Prusa i3型3D打印機設(shè)計,Prusa,i3型3D打印機設(shè)計,i3,打印機,設(shè)計 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目： Prusa i3 型 3D 打印機設(shè)計 學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機英 142 學(xué) 生 姓 名： 王金朋 指導(dǎo)教師（職稱）： 劉安生（副教授） 2018 年 1 月 5 日填 1 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）； 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計）進度計劃。 四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實驗或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學(xué)生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計）工作，否則不允許 參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打印）。 2 一、選題依據(jù) 1論文（設(shè)計）題目 Prusa i3 型 3D 打印機設(shè)計 2研究領(lǐng)域 機械設(shè)計 3論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 3D 打印機技術(shù)是機械制造 中進行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段 3D 打印帶 來了全世界性制造業(yè)革命，它無 需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生 成任何形狀的物體。 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 論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實準(zhǔn)確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備 進行修復(fù)。 從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極大的降低了新品開發(fā)的成 本及風(fēng)險。 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，基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對材料的機 械性能需求。 3D 打印技術(shù)已經(jīng)運用在醫(yī)療行業(yè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品原型、文物保護、建筑設(shè)計、 制造業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、汽車制造業(yè)和配飾制造等領(lǐng)域中，為這些領(lǐng)域帶來革命性的改變。 在工業(yè)中， 3D 打印機很難用于批量生產(chǎn)，因為對比于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)還有一定 的障礙，所以在工業(yè)中一般用于產(chǎn)品的開發(fā)研制，設(shè)計師可以把設(shè)計好的產(chǎn)品用 3D 打印機很快地制造出來，然后根據(jù)實際需要來繼續(xù)下一步的研發(fā)，大大降低了研發(fā)的 成本，還提升了研發(fā)速度。 3D 打印機還可以用于藝術(shù)雕塑品的制作，有些工藝設(shè)計 品難以用傳統(tǒng)工藝制造出來，而利用 3D 打印機，只需把作品的模型參數(shù)輸入電腦， 打印出來，而且還打破了材料的局限和工藝的限制，使得藝術(shù)品更具可觀性。 4目前研究的概況和發(fā)展趨勢 第一臺商用的 3D 打印機出現(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 Cima M.J.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 3D System、 Z-Corporation、 Object Geometries 等。 在國外 ， 經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展， 3D 打印技術(shù)有了長足的進步， 目前已經(jīng)能夠在 0.01mm 的單層厚度上實現(xiàn) 600dpi 的精細(xì)分辨率。在歐美發(fā)達(dá)國家， 3D 打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式，如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造 業(yè)等領(lǐng)域， 3D 打印技術(shù)可以以較低的成本、較高 的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完 成復(fù)雜而精細(xì)的造型。 在國內(nèi)，自 20 世紀(jì) 90 年代以來，國內(nèi)多所高校開展了 3D 打印技術(shù)的自主研發(fā)。 中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置， 有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng) 用。但總體而言，國內(nèi) 3D 技術(shù)的研發(fā)水平還有較大差距。我國港臺地區(qū)很多高校和 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)。國產(chǎn) 3D 打 3 印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技 術(shù)水平有待進一步提升。 3D 打印既是制造業(yè)，更是服務(wù)業(yè)。 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈涉及到很多環(huán)節(jié)，包 括 3D 打 印機設(shè)備制造商、 3D 模型軟件供應(yīng)商、 3D 打印機服務(wù)商和 3D 打印材料的供應(yīng)商。 因此圍繞 3D 打印的產(chǎn)業(yè)鏈會產(chǎn)生很多機會。 隨著智能制造，控制技術(shù)，材料技術(shù)，信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也 被廣泛地綜合應(yīng)用與制造工業(yè)， 3D 打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷 化以及通用化等主要趨勢。