《基于FDM技术的3D打印机喷头结构设计12000字（论文）》

绪论1.13D打印机的应用和发展3D打印技术的概念可以追溯到19世纪末，但是直到1983年美国人查尔斯·WH发明立体平版印刷技术，第一台3D打印机才正式诞生。他发明的立体平板印刷技术是第一项集计算机、激光技术和材料固化技术于一体的先进制造技术。1986年，它创立了3D系统（3DSystems），同年推出了第一台商业3D打印设备。因此，3D打印技术逐渐被人们所熟知。自从第一台3D打印机问世以来，新的3D打印设备也相继问世。20世纪80年代，德克萨斯大学的迪卡·C·R博士开发了一种用10种金属印刷的快速样机，称为选择性激光烧结（选择性激光烧结），使金属材料开始应用于3D印刷领域。1986年，赫里斯公司的迈克尔·福开发了分层固体制造技术（LOM）。随后，该公司推出了LOM-1050和LOM-2030型号。1989年，加州大学洛杉矶分校的斯科特普成功发明了FDM技术。这项技术的出现导致了一些非金属材料在3D打印技术领域的应用。在斯科特克伦普建立斯特拉斯提斯两年后，它推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——3D建模器。FDM科技正式进入商业阶段。。随着3D打印技术的发展，其在工业、建筑等方面都有较大的应用前景，其中应用最为广泛的FDM3D打印机更是具备突出优点，一方面材料要求较低，而且还能更好地解决复杂结构所造成的困扰。现如今FDM技术相对成熟，国外的FDM技术发展较早，总体上的知识掌握情况依然优于我国本土生产的FDM3D打印机。（1）医学在医学方面出于对组织血管网的研究需要，安德烈·BD（2017）等人研究出一种特殊的3D打印喷嘴，其在易褪色墨水的材料选取上以糖玻璃为主要材料进行血管网络的构造，使得血管网络更利于研究。安娜（2015）等人为对脊柱进行研究，分析其骨结构以及临床病例的分析，利用FDM技术以及三维计算机合成3D图像。早在2002年。我国清华大学的郑卫国（2002）教授率领团队通过3D打印完成了中国第一次人工仿生骨盆修复，并在右侧骨盆置换手术中取得成功。（2）工艺品根据客户的个性化需求，设计师可以利用3D打印可以用来制作珠宝、鞋子等具备一定收藏价值的工艺品。一般来说，一件成品所花费的时间为数个小时，甚至一些结构较为简单的需要可能将生成时间压缩到两个小时以内。在3D打印技术的的帮助下。不仅手工操作的难度降低，还大大加快了工艺品的批量产出。2014年，陕西省首次在工博会（工艺品博览会）成功运用3D打印技术完成了艺术品镂空秦韵马灯的打印，无独有偶，四川的广汉三星堆博物馆也曾通过3D打印技术对缺失的青铜面具右耳进行还原，在美国德克萨斯州，更是有公司使用3D打印技术生产出勃朗宁1911手枪，得益于材料的选取，这种手枪甚至可以正常射击。（3）航空材料航空航天产品对使用寿命长、可靠性以及各种环境的适应都有较高的要求，因此其加工周期一般较长。而在3D打印技术的辅助下，可大大降低航天产品的生产周期。2010年，通用电气公司采用3D打印技术生产LEAP-1A发动机，且被用作A320neo飞机的配套设备，试飞成功。俄罗斯托木斯克理工大学利用3D打印技术制造了一颗微型卫星，并最终发射到国际空间成功实现对接。1.23D打印机的技术特点和分类1.2.13D打印机的特点（1）快速制造通过3D打印的技术，可以通过逆向工程实现复杂零件的制造和加工。不仅节约了开发成本，同时降低了新产品风险。此外，对于形状特殊的产品来说，3D打印技术更是能发挥传统机械加工无法实现的便捷性。