陶瓷面投影光固化三维打印机的设计论文.docx

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陶瓷面投影光固化三维打印机的设计论文

编号

南京航空航天大学

毕业设计

题目

陶瓷面投影光固化

三维打印机的设计

学生姓名

学号

学院

机电学院

专业

机械工程

班级

0515105

指导教师

企业导师

二〇一八年六月

南京航空航天大学

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

陶瓷面投影光固化三维打印机的设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

年月日

（学号）：

陶瓷面投影光固化三维打印机的设计

摘要

陶瓷材料具有硬度高、熔点高、耐磨性好、耐腐蚀等优异性能，在制造业中应用广泛，不可或缺。

在加工高精度、高定制化的陶瓷零件时，传统的陶瓷制造技术生产周期长，加工复杂，精度难以保证，限制了陶瓷材料在一些高端领域的应用。

针对此种现状，提出了一种陶瓷下投影光固化三维打印机的机械结构设计方案。

本课题所设计的DLP光固化陶瓷打印机的最大成型尺寸为120×120×300mm（长×宽×高），打印层厚最小为0.02mm，具有打印精度高、效率好、成本低、周期短等优点。

本文完成的内容如下：

（1）刮刀刮平装置的设计。

同步带驱动刮刀，在水平面直线运动实现浆料的刮平。

（2）丝杆滑台升降打印装置的设计。

电机带动连接在丝杆滑台上的打印基板实现升降运动。

（3）倾斜脱模装置的设计。

每层固化后，倾斜脱模装置带动底板旋转一个角度，使打印基板与成型液槽间固化部分完成脱模。

关键词：

3D打印，数字光处理（DLP），下投影，陶瓷增材制造

DesignofCeramicSurfaceProjectionUV-curing

3dPrinter

Abstract

Ceramicmaterialswithhighhardness,highmeltingpoint,goodwearresistance,corrosionresistanceandotherexcellentproperties,arewidelyusedinthemanufacturingindustry,indispensable.Intheprocessingofhigh-precisionandhigh-customizedceramicparts,thetraditionalceramicmanufacturingtechnologyhasalongproductioncycle,complexprocessinganddifficultyinensuringtheprecision,whichlimitstheapplicationofceramicmaterialsinsomehigh-endfields.Inconsiderationofthissituation,thepaperproposesaceramicdown-settingprojectionUV-curingmechanicalstructuredesignschemeof3dprinters.ThemaximummoldingsizeoftheDLPUV-curingceramicprinterdesignedinthisprojectis120×120×300mm（length×width×height）,andtheminimumprintinglayerthicknessis0.02mm,whichhastheadvantagesofhighprintingaccuracy,goodefficiency,lowcostandshortcycle.Whatthepaperdealswithareasfollows.

（1）Designofscraperdevice.Thesynchronousbeltdrivesthescrapertorealizethepastescrapinginthehorizontalplane.

（2）Designofliftingandprintingdeviceofscrewslidetable.Themotordrivestheprintingsubstrateconnectedtothescrewslidetabletorealizeliftingmotion.

（3）Designofinclinedstripper.Aftereachlayeriscured,theinclineddemouldingdevicedrivesthebottomplatetorotateanAngle,sothatthesolidifiedpartbetweentheprintingplatformandtheformingliquidtankcancompletethedemoulding.

KeyWords：

3Dprinting;DigitalLightProcessing（DLP）;down-settingprojection;ceramicadditivemanufacturing

