基于fdm技術(shù)的工程級3d打印機的研制設(shè)計【含CAD圖紙、說明書三維模型】
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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
（2015屆）
題 目：基于FDM技術(shù)的工程級3D打印機的研制
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基于FDM技術(shù)的工程級3D打印機的研制
摘要：3D打印是最近幾年開始流行的一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。我們?nèi)粘Ｉ钪械拇蛴C能打印一些平面紙張材料，而3D打印機打印出的是立體塑品產(chǎn)品。本文首先介紹了本課題的研究意義和3D打印在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及工程級3D打印機的應(yīng)用；然后闡述了工程級3D打印機整體結(jié)構(gòu)分析的三個部分：整體框架的選擇、運動控制的選擇和噴頭、平臺等關(guān)鍵部件的分析探討，進而制定最終的設(shè)計方案；其次是總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過SolidWorks的三維建模設(shè)計出一臺工程級3D打印機，并將相關(guān)的零件出工程圖，再根據(jù)圖紙進行機械加工；最后進行機器的裝配及調(diào)試。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字模型；3D打??；SolidWorks；三維建模
The develop of project level 3D printer based on FDM Technology
Abstract：3D printing is one of the recent years became popular rapid prototyping technology, which is based digital model files, through over the printed layer by layer approach to construct objects. Our daily lives printer can print some flat sheet material, and 3D printer to print out the three-dimensional plastic goods products. The paper firstly introduces the application of?the research significance of this topic?and?the development status and trend of?3D?printing?and?project level?3D printer?at home and abroad. And then describes the three part of the analysis of the engineering level of the overall structure of the 3D printer: the overall framework of choice, Motion control options and analysis on the key parts, such as head platform. And then make the final design scheme. The second is the overall structure design, through SolidWorks 3D modeling designing a project level 3D printer. And the related parts drawing, and then machining according to the drawings. The final assembly and testing machine.
Keywords: Digital model ; 3D?printing; SolidWorks; 3D modeling
目 錄
一、緒論 1
（一）本課題研究背景和意義 1
（二）3D打印在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及工程級3D打印機的應(yīng)用 2
二、工程級3D打印機的結(jié)構(gòu)分析 5
（一）整體框架的選擇 5
（二）噴頭、平臺等關(guān)鍵部件的分析探討 6
（三）運動控制的選擇 8
三、總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及修改 17
（一）噴頭平臺的設(shè)計 17
（二）其他關(guān)鍵部件的設(shè)計 17
（三）裝配體的整體修改 21
四、配件的加工及裝配 22
（一）配件的加工 22
（二）機器的裝配及線路的連接 22
五、機器調(diào)試 23
六、總結(jié) 24
參考文獻 25
致 謝 26
基于FDM技術(shù)的工程級3D打印機的研制
一 緒論
（一）本課題研究背景和意義
這幾年來，3D打印這個話題被越炒越熱，繼而出現(xiàn)了3D打印飛機、房子、骨骼、細胞等等。有人甚至稱3D打印將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命。
首先了解3D打印的原理（如圖1.1.1所示），3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。而3D打印機又稱三維打印機，是一種累積制造技術(shù)，即快速成形技術(shù)的一種機器，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體?，F(xiàn)階段三維打印機被用來制造產(chǎn)品。逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機的原理是把數(shù)據(jù)和原料放進3D打印機中，機器會按照程序把產(chǎn)品一層層造出來。