（2）CAD/CAM互通在计算机的辅助编程或者其他方法处理下，三维模型的生成变得愈发简单直接，一般来说，3D打印技术技术的实现过程需要结合实体建模、计算机辅助制造、数字控制等多种技术，而这些技术往往可以借助于计算机实现设计方案向实体模型的转型，在一档程度上降低了设计到产品加工的时间成本。（3）多样性材料加工不同的产品需要不同的材料进行打印，而不同类型的打印机能提供不同材料的加工打印技术，例如光敏树脂、陶瓷材料、ABS聚合物等。现在主流的3D打印机基本上可以满足大多数产品对材料的性能要求。（4）经济效应好3D打印技术的兴起主要由于其开发成本低这个突出的优点，与传统的机械加工设备对比而言，其加工成本甚至会降低10倍以上。不仅如此，3D打印技术制作的物理模型很方便进行后续的方案升级和更改，同时也大大降低了设计成本。1.2.23D打印的技术分类（1）立体光固化成型技术光固化快速成型设备是使用3D打印设备的第一代技术，其工作原理是通过切片软件获得扫描路径，其后通过二维软件获得实体模型，控制器驱动激光头对材料区域中的指定路径进行扫描，最后在形成零件的一层切片的一部分之后，工作台降低一层厚度的距离，再次执行上述操作，直到整个打印过程的完成，最后将打印产品进行一系列处理。这种技术的典型缺点就是使用寿命短、较高的成本以及复杂的后续处理。（2）分层实体制造成型技术分层实体制造方法基于二维计算机辅助设计模型各部分的轮廓线，由计算机控制激光器，激光束沿着指定的横截面轮廓切割箔片。切割型材时，下一层的箔片和前一层的箔片通过热压辊热压在一起，工作台则会在每层热压完成后减小一层的厚度，以保证后续薄层的顺利铺设，最后剔除掉多余材料，得到实体模型。这种技术的缺点就是适用范围上的局限性，即主要使用场景为大中型零件的成型生产，此外其对激光成本以及寸精度的要求较高，并且材料的使用上利用率较低。（3）三维粉末粘接技术（3DP技术）3DP技术的工作方式类似于上文所述的立体光刻设备技术，区别在于3DP技术的使用会事先在扫描路径上放置液体粘合剂，从而使材料粉末粘合在一起，最终形成固体模型。该技术的突出特点就是在短时间内就能得到实际物体的颜色，同时对应的颜色分析结果还可以在实体模型上描绘出来。材料的选取上，石膏粉、陶瓷粉等都是常用的材料，在全色印刷领域，3DP技术是应用最广泛以及使用技术最为成熟的技术。其缺点则是打印出来的作品容易受热发生形变，在使用组件上的功能发挥受到极大的限制，仅仅能作为一种概念模型进行生产打印。1.3研究背景随着新一轮科技革命的出现，3D打印技术逐渐引起了企业和科研学者的关注，我国相关部门也针对成型技术、设备产品等产品应用出台了一系列的政策支持。目前虽然国内部分打印机的功能可以比肩国外产品，但是在硬件的可靠性以及成型材料的种类等领域还存在一定的差距，甚至某些关键部件完全以来进口。因此，国内3D打印技术以及设备的应用能力和可靠性的提高成为研究的一个关键问题。FDM打印机是目前市场上使用最广泛的3D打印机，在印刷过程中，这种打印机的印刷精度受传输系统结构、喷嘴温度、材料特性等诸多因素的影响。因此，为了获得更好的印刷效果，对市场上的FDM打印机进行一定的设计改进有一定的实用意义。本文通过计算和放着呢，对FDM3D打印设备的外部结构和喷嘴结构进行了设计和改进，在一定程度上提高了设备在运行过程中的可靠性，解决了喷嘴容易堵塞等问题。1.4FDM技术3D打印的国内外研究现状程凯（2017）设计了一种主动混合喷嘴，这种喷嘴可以使用搅拌器混合两种物料进行打印工作，此外通过对、物料粘度和叶轮速度对物料混合的影响以及数值模拟，分析了工艺参数对混合效果的影响，得出了最佳工艺参数。