毕业设计-基于CAE分析的简易3D打印机设计

图书分类号：密级：上单毕业设计(论文)基于CAE分析的简易3D打印机设计THEDESIGNOFSIMPLE3DPRINTERBASEDONCAE学生姓名班级学院名称专业名称指导教师学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当。论文作者签名：日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或局部内容，可以将本学位论文的全部或局部内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要本文首先概括介绍了3D打印技术，包括3D打印技术的开展背景、现状及种类。后面介绍了3D打印机的概述，并结合3D打印机开展中所遇到的机遇挑战，提出设计一款简易的3D打印机。本文根据相应的技术指标及参数在满足标准的情况下，对简易3D打印机进行整体的结构设计，设计路线按照从下至上，从外至内的顺序进行产品设计，具体是底座的设计、顶框的设计、支架的设计、送丝机构的设计以及打印机构的设计。其中在这些结构设计中，还包括底座的强度校核及材料选择、轴的强度校核与选型、步进电机的选型等。因简易的3D打印机的某些结构因受力可能变形，所以最后基于CAE技术还要对设计的简易3D打印机的关键零部件进行有限元分析，结合数据，检验是否符合设计要求。本文研究设计的简易3D打印机旨在将3D打印技术带入家庭或办公室，即使在一个小的工作空间中也可以完成3D模型的快速成型制造，所以要求它的结构简单，操作方便，价格经济，空间友好。设计中主要使用了Auto-CAD、SolidWorks、Ansys等软件，用SolidWorks制图软件三维建模，Auto-CAD制图软件画出二维平面图，应力分析方面主要通过Ansys有限元分析软件对简易3D打印机的关键部件进行应力分析。关键词简易3D打印机；结构设计；SolidWorks三维制图；CAE分析AbstractThispaperfirstlyintroducesthe3Dprintingtechnology,thestatusquoanddevelopmentbackground,includingthetypeof3Dprintingtechnology.Aftertheintroductionofanoverviewofthe3Dprinter,andcombinedwiththedevelopmentof3DprintersOpportunities,Challengesencountered,proposedtodesignasimple3Dprinter.Inthispaper,thedesignisbasedontherelevanttechnicalindexesandparameterswhichmeetthestandard.Thesimple3Dprinterforthedesignoftheoverallstructure,routedesignisfromthehighesttothelowest,thesequenceisfromtheoutsidetotheinsideofproductdesign,specificallythedesignofthepedestal,atopframedesign,supportdesign,sendwirefeedingmechanismdesignandprintingmechanismdesign.Whichinthedesignofthestructure,includingthestrengthofthebasecheckandmaterials,shaftstrengthcheckingandselection,steppermotorselection.Forsomesimple3Dprinterstructureduetothestressdeformation.sointheend,basedonCAEtechnology,thedesignofsimple3Dprinterskeypartswerefiniteelementanalysis,analysisofdata,testwhetheritmeetsthedesignrequirements.Inthispaper,todesignthesimple3Dprinterinordertotake3Dprintingtechnologyintothehomeoroffice,eveninasmallworkingspacethesimple3Dprintercanalsocompletethe3Dmodeloftherapidprototypingmanufacturing,soithastheadvantagesofsimplestructure,convenientoperation,economicpriceandfriendlyspace.ThisdesignmainlyusedtheCAD,Solidworks,ANSYSsoftware,usingSolidworksto3DModelingSoftwareandmotionsimulation,usingCADtodrawaplanargraph,andStressanalysisfocusesonthekeycomponentsofasimple3DprinterwasanalyzedbyAnsysfiniteelementanalysissoftware.KeywordsSimple3DprinterThedesignofstructureSolidWorksCAE全套图纸外文文献扣扣1411494633目录摘要IAbstractII1绪论11.13D打印技术的开展背景及现状