摘要ⅰ

Abstractⅱ

第一章引言1

1.1研究背景及意义1

1.1.1DLP数字光投影技术概述1

1.1.2研究背景2

1.1.3研究意义3

1.2研究现状4

1.3主要研究内容4

1.4光源的选择5

第二章打印机总体方案设计6

2.1打印机需实现的功能及要求6

2.2打印机总体方案与结构设计6

2.3打印机运行过程8

2.4本章小结9

第三章刮刀刮平装置的设计10

3.1需实现功能与方案设计10

3.1.1需实现功能10

3.1.2方案设计10

3.2底板及相关部件结构设计11

3.3同步带的设计计算12

3.3.1同步带设计计算过程12

3.3.2同步带及带轮选型17

3.3.3同步带轮安装方式18

3.4主动轴电机选型与固定方式19

3.4.1电机选型19

3.4.2电机固定方式20

3.5刮刀安装方式与运动过程20

3.5.1刮刀安装方式20

3.5.2刮刀运动过程20

3.6设计优化过程22

3.7本章小结23

第四章丝杆滑台升降打印装置的设计24

4.1需实现功能与方案设计24

4.1.1需实现功能24

4.1.2方案设计24

4.2滚珠丝杆的选型计算25

4.2.1滚珠丝杆的选型计算25

4.2.2滚珠丝杆的校核26

4.3丝杆直线滑台的组成与安装方式28

4.3.1电机的安装方式28

4.3.2丝杆滑台两端安装方式29

4.3.3打印基板部件安装方式30

4.4设计优化过程32

4.5本章小结33

第五章倾斜脱模装置的设计34

5.1需实现功能与方案设计34

5.1.1需实现功能34

5.1.2方案设计34

5.2倾斜脱模装置设计过程34

5.2.1结构设计34

5.2.2计算过程35

5.2.3电机选型36

5.3本章小结37

第六章总结与展望38

6.1工作总结38

6.2研究展望38

参考文献40

致谢42

第一章引言

1.1研究背景及意义

本课题题目为陶瓷面投影光固化三维打印机的设计，研究的是将DLP投影与陶瓷3D打印相结合的陶瓷打印技术。

近年来，3D打印技术快速发展，其核心思想为逐层累加，在一些复杂形状零件及难加工材料等方面相比于传统制造业有极大的优势[1]。

下表1.1为常见3D打印技术分类。

表1.13D打印技术分类表

成型原理

技术名称

高分子聚合反应

激光立体打印技术SLA

高分子打印技术PolymerPrinting

高分子喷射技术PolymerJetting

数字化光照加工技术DLP

烧结和熔化

选择性激光烧结技术SLS

选择性激光熔化技术SLM

电子束熔化技术EBM

熔融沉积

熔融沉积造型技术FDM

层压制造

层压制造技术LLM

层叠实体制造

层叠实体制造技术LOM

1.1.1DLP数字光投影技术概述

DLP技术运用了美国德州仪器公司的数字微镜元件（DMD）装置[2-5]，投影技术示意图如图1.1所示。

打印时投影零件的层切分图像，使浆料对应区域发生光固化，投影元件的分辨率影响打印的XY平面精度。

这种光固化成型技术使用的打印浆料由光敏树脂和陶瓷粉末混合而成[6-8]，且要求具有高固含量以保证零件在脱脂烧结后的致密性[9]。

需要配备刮刀，以保证每一层浆料涂抹均匀。

成型槽底的PDMS[10]涂层为了防止在浆料固化过程中与打印基板表面粘黏而难以分离，便于脱模。

图1.1DLP投影技术示意图

DLP陶瓷打印设备采用光源下置、成型平台上升的打印模式，包含一个成型液槽容纳浆料，投影仪位于液槽下方，打印过程中投影零件每层图像，控制曝光时间和强度，使光照区域发生光固化，每次成型一个面。

打印厚度的控制通过打印基板到液槽表面的距离来实现。

该层打印完毕后打印基板上升一个打印厚度，继续下层的光固化过程，逐层累积成型。

原理示意图如下图1.2所示。

图1.2DLP打印原理示意图

1.1.2研究背景

陶瓷材料性能优异，具有强度高、熔点高、耐腐蚀等优点[11]，广泛应用于工业生产与日常生活中。

与此同时，由于陶瓷硬而脆、难加工等特点，传统陶瓷制备工艺难以加工高定制化程度、复杂形状的零件，成本高，耗时长，且精度难以达到理想的要求，极大地限制了陶瓷在工业领域的应用[12-15]。

