词：步进电机、传感器、3D、定位控制系统、数字信号处理器一、国内外在该方面的研究现状分析及研究的目的意义1、现状及研究意义:3D打印快速成型技术实质是“快速成型技术",也被称为“增量技术"、“增材技术”，是传统制造技术与新材料的完美结合，并且将带动工业设计、新材料、精益制造等多个领域颠覆性的改变。
3D打印技术作为目前最具有生命力的快速成型技术之一，适用于家用电器、办公室用品、建筑模型、医学模型等领域的新产品开发,已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，在国外，3D打印机已经商品化。
作为一种经济型快速成型技术,综合应用了CAD/CAM技术、激光技术，光化学以及材料科学等绪多方面的技术和知识，让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者，第一时间方便轻松的获得全彩色实物模型，便于重新修定CAD设计模型，从而节省了为错误设计制造工艺装备的费用，并节省了研制时间.它具有成本低、系统可靠性高，设备体积小、噪声小、成型速度快、产品材料与颜色可多样化等优点，与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下优势：通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费。
具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。
当下，我国的3D打印技术还处于起步阶段，3D打印技术基本由大学和一些小企业在做研究，尚未有成品出现，在软件和材料方面相对落后，但是，就在2012年10月17日，中国3D打印技术产业联盟已经成立，这就意味着中国开始越来越重视该技术。
如何进行3D打印模型的支撑结构设计和移除
如何进行3D打印模型的支撑结构设计和移除3D打印技术的发展使得我们能够以更加快速和高效的方式制造各种复杂的模型。
然而，在3D打印过程中，我们经常会面临一个重要的问题，即如何设计并移除支撑结构。
这篇文章将介绍如何进行3D打印模型的支撑结构设计和移除。
首先，为了确保打印的模型能够成功实现，我们需要在打印过程中使用支撑结构。
支撑结构可以帮助打印模型稳定地固定在打印床上，并防止过度的位移和形变。
同时，支撑结构还可以预防悬挑部分的垮塌，确保打印模型的精度和质量。
在进行支撑结构设计时，第一步是确定支撑结构的密度和方向。
支撑结构的密度取决于模型的复杂性和打印机的特性。
一般来说，需打印模型越复杂，支撑结构的密度就需要越高。
例如，对于具有细小悬挑物体的模型，我们可能需要更加密集的支撑结构来确保模型的稳定性。
同时，支撑结构的方向应该与模型的曲面方向保持一致，以提供最佳的支撑效果。
接下来，我们需要选择适当的支撑结构类型。
常见的支撑结构类型包括框架支撑、网格支撑和线条支撑。
每种类型都有其适用的情况，选择合适的类型可以提高支撑结构的效果和易于移除。
框架支撑适用于大型模型和有稳定底座的模型，它提供了更好的稳定性和可靠性。
网格支撑适用于具有悬挑部分的模型，通过网格结构来支撑悬挑部分，可以减少印刷时间并提高空气流动性。
线条支撑适用于具有细小悬挑物体的模型，通过细小的线条来支撑细小物体，可以提高支撑结构的易用性和移除性。
设计好支撑结构后，我们需要将支撑结构添加到模型中。
这可以通过专业的3D建模软件或者打印机的预设支撑功能来实现。
在选择合适的支撑结构位置时，我们需要考虑模型的形状和需要支撑的区域。
一般来说，支撑结构应该尽可能与模型表面接触，并且避免与模型过于紧密连接，以免在移除支撑结构时对模型造成损坏。
一旦完成了打印模型，我们就可以进行支撑结构的移除。
为了轻松地移除支撑结构并减少对模型的损害，我们可以使用凿子、剪刀、钳子等工具来进行手动移除。
3D打印技术中常用的支撑结构设计方法
3D打印技术中常用的支撑结构设计方法随着3D打印技术的不断发展和应用，越来越多的行业开始采用该技术来制造物品。
然而，由于3D打印技术所特有的工作原理，很多物体在打印过程中会存在一定的悬空和悬垂部分，这就需要使用支撑结构来保证打印过程的稳定性和成功性。
本文将介绍几种常用的3D打印技术中的支撑结构设计方法。
首先，最常见的支撑结构设计方法之一是网状支撑结构。
网状支撑结构的原理是将一系列细小的横向和纵向支撑杆排列在需要支撑的区域上方，以增强打印部件的稳定性。
这种设计方法适用于较大的悬空部分，能够有效地支撑打印过程中的悬垂物体。
网状支撑结构的好处是它可以提供充足的支撑力，同时又能够方便地移除，减少对打印件的影响。