提升 3D 打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù) 打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能， 以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的 3D 打印材料，如智能材料、功能梯度 材料、納米材料、 非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成 為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點； 3D 打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉， 操作更簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需 求；軟件集成化，實現(xiàn) CAD/CAPP/RP 的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無 縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造，拓展 3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、 建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。 從長期來看， 3D 打印技術(shù)其實就是顛覆性、破壞性的技術(shù)。盡管 3D 打印主要適 用于小批量生產(chǎn)，但是其打印的產(chǎn)品 可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品 更輕 便、更堅固、定制化、直接組裝成型。 3D 打印的另一個顛覆性特征是：單臺機器能 創(chuàng)建各種完全不同的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)制造方式需要改變流水線才能完成定制生產(chǎn)，其過 程需要昂貴的設(shè)備投資和長時間的工廠停機。不難想象，未來的工廠可以用同一個車 間的 3D 打印機既制造茶杯，又制造汽車零部件和量身定制的醫(yī)療產(chǎn)品。 4 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 （ 1） 3D 打印機總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 （ 2） 3D 打印機傳動方案設(shè)計計算 （ 3） 3D 打印機擠出機噴頭設(shè)計 2.擬開展研究的幾個主要方 面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） 通過設(shè)計計算 ， CAD/SOLIDWORKS 繪圖 ，查閱設(shè)計手冊，參考文獻(xiàn)等相關(guān)設(shè)計 資料，進行 3D 打印快速模型制造設(shè)備的設(shè)計并最終完成 3D 打印機的零件圖、裝配 圖、 CAD 圖及相關(guān)設(shè)計說明書。 論文寫作大綱 ： 1緒論 1.1 三維打印技術(shù)簡介 1.2 3D 打印機概述 1.3 國內(nèi)外 3D 打印機技術(shù)水平及發(fā)展概況 1.4 3D 打印機工作原理及過程 1.5 設(shè)計思路及主要問題 2. 總體設(shè)計方案選擇 3. 3D 打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 總體框架設(shè)計 3.2 X、 Y 軸傳動方案 設(shè)計 3.3 Z 軸傳動方案設(shè)計 3.4 噴頭、擠出機設(shè)計 3.5 X、 Y、 Z 軸限位方式設(shè)計 4. 傳動元件及傳感器選擇 4.1 絲杠選擇 4.2 伺服電機和步進電機對比選擇 4.3 限位傳感器選擇 4.4 溫度傳感器選擇 5. 總結(jié) 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 （ 1） 3D 打印機總體設(shè)計方案 （ 2） 3D 打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 （ 3） 3D 打印機 CAD 圖紙 （ 4） 3D 打印機 SW 裝配建模 5 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 對 3D 打印機 結(jié)構(gòu)進行研究，結(jié)合實際設(shè)計合 理的機構(gòu)并進行計算， 并選擇合理 的傳動方式，最終完成對 3D 打印機的研究。 2.論文（設(shè)計）進度計劃 第 1 周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解設(shè)計內(nèi)容； 第 2 周：初步方案設(shè)計； 第 3 周：總體方案設(shè)計； 第 4 周：撰寫并完善開題報告； 第 56 周： 3D 打印機噴頭部分研究設(shè)計； 第 79 周： 3D 打印機設(shè)計各部分零部件設(shè)計計算； 第 10 周： 3D 打印機設(shè)計各部分零部件設(shè)計計算； 第 1112 周：繪制相關(guān)圖紙； 第 13 周：撰寫設(shè)計說明書； 第 14 周：完善 畢業(yè)設(shè)計各項 內(nèi)容，準(zhǔn)備答辯。 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) 1 廖漢元 ,孔建益 .機械原理 M.北京 :機械工業(yè)出版社 ,2012. 2 濮良貴 ,陳國定 ,吳立言 .機械設(shè)計 (第九版 )M.北京 :高等教育出版社 ,2013. 3 成大先 .機械設(shè)計手冊 M.北京 :化學(xué)出版社 ,2002. 4 程光仁等 .滾珠螺旋傳動設(shè)計基礎(chǔ) M.北京：機械工業(yè)出版社 ,2007. 5 劉厚才 ,莫健華 .三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用 J機械科學(xué)與技術(shù) ,2008,(9):12-14. 6 饒振剛 ,田勇衛(wèi) .滾珠絲杠副及自鎖裝置 M.北京：國防工業(yè)出版社 ,1990. 7 徐進 .絲杠升降機構(gòu)傳動可靠性設(shè)計研究 J.煤礦機械 ,2003,（ 10）： 34-39. 8 代仕平 ,張娜 .基于滾珠絲杠副的升降機構(gòu)設(shè)計 J.八一科技 ,2011,（ 1） :50-52. 9 陳步慶 ,林柳蘭 ,等三維打印技術(shù)及系統(tǒng)研究 J機電一體化 ,2005,（ 4） :31-32. 10田地銀 ,田云 .關(guān)于滾珠絲杠的選擇 J.電子工藝技術(shù) ,1997,(18)： 18-25. 11蔡恩澤 .3D 打印顛覆傳統(tǒng)制造業(yè) J.中國中小企業(yè) ,2012,（ 11） :46-47. 12Lischke F, Tovar A. Design of Self-Supported 3D Printed Parts for Fused Deposition ModelingC/ ASME 2016 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2016:V004T05A009. 13Beaman J, Bourell D, Wallace D. Special Issue: Additive Manufacturing (AM) and 3D PrintingJ. Journal of Manufacturing Science 缺點是價格昂貴，可用材 料種類有限，制成品在光照下會逐漸解體。 選擇性激光燒結(jié)打印 ( SLS) 是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結(jié)在一起形成 零件。 SLS 工藝的優(yōu)點是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚 丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等，打印時無需支撐，打印的零件 機械 性能好、強度高 ; 缺點是材料粉末比較松散，燒結(jié)后成型精度不高，且高功率的 激光器價格昂貴。 