而增材制造技术作为迅速发展的新兴制造技术，在近年来受到人们的广泛关注[16-18]。

3D打印、光固化技术和陶瓷材料这几个要素结合起来诞生了陶瓷光固化3D打印，为陶瓷的加工难题提供了解决方案，为陶瓷制造业注入了新的活力与可能性。

1.1.3研究意义

陶瓷3D打印显著提高了陶瓷加工效率，简化了生产过程的同时节约了成本，解决了复杂形状陶瓷零件难加工的问题。

陶瓷3D打印技术的市场潜力巨大，在工业、医学、建筑、珠宝、航空航天等领域应用广泛：

（1）

工业领域：

解决了传统陶瓷制造周期长、难以满足客户定制化需求的难题，可以快速地加工各种模具，如下图1.3为陶瓷打印的工业鞋模。

图1.3陶瓷鞋模

（2）

医学领域：

生物陶瓷具有可降解性，可以应用于骨移植物的生产、假牙、假肢等，下图1.4为陶瓷牙模图。

图1.4陶瓷牙模

（3）

高端科学领域：

由于陶瓷的优秀性能，在航空航天、电子等高端领域应用广泛，如耐高温陶瓷片可用于航天飞机中，图1.5为耐高温蜂窝陶瓷片。

图1.5耐高温蜂窝陶瓷片

1.2研究现状

国内外相关研究人员和学者开展了许多关于DLP陶瓷技术的研究，如Hatzenbichler等[19]利用DLP技术制备出了Al2O3坯体，后处理过后致密度极高。

AnssariMoin等[20]利用断面X射线技术扫描得到牙齿3D模型，并制备出了ZrO2瓷牙。

Mitteramskogler等[21]使用ZrO2-光敏树脂浆料制备出ZrO2陶瓷坯体。

Chabok等[22]以Cu2O-PbO为烧结助剂，将陶瓷胚体脱模烧结得到PZT陶瓷。

Song等[23]将陶瓷流延成型和掩膜投影技术相结合，制备出致密度极高的Al2O3陶瓷。

Chen等[24]制备出压电性能优异的BaTiO3压电陶瓷。

Halloran等人[25-33]对光固化过程中的固化厚度和厚度的影响因素做了大量研究。

行业内有名的奥地利Lithoz公司以LCM技术开发出基于DLP的3D打印机，Lantada等人[34]依此制备出了陶瓷拉胀材料。

国内一些大学和公司也在陶瓷3D打印领域进行了积极探索，如北京十维科技有限公司是国内首个发布工业陶瓷3D打印机的厂商，他们与清华大学机械系联合研发了高精度DLP陶瓷3D打印机，可以打印Al2O3、ZrO2、生物陶瓷等多种材料。