11.23D打印技术的种类11.33D打印机及简易3D打印机的概述21.43D打印机的开展带来的机遇和挑战31.5本次设计的主要工作31.5.1简易3D打印机指标31.5.2主要的设计工作41.5.3设计思路及主要问题42简易3D打印机的结构设计52.1整体结构设计52.1.1工作原理52.1.23D打印机的组成52.1.3框架结构52.2底座的设计62.2.1底座角件的设计62.2.2铝型材的选择62.2.3底座整体结构72.3支架的设计82.3.1直线光轴许用弯曲应力的计算82.3.2直线光轴材料的选择92.4顶框的设计102.4.1顶框角件的设计102.4.2铝型材的选择112.4.3顶框整体结构112.5送丝机构设计112.5.1挤出机座设计112.5.2U型滚动轴承的选型122.5.3快速接头的选择122.5.4挤出机设计及相关部件选型122.5.5送丝机构整体机构132.6打印机构设计132.6.1步进电机的选型132.6.2同步轮的选型152.6.3同步带的选取162.6.4深沟球轴承的选型162.6.5直线轴承的选型182.6.6滑动座的设计182.6.7万向节的设计192.6.8中心平台的设计192.6.9推杆的设计202.6.10喷头座的设计222.6.11散热风扇的选型222.6.12喷头装置的设计222.6.13打印机构整体结构243CAE结构分析253.1CAE技术253.2CAE软件253.3CAE分析对象253.4Ansys有限元分析过程253.4.1前处理253.4.2有限元分析293.4.3后处理32结论36致谢37参考文献381绪论1.13D打印技术的开展背景及现状3D〔ThreeDimensions〕打印技术是一种通过材料逐层添加形成三维物体的具有划时代变革的技术。[1]目前3D打印技术在国内外还是一个比拟新兴的领域，具有非常大的市场前景。另外3D打印的迅速开展同时也为现代制造业带来了一场新的科技革命，因为3D打印技术不像传统的机加工生产需要依赖生产的工艺性，它可以传统的生产工艺直接快速成型所需要的产品模型。3D打印不需要任何传统加工工具，能够减少很多人力物力，所以3D打印似乎就是在替代一个人在制作产品。尽管3D打印有如此大的突出之处，但还不够尽善尽美。3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注。[2]它作为一种新兴的科学技术已经应用到很多领域范畴，比方现代制造业，医疗领域，航天航空领域，工程材料领域，还有化工技术领域等。在现代制造领域上，3D打印技术的推行使得现代制造业有了更多的革新，通过3D打印技术可以使产品制造效率不断挺高，为现代制造业注入新鲜血液。在医疗领域上，已经有人通过3D打印技术实现了器官的打印，打印的器官可以直接植入人体，并且不会导致排斥。在航天航空领域上，3D打印技术可以快速的打印出飞机的机翼以及一些结构复杂的发动机，而这些都是传统制造所不能企及的。3D打印技术经过十多年的开展，目前3D打印机的精度可以到达0.001mm，这样的技术几乎可以打印出任何我们所能看得到的东西，可见3D打印技术已不复当年，现在的打印精度还是相当好的。目前国内很多家做3D打印的公司都相继研制开发了属于自己的3D打印机，虽然机器的生产和销量还不能与国外大型做3D打印的公司相媲美，但还是取得了一些阶段性的突破。另外国内生产的3D打印机在材料，框架结构和打印精度上还不能够满足消费者的需求，这也是现阶段国内做3D打印公司遇到的阻力与挑战。目前3D打印技术在西方国家已经广泛的应用到了商业、制造业。人们可以在家中完成自己的设计，通过Meshmier里的3D打印平台效劳将模型文件送到离家最近的3D打印效劳公司，公司按照顾客的设计要求完成3D模型的打印，这如今在国外已经形成了一个商业链，目前国内还没有开展，相信在不久的将来，国内的3D打印技术也会不断占领市场的份额，到时候3D打印一定会成为现在制造业不可或缺的一局部。1.23D打印技术的种类〔1〕光敏液相固化技术光敏液相固化技术SLA〔Stero-LightgraphyApparatus〕又称光刻成型、立体印刷、或光造型等，它的工作原理就是通过紫外线照射，将液态光敏树脂固化成型，通过层层固化而完成整个三维产品的制造，SLA成型工艺的特点是精度高，外表质量好，材料利用率高，能制造出结构复杂、外观精细的零件产品，但是SLA成型工艺相应的制造本钱也非常高，而且打印零件产品的规格也不能太大。[3]〔2〕选区片层粘结技术选区片层粘结技术LOM〔LaminatedObjectManufacturing〕是利用反面带有粘胶的箔材或纸材通过相互粘结而成形。在计算机的控制下，二氧化碳激光束对最上层箔材或纸材的二维截面进行扫描切割，再将轮廓外的废料切割出方形小格，以后每粘结切割一个截面层，工作台自动下降一个截面层，然后重复，直到整个三维零件。LOM快速成型技术特点是速度快，材料经济实惠，尺寸和形状精度稳定，没有相变与热应力，但成型后的废料剥离时间较长，所以这种工艺更适用于汽车轮船、航空航天等行业中体积较大的产品零件成型。〔3〕选区激光烧结技术选区激光烧结技术SLS〔SelctiveLaserSintering〕是利用激光的光束能量，烧结粉末材料通过逐层添加成型的方式成型三维模型。SLS成型工艺方法的优点是能生产较硬的模具；可以采用多种原料，包括工程塑料、蜡、金属、陶瓷等；零件的构建时间短，可到达1in/h速度；无需设计和构造支撑。〔4〕熔丝沉积成型技术熔丝沉积成型技术FDM〔FuseDepositionMolding〕是通过喷头挤出一束非常细的热熔塑料丝，从打印平台的最底层开始，按照切片软件导出的二维切片程序，一层一层逐层堆积打印，最后得到设定好的三维产品模型。FDM成型工艺的优点是设备简单，工作耗能低，打印尺寸精度好，成型外表质量高。缺点是打印需要支撑的材料，打印耗时较长。