熔融沉积3D打印机机械结构的设计毕业设计.docx
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熔融沉积3D打印机机械结构的设计毕业设计
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
熔融沉积3D打印机机械结构的设计
Designfor3DPrinterofFusedDepositionManufacturing
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摘要
随着科学技术的发展,快速成形技术已普遍应用于机械制造领域,提高快速成型技术的应用水平,高效、快速的加工已经成为当前快速成型加工技术发展的一个新课题。
熔融沉积成型工艺（熔融沉积成型工艺）后LOM工艺和SLA工艺开发的3D打印技术。
3D打印技术技术发明于1988年,ScottCrump成立Stratasys公司。
Stratasys公司在1992年推出了世界上第一个基于FDM3D打印机技术——“3D造型,3D建模者）“这也标志着FDM技术投入商业阶段。
快速成型技术的发展和应用愈来愈普遍和深切,3D印制机的需求愈来愈大。
因此,本文针对熔融沉积的3D印制机机械结构进行了设计,包括:
1。
改良单喷嘴,2.x-y扫描机制:
轴起落机制:
4.传动机构。
x-y平面扫描的方向运动、运动的机械传动、打印机精度、同步带传动精密、滚珠丝杆传动。
不要出此刻行程较长时抖动,有利于确保扫描精度,稳定的运动。
利用线性步进电机直接连接滚珠丝杆、响应加倍速速准确,因为没有中间部份同时,简化了机械结构,精度高。
熔融沉积在3D打印进程中,机械结构的设计,运动和传动加倍合理和平稳，使它更好的生产。
关键词：
喷头；X-Y扫描机构；Z轴起落机构；传动机构。
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,Rapidprototypingprocessingtechnologyhasbeenwidelyusedinthefieldofmachinerymanufacturing.Raisetheleveloftheapplicationofrapidprototypingefficientprocessinghasbecomethecurrentrapidprototypingprocessingtechnologydevelopmentofanewtopic.Fuseddepositionmoldingprocess（Fuseddepositionmoldingprocess）isdevelopedaftertheLOMprocessandSLAprocessa3dprintingtechnology.ThetechnologybyScottCrumpinventedin1988,ScottCrumpfoundedStratasys.Stratasysin1992,launchedtheworld'sfirstbasedonFDMtechnologyof3dprinter-"3dmodelling,3dModeler）"italsomarkstheFDMtechnologyintocommercialstage..
Thedevelopmentandapplicationofrapidprototypingtechnologyismoreandmoreextensiveandin-depth,3dprintersdemandisbecomingmoreandmorebig.Thus,thispaper3dprintersforfuseddepositionofmechanicalstructuredesign,including:
1.Improvementofsinglenozzle,2x-yscanningmechanism:
3.Zaxisliftingmechanism:
4.Drivemechanism,andonthepartofthestructureisimproved.X-yplanescanninginthedirectionofmovementandthemovementofmechanicaltransmissionprinterfromprecisionsynchronousbeltdriveintoprecisionballscrewdrive.Don'tappearwheninthejourneyislongerthanthejitter,isbeneficialtoensureaccuracyofscanning,stablemovement.Usinglinearsteppermotordirectlyconnectedballscrew,responsemoreaccurately,becausethereisnomiddlepartatthesametime,simplifythemechanicalstructure,highprecision.