圖1.1.1 3D打印原理圖
桌面式3D打印機自2008年以來進入了一個爆發(fā)式增長的階段，主要得益于reprap的開源技術(shù)，英國大學的教授adrian B發(fā)起了reprap的3D打印開源項目并且建立了社區(qū)，許多桌面式的3D打印機都是基于reprap進行開發(fā)的，進而出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的桌面式3D打印機。因此開源3D打印機對整個快速成型行業(yè)的發(fā)展影響是巨大的，3D打印技術(shù)被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，不斷加深了人們對這項技術(shù)的關(guān)注，人們開始慢慢了解3D打印技術(shù)，從FDM開始慢慢了解，到SLS，SLA，DLP，3DP等等技術(shù)的關(guān)注。同時也促進了這幾類技術(shù)的發(fā)展，這幾項技術(shù)也慢慢被人接受，逐漸被人使用。
目前桌面級的3D打印機都有一個很大的缺陷，那就是打印范圍太小。在打印一些體積比較大的物體時，通常要將物體3D模型進行分割，這樣影響了物體的質(zhì)量。因此對于打印范圍大的3D打印機（即工程級3D打印機）的研制具有很大的意義。
（二）3D打印在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及工程級3D打印機的應(yīng)用
在了解3D打印的發(fā)展狀況之前，先了解3D打印的定義及分類。3D打印有兩種定義。狹義指“MIT開發(fā)的以粉末為基礎(chǔ)的制造技術(shù)”。廣義上指所有的增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing）。
據(jù)Andreas Gebhardt對添加性制造技術(shù)的入門書籍Understanding Additive Manufacturing，添加性制造技術(shù)有很多種，MIT開發(fā)的3D打印技術(shù)只是其中一種：
1) 以高分子聚合反應(yīng)為基本原理：激光立體印刷術(shù)（Stereolithography， SLA，有著名的Objet（已和Stratasys合并）和Formlabs為代表）, 高分子打印技術(shù)（Polymer Printing）, 高分子噴射技術(shù)（Polymer Jetting）, 數(shù)字化光照加工技術(shù)（Digital Lighting Processing）, 微型立體印刷術(shù)（Micro Stereolithography）。
2) 以燒結(jié)和熔化為基本原理： 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering， SLS，3D打印行業(yè)龍頭老大3D System的看家本領(lǐng)，EOS也是杰出代表）, 選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting, SLM）, 電子束熔化技術(shù)（Electron Beam Melting， EBM）。
3) 以粉末-粘合劑為基本原理：三維打印技術(shù)（Three Dimensional Printing, 3DP，MIT在90年發(fā)明的，Zcorp（已被3D Systems收購）、voxeljet是杰出代表）
4) 熔融沉積造型技術(shù)（Fused Deposition Modeling, FDM，著名代表有RepRap項目、MakerBot和Stratasys公司）
5) 層壓制造技術(shù)（Layer Laminate Manufacturing, LLM）
6) 氣溶膠打印技術(shù)（Aerosolprinting）
7) 生物繪圖技術(shù)（Bioplotter）
每一種添加性制造技術(shù)的具體原理都不一樣，但是主要都是想辦法根據(jù)電腦數(shù)據(jù)制造出一層東西，然后在這層東西上面再制造一層東西，如此類推，直至制造出整個立體模型。
主要特點是成品結(jié)構(gòu)復雜性幾乎不受限制。
再來了解一下3D打印技術(shù)的優(yōu)點：
1) 制造快速
3D打印技術(shù)是并行工程中進行復雜原型或者零件制造的有效手段，能使產(chǎn)品設(shè)計和模具生產(chǎn)同步進行，從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極大降低了新品開發(fā)的成本及風險，對于外形尺寸較小特異形的產(chǎn)品尤其適用。
2) CAD/CAM技術(shù)的集成
快速成型技術(shù)集成CAD.CAM激光技術(shù).數(shù)控技術(shù).化工材料工程等多項技術(shù),使得設(shè)計制造一體化的概念完美實現(xiàn)。
3) 完全再現(xiàn)三維效果
經(jīng)過快速成型制造完成的零部件,完全真實的再現(xiàn)三維造型,無論外表面的異形曲面,還是內(nèi)腔的異形孔都可以真實準確的完成造型,不再需要再借助外部設(shè)備進行修復。
4) 材料種類繁多
到目前為止，各類3D打印機設(shè)備上所使用的材料種類有很多樹脂，尼龍，塑料，石蠟紙以及金屬或陶瓷的粉末，能滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品對材料的機械性能需求。
5) 創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益