1.33D打印机及简易3D打印机的概述3D打印机(3DPrinter)还称作快速成型机，它与二维打印机最大的差异就是能打印出三维立体模型，它的工作原理是通过将耗材融化，然后一层一层叠加，最终形成目标3D模型。它是3D领域的一种前瞻性产品，目前成为一种潮流正迅猛开展。[4]3D打印机的操作十分便捷，首先通过电脑上的制图软件制作出你想要打印的3D模型，然后将3D模型导入进专业的切片软件，再将切片程序导入进3D打印机中就可以打印出你所设计的3D模型。随着3D打印技术的不断成长进步与普及开展，3D打印机不仅大量地出现在现代机械制造业，而且逐渐可以应用于工业设计领域，汽车轮船领域，航空航天领域等。但是到目前为止3D打印机的所使用材料还是具有一定的限制，所以要想打印出一个结构繁杂、材料多样的3D模型，它的难度还是有非常之大的。当下市场上出现了越来越多的简易式3D打印机，它跟一般的3D打印机最大的差异就在于它的便携易于摆放，简易3D打印机突破了一般3D打印机需要固定在一个空间工作的限制，这极大地提高了3D打印机的实用性和便捷性。不过要想实现3D打印机结构的简易与便捷，必须要在其结构上多思考，需要考虑到打印结构的设计，考虑所选材料的性能以及强度，要控制空间使其在最小的工作空间完成最大的打印空间。简易3D打印机，它的结构简单，操作方便，价格经济，空间友好，即使在比拟小的空间下也能够实现3D模型的快速成型〔即3D打印〕，这样可以让3D打印机更好地走向在家庭或者办公室，将为3D打印技术的普及带来巨大的意义。1.43D打印机的开展带来的机遇和挑战目前3D打印机想要占领的市场，还需要面对很多困难与挑战。其中3D打印机的制造价格，打印的耗材，打印精度，结构设计等方面还需要很多研究突破的地方，所以说3D打印机的出现，既要面临很多的困难与问题。第一，制造本钱方面。3D打印机的制造本钱比拟高，从一台3D打印机的结构设计到材料购置，组装，测试校核等步骤使得3D打印机的本钱大大提高，为了普及3D打印机很多商家研制生产简易的3D打印机，它的结构简单，能够完成根本的3D模型成型，制造本钱低。第二，耗材方面。目前3D打印机的成型材料多为化学聚合物，打印出来的3D模型也大多是激光烧结后或者熔丝沉积后的化学聚合物，所以如果想要3D打印有着更多广泛的应用，还需要开发不同的材料才行。总之，要想成功的普及3D打印机在材料上下功夫也是不容无视的。第三，打印精度方面的问题。目前3D打印机多是FDM型的机器，它在成型的时候，精度上比不上SLA型等的3D打印机，但是精度高的机器它的制造本钱往往也大大提高，这使得3D打印机在精度与价格上出现了矛盾，所以对一些3D打印机打印精度的改进将会对3D打印技术有着重大意义。第四，研究开发方面。在3D打印机的开展越来越进步的同时，外界对其的要求也会越来越高。不仅仅是满足目前打印几个简单的3D模型，更重要的是应用到实际的生产加工中，比方说面包房要打印出一些特殊的食物，医院要打印出蛀牙患者的牙齿等，这些都要求非常高的技术。第五，市场。大家都知道开发一种产品除了要效劳于群众，还有一个很重要的目的是产生经济效益。[5]要想产生大的经济效益就要占领足够的市场份额，目前3D打印机不像2D打印机那么普遍。或者说3D打印机很少人会用得上，这就需要研发者研发出更多实用简易的3D打印机走进千家万户。本次的毕业设计使用了CAD、SolidWorks、Ansys软件对一款FDM型简易3D打印机进行结构设计、制图和受力分析，在指导老师的指导下完本钱次毕业设计任务。1.5本次设计的主要工作1.5.1简易3D打印机指标其中简易3D打印机的主要技术指标有：打印的最大范围：160mm×160mm×170mm最大打印速度：120mm/s打印量：20g/h标准型材的尺寸：20mm×20mm底座高度：47mm1.5.2主要的设计工作〔1〕底座设计；〔2〕顶框设计；〔3〕支架设计；〔4〕送丝机构设计；〔5〕打印机构设计。1.5.3设计思路及主要问题本次简易3D打印机的设计，先从简易3D打印机的整体设计入手，从简易3D打印机的外部框架到支架，然后再送丝机构到内部核心打印机构的设计，从外至内，从下至上一步步的完成简易3D打印机机械结构的设计。需要解决的主要问题：设计并确定简易3D打印机的整体外部框架结构，以及选用的型材尺寸规格，底座零件的压应力计算以及非标件材料的选择。校核直线光轴的弯曲应力及弯矩，选择适宜的光轴材料。解决简易3D打印机的送丝机构中挤出机以及挤出辅助非标件的设计和材料的选择。解决简易3D打印机的打印机构中传动机构的设计及打印机构在X、Y、Z方向运动的实现，还有喷头装置的设计。基于CAE分析，分析简易3D打印机中重要零件所受应力的情况并校核设计的是否符合设计要求。2简易3D打印机的结构设计2.1整体结构设计2.1.1工作原理本论文设计的简易3D打印机是DIY三角洲式的3D打印机，打印机一共4有个步进电机，其中3个步进电机通过同步带分别控制3D打印X、Y、Z三个塔上的滑动座沿光轴运动，使3D打印机的打印机构可以在一个平行于打印台的空间里运动。还有一个步进电机是用于送丝机构上的，作用是将丝材送进预热的喷头内，使丝材挤出成型。2.1.23D打印机的组成标准型材：20mm×20mm，200mm×9步进电机：4个同步轮：3个同步带：3条黄铜挤出轮：1个直线光轴：6根深沟球轴承：6个直线轴承：6个M3六角螺栓+螺母：假设干非标准件：包括角件底座、角件顶框、滑动座、推杆、万向节、中心平台、挤出机座、喷头座等。2.1.3框架结构打印机的结构主要由大小20mm×20mm的标准铝型材构成，底座主要由6个20mm×20mm铝型材和3个角件底座组成，型材与角件通过M3的内六角螺钉和螺母连接，整个底座成三角形结构，这样的底座稳定性及牢固性都非常强，能够保证3D打印机在工作时，工作平台会很平稳，提高3D打印机的打印精度。