Infuseddepositionintheprocessof3dprinters,thedesignofthemechanicalstructure,motoranddrivingmorereasonableandstable,andmakeitbetterinproduction
KeyWords:
Nozzle;X-yscanningmechanism;TheZaxisliftingmechanism;Transmissionmechanism
1绪论1
熔融沉积快速成型技术的简介1
的技术原理介绍1
几种典型的快速成型技术1
熔融沉积3D打印机概述2
熔融沉积3D打印机工艺原理及进程2
熔融沉积3D打印机国内外现有技术水平3
熔融沉积3D打印机应用领域3
本次设计的主要工作3
主要设计工作3
设计参数4
设计思路及主要问题4
2传动部份的设计5
设计任务5
设计目的5
机械结构传动装置设计5
步进电机的选择设计任务6
步进电机的简介6
丝杠的选型8
初选导轨型号10
3.传动部份整体设计的计算10
丝杠的受力计算10
导轨的选型及计算11
导轨刚度查验11
丝杠和螺母自锁校核计算11
电机转矩的选择计算12
加热板材料的选择13
4.3D打印机的送丝机构14
送丝机构的简介14
送丝机构的设计14
打印机框架及喷头的设计15
打印机框架15
喷头的设计16
结论18
参考文献19
致谢20
1绪论
新材料,新技术,新技术在快速成型加工快速介绍,此刻在快速成型加工零件加工的质量要求也愈来愈高,向高功能、高智商,高性能的方向开发;快速成型开发的方向是高功能;快速成型技术向高智能方向前进。
熔融沉积快速成型技术（熔融沉积成型工艺）的新兴与发展,现现在已成为当前的热点行业,已成为业界关注的核心。
应用3D打印机合理的机械结构是一个重要途径来提高快速成型加工的效率。
目前,与传统的处置相较,机械结构优化设计可以很好的实现高效率和高质量、节能、可以形成良好的技术优势相结合。
是未来的发展方向。
熔融沉积快速成型技术的简介
1.1.1PDM的技术原理介绍
丝状材料选择性熔覆（熔融沉积制造、FDM）,也称为熔融沉积造型。
FDM快速成型技术是一种不依赖于激光成型能源,将各类丝材加热熔融成型方式。
这个进程通过熔融材料一步一步的固化形成一个三维产品,制造的产品目前市场约%的份额。
1.1.2几种典型的快速成型技术
（1）立体光固造型SLA
SteroLightgraphyApparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置.
（2）叠层实体制造LOM
叠层实体制造叠层的成型材料是热敏感类箔（纸等）,激光切割，形成之初,激光按照底部的CAD三维实体模型切片平面几何信息数据,对于铺在工作台上的箔材作轮廓切割,工作台下降一层高度后,回到一层（躺在底部）材料,加热辊滚压,与底层牢牢粘住,激光轮廓切割,按照相应的数据,然后重复,直到整个三维零件。
LOM部份不收缩,不会变形,精度高达±毫米,切片厚度~毫米。
（3）选择性激光烧结SLS
选择性激光烧结选择激光烧结生产进程类似于SLA,利用红外CO2激光扫描加热层的金属粉末或塑料粉末使其达到其烧结温度,烧结金属或塑料制成的立体结构。
（4）融积成型技术FDM
集成产品成型技术（熔融沉积造型）的制造进程是首先通过系统随机快速切片层和SupportWorks软件CAD模型可分为极薄截面,生成控制FDM喷嘴的几何信息。
操作,FDM热塑性材料（如聚酯塑料、ABS塑料、蜡、等等）被加热头加工到临界状态,按照微型计算机控制,计算机辅助设计的喷嘴沿平面几何信息来肯定数据移动同时挤出半流动的材料,沉积凝固成精准的实际部份薄层,通过垂直提升系统下的新的形成层同时固化它,并固化层牢固地粘合在一路。
