熔融沉积成型机机械系统数字化样机设计.docx

熔融沉积成型机机械系统数字化样机设计.docx

《熔融沉积成型机机械系统数字化样机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《熔融沉积成型机机械系统数字化样机设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

熔融沉积成型机机械系统数字化样机设计

声明

签名：

日期：

摘要

熔融沉积快速成型技术（FDM）是目前国内外应用最为广泛的快速成型技术之一。

它可以快速、精确地将设计思想从CAD模型物化为具有一定功能的原型或零件，从而实现对产品的快速测评及修改，有效的缩短了产品的开发周期。

在熔融沉积快速成型中，成型精度对最终产品的质量起着决定性的作用，但是目前成型机的成型精度往往不高，如何提高成型精度是当今快速成型研究的一个重要方向。

本文首先介绍了快速成型的基本概况及发展趋势，然后从原理性误差、成型过程中的误差及后处理过程中的误差三个方面分析了整个FDM成型过程中影响成型精度的各种因素，并提出了相应的对策，为后续的成型件精度分析提供了理论依据。

比较几种机构，设计了熔融成型机整体结构，在熔融沉积快速成型中，成型精度对最终产品的质量起着决定性的作用，而传动系统对成型精度起着很重要的作用，传动系统进的设计计算保证这一点，对关键部位进行了校核计算，保证系统的安全运转。

关键字：

快速成型；熔融沉积；传动系统

ABSTRACT

The fuseddeposition rapidprototyping technology （FDM） is one of the athomeandabroad themostwidelyused rapidprototypingtechnology.Itcan quicklyandaccurately DesignideasfromtheCADmodelmaterializedasprototypesorpartsofcertainfunctionsinordertoachievetherapidevaluationandmodificationoftheproduct,effectivelyshorteningtheproductdevelopmentcycle.Infuseddepositionmodeling,formingprecisiononthefinalproductqualityplaysadecisiverole,butthecurrentformingmachineprecisionisnothigh,howtoimprovetheprecisionoftherapidprototypingisanimportantdirectionofresearch.

Thispaperfirstintroduces the basic situationanddevelopmenttrend of rapidprototyping, andfromtheprincipleoferror,theerrorintheformingprocessandposttreatmentprocessoferroranalysisofthreeaspectsofthewholeFDMprocessinfluencetheformingaccuracyofvariousfactors,andproposedthecorrespondingcountermeasure,forsubsequentmoldingprecisionanalysisprovidesatheoreticalbasis.Thencomparingseveralagencies,designtheoverallstructureofthemeltmoldingmachinefuseddepositionrapidprototyping,moldingaccuracyofthefinalproductqualityplaysadecisiverole,whilethetransmissionsystemplaysaveryimportantroleinformingprecision,thetransmissionsystemintothedesigncalculationensurethatcriticalpartstocheckcalculationstoensurethesafeoperationofthesystem.

KeyWords：

RapidPrototyping；FusedDeposition；Transmission

1绪论

1.1引言

进入21世纪后[1]，市场环境发生了很大的改变，一方面消费者的需求日益个性化，多样化，对工业产品提出更多的要求;另一方面制造商们不但要迅速的设计出符合人们要求的产品，还要缩短设计周期和生产周期抢占市场，制造业的竞争愈演愈烈。

随着全球市场一体化的进一步形成与完善，产品的生产速度往往成为关系到竞争成败的主要因素。

为了保持和加强产品在市场上的竞争力，要求设计者不但能根据市场的需求快速的设计出新产品，而且能在短时间内制造出产品或样品并在投放市场之前进行必要的测试。

在这种情况下，如果用传统的制造方法，不但需要多种机械加工机床、工具、模具和高水平的技术工人，而且制造成本高、生产周期长，根本不能适应迅速发展的时代要求，因此，研究低成本、高效率的产品生产技术是解决这个问题的关键。