1.3主要研究内容

根据以上的讨论，本次毕业设计研究的主要内容为：

第一章，引言。

主要概述了DLP陶瓷三维打印机研究背景与意义、课题的主要研究内容及光源的选择。

第二章，打印机总体方案设计。

包括打印机需实现功能及要求、总体方案与结构设计，并简要阐述打印机运行过程。

第三章，刮刀刮平装置的设计。

主要是总体方案设计、底板及部件的结构设计、同步带相关的设计计算及选型、电机选型及安装方式、刮刀运动过程及设计优化过程。

第四章，丝杆滑台升降打印装置的设计。

由总体方案设计、滚珠丝杆选型计算、丝杆直线滑台组成与安装方式和设计优化过程组成。

第五章，倾斜脱模装置的设计。

主要是总体方案设计、结构设计与计算过程等。

第六章，总结和展望。

总结了论文工作，并对DLP陶瓷技术未来的前景做了展望。

1.4光源的选择

从光源上来分，主要有这几种：

家用投影仪改装、UV光机、LCD屏。

每种光源都有不同特性。

家用投影仪改装的也叫汞灯光源，这种光源虽然成本低，但耗电量很大、光利用率低、灯泡寿命短，且长时间使用精度会降低。

UV光机采用的是德州仪器的DLP技术，使用LED光源，寿命更长，功耗很低，光源利用率高。

专门定制的光学部件光强均匀，畸变小。

有的厂家自己开发的主板，可以控制LED的输出光强度，这样就能够灵活控制打印精度和速度，缺点是成本较高。

LCD液晶屏是拆掉LCD屏的背光板，然后换上大功率的紫外灯，利用液晶成像的遮光原理来产生紫外图形。

优点是成本低、分辨精度较高，缺点是液晶屏本身就是怕紫外线的，被照射后会快速老化，而打印的原理是利用透过的紫外光进行固化，所以这种光源寿命较短。

综合以上因素，考虑选用宏碁V9800超高清DLP投影机，主要参数如下:

分辨率（dpi）:

3840×2160dpi；

灯泡功率:

240W；

灯泡类型:

超高压汞灯泡；

灯泡寿命:

6000~8000小时；

投放画面大小:

30~300英寸；

支持色彩数目:

10.7亿色；

对比度:

50000以上。

第二章打印机总体方案设计

本课题设计的打印机为DLP陶瓷打印机，采用下投影的方式，成型尺寸为120mm×120mm，最大打印高度为300mm，分层厚度为0.02mm左右。

打印机整机主要由刮刀刮平部件、丝杆滑台升降部件、倾斜脱模部件、光源、打印机外壳等组成。

2.1打印机需实现的功能及要求

设计的打印机采用DLP即数字光处理技术实现逐层固化，采用DLP技术的3D打印机通常选择光源下置式的光源布置方案，光源在下，成型平台自下而上提拉运动，这样大大节省了打印所需的浆料。

DLP陶瓷光固化打印和通常的DLP光固化打印最大的区别就是打印浆料的区别，一般光固化打印浆料为树脂基或水基，流动性强，而DLP陶瓷光固化打印使用的浆料是光敏树脂和陶瓷粉末混合而成的陶瓷浆料，流动性相较于前一种浆料差，每层光固化后浆料变得不均匀，需配置专门的刮刀，在每层成型后将浆料刮平，待浆料被抹均匀后再进行下一层的光固化。

2.2打印机总体方案与结构设计

DLP陶瓷打印机整机主要由刮刀刮平部件、丝杆滑台升降部件、倾斜脱模部件、光源、打印机外壳等组成。

前三个部件构成了打印机的主要结构，将在下面几章详细说明。

刮刀刮平部件由刮刀、同步带、同步带轮、滑块、滑轨、斜坡装置、底板、主动轴电机等部分组成，通过电机带动主动轴旋转，与主动轴固连的同步带轮随之转动，从而同步带运行，同步带下侧水平端通过压板及螺钉与滑块固连在一起，带动滑块在滑轨上运动，两边各设一组同步带装置，两个滑块上都带有圆柱状导杆，刮刀呈对称结构，两边各有一孔套在滑块的导杆上，实现自由拆卸。

刮刀两侧还有呈水平的凸起圆柱状结构，用来与斜坡装置配合，实现刮刀在运行到成型液槽两侧时的升降运动，更利于充分利用浆料，节约成本。

丝杆滑台升降部件用来实现打印基板的Z轴升降，由丝杆、丝杆螺母、轴承、轴承座、滑块、滑轨、工作台、连接板、打印基板、电机等组成。

电机带动丝杆转动，通过丝杆螺母将转动化为Z轴方向直线运动，丝杆螺母呈T字型，圆柱端与工作台的孔配合并通过螺钉连接，工作台通过阶梯孔和螺钉与4个滑块连接，每个滑块4个螺钉，一侧设置两个滑块，左右双导轨，从而丝杆螺母Z轴运动带动滑块和工作台Z轴运动。

