毕业设计（论文）-3D打印机结构设计.doc

1、毕业设计任务书任务下达日期： 20XX 年 12 月15日设计开题日期： 20XX 年 3 月 30 日设计开始日期： 20XX 年 4 月 2 日中期答辩日期： 20XX 年 5 月 11 日 设计完成日期： 20XX 年 6 月 15 日一、设计题目： 三轴3D打印机结构设计二、设计的主要内容1、可行性论证：设计三种结构方案，分析其可行性，选出最优方案。 2、设计计算：对关键结构进行强度校核，X、Y、Z轴光杆弯矩校核，挤出机挤出力核， 对所选用的标准件进行校核，判断其是否合理。 3、设计图纸：3D打印机装配图A0 零件图A1 4、特色专题：3D打印机三维建模 三、设计目标： 利用三维软件完

2、成3D打印机结构设计， 打印行程要求：225mm245mm235mm；最高速度200mms；要求取用远程挤出机构；尺寸精度控制在0.3mm之内，通过设计使学生掌握CAD相关软件，培养学生独立分析问题和解决 问题的能力，最终设计出符合要求的结构 。 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 20XX 年 12 月 15日摘 要本文通过市场调研、可行性方案论证、方案对比的方法运用3D打印技术设计了一款亚克力板龙门式3D打印机，该3D打印机采用同步带和丝杠传动结构，Z向双电机同时驱动，选择远程挤出机构，打印喷头采用喉管喷头一体化结构设计，丝杠结构框架，开源控制软件、固件和控制板。通过对设计进行计算与校核

3、，对所设计的零件进行装配设计，设计出符合要求的3D打印机。关键词：结构设计；3D打印机；亚克力板；全套图纸加V信153893706或扣 3346389411AbstractIn this paper, the 3D printer is designed by market research, feasibility scheme demonstration and scheme comparison. The 3D printer uses synchronous belt and screw drive structure, Z drives the double motor simult

4、aneously, selects the remote extrusion mechanism, and the printing nozzle adopts the integrated structure of the throat nozzle. The structure of the lead screw, open source control software, firmware and control board.Through the calculation and verification of the design, the assembly of the design

5、ed parts is designed, design a 3D printing to meet the requirements.Key words: Structural design; 3D printing; acrylic board; II目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 3D打印技术的概述11.2 3D打印原理的分类11.2.1 选择性激光烧结技术11.2.2 熔融沉积造型11.2.3 立体光固造型技术21.2.4 数字光处理技术2第2章 3D打印机结构方案设计及可行性论证42.1 3D打印机结构方案设计42.1.1 方案1 框架式3D打印机42.1.2

6、 方案2 悬臂梁式3D打印机42.1.2 方案3 龙门式3D打印机52.2 3D打印机方案可行性论证62.2.1 方案1评价62.2.2 方案2评价72.2.3 方案3评价72.3 方案确定7第3章 3D打印机设计与计算93.1 技术参数及其坐标系的确定93.1.1 技术参数93.1.2 3D打印机坐标系选择93.2 电机的选择103.2.1 X方向电机的选择103.2.2 Y方向电机的选择113.3 滚珠丝杠的设计计算123.3.1 选材标准123.3.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算133.4 光杆导轨的校核163.4.1 X方向运动光杆的受力分析163.4.2 Y方向光杆运动受力分析173

7、.5 同步带的设计计算183.5.1 X轴方向同步带计算183.5.2 Y轴方向同步带计算203.6 直线轴承的选用213.6.1 直线运动轴承额定载荷213.6.2 静态安全系数223.6.3 直线系统的额定寿命223.6.4 额定寿命223.7 挤出机的挤出力校核233.8 联轴器的选择与分类243.8.1 联轴器的分类243.8.2 联轴器的选择243.9 环境保护和可持续发展方面的思考253.9.1 本次设计对环境的影响253.9.2 可持续发展方面的思考26第4章 产品使用与维护274.1 3D打印机的基本调试274.1.1 打印平台的基本调试274.1.2 限位开关的调试274.1

8、.3 工作台的调平274.1.4 平台移动距离的校准284.2 3D打印机的使用方法284.3 3D打印机的维护284.3.1 每天预防性维护284.3.2 长久维护方法28第5章 毕业设计特色专题305.1 非标准件的设计305.1.1 Z方向左侧升降平台设计305.1.2 Z方向右侧升降平台设计315.1.3 滑块的设计315.1.4 Y方向连接器的设计325.1.5 X方向连接器的设计335.1.6 打印喷头固定架的设计335.1.7 Y向电机固定架的设计345.1.8 Y方向轴承固定架的设计355.1.9 支撑座的设计355.1.10 亚克力板框架设计365.1.11 电机支架的设计3

9、75.2 总体结构的设计375.2.1 总装配图375.2.2 传动原理38结 论39参考文献40致 谢42V CONTENTS摘 要IAbstractIIPart Introduction11.1 An overview of 3D printing technology11.2 The classification of the principle of 3D printing11.2.1 Selective laser sintering technology 11.2.2 Molten deposition modeling 11.2.3 Stereoscopic stereo sol