第二种常用的支撑结构设计方法是柱状支撑结构。
柱状支撑结构通常应用于较小或较细的悬空部分，它的原理是在需要支撑的区域下方打印一系列细长的柱子，使得悬垂部分能够在打印过程中得到支撑。
柱状支撑结构相对于网状结构而言更为坚固，但由于其设计的特殊性，移除起来可能相对困难一些。
第三种常用的支撑结构设计方法是梳状支撑结构。
梳状支撑结构的原理是在需要支撑的区域下方设计成一组相互连接的撑杆，形状类似梳子。
这种设计方法适用于需要支撑细长区域的打印件，比如细线或细管。
梳状支撑结构的好处是能够提供稳定的支撑，又能够较为轻松地移除。
除了上述的常用支撑结构设计方法外，还可以根据打印件的具体要求和形状，设计一些定制化的支撑结构。
例如，如果打印件的悬空部分形状复杂或有特殊要求，可以设计一些局部支撑或斜向支撑来保证打印过程的稳定性。
这种定制化的支撑结构设计需要根据实际情况进行调整和优化，以确保打印的成功和质量。
在设计支撑结构时，需要考虑几个关键因素。
首先是支撑结构的密度和间距。
密度和间距的选择直接影响着支撑结构的牢固度和打印时间。
通常来说，密度和间距要能够满足支撑结构的功能，但又不能过分浪费时间和材料。
其次是支撑结构与打印件的接触面。
陶瓷3D打印机喷头结构设计与仿真分析
陶瓷3D打印机喷头结构设计与仿真分析丁承君;吴畏;朱智辉【摘要】为了克服现有陶瓷打印喷头不能连续进料的缺点,根据陶瓷3D打印机高精度和连续上料的要求,对陶瓷3D打印机的喷头挤出系统进行结构设计,提出一种可连续进料、持续打印的陶瓷3D打印机喷头挤出系统,并利用流体力学相关理论知识以及ANSYS Fluent流体仿真软件对挤出过程进行数值模拟.仿真分析结果表明:喷头出口流速约为1.79 mm/s,能够满足较高精度的打印需求;流体内部压强分布合理;关键部件螺杆受力在许用范围内;流体流线场光顺无交叉,在螺杆螺槽处能够顺畅流动.%In order to overcome the shortcomings that the existing ceramic print heads can' t realize continuous feed, according to the requirement of ceramic 3D printer for the high accuracy and continuous feedstock, a new structure for the ceramic nozzle of 3D printers was proposed, and this new structure can realize continuous feed and print. The extruding process was simulated by using the ANSYS Fluent simulating software based on the theory of fluid mechanics. The simulation analysis results show that the exit speed of nozzle is 1.79 mm/s, can satisfy the needs of high precision printing; internal fluid pressure distributes reasonably; the screw stress is reasonable;the streamline field is smooth and has no cross, the fluid can flow smoothly in the groove of screw.【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】5页(P84-88)【关键词】3D打印;陶瓷打印;打印机喷头;挤出系统;结构设计;流体仿真【作者】丁承君;吴畏;朱智辉【作者单位】河北工业大学机械工程学院,天津 300401;河北工业大学机械工程学院,天津 300401;河北工业大学机械工程学院,天津 300401【正文语种】中文【中图分类】TP334.8;TH1223D打印技术作为一种新型的快速增材技术近几年发展极为迅猛，对于该技术在各种不同领域的探讨也逐渐增多.