熔融沉積打印 ( FDM) 是采用熱融噴頭，使塑性纖維材料經(jīng)熔化后從噴頭內(nèi)擠壓 而出，并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式，其優(yōu)點是價格 低廉、體積小、生成操作難度相對較小 ; 缺點是成型件的表面有較明顯的條紋，產(chǎn)品 層間的結(jié)合強度低、打印速度慢。 3D 打印是采用類似噴墨打印機噴頭的工作方式，這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十 分類似，只是將激光燒結(jié)過程改為噴頭粘結(jié)，光柵掃描器改為粘結(jié)劑噴射頭。其優(yōu)點 是打印速度快、價格 低 ; 缺點是打印出來的產(chǎn)品機械強度不高。 隨著 3D 打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn) 模式。 3D 打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式， 創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點。 3D 打印技術(shù)發(fā)展帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的 進步使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場需求的能力，特別是形成適應(yīng)全球市場上豐富多樣的客 戶群，實現(xiàn)遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，使生產(chǎn)模 式、商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化。 同立體印刷、疊層實體制造和選擇性激光燒結(jié)快速成形技術(shù)相 比 , 3DP 不需要昂 貴的激光系統(tǒng) , 具有設(shè)備價格便宜、運行和維護成本低的優(yōu)勢。與熔融沉積快速成形 技術(shù)相比 ,3DP 可以在常溫下操作 ,具有運行可靠 ,成形材料種類多和價格低的優(yōu)勢。此 外 , 與其它 RP 系統(tǒng)相比 ,3DP 還有操作簡單、成形速度快、制件精度高、成形過程無 污染 , 適合辦公室環(huán)境使用等優(yōu)點。因此 , 3DP 被認(rèn)為是 RP 行業(yè)中最有生命力的新技 7 術(shù)之一 , 具有良好的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。 利用 3DP技術(shù)進行產(chǎn)品的概念原型件制造是建立從概念信息到物理實現(xiàn)的最直接 方式。概念原件可以用于展示產(chǎn)品設(shè)計的整體概念、立體形態(tài) 和布局安排 , 進行產(chǎn)品 造型設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的評價 ,如在建筑設(shè)計上 , 利用 3DP 技術(shù)制作的大樓或橋梁等建 筑物模型 , 可以幫助設(shè)計師進行評價和確定最終方案。醫(yī)學(xué)上根據(jù) CT 或 MRI 的數(shù)據(jù) , 應(yīng)用 3DP技術(shù)可以快速精確地制造人體的骨骼和軟組織等器官模型 , 可以幫助醫(yī)生進 行病情診斷、術(shù)前討論和最終治療方案的確定。概念原型件還可作為產(chǎn)品的展示模型 , 進行產(chǎn)品的招投標(biāo)和新產(chǎn)品上市前的宣傳使用。利用 3DP 技術(shù)制造的功能原型件可以 用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計檢查 .裝配干涉檢驗 , 靜、動力學(xué)試驗、物理和機械性能試驗、 人機工程試驗等 , 為產(chǎn) 品的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。通過 3DP 技術(shù)快速制造出產(chǎn)的功能原 型件 , 可以盡早地對產(chǎn)品設(shè)計進行測試、檢查和評估 , 縮短產(chǎn)品設(shè)計反饋的周期 , 提 高產(chǎn)品開發(fā)的成功率 , 大大降低產(chǎn)品的開發(fā)時間和開發(fā)成本。 顯然 ， 3D 打印技術(shù)給人類帶來新奇和進步，但畢竟還是起步階段，有的還在實驗 室模擬試驗之中，想要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)，并形成龐大的產(chǎn)業(yè)，還面臨巨大的 挑戰(zhàn)。 首先， 3D 打印需要 CAD（計算機輔助設(shè)計）支撐。對于一般用戶來說，要學(xué)會 CAD 等制作工具并非想像中那么簡單。 CAD 是指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進 行設(shè)計工作 ，利用計算機可以進行與圖形編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖 形數(shù)據(jù)加工工作。 3D 打印制造神奇， CAD 是基礎(chǔ)。就像指揮官指揮戰(zhàn)爭一樣，一份標(biāo) 示準(zhǔn)確的地圖往往決定戰(zhàn)爭的勝負(fù)。 CAD 是 3D 打印的基礎(chǔ)工程?；?3D 的 CAD 更加 復(fù)雜精細(xì)，需要具有高超編程技術(shù)的專業(yè)人士操作。這樣的人才并非一般技術(shù)人員所 能擔(dān)當(dāng)。 其次，知識產(chǎn)權(quán)將成為較大糾結(jié)。人們的想象力有多大， 3D 打印的用途就有多廣。 遺憾的是，打印對象副本，即使只是復(fù)制個人設(shè)計，這類行為仍然會產(chǎn)生知識產(chǎn)權(quán)問 題。 3D 打印被視作一門新興技術(shù)，雖然法律對其知識產(chǎn)權(quán)問題尚 未作出明確界定，而 完全復(fù)制他人創(chuàng)意的做法還是不可取的。當(dāng) 3D 打印機組合一個 3D 掃描儀時，知識產(chǎn) 權(quán)問題將更為突出。掃描儀不僅可以復(fù)制外形，而且可以復(fù)制更為復(fù)雜的細(xì)節(jié)。這種 行為要比抄襲專利或版權(quán)嚴(yán)重得多。犯罪分子可以用 3D 打印機設(shè)計 ATM 提款卡、鑰 匙、武器或其他危險物品。 再次，價格優(yōu)勢還不明顯。在某些情況下， 3D 打印產(chǎn)品最終耗費的成本和零售店 產(chǎn)品的價格差不多，目前條件下， 3D 打印還不具備規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢，價格方面的優(yōu)勢 尚不明顯。所以對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，不管你是打印多少件，價格都相差無幾。但是， 相信隨著 3D 技術(shù)的 逐漸成熟，價格會慢慢降下來。 采用 3DP 系統(tǒng)制造的概念原型 , 主要在于形狀、色彩等外觀表達(dá)功能 , 而對材料 的性能要求較低?？捎糜诋a(chǎn)品設(shè)計、測試或裝配 , 可作為產(chǎn)品的展示模型、投標(biāo)模型 等使用。由于 3DP 工藝能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和同時處理多種材料 , 因此在特殊材料的成型 和功能梯度成型方面具有強大的優(yōu)勢 , 在國外已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和微細(xì) 加工領(lǐng)域等特殊成型場合。