10、id modeling technology 21.2.4 Digital optical processing technology2Part Structure scheme design and feasibility demonstration of 3D printer42.1 Structure scheme design of 3D printer42.1.1 Scheme 1 frame type 3D printer 42.1.2 Scheme 2 cantilever beam type 3D printer 42.1.2 Scheme 3 Longmen type 3D

11、printer52.2 Feasibility demonstration of 3D printer scheme62.2.1 Programme 1 Evaluation62.2.2 Programme 2 Evaluation72.2.3 Programme 3 Evaluation 72.3 Scheme determination7Part Design and calculation of 3D printer93.1 Determination of design scheme93.1.1 technical parameter93.1.2 Selection of 3D pri

12、nter coordinate system93.2 Selection of motor103.2.1 Selection of X direction motor 103.2.2 Selection of Y direction motor113.3 Design and calculation of ball screw123.3.1 Material selection standard123.3.2 Calculation of load and speed of ball screw pair133.4 Check of light bar guide 163.4.1 The fo

13、rce analysis of X direction optical rod motion 163.4.2 The force analysis of Y direction optical rod motion 173.5 Design and calculation of synchronous belt183.5.1 Calculation of X axis synchronous belt183.5.2 Calculation of Y axis synchronous belt203.6 Selection of linear bearings 213.6.1 Rated loa

14、d of linear motion bearing 213.6.2 Static safety factor223.6.3 The rated life of a linear system223.6.4 Rated life223.7 Extrusion force checking of extruder233.8 Selection and classification of couplings 243.8.1 The classification of couplings243.8.2 Selection of couplings243.9 Consideration of envi

15、ronmental protection and sustainable development 253.9.1 The impact of this design on the environment253.9.2 Thinking on the aspect of sustainable development 26Part Product use and maintenance274.1 Basic debugging of 3D printer274.1.1 Basic debugging of printing platform274.1.2 Adjustment of limit

16、switch274.1.3 Leveling of the worktable274.1.4 Calibration of platform moving distance284.2 The method of using 3D printer284.3 Maintenance of 3D printer284.3.1 Daily preventive maintenance284.3.2 Long term maintenance method28Part Special topic of graduation design305.1 Design of non standard parts

17、305.1.1 Design of left and down platform of Z direction305.1.2 Design of right and down platform of Z direction315.1.3 Design of slider 315.1.4 Design of Y directional connector325.1.5 Design of X directional connector 335.1.6 Design of printing nozzle fixator335.1.7 Design of Y direction motor fixe

18、d frame345.1.8 Design of Y direction bearing fixed frame355.1.9 Design of support seat355.1.10 Acrylic plate frame design365.1.11 Design of motor support 375.2 The design of the overall structure375.2.1 General assembly drawing375.2.2 Transmission principle38Conclusion39Reference40Acknowledgement42V

19、III第1章 绪论1.1 3D打印技术的概述3D打印技术为80年代中期发展起来的一种新技术，是造型技术的一项突破性进展。它现有十多种名称，如增彩制造、快速原型、计算机辅助设计与制造、以及桌上制造工艺等。此项技术不同于传统的制造方法，它综合了激光技术、自动控制技术以及许多先进性技术和知识。他最突出的优点是增材制造，无需机械加工或者任何辅助，也不需要任何模具，通过三维软件的建模生成任何模型，导出3D打印机需要的格式，从而极大的缩短产品的研发周期，提高了生产效率并且降低了成本。当今，这项技术正在飞速的发展，已经越来越引起了人们的广泛重视，目前，很多公司都在研究这项技术，对制造业的发展起了及其重要的推

20、力作用1。1.2 3D打印原理的分类1.2.1 选择性激光烧结技术选择性激光烧结法又称为选区激光烧结法。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料，可以是金属粉末或非金属粉末，激光在计算机的控制下，按照界面的轮廓信息，对实心部分粉末进行激光烧结，然后不断循环，层层堆积成型。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、树脂裹覆砂、聚碳酸脂、金属和陶瓷粉末等材料都可以作为烧结对象2。粉床上未被烧结部分成为已烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统。由于该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，针对以上特点SLS法主要用于铸造业，

21、并且可以用来直接制作快速模具3。 1.2.2 熔融沉积造型熔融沉积造型法采用热融喷头使半流动半凝固状态的材料按CAD分层数据控制的路径上挤压并沉积在预先设定的地方成型，逐层沉积经过凝固后最终形成零件图样，这一技术称为熔化堆积法。这是一种将各种热熔性的材料加热熔化成形方法，它技术设备简单，运行费用相对便宜，系统可用于办公环境，没有产生环境污染，工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾，可以快速构建各种复杂的零件，易于搬运和快速更换，但是问题在于精度低，竖直方向强度小，成形速度较慢，不适合构建大型零件。1.2.3 立体光固造型技术 这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。在实际在生活中