连接板通过8个螺钉与工作台相连，用来安装打印基板，打印基板内置螺纹孔和螺杆，通过旋动可分离转柄将打印基板与连接板压紧，可方便的拆卸。

丝杆滑台机构的上下端固定方式选择上端固定，下端自由。

整体部件通过螺钉与打印机壳相连。

倾斜脱模部件使底板倾斜一个角度再恢复水平，在每层打印完毕后，将打印基板和成型液槽间固化的一层实现分离，由电机、电机座、偏心轮、升降框、轴用挡圈等组成，电机轴带动偏心轮旋转，每旋转一周，与其相切的升降框在Z轴方向先下降再上升，升降框上表面抵住可倾斜的底板一侧，底板另一侧可绕轴旋转，在脱模过程中底板倾斜一个小的角度再恢复水平，实现脱模过程。

打印机内部主体的三维正视图如图2.1所示。

图2.1打印机主体部分三维正视图

下支撑板在打印机壳上的固定采用角型连接件，通过螺钉与机壳内部连接，保持水平。

包含机壳及光源的二维图如下图所示，图2.2为正剖视图，图2.3为左剖视图。

图2.2打印机正剖视二维图图2.3打印机左剖视二维图

2.3打印机运行过程

在介绍完打印机主要几部分的功能后，对于打印机的运行过程做简要描述：

（1）完成刮刀、成型液槽、成型基板的安装等准备工作；

（2）根据打印零件尺寸选择合适量的浆料倒入成型液槽中铺满；

（3）启动后，电机驱动成型基板下降到距液槽表面一个打印层厚的位置；

（4）投影仪投射零件的切面图像，穿过透明液槽底部照射浆料，使相应区域发生光固化反应；

（5）该层打印完成后，底部电机驱动偏心轮旋转一周，带动升降框先下降后上升，Z轴行程为两个偏心距，升降框所支承的底板绕轴旋转，向下倾斜一个角度再恢复水平，完成脱模过程；

（6）打印基板向上运动，给刮刀留足空间；

（7）驱动同步带轮主动轴的电机运行，带动同步带运行，刮刀在水平面做直线运动，将打印一层后不平整的浆料刮平，为下一层的光固化做准备；

（8）打印基板向下运动到零件底面与液槽表面相距一个打印层厚，开始下一层的打印，如此往复，完成零件的打印。

2.4本章小结

本章主要概述了DLP陶瓷打印机的总体方案设计内容，包括打印机需实现的功能及要求、打印机总体方案与结构设计及打印机的运行过程。

第三章刮刀刮平装置的设计

DLP陶瓷光固化打印和普通的DLP光固化打印最大的区别在于打印浆料，一般光固化打印浆料为树脂基或水基，流动性强，而DLP陶瓷光固化打印使用的浆料是光敏树脂和陶瓷粉末混合而成的陶瓷浆料，流动性较差，每层光固化后浆料变得不均匀，需配置专门的刮刀机构，在每层成型后将浆料刮平，待浆料被抹均匀后再进行下一层的光固化，基于这种特点，设计了刮刀刮平装置。

3.1需实现功能与方案设计

3.1.1需实现功能

DLP陶瓷成型技术使用的浆料与传统DLP打印所用的树脂基浆料不同，是由陶瓷粉末和树脂混合制备的，为了保证打印出的胚体在经过后续脱脂烧结等处理过程后保证较好的致密性，浆料的固相含量较高，可这也带来了浆料粘稠的问题，流动性不如传统3D打印浆料。

每层成型后浆料表面变得不均匀，会对后续层的打印产生影响，需要配备刮刀，以保证每一层浆料涂抹足够均匀。

刮刀在水平面沿直线往复运动，由于浆料是手动一次性添加，如果刮刀单纯往复运动，在运动到液槽一侧后再往另一侧移动时，之前被刮到的浆料都被推向一侧，下一次刮平过程刮刀往另一侧运动时就不能把这部分聚集在两侧的浆料利用起来，所以需设计一个装置使刮刀能充分抹匀浆料。