20世纪80年代后期，随着制造业的信息化，快速成型技术（RapidPrototyping）应运而生。

自出现以来，这种高新的制造技术就以其全新的制造思想、迅速的产品制造速度、灵活多变的产品模型而受到极大关注。

这种技术将计算机辅助设计、辅助制造、数字控制、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，成功地实现了原型制造的自动化，极大地提高了原型的生产效率和制造柔性。

在以市场响应速度为第一的方针状况下，可以缩短市场开发周期，降低开发成本，提高企业的产值。

成型技术由于适应了现代先进制造技术的发展需求，发展十分迅猛，在发达国家已经成为一个新的产业分支和先进制造技术的一门支柱产业，也是近年来制造技术领域中最热门的研究课题之一。

1.2快速成型技术概述

快速成型（RapidPrototyping简称RP）技术[2]，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。

快速成型系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。

而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造（QuickTooling）技术，快速精铸技术（QuickCasting），快速金属粉末烧结技术（QuickPowderSintering），则可实现零件的快速成品。

快速成型技术，迴异于传统的去除成型（如车、削、刨、磨），拼合成型（如焊接），或受迫成型（如铸、锻，粉末冶金）等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型，其原理是先将CAD生成的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液态光敏树脂，使其固化，以逐层固化的薄层累积成所设计的实体原型，激光快速成型技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性:

（1）产品设计评估与校审：

快速成型技术将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体。

显然比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。

正可谓“一图值千言，一物值千图”。

因此，设计人员可以更快，更易地发现设计中的错误。

更重要的是，对成品而言，设计人员可及时体验其新设计产品的使用舒适性和美学品质。

RP生成的模型亦是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。

有鉴于此，国外常把快速成型系统作为CAD系统的外围设备，并称桌上型的快速成型机为“三维实体印刷机（3DSolidPrinter）”。

（2）产品工程功能试验：

在RP系统中使用新型光敏树脂材料制成的产品零件原型具有足够的强度，可用于传热、流体力学试验，用某些特殊光敏固化材料制成的模型还具有光弹特性。

可用于产品受载应力应变的实验分析。

例如，美国GM在为其97年将推出的某车型开发中，直接使用RP生成的模型进行其车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省费用40%以上。

Chrysler则直接利用RP制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70%。

（3）厂家与客户或订购商的交流手段：

在国外，RP原型成为某些制造厂家争夺订单的手段。

例如位于Detroit的一家仅组建两年的制造商，由于装备了2台不同型号的快速成型机及以此为基础的快速精铸技术，仅在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件，从而在众多的竞争者中夺到了为Ford公司生产年总产值达300万美元发动机缸盖精铸件的合同；零一方面，客户总是更乐意对着实物原型“指手划脚”，提出其对产品的修改意见。

因此，RP模型是设计制造商就其产品与客户交流沟通的最佳手段。

（4）快速直接制造：

快速成型技术利用材料累加法亦可用来制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。

由于RP技术给工业界带来巨大的效益。

因而，它被誉为近十年来工业界的一项重大（革命性与突破性）的科技发展，1992年以前全世界总共装机为300台，而到1995年世界装机为1000台，分布于六大洲的40多个国家，这期间几乎以每年50%的速度增长而从1995年到1996年4月，具美国Dayton国际RP技术研讨会上一份报告统计台数增长为40%以上，而在设计开发，制造中使用过RP技术的厂商数目增长率为52%。

鉴于这种形势，我国政府在“九·五”的第一年就将该技术列入“九·五”攻关项目，同时，“九·五”国家科技攻关中，把先进制造技术列为重点资助的领域之一，而先进制造技术中的几项重要内容，如:

精密成型、CAD推广应用、并行设计和并行工程、敏捷制造、虚拟制造等技术方面都与RP有关，甚至主要以RP作技术支撑。

1.2.1快速成型技术的特点

快速成型技术能得到飞速的发展与它自身的特点有很大关系

（1）快速性。

采用快速成型技术，从设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型原型，一般只需几个小时至几十个小时，从而可以对产品设计进行快速评估、测试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争的能力。