22、有着很多应用立体光固造型技术原理，又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和功率的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料材料也就从液态转变成固态SLA的原理是由CAD系统的三维造型切割成若干薄层平面数据模型，但对表面形状变化大和精度要求高的部分应切得薄些，其他一般部分切得厚一些。随后CAM软件再根据各薄层平面的运动指令，再结合提升机构沿Z坐标方向的间歇下降运动，形成整个零件的数控加工指令。指令输入SLA系统中，首先是工作台下降至液体容器的液面之下，对应与CAD模型最下一层切片的厚度处，根据切片的平面几何

23、数据，紫外光照射可固化的液态树脂，在紫外光的作用下，因光聚合作用，第一层被固化在工作台上。然后，升降工作台下降至第二层切片厚度，激光器按照该层切片的平面几何数据扫描液面，使新一层液态树脂固化并紧紧贴在前一层已固化的树脂上，如此反复生长，直至形成整个三维实体零件4。1.2.4 数字光处理技术 数字光处理技术能够在构建部件时，使用高分辨率的数字光处理器设备投影仪来固化液态光聚合物，分别逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA速度更快，该流程重复，直至彻底将模型构建完成。DLP技术能够提供在准确性、材料属性、细节和表面光洁度等方面可匹敌注塑成型的塑料部件。它让

24、工程师能够在产品大规模生产前验证所设计的形状、匹配和功能，从而避免成本高昂的生产模具修改和缩短上市时间5。大规模生产前评估产品的设计;验证设计的形状、匹配和功能，提供概念模型，改善沟通的方式，在设计方面都有很大的应用价值。第2章 3D打印机结构方案设计及可行性论证2.1 3D打印机结构方案设计2.1.1 方案1 框架式3D打印机 框架式3D打印机，包括底座和“门”字型框架式的支架，支架上部前侧面水平设有安装柱，安装柱上设有料盘；支架的中下部水平设有滑轨，滑轨上设有出料装置；支架下方的底座上设有加热底盘；底座前侧为弧面结构并设置显示屏和操作按钮；底座前侧面上设有USB和SD卡插孔；滑轨包括两个上

25、下平行设置的滑杆，出料装置穿设在滑杆上；安装柱外侧设有限位帽。运动机构如下：（1） 升降装置：步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠，工作台通过直线导轨与丝杠上丝杠螺母相连接，通过步进电机正反转来控制工作平台上下移动。（2） X、Y方向移动：通过两个步进电机、两个同步轮，一根同步带来控制打印喷头X、Y正反方向的移动。图2-1 框架式3D打印机传动图2.1.2 方案2 悬臂梁式3D打印机悬臂梁式3D打印机主要有四部分组成，分别为旋转运动机构、垂直运动机构、水平运动机构、材料挤出机构，它们各自用一个步进电机驱动，该3D打印机水平面内的材料成型依靠旋转运动机构和水平运动机构共同作用实现。悬臂式3D打印机打印

26、头通过打印头固定件与水平导轨连接，而水平导轨滑块又以滚珠丝杠螺母副的方式与水平导轨连接在一起并由水平伺服电机驱动，实现打印头的左右移动，这样就构成了悬臂式打印机的悬臂梁。悬臂梁结构安装简易，结构合理，坚固耐用，美观大方，层重能力好，空间利用率高等特点。运动机构如下：（1）升降装置：在底座上固定一竖直铝型材，将直线导轨通过螺栓固定于铝型材上，步进电机通过联轴器连接同步带轮，皮带的两端固定在直线轴承同步轮上，皮带连接同步带轮，电机的转动带动直线轴承的上下移动，实现Z轴方向移动。（2）X方向移动：铝型材通过连接件固定于Z轴方向上的直线轴承上，将直线导轨通过螺栓固定于铝型材上，步进电机轴连接同步带轮，

27、皮带的两端固定在直线轴承上，皮带连接同步带轮，电机的转动带动直线轴承的左右移动，实现X轴方向移动。（3）Y方向移动：将直线导轨固定在底座上，通过同步带连接直线轴承，工作台固定在直线轴承上，电机通过同步带轮带动同步带前后移动，实现Y轴方向的运动。 图2-2 悬臂梁式3D打印机传动图2.1.2 方案3 龙门式3D打印机龙门式3D打印机主体框架采用龙门式结构，整体支撑结构件以重量轻、价格便宜且易加工的铝合金材料为主。打印机机械部分主要由基座、打印工作台、三轴传动系统、打印喷头、铰链结构等部件组成。整体设计以基座为结构基础，Y轴传动系统负责打印工作台Y方向的移动，X、Z轴传动系统分别负责打印头X方向和Z方向移动，从而实现三个维度的打印需求。运动机构如下：（1） 升降装置：两个步进电机同步旋转通过丝杠传动实现Z方向上下运动。（2）X方向移动：在X方向上任一支撑端通过步进电机带动同步带传动，同步带带动直线轴承的移动实现X方向上的运动。（3）Y方向移动：工作台的移动或者X轴在Y方向上的移动，Y方向上步进电机可固定于X方向上也可固定于Y方向上，步进电机通过同步带带动工作台运动实现Y方向上的运动。