隨著快速成型技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展 , 3DP 必將得到越來 越廣泛的應(yīng)用。 Prusa i3 3D打印機 摘 要 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代加工的需求，于是 一種全新的制造技術(shù)-3D打印技術(shù)應(yīng)運而生。經(jīng)過3D打印技術(shù)制造完成的零部件，完全真實的再現(xiàn)三維造型，無論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實準(zhǔn)確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備進行修復(fù)。 隨著3D打印技術(shù)在市場的應(yīng)用越來越深入和廣泛，3D打印機的需求越來越大，因此，論文旨在設(shè)計一種桌面級3D打印機。 本次設(shè)計主要是對3D打印機的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計以及一些必要的設(shè)計計算，通過對打印噴頭以及x-y軸打印平臺的分析，選擇適當(dāng)?shù)牟牧弦约皡?shù)，通過solidworks的繪圖對設(shè)計產(chǎn)品進行3D構(gòu)圖，最后完成裝配。最終要求3D打印機在打印過程中，運動和傳動平穩(wěn)，使其穩(wěn)定生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；x-y軸打印平臺；打印噴頭  ABSTRACT With the development of industrial technology, traditional processing methods are hard to meet the needs of modern processing. A new manufacturing technology -3D printing technology came into being. The parts made by 3D printing technology are completely reproduced in three-dimensional modeling. No matter the surface of the surface or the shaped hole, it is true and accurate to complete the modeling, and no longer need to be repaired with the aid of the external equipment. With the more and more in-depth and extensive application of 3D printing technology in the market, the demand for 3D printers is becoming more and more large. Therefore, the paper aims to design a desktop 3D printer. The design is mainly designed for the mechanical structure of the 3D printer and some necessary design and calculation. Through the analysis of the printing nozzle and the X-Y axis printing platform, the appropriate materials and parameters are selected. The design of the product is made by the SolidWorks drawing, and the assembly is finished at the end. Ultimately, 3D printer needs to be stable in movement and transmission during printing. Keywords: 3D printing technology; X-Y axis printing platform; Print nozzle  目錄 摘 要 I ABSTRACT II 目錄 III 引 言 1 1.緒 論 2 2.總體設(shè)計方案選擇 6 3.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 12 4.傳感器選擇 24 結(jié)論 26 參考文獻(xiàn) 27 致謝 28 35 引 言 3D打印機技術(shù)是機械制造中進行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段，3D打印帶來了全世界性制造業(yè)革命，它無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體。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，無論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實準(zhǔn)確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備進行修復(fù)。從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極大的降低了新品開發(fā)的成本及風(fēng)險。 隨著智能制造，控制技術(shù)，材料技術(shù)，信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也被廣泛地綜合應(yīng)用與制造工業(yè)， 3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趨勢。提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點。 3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造，拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。 1.緒 論 1.1研究背景及研究意義 1.1.1國內(nèi)外3D打印機研究現(xiàn)狀 3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，是利用光固化和紙層疊等方式實現(xiàn)快速成型的技術(shù)。打印機內(nèi)裝有粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，與電腦連接后，通過一層又一層的多層打印方式，最終把計算機上的藍(lán)圖變成實物。第一臺商用的3D打印機出現(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Cima M.J.等人于1991 年申報的關(guān)于三維打印專利為標(biāo)志的。 在國外，經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長足的進步，目前已經(jīng)能夠在 0.01mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi的精細(xì)分辨率。