與傳統(tǒng)機械加工方式比較，開發(fā)成本上節(jié)約10倍以上，同樣快速成型技術(shù)縮短了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期，使的在新品開發(fā)過程中出現(xiàn)反復修改設(shè)計方案的問題大大減少，也消除了修改模具的問題，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益十分明顯。
6) 應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域廣
3D打印技術(shù)經(jīng)過這些年來的發(fā)展，在技術(shù)上已形成了一套體系，同樣可應(yīng)用的行業(yè)也逐漸擴大，從產(chǎn)品設(shè)計到模具設(shè)計與制造材料工程醫(yī)學研究文化藝術(shù)建筑工程等等都逐漸的使用3D打印技術(shù)，使得3D打印技術(shù)有著廣闊的前景。
目前全球3D打印行業(yè)整體現(xiàn)狀處于“小而散”的格局當中，還沒有絕對的龍頭企業(yè)和龍頭人物產(chǎn)生。既缺乏成熟的商業(yè)模式引領(lǐng)，也沒有有效打開應(yīng)用市場。原因在于3D打印技術(shù)本身不是一項替代性很強的技術(shù)，大家還沒有找準市場定位，對于3D打印技術(shù)認識也有誤區(qū)，這項技術(shù)也不是萬能的。“小而散”的行業(yè)格局，不利于新興技術(shù)發(fā)展。
國內(nèi)原始創(chuàng)新還不夠，真投入、真科研的少，投機性比較嚴重。有拿來主義思想、低水平重復性建設(shè)的多。規(guī)模效應(yīng)上差距拉大。發(fā)展觀念上落后，長期沿襲傳統(tǒng)制造業(yè)的老路，生產(chǎn)設(shè)備賣設(shè)備，沒有將設(shè)備的生產(chǎn)與加工服務(wù)和應(yīng)用市場相結(jié)合。國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)危機四伏。
國內(nèi)市場如果再得不到發(fā)展，未來市場將全部被國外企業(yè)所占據(jù)。眼下，人們對于3D打印技術(shù)是充滿熱情而又一片茫然。對這項技術(shù)充滿神秘感。市場推廣的難度很大，技術(shù)和市場存在脫節(jié)的問題，應(yīng)用市場并沒有真正打開。3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵在應(yīng)用，一項新興技術(shù)的發(fā)展都必須與應(yīng)用市場相結(jié)合。如果再好的技術(shù)不能在實踐中得到廣泛應(yīng)用，那么這項技術(shù)一定沒有發(fā)展前景。未來三年五年，對于我們3D打印行業(yè)來講至關(guān)重要，如果我們的應(yīng)用市場還不能有效打開，我們未來的道路將更為艱難。
美國和歐洲在3D打印技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。美國是全球3D打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導者，歐洲十分重視對3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。除歐美外，其他國家也在不斷加強3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。澳大利亞在2013年制定了金屬3D打印技術(shù)路線；南非正在扶持基于激光的大型3D打印機器的開發(fā)；日本著力推動3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。
美國消費者電子協(xié)會最新發(fā)布的年度報告顯示，隨著汽車、航空航天、工業(yè)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域市場需求的增加，3D打印服務(wù)的社會需求量將逐年增長，有望從2011年的17億美元增長至2017年的50億美元。
應(yīng)用領(lǐng)域3D打印機的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司認為，3D打印機需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。
二、工程級3D打印機的結(jié)構(gòu)分析
（一）整體框架的選擇
目前針對FDM桌面級的3D打印機主要有以下幾種架構(gòu)：
1. 殼體結(jié)構(gòu)，不管使用金屬、亞克力還是其他材料做外殼，打印機的整體部分都包含在這個外殼中，這樣穩(wěn)定性會好一些。其中最典型的就是Makerbot公司的Makerbot replicator產(chǎn)品（如圖2.1所示）。
圖2.1.1 Makerbot replicator
2. delta三角結(jié)構(gòu)，這種打印機的工作方式有點像機械臂，不同于傳統(tǒng)的平面三維運動，創(chuàng)意十足。如圖2.2所示，臺灣的一個3D打印創(chuàng)業(yè)團隊推出了一款多功能的Delta式3D打印機FLUX。這款3D打印機集3D打印、掃描和激光雕刻等潛在功能于一體，其外形也很小巧精致，十分美觀。
圖2.1.2 多功能的Delta式3D打印機FLUX
3. 還有一種是采用一條方鋼做框架，而且電路和傳動機構(gòu)基本隱藏起來，機器看著就比較美觀了。結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，它采取3條皮帶帶動微型導軌滑塊的運動方式，結(jié)構(gòu)非常緊湊，打印精度高，去除支撐比較容易。但其價格高，打印面積小。
圖2.1.3 Eventorbot打印機
針對這三種典型的架構(gòu)和工程級3D打印機的特點，在這里我選擇第一種類型的架構(gòu)去設(shè)計，這種架構(gòu)的穩(wěn)定性會比較好。
（二）噴頭、平臺等關(guān)鍵部件的分析探討
1. 3D打印機噴頭方案的選擇
