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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報告
論文題目：FDM型3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
專業(yè)班級：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
開題時間： 年04月
1.1課題的意義
3D打印(3D printing，又稱三維打印)是一種快速成形技術(shù)，由意大利發(fā)明家恩里科·迪尼設(shè)計(jì)發(fā)明，理論上這款打印機(jī)可以打印出任何東西[1]。它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期就己出現(xiàn)，但由于價格昂貴，技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推普及。經(jīng)過20多年的發(fā)展，該技術(shù)已更加?jì)故臁⒕_，且價格有所降低。
目前，3D打印技術(shù)己經(jīng)應(yīng)用到許多學(xué)科領(lǐng)域，在生產(chǎn)應(yīng)用方面有著巨大的潛力。3D打印技術(shù)在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航天、牙科及醫(yī)療方面都能得到廣泛的應(yīng)用[2]。
工程師和工業(yè)設(shè)計(jì)師利用3D打印將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換為原型并測試;外科醫(yī)生使用3D打印制作器官模型以協(xié)助策劃復(fù)雜的手術(shù)方案;考古學(xué)家和博物館的技師利用3D打印制作珍貴文物的復(fù)制品，并在此基礎(chǔ)上開展研究。這樣的創(chuàng)新應(yīng)用正不斷進(jìn)入大眾的視野[3]。
3D打印也為教育行業(yè)打開了一扇新窗，一些教育機(jī)構(gòu)和組織正在研究。探索如何將該技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)和學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅可以享受到這種最新潮技術(shù)輔助教學(xué)的便利以及各種創(chuàng)新用法，還可以此作為促進(jìn)他們學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)技能的推動力，更會對他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[3]。
第三次工業(yè)革命又稱為數(shù)字化革命?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)達(dá)、手機(jī)的普及正將我們包裹在用數(shù)字構(gòu)成的縱橫交錯大網(wǎng)中。在這個階段，制造業(yè)會受到影響，發(fā)生巨大變化，商品的制作方式將改變，就業(yè)格局也將打破[1]。
3D打印機(jī)也將改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式以及企業(yè)之間的生產(chǎn)關(guān)系，同時為創(chuàng)業(yè)者提供更多的機(jī)會，打破傳統(tǒng)創(chuàng)業(yè)時遇到的困難。大企業(yè)可以不用通過遷廠和在其它國家購買零部件來降低生產(chǎn)成本，尤其能鼓勵一部分制造行業(yè)回遷發(fā)達(dá)國家。小企業(yè)也隨著制造業(yè)小批量生產(chǎn)可能變得更加劃算，而也有了和大企業(yè)競爭、抗衡的機(jī)會，甚至懷揣老板夢的打工一族也可以不用因?yàn)闆]有雄厚的資金而停止對夢想的追逐。不管大件物品還是小件物品都無需在生產(chǎn)車間進(jìn)行生產(chǎn)，不管是辦公室、商店或者是自己的家里，任何地方，都可以根據(jù)自己的需要選擇而沒有地域限制[1]。
基于以上的論述，3D打印機(jī)對制造業(yè)的發(fā)展已帶來革命性的發(fā)展，其意義主要體現(xiàn)在以下三個方面：
一是制造工藝的深刻變革。3D打印的特點(diǎn)在于通過逐層堆積材料進(jìn)行加工，而不是通過去除多余材料進(jìn)行加工。因此，這項(xiàng)工藝也被稱作“堆積制造”或“添加制造”。這改變了通過對原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時問，帶來了制造工藝的深刻變革。
