Prusa i3型3D打印機設計,Prusa,i3型3D打印機設計,i3,打印機,設計 大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設計 )開題報告 論 文 題 目： Prusa i3 型 3D 打印機設計 學 院： 機械工程學院 專 業(yè) 、班 級： 機英 142 學 生 姓 名： 王金朋 指導教師（職稱）： 劉安生（副教授） 2018 年 1 月 5 日填 1 畢業(yè)論文（設計）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)，又是完成高質量畢業(yè)論文 （設計）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 1.論文（設計）題目及研究領域； 2.論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3.本論文（設計）預期取得的成果。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 2.論文（設計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通 過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相 關的報告。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。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2.開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設計）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教師； 5.開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 2 一、選題依據 1論文（設計）題目 Prusa i3 型 3D 打印機設計 2研究領域 機械設計 3論文（設計）工作的理論意義和應用價值 3D 打印機技術是機械制造 中進行復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據中生 成任何形狀的物體。 經過快速成型制 造完成的零部件，完全真實的再現三維造型，無 論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實準確的完成造型，不再需要再借助外部設備 進行修復。 從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產品設計周期，極大的降低了新品開發(fā)的成 本及風險。 到目前為止，各類 3D 打印機設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產品對材料的機 械性能需求。 3D 打印技術已經運用在醫(yī)療行業(yè)、科學研究、產品原型、文物保護、建筑設計、 制造業(yè)、食品產業(yè)、汽車制造業(yè)和配飾制造等領域中，為這些領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，因為對比于傳統(tǒng)的工業(yè)生產技術還有一定 的障礙，所以在工業(yè)中一般用于產品的開發(fā)研制，設計師可以把設計好的產品用 3D 打印機很快地制造出來，然后根據實際需要來繼續(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雕塑品的制作，有些工藝設計 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 打印機出現在 1986 年，但 3D 打印技 術的真正確立是以美國麻 省理工大學的 Scans E.M. 和 Cima M.J.等人于 1991 年申報的關于三維打印專利為標 志的。目前，在 3D 打印領域比較著名的公司有 3D System、 Z-Corporation、 Object Geometries 等。 在國外 ， 經過十多年的探索和發(fā)展， 3D 打印技術有了長足的進步， 目前已經能夠在 0.01mm 的單層厚度上實現 600dpi 的精細分辨率。在歐美發(fā)達國家， 3D 打印技術已經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)等領域， 3D 打印技術可以以較低的成本、較高 的效率生產小批量的定制部件，完 成復雜而精細的造型。 在國內，自 20 世紀 90 年代以來，國內多所高校開展了 3D 打印技術的自主研發(fā)。 中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置， 有望在微制造、光電器件領域得到應 用。但總體而言，國內 3D 技術的研發(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 打印設備， RP 技術應用更為廣泛，但并非自主研發(fā)。國產 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 術水平有待進一步提升。 3D 打印既是制造業(yè)，更是服務業(yè)。 3D 打印產業(yè)鏈涉及到很多環(huán)節(jié)，包 括 3D 打 印機設備制造商、 3D 模型軟件供應商、 3D 打印機服務商和 3D 打印材料的供應商。 因此圍繞 3D 打印的產業(yè)鏈會產生很多機會。 隨著智能制造，控制技術，材料技術，信息技術等不斷發(fā)展和提升，這些技術也 被廣泛地綜合應用與制造工業(yè)， 3D 打印技術的發(fā)展將體現出精密化、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，提高成品的表面質量、力學和物理性能， 以實現直接面向產品的制造；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、 非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成 為今后研究與應用的又一個熱點； 3D 打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉， 操作更簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需 求；軟件集成化，實現 CAD/CAPP/RP 的一體化，使設計軟件和生產控制軟件能夠無 縫對接，實現設計者直接聯網控制的遠程在線制造，拓展 3D 打印技術在生物醫(yī)學、 建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領域的創(chuàng)造性應用。 從長期來看， 3D 打印技術其實就是顛覆性、破壞性的技術。盡管 3D 打印主要適 用于小批量生產，但是其打印的產品 可以遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)生產的產品 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品。而傳統(tǒng)制造方式需要改變流水線才能完成定制生產，其過 程需要昂貴的設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)療產品。 4 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題 （ 1） 3D 打印機總體結構方案設計 （ 2） 3D 打印機傳動方案設計計算 （ 3） 3D 打印機擠出機噴頭設計 2.擬開展研究的幾個主要方 面（論文寫作大綱或設計思路） 通過設計計算 ， CAD/SOLIDWORKS 繪圖 ，查閱設計手冊，參考文獻等相關設計 資料，進行 3D 打印快速模型制造設備的設計并最終完成 3D 打印機的零件圖、裝配 圖、 CAD 圖及相關設計說明書。 論文寫作大綱 ： 1緒論 1.1 三維打印技術簡介 1.2 3D 打印機概述 1.3 國內外 3D 打印機技術水平及發(fā)展概況 1.4 3D 打印機工作原理及過程 1.5 設計思路及主要問題 2. 