最后，利用不同物理、化学性质的光敏树脂组进行渐变颜色模型印刷，得到不同比例下模型的可变刚度和硬度，同时通过材料性能模拟验证了混合后流体粘度的可靠性。刘光富（2003）设计了螺杆挤出喷嘴。根据流体力学理论推导出喷嘴尺寸、速度和压力之间的关系，同时计算了螺杆尺寸的最佳分布。其后的印刷模型也验证了该结构能提高工作效率5-10倍，能够有效提高物料挤出的最大流量和保持稳定的流出速度。赵弘（2017）等设计了一种芯部三维打印喷嘴，通过研究了入口直径、出口直径、收缩角对喷嘴打印效果的影响，并通过软件仿真，得到各组的参数值，最后通过实验得到工艺参数对喷嘴出口速度的实际影响数据，其后通过SQP方法，得到满足出口速度的最佳参数集，此外还证明了喷嘴直径是影响喷射速度的最重要因素。肖亮（2014）等从热力学和结构学的角度对短程送丝喷嘴系统进行优化分析，研究了喷嘴二维变形的温度影响因素，并通过仿真软件进行模拟和数值确定。为了减少喷嘴变形，对喷嘴的关键部件进行了优化，最终使整体变形减少了12.5%，保证了喷嘴温度分布的合理性。赫雷斯-梅萨（2016）等以空气流量为研究变量，分析了3D打印机液化器的性能，重点对工件三维印刷过程中沿液体的对流散热进行研究，并分析了液体顶部的温度，建立有限边界模型，确定液化器稳态运行时的理论温度曲线以及打印参数与所得温度曲线之间的关系。最终结果表明，低温对3D打印样品的正确保存非常重要。Md.Hazrat（2016）设计了一种挤压机构模型，这种模型可以同时使用五种不同的颜色和材料，满足从软件设计到2D实体生成的3D打印过程中不同打印速度和颜色的要求，不仅如此这种模型的打印速度比普通打印机更快。麦肯齐（2017）研究了不同材料配比的喷嘴在高温下的失效影响。通过结构分析发现故障位置通常发生在喷嘴顶部的螺纹接头处。因此，建议使用低氧铜合金在零氧环境下进行热处理，以便防止防止错位故障的发生。A.阿曼努拉（2017）设计了由熔融沉积模型（FDM）和数控切割主轴组成的混合系统。为解决准精度问题，该系统的设计中加入了传感器进行精度控制，同时还允许在单个设置中执行数控铣削和FDM过程，降低了添加额外制动器的成本，此外，系统还通过多个抓取过程解决了创建具有复杂特征的原型的问题，提高了加工精度，并且更有效地提高了材料的利用率。基于传统打印机，印度理工学院增加了两台打印机的旋转自由度。新的打印技术可以快速打印复杂的结构模型。印刷圆形外表面时，可以大大提高外表面的光滑度，减少梯度效应和成型时间。另外，这种结构的打印机支撑材料的结构更加方便快捷，能够快速解决支撑材料强度不足的问题。1.5研究内容第一章首先阐述了3D打印技术的应用和发展，并简短介绍了3D打印技机的特点、技术分类以及研究现状和背景。第二章对3D打印技机的喷头系统从热传学、温度厂和应力场等方面进行热分析，总结出3D打印技机在印刷过程中最常见的喷头堵塞现象。第三章从送丝结构、运动设计以及喷头系统这三个角度对FDM3D打印机的结构进行分析，并提出喷头改进的措施。第五章是对全文的总结，并提出未来3D打印技机的发展重点和技术展望。2喷头系统的简要分析1.2喷嘴的温度场和应力场分析（1）材料添加一般来说，普通的量产3D打印机喷嘴均由铜制成，其耐磨性好，使用寿命长，具备较高的使用价值。此外，在现代数控加工机床的帮助下，可以实现铜制喷嘴的内壁光滑，降低粘度系数，从而使打印机的出丝更加顺畅。其物理特性见表111。