基于3d打印技术的汽车前保险杠成型工艺开发职业学院.docx
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基于3d打印技术的汽车前保险杠成型工艺开发职业学院
机械工程学院毕业设计
题目：
基于3d打印技术的汽车前保险杠成型工艺开发
专业：
车辆工程
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
日期：
2016年5月28日
目录
绪论2
13D打印机机型设计要求5
23D打印机设计6
2.1Delta型打印机工作原理6
2.2确认3D打印机整体尺寸7
2.3Rostock运动机构设计8
2.3.1确定连杆长度最值8
2.3.2连杆的强度校核9
2.4传动方案设计9
2.5挤出机构设计10
2.5.1挤出机装置选择10
2.5.2挤出喷头选择11
2.6电机的选择..............................................................12
2.7传感器的选择............................................................13
2.7.1温度传感器13
2.7.2机械位置传感器14
3运动学仿真14
3.1Delta型3D打印机结构设计的相关技术指标14
3.2三维模型预处理15
3.3数学建模17
3.4打印机工作空间的验证18
4制作保险杠三维图18
4.1制作三维图18
4.2转换成stl格式19
5打印保险杠成品19
5.1将文件进行切片处理19
5.2修改切片参数20
5.3生成GCODE文件21
5.4打印过程检查23
5.5打印完后处理23
总结：
24
参考文献24
英文翻译24
附图25
基于3d打印技术的汽车前保险杠成型工艺开发
摘要：
20世纪80年代，3d打印技术得到快速的发展，对传统行业产生了冲击性影响。
本文即是基于3d打印技术应用于汽车零部件上，对汽车前保险杠的成型工艺进行研究。
利用碳纤维的材料特性，对汽车保险杠的结构进行优化设计，为以后的汽车零部件的快速生产及生产验证提供可能性。
同时利用catia软件对汽车前保险杠进行了造型设计。
关键词：
3d打印技术汽车保险杠碳纤维
绪论
快速成形技术或快速原型技术简称3D打印技术（3Dprinting），又称三维打印技术，通过计算机辅助软件（CAD、PRO/E等）或者计算机动画软件（3Dmax、犀牛等）建立3维模型，采用分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来实现3D实体成型。
3D打印技术最突出的优点是不需要机械加工或模具，就能直接从计算机数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的研制时间，提高生产率和降低生产成本。
3D打印技术已经广泛应用于航天、航海、国防、医疗、建筑等各个领域
一3D打印技术原理
3D打印技术目前可分为四类：
熔融沉积快速成型（FusedDepositionModeling,FDM）、光固化成型（StereolithigraphyApparatus,SLA）、三维粉末粘接（3DP）、选择性激光烧结（SelectingLaserSintering,SLS）。
四类打印技术的详细介绍如下
1.1熔融沉积快速成型
在3D打印技术中，FDM机的使用是最常用的，机械结构也是最简单，设计是最容易的，制造成本和材料成本同样也是最低的，FDM技术的优点于成本廉价，制造简单，缺点是打印的材料的局限性较多，同时由于出料结构比较简单，难以精确控制出料形态与成型效果，由于温度对于FDM成型效果影响同样也非常大，在桌面级FDM3D打印机通常都会缺乏恒温设备，因此基于FDM的3D打印机的成品精度通常为0.2mm-0.3mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但由于受温度影响非常大，成品效果还是不够稳定。
FDM机示意图如下
图0.1FDM结构示意图
1.2光固化成型