在歐美發(fā)達(dá)國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式，如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的造型。 在國內(nèi)，自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。但總體而言，國內(nèi)3D技術(shù)的研發(fā)水平還有較大差距。我國港臺地區(qū)很多高校和企業(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)。國產(chǎn)3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術(shù)水平有待進一步提升。 1.1.2研究意義 3D打印技術(shù)應(yīng)用廣泛，除了日常生活用品以外，3D打印技術(shù)還可以廣泛運用于建筑、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域。人們已經(jīng)使用該技術(shù)打印出了燈罩、身體器官、珠寶等，有些人甚至使用該技術(shù)制造出了機械設(shè)備。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)要經(jīng)過漫長的周期，一些很復(fù)雜的產(chǎn)品如汽車發(fā)動機、航空發(fā)動機、房子等需要耗費大量的時間對原料進行加工和建造。而3D打印技術(shù)集產(chǎn)品設(shè)計與打印制造于一身，短則幾小時，多則幾天就能把結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)出來。? 傳統(tǒng)的制造會浪費大量材料，在一些高新技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中一些廢棄角料無法回收利用，造成大量浪費，增加生產(chǎn)成本。而3D打印技術(shù)使用的材料主要是PLA、ABS或金屬材料，它幾乎沒有材料損耗，大大降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)增加利潤創(chuàng)造條件；傳統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程需要大量的人力、場地和設(shè)備，給企業(yè)增加了較大負(fù)擔(dān)。而使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品只需要幾個技術(shù)熟練的3D打印技術(shù)人員即可完成從設(shè)計到生產(chǎn)制造的全部過程。 從長期來看，3D打印技術(shù)是一種顛覆性的技術(shù)，在未來將會是實現(xiàn)高端制造業(yè)發(fā)展的重要手段之一。 1.2 3D打印機的發(fā)展趨勢 隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趨勢。3D打印機的發(fā)展目前主要是如何提升3D打印的速度、效率和精度，實現(xiàn)斷電斷點連續(xù)打印、大件打印、多材料打印，并提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實現(xiàn)強度高、表面質(zhì)量好的成品。 但受限于3D打印技術(shù)自身原因，無法應(yīng)用于大量生產(chǎn)，它適合一些小規(guī)模制造，尤其是高端的定制化產(chǎn)品，比如汽車零部件制造。而且受材料的限制，3D打印機可以生產(chǎn)的其他產(chǎn)品也很少，現(xiàn)在所應(yīng)用的主要材料還是塑料，但未來金屬材料肯定會被運用到3D打印中來，3D打印技術(shù)可應(yīng)用的的范圍會越來越廣。未來在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等行業(yè)領(lǐng)域?qū)懈鄤?chuàng)造性應(yīng)用。 1.3 3D打印機工作原理 1.3.1熔融沉積快速成型技術(shù)簡介 典型的快速成型技術(shù)有立體光固造型SLA、疊層實體制造LOM、選擇性激光燒結(jié)SLS、熔融沉積技術(shù)SLS。 其中熔融沉積的制造過程是通過對CAD模型進行快速切片，從而生成每一層的幾何形狀，將熱塑性材料加熱融化，通過計算機控制移動并擠出半流體材料，凝固成實際部分薄層，并在垂直提升系統(tǒng)下生成下一層，使兩層固化在一起。最后成為三維實體。 1.3.2基于熔積技術(shù)的3D打印機工作原理 圖1-1為3D打印機工作原理示意圖，打印噴頭首先將材料融化，通過打印噴頭將材料擠出。計算機已設(shè)計好所要打印的3D模型，由打印頭噴出零件底層截面的形狀三維打印技術(shù)是采用噴頭融化并擠出熱塑性材料。根據(jù)截面輪廓形狀信息并在計算機的控制下打印頭做x-y軸運動，最終打印出底層截面形狀。然后Z軸進行上下移動，繼續(xù)打印出下一層截面形狀。經(jīng)過一層一層的打印粘結(jié)最后形成所需要的模型。 Z軸移動的距離即每層的厚度由噴涂材料及打印機的結(jié)構(gòu)決定，為幾十毫米軸到幾百毫米不等，對于模型的層片分割由軟件來實現(xiàn)。 圖1-1 熔積式打印機工作原理圖 1.4 3D打印機工作流程 工作流程如下： (1) 三維建模 應(yīng)用CAD、Solidworks、Pro/E等三維建模軟件構(gòu)建三維模型，然后進行切片處理，也可對實體進行掃描獲得數(shù)據(jù)點，進行三維構(gòu)造。 (2) 三維模型的處理 在使用3D打印機加工前，由于模型上往往有一些不規(guī)則的曲面，加工前必須對其進行近似處理。處理后的模型文件為STL格式，一般三維建模軟件可直接轉(zhuǎn)為此文件格式。 (3) 三維模型切片處理 由于3D打印技術(shù)是一層層的加工，故必須對三維模型進行切片處理，即每隔一定間距分一層，已獲得輪廓形狀，為獲得光滑的實體表面，層片厚度應(yīng)小于1mm。層片厚度越小表面越光滑，但加工時間越長。 (4) 截面加工 根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，噴頭由數(shù)控系統(tǒng)控制在x-y平面內(nèi)按截面輪廓進行掃描，并擠出材料凝固，得到一層層截面。 (5) 獲得三維實體 每層截面形成之后，下一層材料被送至已成形的層面上，與前一層面相粘結(jié)，從而將一層層的截面逐步疊合在一起，最終形成三維產(chǎn)品。 1.5本次設(shè)計主要內(nèi)容 1.5.1 主要設(shè)計方面 (1) Y軸（打印截面平面）運動機構(gòu) (2) 軸（截面累積）運動機構(gòu) (3) 擠出機（耗材擠出）機構(gòu) (4) 框架設(shè)計 通過以上四個主要機械結(jié)構(gòu)，構(gòu)成3D打印機的基本運動結(jié)構(gòu)，可以初步實現(xiàn)3D打印的打印過程。 1.5.2 設(shè)計參數(shù) 成 型 空 間 ：210mm*210mm*220mm 最大移動速度：50mm/s 噴頭定位精度：0.05mm 最大成型質(zhì)量：500g  2.總體設(shè)計方案選擇 2.1機架部分設(shè)計 在機械框架方面，采用主流的四邊形支撐架構(gòu)，這種架構(gòu)結(jié)實穩(wěn)定而且容易安裝其他零件，抗震能力也更為出色。本次設(shè)計的機架部分，主要由鋁型材進行拼裝組成，如圖2-1所示，這種架構(gòu)相對于亞克力板材質(zhì)，更為牢固、結(jié)實，使用過程中不易出現(xiàn)損壞。 圖2-1 機架 2.2傳動設(shè)計 2.2.1 XYZ軸傳動方式選擇 傳動方式上，常規(guī)的傳動方式主要有絲桿傳動和同步帶傳動，二者各有其優(yōu)缺點。