3D打印机设计参考论文Word格式文档下载.docx

3D打印机设计参考论文Word格式文档下载.docx

《3D打印机设计参考论文Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3D打印机设计参考论文Word格式文档下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

4.4打印速度的初步估计

5传感器

5.1温度传感器对比

5.2机械位置传感器

5.3压力传感器

63D打印机的优点及面临问题

6.13D打印机的优点

6.23D打印技术面临的问T

【摘要】3D打印是最近两年开始流行的一种快速成形技术,它以数字模型文件为基础,通

过逐层打印的方式来构造物体.我们日常生活中的打印机能打印一些平面纸材料,而3D打印机打印出的是立体塑品产品.文章对3D打印的技术体系和国外产业发展现状、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打印机;

快速成型;

结构设计;

社会制

【Abstract】：

3Dprintingisoneofthelasttwoyearsbecamepopularrapidprototypingtechnology,whichisbaseddigitalmodelfiles,throughovertheprintedlayerbylayerapproachtoconstructobjects.Ourdailylivesprintercanprintsomeflatsheetmaterial,and3Dprintertoprintoutthethree-dimensionalplasticgoodsproducts.Articleon3Dprintingtechnologysystemstatusanddomesticindustrialdevelopment,developmentmadeacomprehensivepresentationsituation,reviewthebasicconceptsof3Dprintingtechnology,developmenthistory,theprintingprocessprinciples,applications,andtheproblemsfacedwidespreadimpact,etc.Inthedevelopmentprocessofintroductionof3Dtechnology,workingprincipleandcharacteristicsoftheprocessof3Dprintingtechnologybasedontheanalysisof3Dprintingtechnologyinnovationsandproblems,lookedtothefuturedevelopmenttrendof3Dprintingtechnology.

Keywords：

3Dprinters;

rapidprototyping;

structuraldesign;

socialmanufacture

引言

随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。

这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。

如今，我们拥有了3D打印这一先进的技术，我们可以通过3D打印机来打印各种我们所需要的、想要的。

3D打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛。

3D打印技术，是一种以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。

3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。

它与普通打印机工作原理基本相同，打印机装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。

1绪论

1.1国外3D打印机的研究现状

1.1.1国外3D打印机的研究现状

经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。

目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。

目前，在全球3D打印机行业，美国3DSystems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。

此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的FabHome和Shapeways、英国的Reprap等。

3DSystems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。

于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者ZCorporation公司之后，3DSystems奠定了在3D打印领域的龙头地位。

Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。

继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。

当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。

目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。

如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。

另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。

如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。

1.1.2国3D打印机的研究现状

自20世纪90年代以来，国多所高校开展了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；

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3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。

近年来，国企业已实现了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。

1.23D打印机的发展趋势

1.2.13D打印产业的未来发展前景

根据国际快速制造行业权威报告《WohlersReport2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。

报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。

但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：

一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。

二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。

三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。

四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：

3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。

Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。

在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。

总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。

因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。

如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩，则投资回报将面临着较大的风险。

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。

未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；

开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；

3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；

软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；

拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

1.33D打印机的工作原理及特点

1.3.13D打印的工作原理

三维打印技术是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面印刷在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来.可用于制造复杂形状的模型中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等.

图1是三维打印成型机的剖面示意图.其工艺是先由铺粉辊从左往右移动,将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层．然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状,然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的.

图1三维快速打印技术工作原理示意图

3D打印的主要工作流程如图2所示,其中3D建模是3D打印的前提，相当于平面印刷中的原稿，3D建模质量的好坏决定了3D打印的质量.一般现有的3D建模软件都可以实现建模，比如CADPro/e等矢量建模软件，都可以轻易地实现3D建模.3D分割将建立的3D模型分成一个个的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料及打印机的结构决定,厚度一般为几十微米到几百微米不等.分割工序也是由软件来实现，类似于打印机的驱动程序.喷墨打印中将成型材料一层层喷涂在基材上.

目前比较流行的做法是先喷一层胶水,然后再在上面撒一层粉末，如此反复,喷头一般可采用喷墨打印机的喷头，目前也有一些设备厂商提供专用的喷头.打印完成后，还需要对打印出来的3D模型进行后处理，比如固化处理剥离模型的修整等等，最终完成所需要的模型的制作.

