毕业设计：3D打印机设计

本科生学期论文 题目名称： 3D打印机设计 院 系： 工学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 吕师旭 学 号： 421314402016 指导教师： 王永志 2017年 12 月 17 日2目录摘要1Abstract21.3D打印机的现状及原理31.1国外3D打印机的现状31.2国内的3D打印现状41.3 3D打印的工作原理41.4 3D打印的特点52 喷头的改进52.1 喷头系统的功能要求52.2喷头实现方法设计63 3D打印机的结构选择63.1传动方式的选择63.2 转动惯量的计算73.3 打印速度的计算83.4 喷胶喷头的选择改进.93.5 加热器选择93.6 温度传感器93.8 位移传感器104.3D打印机的优点及面临问题114.1 3D打印机的优点114.2 3D打印技术面临的问题113摘要摘要：以前的零件设计完全取决于生产加工工业， 3D打印机,即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为 基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。使用3D辅助设计软件，可以用各种原料打印三维模型。我们日常生活中的打印机能打印一些平面纸张材料, 而3D打印机打印出的是立体塑品零件，使零部件的生产不在考虑生产工艺的问题，因为其可以将如何复杂的形状直接打印出来。为了缩短生产周期，使用3D打印机从计算机获得数据模型，提高了效率。虽有不完善的地方，但其具有极大的市场潜能，势必会为未来制造行业众多突破技术之一。文章对3D打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，综述3D打印技术的基本概念、发展简史、打印过程原理、应用领域、广泛影响以及面临的问题等.在介绍3D技术的发展历程、3D打印技术的工作原理流程及特点的基础上，分析了3D打印技术的创新点和存在的问题，展望了3D打印技术的未来发展趋势。关键词：3D打印 快速成型 结构设计AbstractAbstract: the former parts design depends entirely on production and processing industry, 3 d printers, namely a kind of rapid prototyping machine, it is a model of digital document as the foundation, using the adhesive materials, such as powder metal or plastic to construct objects by means of step by step a print technology. 3D cad software can be used to print 3D models with various materials. Printer can print in our daily life some graphic paper materials, and 3 d printer to print out the three-dimensional plastic parts, parts production is not considering problems of production process, because it is how complex shape can be directly printed. In order to shorten the production cycle, the 3D printer is used to obtain the data model from the computer and improve the efficiency. Although there are imperfect places, but it has great market potential, it is bound to be one of the many breakthrough technologies in the future manufacturing industry. The paper discusses the technical system of 3 d printing industry development present situation, development trend both at home and abroad made a comprehensive introduction, summarized the basic concept and development of 3 d printing technology, brief, print, process principle, application field, broad influence and facing problems. The paper introduced the development of 3 d technology, the working principle of 3 d printing process and characteristics, on the basis of analysis of 3 d printing technology innovation points and existing problems, and prospects the future development trend of 3 d printing.Key words: 3D printing, rapid prototyping structure design.1.3D打印机的现状及原理1.1国外3D打印机的现状随着时代的进步，3D打印技术也得到了进一步发展跨入了一个全新的领域，新的信息和控制以及材料等技术不断被广泛应用到机械制造领域，3D打印技术也将会被推向各个领域。