3.1.2方案设计

方案的初步设想是采用同步带机构带动刮刀的直线运动，同步带的下端通过压板和螺钉与带轴的滑块固连在一起，方形液槽的两侧各配置一个同步带机构，刮刀只需通过两侧的孔套在带轴滑块上，可沿着Z轴方向自由取下，滑块上的杆相当于起一个导杆的作用。

为了实现浆料的高利用率，刮刀通过两侧的圆柱与侧边导轨上的斜坡接触，运动到斜坡处，斜坡呈一定倾角，刮刀在Z轴方向产生一个跳动后再落下，这样刮刀就跳过了积累在一侧的浆料，下次往另一侧运动时就能够利用到这部分浆料。

由于刮刀在Z轴方向有一个跳动，如果采用传统的两个同步带轮驱动同步带，同步带上下两侧间的间距很可能不够，没有刮刀运动的空间，所以采用一个同步带配置四个同步带轮来驱动，上下两个同步带轮间有一定的间距，从而增大同步带上下两侧的距离，给足刮刀运动的空间，使刮刀在Z轴运动时不产生干涉。

电机通过联轴器带动主动轴，主动轴与穿过轴的同步带轮固连，电机轴转动的同时带动主动轴转动，从而带动与其固连的同步带轮转动，同步带轮的转动带动同步带在直线上移动，最后带动滑块和滑块上的刮刀在直线上运动，从而实现浆料的刮平。

3.2底板及相关部件结构设计

同步带轮轴的支承座、成型液槽、滑块的滑道以及与刮刀接触的轨道都需要有一个面安放，所以如图3.1所示设计如图的底板，底板长521mm，宽378mm，厚10mm，在X轴方向并非完全对称，右侧留有一定空间用来安装同步带轮主动轴电机。

图3.1底板三维图

在底板四周分布4个同步带轮轴支座，支座通过螺钉打入底板直接与底板固连，每侧两个支座之间是滑块的滑轨，由于刮刀在运行过程中，滑块频繁地往复运动，滑轨采用钢材来保证一定的耐磨性，通过沉孔与螺钉与底部固连。

外侧是刮刀侧边接触的滑道，滑道通过螺钉连接在底板上，侧边的小长方体由螺钉打入滑道侧面，上面设有孔，后续通过螺栓螺母与带孔的斜坡相连接，斜坡可绕螺栓自由转动，用来实现刮刀的升降运动。

液槽如下图3.2所示，侧面通过与滑轨侧面接触确定X轴方向的位置，Y轴方向则通过液槽边上的凸出端，在底板上设计有与之相合的部分，两者配合确定位置，定位好后再通过一侧的叉脚，打入螺钉与底板压紧，固定成型液槽在底板的位置。

图3.2液槽三维图

3.3同步带的设计计算

3.3.1同步带设计计算过程

表3.1工况系数表

工作机

原动机

交流电动机（普通转矩鼠笼式、同步电动机），直流电动机（并励），多缸内燃机

交流电动机（大转矩、大滑差率、单相、滑环），直流电动机（复励，串励），单缸内燃机

每天运转时间/h

断续使用3~5

普通使用8~10

连续使用16~24

断续使用3~5

普通使用8~10

连续使用16~24

计算机、复印机、医疗器械、放映机、测量仪表、配油装置

1.0

1.2

1.4

1.2

1.4

1.6

清扫机械、办公机械、缝纫机

1.2

1.4

1.6

1.4

1.6

1.8

带式输送机、轻型包装机、烘干箱、筛选机、绕线机、圆锥成型机、木工车床、带锯

1.3

1.5

1.7

1.5

1.7

1.9

液体搅拌机、混面机、钻床、车床、冲床、接缝机、龙门刨床、洗衣机、造纸机、印刷机、螺纹加工机、圆盘锯床

1.4

1.6

1.8

1