表2.1铜制喷嘴物理特性材料属性值密度（Kg/m3）8500弹性模量（Gpa）105导热系数（W/（m·℃））385.4热膨胀系数（10-5/℃）1.83泊松比0.31比热容（KJ·℃）0.37（2）网格划分由于喷嘴的结构相对简单，因此在对喷嘴进行网格划分时可以使用四面体网格的结构来应对模拟温度、应变、应力、位移等问题。此外，在网格划分之前，由于精细结构对网格尺寸的限制，喷嘴的连接螺纹和倒角被简化以避免网格过多，从而有时间减少计算。（3）边界条件加热棒通过铝块将温度传递给喷嘴，设置喷嘴与加热铝块的接触温度为。喷嘴与环境的自然对流系数为，初始温度为。（4）仿真结果图2.2喷嘴仿真图在弹性方面，当喷嘴的温度变化时，体积趋向于膨胀和收缩。与此同时，由于受到约束，相应的附加应力将在喷嘴中产生。在求解应力和变形时，通常从两个方面进行计算：（1）从初始条件和边界条件出发，根据热传导方程求解喷嘴内的温度场。（2）根据热弹性基本方程求解弹性体的温度应力。2.3丝材进给的驱动力计算固体焊丝通过焊丝进给器被送入喉部，并且当焊丝到达加热位置时熔化。在未熔化焊丝的进给过程中，熔化的焊丝会产生挤压力，而实心焊丝起到柱塞的作用。通常来说，喉部的内径略大于金属丝的直径，一是减少实心导线和喉部内壁之间的接触面积，二是避免喷嘴堵塞。随着金属丝从喉部移动到喷嘴，流动通道的直径逐渐减小，导致由喷嘴和喉部形成的流动通道中的温差，导致金属丝在不同位置处的不同状态。图2.3显示了流道的结构图。图2.3流道结构简图对于相同材料的线材，熔体通道的尺寸决定了送丝机构所需的阻力和驱动力。从图3.5可以看出，整个流动通道分为三个部分，X1是从实心焊丝到熔化焊丝的过渡阶段。X2部分被称为锥形端口。X3段为喷嘴出口。焊丝由焊丝进给器从喉部的端部A进给，通过流动通道的X1、X2和X3部分熔化，并从端部B挤出。在打印过程中，喷嘴堵塞是最常见的打印机故障之一。喷嘴堵塞将直接导致打印机停止工作。喷嘴堵塞的主要原因包括：（1）流体粘度过大，阻力增大，导致驱动力不足而形成堵塞。（2）当焊丝没有进入熔化区域时，焊丝会提前软化和膨胀，从而在流道内壁上产生挤压力。随着挤压力的增加，摩擦阻力也会增加。此时，即使用于送丝的驱动力足够大，也不能驱动流动通道中的丝，导致没有进入喉部的丝弯曲和送丝机构的功率损失。喷嘴中焊丝的理想熔化状态是预先计算的，这是喷涂完成时焊丝进给机构所需的最小驱动力。由于喷嘴组件主要由金属材料组成，在热阻加热过程中，热量将沿着加热块的两端传递。材料的熔化区域在加热的铝块下面。有必要选择高导热率的金属。在整个加热过程中，喷嘴的整体温度应保持在焊丝的熔化温度范围内。加热块上方的部分是电线的引入区域。如果该区域的温度过高，电线会软化甚至熔化，导致电阻增加，这是喷嘴堵塞的主要原因。控制加热块上方区域的温度是解决喷嘴堵塞最直接有效的方法。2.4喷头系统的热分析喷嘴系统由喷嘴、加热铝块、加热电阻和喉部组成。为了将加热铝块上方的温度控制在ABS材料软化以下，有必要分析整个喷嘴系统的温度分布。喉管的导热是一维导热问题，假设喉管的高度为、在传热过程中不存在内热源，喉管与铝块接触部分的温度为t1，喉管顶部的温度为t2。喉管的导热数学表达式为：，其中边界条件为。对上式进行积分得，其中c1和c2为常数项系数，将边界条件代入以上公式进行求解可以得出温度分布：其中，以及和都是定值，故可以推出温度分布为线性分布，其斜率为，最后将斜率表达式带入傅里叶定律得：可得q得表达式为，此时当喉管截面积为A，两侧表面各自维持均匀温度，则热流量的计算公式为。