二是制造技術(shù)的重大飛躍。3D打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識，3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動包括新材料技術(shù)、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)大的飛躍。
三是制造模式的一次“革命”。3D打印作為一種新的加工工藝，將改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3D打印機(jī)的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場的時問，產(chǎn)品用戶只要簡單下載設(shè)計(jì)圖在數(shù)小時內(nèi)通過3D打印將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要庫存大量的零部件，不需要大量的工人[4]。
1.2課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 3D打印機(jī)的總體發(fā)展趨勢
3D打印機(jī)的總體發(fā)展趨勢是更小巧，更便宜，更具有普及化。發(fā)展路線是由實(shí)驗(yàn)室走向企業(yè)，由軍工向重工繼而向民用。越來越貼近的走進(jìn)我們的生活之中。
如在尺寸方面，這項(xiàng)技術(shù)變得更小巧，尤其是在噴塑打印機(jī)這一類[5]。
在價格方面，在近24個月里，價格跌到了3D打印吸引更廣泛受眾的價位[5]。
能夠打印工業(yè)制造原型的商用機(jī)型以前價格一度高達(dá)10萬美元，如今起價只要約15000美元，而面向愛好者和教育市場的個人3D打印機(jī)售價更是不到1500美元[5]。
在使用方面則更具普及化，目前3D打印技術(shù)支持多種材料，可以廣泛應(yīng)用在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航天、牙科、醫(yī)療甚至美食等不同領(lǐng)域[6]。
1．2．2國外3D打印機(jī)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
對于3D打印機(jī)在國外的發(fā)展情況，整體上要領(lǐng)先國內(nèi)。這種領(lǐng)先不僅體現(xiàn)在純粹的技術(shù)方面。而更加體現(xiàn)在普及度，市場化和商業(yè)化等方面。
3D打印技術(shù)經(jīng)過十多年的探索與發(fā)展，日前能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。當(dāng)然受到噴墨打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，目前較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實(shí)現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達(dá)24位。
2010年2月，Invetech公司和Crganovo醫(yī)學(xué)公司合作，研制出了首臺商業(yè)化的3D生物打印機(jī)，對提取的活體進(jìn)行組合排列，打印出所需要的細(xì)胞，誤差可以控制在20微米之內(nèi)，能夠打印人體的組織和器官，包括動脈和靜脈而管以及小到牙齒、大到血管網(wǎng)在內(nèi)的身體器官。
2010年5月。意大利發(fā)明家恩眼科·迪尼成功研制出一種叫做“D外形”的大型二維打印機(jī)，能夠掃印山整個立體建筑體。“D外形”二維打印機(jī)的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴灑出沙子和鎂質(zhì)鉆合物薄層。打印機(jī)噴頭打印出的每個薄層僅有5—10毫米厚，通過一層層地將黏合物和沙子結(jié)合，可逐漸鑄成石質(zhì)固體，最終形成與巖石一樣堅(jiān)固的石質(zhì)建筑物，已建造出內(nèi)曲線、分割體導(dǎo)管和中空柱等各種建筑結(jié)構(gòu)，且打印建筑物的速度是普通建筑方法的4倍，幾乎不會產(chǎn)生廢棄物，十分環(huán)保。
2010年9月，美國科學(xué)家發(fā)明了一種可打印出塑料立體物品的3D打印機(jī)，美國醫(yī)療行業(yè)生產(chǎn)模型公司用3D打印機(jī)“打印”出擁有完美功能的假肢。
2010年11月，美國與加拿大兩家公司研制成功全球首輛利用3D打印枝術(shù)制造的Urbee雙座汽車。Urbee用電池和汽油作為混合動力，每加侖汽油能夠在高速公路上行駛320公里。