（2）集成性。

快速成型机通过计算机直接执行CAD模型的数控指令，避免了数控中的复杂编程，真正实现了设计制造一体化，大大提高了加工效率。

与反求工程（ReverseEngineering）、eAo技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品快速开发的有力工具。

（3）高度柔性。

若要生产不同形状的零件模型，只需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可，成型过程中不需要专门的夹具和工具，成型零件与CAD模型具有直接关联，零件可随时修改，随时制造。

（4）无限制性。

快速成型不受零件的形状和复杂程度的限制，可成型任意形状的造型，这就摆脱了传统夹具、工具加工的限制，使高难度、高复杂度的模型的加工变得相对较容易。

（5）材料的广泛性。

快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型。

（6）低造价性。

其制造周期一般为传统的数控切削方法的l/5一1/10，而成本仅为1/3一1/5，它在保证一定精度和零件制作精度的基础上，具有最优的性能价格比，这也是快速成型的到飞速发展的一个重要原因。

1.2.2快速成型技术的应用

自问世以来，快速成型技术便受到了商业界和学术界的极大重视，此项技术己广泛应用在机械、汽车、航空航天、医疗、艺术和建筑等行业中，并取得了显著的效果，其主要应用如下[3]:

（l）新产品测评

在新产品问世之前，利用快速成型技术可以快速制造出所需模型，节约了大量成本和时间。

在开发过程中，可以完成整个产品从设计到批量生产的流程，包括外形设计检测与改造、功能检测、手感检测、装配检测、生产可行性评估，并能迅速得到用户对设计方案的反馈信息，可以随时对原始模型进行改进，直到用户满意为止。

这样，在产品大批生产之前就把可能出现的问题解决在设计阶段，从而减少了新产品开发的成本和时间，提高了企业竞争力。

（2）精密及快速模具制造

利用快速成型工艺方法SLS、FDM、LOM可以快速直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模等普通模具及精密模具，例如，用精铸蜡为原料，直接成型精铸蜡模，再通过传统铸造过程制造金属零件，把它用在发动机缸体及缸盖等零部件生产上，既提高了制造精度又节约了时间和成本。

也可采用间接制模法，先用快速成型技术制作模芯，然后用此模芯复制硬模具，或者采用金属喷涂法获得轮廓形状，或者制作母模具复制软模具等。

快速模具广泛应用于汽车车身开发技术中，比如，西安交通大学先进制造技术研究所针对某型汽车发动机盖板，采用快速模具开发手段，成功的开发出了用于新车型研发和试制的快速模具。

（3）生物医学领域

快速成型技术用于医学领域最早始于20世纪90年代初，它根据扫描得到的人体分层截面数据，制造出人体器官的模型，并用于临床医学辅助诊断复杂手术方案的确定，特别是在人工骨替代物的制造方面更显示出它的独特优势，它既可以用于制造非生物活性骨（如金属骨），也可以用于制造生物活性骨，例如美国的Dayton大学曾经利用LOM法制造出人工骨。

组织工程是快速成型目前应用的一项新技术，利用快速成型制造的细胞支架可以修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤到正常状态，除此之外，快速成型还可以用于制造医药产品，例如美国新泽西州的一个医疗器械公司运用一种称为“Theriform”的变种3维打印制作药品传送系统原型，运用FDA认证材料，制造出一些医用胶囊等产品。

（4）微型机械

通过采用某些工艺加工方法，如光固化法方法，快速成型制造技术可以用于微型机械的制造和装配。

（5）艺术领域

快速成型技术还可以用于复制文物，制作工艺品的设计原型，展览模型等。

1.2.3快速成型技术存在问题及发展趋势

快速成型技术主要存在的问题如下:

（l）成型材料问题

目前在成形材料上主要是有机高分子材料，在功能性上不完善，需借助其他手段得到想要的产品模型。

相对而言，成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。

（2）成型设备问题

目前的快速成型系统普遍精度不高，不稳定，如何研制出工作精度高、可靠性好、效率高而且廉价的制造设备，是今后需要解决的一个问题。

（3）成型软件问题

如今的快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发，各公司的成型软件没有统一标准的数据格式，且功能较少，数据转换模型STL文件缺陷较多，不能精确描述CAD模型，这都影响了快速成型的成型精度和质量。

