3D打印机的机械结构设计.docx

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3D打印机的机械结构设计

摘要

随着工业现代化不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加工需求，许多异形结构利用传统加工（包括五轴加工中心）很难加工或根本不能加工。

随即3D打印机应运而生……

3D打印机看似复杂，却很简单，也许你会为它神奇能力而震撼，也许你会为它的高科技而惊呆，其实从1916年爱因斯坦提出激光原理时，已经为1986年第一台3D打印机的出现奠定了坚实的理论基础。

说起3D打印机的原理其实一点也不复杂。

本文主要针对3D打印技术设计出一款3D打印快速模型设备，以切合实际针对新型的生产工艺采取的实际设备的设计制造。

关键词：

3D打印机机械结构新型设备

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofmodernindustry,thetraditionalprocessingtechnologyhasbeenunabletomeettheprocessingneedsofmodernindustrialparts,thetraditionalprocessingandutilizationofmanydeformedstructure（includingfiveaxismachiningcenter）isdifficulttobemachinedorcannotprocess.Thenemergeasthetimesrequire3Dprinter......

3Dprintermayseemcomplicated,butisverysimple,youmightandshookitmagicalabilities,perhapsyouwillbestunnedforitshigh-tech,infact,theprincipleoflaserEinsteinfrom1916,haslaidasolidtheoreticalfoundationfortheemergenceof1986thefirst3Dprinter.Abouttheprincipleof3Dprinterisnotcomplicated.

Inthispaper,the3Dprintingtechnologytodesigna3Dprintspeedmodelofequipment,designandmanufactureoftheequipmenttothepracticalproductionprocessmodelfortheequipment.

Keywords:

3Dprintermechanicalstructuremodelofequipment

3D打印机设计

第一章绪论......................................................1

1.3.1机械结构设计思路………………………………………………………5

1.3.2机械结构总体方案和布局……………………………………………….6

第2章机械结构设计…………………………………………………8

2.2.1材料选用原则……………………………………………………………10

2.2.2丝杠螺母工作条件及失效形式………………………………………….11

2.2.3螺旋传动类型特点和应用……………………………………………….11

2.2.4滚珠丝杠螺母副的计算………………………………………………….12

2.2.5滚珠丝杠螺母的支撑方式……………………………………………….18

2.2.6滚珠丝杠螺母的润滑和防尘隔离……………………………………….18

2.3导向光杆和直线轴承的设计…………………………………………………..20

2.4联轴器的设计选择……………………………………………………………..23

2.5同步带轮的设计计算…………………………………………………………..23

第3章结构设计及三维建模………………………………………26

3.1主体结构设计的是三维建模…………………………………………………27

3.2整体装配建模…………………………………………………………………30

3.3标准件建模…………………………………………………………………….30

结论…………………………………………………………………………………38

参考文献………………………………………………………………………….39

致谢……………………………………………………………………………..40

第1章绪论

1.1课题来源及研究目的和意义

3D打印机有时被称为快速成型机，用液体或粉状塑料制造物品，其运作原理和传统打印机十分相似。

快速成形技术（rapidprototyping，简称RP）又称快速原型制造技术，是近年来发展起来的一种先进制造技术。

快速成形技术20世纪80年代起源于美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。

快速成形是一种基于离散堆积成形思想数字化成形技术；是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。

它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。

　　RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。

按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或切割一层层的纸，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各截面，逐步叠加成三维产品。

它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合.

　　快速成形工艺流程如下：

（1）三维模型构造由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型（立体图），然后才能进行切片处理，因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件（如UG、Pro/E、I-DEAS等），根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维模型；或在逆向工程中，用测量仪对已有的产品实体进行扫描，得到数据点云，进行三维重构。

（2）三维模型的近似处理由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。

经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件，它由一系列相连空间三角形组成。

典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部修改。

　　（3）三维模型的分层（Slicing）处理由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，即每隔一定的间距分一层片，以便提取截面的轮廓。

间隔的大小按精度和生产率要求选定。

间隔越小，精度越高，但成形时间越长。

间隔范围为0.05～0.5mm，常用0.1mm，能得到相当光滑的成形曲面。

层片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。

各种成形系统都带有Slicing处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。

　　（4）截面加工根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形头（如激光扫描头或喷头）由数控系统控制，在x-y平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料），得到一层层截面。