光固化技术是在3D打印技术中最先发展起来的一种快速成型制造工艺，同样也是目前研究的最透彻、生产制造技术最成熟的、应用也为最广泛的快速成型技术之一。
光固化技术，主要使用各种光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层实现光固化，最终得到完整的产品。
光固化成型示意图如下
图0.2光固化成型示意图
1.3粉末粘接技术
三维粉末粘接的原料采用的是各种粉末材料，比如塑料粉末、陶瓷粉末、金属粉末等粉末类原料，粉末粘接技术工作原理是，先在底部平台上铺一层粉末，然后通过喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域中，让材料粉末自行粘接，形成零件截面，然后在截面平台上不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，一层一层叠加，获得最终打印出来的零件
图0.33DP工艺原理
1.4选择性激光烧结
SLS的原理是利用粉末材料在激光照射下烧结，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，与3DP不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升到熔化点，然后烧结形成粘接物，最后进行层层截面的烧结，，直至完成整个模型成型。
图0.4SLS原理示意图
二.碳纤维材料成型
碳纤维（carbonfiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。
它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维"外柔内刚"，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁的，而且兼具耐腐蚀、高模量的特性，在国防和民用方面都是非常重要材料。
它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好。
良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等
图0.5奥迪A6全新碳纤维改造
在3d打印技术中，材料的选择对成型工艺技术产生了至关重要的作用。
市场上流通的常见碳纤维分为两类，一类是纯碳纤维，此类材料打印出来的成品优点是具有高强度性，抗腐蚀性等一些碳纤维材料的专属特性，缺点是成型工艺难度较高，对温度及喷嘴的要求极高。
第二类即是20%的碳纤维材料，这种材料打印出来的成品优点是成型工艺的条件没有那么苛刻，缺点是成品的性能上与纯正的碳纤维还是具有一定的差距。
0.63d打印新型碳纤维复合材料0.73d打印碳纤维样品
13D打印机机型设计要求
Delta型3D打印机是3d打印分类中的重要的一部，由于其占地少，速度快等特点，被现在的打印公司广泛的应用，采用并联式运动机构的作用是牵引喷头。
为了使表面精度高，我们就要限制各个方向的自由度，为了达到这个要求，为其运动机构有两种设计方案，一种是工业并联机械手臂如图1.1所示,另外一种是rostock运动结构如图1.2所示。
与2维打印机相比，3D打印机增加了Z轴的运动，可打印出来立体的实物。
而喷头要精准稳定地做X、Y、Z方向的运动，它必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三方向是上自由地运动是我对其结构研究的重要部分，而Delta型3D打印机要求的是在最小的空间里实现三个运动方向运动范围的最大化
图1.1工业并联机械手臂图1.2rostock运动结构
工业用并联机械手臂的结构如图1.1所示，机架的三条边通过完全独立的相同运动链分别连接到动平台上，每个运动链中有一个由四个胡克铰和杆件组成的平行四边形闭环，此闭环和主动臂相连，驱动杆和机架间通过转动副连接。
三组平行四边形的应用使动平台始终保持水平，消除了动平台之间的转动自由度从而保留了空间的平动自由度。
由空间机构学理论可知由空间机构学理论可知对于一般的空间机构，其自由度数目F均可利用公式计算获得
g
i
F=6（n-g-1）+∑f
i=1