1.3.23D打印的特点

与传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的优势，主要表现如下:

1．制作精度高。

经过20年的发展，3D打印精度有了大幅度的提高。

目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以0．3mm以下。

2．制作周期短。

传统模型制作往往需要经过模具的设计模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期长。

而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。

3．可以实现个性化制作。

对于传统模型的制作，个性化模型的生产就显得力不从心，或者是成本高昂。

而3D打印对于打印的数量没有限制，不管是一个还是多个，都可以以相同的成本制作出来。

4．制作材料的多样性。

一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。

比如金属石料高分子材料都可以应用于3D打印。

5．制作成本相对低。

虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵，但是如果用来制作个性化产品，其制作成本就相对较低了加上现在新的材料不断出现，其成本下降将是未来的一种趋势。

1.4发展创新与突破

3D打印被用作经济学人杂志封面，主题为看制造业新技术如何改变世界，详细介绍了3D打印的历史和发展，可见人们对于3D打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注。

而3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。

人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯巧克力小镇模型，甚至扩展到用3D打印汽车和飞机，3D打印行业的发展始终凸显着创新突破这一关键特质，主要表现在以下几个方面。

1.4.13D打印应用领域扩展延伸

3D打印的优势在2011年被充分应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。

比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟;

哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备;

另外，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。

随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造服装奢侈品影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。

1.4.23D打印速度尺寸及技术日新月异

在速度突破上，2011年，个人使用3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm每秒在体积突破上，3D打印机体积为适合不同行业的需求，也呈现轻盈和大尺寸的多样化选择。

目前已有多款适合办公室打印的小巧3D打印机，并在不断挑战轻盈极限，为未来进入家庭奠定基础。

在ViennaUniversityofTechnology的一个研究项目中，该团队设计了迄今为止世界上最小的3D打印设备，并且降低了打印设备的制造成本，也有望未来进驻家庭在大尺寸领域，在德国的3D打印公司发布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印机，该款大尺寸3D打印机使打印大尺寸部件一次成型成为可能。

3D打印技术日新月异，在2011年Lexus对外发布了新3D打印技术，该技术基于高科技循环编织技术，使用激光进行3D打印，能够以编织的方式制作复杂的3D模型

1.4.3设计平台革新

基于3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于WEB的3D设计平台——3DTin，另外，微软谷歌以及其他软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。

2.1引言

3D打印机,专业领域又称快速原型机,是数字化增材技术。

经过几十年发展后的逐渐走向民用市场的技术成果。

其推广不仅意味着科技的进步,更为工业制造概念增添了新的涵,有着广阔的发展前景。

本文拟对3D打印机的控制结构进行设计,在综合考虑性能与经济性的基础上完成其元件的讨论与选型。

3D打印机利用不同的材料打印立体模型,利用计算机软件技术,设计者设计出一个初步模型之后,例如一座建筑亦或是人工心脏瓣膜,之后通过3D打印机进行打印。

打印的原料种类繁多,有机材料、无

机材料均可使用。

例如塑料、橡胶等。

打印材质视具体情况而定。

3D打印机在90年代中期就出现了。

随着科技的发展,它已经投人到各种科技工作的领域当中。

通过一层一层堆积的液体和粉末来生产物体,可以用来制造一次性的机械产品以及模型。

牙科医生利用

3D打印机扫描患者的牙齿轮廓后复制出合适的矫正模具;

产品生产厂商用它来完成对产品功能的设计,以避免在大规模生产后修改设计;

展览馆用它复制真品,以避免真品被参观者损毁。

2.2总体框架的设计

2.2.1系统概述

系统由输人设备制定部分参数,从存储设备或者直接从计算机中得到事先建好的三维模型,由单片机对模型进行分析,切片,建立必要的支撑结构,再从单片机输出控制指令,控制喷头型材料融化,并通过一定的驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向的移动,并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。

每打好一层,从外部设备读取下一层的参数,再打印下一层,直到全部模型完成。

完成模型的打印之后,还需要后期的材料回收工作。

2.2.2系统框架

输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值----单片机分析----温度控制回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备

2.3温度控制回路设计

2.3.1打印耗材的选用

为了实现3D打印机的功能,所选材料也很重要。

既要由较低的熔点,也要有较好的粘滞性,同时也需要快速成型。

综合考虑,我们最终选择了PLAA/BS耗材。

2.3.2设计思路概述

ABS/PLA耗材熔点为230℃左右,分解温度260℃以上,故其通常成型温度在250℃以下。

控制回路使用温度传感器返回当前温度,反馈回路保证了温度保持恒定,控制器统一使用了单片机来输出指令

（3）控制回路方框图如下：

设置的空气温度→单片机→D/A转换器→加热电路→当前温度→温度传感器→A/D转换器→单片机

2.4xyz三方向控制电机的设计

采用化繁为简的思路,将三维打印转化为二维进而转化为一维打印。

即Z方向采用步进电机,由步进电机固定的给量算出所需的步进角,用这种方式将三维打印先转化为每一平面的二维打印,再由Y方向也为步进电机带动,则每一平面的二维打印又转化为很多条直线上的一维打印。

2.5喷头移动及喷出量调节的设计

2.5.1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。

2.5.2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围之,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。

3.1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/T9893－1999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/i2[Z2+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.m2

Z2——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；

滚珠丝杠的转动惯量为：

JS=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0