總體設計方案選擇 3. 3D 打印機機械結構設計 3.1 總體框架設計 3.2 X、 Y 軸傳動方案 設計 3.3 Z 軸傳動方案設計 3.4 噴頭、擠出機設計 3.5 X、 Y、 Z 軸限位方式設計 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 3.本論文（設計）預期取得的成果 （ 1） 3D 打印機總體設計方案 （ 2） 3D 打印機結構設計計算 （ 3） 3D 打印機 CAD 圖紙 （ 4） 3D 打印機 SW 裝配建模 5 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 對 3D 打印機 結構進行研究，結合實際設計合 理的機構并進行計算， 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（設計）進度計劃 第 1 周：查閱相關文獻資料，了解設計內容； 第 2 周：初步方案設計； 第 3 周：總體方案設計； 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計； 第 79 周： 3D 打印機設計各部分零部件設計計算； 第 10 周： 3D 打印機設計各部分零部件設計計算； 第 1112 周：繪制相關圖紙； 第 13 周：撰寫設計說明書； 第 14 周：完善 畢業(yè)設計各項 內容，準備答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 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 .機械設計 (第九版 )M.北京 :高等教育出版社 ,2013. 3 成大先 .機械設計手冊 M.北京 :化學出版社 ,2002. 4 程光仁等 .滾珠螺旋傳動設計基礎 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及其應用 J機械科學與技術 ,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 .絲杠升降機構傳動可靠性設計研究 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設計 J.八一科技 ,2011,（ 1） :50-52. 9 陳步慶 ,林柳蘭 ,等三維打印技術及系統(tǒng)研究 J機電一體化 ,2005,（ 4） :31-32. 10田地銀 ,田云 .關于滾珠絲杠的選擇 J.電子工藝技術 ,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。 選擇性激光燒結打印 ( SLS) 是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結在一起形成 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，使塑性纖維材料經熔化后從噴頭內擠壓 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，產品 層間的結合強度低、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十 分類似，只是將激光燒結過程改為噴頭粘結，光柵掃描器改為粘結劑噴射頭。其優(yōu)點 是打印速度快、價格 低 ; 缺點是打印出來的產品機械強度不高。 隨著 3D 打印技術和商業(yè)應用的發(fā)展，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產 模式。 3D 打印與現代服務業(yè)的緊密結合，將衍生出新的細分產業(yè)和新的商業(yè)模式， 創(chuàng)造出新的經濟增長點。 3D 打印技術發(fā)展帶來的產品技術、制造技術與管理技術的 進步使企業(yè)具備快速響應市場需求的能力，特別是形成適應全球市場上豐富多樣的客 戶群，實現遠程定制、異地設計、就地生產和銷售的協調化新型生產模式，使生產模 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快速成形技術相 比 , 3DP 不需要昂 貴的激光系統(tǒng) , 具有設備價格便宜、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 被認為是 RP 行業(yè)中最有生命力的新技 7 術之一 , 具有良好的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。 利用 3DP技術進行產品的概念原型件制造是建立從概念信息到物理實現的最直接 方式。概念原件可以用于展示產品設計的整體概念、立體形態(tài) 和布局安排 , 進行產品 造型設計和結構設計的評價 ,如在建筑設計上 , 利用 3DP 技術制作的大樓或橋梁等建 筑物模型 , 可以幫助設計師進行評價和確定最終方案。醫(yī)學上根據 CT 或 MRI 的數據 , 應用 3DP技術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、術前討論和最終治療方案的確定。概念原型件還可作為產品的展示模型 , 進行產品的招投標和新產品上市前的宣傳使用。利用 3DP 技術制造的功能原型件可以 用于產品的結構設計檢查 .裝配干涉檢驗 , 靜、動力學試驗、物理和機械性能試驗、 人機工程試驗等 , 為產 品的優(yōu)化設計提供依據。通過 3DP 技術快速制造出產的功能原 型件 , 可以盡早地對產品設計進行測試、檢查和評估 , 縮短產品設計反饋的周期 , 提 高產品開發(fā)的成功率 , 大大降低產品的開發(fā)時間和開發(fā)成本。 顯然 ， 3D 打印技術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制造技術，并形成龐大的產業(yè)，還面臨巨大的 挑戰(zhàn)。 首先， 3D 打印需要 CAD（計算機輔助設計）支撐。對于一般用戶來說，要學會 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備幫助設計人員進 行設計工作 ，利用計算機可以進行與圖形編輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖 形數據加工工作。 3D 打印制造神奇， CAD 是基礎。就像指揮官指揮戰(zhàn)爭一樣，一份標 示準確的地圖往往決定戰(zhàn)爭的勝負。 CAD 是 3D 打印的基礎工程。基于 3D 的 CAD 更加 復雜精細，需要具有高超編程技術的專業(yè)人士操作。這樣的人才并非一般技術人員所 能擔當。 其次，知識產權將成為較大糾結。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，即使只是復制個人設計，這類行為仍然會產生知識產權問 題。 3D 打印被視作一門新興技術，雖然法律對其知識產權問題尚 未作出明確界定，而 完全復制他人創(chuàng)意的做法還是不可取的。當 3D 打印機組合一個 3D 掃描儀時，知識產 權問題將更為突出。掃描儀不僅可以復制外形，而且可以復制更為復雜的細節(jié)。這種 行為要比抄襲專利或版權嚴重得多。犯罪分子可以用 3D 打印機設計 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 打印產品最終耗費的成本和零售店 產品的價格差不多，目前條件下， 3D 打印還不具備規(guī)模經濟的優(yōu)勢，價格方面的優(yōu)勢 尚不明顯。所以對于大多數產品來說，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、色彩等外觀表達功能 , 而對材料 的性能要求較低?？捎糜诋a品設計、測試或裝配 , 可作為產品的展示模型、投標模型 等使用。由于 3DP 工藝能制造復雜結構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 , 在國外已被廣泛應用于生物醫(yī)學領域和微細 加工領域等特殊成型場合。隨著快速成型技術及相關學科的發(fā)展 , 3DP 必將得到越來 越廣泛的應用。