但目前的研究主要集中在陶瓷浆料的制备技术和挤压成型工艺的开发方面：刘洪军等[1]针对挤压成型技术，在水基陶瓷浆料的制备工艺和挤出工艺等方面进行了大量研究；郭树国等[2]对单螺杆挤出系统进行了研究，运用CFX对新型螺杆元件的流场运动规律进行了数值模拟，分析了宏观压力场、耗能以及挤出量等基本规律，但并未将其应用在陶瓷打印机领域；美国康涅狄格大学Shaw团队[3]对基于浆料微挤压成型技术的可行性进行了充分的试验和论证；何明腾等[4]运用CFX对活塞式泥料挤出机进行了数值模拟，确定了定型段长度、进口压力、挤出锥角等主要因素，对上述因素进行试验与分析，得到最优影响因素的组合方式，但仍然局限于活塞式挤出形式；河北工业大学周婧等[5-6]对活塞式挤出系统进行仿真分析与研究，利用流体分析软件对挤出头出口截面的流速和内部压力场进行数值模拟，对挤出头内部流道的几何形状进行设计，找出了4种不同内部流道的压力场和出口流速分布规律，但该结构形式仍未解决连续进料和持续打印的问题.很少有人从喷头的结构形式上进行创新性的研究.而现阶段的喷头挤出系统最大的问题是不能实现持续供料，只能打印料筒内一定量的浆料，打印完后要重新对料筒进行灌料，费时费力，并且挤出速率难以控制.为解决该问题，本文对喷头结构进行重新设计，研发出一款能够实现持续进料、连续打印的喷头挤出系统，并对设计的可行性进行仿真分析，验证设计思想的正确性.该挤出系统采用分离式可调速的设计思想，其结构形式如图1所示.该结构主要包括料筒、喷嘴、喷嘴连接件、螺杆、料筒上盖、轴承以及端盖.分离式是指喷头的各个部分通过螺栓进行连接，可单独更换其中的某一个零件，多个零件组合在一起构成喷头整体.可调速是指螺杆的上端与转动电机进行连接，浆料由进料口通过气压压入料筒，通过螺杆的旋转将其挤出，可通过调整螺杆的转速控制浆料的挤出速率.在该结构中，进料口与外接浆料泵连接，通过泵将浆料持续压入料筒；与此同时，通过螺杆的旋转作用，将持续进入料筒的浆料不间断的挤出，从而实现持续供料、不间断打印的目的.料筒内的浆料是通过螺杆的旋转依靠螺槽将其挤出的，因此对螺槽充满度[7-9]的研究是非常有必要的.在浆料挤出的过程中，螺杆的旋转和浆料的进入两者之间是互相独立的操作，加上装配条件对整机的影响，故通常情况下螺杆的螺槽是非充满的，因此便存在着充满程度的问题，充满程度同样会对挤出效果产生影响.为了描述挤出机螺槽的充满程度，现引入螺槽充满度ε的概念[10-12]，其定义为：单位长度的部件上，物料占有的体积量与螺槽空腔的体积量之比或螺槽内被物料占有的面积与螺槽空腔时的面积之比，计算表达式为：式中：V1为单位长度部件螺槽中物料的体积（mm3）；V2为单位长度部件螺槽中自然空腔的体积（mm3）；A1为单位长度部件螺槽中物料的面积（mm2）；A2为单位长度部件螺槽中自然空腔的面积（mm2）.螺槽充满度还可用式（2）表示：式中：n为螺杆转速；V为螺槽体积；Q1为体积流率；Q2为质量流率；ρ1为物料密度.可见螺槽的充满度与螺杆转速、物料密度等有关，转速较低、密度较小更容易充满螺槽整个腔体，只有螺槽被完全充满，螺槽充满度才能等于1，一般情况下均小于1[13].取螺杆与浆料啮合区的任意一点进行运动分析，啮合区螺槽中的物料一共有3个方向的速度[14-15]：沿螺槽切线方向的运动速度、沿螺杆周向的运动速度以及沿螺杆轴线的运动速度.物料的运动速度描述如图2所示.则螺槽内物料各速度之间有如下关系：式中：为物料沿螺槽切线方向的运动速度；为物料沿螺杆周向的运动速度；为物料沿螺杆轴线的运动速度.其中各个速度有如下关系：式中：T为螺杆导程；D为螺杆平均直径Db为螺杆根径；Ds为螺杆直径；为螺纹平均螺旋升角，=arctan）.利用ANSYS Fluent软件模拟浆料在螺杆螺纹处流动的数学描述方法主要有2种：一种是拉格朗日描述，另一种是欧拉描述.拉格朗日描述[16]，也叫做随体描述，它侧重于流体质点，并将流体质点的物理量认为是随流体质点和时间变化的，即把流体质点的物理量表示为拉格朗日坐标和时间的函数.设拉格朗日坐标为（a，b，c），以该坐标表示流体质点的物理量如速度、压强、矢径等在任意时刻t的值，便可以写成a、b、c和t的函数.若以f表示流体质点的某一物理量，其拉格朗日描述的数学表达式为：例如：设时刻t流体质点的矢径即t时刻流体质点的位置以r表示，其拉格朗日描述为：欧拉描述[17]，也叫做空间描述，它侧重于空间点，认为流体的物理量随空间点和时间而变化，即把流体物理量表示为欧拉坐标及时间的函数.设欧拉坐标为（q1，q2，q3），用欧拉坐标表示的各空间点上的流体物理量如速度、压强等在任一时刻t的值，可写为q1、q2、q3及t的函数.从数学分析知道，当某时刻一个物理量在空间的分布一旦确定，该物理量在此空间形成一个场，因此，欧拉描述实际上描述了一个个物理量的场.若以f表示流体的一个物理量，其欧拉描述的数学表达式[18]为如流体速度的欧拉描述为：本文在ANSYS平台下，采用Fluent软件对挤出过程进行数值模拟.