每个角件底座上都与2根光轴配合，光轴彼此间是平行安装的。三角洲式3D打印机Z轴方向的传动是通过打印机X、Y、Z三个塔的步进电机同步运行来完成的。3个套有同步轮的步进电机同时启动，通过同步带拉动滑动座同时上升或下降，在万向节与推杆作用下打印机构在Z轴方向运动。而打印机构在XOY平面上的运动那么需要通过X、Y、Z三个塔步进电机的配合运动来完成。打印机的顶框主要由3根20mm×20mm铝型材和3个角件顶框组成，顶框结构与底座结构类似，成一个三角形结构，与光轴连接，形成一个稳定牢固的框架。2.2底座的设计2.2.1底座角件的设计底座角件结构示意图见图2-1，该结构的主要作用是支撑工作平台和连接铝型材、直线光轴以及步进电机的。图2-1角件结构示意图对于角件材料的选择，由于底座角件主要承受3D打印机的重量，所以计算一下要计算底座角件的抗压能力。3D打印机总质量M=5Kg，角件总底面积A=3×1770mm^2，所受压应力公式见式〔2.1〕[6]式〔2.1〕式中——代表压应力；——代表压力；A——代表底面截面面积。其中=Mg=49N。得σ=92.28Pa。PLA材料的许用抗压应力[]=40-60MPa，这远远大于所需的压应力要求，所以在底座角件材料的选择上，我们可以选用PLA材料。而且PLA材料是一种聚乳酸，它的原料来自于植物，属于生物可降解材料，绿色环保，同时也具有较强的硬度和刚度，并且PLA材料的零件可以通过FDM型3D打印机快速成型，极大地方便了底座角件结构的制造。2.2.2铝型材的选择根据底座角件的设计，选择2020GW型铝型材，铝型材性能参数表、结构示意图见表2-1、图2-2。表2-1铝型材性能参数表材质及状态6063T5抗拉强度180MPa屈服强度127MPa弹性模量686600MPa硬度62HB外表处理阳极氧化处理，镀层12以上泊松比0.330图2-22020GW铝型材结构示意图2.2.3底座整体结构底座是支撑打印平台以及3D打印机整体的关键部件，综合它的性能强度和刚度的要求，底座结构主要由PLA底座角件与2020铝型材通过M3的内六角螺栓和螺母连接组成，成三角形结构。在每个角件上端面有两个Φ8的通孔用来装配Φ8的直线光轴，并通过3个夹紧孔来完成直线光轴的固定。角件的内侧可以有4个Φ3的限位孔，它们的作用是用于步进电机的固定，底座框架SolidWorks装配图见图2-3。图2-3底座框架SolidWorks装配图2.3支架的设计2.3.1直线光轴许用弯曲应力的计算直线光轴是具有滑动轴承的引导作用，可使滑动轴承实行直线运动的产品。在3D打印机中，直线光轴需要引导滑动轴承使滑动座做直线运动，配合万向节与推杆作用使打印机构在空间内平行于工作平台运动，以实现3D打印的功能。由于本设计的简易3D打印机所使用的直线光轴按轴的受载分类属于固定心轴，工作时是固定不动的，只承受弯矩作用。在校核该轴强度的时候，可以按弯曲强度条件计算，实心轴的计算公式见式〔2.2〕。[6]式〔2.2〕式中d——代表直线光轴直径；M——代表弯矩；——许用弯曲应力。为了计算光轴所受的弯矩，要对光轴进行受力分析〔见图2-4〕。因为在3D打印机中每一个光轴的受力情况都是相同的，所以只需要对其中一根光轴进行分析，由于滑动座是在光轴上滑动的，所以它的位置是任意的，光轴的受力分析图如下所示，这里选取任意位置C点为滑动座的质点位置，求位于x截面位置所受的剪力与弯矩。图2-4光轴的受力分析图解：由平衡方程Σ=0，Fb-=0Σ=0，-Fa-=0求得支座约束力为=，根据光轴的受力分析,光轴的剪力的剪力和弯矩都可以计算出来，即〔0<x<a〕M(x)=(0≤x≤a)剪力图〔见图2-5〕与弯矩图〔见图2-6〕如下所示。图2-5光轴的剪力图图2-6光轴的弯矩图光轴长度L：465mm根据一般光轴在相同的F作用下，C点位置于光轴中间的时候，最容易被剪断,且根据剪力，弯矩图，知当x=a的时候，M取最大值。令a=232.5mm，b=232.5mmF=10N==5N=a=1.1625N*M由，=本设计所选光轴直径d为8mm，=17.12MPa。2.3.2直线光轴材料的选择查轴的许用弯曲应力表[7]〔见表2-2〕，选择适宜的光轴材料。表2-2轴的许用弯曲应力表轴的许用弯曲应力MPa材质Rm〔σb〕σ+1pσ0pσ0p碳素钢40013070405001707545600200955570023011065合金钢80027013075100033015090铸钢40010050305001207040注：σ+1p、σ0p、σ0p分别为材料在静应力、脉冲循环应力和对称循环应力状态下的许用弯曲应力因为直线光轴的许用弯曲应力=17.12MPa，所以根据表表2-2，Φ8直线光轴的选材可选用碳素钢45钢，它的抗拉强度大于600MPa；屈服强度大于355MPa，符合设计要求，45钢力学性能参数表见表2-3。表2-345号钢力学性能参数表45号钢力学性能参数表抗拉强度600MPa屈服强度355MPa弹性模量210GPa泊松比0.2692.4顶框的设计2.4.1顶框角件的设计顶框角件的设计结构上和底座角件结构类似，它主要作用是连接固定同步带轴承、送丝机构、及光轴等部件。它的结构示意图见图2-7。图2-7顶框角件示意图由于顶框角件与底座角件的结构类似，而且顶框并不受载荷，所以在材料的选择上就可以与底座角件的材料一致，选择PLA材料，产品的零件可以通过3D打印，方便了制造。2.4.2铝型材的选择铝型材的选择，那么是和底座设计的铝型材保持一致，所以也选用2020GW型铝型材。2.4.3顶框整体结构顶框整体结构由3个PLA顶框角件与3根2020GW型铝型材相互连接组成，顶框结构与底座结构同样是三角形结构，它们之间是通过Φ8直线光轴连接的，具体是用M3的内六角螺栓和螺母通过顶框上的锁紧孔将顶框紧固在直线光轴上，使3D打印机在外框架上成一个三棱柱的结构，这使3D打印机的结构更加稳定巩固。