因此发展数据格式统一并使用曲面切片、不等厚分层等准确描述模型的方法的软件成为当务之急。

（4）应用问题

虽然快速成型技术已在许多领域都已获得了广泛应用，但大多是作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。

随着快速成型技术的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。

快速原型技术经过近20年的发展，正朝着实用化、工业化、产业化方向迈进。

其未来发展趋势归纳如下:

（l）开发新型材料。

材料是快速成型技术的关键，因此，开发全新的RP新材料如复合材料、纳米材料、非均质材料、活性生物材料，是当前国内外RP成型材料研究的热点。

（2）开发功能强大标准化的成型软件和经济稳定的快速成型系统，提高快速成型的成型精度和表面质量。

（3）金属/模具直接成型，即直接制造金属/模具并应用于生产中。

（4）大型模具制造和微型制造。

（5）反求技术。

反求技术常用于仿制、维修和新产品开发，可大大缩短产品开发周期，降低成本，同时也是人体器宫成型的核心与基础，在快速成型领域其已成为研究热点。

（6）低温成型及生物工程。

低温成型成本低，制件方便，属于绿色制造。

由于只有在低温下，生物材料和细胞才可能保持其生物活性，因此开发低温下的成形制造新技术，将生物材料或细胞或它们的复合体喷射成形，对生物制造具有决定性的意义。

（7）研究具有特定电、磁学性能的梯度功能材料及纳米晶材料。

（8）生长成型。

伴随着生物工程、活性材料、基因工程、信息科学的发展，信息制造过程与物理制造过程相结合的生长成型方式将会产生，制造与生长将是同一概念。

以全息生长元为基础的智能材料自主生长方式是即M的新里程碑。

（9）远程制造。

随着网络技术的发展，设计和制造人员可以通过各种桌面系统直接控制制造过程，实现设计和制造过程统一协调和无人化，实现异地操作与数据交换。

用户可以通过网络将产品的CAD数据传给制造商，制造商可以根据要求快速地为用户制造各种制品，从而实现远程制造。

1.3本论文设计内容概述

由于FDM工艺的特点，FDM已经广泛地应用于制造行业。

它降低了产品的生产成本，缩短了生产周期，大大地提高了生产效率，给企业带来了较大的经济效益。

当前快速成型技术的发展趋势是将快速成型与其他先进的设计与制造技术密切结合起来，共同发展。

本论文围绕熔融成型机，重点研究了该设备的机械系统，提出一套完整的机械设计方案。

大致拟定了熔融成型机机械系统总体设计方案中的机械传动结构、三轴运动方式以及加热挤出头结构，确定了机械结构设计中的几个关键技术问题。

以机械设计原理为依据，结合对FDM整个机械系统的几大构件制定的设计方案，按照整机设计需求参数，分别对住运动系统、导向系统、机械结构和包装造型进行了具体的参数化结构设计,包括滚珠丝杠的选取以及丝杠的强度和寿命校核；伺服驱动电机的选用和校核；导向系统的设计和直线导轨的选用。

然后按照机身结构设计原则设计并完成了全部零部件的三维实体建模、装配以及工程图。

2工艺原理及机械系统总体方案拟定

2.1熔融沉积成型机的工艺原理及过程

2.1.1熔融沉积造型（FDM）的工艺原理

（1）快速成型技术的基本原理[4]

快速成型技术是对零件的三维CAD实体模型，按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。

这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。

（2）FDM的工艺原理

快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作x-y平面运动。

丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。

每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。

如此重复，直至完成整个实体的造型。

每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。

FDM工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1℃左右。

目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。

2.1.2FDM快速成型工艺的过程

FDM快速成型的过程包括:

设计三维CAD模型、CAD模型的近似处理、对STL文件进行分层处理、造型、后处理,如图2.1所示。

图2.1快速成型的过程

（1）设计三维CAD模型

设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD模型。

常用的设计软件有:

Pro/Engineering，Solidworks，MDT，AutoCAD，UG等。

（2）三维CAD模型的近似处理

产品上有许多不规则的曲面，在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。

目前最普遍的方法是采用美国3DSystem公司开发的STL（Sterolithgraphy）文件格式。

用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL格式的三维近似模型文件。

许多常用的CAD设计软件都具有这项功能，如Pro/Engineering，Solidworks，MDT，Auto2CAD，UG等。

对STL文件进行分层处理由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。

所以必须将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。

片层的厚度范围通常在0.1025～0.1762mm之间。

各种快速成型系统都带有分层处理软件，能自动获取模型的截面信息。

（3）造型

产品的造型包括两个方面:

支撑制作和实体制作。

（4）支撑制作

由于FDM的工艺特点，系统必须对产品三维CAD模型做支撑处理，否则，在分层制造过程中，当上层截面大于下层截面时，上层截面的多出部分将会出现悬浮（或悬空），从而使截面部分发生塌陷或变形，影响零件原型的成型精度，甚至使产品原型不能成型。

支撑还有一个重要的目的:

建立基础层。

在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层，使原型制作完成后便于剥离工作平台。

此外，基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面。

所以FDM造型的关键一步是制作支撑。

（5）实体制作

在支撑的基础上进行实体的造型，自下而上层层叠加形成三维实体，这样可以保证实体造型的精度和品质。

（6）后处理

快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。

去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使原型精度、表面粗糙度等达到要求。

但是，原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏原型表面的情况，从而影响原型的表面品质。

于是，1999年Stratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。

目前，我国自行研发FDM工艺还无法做到这一点，原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。

（7）系统与运行成本

FDM快速成型系统成本较低，不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器;成型材料价格较低;FDM原型特别适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间;体积小，无污染，是办公室环境的理想桌面制造系统。

但是，成型速度较慢，精度较低。

（8）适用范围

适用于薄壳体零件及微小零件;原型强度比较好，近似于实体零件，可作为概念型直接验证设计。

2.2FDM设备机械结构分析

（1）MEM300

MEM300[5]型快速成型机是由清华大学企业集团下属的高科技企业，推出的第一款成熟机型。

它的成型空间是255

255

311mm，制件的成型精度达到

0.2mm，使用的主要成型材料为直径1.75mm的ABS工程塑料丝，图2.2为MEM300的整体外形图片。

图2.2MEM300

该成型机的特点是成型室密封性好，还有独特的成型室温度监控和调节系统，能够很大程度上降低成型过程中由于温度变化太快，丝材在凝固过程中发生翘曲变形的情况。

该机机械运动结构的驱动系统，X轴与Y轴采用伺服电机通过精密滚珠丝杠驱动，精密直线导轨导向；Z轴采用步进电机通过精密滚珠丝杠驱动，同样使用精密直线导轨导向，挤丝头部分采用步进电机驱动齿轮结构进行传动，将熔融的塑料丝从喷头挤出。

三个轴的运动复合方式为工作台面作Z方向动作，螺杆挤出头由X方向和Y方向复合动作，具体来说：

工作台面由Z轴步进电机驱动，仅作Z方向的上下独立运动，X轴和Y轴运动是由两条垂直搭建的直线运动结构复合在一起得到，加热挤出头悬挂在与Y轴滚珠丝杠搭接的运动平台上，然后整个Y轴运动结构垂直跨在X轴运动方向的直线导轨上。

整个成型过程就是挤出头根据软件生成的路径每填充完一层，Z方向独立运动的工作平台便往下降低0.15mm，然后进行下一层的填充。

（2）HTS-300型熔融挤压快速成型机

HTS-300[6]型熔融挤压快速成型机是由上海富其凡机电科技有限公司开发成功的，这种快速成型机的外形尺寸小、整