使用的陶瓷浆料是体积分数为50%的3 mol氧化钇稳定的氧化锆浆料，材料密度ρ=1 285kg/m3.流变模型选用幂律模型，挤出成型件的温度为室温，浆料进口处的流速设置为0.4 mm/s，出口为自由出口，螺杆转速设置为8 r/min，以1标准大气压为参考压力，以热力学温度0 K为参考温度，进行数值计算求解.出口处截面速度如图3所示.由图3可知，在出口截面处浆料的流速大约为1.79×10-3m/s，即1.79 mm/s，该数量级的浆料流速能够满足较精确的陶瓷打印的需求.流体压强如图4所示.由图4可知，压强在浆料进口处以及流体上方较大，在螺杆头部处的区域逐渐减小，再到喷嘴流道处压强又逐渐增大.由流体方面的知识可知，流速大的地方压强小，由于在螺杆头部即料筒头部的内腔呈漏斗式形状，浆料在此处会快速汇聚，流速增大，压强出现减小的情况.观察整个流体区域，整体呈现上方压强较大、下方压强较小的分布趋势.在流体区域上方，浆料由外部入口刚进入料筒，速度较小，进入料筒之后，由于螺杆的转动，浆料的速度逐渐增加，压强相应地会出现减小的情况，故整个流体区域呈现上方压强较大、流速较小，而下方压强较小、流速较大的趋势.通过该云图可知，在浆料进口处与外部浆料总储备区相连的连接件可能会容易出现松动，应该在该连接处采取防松或防滑的保护措施，并定时检查，以防止出现漏料等现象.螺杆的整体压强分布情况如图5所示.由图5可知，由于螺杆在料筒内与浆料流体紧密接触，其整体压强分布情况与流体区域大致一致.整个螺杆区域的压强分布为上方压强较大，下方压强较小.在螺杆上方，浆料从外部进口以较低的速度进入，压强较大；浆料进入料筒内后，通过螺杆的旋转作用进行加速，速度稍有增大,压强逐渐减小.由Fluent软件Reports后处理功能得到螺杆螺纹处的受力为0.015 N，校核计算，螺杆螺纹部分完全满足需求，并且有较大余量.流线场分析如图6所示.由图6可知，浆料由进口处进入之后，在螺杆的旋转作用下，能够沿螺杆的螺纹处顺滑地向下移动，并且无交叉重合现象，证明流体分析的正确性.针对陶瓷打印机连续挤出浆料的要求，对3D打印机的喷头进行重新设计，提出螺槽充满度的概念，对物料在螺槽处的速度进行分析，并结合ANSYS Fluent软件对挤出过程进行数值模拟.喷头浆料的挤出速度为1.79 mm/s，该出口流速级别能够满足高精度的陶瓷打印需求；对流体压强、流线图等进行分析，验证了方案的可行性，为后期针对该挤出系统控制方法的研究提供了理论依据.【相关文献】[1] 刘洪军，李冬健，刘佳.水基ZrB2膏体的挤出流变行为研究[J].中国陶瓷，2013，49（7）：24-27.LIU H J，LI D J，LIU J.The extrusion rheological behavior research of ZrB2past[J].The Chinese 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3D打印中常见的支撑结构设计方法
3D打印中常见的支撑结构设计方法在3D打印中，支撑结构的设计是非常重要的一步。
支撑结构可以保证打印出的物体在打印过程中保持稳定，并避免发生变形或倾斜。
本文将介绍一些常见的3D打印支撑结构设计方法，以帮助您更好地进行设计和打印。
一、树状支撑结构方法树状支撑结构是一种常见的支撑设计方法。
该方法依靠多个分支支撑物体，使得物体能够在打印过程中保持稳定。
这种支撑结构具有简单、易撤除的优点，适用于大多数3D打印机。
当打印完成后，只需要用剪刀或其他工具将支撑物体修剪或撕除即可。
为了设计树状支撑结构，您可以使用3D打印软件中的支撑生成工具。
在选择生成支撑结构的位置时，通常应选择物体的底部或悬空部分。
并且，您还可以调整支撑结构的密度和支撑物体的尺寸，以满足您的需求。
二、网状支撑结构方法另一种常见的支撑结构设计方法是网状支撑结构。
与树状支撑结构不同，网状支撑结构采用蜂窝状的形式，将支撑物体均匀分布在整个打印物体的表面上。
这样可以提供更好的支撑效果，避免物体在打印过程中发生倾斜或变形。
为了设计网状支撑结构，您可以使用3D打印软件中的网状支撑生成工具。
在生成支撑结构时，您可以选择网格的形状和大小，以及支撑物体的密度等参数。
这样可以根据物体的特性和打印机的要求进行调整，以获得最佳的打印效果。
三、自定义支撑结构方法除了树状和网状支撑结构外，还可以根据具体需要进行自定义支撑结构的设计。
这种方法通常适用于具有复杂形状或特殊要求的物体。
您可以使用3D建模软件或3D打印软件中的支撑结构定制工具来创建自定义的支撑结构。