在每个顶框角件上都有一个用来安装同步带轴承的定位孔，具体在后文会详说，另外光轴每两个组成一个塔，分别命名为X、Y、Z三个塔，具体见顶框结构SolidWorks装配图〔见图2-8〕。图2-8顶框结构SolidWorks装配图2.5送丝机构设计2.5.1挤出机座设计挤出机座是送丝机构非常重要的结构局部，它是连接挤出机〔装有黄铜挤出轮的步进电机〕、引丝轴承、快速接头等零件的部件。因为挤出机座主要是连接零部件作用，对于它强度和刚度没有太大的要求，为了方便制作，挤出机座也是选用PLA材质，通过3D打印成型制造，挤出机座的结构设计见图2-9。图2-9挤出机座结构示意图2.5.2U型滚动轴承的选型在挤出机座上，需要安装一个U型滚动轴承，它的作用是为了引导和压紧丝材用的。为了满足设计需要，这里选用3D打印机挤出机专用的轴承即U604ZZ轴承，作为挤出机导轮；它的精密度高，运载顺滑，低噪音，非常适用于桌面级3D打印机。详细的参数规格表见表2-4。表2-4U604ZZ轴承参数规格表型号u604zz尺寸内径〔K〕4mm外径(D)13mm宽度(H=W)4mmU槽底径〔D2〕11mmU槽(R)1mm槽口宽度(C)2.1mm备注高品质，精密轴承2.5.3快速接头的选择挤出机座上还需要连接一个1.75mm送料快速接头，它的作用是连接送料管，将丝材送入到打印机构中，按下它的快速接头的塑料头可实现快速换接。所选用的1.75mm送料快速接头参数表见表2-5。表2-51.75mm送料快速接头参数表名称1.75mm送料快速接头接口螺纹M5适用耗材1.75mm耐温0-60〔℃〕耐压1.5〔MPa〕2.5.4挤出机设计及相关部件选型挤出机主要是由步进电机以及黄铜挤出轮组成。它的作用是将3D打印机的丝材根据设定好的送丝速度一点一点地送进3D打印机的打印机构中，让经过预热后的打印机构能够正常出丝。所以挤出机中所需的步进电机需要有稳定的输出及其适宜的相应参数才能完成挤出机的功能，具体步进电机的选型，将在后文步进电机的选型中详述。另外挤出机需要一个黄铜挤出轮，它是挤出机中步进电机的转动件，为的是给3D打印机的耗材提供一个向下送丝的摩擦力。现在主流的桌面级3D打印机耗材都是采用的1.75mm耗材，所以这里所设计挤出机上的黄铜挤出轮选型那么是采用市场上1.75mm耗材专用的3D打印机黄铜挤出轮，也就是M11的黄铜挤出轮，它的具体规格参数见表2-6。表2-6MK8黄铜挤出轮规格表名称MK8黄铜挤出轮规格尺寸11mm*11mm内孔5mm齿轮部位7mm齿轮外径111mm齿的数量26齿材质铜2.5.5送丝机构整体机构将上述零件通过螺纹连接组装，就是送丝机构机构的整体机构。送丝机构的工作原理是：3D打印机预热后，丝材从送丝机构的入口进入，通过挤出机与U型滚动轴承的作用，丝材以一定速度送入快速接头口，快速接头连接有送料管，丝材通过送料管最终送入打印机构，完成3D打印机的打印工作。送丝机构整体机构SolidWorks装配图见图2-10图2-10送丝机构SolidWorks装配图2.6打印机构设计2.6.1步进电机的选型步进电机是打印机构最重要的局部，它是整个打印机构的动力元件。它的工作原理是将3D打印机控制电路的电脉冲信号转变为角位移或线位移，一般情况下，步进电机的转速、停止的位置取决于3D打印机控制电路脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个步距角，所以它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，这样就可以控制打印机构进行逐层累积的3D打印工作。所以3D打印机对步进电机的选择，就比拟严格。需要步进电机有稳定输出及适宜的参数，否那么会直接影响3D打印的精度。目前3D打印机主要采用的是42两相混合步进电机，根据3D打印机所需步进电机的重量、步距数、转动惯量、转速等条件，查表2-7，经过综合分析，最终选取型号为42BYGH47-401A的步进电机作为打印机的动力来源。表2-742BYGH两相混合步进电机技术参数表42BYGH两相混合步进电机步距角1.8°温升80℃Max环境温度-20℃~+50℃绝缘电阻100MΩMin.,500VDC电气强度500VAC径向间隙0.02mm轴向间隙0.08mm最大径向压力30N最大轴向压力10N电机型号

Model步矩角

Stepangel(°)机身长

MotorLengthL(mm)相电压

RateVoltage(V)相电流

RateCurrent(A)相电阻

PhaseResistance(Ω)相电感

PhaseInductance(mH)静力矩HoldingTorque(g)引线数LeadWire(NO.)转动惯量RotorInertia(g.c㎡)重量MotorWeight(kg)42BYGH33-001A1.833120.3402217005350.2242BYGH33-601A1.83340.954.22.515806350.2242BYGH33-602A1.8339.60.4241515806350.2242BYGH33-603A1.833120.3138.52115806350.2242BYGH33-401A1.8332.81.332.12.522004350.2242BYGH39-601A1.83941.23.33.225906540.2842BYGH39-602A1.83960.87.56.725906540.2842BYGH39-603A1.839120.4303025906540.2842BYGH47-401A1.8472.81.681.652.844004680.3542BYGH47-601A1.84741.23.32.836006680.35所选的42BYGH47-401A步进电机它的外观图见图2-11，其中长度L=47mm。