在以后3D打印技术将会向精密和智能以及通用便捷化等方向发展。3D打印机技术的推广对机械制造工业有着非比寻常的意义。3D打印机技术的意义主要体现在以下三个方面：第一，制造工艺的深刻变革；3D打印机技术的特点是通过逐层堆积材料进行加工，而不是通过去除多余材料进行加工的。因此，这项特殊的工艺也被称作是“堆积制造”或“添加制造”工艺。而这种3D打印技术工艺改变了曾经通过对原材料进行切削和来组装进行生产的旧加工模式，为工业制造节省了大量的材料和加工时间，给制造工艺带来了无比深刻的变革。第二，制造技术的重大飞跃；三维打印技术应用了各种技术，有激光技术和熔融技术以及材料技术等等诸多方面的科学技术和机械方面的知识，三维打印技术的不断成熟将会推动社会各种行业制造技术实现巨大的提升。第三，制造模式的一次革命，三维打印技术作为一种全新的打印加工的工艺，将会直接改变从第二次工业革命产生的用装配生产线为代表的那种规模型的生产方式，使很多三维产品生产向个性化和定制化转变，实现制造方式的根本上的变革。三维打印机技术的推广应用定会减少推向市场的时间。三维打印机制造的三维产品用户只要下载设计图就可以在通过3D打印机将产品打印出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件和大量的工人。 而今，3D打印机横空出世，将会彻底改变以前陈旧的生产方式，它将会使得企业在制造各种零部件的时候不用再去考虑时常会出现的生产工艺的那些问题，不管形状多么复杂的工艺设计都可以用3D打印机制造来完成要求。3D打印机不需要进行模具铸造和机械加工这两种方式，就能直接从计算机中所设计的图形数据中生成所需要的各种形状的物体。与此同时，3D打印机就极大地所缩短了产品的生产周期，提高了企业的生产率。尽管3D打印技术仍然不是很健全，但是它的在未来将拥有巨大的生产制造市场，它势必成为未来制造业的众多突破技术之一。 这些年经过多次探索，3D打印技术有了令人欣喜的进步。据调查，3D打印技术目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600.00dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时2 5mm厚度的垂直速率，并可实现2 4位色彩的彩色打印。1.2国内的3D打印现状自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到 40.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。1.3 3D打印的工作原理说到它的原理，其实也并不不复杂，其运作原理和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像，而打印机 首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印。3D打印是以计算机三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成 型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型（即“积层造型法”），制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削等方法生产成品不同，3D打印是将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，这就大大降低了制造的复杂度。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，从而直接从计算机图形以及数据中便可生成所需形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 例如我们制作一个塑料材质的苹果，首先我们需要在电脑上使用3D软件制作出一个苹果的3D模型文件，然后把它转换成3D打印机支持的文件格式。接下来需要给3D打印机放入塑料耗材，现在3D打印机就可以制作了。这个过程是不是像我们的平面打印机的操作呀！好下面说重点。打印系统在制作的时候会从这个苹果3D模型底部开始切成很多片（多少片呢？这个要根据打印机的技术指标它所支持的“层厚”来决定。）。最先开始制作的是苹果模。1.4 3D打印的特点 3D打印技术主要有以下优点： 1. 制造快速3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用8。 2. 不占空间、便携制造 3D打印机整体体积可以调整，而且一般体形不大便于携带，可以再大部分情况下使用。 3. 生产周期短 这是3D打印机最大的优点。3D打印技术可以使得产品设计和模具生产同时进行，从而使得企业研发效率提高，减少产品设计周期，对于外形尺寸较小的最为适用。 4. 材料种类繁多 到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。 5. 