絲桿螺母副傳動啟動力矩極小,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，無側(cè)隙、剛性高；但是其速度較慢，而且價格昂貴。同步帶傳動傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊，維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低，但同步帶用久后會被拉長，需要經(jīng)常換皮帶。 (1) Z軸：由于Z軸方向需帶動X軸以及打印擠出頭，所受重力較大，而且Z軸位移較慢，所以采用絲桿傳動，既保證電機有足夠的力使其移動，又保證了進給的準(zhǔn)確性。 絲杠螺母傳動形式采用螺桿轉(zhuǎn)動，螺母做直線運動，由電機驅(qū)動螺桿，螺母的移動為Z軸直線運動。圖2-2為傳動簡圖與螺桿載荷圖。 圖2-2 絲桿螺母傳動簡圖 (2) 在X軸和Y軸方面，要求傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高。X與Y軸由于沒有重力作用，所承受力較小，同步帶與絲杠螺母相比較而言，同步帶價格較低，體積小，空間占用率高，而且在使用過程中維修方便，而且在打印過程中為了保證有足夠的速度，故采用同步帶傳動，同步帶只會有輕微的變形，不會影響到精度。 故3D打印機機械傳動方式如表2-1所示。 表2-1 傳動方式表 X軸 同步帶輪機構(gòu) Y軸 同步帶輪機構(gòu) Z軸 光桿—絲杠機構(gòu) 2.2.2 電機選擇 3D打印機制作的產(chǎn)品精度高，所以對于電機的要求較高。在步進電機和伺服電機選擇，分析它們的性能如圖2-3所示： 圖2-3 步進電機伺服電機對比 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但伺服電機的成本遠(yuǎn)高于步進電機。在考慮設(shè)計的經(jīng)濟性時，我們選擇步進電機作為運動源。 2.3打印平臺設(shè)計 打印平臺由加熱板和打印固定板通過螺栓螺母固定而成，如圖2-4所示，底層為固定板，上層為加熱板。兩層板由四角處的螺栓連接，之間放置彈簧，通過調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)平臺的高度。 打印平臺下部固定直線滑動軸承，再通過光軸與直線滑動軸承的配合完成Y軸打印平臺的運動。 圖2-4 打印平臺 2.4擠出機設(shè)計 2.4.1 電機選擇 擠出機擠出融化材料時需要運動平穩(wěn)，精度要求高，但是對轉(zhuǎn)速的要求不高，根據(jù)上節(jié)的電機選擇分析可選擇步進電機。 2.4.2 擠出機構(gòu)原理 耗材擠出機構(gòu)的基本要求是:將成型料絲送人液化器中,在其中及時而充分地熔化,由固態(tài)變?為熔融態(tài)。然后再進一步從更小直徑的噴嘴中以極細(xì)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。 擠出機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：將送進的固態(tài)料絲及時且充分地熔化成為熔融狀態(tài)。 (3) 流道功能：固態(tài)料絲以及熔融狀態(tài)下的材料的運輸通道。 (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(xì)小直徑的絲材進行堆積。 (5) 出絲速度可控：在打印機工作起始以及Z軸向上移動時，出絲速度應(yīng)隨之變化或者停止。 （6）散熱功能：3D打印機工作時，擠出的材料應(yīng)該快速冷卻，以固定打印的實體，避免出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。 2.4.3 擠出機結(jié)構(gòu)設(shè)計 (1) 供料機構(gòu) 供料機構(gòu)由步進電機作為動力源提供動力，工作原理是通過擠壓齒輪對線性材料進行擠壓，材料在內(nèi)凹型軸承內(nèi)滑動來完成供料。設(shè)計出的供料基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，軸承支架通過螺栓固定于步進電機上，同時可圍繞螺栓旋轉(zhuǎn)。齒輪連接在電機軸上，隨電機轉(zhuǎn)動。軸承支架另一端的彈簧使軸承對齒輪施加壓力，齒輪與軸承之間的線性材料便隨著齒輪的轉(zhuǎn)動被擠出。 圖2-5 供料機構(gòu)圖 當(dāng)需要換料盤或者撤出線性材料時，需要按下軸承支架右端，使軸承遠(yuǎn)離齒輪，此時便可以撤出材料。 (2) 融化出絲機構(gòu) 如圖2-6所示，融化出絲機構(gòu)完成了熔絲、通道、定徑功能。材料經(jīng)過喉管進行運輸，加熱棒和鋁塊將材料進行融化，最后經(jīng)由噴頭使融化的材料變?yōu)樾枰募?xì)絲。 喉管由螺旋副連接在支架上，材料經(jīng)過供料機構(gòu)被送入喉管內(nèi)，沿著喉管向下運動。由加熱鋁塊內(nèi)插入的加熱棒提供熱量，用于融化線性材料，使材料變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，融化徹底的材料經(jīng)過噴頭進行擠出，成為打印所需要的細(xì)絲。加熱鋁塊的作用是將加熱棒的熱量均勻的分布于喉管周圍，避免因為加熱不均勻而導(dǎo)致的融化不徹底。如果有未融化的材料進入噴頭，會使噴頭堵塞，打印機無法正常出料。 散熱片連接于喉管上，加速喉管的散熱。避免了加熱鋁塊的熱量沿著喉管向上傳導(dǎo)，是材料提前融化，無法向下運輸。 圖2-6 融化出絲機構(gòu)圖 (3) 散熱機構(gòu) 散熱機構(gòu)采用雙風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，一個風(fēng)扇對打印的實體進行冷卻，另一個風(fēng)扇對步進電機降溫，使其更好地工作。  3.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 3.1步進電機的選擇 3.1.1 3D打印機使用步進電機的參數(shù) (1)轉(zhuǎn)速要求：3D打印機其實對步進電機的轉(zhuǎn)速要求并不高，3D打印機除了對X.Y軸的電機轉(zhuǎn)速要求高一點外，像Z軸及擠出機部分電機的轉(zhuǎn)速都比較低。 (2)驅(qū)動電流的大小：目前3D打印機用的基本上都是1A或者2A的主板，也就是說驅(qū)動電流都在在2A以下。 (3)溫度的要求：很多3D打印機所使用的步進電機都是直接外露的，所以對電機表面溫度的要求就比較高，正常情況下步進電機的表面溫度在80度以下都是正常的，而3D打印機上的步進電機因為有直接外露的，所以要求電機的表面溫度不能太高，溫度在40度以下最好。相同驅(qū)動電流的情況下要讓步進電機的溫度降下來，步進電機的相電阻就必須不能太高，所以3D打印機用的步進電機的相電阻一般都在2歐以下，1.5歐左右最好。相同電流的情況下，步進電機相電阻越大力矩越大，而為了保證電機的表面溫度，就不得不犧牲步進電機本身的力矩。 3.1.2傳動電機的選擇 3D打印機傳動部分的電機為XYZ三軸的電機，設(shè)計對電機的要求較高，要求運動性能一致，故需選用同一種電機。在三軸之中，Z軸電機所需力矩最大，故只需計算Z軸來選擇電機。 Z軸電機帶動X軸及打印擠出頭套件上下移動，X軸運動部件和擠出頭套件總重約為1.6kg，移動速度為2m/min。 