n——运动杆数目
g——运动副数
fi——运动副i具有的自由度数
g
在该空间机构中转动副有1个自由度，胡克铰有2个自由度，以n=8,g=9,∑fi=15,将以
i=1
上数据代入公式（1-1）得
g
i
F=6（n-g-1）+∑f=6（8-9-1）+15=3
i=1
由此并联机械臂连接副的关系可知，每条支链约束动平台都有两个转动自由度，任意两个支链就可限制三个转动自由度，所以本结构形式的并联机械手共有三个平动自由度，分别为沿XYZ向的平移自由度,因此可以用在3D打印机上。
方案二：
含rostock运动机构如图1.2所示，由图可知该机构由三个平行四边形闭环组成，通过平行四边形闭环把立柱同动平台相连接起来。
和工业用并联机械手臂相类似，三个平行四边形闭环消除了该机构的3个转动自由度，该机构也有3个平动自由度，因此可以用在上3D打印机上。
两种方案对比如表1
表1运动结构方案对比
结构
控制复杂程度
喷头运动平稳性
功能实现难以程度
商业化程度
方案一
复杂
较难
差
较难
几乎没有
方案二
简单
较易
好
较易
较成熟
综合考虑两个方案的各个方面，本设计选择方案二
23D打印机设计
2.1Delta型打印机工作原理
含rostock运动机构的Delta型3D打印机的实物如图2.1所示，3D打印机的整体框架是一个由直径12mm的不锈钢搭建的三棱柱，三棱柱的三根侧棱为滑轨，依靠不锈钢侧棱的加工精度保证滑轨的垂直度与刚度。
图2.1Delta型3D打印机的实物图
导轨的上方安装有三台步进电机如图2.2所示，步进电机通过同步带轮带动滑块上的同步带运动，从而将电机的旋转运动转变为滑块的直线运动，并带动滑块在导轨上上下滑进如图2.3所示。
滑块依靠连杆与打印机的喷头相连，当滑块在上下运动时，依靠连杆的刚度完成对喷头的牵引作用，实现对打印头位置的控制。
打印所需的原料通过一根聚乙烯管从打印机的上方送入，送入条料所需的动力由一个步进电机提供。
工作平面位于打印机的底层，打印机整体采用了开放框架，方便打印机平台的调平以及打印机的扩展和维护。
辅助系统和检测系统直接安装在打印机的框架之上实现对打印过程的在线监测。
图2.2步进电机的安装位置图2.3同步带的传动
2.2确认3D打印机整体尺寸
设计原始成形尺寸：
直径200mm，高度300mm。
整体尺寸计算模型图如图2.4所示，等边∆JHG为圆P的外切圆，其中GK⊥HJ，|PQ|=|PK|=|PL|=100mm,JQ⊥GH，HL⊥GJ,可得：
｜HG|=｜GJ｜=｜HJ｜=2｜HK｜=2|PK|tan60°=346.41mm，所以正三棱柱底边边长的最小值346.41mm。
正三棱柱的底边边长取400mm，高度值取800mm。
图2.4整体尺寸计算模型图
2.3Rostock运动机构设计
2.3.1确定连杆长度最值
Rostock运动机构中6根连杆长度是相同的。
确定连杆的最小长度值。
保持打印机的正三棱柱的外形尺寸不变，当rostock运动机构中的6根杆共面时其处于极限位置时，连杆的长度取得最值,此时rostock运动机构的简化模型如图2.5。
图2.5连杆取最小值时rostock运动机构的简化模型
由工作原理可知，∆ABC为等边三角形，|AB|=|AC|=|BC|=400mm,CF⊥AB,AD⊥BC,BE⊥AC,由等边三角形的三线合一性质可知,点O为∆ABC的中心。
所以|AO|=|BO|=|CO|=2/3|AD|=2/3|AB|sin60°=0.67x400xsin60°=230.94mm所以连杆直径为6的不锈钢杆长度的最小值为230.94mm。
保持打印机中的正三棱柱的外形尺寸不变，当滑块位于正三棱柱的最高处时，喷头位于打印机底座平面时其处于另一极限位置，此时连杆的长度取得最大值，此时rostock运动机构的简化模型如图2.6所示。
图2.6连杆取最大值时rostock运动机构的简化模型
图中b=800mm,a=230.94mm,由勾股定理可得
c===832.67.88mm
所以连杆即∅6的不锈钢杆长度的最大值为832.67mm。
综上可得，连杆长度L的取值范围为230.94mm≤L≤832.67mm，考虑打印机的结构和安装，取直径为6mm的不锈钢杆的长度为300mm.