2010年12月，美國康奈爾大學(xué)科研人員研制出3D食物打印機(jī)，只要把“食物墨水”預(yù)先放進(jìn)一組注射器內(nèi)，再下載食譜軟件“FabApp”，機(jī)器便會根據(jù)電子設(shè)計(jì)圖，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，令各種“墨水”按照指令準(zhǔn)確落墨，逐行逐層“打印”出立體食物。
2011年1月，美國公司開發(fā)出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印機(jī)，能在幾分鐘內(nèi)用塑料打造出結(jié)構(gòu)簡單的塑料物品。如浴缸、塑料瓶、鏡框、支架墊、螺帽等，以及任何幾何形狀物休。
2011年1月，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用了一臺Objec公司生產(chǎn)的Connex500成功“打印”出了一只長笛。
2011年6月，時裝設(shè)計(jì)師瑪麗黃與3D模型專家詹娜費(fèi)瑟利用Rhino 3DCAD設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)造出3D打印泳衣的藍(lán)圖，然后通過3D打印機(jī)打印出比基尼泳衣，最薄處僅為0.7毫米。由于使用了尼龍12材料，質(zhì)地非常柔軟而且不易破裂。
2011年7月，英國倫敦皇家藝術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)山“太陽能燒結(jié)”3D打印機(jī)。能在全自動的情況下將陽光和沙子轉(zhuǎn)化成玻璃制品。它運(yùn)用了燒結(jié)技術(shù)。先是將一些沙子加熱至熔點(diǎn)，然后再將它們冷卻并凝結(jié)成固體（即變成玻璃）。此外，這臺3D打印機(jī)還能自動移動到合適的位置，以獲取最多的大陽光射線融化。
2011年7月，英國?？撕卮髮W(xué)的研究人員開發(fā)出世界第一款使用液態(tài)巧克力作為“油墨”的 "3D巧克力打印機(jī)”。可以打印出既有實(shí)用功效又不乏食用價值的巧克力日用品和服裝。
2011年7月，美國明尼蘇達(dá)州廠商開發(fā)出Stratasys Fortes 250mc 3D打印機(jī)。它使用ABSplus塑料進(jìn)行3D打印，可注入多種顏色的塑料，支持0.007英寸、0.01英寸和0.013英寸3種厚度的單層材料輸出，可以打印出形狀較為準(zhǔn)確的磨具、工藝品。
2011年8月，英國南安普敦大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)并放飛了世界第一架“打印”出來的飛機(jī)“SULSA”，這是一種無人駕駛飛機(jī)，整個結(jié)構(gòu)均采用這種“打印”方式，包括機(jī)翼、整體控制面和艙門?！癝ULSA”使用ROS ROSINT P730尼龍激光燒結(jié)機(jī)打印，通過層層打印的方式，整架飛機(jī)可在幾分鐘內(nèi)完成組裝并且無須任何工具。這款電動機(jī)翼展2米，最高時速接近160公里[7]。
目前的全球3D打印機(jī)行業(yè)，美國ZCorporation和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占有絕大多數(shù)市場份額。美國Stratasys公司率先推出了基于FDM技術(shù)的快速成型機(jī)，并很快發(fā)布了基于FDM的Dimension系列3D打印機(jī)。FDM枝術(shù)有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，適合汽車、家電電動工具、機(jī)械加工、精密鑄造及工藝品制作等領(lǐng)域。
第一臺商用的3D打印機(jī)出現(xiàn)在1986年，但3D打印技術(shù)的真正確立是以美國麻省理工大學(xué)的Scans E.M.和CimaMJ.等人于1991年申報的關(guān)于三維打印專利為標(biāo)志的。目前，在3D打印領(lǐng)域比較著名的公司有3DSystem、Z-corporation等。