熔融擠出系統(tǒng)對噴頭系統(tǒng)的基本要求是：將成型料絲送入熔化器中，在其中及時而充分地熔化，由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后再進一步從更小直徑的噴嘴中以極細絲狀擠出，按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描速度相匹配，以保證均勻一致的材料堆積路徑。成型工藝對噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點:
1) 供應(yīng)功能：將料絲從絲筒上拉出，提供成型材料；
2) 熔絲功能與料絲送進功能：將送進的固態(tài)料絲及時且充分地熔化成為熔融狀態(tài)并將料絲送人熔化器；
3) 流道功能：提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動的通道；
4) 定徑功能：對擠出熔融態(tài)物料進行定徑，變?yōu)闈M足要求的細小直徑的絲材進行堆積；
5) 出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ埽撼鼋z速度可控，能根據(jù)掃描速度進行調(diào)整，實現(xiàn)互相匹配。出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時起停，以保證高質(zhì)量的成型路徑，尤其是在路徑起停處。
在采用熔絲擠出方式的工藝原理時，就是借助熔化器中未熔絲材的活塞作用，將熔融材料擠出噴嘴，出絲推力近似等于送絲驅(qū)動力，所以在此特定的工藝原理中，送絲功能和基礎(chǔ)功能是等效的。
基于所選擇的打印耗材，噴出技術(shù)采用熔融沉積成型技術(shù)，根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描，同時控制熔融液體的體積流量，使粘稠液體物料均勻地鋪灑在斷面層上。
熔化器中使用電熱絲提供熱量使料絲熔融。熔融擠壓快速成型工藝對溫度的要求極其嚴格，噴頭出絲溫度和成型室的溫度嚴格處于一定的溫度范圍之內(nèi)，且一旦設(shè)定溫度控制值之后，須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài)，不能產(chǎn)生較大的擾動，否則成型質(zhì)量將受到影響。這就要求液化器溫度必須保持穩(wěn)定。因此，我們需要加入上述的溫度控制回路來嚴格控制液化器的溫度。
3D打印機的噴頭系統(tǒng)整體上是分成兩種，一種是近端供料（如圖2.2.1）。這種供料方式是電機和噴嘴連在一起的，電機和齒輪及軸成之間的配合將3D打印材料往噴嘴部分擠壓，從而實現(xiàn)打印的正常進行。
圖2.2.1 3D打印機近端供料噴頭裝置
另一種是遠端供料的。這種供料方式是采用噴嘴和電機分開是方式，而且電機的位置是固定不變的，這樣使得噴嘴那部分的質(zhì)量變得更輕了，打印的時候噴頭運動起來就會更加順暢。
2. 成型平臺與噴頭平臺運動方式的確定
由于工程級3D打印機的成型平臺比較大，為了保證打印過程中平臺的晃動，所以選擇成型平臺固定，噴嘴運動的方式進行設(shè)計。
（三）運動控制的選擇
1. 傳動方式的選擇
直線導軌可分為：滾輪直線導軌和滾珠直線導軌兩種，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度較高。
滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。如圖2.3.1為TBI研磨滾珠絲桿，研磨滾珠絲桿采用了數(shù)控中頻淬火，以確保硬度層的深度均勻一致，又通過精密螺紋磨床加工，其精度可達P1--P2級。
圖2.3.1 TBI研磨滾珠絲桿
1) 與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
2) 高精度的保證
滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度·濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
3) 微進給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。
4) 無側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓，由于予壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性（滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強）。
5) 高速進給可能
滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給（運動）。
2. 轉(zhuǎn)動慣量的計算
滾珠絲杠根據(jù)國家標準JB/T9893－1999，選用長度L=1.22m，公稱直徑D=15mm，公稱導程mmPh40【5】。
對本系統(tǒng)而言，絲杠傳動折算到電機軸上的總慣量為：
Jt=Z1 +JS+JW(kg.m2)++=
其他符號說明如下：
Z1——電機及其軸的轉(zhuǎn)動慣量；J1=0.0018kg.m2；
Js——絲杠轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；
Jw----為工作臺折算到絲杠上的動慣量；
W——工作臺重量，工作臺輕，取10kg（注：兩條絲杠同時工作，座椅工作臺的重量為總重量的1/2）；
S——絲杠螺距，5mm；
g——重力加速度，9.8m/s2；
圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量：J=1/8MD2 ；
M----圓柱體質(zhì)量； D----圓柱體直徑；
而且選用絲杠的密度（類于鐵）為7.8g/m3；
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為：
Js=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )
Jw=10*0.0042/(9.8*4π2)=4.13*10-7( kg.m2 )