所以,底部形成一个三维实体。
FDM的生产精度达到±毫米,持续积累范围～毫米,它允许不同颜色的材料。
（5）其它快速原型制造技术
直接成型铸造DSPC（直接壳生产铸造）来源于三维打印快速成型技术（3d打印）。
流程是计算机设计完毕的零件模型装进模壳设计装置,利用微型机绘制浇注模,生产到所需的厚度,需要配备电子模型（模芯壳模具组件）,然后输给模壳制造设备,由电子模型制成固体的三维陶瓷模壳。
取走疏松的陶瓷粉,露出完整的模壳,并利用熔模铸造的方式,对模壳最终处置,完成整个进程。
该系统可以检测自己的印刷缺点,不需要图纸,整个加工就可以够完成。
光屏蔽（SGC基地-固体-地面养护）由以色列肘的公司开发的,这一工艺是可以同时固化整个液体光聚合物。
SGC技术利用丙烯酸盐光聚合物材料,它的生产精度可以达到%,切片厚度约为～毫米,Cubital公司研制的Solider5600类型产品制作的工作最大的尺寸是508*508*356mm,紫外灯功率2千瓦,每一层循环在90s左右。
MRM（三菱化学快速成型）日本三菱化学化学最新的快速成型系统,原型可以直接放入模具中,被挪用的“金属增强树脂成型复合材料（金属树脂模塑）”,比传统模具制造本钱降低1/2,缩短成型时间的1/2～1/3。
奥斯汀德克萨斯大学正在研究的高温选择性激光烧结（HTSLS）,在取消聚合物粘结剂的技术上有了重大冲破。
结果表明,可用铜-锡或青铜-镍粉两相粉末、用“激光部份熔融低熔点”粉末技术来制造模具。
熔融沉积3D打印机概述
熔融沉积有时被称为熔丝沉积,它将热熔性材料加热到融化,丝状材料被具有微细喷嘴的挤出机挤出,可以沿着X轴方向移动的喷嘴,工作台沿Y轴（不同设备和机械结构设计可能不是相同的）,把熔融的丝材挤出后当即和前一层材料粘合在一路,然后重复这些步骤,直到工件完全形成。
熔融沉积3D打印机工艺原理及进程
FDM工艺是利用热塑性材料热熔,在计算机的控制下一层又一层的堆积成型。
机械控制加热喷嘴可按照截面轮廓信息,作x-y平面运动和Z方向的运动。
丝状热塑性材料通过送丝机构送到喷嘴里,并加热到熔融状态,然后选择性涂覆在工作台之上,快速冷却后形成截面轮廓。
完成一层截面后喷嘴增加一层的高度,然后进行下一层涂覆。
重复上述动作,直至形成三维产品。
FDM制造进程原则:
熔融沉积快速成型工艺在原型制作时同时需要制作支撑,为了节省材料本钱,提高沉积效率,新的FDM设备采用双喷嘴。
一个喷嘴用于沉积模型材料,一个喷嘴用于沉积支撑材料。
一般来讲,模型材料丝本钱高、沉积效率很低。
可是支撑材料丝很粗且本钱更低、沉积效率比模型材料丝高。
双喷嘴除沉积进程具有较高的沉积效率,并降低生产本钱之外,还可以灵活地选择具有特殊的性能支撑材料,方便支撑材料的处置,如水溶性材料、低于模型材料熔点低的热熔材料。
熔融沉积3D打印机国内外现有技术水平
目前,快速成型技术的软件还有初期的典型特征,可以完成数据处置和控制的形成进程,因为每一个公司的软件都是自己开发、自成体系,所以相对封锁,没有统一的数据接口和统一的软件模块划分标准,严重阻碍了二次开发和该技术的推行应用、不同工艺的集成。
因为CAD和RP&M的接口软件开发的难度高和独立性,外国出现了作为CAD和RP&M系统之间桥梁作用的第三方软件,软件开发人员一般为个人或公司,软件功能很少。
比较著名软件有很多，比如CIDES、Brigeworks,STL等等。
国内RP&M软件的开发也进行了大量的工作,清华大学激光快速成型中心已经开发出具有自主知识产权的适应性快速RP数据处置系统LARK,该系统主要分为三个部份,即基于STL模型三维工艺计划子系统,基于CLI模型2D工艺计划子系统和工艺规则制定和信息管理子系统。