图2-1142BYGH47-401A步进电机外观图2.6.2同步轮的选型同步轮是安装在42BYGH47-401A步进电机上的元件，可以带动同步带运转，具有传递动力的作用。因为该简易3D打印机属于精加工类型，在选取加工类型精度比拟高的同步带轮，依据表2-8，选取适宜的同步带轮参数如下：齿距：2.032mm齿数：20槽宽：11mmd1节圆直径：12.9mmd内径：5mmD档边外径：18mmD1凸台外径：18mmL总长：20mm表2-8MXL,XL,L同步轮规格表MXL,XL,L同步轮规格表齿型齿数外形尺寸重量S槽宽Ed1节圆直径d内径D挡圆外径D1凸台外径L总长MXL齿距2.03mm20111612.95，6或6.351818200.013019.46或6.352525200.024025.95，6，6.35或83220200.04XL齿距5.08mm15111524.36.23217250.062032.36，6.35，7，8或1038260.06248.223L齿距9.53mm20212775.8106648380.2530911098680.640121.3101308012.6.3同步带的选取根据同步带轮的选型，在满足啮合的条件下，选择MXL同步带，相关参数如下：齿距：2.032mm齿高：0.51mm齿厚：1.14mm同步带的二维图见图2-12。图2-12同步带的二维图2.6.4深沟球轴承的选型深沟球轴承主要承受纯径向载荷，也能承受轴向载荷，承受纯径向载荷时，接触角为零，结构简单，使用方便，应用广泛。在3D打印机中，该轴承主要是支撑传送带的压应力，所以主要承受的是径向静载荷。由于3D打印机构中，深沟球轴承主要是承受静载荷，所以深沟球轴承的选择可以按额定静载荷计算[7]，计算公式见式〔2.3〕C0=S0P0<C0r式〔2.3〕式中C0——根本额定静载荷计算值，N；S0——平安因数，平安因数选择见表2-9；P0——当量静载荷，N，计算公式见表2-10；C0r——轴承尺寸及性能表中所列径向根本额定静载荷，NC0a——轴承尺寸及性能表中所列径向根本额定静载荷，N表2-9旋转轴承平安因数旋转轴承平安因数使用要求和载荷性质S0球轴承滚子轴承对旋转精度及平稳性要求较高，或承受强大的冲击载荷1.5〜22.5〜4正常使用0.5〜21〜3.5对旋转精度及平稳性要求较低，没有冲击和震动0.5〜21〜3表2-10当量静载荷计算公式当量静载荷计算公式轴承类型计算公式说明向心轴承α=0的向心滚子轴承径向当量静载荷P0r=FrFr——径向载荷向心球轴承和α≠0的向心滚子轴承P0r=X0Fr+Y0FaFa——径向载荷P0r=Fr3二式中的较大值推力轴承α=90°的推力轴承轴向当量静载荷P0a=FaX0——径向静载荷系数α≠90°的推力轴承P0a=2.3Frtanα+FaY0——轴向静载荷系数根据表2-8，径向当量静载荷载荷P0r的公式:P0r=X0Fr+Y0Fa根据表2-9，S0取2计算深沟球径向当量动载荷时，X0=0.6，Y0=0.5；即P0r=0.6Fr+0.5Fa且当P0r<Fr时，取P0r=Fr因为3D打印机同步带绷紧时，对深沟球轴承的径向压应力约100N；轴向应力可忽略不计。所以P0r=Fr=50NC0=S0P0=S0P0r=S0Fr=2×10=200N根据根本额定静载荷的计算，查机械设计手册第二卷P1055的深沟球轴承技术参数表〔见表2-11〕，选择适宜的深沟球轴承。表2-11深沟球轴承技术参数表深沟球轴承技术参数表根本尺寸/mm根本额定载荷/kN极限转速/r*min-1质量/kg轴承代号其他尺寸/mm安装尺寸/mmdDBC0r油W60000型d2D2RmindaminDamaxramax71450.5400000.0024628/79120.158.212.80.151750.8380000.0057619/79.614.40.39.415.20.31961.08360000.00760710.715.30.39.416.60.32271.35340000.01462711.818.20.39.419.60.381650.65380000.004628/810.8140.39.614.40.21960.92360000.0085619/811160.310.417.20.32271.38340000.01560811.818.20.310.419.60.32481.4320000.01662812.819.20.310.421.60.3续表2-1191750.72360000.0042628/911.114.90.210.615.40.22061.08340000.0092619/912170.311.418.20.32471.4300000.01660914.219.20.311.421.60.32681.95300000.01962914.421.10.311.423.60.3最后，综合顶框设计以及C0的值，根据表2-11，选择628/8型深沟球轴承作为传送带轴承。2.6.5直线轴承的选型直线轴承是套在光轴上滑动的轴承，它的作用是引导滑动座做平行于光轴的直线运动，它的选型要根据光轴的尺寸规格来进行确定，直线轴承规格表见表2-12。表2-12直线轴承规格表型号球列数主要尺寸根本额定载荷内径外径长度外止动槽W动静dr公差D公差L公差B公差D1LM6LUU46012035027011.51.13354LM8LUU4815-0.013453514.31.14480LM10LUU410-0.0119055-0.344-0.3181.360112LM12LUU412215746201.383160由于所设计的光轴直径是Φ8，所以根据表2-8，选择LM8LUU的直线轴承为滑动座轴承。2.6.6滑动座的设计滑动座通过扎带可与直线轴承装配在一起，可以沿着光轴自由地运动，同步带的两端分别用扎带绑在滑动座的两头，随着3D打印机X、Y、Z三个塔上步进电机动作，滑动座就会沿着光轴做垂直上升或者垂直下降的运动，滑动座的材料选用PLA材料，方便3D打印制造，图2-13是滑动座结构示意图。