經(jīng)歷十多年的探索和發(fā)展后，3D打印無論在技術(shù)、造價，還是應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了長足的進(jìn)步。在打印技術(shù)方面，目前，主流打印機(jī)能夠在0.01 mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi分辨率的打印精度，較先進(jìn)的產(chǎn)品己經(jīng)具備每小時1英寸以上的垂直打印速率，并可實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩色打印iii用于打印的材料涵蓋從石料。金屬到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，己經(jīng)開發(fā)出的可打印材料約為14類，可混搭出一百多種耗材。在造價方面，3D打印機(jī)的售價正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售價己經(jīng)下降到2199美元，高端的Replicator 2X也僅售2799美元，預(yù)計(jì)幾年后家用型的3D打印會降價到100美元以內(nèi)[3]。
瑪麗·華盛頓大學(xué)的教師在 2012年的設(shè)計(jì)入門課程中使用3D打印機(jī)作為學(xué)習(xí)環(huán)境。由學(xué)生掃描實(shí)物或自己設(shè)計(jì)出物品，打印出原型，并在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)和改進(jìn)。在FullSail大學(xué)，學(xué)生們使用該技術(shù)制作3D漫畫人物，他們利用三維軟件設(shè)計(jì)人偶并打印出塑料模型。美國弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生通過3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛，飛機(jī)的所有零部件都是通過3D打印制造的。美國國家科學(xué)基金會(NSF)的數(shù)字圖書館項(xiàng)目提供了很多3D動物和器官結(jié)構(gòu)模型，包括無脊椎和脊椎生物，很多是己滅絕生物。該項(xiàng)目的參與者正在掃描并打印復(fù)制占人類化石。哈佛大學(xué)博物館的研究人員也在利用計(jì)算機(jī)為收集到的殘缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出復(fù)制品[3]。
同時國外3D打印機(jī)的商業(yè)化、普及化、工業(yè)應(yīng)用上也發(fā)展的相對成熟。美國的3DSystems公司這些年不僅將市場放在重工方面，除了生產(chǎn)價值500萬的重工產(chǎn)品外，還生產(chǎn)可以打印吉他等玩具的產(chǎn)品。3DSystems公司為消費(fèi)者提供了結(jié)合功能性和適應(yīng)性的最佳產(chǎn)品，他們推出的打印機(jī)無須組裝，使用簡單的“彩色圖木”設(shè)計(jì)界而進(jìn)行操作。毫無疑問，家長們希望自己的孩子玩的東西，不要像高中手工課的組裝作品那么復(fù)雜。除了簡單，3DSystems公司還推出預(yù)先制作的應(yīng)用程序，提供給最有創(chuàng)意的Cube 3D打印機(jī)用戶，讓他們使用免費(fèi)軟件自己繪制設(shè)計(jì)圖。同時該公司的BoM HBD打印機(jī)也提供按需定制的服務(wù)。對于企業(yè)用戶來說，3DSystems公司還為他們提供了在網(wǎng)上銷售設(shè)計(jì)產(chǎn)品的渠道。這些在行業(yè)中的主導(dǎo)優(yōu)勢，讓3DSystems公司一直運(yùn)行良好，目前的毛利潤率接近50% [7]。
1．2．3國內(nèi)3D打印機(jī)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代，我國國內(nèi)有多所高校自主研發(fā)RP技術(shù)，但是沒有一款達(dá)到國際水平的3D打印機(jī)成功推向市場。清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué)理論。SSM分層實(shí)體制造、FDM上藝，并開展了基于SL工藝金屬模具的研究;華中科技大學(xué)研究LOM(分層實(shí)體制造)工藝，推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料;西安交通大學(xué)開發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。我國港臺地區(qū)的很多高校、企業(yè)都有自己的3D打印設(shè)備，RP技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，但并非自主研發(fā)[7]。