华中科技大学在POWERSHAPE直接切片研究、直接切片研究、直接切片在RP&M中的应用,RP&M数据处置软件一些技术问题等,进行了卓有成效的研究,开发出一系列实用的软件。
西安市交通大学开发的LPS数据管理系统和数据处置系统,有STL模型显示控制、参数设置、分层处置、支撑添加等功能,并在其独立开发的LPS和CPS系列应用于快速成型机。
熔融沉积3D打印机应用领域
制造各类模具,模型;代替熔模精密铸造蜡模,一般主要用于原型设计验证。
塑料零件、铸造蜡模,样件或模型。
快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。
主要用于专业领域、桌面级项目还有待观察。
高端制造业领域,样品功能测试、实验和装配仿真模拟等。
本次设计的主要工作
1.6.1主要设计工作
（1）丝杠设计；
（2）导轨设计；
（3）框架设计；
（4）喷头设计；
（5）部份机械辅助控制的设计。
1.6.2设计参数
喷头最大运行速度：
80mm/s
最大成型件重量：
约为10kg
Z向定位精度：
加热板、丝杠和直线导轨轴等的总重量：
约10kg
喷头定位精度：
成型空间：
400*400*300mm
1.6.3设计思路及主要问题
利用分块设计的理念,机械结构分为X--Y扫描系统,Z方向移动系统两个部份。
（1）x-y扫描系统的机械结构
打印机扫描系统采用精度高x-y工作台,它驱动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。
步进电机驱动滚珠丝杠带动扫描头作x-y平面运动,扫描范围是400x400mm,重复定位精度为0。
005mm。
为降低质量,提高响应速度,选择铝材进行设计,选择高转矩电动机。
扫描系统结构由计算机、X-Y扫描头、聚焦透镜,圆柱转动直线导轨,滚珠丝杠、步进电机等组成。
因为混合步进电机体积小、大转矩和良好的低频特性,运行的时候噪声小,失去电力自锁等长处,X,Y、Z方向都采用这种步进电机。
为了减少X方向负载的质量、连接板和电机采用铝材。
（2）Z轴起落系统
它能完成零件支撑和在Z轴方向运动的功能,驱动丝杠上的喷头上下移动。
每一个固化一层。
Z轴带动喷头上升一层的厚度，这个进程实现零件的堆积,确保定位精度。
定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度和表面光洁度,和层与层之间的粘结性能。
采用步进电机驱动、精密滚珠丝杠传动和精密导轨导向。
驱动电机采用混合式步进电机,配合细分驱动电路,直接连接滚珠丝杠来实现高分辨率驱动,消除中间齿轮传动,既减少了尺寸和减少传输误差。
成形零件时,Z轴常常做下降,上升运动,为了减少运动时产生较大的误差,方便从加热板上取下成型零件,加热板必需加工成表面滑腻的加热板的大小要合理。
2传动部份的设计
设计任务
机械部份的设计主要包括机械结构传动装置和熔融沉积3D打印机的整体布局设计。
2.1.1设计目的
设计熔融沉积3D打印机的整体部份和其它的设计。
主要用于单件小批量零件和功能模型的快速成型制造
通过毕业设计,锻炼咱们在生产应用知识去解决实际问题,能够独立或与同窗合作产品设计的一些实际应用,为了提高咱们的设计能力。
毕业设计同时也为自己在五年内最后查验一遍大学的知识。
提高应用手册的能力和编写文件信息的能力
2.1.2机械结构传动装置设计
事实证明,整个机械传动装置占了很大的比例。
因此,传动装置的设计好坏是机械设计的关键。
本次的设计从电机到执行部份采取几种解决方案:
齿轮传动,普通V带,同步带传动、链传动、丝杠螺母副等。
下面将上述几个传输方案比较。
齿轮传动的承载能力和速度范围比较大,传动比恒定,外轮廓尺寸小,运行靠得住,效率高,寿命长,制造安装精度要求高,噪音大,本钱较高。