在设计自定义支撑结构时，您可以根据物体的形状和支撑需求来决定支撑物体的形状、数量和位置等参数。
此外，还可以考虑打印的材料和打印机的特点，以确保设计的支撑结构能够满足需求。
综上所述，3D打印中常见的支撑结构设计方法包括树状支撑结构、网状支撑结构和自定义支撑结构。
这些方法能够在打印过程中提供稳定的支撑，避免物体变形或倾斜。
FDM型多喷头3D打印机设计与分析
DIGITAL PRINTING Tol.208 No.5 2020.10数字印刷 2020年第5期（总第208期）ADDITIVE MANUFACTURING RESEARCH SPECIAL增材制造研究专题FDM型多喷头3D打印机设计与分析冯 韬，陈继飞，王 超，刘 斌，陈文刚（西南林业大学 机械与交通学院，昆明 650224）摘要 为解决现有FDM 型3D 打印机不能同时打印多种材料、多种颜色的问题，本研究在现有3D 打印机结构基础上，改进设计了一种多喷头3D 打印机。
基于UG 以及COMSOL 软件建立其三维模型并对其进行结构仿真分析、打印运动分析以及控制结构设计分析研究。
结果表明，该FDM 型多喷头3D 打印机具有高效率、低成本、可同时进行多材料和多颜色打印的优点，为今后多喷头3D 打印机研究提供一定思路。
关键词 FDM ；多喷头3D 打印机；结构设计；运动分析中图分类号 TH122 文献标识码 A 文章编号 2905-9540(2020)05-53-09DOI 10.19370/10-1304/ts.2020.05.007Design and Analysis of FDM Multi-nozzle 3D PrinterFENG Tao, CHEN Ji-fei, WANG Chao, LIU Bin, CHEN Wen-gang(College of Machinery and Transportation , Southwest Forestry University , Kunming 650224, China )Abstract To solve the problem that the existing FDM 3D printer cannot print multiple materials and multiple colors at the same time, based on the existing 3D printer structure, a FDM multi-nozzle 3D printer was designed. A 3D model was built by the software UG and COMSOL, and analyses of structural strength, movement mode and control mode were completed. The results showed that the designed FDM multi-nozzle 3D printer has the advantages of high efficiency, low cost and can print multiple materials and multiple colors at the same time. This research provides some ideas for the future research of 3D printer with multi-head.Key words FDM; Multi-nozzle 3D printer; Structure design; Motion analysis0 引言在日益全球化的今天，制造业正向数字化和智能化方向飞速发展，3D 打印技术作为数字化精确控制下的快速成型制造方式，引领着智能制造技术发展的浪潮[1-2]。
3D打印技术中的支撑结构设计方法
3D打印技术中的支撑结构设计方法随着3D打印技术的快速发展和广泛应用，对于打印品质和打印速度的要求也越来越高。
而支撑结构的设计是影响3D打印品质的重要因素之一。
在3D打印过程中，支撑结构的作用是固定和支撑打印物，并防止其变形或坍塌。
因此，合理设计的支撑结构能够提高3D打印的成功率和打印品质。
合适的支撑结构设计能够解决打印物可能面临的各种挑战，如悬空部分、细小结构、过度悬臂等。
下面将介绍几种常见的支撑结构设计方法。
首先是网格支撑结构。
这种结构将支撑物和打印物以网格形式相连接，形状类似于蜂窝结构。
网格支撑结构能够提供均衡的力学支撑，避免了对打印物造成额外压力或变形。