生产多样化且不增加成本 与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发时间，使得在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。6. 应用行业领域广 3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程学研究文化。2 喷头的改进2.1 喷头系统的功能要求 熔融挤出系统对喷头系统的基本要求是:将成型料丝送人液化器中,在其中及时而充分地熔化,由固态变 为熔融态,然后再进一步从更小直径的喷嘴中以极细丝状挤出,按扫描路径堆积成型。而且送丝速度要与扫描速度相匹配,以保证均匀一 致的材料堆积路径。成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点:1) 供应功能:将料丝从丝筒上拉出,提供成型材料; 2)熔丝功能与料丝送进功能:将送进的固态料丝及时且充分地 熔化成为熔融状态并将料丝送人液化器; 3) 流道功能:提供熔融态材料稳定流动的通道; 4) 定径功能:对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积; 5) 出丝速度匹配与出丝起停控制功能:出丝速度可控,能根据扫描速度进行调整,实现互相匹配。出丝应能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径 起停处。 在采用熔丝挤出方式的工艺原理时,就是借助液化器中未熔丝材的活塞作用,将熔融材料挤出喷嘴,出丝推力近似等于送丝驱动力,所以在此特定的工艺原理中,送丝功能和基础功能是等效的。 2.2喷头实现方法设计 基于所选择的打印耗材,喷出技术采用熔融沉积成型技术,根据片层参数控制加热喷头沿模型断面层扫描,同时控制熔融液体的体积 流量,使粘稠液体物料均匀地铺洒在断面层上。液化器中使用电热丝提供热量使料丝熔融。熔融挤压快速成型工艺对温度的要求极其严格,喷头出丝温度和成型室的温度严格处于一定的温度范围之内,且一旦设定温度控制值之后,须保证其温度保持在平稳状态,不能产生较大 的扰动,否则成型质量将受到影响。这就要求液化器温度必须保持稳 定。因此,我们需要加入上述的温度控制回路来严格控制液化器的温度。3 3D打印机的结构选择 3.1传动方式的选择 直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度较高。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 1） 与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2） 高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3） 微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4） 无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5） 高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 3.2 转动惯量的计算 滚珠丝杠根据国家标准JB/T98931999 选用长度L=1.0m，公称直径D=12mm,公称导程mmPh40 对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为： Jt=Z1+1/i2Z2+JS+JW(kg.m2) 其中i为两齿轮的传动比，此处取i=Z1/Z2=1 其他符号说明如下：Z1齿轮l 及其轴的转动惯量；J1=0.0018kg.m2Z2齿轮2 的转动惯量，取J2=0.0018kg.m2；Js丝杠转动惯量，kg.m2；Jw-为工作台折算到丝杠上的动惯量；W工作台重量，工作台轻，取6kg；S丝杠螺距，4mm；g重力加速度，9.8m/s2；圆柱体的转动惯量：J=1/8MD2 M-圆柱体质量；D-圆柱体直径； 而且选用丝杠的密度（类于铁）为7.8g/m3=r；D-滚珠丝杠的转动惯量为： JS=1/4D2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 ) Jw=6*0.0042/(9.8*42)=2.48*10-7( kg.m2 ) 从而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。 可见，Jt很小主要由两个齿轮的转动惯量来决定，从而对电机的功率输出要求不苛刻，在功率不高情况下，可以实现高转速。 这是一个小惯量的系统，该系统启动，加速，制动的性能好，反应快，比较理想。 此类电机最高转速一般是3000r/min上下，取3000为参考研究 按360dpi的分辨率来考虑，则每英寸25.4mm对应360个色点，每两个色点的距离为25.4/360=0.07mm,又打印喷头为双排的，所以，打印喷头周期移动距离d=0.07*2=0.14mm，喷墨一次，喷粘剂一次，两个喷头喷出同步； 设定机械精度：0.005mm，对应的脉冲当量: 由i=1，求得丝杆转一圈，喷头前进4mm。则机械精度对应 丝杆转一周，上位机应该发出的指令脉冲为4mm/0.005mm=800（个） 则对应转速约为3000，上位机脉冲能力至少800*3000/60=40000r/s； 对应6000转的转速，则上位机脉冲能力80000r/s，电子齿轮比不变. CMX ：电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。 