在中國的大學(xué)校園中有很多的實(shí)驗(yàn)室或研發(fā)中心，華中科技大學(xué)的快速成型機(jī)制造中心成立于1991年，到現(xiàn)在整整21年，在這一過程中研發(fā)了不少的3D打印機(jī)。2000年，該中心研發(fā)出0.1m×0.1m工作面的基于粉末床的快速制造裝備，2003年，擴(kuò)大到0.5m×0.5m，超過了當(dāng)時代表國際先進(jìn)水平的美國3DSystems公司，2005年以后，工作面達(dá)到1m×1m以上，據(jù)媒體稱，這一產(chǎn)品的問世遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國外同類裝備水平[8]。
但在商業(yè)化和普及化方面，我國的發(fā)展卻不及國外的水平。
例如將這些成品產(chǎn)品化，似乎將會帶了一次新的制造業(yè)革命，事實(shí)上，我國普通民眾對它還知之甚少。
同時我國也存在市場錯位的問題。由于史玉升研究團(tuán)隊(duì)研制出了世界上最大的3D打印機(jī)，中央電視臺《我愛發(fā)明》節(jié)目組專門為他們做了一期節(jié)目，制作平時常用的生活用品，讓人們對未來有無限的想象，也勾起了大眾對3D打印機(jī)進(jìn)入普通家庭的遐想，然而市場反應(yīng)讓人失望。目前在A股上市公司中僅一家直接涉及到該領(lǐng)域，其中南風(fēng)股份和中航重工主要依托于北京航空航天大學(xué)王華明的團(tuán)隊(duì)，華中數(shù)控主要依托于華中科技大學(xué)的史玉升研究團(tuán)隊(duì)，隨著這幾家公司宣布進(jìn)入3D打印領(lǐng)域，他們的股價短期上漲后便開始大幅同落。這三家上市公司將市場放在了軍工、航空、核電等方面，民用方面無人問津[8]。
所以我國3D打印機(jī)的發(fā)展不僅要在技術(shù)方面要有長足的發(fā)展，繼續(xù)突破，追趕世界水平。同時，在市場營銷，產(chǎn)品推廣，使用普及方面也應(yīng)該有所發(fā)展。
1.3課題的目的
通過對國內(nèi)外目前3D打印機(jī)的發(fā)展水平的分析，此次課題的目的首先是在技術(shù)方面進(jìn)行探索，進(jìn)行3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)。同時也應(yīng)對3D打印機(jī)的推廣及普及有所作用。
2. 主要工作及理論方法
本文運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等的基本理論及相關(guān)知識，對3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究及設(shè)計(jì)。該論文的主要內(nèi)容包括：
(1)整體尺寸的確定；
(2)動力及傳動方法選擇及確定；
(3)進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)；
(4)機(jī)床防護(hù)門的設(shè)計(jì)。
3. 預(yù)計(jì)困難及解決方法
(1)首先自己之前對3D打印技術(shù)了解較少，也沒有過全面的對實(shí)物的觀測，對3D打印機(jī)的具體結(jié)構(gòu)比較朦朧。應(yīng)該通過多看相關(guān)的書籍，查看相關(guān)資料，以及向老師請教；
(2)英文文獻(xiàn)相關(guān)資料少，查找比較困難，英語水平有限，翻譯需要些時間；
(3)缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和方法,在實(shí)際的工作過程中可能還會遇到很多沒有考慮到的問題。
4. 進(jìn)度安排
步驟
周次
工 作 內(nèi) 容 安 排
1
3月17日-3月23日
查閱資料，了解課題內(nèi)容
2
3月24日-3月30日
按要求完成外文資料的翻譯
3
3月31日-4月6日
在了解相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，完成開題報告的撰寫
4
4月7日-4月13日
總體結(jié)構(gòu)方案討論，初步確定
5
4月14日-4月20日
總體支撐方案設(shè)計(jì)
6
4月21日-4月27日
傳動方式的計(jì)算機(jī)確定
7
4月28日-5月4 日
托板（工作臺）傳動及運(yùn)動設(shè)計(jì)與計(jì)算
8
5月5日-5月11日
工作臺關(guān)鍵件校核
9
5月12日-5月18日
打印頭部分傳動及運(yùn)動設(shè)計(jì)與計(jì)算
10
5月19日-5月25日
打印頭部分與關(guān)鍵件校核
11
5月26日-6月1 日
總裝圖設(shè)計(jì)及校對
12
6月2日-6月8 日
部件圖設(shè)計(jì)及校對
13
6月9日-6月15日
撰寫論文
14
6月16日-6月22日
論文及圖紙的完善、修改
15
6月23日-6月29日
準(zhǔn)備答辯
5.參考文獻(xiàn)
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