從而 Jt=5*10-3 ( kg.m2)。
可見，Jt很小——主要由兩個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量來決定，從而對電機的功率輸出要求不苛刻，在功率不高情況下，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。
這是一個小慣量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動，加速，制動的性能好，反應(yīng)快，比較理想。
3. 直線導軌的特點及選用
1) 直線滾動導軌的特點
(1)導軌的功用本設(shè)計的導向機構(gòu)是導軌，導軌主要是用來支承和引導運動部件沿著一定的軌跡運動。本設(shè)計要求其機械系統(tǒng)的各運動機構(gòu)必需得到安全的支撐，并能準確的完成其特定方向的運動，這個任務(wù)就由導向機構(gòu)來完成。
(2)導軌的分類和特點兩個做相對運動的部件構(gòu)成一對導軌副，其中，在工作時固定不動的配合面稱為固定導軌或靜導軌;相對固定導軌作直線或回轉(zhuǎn)運動的配合面稱為運動導軌。根據(jù)導軌副之間的摩擦情況，導軌分為滑動導軌和滾動導軌兩大類。
滑動導軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點，在機械產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，其兩導軌工作面的摩擦性質(zhì)為滑動摩擦。傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。現(xiàn)隨著技術(shù)進步，己發(fā)展出貼塑導軌、液體靜壓導軌、液體動壓導軌等結(jié)構(gòu)形式。
滾動導軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，一般在0.003-0.004，動、靜摩擦系數(shù)很接近，低速運動不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。滾動導軌的兩導軌面之間為滾動摩擦，磨損小，壽命長，定位精度高，靈敏度高，但是結(jié)構(gòu)復雜，幾何精度要求高，抗震性較差，防護要求高，制造困難，成本高。它適用于工作部件要求移動均勻、動作靈敏以及定位精度高的場合。
滾動導軌因其特有的優(yōu)點在數(shù)控機床上的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在常用的有直線導軌副和滾動導軌塊。直線導軌副一般用滾珠作滾動體，滾動導軌塊用滾子作滾動體。滾動導軌塊由于是線接觸，其承載能力和剛度大，但摩擦力也比較高，加工裝配比較復雜。
直線滾動導軌是近年出現(xiàn)的一種滾動導軌，其突出的優(yōu)點為無間隙，并且能夠施加預緊力。其主要由導軌體、滑塊、鋼球、保持器、返向器、密封端蓋等組成。導軌體固定在
不運動部件上，滑塊固定在運動部件上，通過鋼球的運動把導軌體和滑塊之間的移動變成了滾動。如圖2.3.2所示為上銀微型直線導軌。
圖2.3.2 上銀微型直線導軌
直線滾動導軌除滾動導軌的共性優(yōu)點之外，還有下列特點:
(1)有自調(diào)整能力:安裝基面許用誤差大，使得安裝方便，生產(chǎn)周期短，降低了對配件的加工精度要求;
(2)承載能力大:其滾道采用圓弧形式，增大了滾動體與圓弧滾道的接觸面積，從而大大地提高了導軌的承載能力，可達到平面滾道形式的3倍.
(3)剛性強:在裝配導軌時可預加負荷以提高滾動導軌的剛度，所以滾動導軌在工作時可承受較大的沖擊和振動;
(4)壽命長:由于是純滾動，摩擦系數(shù)是滑動導軌的1/50左右，磨損小，因而壽命長，功耗低，便于機械小型化;
(5)傳動平穩(wěn)可靠:由于摩擦力小，動作輕便，因而定位精度高，微量移動靈活準確;在較差的工作條件下可長時間保持高精度;
(6)可高速運行:直線滾動導軌運行速度可大于60m/min，甚至更高，且潤滑方法簡單，便于維護。
綜合考慮定位精度及運動平穩(wěn)性等技術(shù)要求，比較直線導軌副和滾動導軌塊,采用直線滾動導軌副。
2) 直線滾動導軌的壽命
(1)額定動載荷
額定動載荷是指滾動直線導軌的額定長度壽命t=50km時，作用在滑坐上大小和方向均不變化的載荷。其值可按下式計算
式中，d為鋼球直徑；L為滑座有效長度；Z為有效接觸的鋼球數(shù)
(2)額定行程長度壽命
式中，K為壽命系數(shù)，一般取K=50km，
F為滑座工作載荷；
為行程長度壽命；
為硬度系數(shù)，按表2-1選??；
為溫度系數(shù)，按表2-2選??；
為接觸系數(shù)，按表2-3選??；
為負荷系數(shù)，按表2-4選??；
為額定動載荷；
額定工作時間壽命為
式中：
為額定壽命； 為行程長度壽命； 為工作單行程長度；n為每秒往復次數(shù)（次/s）
表2-1硬度系數(shù)
滾道表面硬度HRC
60
58
55
53
50
45
1.0
0.98
0.90
0.71
0.54
0.38
表2-2溫度系數(shù)
工作溫度
〈100
1.00
100-150
0.90
150-200
0.73
200-250
0.63
表2-3接觸系數(shù)
每根道軌上的滑塊數(shù)
1
1.00
2
0.81
3
0.72
4
0.66
5
0.61
表2-4負荷系數(shù)
工作條件
無外部沖擊或振動的低速運動場合速度小于15m/min
1-1.5
無明顯沖擊或振動的中速運動場合速度小于60m/min
1.5-2
有外部沖擊或振動的高速運動場合速度大于60m/min
2-2.5
1) 對X軸向?qū)к壍挠嬎悖?
在給定的條件載荷2400N。工作臺重1000N,額定工作時間壽命為80000小時。行程長度為500mm
=80000小時
式中為行程長度，n為每分鐘往返次數(shù)
,V為工作臺快速進給速度。有已知條件知V=8m/min，則
由此的
設(shè)滑座數(shù)m=2，所以每根導軌上使用1個滑座，查表取,,,，則有
得
其中
2) 對y軸導軌的計算
其負載為
行程為?