　　（5）截面叠加每层截面形成之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终形成三维产品。

　　（6）后处理成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度（如3D-P工艺）。

对于SLS工艺，将工件放入高温炉中烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。

本次设计中根据三维打印技术的原理以及作用的基础上，综合运用机械原理、机械设计、机械制造装备设计、机械制造工艺学、互换性与技术测量、机械制造技术基础、画法几何及机械制图等先修课程的知识，分析机械部分实现的方法，根据国内机械行业的实际情况设计出符合要求的设备结构。

1.2本次设计的主要内容

本次设计的3D打印机通过CAD/PROE绘图和运用技术标准、规范、设计手册等相关设计资料，进行3D打印机设计并最终完成3D打印机的零件图，装配图，零件图及相关设计说明书。

主要的设计基本内容如下：

1）设计准备：

阅读设计任务书，明确3D打印机设计任务，准备设计资料及绘图工具。

2）3D打印机总体结构的设计：

主要包括：

铺粉系统、成型腔和储料腔的运动系统、喷头运动系统。

3）装配图的设计：

初绘装配草图，各部分的结构设计，协调好各零部件之间的装配关系，完成装配工作图。

4）零件工作图的设计：

主要是绘制3D打印机成型零件（如传动机构，支撑机构等机构）。

5）编写设计计算说明书：

主要是整理和编写3D打印机设计说明书。

6）设计总结及答辩：

进行毕业设计总结，完成答辩准备工作。

1.33D打印机模型设备的方案分析

1.3.1机械结构设计思路

基于微喷射粘结的3DP工艺的成形原理为：

将制件的CAD三维模型根据工艺要求进行离散分层得到一系列的层片，按照这些层片的轮廓信息，铺粉装置逐层铺粉，且喷头喷射粘结剂微滴选择性地固化一层一层的粉末，形成各截面轮廓，并逐步有序地叠加成三维实体。

要完成制作要求就需要各种机构来实现其功能：

机械系统X,Y轴（打印平面）组成平面扫描运动框架

机构选用：

X轴导轨——丝杆机构

Y轴导轨——丝杆机构

Z轴（即成型腔和储料腔）光杆——丝杆机构两副

铺粉辊机构（即喷头）导轨——丝杆机构

1.3.2机械结构总体布局

根据设计思路设定本次设计的3D打印机的方案

设计方案如图所示，图中序号所代表机构分别是：

1）储料箱：

提供成型与支撑粉末材料。

2）成型箱：

在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。

零件加工完后，缸升起，以便取出制造好的工件，并为下一次的加工做准备。

工作缸的升降由伺服电机通过丝杆驱动。

3）余料箱：

安装在成型机壳内，回收铺粉时多余的粉末材料。

4）喷头：

在工作缸内喷射成型时的粘结剂，粘接不通层之间的粉料，是三维打印快速成型的关键部件。

5）铺粉辊装置：

包括铺粉辊及其驱动系统，其作用是把粉末材料均匀地铺平在工作缸上，并把铺粉的同时把粉料压实。

连接盘

丝杆螺母法兰

减速器

联轴器

电动机

第2章机械结构的设计

2.1电机的选择

2.1.1Z轴电机的选择

Z轴即为成型腔和储料腔的上下移动电机。

假设成型腔和储料腔的重量为30Kg，移动速度为2m/min左右

根据本次设计由于在成型腔和储料腔的上下移动要求精确定位，所以本次设计中选用伺服电机，本次伺服电机的厂家为华大伺服电机。

电机设计计算

1、确定运行时间

本次设计加速时间

负载速度（m/min）

有速度可知每秒上升50mm，

2.电机转速

3.负载转矩

式中：

4.负载惯量

上下垂直运动

丝杆螺母惯量

式中

总惯量

5.电机转矩

启动转矩

必须转矩

S为安全系数，这里取1.0

根据以上得出数据，

我们选用华大伺服电机型号为110ST-M02030，以下为选择的伺服电机的具体详细介绍：

电机额定功率为0.6KW，

零速转矩为2.0N.m，

额定地拿了