G = mg = 16N V = 33mm/s (1) 電機轉(zhuǎn)速 n電機 = VP (3-1) P為絲杠螺距，取P=4mm n電機 = VP = 20.004 =500r/min (2) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL=μgMP2πη=0.3×10×1.6×0.0042π×0.9=0.034N·m (3-2) 其中： μ: 摩擦系數(shù)，取0.3 M: 負(fù)載質(zhì)量，1.6Kg P: 絲桿導(dǎo)程，0.004mm η: 傳動效率，取0.9 (3) 負(fù)載慣量 上下垂直運動： JLM=MP22π=1.6×0.00422π=4.07×10-6(kg·m2) (3-3) 絲桿螺母慣量： JB=π32ρLBDB4=π32×7.8×0.32×0.0084=10-9 (3-4) JB=π32ρLBDB4=π32×7.8×0.32×0.0084=10-9 其中： ρ為密度，取7.8 LB為絲桿長度，取0.32mm DB為絲桿直徑，取0.008mm 總慣量 J=4.07×10-6(kg·m2) (4) 電機轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩： TS=2πNM(JM+J)60=0.016 (3-5) 選取安全系數(shù)為3，故電機力矩為： Ts=(0.016+0.034)×3=0.15 N·m 選用電機為飛凌廠家的42步進電機，圖3-1為電機型號參數(shù)。 圖3-1 步進電機參數(shù) 由上圖可知FL42BYG40力矩滿足要求，電機外形圖如下。 圖3-2 電機外形尺寸圖 外形尺寸42*42*40，軸徑輸出5mm。 3.2絲杠螺母設(shè)計計算 3.2.1螺紋基本參數(shù) 本次設(shè)計采用滑動螺旋，螺紋為矩形螺紋，矩形螺紋傳動效率較高，但強度較低。 3.2.2螺旋副材料選擇 滑動螺旋傳動的主要零件是螺桿和螺母，螺桿的材料應(yīng)有足夠的強度和耐磨性，以及良好的加工性。對于精密的傳導(dǎo)螺紋要求熱處理后有較好的尺寸穩(wěn)定性。螺母材料以ZCuSn10Pb1最耐磨，但價格較貴，主要用于高精度的傳導(dǎo)螺旋。 下表3-1為螺桿的常用材料及熱處理。 表3-1 常用材料熱處理 精度等級是否淬硬 材料 熱處理 中等及中等以上精度 淬硬 合金工具鋼9Mn2V、 CrWMn C56 氮化鋼38CrMoAlA D0.5-900 不淬硬 高碳工具鋼T10 T215 中等以下精度 淬硬 合金鋼40Cr G42 不淬硬 中碳鋼45 T235 易切削鋼Y40Mn 通過以上分析，螺桿材料可選擇9Mn2V，螺母材料選擇ZCuSn10Pb1。 3.2.3絲桿螺母校核計算 由上一章得絲桿的軸向載荷F=16N (1)螺紋中徑的計算 梯形螺紋螺紋中徑d2： d2≥0.8FφPp=0.8×1.6÷1.2×11=0.968mm (3-6) 其中： Pp--------螺紋副許用壓強，見表3-2 φ值取1.2 表3-2滑動螺旋傳動許用壓強 螺紋副材料 速度范圍 許用壓強 鋼對青銅 低速 ~0.5 0.1~0.2 0.5~ 18~25 11~18 7~10 1~2 鋼對耐磨鑄鐵 0.1~0.2 6~8 由d2可選取螺紋公稱直徑d為8mm，螺距P為4mm，線數(shù)X為1。 (2) 螺桿強度計算 Ff=μmg=0.2×16=3.2N T=Ffd2×1000=0.011N·m (3-7) 選取安全系數(shù)為3 T=0.011×3=0.033 d1=6.6mm 螺桿工作時承受軸向載荷F和扭矩T的作用，因此，校核螺紋強度時根據(jù)第四強度理論求出危險截面計算應(yīng)力σca。 其強度條件為： σca=σ2+3τ2=1AF2+3（4Td1）2≤[σ] (3-8) 其中： F------------軸向壓力，N A------------危險截面面積,mm d1-----------螺紋小徑，mm T-------------螺桿所受扭矩，N·mm 求得： σca=1π4×6.62162+3（4×336.6）2=1.12N/mm2 查表3-3得： σ=σs5=1505=30MPa 故σca?σ，螺桿強度足夠。 表3-3 材料應(yīng)力表 材料 許用拉應(yīng)力 許用彎曲應(yīng)力 許用剪應(yīng)力 螺桿 鋼 σs5 —— —— 螺母 青銅 耐磨鑄鐵 鑄鐵 鋼 —— —— —— —— 40~60 50~60 45~55 —— 30~40 40 40 —— (3) 螺紋強度計算 剪切強度τ： τ=Fπd1bn (3-9) 牙根部寬度b=0.5P=2mm 旋合圈數(shù)n=5 τ=16π×6.6×2×5=0.077N/mm2 查表3-3得： τ?40N·mm-2 彎曲強度σ： σb=3FH1πd1b2n (3-10) 基本牙型高度H=0.5P=2mm σb=3×16×2π×6.6×22×5=0.23N/mm2?σb 故螺紋強度足夠。 (4) 效率 由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動時 η=（0.95~0.99）×tanλtan?（λ±ρ） (3-11) （0.95~0.99）為軸承系數(shù)，決定與軸承形式，滑動軸承取最小值，軸向載荷與涌動方向相反時取+號。 其中： λ=arctanSπd2=9 (3-12) ρ=arctanfcosα2=5.7 (3-13) f如表3-4取0.1。 表3-4 摩擦因數(shù)f值 螺桿和螺母材料 F值 淬火鋼和青銅 0.06~0.08 鋼和青銅 0.08~0.10 鋼和耐磨鑄鐵 0.10~0.12 η=（0.95~0.99）×tan9tan?（9±5.7） 故上升時效率為0.57、下降時效率為2.5。 3.3同步帶輪的設(shè)計計算 設(shè)定電機功率為0.2Kw，每天使用8小時，其工作系數(shù)KA為1.0。則計算功率為： P=0.2Kw。 (1) 計算同步帶輪轉(zhuǎn)速 n=v2πr=32π×60=75r/min (3-14) (2) 選取同步帶帶型 由于電機功率以及轉(zhuǎn)速不大，所以可選取MXL型號同步帶，為了滿足精度要求，選取梯形齒形同步帶，節(jié)距Pb=2mm，帶寬b=4.8mm。 (3) 選取同步帶齒數(shù) 查表3-5得同步帶輪最小齒數(shù)為10，本次設(shè)計取15。 表3-5 同步帶輪齒數(shù)表 (4) 同步帶輪節(jié)圓直徑 d=ZPbπ=2×1.5π=9.6mm (3-15) 同步帶速確定 v=πdn60×1000=π×9.6×7560×1000=0.04m/s (3-16) (5) 同步帶長確定 軸間間距為410mm，故同步帶長為： L0=2×410+π2×2d=850mm (6) 基準(zhǔn)額定功率計算 周節(jié)制： P0=T-mv2v1000 (3-17) 其中： T----------許用工作壓力 m----------單位長度質(zhì)量 查表3-6得：T=27N, m=0.007kg/m，最后算得： P0=27-0.007×0.042×0.041000=0.001kw 表3-6 周節(jié)制帶的基準(zhǔn)寬度、許用拉力T及質(zhì)量m 型號 MXL XXL L 基準(zhǔn)寬度/mm 6.4 6.4 9.5 許用拉力T/N 27 31 50.17 帶的質(zhì)量/kg/m 0.007 0.01 0.022 (7) 作用于軸上的力 F=1000×P×dV=0.24N 3.4聯(lián)軸器的設(shè)計計算 聯(lián)軸器用于連接絲桿與電機輸出軸，用于傳遞扭矩。本次設(shè)計采用LMX型梅花聯(lián)軸器，具有緩沖減震、不需潤滑、維護方便的特點，具有補償兩軸相對偏移的能力。適用于載荷變化不大、工作平穩(wěn)、正反轉(zhuǎn)、中低速、頻繁啟動、中小功率的傳動。圖3.3為梅花聯(lián)軸器零件圖。 圖3-3梅花聯(lián)軸器 聯(lián)軸器承受轉(zhuǎn)矩： TC=KaT=1.3×0.033=0.0429N·m<15N·m 表3-7技術(shù)參數(shù)表 規(guī)格 額定轉(zhuǎn)矩 N·m 最高轉(zhuǎn)速 r/min 主要尺寸/mm d1、d2(mm) D D1 L 16 15 19000 5~16 30 25 50 3.5滾動直線導(dǎo)套副的壽命計算 滾動直線導(dǎo)套副由直線運動球軸承，圓形導(dǎo)軌軸組成。由于結(jié)構(gòu)原因，軸承只能在圓形導(dǎo)軌軸上做直線往復(fù)運動。 