齿轮齿条传动通常常利用于行程较大的机床,可以得很大的传动比,容易取得高速直线运动,刚度和机械效率高,传输不够平稳,传输精度不高。
普通三角皮带传动的承载能力小,传递相同的转矩时结构尺寸比其他形式大,但稳定,可以缓冲振动、噪音低、良好的经济性能。
同步带传动确保准确的同步带传动比,传动的长处是速度范围广,传动比大,效率高（高达98%）,预紧力小,轴和轴承负荷小,单位长度质量很小,因此它允许线速度高,但制造和安装精度较高,必需按要求严格中心距。
链传动属于有中间挠性件啮合传动。
只能用两个平行轴方向进行回转和传动,不能保证恒定的瞬时传动比;磨损后容易发生跳齿;工作时有噪音;不该该在负载转变大和快速反向传动中应用。
丝杠螺母副传动,滚珠丝杆螺母副是转动摩擦,摩擦损失小,传动效率高,可达到至;丝杠和螺母预紧后,可以完全消除二者之间的间隙,提高传动刚度,摩擦阻力小,几乎与速度无关。
能保证平稳的运动,不容易在低速中爬行;不能自锁,可逆性强。
综合比较几种传动方案最后选择同步带传动适归并能知足步进电机和丝杠之间的连接需要，因此传动装置选择同步带传动
熔融沉积3D打印机整体布局设计按照设计要求加工尺寸最大、重量、形状、和传动关系,速度、位移、加速度、时间等一系列的参数设计,最后取得一个可以知足设计要求同时知足各部份之间的相对位置关系。
主框架的机械结构：
铝合金框架,,喷头、X-Y方向的传动装置（螺丝、导轨）和辅助装置。
步进电机的选择设计任务
2.2.1步进电机的简介
步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器和电极的一步。
步进控制器由缓冲器、环形分派器、控制逻辑及方向控制。
功率放大器的作用是控制环形脉冲放大,驱动步进电机旋转。
其控制系统如图1：
图1步进电机的控制系统
脉冲信号的产生
CPU、单片机产生的脉冲信号,一般脉冲信号的占空比约为至,电机转速越高,工作周期越大。
在步进电机控制软件制作中要解决的一个重要问题,是产生周期性的脉冲序列,如下图所示。
从下图可以看出,脉冲是利用周期时间,脉冲高度,打开和关闭电源来表示的。
脉冲高度取决于利用数字元件电平来决定,如普通TTL电平为0-5v,COMS电平为0-10v等。
常常利用的接口电路,可用0到5v打开和关闭电源的办法来控制。
相应的数据为例,当步进电机数字线送高电平（连接）,步进电机开始一步一步的运动。
可是由于步进电机“一步”是需要必然的时间,所以在发送高脉冲应该延长一段时间,使步进电机在指定的位置。
因此,利用计算机控制步进电机实际上是一系列的脉冲波由计算机生成的。
用软件的方式实现脉冲波是先输出高电平,然后用软件延迟一段时间,然后输出低电平时间延迟。
延迟时间的长度决定于由步进电机的工作频率。
上面是一个步进电机控制命令和控制模型,若是在相反的顺序控制,步进电机相反的方向转动。
因此,所谓的步进电机的方向控制,实际上是在一个特定的方式控制（按照需要选择）中指定的顺序发送脉冲序列,可以达到控制步进电机的目标方向。
图2脉冲信号的产生
功率放大
功率放大器是驱动系统中最重要的部份。
步进电机在必然的速度转矩取决于平均动态电流而非静态电流（当前示例是静态电流）。
电动机转矩的平均电流越大,需要克电机的反电势平均电流越大。
在不同场合采取不同的方式,到目前为止,驱动模式通常有以下几种:
恒压和恒压串联电阻,高、低压驱动,恒流和细分数。
步进电机一旦定型,其性能取决于电机驱动电源。
步进电机速度越高,转矩,电动机电流的需求越大,驱动电源电压就越大。
用于步进电机步距角不知足条件下,利用细分驱动程序来驱动步进电机，细分驱动的原理是通过改变相邻（A,B）的大小,改变合成磁场的角度来控制
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