通过这两个式子的而分析，可以看出热流量的求解过程可以引用热阻的概念，热量的传递是能量转移的过程。这种转移过程可以归纳为，因此在喉管导热过程中，可以将热流量的计算公式改写为下列形式：。根据上式可知，减小热量向喉管传递可采取以下方式：（1）选用导热系数更小的喉管材料（2）增加喉管的长度（4）减小喉管的截面积（5）强化喉管与环境的对流。3FDM打印机结构设计分析和优化FDM3D打印机主要由送丝机、喷嘴、工作台以及三轴运动机构构成，在实际加工过程中，断线、送丝速度变化等问题也是较为常见的，针对上述问题，本章提出了对FDM3D打印机送丝机构的改进，并对改进后的送丝机构进行了分析和探讨。3.1送丝机构3.1.1送丝机构对打印性能的影响焊丝进给机构为焊丝提供驱动力并控制焊丝的进给速度，此外，在送丝过程中，送丝机构与喷嘴之间的连接方式也是影响加工性能的另一个重要因素。目前，大多数打印机将送丝机构连接到喷嘴上，该方案最明显的缺点就是降低了喷嘴在加工过程中的灵敏度，与此同时，由于灵敏度的降低便于手动操作和精确回抽。现如今不少3D打印机都采取添加丝管来解决喷嘴在加工过程中的灵敏度降低问题，同时这种远程送丝的解决措施还能在一定程度上提高喷嘴的打印精度。目前，实验室送丝机的组成主要包括：步进电机、驱动轮、从动轮和支撑结构，其结构如图3.1所示。导致送丝机构的稳定性不高的主要原因包括主要如下：（1）主动轮和从动轮之间的钢丝打滑，使钢丝无法连续进给；（2）送丝速度不稳定；（3）驱动轮转动扭矩太小，无法提供充足的驱动力；（4）移动单元质量大，灵敏度低。图3.1近程送丝机构正常情况下，导线由ABS、PLE、PLA等直径为1.75毫米和3毫米的材料制成。在实际设计过程中，线和齿轮之间的间隙小于线的直径。此外，由于金属丝本身在受到挤压力会产生形变的特性，所以有必要确保压力轮和驱动轮之间的间隙可以调节。图3.1所示的驱动轮通过用v形轮代替线性轮而得到改进，从而增加驱动轮对导线的正压力，在一定程度上解决跳线问题。图3.2中，当从动轮挤压丝材时，V型轮两个壁面会对丝材产生正向压力作用力，在水平方向上力的平衡方程为：图3.2丝材受力分析当时，；当时，，所以为了得到更大的摩擦力，必须保证V型轮的开角小于60°，且V型槽中的结构可以保证丝材不会发生横向移动从而有利于丝材稳定的输送，因此本文拟采用的V型开角为30°，V型槽深度为0.65mm，且V型轮的模型如图3.3所示。图3.3V型轮结构模型如图3.4，送丝机将电机固定在底座上，电机用小齿轮驱动大齿轮，保证较大的扭矩提供，从动轮采用滚珠轴承，其轴固定在底座的两端，滚动轴承在金属丝的驱动下旋转。图3.5是进给机构的示意图。其中步进电机的轴上安装有小齿轮，小齿轮以及大齿轮的配合转动，带动V形驱动轮，驱动轮通过螺钉固定在轴上。同时，轴承的外环与导线表面接触，导线通过螺栓连接到底座。螺栓装有四个弹簧。通过调节螺母，可以满足不同直径线材的印刷。图3.4改进后送丝结构图3.5送料机构示意图3.1.2支撑机构的设计3D打印机外壳的结构对整个系统的稳定运行有重要影响，其机构优化设计需要考虑的因素包括：（1）可靠性因素因为喷嘴在运动过程中会加速和减速，从而产生一定的惯性效应。如果3D打印机外壳形状设计不合理则会导致材料流出喷嘴时会发生移动严重影响印刷产品的精度和外观以及加工过程的稳定性。（2）空间因素目前市场上的3D打印机外观结构多样，其中方形结构更加简单紧凑，结构如图3.6所示，紧凑型FDM3D打印机具有重量轻、简单的特点，因此需要体积小、易于安装，其中方形结构更加简单紧凑，广泛应用于外观结构设计中。