图2-13滑动座结构示意图2.6.7万向节的设计万向节是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它相当于3D打印机的“关节”部件，通过推杆与万向节的连接，X，Y，Z三个塔上滑动座上下滑动的运动会转化成打印机构中的中心平台和喷头在一圆柱空间的运动。这种特制的万向节材料也选用PLA材料，强度和硬度较好，可以3D打印成型，万向节结构示意图如图2-14。图2-14万向节结构示意图2.6.8中心平台的设计中心平台主要作用是用于喷头装置的定位，它在结构上也采用三角形结构，中心平台上装有6个万向节，通过推杆可以将中心平台与滑动座连接在一起，X、Y、Z塔上的步进电机控制滑动座上下运动可使中心平台在一个圆柱空间内平行于打印平台自由运动。由于中心平台的所受的力并不大，所以中心平台在材质上的选择，也能选用PLA材料，便于3D打印制造，中心平台的结构示意图见图2-15。图2-15中心平台的结构示意图2.6.9推杆的设计推杆主要的作用是连接滑动座和中心平台两者之间的万向节的，通过推杆的连接，滑动座可以控制中心平台和喷头装置在一圆柱空间运动。在推杆的设计中，要通过计算来确定推杆的长度L。为了计算推杆的长度L的最长距离，选择一个最极限的位置〔中心平台置于打印平台中央见图2-16〕进行计算，再将3D模型简化成二维的数学模型，得到图2-17，根据图2-17可以求出推杆的长度L。图2-16中心平台置于打印平台中央图2-17简化后的二维数学模型根据勾股定理，L2=(398-H)2+(110-22.5)2因为所设计的3D打印机的打印高度为170mm，且滑动座的高度是45.5mm。所以根据要求398-170≤H≤398-45.5即228≤H≤352.5所以Lmax==244.2mmLmin==98.6mm所以杆长L可在98.6~244.2选择适宜的值，本设计中L取=185。具体推杆设计如下列图所示〔见图2-18〕。图2-18推杆结构示意图2.6.10喷头座的设计喷头座主要是用来安装喷头装置的，喷头座口可以通过螺纹连接将喷头装置锁在喷头座上，另外喷头座设计有可与中心平台连接的孔，通过螺纹连接可以使两者安装在一起，使喷头装置可以随着中心平台进行运动，当X、Y、Z塔三台步进电机动作时，喷头装置会在一个空间圆柱内运动，完成3D打印工作。喷头座的材料选择，选用PLA材料，便于3D打印制作。喷头座的结构示意图见图2-19。图2-19喷头座结构示意图2.6.11散热风扇的选型在喷头座上需要安装一个散热风扇，用于给喷头机构的散热器散热，防止耗材在散热器中融化凝固堵塞送丝通道。本次毕业设计选用的是桌面级3D打印机常用DFS300612H型的散热风扇，它的具体参数见表2-13表2-13DFS300612H型散热风扇名称DFS300612H额定电压〔V〕12额定电流〔A〕0.12转速〔RPM〕10000风量〔CFM〕3.402.6.12喷头装置的设计喷头装置是FDM型3D打印机最关键的局部，它主要由快接头、散热器、加热铝块，喷头等组成，如图2-20所示。首先丝材通过送料管送进快速接头，然后进入散热器，通过铁氟龙喉管后接着进入喷嘴，加热头可以给加热铝块和装配在其上的喷嘴供热，使丝材在喷嘴里被熔融，然后通过送丝机构的挤出作用，丝材从喷头连续地被挤出，经过层层堆积而到达快速成型的结果。如图2-20喷头装置结构组成喷头装置主要零件的选择及作用：〔1〕快速接头选择1.75mm送料快速接头，它的使用方法与送丝机构所选用的快速接头一样，它们之间通过送料管连接，可以将打印机构与送丝机构连接起来。〔2〕散热器选择直径为36mm，高度为60mm的散热器，它的作用主要是给未进行打印工作的丝材降温，防止丝材因加热铝块和加热头所传递的热量而软化弯曲堵塞送料通道。〔3〕铁氟龙喉管，是高耐热的连接管，总长度是30mm，具有M6的螺纹，通过螺纹连接可以将加热铝块与散热器连接在一起，管内允许直径为1.75mm耗材穿过，对耗材具有一定的导向作用，将耗材更准确地送入喷头〔4〕加热头与加热铝块，主要起到给打印喷头加热的作用，工作原理是加热头根据3D打印机设定的温度进行加热，热量会迅速扩散到加热铝块中，然后加热铝块将热量再传递给喷头，以融化耗材。〔5〕喷头那么是选用3D打印机常用的0.4mm铜质喷头，导热性能好，可以在短时间内将热量传递给耗材，将耗材融化，进行3D打印，铜质喷头的零件图〔见图2-21〕如下所示。图2-21喷头零件图喷头装置的SolidWorks三维装配图见图2-22。图2-22喷头装置的SolidWorks三维装配图2.6.13打印机构整体结构打印机构整体结构主要由步进电机、同步轮、同步带、滑动座、万向节、中心平台等构成的传动装置和由快速接头、散热器、加热铝块、喷头构成的喷头装置两大局部组成。根本的工作原理就是通过X、Y、Z三个塔的步进电机联动，使3D打印机的打印机构在一个圆柱空间运动，再通过3D打印机的喷头装置让耗材连续从喷头挤出，通过层层堆积而快速成型。综上，简易3D打印机的全部机械结构就已全部设计完毕，如下所示是简易3D打印机的整体装配图〔见图2-23〕。图2-23简易3D打印机的整体装配图3CAE结构分析3.1CAE技术CAE〔ComputerAidedEngineering〕是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法，它作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。[8]随着计算机辅助技术的推广和进步，CAE系统的功能和计算精度都有着极大地提高，各种基于数字三维建模的CAE系统应运而生，并现已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统〔CAD/CAE/CAPP/CAM〕的重要环节。