CDV ：电子齿轮比的分母是上位机的给定脉冲（指令脉冲）。 电子齿轮比=CMX/CDV=（131072100）/ 80000=6553600/200000=32.8。 在此计算电子齿轮比的目的电子齿轮比把上位机的给定脉冲要换算成与电机编码器反馈脉冲同等意义的信号，便于控制中心按给定指令要求控制伺服转动定位。此外，通过上位机的脉冲能力的估算，对比实现的可能性，得知我们方案的合理性。3.3 打印速度的计算每打一个，计划在Y轴方向移动10次，使宽度达到361mm 头走完1个幅面的时间T，计划彩印周期T秒，暂时忽略10次Y方向移动时间，有：电机一转对应丝杆1转对应10个导程共4mm，360mm需要电机转90r，最高转速时，电机每秒转50r，对应时间为1.8s。则10个来回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间6s;走完一个幅面，需要大概24秒，加上其余误差时间，30秒就可以完成一个幅面，T=30s，基本实现1分钟打印2页的要求.求电机匀加速需要时间。 电机300ms，表示静止加速到额定转速的时间，角加速度a=50*2/0.3=1047rad/s2 M=Ma+Mf Ma=(Im+It) Mf=WS/2 式中Ma电机启动加速力矩； Jm，Jt电机自身惯量与负载惯量（kgm3）； Mf导轨摩擦折算至电机的转矩（Nm） 摩擦系数，取0.1； 传递机械效率，在此取0.15。 滚动螺旋传动的传动效率取0.95；滚动球轴承传动效率为0.99；齿轮的传动效率为0.93；总传动效率为： =0.95*0.99*0.93*0.99=0.866 导轨磨擦折算至电机侧的转矩：Mf=0.1*6*0.004/(2*0.866*1)=4.4*10-4 需要的输出力矩为: T=J+Mf=(3.0*10-3+0.388*10-4)*1047+4.4*10-4=3.18N.m 出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.813.4 喷胶喷头的选择改进SPT 喷头在综合以往所有喷头的性能优点最终设计而成，在集中以往优点的同时另外主要体现在：1. 主要表现为全不锈钢设计，具备超强的耐寿命，每只喷头的管道为510个。2. 喷头电压可随温度变化而变化，能够以往其他喷头因温度等外界因素造成的断墨烦恼。3. 喷头的数据端口能够适应不同的打印软件，并且打印浓度也比以往喷头更持久。4. 适用面较广，目前已经应用于工业与商业打印的范围以内。5. 成本较低，趋于大众化。3.5 加热器选择加工平台要求一定温度，所以我们需要在加工平台下安装一个加热器。当温度达到要求则加热器断电，当温度低于要求温度时，加热器启动开始加热。选择PTC陶瓷加热板。优点有：1. 安全：无明火，恒温发热，热转换率高。2. 节能：有自动节能的特性，当加热器把环境温度提高后，功率会降低。3. 寿命长：PTC产品正常使用时不因为自身原因损坏，一般的标准为工作2000小时后的功率衰减小于10%。3.6 温度传感器工作原理：热电偶或热电阻传感器将被测温度转换成电信号，再讲该信号送入变送器的输入网络，该网络包含调令和热电偶补偿等相关电路。 选择铂电阻元件还产生热量3.7压力传感器 压力传感器用于测定料槽与墨盒中是否有料，无聊则示警的装置，压力传感器安装于原料槽底部和墨盒底部。采用压阻式压力传感器，具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。3.8 位移传感器 位移传感器用于测定x,y,z 轴的定位，x,y轴传感器用于喷头后面，z轴传感器则安装于原料槽推板和工作平面推板。工作原理：光电式位移传感器利用激光三角反射法利用激光三角反射法进行测量，对被测物体材质没有任何要求，主要影响为环境光强和北侧面是否平整。比如公路测量用到激光位移传感器，就对传感器进行了特殊配置，与普通情况不一样。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。根据位移的要求，采用感应同步器，光栅，容栅，磁栅等传感器来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化，精度高，抗干扰能力强，没有人为读数误差，安装方便，使用可靠等优点，在机床加工，检测仪表灯行业中得到日益广泛的应用。根据传感器特点，可将三个直线光栅传感器分别装上测量，三个度均确定后就能算出喷头的X-YZ坐标，把该坐标反馈给控制器形成闭环回路。 精度非常高，速度快，安装要求比较高。4.3D打印机的优点及面临问题4.1 3D打印机的优点3D打印技术主要有以下优点： 1. 制造快速 3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用。 2.CAD/CAM技术的集成 快速成型技术集成CAD.CAM激光技术.数控技术.化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。 3.完全再现三维效果 经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。 4.材料种类繁多 到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。 5.创造显著的经济效益 与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。 6.应用行业领域广 3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程医学研究文化艺