此外，网格支撑结构的开放性能够使打印物在打印过程中能够更好地散热，避免因过热而导致的变形。
其次是树状支撑结构。
这种结构与网格支撑结构类似，但与其不同的是，树状支撑结构是一种分级的结构。
树枝状的支撑物可以根据需要进行适当加厚或加细，以提供更精确的支撑和更好的打印品质。
树状支撑结构的优点在于能够减少支撑物的数量和使用的材料，同时提供足够的支撑。
另外，还有平面支撑结构。
平面支撑结构常用于打印物的底部，以稳定和平衡打印物。
平面支撑结构使用一个平面接触打印底部，避免了打印物与打印板直接接触，减少了对打印底部造成的损坏。
平面支撑结构的优势在于简单且易于施工。
此外，在特殊情况下，还可以使用块状支撑结构。
块状支撑结构将一小块或多个小块的支撑物放置在打印物的不平衡部分，以提供额外的支撑。
块状支撑结构适用于打印物与打印平台之间的高度差较大的情况，能够解决因高度差导致的打印物倾斜或坍塌的问题。
除了以上所述的常见支撑结构设计方法外，还有一些先进的支撑结构设计方法。
例如，基于物理力学模型的自动支撑生成算法可以通过计算模型来优化支撑结构的设计，并根据特定的打印任务生成最佳的支撑结构。
这种方法结合了计算模型和人工智能的优势，能够提高支撑结构的设计效率和准确性。
总的来说，支撑结构的设计是3D打印技术中的重要环节。
一种H-bot极坐标3D打印机的结构设计
一种H-bot极坐标3D打印机的结构设计 梁辉; 孔祥旭; 高云涛; 张广兴; 汪传生 【期刊名称】《《机械与电子》》 【年(卷),期】2019(037)011 【总页数】6页(P15-20) 【关键词】3D打印; H-bot; FDM; 极坐标 【作 者】梁辉; 孔祥旭; 高云涛; 张广兴; 汪传生 【作者单位】青岛科技大学机电工程学院 山东青岛266061; 山东省高分子材料先进制造技术重点实验室 山东青岛266061
【正文语种】中 文 【中图分类】TP334.8
0 引言 3D打印技术起源于快速成型技术[1-3]，通过现代数字建模，数字控制技术，通过增加材料的方式来构造物体，其基本原理是以数字三维模型文件为基础，利用适当的打印材料(一般为各种如ABS和聚乳酸等的工程塑料，粉末金属等)，通过逐层的叠加堆积或烧结的方法来完成零件的加工[4]。近年来，3D打印在众多领域均得到了广泛的应用[5-8]，其常被用于机械原型机，模具等的试制，也被用于制作工业设计和艺术相关模型，另有各种大型的3D打印机，已经可以用于制造飞机蒙皮，发动机涡扇等具有复杂曲面形状的关键零件[9-10]。目前国内外市场上的桌面级3D打印机主要有Makerbot机型、Reprap机型和三角洲机型等，这几类打印机在打印过程中存在着机械结构复杂、体积较大、维护不便等问题。为此，设计了一种H-bot极坐标3D打印机，相较传统的3D打印机机型，简化了机械结构，减小了3D打印机体积和单台电机承受的载荷。 1 H-bot极坐标3D打印机结构设计 1.1 常见3D打印机机型结构分析 目前国内外市场上常见的3D打印机以笛卡尔坐标型为主，其中比较有代表性的有Makerbot型和Reprap型，另外还有使用并联机构的三角洲型[11-13]和各种极坐标3D打印机，然而，这几类3D打印机在工作时都存在着一些问题和不足。 笛卡尔坐标机型一般使用3台控制电机分别驱动打印头在X轴，Y轴和Z轴3个方向的运动，无需过多的坐标转换算法，但电机常随运动构件运动，打印头高速运动时惯性较大。以Makerbot为代表的机型常有封闭的六面体框架，打印平台可沿Z轴升降，每打印一层，打印平台向下移动一个层高。这类机型因有较稳固的机架，打印过程平稳，在较大型3D打印机中也有应用；但六面体框架也带来结构封闭，维护不便等问题，操作者很难对模型实时手动调整，且外框架占整机质量比重大，打印机较笨重。Reprap机型机械结构简单且开放性较好，其特征为打印平台两侧设立柱，运动梁可沿立柱升降，打印头沿运动梁做X轴方向运动，打印平台沿Y轴方向移动；但由于要保证打印平台行程，其水平方向尺寸大，且常需额外增加一台电机来平衡运动梁两侧力矩。 三角洲机型是基于并联机构的一种新机型，其利用底座的3台控制电机协同控制打印头在X轴、Y轴和Z轴3个方向的运动，运动构件质量轻，制造成本较低。当使用丝杠螺母机构时，该机型常因故障造成运动机构卡死，严重时造成三组丝杠螺母机构的同时损坏，因此三角洲机型常采用同步带机构。这类机型的主要问题是：并联机构本身具有过大的非有效工作空间，增加了机器高度。 1.2 H-bot极坐标3D打印机结构原理 针对所提到的各类3D打印机机型存在的问题，采用一种H-bot同步带机构，以Reprap机型为基础设计了一种差动型极坐标3D打印机。