有已知條件知壽命為80000小時小時
由，其中=0.3m, 次/分
則
設(shè)滑座數(shù)m=1，所以每根道軌上使用1個滑座，查表取,,,，則有
得 其中
4. 電機的選擇
采用化繁為簡的思路，將三維打印轉(zhuǎn)化為二維，進而轉(zhuǎn)化為一維打印。即Z方向采用步進電機，由步進電機固定的進給量算出所需的步進角，用這種方式將三維打印先轉(zhuǎn)化為每一平面內(nèi)的二維打印，再由Y方向也為步進電機帶動，則每一平面內(nèi)的二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條直線上的一維打印。通過這個思路，可以知道工程級3D打印機需要5個電機，依次是Z方向需要2個，分別帶動滾珠絲杠的運轉(zhuǎn)；Y方向需要一個，帶動噴頭沿Y方向的直線運動；X方向需要1個雙出軸電機，帶動噴嘴X方向的直線運動；最后需要1個電機控制3D打印材料的擠出（若為多噴頭的3D打印機，則相對應(yīng)的增加電機數(shù)）。
三、總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及修改
（一）噴頭平臺的設(shè)計
如圖3.1.1為了使噴頭平臺變得穩(wěn)固又簡單，整體的框架采取工業(yè)鋁合金型材進行搭建。噴嘴的XY直線運動采用直線導軌和皮帶進行控制，電機帶動皮帶的傳動，皮帶和直線導軌的滑塊相連，噴嘴結(jié)構(gòu)又和滑塊固定在一起。其中X方向采用的是雙出軸電機，帶動X方向上直線導軌的運動。
圖3.1.1 噴頭平臺
電機的選擇計算：
X方向的雙出軸電機靜力矩75N.cm，定位力矩3.5 N.cm，轉(zhuǎn)動慣量72g.cm2，重量470g，轉(zhuǎn)軸的直徑5mm，軸長190mm，軸的重量約0.5kg。
則轉(zhuǎn)軸折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：
J=1/4(r2+h2/3)m=1/4*(2.52+1902/3)*500/10002=1.5 g.cm2
而電機運動時所受到的其他力也不是很大，因此可以看出轉(zhuǎn)軸折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量遠小于電機本身的額定值。
（二）其他關(guān)鍵部件的設(shè)計
對于工程級3D打印機來說，除了噴頭結(jié)構(gòu)需要嚴謹?shù)脑O(shè)計之外，其他的關(guān)鍵部件的設(shè)計也是同樣需要的。比如：皮帶連接件的設(shè)計、絲桿螺母固定件的設(shè)計、底板支撐系統(tǒng)的設(shè)計等等。每個不同的部件作用不一樣，所以要求也是不一樣的。
1. 皮帶同步輪連接件的設(shè)計
皮帶同步輪連接件采用的是U型結(jié)構(gòu)進行設(shè)計（如圖3.2.1所示），兩端各放置一個軸承，使得皮帶輪能夠順暢的轉(zhuǎn)動。皮帶在運動過程中，給同步輪的力是一樣的，但是方向是相反的，所以兩端的同步輪連接件都是采用這種U型結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。因為噴嘴在運動過程中所受到的力不是很大，所以對于這個連接件的要求也不是很高，而這種結(jié)構(gòu)也簡單，也能達到要求。
圖3.2.1 皮帶同步輪連接件
2. 絲桿螺母固定件的設(shè)計及有限元分析
1) 絲桿螺母固定件的設(shè)計
絲桿螺母固定件的設(shè)計如圖3.2.2所示，中間孔為固定絲桿螺母固定位置，兩端則是光軸直線軸承固定孔。兩端直線軸承主要起到導向和保證滾珠絲杠平穩(wěn)的運行。絲桿螺母固定件側(cè)面通過螺栓螺母與型材進行裝配，下面有一段是凸出來的，這一段起到定位基準的作用。這樣可以減少在裝配時帶來的麻煩，能使兩者能準確的裝配起來，同時也可以減少打印時的誤差。
圖3.2.2 絲桿螺母固定件
2) 絲桿螺母固定件的有限元分析
絲桿螺母固定件材料是6061鋁合金，而其所受到的力主要是噴頭平臺的重力，在這取噴頭平臺的總重力為400N，又因為絲桿螺母固定件是有兩個的，所以一個所受的力為總重力的一半。
假設(shè)絲桿螺母固定件與鋁型材接觸的那一面固定，而受力的面為絲桿螺母固定件的上表面及下端突出那段與鋁型材接觸的那一面（如圖3.2.3）。
圖3.2.3 絲桿螺母固定件有限元分析
通過分析可以知道應(yīng)力、位移、應(yīng)變的變化都是在正常范圍內(nèi)，因此絲桿螺母固定件的設(shè)計是完全合理的。分析結(jié)果如圖3.2.4、3.2.5、3.2.6所示，分別為應(yīng)力、位移、應(yīng)變分析結(jié)果：
圖3.2.4 應(yīng)力分析結(jié)果
圖3.2.5 位移分析結(jié)果
圖3.2.6 應(yīng)變分析結(jié)果
3. 底板支撐系統(tǒng)的設(shè)計
由于我設(shè)計時選擇的外殼是實驗室之前實驗留下來的一個金屬框，其結(jié)構(gòu)使得底板支撐需要借助工業(yè)鋁合金型材進行設(shè)計（如圖3.2.7所示）。最底下是兩根與金屬框同寬長的型材，兩端各固定在金屬框的底板上；而真正固定底板的是四條豎起來的工業(yè)鋁合金型材，這四條型材不僅起到支撐底板的作用，還有調(diào)節(jié)底板水平的作用，通過型材角件的上下調(diào)整從而達到調(diào)節(jié)底板水平的作用。