其结构如图3.6所示。然而，市场上现有的大多数钣金框架现在都采用一体化结构，不利于内部零件的拆卸和更换，此外还有较高的加工成本高。针对上述缺点，采用拼接组装结构设计，整个壳体分为四个侧板、上盖板和下底板，每块板上加工定位孔，用螺栓固定。图3.6方形结构三维模型3.2FDM3D打印机的运动系统的设计及分析3.3.1运动方式的优选及改进向上喷头和打印工作台间复合运动方式存在的差异，分析得出目前3D打印机的主要运动形式包括如图3.7所示的几种类型：图3.7FDM3D打印机的四种方式的运动结构简图在图3.7（a）中，喷头在x轴和z轴方向上进行复合运动，印刷平台在y轴方向上进行往复运动。丝材在喷嘴上升过程中的弯曲现象较为严重；在图3.7（b）中，喷嘴在x轴方向上往复运动，并且打印平台在y轴和z轴方向上执行复合运动。当印刷平台频繁移动时，未固化的模塑材料层之间会有相对移动，从而影响产品的加工质量。在图3.7（c）中，打印平台在x轴和y轴方向上进行复合运动，喷嘴在z轴方向上进行往复运动。这种模型下的材料会出现过渡弯曲和成型材料尺寸偏差等问题，目前的3D打印机基本不会采取这种移动模型。在图3.7（d）中，喷头在x轴和y轴方向上进行复合运动，印刷平台在z轴方向上进行往复运动。在这种情况下，喷嘴在水平面内复合运动，有利于线材在运输过程中的平稳运输，此外，印刷平台在Z轴方向的移动有效防止了线材的横向偏移，有利于提高加工材料的尺寸精度和结构稳定性。根据以上对不同运动系统的分析，采用图3.7（d）所示的机构运动类型，相较于其他运动系统，图3.7（d）所示的机构运动类型具有稳定性高、控制方便、占用空间小的优点。具体传动系统的结构图如图3.8所示。图3.8单十字传动结构图相较于驱动机构，交叉驱动机构更稳定，。一般来说，这种驱动机构都具备一个小光杆，当喷头质量太大且工作时间长时，光杆会形成微小的形变。另外，由于工作台由一组导向光杆支撑，一旦印刷模型质量过大很容易导致工作台弯曲变形，从而影响印刷件的精度。因此，在原有基础上，将单个横杆设计为双横杆，提高了刚性和稳定性。工作台由两组导杆移动，适用于打印高质量的模型，该结构如图3.9所示。图3.9双十字传动结构图3.3.2同步带的选型及其理论计算同步带具广泛用于FDM3D打印机在X轴和Y轴方向的传输。同步带的优点主要包括运行中的传动比准确；传动效率高；传动比大，结构紧凑；维护方便以及对加工环境的要求相对较低等优点。此外考虑到3D打印机结构的紧凑性，选择尺寸相对较小的同步带轮，满足高精度和较小空间需求的特点。此外，设计同步带传动时，还应考虑皮带与皮带轮的啮合程度。为了避免跳齿和滑动齿的发生，传动带的齿数一般不应少于6个。由于2GT同步带具有齿隙小、定位精度高、抗扭矩大的优点，因此选择2GT同步带和同步带轮作为X轴和Y轴方向的传动机构，结构示意图如图3.10所示。图3.102GT同步带齿结构图bR1R2R3HhiPLD0.40.1510.5551.370.750.620.253选择与同步带相匹配的2GT7075铝质同步带轮的结构示意图如图3.11所示，同步带轮齿数Z=20，P=2mm，内孔直径为8mm，其结构尺寸参数如表3.11所示。图3.11同步带轮的结构示意图同步带轮的节圆直径：所设计的打印机喷头最大的移动速度为100mm/s，则电机转速：为了避免速度过高和扭矩过大等问题，选取的42步进电机最大工作转速为2000r/min，可以满足传动的要求，42步进电机的具体参数如表2.2所示和结构示意图如图3.12。