相较传统的Reprap型3D打印机，打印平台沿Y轴的移动替换为打印平台的旋转运动，舍弃了底座上复杂的丝杠螺母机构，使打印机结构更加紧凑，减小了整机体积和重量，控制电机不再随运动构件运动，改善了机器的高速打印性能；打印头在分别进行X轴方向和Y轴方向运动时，都由底座上的2台电机同时驱动，减小了单台电机所承受的载荷，且无需像Reprap机型一样增加额外的一台电机来平衡运动衡量所受力矩。H-bot极坐标打印机结构如图1所示。 图1 H-bot极坐标打印机结构 该3D打印机的主要运动为打印头在XOZ面上的平面运动和打印平台在XOY面上的旋转运动，主要机械结构为竖直放置的H-bot同步带机构和水平放置的打印平台转盘。打印头在自身X方向运动与转盘旋转运动的配合下完成模型每一切层的绘制，利用Z方向的运动完成模型各切层的堆叠。整机分为运动横梁、控制电机组件、打印平台、打印头组件等模块，便于拆装与维护。试验样机如图2所示。 图2 试验样机 打印头在XOZ面上的运动采用一种H-bot同步带传动方式，利用2台步进电机的协同配合来同时实现Z轴和X轴方向的运动，其结构如图3所示。 设每台步进电机顺时针转动方向为正方向。由于同步带与带轮之间为齿槽啮合，相互之间无相对滑动，因此，在一侧同步带长度减少，则在另一侧同步带的尺寸一定会增加相同的长度。根据3D打印机的运动要求，Z轴方向和X方向的运动相对独立，除在每层打印结束后准备打印下一层时的准备运动外，不会有X轴和Z轴方向同时运动的情况。 图3 H-bot同步带结构 当2步进电机转动的方向和角速度都相同，即ΔA=ΔB时，横梁位置不发生变化，即ΔZ不发生变化，打印头只有ΔX方向的运动，即
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摘 要 随着工业现代化的不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加工需求，许多异形结构利用传统加工（包括五轴加工中心）很难加工或根本不能加工。随即3D打印机应运而生…… 3D打印机看似复杂，却很简单，也许你会为它神奇的能力而震撼，也许你会为它的高科技而惊呆，其实从1916年爱因斯坦提出激光原理时，已经为1986年第一台3D打印机的出现奠定了坚实的理论基础。说起3D打印机的原理其实一点也不复杂。 本文主要针对3D打印技术设计出一款3D打印快速模型设备，以切合实际针对新型的生产工艺采取的实际设备的设计制造。
关键词：3D打印机 机械结构 新型设备 ABSTRACT With the continuous development of modern industry, the traditional processing technology has been unable to meet the processing needs of modern industrial parts, the traditional processing and utilization of many deformed structure (including five axis machining center) is difficult to be machined or cannot process. Then emerge as the times require 3D printer...... 3D printer may seem complicated, but is very simple, you might and shook it magical abilities, perhaps you will be stunned for its high-tech, in fact, the principle of laser Einstein from 1916, has laid a solid theoretical foundation for the emergence of 1986 the first 3D printer. About the principle of 3D printer is not complicated. In this paper, the 3D printing technology to design a 3D print speed model of equipment, design and manufacture of the equipment to the practical production process model for the equipment.
