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1、熔融沉积3d打印机机械结构的设计学士学位论文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 Design for 3D Printer of Fused Deposition Manufacturing毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作

2、 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本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。对本文的研究做出重要贡献的个人

3、和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右

4、）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）

5、毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘 要随着科学技术的发展,快速成形技术已广泛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3 D打印技术。3D打印技术技术发明于1988年, Scott Crump成立Stratasys公司。Stratasys公司在1992年推出了世界上第一个基于

6、FDM 3 D打印机技术“3 D造型,3 D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越来越广泛和深入,3 D印制机的需求越来越大。因此,本文针对熔融沉积的3 D印制机机械结构进行了设计,包括:1。改进单喷嘴,2 .x - y扫描机制:3.Z轴升降机制: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。不要出现在行程较长时抖动,有利于确保扫描精度,稳定的运动。使用线性步进电机直接连接滚珠丝杆、响应更加快速准确,因为没有中间部分同时,简化了机械结构,精度高。熔融沉积在3 D打印过程中,机械结构的设计, 运动和传动更加合

7、理和平稳，使它更好的生产。关键词：喷头；X-Y扫描机构；Z轴升降机构；传动机构。 ABSTRACT With the development of science and technology, Rapid prototyping processing technology has been widely used in the field of machinery manufacturing. Raise the level of the application of rapid prototyping technology.Implement efficient processing ha

8、s become the current rapid prototyping processing technology development of a new topic. Fused deposition molding process (Fused deposition molding process) is developed after the LOM process and SLA process a 3d printing technology. The technology by Scott Crump invented in 1988, Scott Crump founde

9、d Stratasys. Stratasys in 1992, launched the worlds first based on FDM technology of 3d printer - 3d modelling, 3d Modeler) it also marks the FDM technology into commercial stage.The development and application of rapid prototyping technology is more and more extensive and in-depth, 3d printers dema

10、nd is becoming more and more big. Thus, this paper 3d printers for fused deposition of mechanical structure design, including: 1. Improvement of single nozzle, 2 x-y scanning mechanism: 3. Z axis lifting mechanism: 4. Drive mechanism, and on the part of the structure is improved. X-y plane scanning

11、in the direction of movement and the movement of mechanical transmission printer from precision synchronous belt drive into precision ball screw drive. Dont appear when in the journey is longer than the jitter, is beneficial to ensure accuracy of scanning, stable movement. Using linear stepper motor

12、 directly connected ball screw, response more accurately, because there is no middle part at the same time, simplify the mechanical structure, high precision.In fused deposition in the process of 3d printers, the design of the mechanical structure, motor and driving more reasonable and stable, and m

13、ake it better in productionKey Words: Nozzle; X-y scanning mechanism; The Z axis lifting mechanism; Transmission mechanism目 录1绪 论 11.1熔融沉积快速成型技术的简介 11.1.1PDM的技术原理介绍 11.1.2几种典型的快速成型技术 11.2熔融沉积3D打印机概述 21.3熔融沉积3D打印机工艺原理及过程 21.4熔融沉积3D打印机国内外现有技术水平 31.5熔融沉积3D打印机应用领域 31.6本次设计的主要工作 31.6.1主要设计工作 31.6.2设计参数 4

14、1.6.3设计思路及主要问题 42传动部分的设计 52.1设计任务 52.1.1设计目的 52.1.2机械结构传动装置设计 52.2步进电机的选择设计任务 62.2.1步进电机的简介 62.3丝杠的选型 82.4初选导轨型号 103.传动部分总体设计的计算 103.1丝杠的受力计算 103.2导轨的选型及计算 113.2.1导轨刚度检验 113.3丝杠和螺母自锁校核计算 113.3.1 电机转矩的选择计算 123.3.2 加热板材料的选择 134. 3D打印机的送丝机构 144.1送丝机构的简介 144.2送丝机构的设计 144.3打印机框架及喷头的设计 154.3.1打印机框架 154.3.

15、2喷头的设计 16结 论 18参考文献 19致 谢 201绪 论新材料,新技术,新技术在快速成型加工快速介绍,现在在快速成型加工零件加工的质量要求也越来越高,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,现如今已成为当前的热点行业,已成为业界关注的焦点。应用3 D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,与传统的处理相比,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。1.1熔融沉积快速成型技术的简介1.1.1PDM的

16、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,将各种丝材加热熔融成型方法。这个过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6.1%的份额。1.1.2几种典型的快速成型技术（1）立体光固造型 SLAStero Lightgraphy Apparatus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,激光根据底部的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

17、,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,根据相应的数据,然后重复,直到整个三维零件。LOM部分不收缩,不会变形,精度高达 0.1毫米,切片厚度0.05 0.50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过程类似于SLA,使用红外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)的制造过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