采用軸承代號為LBP81524，表3-8為尺寸表： 表3-8 LBP81524尺寸表 軸承代號 外形尺寸 LBP型 內(nèi)徑 外徑 長度 LBP 81524 8 15 24 設(shè)計中，工作臺與工件總重約為20N，共有兩根軸承載工作臺，每根軸上裝有兩套軸承，則每個導(dǎo)套所受載荷為5N。 由表3-9查得fT=1，由表3-10查得fc=0.81，由表3-11查得fw=1.2。滾動直線導(dǎo)套副的額定動載荷為80N。 計算： L=(fHfTfCfW×cPc)3×50=1×1×0.811.2×8053×50=62986Km (3-18) Lh=8.3Lln=8.3×629860.4×50=26139h 預(yù)計使用年限為 26139/（8*300）=11.9a。 表3-9 溫度系數(shù)fT 工作溫度 fT ~100 1.00 100~150 0.90 150~200 0.73 200~250 0.6 表3-10 接觸系數(shù)fc 每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)量或每根軸上花鍵套個數(shù) fc 1 1.00 2 0.81 3 0.72 4 0.66 5 0.61 表3-11 載荷系數(shù)fw 工作條件 fw 無外部沖擊或震動的低速運動場合，速度小于15m/min 1~1.5 無明顯沖擊或震動的中速運動場合，速度小于60m/min 1.5~2 有外部沖擊或震動的高速運動場合，速度大于60m/min 2~3.5 3.6導(dǎo)向光軸的校核 本設(shè)計中對XYZ進給精度要求高，而且軸的跨度較大。比較XYZ軸所受載荷的大小，YZ軸是豎直安裝的，所以其受的載荷相對X軸的工作臺要小些。故選取x軸進行校核。 3.6.1軸徑計算 軸的材料均采用45鋼，為加強其性能，采用調(diào)質(zhì)處理。 查得σb=640MPa，A0=110。由公式得 d≥110×320011×1000= 6.68mm 取軸直徑d=8mm。 3.6.2軸的剛度校核 軸兩端有固定支撐，簡化為A、B兩個鉸支點，作用力作用在中點上。處于中點時，軸的撓度最大，設(shè)所受力為8N。 (1) 變形計算 絲桿軸橫截面的慣性矩為： I=πd464=π×8464=201mm4 作用力所引起的撓度為： wc=-Fl348EI=-8×240348EI=-0.054mm (2) 剛度校驗 由于X軸進給精度為0.01mm，所以wc<[w] 故剛度滿足要求。  4.傳感器選擇 4.1溫度傳感器選擇 溫度傳感器分為接觸式和非接觸式傳感器，非接觸式傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價格昂貴，故選用接觸式溫度傳感器。?接觸式溫度傳感器適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，并且接觸式測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉。下表4-1為幾種接觸式溫度傳感器： 表4-1 接觸式溫度傳感器對比 傳感器類型 測溫范圍 精度（%） 特點 常用熱電阻 -260～＋850℃ 0.05 可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。 管纜熱電阻 -20～＋500℃ 0.5 最高上限為1000℃ 陶瓷熱電阻 –200～+500℃ 0.3、0.15 超低溫?zé)犭娮? –268.8～253℃-272.9～272.99℃ 0.5 熱敏電阻器 -50～300℃ 0.3~0.5 體積小，重量輕，靈敏度高。 綜上所述，熱敏電阻器測溫范圍在-50～300℃，精度在0.3~0.5%，標(biāo)準(zhǔn)度高，使用性能好，在本次設(shè)計中，打印溫度為200℃左右，所以使用熱敏電阻適合做溫度傳感器。 4.2限位開關(guān)選擇 限位開關(guān)用于確定XYZ三軸起始位置，3D打印機每一次打印運行前，都需要確定起始位置，找到XYZ軸的零點，保證打印的準(zhǔn)確。本次設(shè)計采用微動式接觸式限位開關(guān)。 圖4-1為微動式限位開關(guān)外形及結(jié)構(gòu)圖。 圖4-1 限位開關(guān)外形結(jié)構(gòu)圖  結(jié)論 本次設(shè)計完成了對3D打印機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，本設(shè)計總體由鋁型材構(gòu)造而成，完成了對三D打印機XYZ三坐標(biāo)進給系統(tǒng)設(shè)計，擠出裝置設(shè)計，設(shè)計的3D打印機可以完成制作精度為0.05mm的實體打印。 (1) X軸由步進電機驅(qū)動，通過同步帶進行傳動，同步帶帶動打印擠出機進行X軸的移動，最大移動距離為220mm。 (2) Y軸由步進電機驅(qū)動，通過同步帶進行傳動，同步帶帶動打印平臺進行Y軸的移動，最大移動距離為220mm。 (3) Z軸由步進電機驅(qū)動，通過絲杠螺母進行傳動，絲杠通過聯(lián)軸器連接步進電機輸出軸，帶動整個X軸進行Y軸的移動，最大移動距離為230mm。 (4) 耗材擠出裝置主要由擠壓齒輪進行摩擦擠壓，將耗材送入喉管，最后經(jīng)由噴頭加熱融化擠出成為所需要的細(xì)絲。 本設(shè)計與市場上較為成熟的3D打印機相比較，打印精度較低，零件中有一部分為塑料件，質(zhì)量較差，但可以通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改善。  參考文獻(xiàn) [1] 廖漢元,孔建益.機械原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012. 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Additive Manufacturing and 3D Printing[J]. Chemical Industry Digest. [14] Letcher T, Waytashek M. Material Property Testing of 3D-Printed Specimen in PLA on an Entry-Level 3D Printer[C]// ASME Imece,2014.  致謝 經(jīng)過了幾個月的努力，我最后完成了論文的寫作。從開始接到論文題目到系統(tǒng)的實現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間獨立完成的最大的項目。在這段時間里，我學(xué)到了很多知識也有很多感受，從一無所知，我開始了獨立的學(xué)習(xí)和試驗，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己十分稚嫩作品一步步完善起來，每一次改善都是我學(xué)習(xí)的收獲，每一次試驗的成功都會讓我興奮好一段時間。 本設(shè)計在劉安生老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成，從課題選取、方案論證到具體設(shè)計和調(diào)試，無不凝聚著劉安生老師的心血和汗水，在四年的本科學(xué)習(xí)和生活期間，也始終感受著老師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向劉安生老師表示深深的感謝和崇高的敬意。 不積跬步何以至千里，本設(shè)計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫忙和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向大連大學(xué)，機械工程學(xué)院的全體老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。