圖3.2.7 底板支撐系統(tǒng)
（三）裝配體的整體修改
繪制完整個裝配體之后，再對其中一些需要修改的地方進行修改，保證工程級3D打印機實物能順利的加工并裝配出來。
例如在設(shè)計噴頭固定桿時，一開始沒有考慮到定位基準的問題，這樣使得裝配時會有很大的誤差，且不好定位。在經(jīng)過認真考慮后，將此零件設(shè)計成如圖3.3.1所示。
圖3.3.1 噴頭固定桿
這種設(shè)計不僅減少在裝配過程中定位所用的時間，還減少了隨著使用時間的增加而導致的誤差。
最后確定無誤后即可將需要加工的零件繪制成圖紙，并將整個裝配體繪制一張A0工程圖。
四、配件的加工及裝配
（一）配件的加工
在配件加工之前，一定要仔細的繪制圖紙，不僅僅尺寸要完整，其他一些公差等信息也要表明，防止加工出來的零件達不到標準，而影響3D打印機的精度。最后將繪制好的圖紙給商家加工，并保持和商家之間的聯(lián)系。
（二）機器的裝配及線路的連接
零件加工好后，開始對機器進行裝配（裝配圖如圖4.2.1所示）。在裝配過程中，要盡可能的減少裝配誤差，這是提高打印機精度的重要因素。在裝配過程中要做到輕拿輕放，有些精度要求的零件需要特別注意。
圖4.2.1 裝配體
同時在裝配完了之后，將線路完好無缺的連接起來，保證機器能正常的運行。
五、機器調(diào)試
最后將裝配好的機器進行調(diào)試，從而使得機器能夠順利的工作。調(diào)試時不僅要將噴頭的性能調(diào)到最好，還要將平臺及噴頭平臺的位置調(diào)整好，并確定打印范圍。
工程級3D打印機控制軟件Cura的介紹：
Cura是一款智能的前端顯示，調(diào)整大小，切片和打印的軟件。相對其他控制軟件來說，優(yōu)點在于圖形化界面，簡單易用。界面如圖5.1所示：
圖5.1 Cura軟件界面
六、總結(jié)
隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計也接近了尾聲。經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這幾年來所學知識的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。
在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學關(guān)系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。
我的心得也就這么多了，總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值!有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。
參考文獻
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［2］（美）利普森，（美）庫曼著.賽迪研究院專家組譯.《3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實》.中信出版社，2013年4月.
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［10］楊小玲，周天瑞.《三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用》，浙江科技學院學報，2009,21(3):78-80.
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［12］胡發(fā)宗，趙毅等.《三維立體打印機的成形技術(shù)》，上海交通大學，2012年8月.
致謝
首先要感謝我的指導老師謝老師對我悉心的指導，感謝老師給我的幫助。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。大學四年就會在這最后的畢業(yè)設(shè)計總結(jié)劃上一個圓滿的句號。我曾經(jīng)以為時間是一個不快不慢的東西，但現(xiàn)在我感到時間過的是多么的飛快，四年了，感覺就在一眨眼之間結(jié)束了我的大學生涯。畢業(yè)，最重要的一個過程，最能把理論知識運用到實踐當中的過程就數(shù)畢業(yè)設(shè)計了。這也是我們從一個學生走向社會的一個轉(zhuǎn)折，另一個生命歷程的開始。
另外，我要感謝我的實驗室老師陳盛貴和孫振忠教授和實驗室的師弟們。如果不是陳老師，我可能不會接觸到3D打印這個前沿的技術(shù)，非常感謝老師給予我的創(chuàng)作平臺和技術(shù)指導。同時老師的魄力和做事態(tài)度，都深深的影響著我。感謝孫振忠教授對我項目研發(fā)的支持，每次大賽前都為我講解技術(shù)的疑難。我還要感謝實驗室的師弟們，感謝你們一直配合我的工作，感謝你們一直默默為實驗室付出。
26
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題 目： 基于FDM技術(shù)的工程級3D打印機的研制
學生姓名：
專業(yè)班級：
指導教師：
?開題報告填寫要求
?