表2.1242BYGH39-401A型号步进电机的参数参数相数步距角额定电压保持力矩额定电流参数值21.8°3.3v0.52N·m1.67A参数相电阻相电感步距角精度重量转动惯量参数值1.64Ω2.7mH±20%±5%0.35kg67g·cm2图3.12同步带步进电机的结构示意图暂定轴间距（c’）和大带轮节圆直径（Dp）小带轮节圆直径（dp）确定大致皮带周长（Lp'）：其中，X方向暂定中心距离，Y方向暂定中心距离也为，大小带轮传动比为1：1，因此得出：查表可得最接近的同步带周长为，齿数为Z=303。通过实际皮带周长计算正确的中心距：计算得设计的喷头结构部分总质量为1.7kg，光杆所承受的载荷为17N，导程光杆润滑后的摩擦系数μ=0.0015。喷头及滑块所需要克服摩擦力由表2.12可知步进电机的转矩为0.53N.m，计算得出带轮的节圆直径为12.7mm，得到电机对同步带最大的传动力喷头最大的移动速度为100mm/s，所以加减速时间：减速过程中的位移：由计算结果可以看出在加速或者减速过程中，电机的制动和加速距离为0.0982mm，基本可以满足精度小于0.1mm的要求，所以电机选型基本上符合设计要求。电机在保持力矩下工作，计算同步带的宽度：其中，T—小齿轮传递的转矩，P—节距，Z—齿数，得出：其中，b为同步带的宽度，F同步带所受的驱动力，为载荷系数，为剪切强度，Z为齿数。同步带属于轻载工作，假设连续工作16小时，查表可知取值1.6。因为负载较小，带宽取标准宽度b=7mm即可。3.3.3Z轴丝杠的选型及其理论计算Z方向的运动主要是打印平台上下运动，一般都会采用丝杠作为传动机构，丝杠传动具有传动平稳、效率高、精度高等优点，因为3D打印机要求精度高、能长时间工作的需求，因此在Z方向的运动采用丝杠进行传动。为满足所需求加工要求对打印平台所采用的丝杠传动机构进行如下的理论计算。螺旋的耐磨性性计算式螺纹主要是限制螺纹表面的压强，防止过度磨损，一般情况下我们可以假想螺纹牙可以展成一长条。螺旋的轴向载荷为F，螺旋的高度为H、导程为p、螺纹工作的高度为h。则可以得到螺纹的耐磨条件；其中旋合高度：按照耐磨性条件设计螺纹中径时，可引用系数经过简化螺纹的中径可表示为，对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p，则进一步简化得到：系数的值可以根据螺母结构选定，整体式螺纹，磨损后间隙不能调整，取，剖分式螺母取，传动精度较高时值可以达到4。由于旋合各圈受力不均匀，应该使。因为工作平台正常打印运行速度不高，运行速度在20mm/s，属于低速运动，在转速情况下，传统的以钢和青铜为材料的丝杠螺母其许用压力在18~25Mpa这个区间。为了提高精度，此处取1.2，工作平台整体质量4kg，为了保证可靠性，取[P]为18，计算得出，即螺纹中径理论上要求不小于1.09mm，实际应用中，丝杠螺母在传导过程中不仅承受工作平台的重力，还会存在偏载对导程光杆的摩擦力，所以螺纹中径的实际值要比理论值大，选取直径为8mm，螺距为2mm，导程为4mm，长度为300mm的T8型号丝杆即可满足传动要求。丝杠的电机在驱动丝杠进行运动的过程中需要经历一个加速、匀速、减速的过程，一般情况下默认加速度是恒定的，其运动的折线图如3.13所示。