Keywords: 3D printer mechanical structure model of equipment 3D打印机设计 目 录 第一章 绪论......................................................1
1.1 课题来源及研究目的和意义…………………………………………………….1 1.2 本次设计的主要内容…………………………………………………………….5 1.3 3D打印设备方案分析………………………………………………………..5 1.3.1 机械结构设计思路………………………………………………………5 1.3.2 机械结构总体方案和布局……………………………………………….6
第2 章 机械结构设计…………………………………………………8 2.1 电机的选择…………………………………………………….............................8 2.2 滚珠丝杠螺母副的设计……………………………………………………….10 2.2.1 材料选用原则……………………………………………………………10 2.2.2 丝杠螺母工作条件及失效形式………………………………………….11 2.2.3 螺旋传动类型特点和应用……………………………………………….11 2.2.4 滚珠丝杠螺母副的计算………………………………………………….12 2.2.5 滚珠丝杠螺母的支撑方式……………………………………………….18 2.2.6 滚珠丝杠螺母的润滑和防尘隔离……………………………………….18 2.3 导向光杆和直线轴承的设计…………………………………………………..20 2.4 联轴器的设计选择……………………………………………………………..23 2.5 同步带轮的设计计算…………………………………………………………..23
第3 章 结构设计及三维建模………………………………………26 3.1 主体结构设计的是三维建模…………………………………………………27 3.2 整体装配建模…………………………………………………………………30 3.3 标准件建模…………………………………………………………………….30 结论…………………………………………………………………………………38 参考文献………………………………………………………………………….39 致谢……………………………………………………………………………..40 第1章 绪 论 1.1 课题来源及研究目的和意义 3D打印机有时被称为快速成型机，用液体或粉状塑料制造物品，其运作原理和传统打印机十分相似。快速成形技术（rapid prototyping，简称RP）又称快速原型制造技术，是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术20世纪80年代起源于美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。快速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术；是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。 RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或切割一层层的纸，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各截面，逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合. 快速成形工艺流程如下： (1)三维模型构造 由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然后才能进行切片处理，因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件（如UG、Pro/E、I-DEAS等），根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维模型；或在逆向工程中，用测量仪对已有的产品实体进行扫描，得到数据点云，进行三维重构。 (2)三维模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件，它由一系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部修改。 (3)三维模型的分层(Slicing)处理 由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，即每隔一定的间距分一层片，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔范围为0.05～0.5 mm，常用0.1 mm，能得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有Slicing处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。 (4)截面加工 根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形头（如激光扫描头或喷头）由数控系统控制，在x-y平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料），得到一层层截面。 (5)截面叠加 每层截面形成之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终形成三维产品。 (6) 后处理 成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度（如3D-P工艺）。对于SLS工艺，将工件放入高温炉中烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。 本次设计中根据三维打印技术的原理以及作用的基础上，综合运用机械原 理、机械设计、机械制造装备设计、机械制造工艺学、互换性与技术测量、机械制造技术基础、画法几何及机械制图等先修课程的知识，分析机械部分实现的方法，根据国内机械行业的实际情况设计出符合要求的设备结构。 1.2 本次设计的主要内容 本次设计的3D打印机通过CAD/PROE绘图和运用技术标准、规范、设计手册等相关设计资料，进行3D打印机设计并最终完成3D打印机的零件图，装配图，零件图及相关设计说明书。 主要的设计基本内容如下： 1) 设计准备：阅读设计任务书，明确3D打印机设计任务，准备设计资料及绘图工具。 2) 3D打印机总体结构的设计：主要包括：铺粉系统、成型腔和储料腔的运动系统、喷头运动系统。 3) 装配图的设计：初绘装配草图，各部分的结构设计，协调好各零部件之间的装配关系，完成装配工作图。 4) 零件工作图的设计：主要是绘制3D打印机成型零件（如传动机构，支撑机构等机构）。 5) 编写设计计算说明书：主要是整理和编写3D打印机设计说明书。 6) 设计总结及答辩：进行毕业设计总结，完成答辩准备工作。