1．開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見審查后生效。
?
2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫，或按統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式打印(教務(wù)處網(wǎng)頁)，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導教師簽署意見。
?
3．學生查閱資料的參考文獻應(yīng)在3篇及以上（不包括辭典、手冊），開題報告的字數(shù)要在1000字以上。
?
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2006年7月25日”或“2006-07-25”。
?
?
?
畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告
本課題的研究意義
這幾年來，3D打印這個話題被越炒越熱，繼而出現(xiàn)了3D打印飛機、房子、骨骼、細胞等等。有人甚至稱3D打印將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命。
實際上3D打印在很久以前已經(jīng)被應(yīng)用了，它也被稱為快速成型技術(shù)。2008年reprap桌面級3D打印機被英國巴斯大學的機械工程高級講師Adrian Bowyer博士研制出來，受到廣泛的關(guān)注。而且reprap還將其資料進行了開源，因此推動了桌面級3D打印機的發(fā)展。由此產(chǎn)生了各種各樣的商業(yè)級的桌面級3D打印機makerbot、ultimater等等，一系列不同結(jié)構(gòu)的3D打印機。目前桌面級的3D打印機都有一個很大的缺陷，那就是打印范圍太小。因此對于打印范圍大的3D打印機（即工程級3D打印機）的研制具有很大的意義。
工程級3D打印機的結(jié)構(gòu)相對桌面級的其實差不多，但是考慮到其體積的變大需要考慮的細節(jié)就更多，設(shè)計起來會更繁瑣。目前世界上屬BigRep公司的BigRep One.2最具代表性，它可以全尺寸的建造家具，打印出來的效果也特別好。
對于工程級3D打印機的研制是3D打印機發(fā)展過程中必須要經(jīng)歷的一個階段，讓我們拭目以待。
本課題的基本內(nèi)容
1. 查找相關(guān)快速成型書籍資料，認真閱讀、理解，掌握3D打印技術(shù)，了解3D打印在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；
2. 深入探討工程級3D打印機的結(jié)構(gòu)，準備設(shè)計工作；
3. 設(shè)計并制造一臺工程級3D打印機；
4. 認真完成設(shè)計說明書；
5. 準備答辯。
畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告
本課題的重點和難點
重點：工程級3D打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動控制。
難點：在設(shè)計過程中如何減少加工誤差和裝配誤差是設(shè)計的難點，同時如何提高3D打印機的精度也是難點之一。
說明書提綱
1. 緒論
1.1 本課題研究背景和意義
1.2 3D打印在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及工程級3D打印機的應(yīng)用
2. 工程級3D打印機的結(jié)構(gòu)分析
2.1 整體框架的選擇
2.2 噴頭、平臺等關(guān)鍵部件的分析探討
2.3 運動控制的選擇
3. 總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及修改
3.1 噴頭平臺的設(shè)計
3.2 其他關(guān)鍵部件的設(shè)計
3.3 裝配體的整體修改
4. 配件的加工及裝配
4.1 配件的加工
4.2 機器的裝配及線路的連接
5. 機器調(diào)試
6. 總結(jié)
畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告
參考文獻
1.Brian Evans著；程晨譯.解析3D打印機：3D打印機的科學與藝術(shù).機械工程出版社.2013.11
2.（美）利普森，（美）庫曼著；賽迪研究院專家組譯.3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實.中信出版社.2013.4
3.吳懷宇.3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造.電子工業(yè)出版社.2014.1
4.中國機械工程學會編.3D打印：打印未來.中國科學技術(shù)出版社.2013.6
研究進度
1. 收集資料、查閱文獻： 2015年1月10日——2015年3月1日；
2. 完成開題報告： 2015年3月2日——2015年3月9日；
3. 工程級3D打印機結(jié)構(gòu)分析、制定總體設(shè)計方案： 2015年3月10日——2015年3月24日
4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計并制作樣機： 2015年3月25日——2015年5月5日
5. 編寫畢業(yè)設(shè)計說明書: 2015年5月6日——2015年5月13日
6. 答辯及準備: 2015年5月14日——2015年5月30 日
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畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告
指導教師意見：
（對本課題的深度、廣度及工作量的意見）
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? 指導教師：
年 月 日
系審查意見：
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系負責人：
年 月 日
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