3.2CAE软件CAE软件是迅速开展中的计算力学、计算数学、工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。常用的CAE分析软件如Ansys、Abaqus、Adina、MSC等，本次毕业设计所使用的CAE分析软件就是Ansys有限元分析软件。Ansys是一款功能强大的有限元分析与优化设计系统，可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。它现在已广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等领域。[9]3.3CAE分析对象本毕业设计的简易3D打印机，在所有零件结构中，Φ8直线光轴和悬挂着送丝机构的2020GW铝型材是最容易出现断裂，折弯的地方，所以本设计主要的CAE分析对象就是Φ8直线光轴和悬挂着送丝机构的2020GW铝型材。3.4Ansys有限元分析过程有限元分析主要要经过前处理、有限元分析、后处理这三大过程，本节主要以校核Φ8直线光轴所受的应力和变形为例来介绍说明Ansys分析的整个过程。3.4.1前处理前处理主要是对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型，具体步骤如下：第一步：导出模型。先将已建好模型的SolidWorks文件导出为Ansys软件能识别的文件格式，将做好3D建模的直线光轴保存为.x_t文件格式即Parasolid模型文件〔见图3-1〕。图3-1将SolidWorks原模型文件转化为Parasolid文件第二步：导入模型。翻开Ansys13.0软件，点击File控件，通过Import将Φ8直线光轴的Parasolid文件导入进Ansys13.0软件中，修改PlotCtrl—Style—SolidModelFacet将StyleOfAreaAndVolumePlots的属性更改成NormalFaceting，再点击Plot，选择Volume，得到Φ8直线光轴的Ansys实体模型〔见图3-2〕。见图3-2Φ8直线光轴的Ansys实体模型第三步：设定分析模块。点击Preference，进行优选项的设置，由于本次毕业设计只涉及力学结构性能的分析，所以只选择Structural选项即可〔见图3-3〕。图3-3设置优选项设置第四步：设定单元类型相应选项。在预处理器中，设定单元类型。点击Preprocessor，选择ElementType的Add/Edit/Delete，选择Solidbrick20node186，点击OK〔见图3-4〕。图3-4设定单元类型第五步：定义材料属性。点击Preprocessor里的MaterialModels，选择Structure—Elastic—Isotropic，设置材料的弹性模量和泊松比。由于设计所选用的Φ8直线光轴的材料是优质碳素钢45钢，且根据表2-3可知45钢的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.269。最后将数据依次填入EX与RPXY表格中〔见图3-5〕。图3-5定义材料属性第六步：对几何模型划分网格。点击Preprocessor里的Meshtool，选择SmartSize，细分等级选择6级，Mesh下拉框选择Volumes，选择Φ8直线光轴实体〔见图3-6〕，再点击Mesh，将导入的Φ8直线光轴实体智能网格化处理，最后得到网格的化Φ8直线光轴模型〔见图3-7〕。图3-6对几何模型划分网格图3-7网格化的Φ8直线光轴模型3.4.2有限元分析有限元分析的过程在前处理之后，它主要是对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成，具体步骤如下。第一步：添加约束条件。在求解器中设定模型的约束条件，由于直线光轴在简易3D打印机中两端是固定的，所以在Ansys中Φ8直线光轴的两个端面就是需要约束的对象。点击Solution，选择Apply—Structure—OnAreas，选择Φ8直线光轴的两个端面〔见图3-8、图3-9〕，通过ALLDOF指令将这两个端面完全约束〔见图3-10〕。图3-8选择Φ8直线光轴一约束平面图3-9选择Φ8直线光轴另一约束平面图3-10建立完全约束第二步：施加载荷。在设定完约束条件后，紧接着对Φ8直线光轴施加应力载荷。由于在3D打印机中Φ8直线光轴主要承受的是简易3D打印机打印机构的动载荷，不宜求解，所以简化数学模型，将问题转化成求解最易受折弯的地方的静态压应力分析。点击Pressure—OnNodes，选取Φ8直线光轴中部一半的曲面作为应力作用范围〔见图3-11〕，且给这个位置给予一个较大的压应力约为0.04MPa，再点击OK完成载荷的设置〔见图3-12〕。图3-11应力作用范围图3-12设定压应力的值第三步：运算求解。设定完约束条件和负载后，就可以对模型进行运算求解。点击Solve，选择CurrentLS，单击OK完成求解过程〔见图3-13，图3-14〕。图3-13进行运算求解图3-14运算求解完成3.4.3后处理后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供应用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性，具体如下。[10]第一步：观察应力形变图。点击GenralPostroc，选择PlotResult—DeformedShape，选择保存原模型和形变后的模型的应力形变图，得到如下的Φ8直线光轴应力形变图〔见图3-15〕。图3-15Φ8直线光轴应力形变图根据图3-