图3.13工作台运动曲线图Z方向上成形尺寸为，最大移动速度为，暂定加减速时间比为A=0.25，由图2.12可以看出加减速过程中平均速度，计算得出从最大距离回到初始位置的时间t：加速时间为：；电机转速为：负载转矩：克服惯性的加速度转矩（启动转矩），Z轴平台的负载惯量：丝杆材料为304不锈钢，密度为，丝杆直径为8mm，长度为300mm，得T型丝杠的转动惯量：总的负荷惯量：启动转矩：驱动丝杠所需转矩：T，其中为机械效率，为丝杆长度，，为直径，，为电机转动惯量。通过上述计算得出，电机驱动平台所需的转矩为0.056Nm，在实际过程中，打印模型质量较大时，使得实际的必须转矩要大于理论值，所以Z方向工作平台的运动选用42步进电机驱动，完全可以满足驱动的要求。3.3FDM3D打印机的喷头设计及分析3.3.1喷嘴的结构设讨在FDM打印机中，主要的加工材料以ABS、PLA等材料为主，随后一层一层地堆叠以形成部件结构。在正常工作条件下，机械结构和控制单元之间的协调对整个印刷过程的稳定性有重要影响。以喷嘴的尺寸为例，其加工精度对其实际工作过程有明显影响，一般来说在合理误差范围内，喷嘴直径越小，打印机挤出线材的精度越高。然而，喷嘴的选择同样不能过小，否则会导致喷出的熔融丝太细，从而导致印刷过程中的断线问题，影响印刷的连续性。同时，由于材料未冷却软化状态的影响，刚印刷完成的产品表层会产生一定形变，从而影响结构尺寸和形状。因此，在印刷过程中，有必要根据印刷产品精度需求和设计需求选取对应的喷嘴直径。一般来说，在合理范围内，设计喷嘴直径为0.3毫米，如图3.14所示。可以在保持不错的加工效率和精度的同时，还可以保证加工材料的结构性能，图3.14出口直径0.3mm喷嘴示意图3.3.2喷头的整体结构设计FDM3D打印机使用送丝机驱动实心线材挤出喷嘴中的熔融线材，实现熔融材料的挤出和堆叠打印。因此，在实际加工过程中，熔融材料上的挤压力必须大于其在喷嘴中受到的阻力。而喷嘴结构设计不合理很容易导致送丝机驱动力低，从而严重制约送丝过程的顺利进行。为了改善上述问题，喷嘴系统优化模型的示意图如图3.15所示。在该模型中。为了确保打印机的正常运行，电线垂直插入喷嘴，在挤压系统的前端安装喉部，以限制线材的进给路径。同时为了避免实际加工过程中的喷嘴与喉部连接不紧密等加工问题以及确保传热稳定性，模型中的喷嘴和喉部用螺纹连接，加热和传热部件以铝制部件为主。综合考虑上述因素，提出挤压连接方法。从图3.15可以看出，喷嘴安装在铝块的圆孔中。铝块用螺钉锁紧，挤压并固定喷嘴。接触面之间的摩擦力通过增加压力而增加，从而确保喷嘴不会上下滑动。图3.15喷头挤出机构

4结语通过对FDM3D打印机的送丝机构、导向方式和喷嘴系统进行研究，同时为了满足FDM3D打印机的要求，本文的设计选择了远程送丝方式，使线材在送丝过程中能获得足够的驱动力。根据送丝机构和运动系统的支撑要求，确定3D打印机的拼接外壳有利于拆卸和更换零件。对提高设备工作稳定性进行了研究和分析。采用交叉光轴导向方式调节喷嘴和工作平台的运动方式。喷嘴沿XY方向移动，打印平台沿Z方向移动，从而提高了打印机的工作稳定性。确定了运动系统主要部件的型号：2GT同步带电机。喷嘴系统及其喷嘴分开设计，采用挤压连接方式，防止喷嘴上下滑动，增加加热块与喷嘴之间的接触面积和导热系数，避免热应力过大造成喷嘴损坏。对FDM3D打印机的送丝机构、导向方式和喷嘴系统进行了结构设计，但以下几个部分需要进一步研究：（1）对喷嘴的温度研究缺少温度分布对物料流动特性的影响；（2）本文的研究以单出口喷嘴为主，从现有的3D打印机发展趋势来看，多出口喷嘴的3D打印机逐渐成为一个发展趋势。同时多出口喷嘴的混合色原料给进也是一个值得研究的方向。

参考文献[1]王君,陈红杰,龚雅静,etal.3D