18、料、蜡、等等) 被加热头加工到临界状态,根据微型计算机控制,计算机辅助设计的喷嘴沿平面几何信息来确定数据移动同时挤出半流动的材料,沉积凝固成精确的实际部分薄层,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起。所以,底部形成一个三维实体。FDM的生产精度达到 0.127毫米,持续积累范围0.0254 0.0254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(3 d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

19、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,并使用熔模铸造的方法,对模壳最终处理,完成整个过程。该系统可以检测自己的印刷缺陷,不需要图纸,整个加工就可以完成。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技术使用丙烯酸盐光聚合物材料,它的生产精度可以达到0.1%,切片厚度约为0.1 0.15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 * 356 mm,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

20、学最新的快速成型系统,原型可以直接放入模具中,被调用的“金属增强树脂成型复合材料(金属树脂模塑)”,比传统模具制造成本降低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突破。结果表明,可用铜-锡或青铜-镍粉两相粉末、用“激光部分熔融低熔点”粉末技术来制造模具。1.2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立即和前一层材料粘合在一起,然后重

21、复这些步骤,直到工件完全形成。1.3熔融沉积3D打印机工艺原理及过程FDM工艺是使用热塑性材料热熔, 在计算机的控制下一层又一层的堆积成型。机器控制加热喷嘴可根据截面轮廓信息,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制造过程原则:熔融沉积快速成型工艺在原型制作时同时需要制作支撑,为了节省材料成本,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。一般来说,模型

22、材料丝成本高、沉积效率很低。但是支撑材料丝很粗且成本更低、沉积效率比模型材料丝高。双喷嘴除了沉积过程具有较高的沉积效率,并降低生产成本以外,还可以灵活地选择具有特殊的性能支撑材料,方便支撑材料的处理,如水溶性材料、低于模型材料熔点低的热熔材料。1.4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早期的典型特征,可以完成数据处理和控制的形成过程,因为每个公司的软件都是自己开发、自成体系,所以相对封闭,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广应用、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

23、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数据处理系统LARK,该系统主要分为三个部分,即基于STL模型三维工艺规划子系统,基于CLI模型2 D工艺规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数据处理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

24、数据管理系统和数据处理系统,有STL模型显示控制、参数设置、分层处理、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。1.5熔融沉积3D打印机应用领域制造各种模具,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、试验和装配仿真模拟等。1.6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）部分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

25、量：约为10kgZ向定位精度：0.01mm加热板、丝杠以及直线导轨轴等的总重量：约10kg喷头定位精度：0.005mm成型空间：400*400*300mm1.6.3设计思路及主要问题使用分块设计的理念,机械结构分为X-Y扫描系统,Z方向移动系统两个部分。（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400 x400mm,重复定位精度为0。005 mm。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

26、滚动直线导轨,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,失去电力自锁等优点,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轴升降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。每个固化一层。Z轴带动喷头上升一层的厚度，这个过程实现零件的堆积,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,

27、既减少了尺寸和减少传输误差。成形零件时,Z轴经常做下降,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,加热板必须加工成表面光滑的加热板的大小要合理。2传动部分的设计2.1设计任务机械部分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打印机的整体部分和其它的设计。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,锻炼我们在生产应用知识去解决实际问题,能够独立或与同学合作产品设计的一些实际应用,为了提高我们的设计能力。毕业设计同时也为自己在五年内最后检验一遍大学的知识。提高应用手册的能力和编写文件信息的能力2.1

28、.2机械结构传动装置设计事实证明,整个机器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分采取几种解决方案: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,运行可靠,效率高,寿命长,制造安装精度要求高,噪音大,成本较高。齿轮齿条传动通常用于行程较大的机床,可以得很大的传动比,容易得到高速直线运动,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

29、步带传动确保准确的同步带传动比,传动的优点是速度范围广,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,必须按要求严格中心距。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;不应该在负载变化大和快速反向传动中应用。丝杠螺母副传动,滚珠丝杆螺母副是滚动摩擦,摩擦损失小,传动效率高,可达到0.90至0.96;丝杠和螺母预紧后,可以完全消除两者之间的间隙,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

30、。综合比较几种传动方案最后选择同步带传动适合并能满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3 D打印机总体布局设计根据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,最后得到一个可以满足设计要求同时满足各部分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。2.2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、环形分配器、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

31、制系统如图1：步进电机功率 放大器 步进控制器 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0.3至0.4,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,脉冲是使用周期时间,脉冲高度,打开和关闭电源来表示的。脉冲高度取决于使用数字元件电平来决定,如普通TTL 电平为0 - 5 v,COMS电平为0-10v等。常用的接口电路,可用0到5 v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。但是由于步进电机“一步”是需要一定的时间,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,使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。用软件的方法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,如果在相反的顺序控制,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(根据需要选择)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