2.3.2连杆的强度校核
在图4.1和图4.3中可知Rostock运动机构的Delta型的打印机中除连杆外各个部件所承受的载荷都很小，所选用的材料的强度都满足要求；而连杆由于在运动过程中可能会受到一定程度的拉伸，所以要校核连杆的强度。
连杆选用直径为6mm的不锈钢杆。
打印机在工作过程中连杆和喷头的质量都很小，它们对连杆的强度影响可以忽略不计，而连杆两端所受拉力大小相差不大，故连杆可等效为二力杆，此二力杆两端所受力大小为10N（相当于1.0kg的力）。
由材料力学的中的轴向拉伸与压缩的强度计算公式得
代入数据得
经查机械设计手册得：
304不锈钢的抗拉刚度b520Mpa.所以所选直径为6mm的304不锈钢丝杆满足要求。
2.4传动方案设计
由打印机的整体尺寸和工作原理可知，该处的传动属于远距离直线传动，可选用的传动方案有螺杆传动和皮带传动，两种传动的优缺点比较如下表所示。
表2螺杆传动与皮带传动的比较
过载能力
结构
工作速度
传动效率
制作安装精度
缓冲减振能力
螺杆传动
无
复杂
较低
较低
较高
无
皮带传动
较好
简单
较高
较高
较低
较好
综合考虑打印机的各个方面情况，本设计的传动方案选择皮带传动。
皮带传动又分为普通V带传动和同步带传动，两种传动的比较如表3所示
项目方案
相对滑动
传动效率
节能效果
结构
工作环境要求
外廓尺寸
V带
有
低
差
复杂
较高
较大
同步带
无
高
好
简单
较低
较小
表3V带与同步带的比较
传动的平稳性和精准性对于打印机的工作精度和速度都是至关重要的，从表3可知，同步带与V带相比传动更加平稳和准确，所以本设计选用同步带传动，由机械设计手册选取MXL型同步带和MXL型同步带轮。
2.5挤出机构设计
2.5.1挤出机装置选择
挤出装置由挤出机和挤出喷头组成，送料装置负责条料的送给。
3D打印机的挤出机主要有直接挤丝、齿轮挤丝、液体挤出三种类型。
本设计的挤出装置的设计主要考虑以下两个方面：
一方面为了提高打印机的工作精度，应可能减轻喷头的重量，需要将挤出机装于3D打印机的顶部，故属于远程挤丝。
另一方面本设计所选用的打印原料为熔点在245℃左右的复合碳纤维材料，故基于以上两个方面的考虑在本设计中选择齿轮的方案，挤出机有以下三种设计方案：
（1）通过电机带动齿轮，齿轮与皮带连接，通过电机带动螺杆转动从而控制材料的进退。
此结构装置比较复杂，而且螺杆上会容易有颗粒状材料残留。
（2）采用输出轴为圆柱形步进电机，用小螺栓将丝轮固定在输出轴上，用一个装有滚轴的装置来挤压打印材料，材料在送丝轮和滚轴之间，使打印材料两侧受到压力产生挤压，迫使材料在电机带动下前进和倒退。
此装置的的好处在于对于步进电机的电流和参数要求不太高，同时利用齿轮减速加力，因此挤丝力会较好。
缺点就是这种装置的结构比较复杂，维护起来相对来说有点麻烦。
（3）通过步进电机的输出轴带动软轴，用软轴控制两边齿轮，用一对齿轮夹紧材料，可完成打印材料的前进和倒退。
但此结构装置较复杂，成本较高并且只能对应一种直径的打印材料，更换其他直径的打印材料就必须重新设计一个软轴。
从结构和实用两个方面考虑，本设计选用第二种设计方案。
本方案的实物图如图2.7所示，送料机构由齿轮、轴承、步进电机组成。
图2.8送料装置原理图图2.7挤出装置实物图
送料装置原理图如图2.8所示。
采用送料齿轮轮和轴承相互配合，依靠轮齿的抓紧力钳住条料向前动作，从而达到条料的进给。
送料轮齿为主动轮，负责提供条料的进给所需动力，轴承起定位的作用，同时可以有效减小条料的进给阻力。
轴承与送料齿轮之间的间隙应该略小于条料的直径，条料进入轴承与送料齿轮之间的缝隙时会受到两轮的挤压而产生摩擦力，使之沿图2.8箭头所示方向运动，可以利用其自身的弹性力确保送料齿轮有一定的抓紧力，送料的精确性可通过对步进角度的控制得到保证。
要做到条料送进不失步，步进电机需要提供足够的扭矩。
2.5.2挤出喷头选择
挤出喷头的选择对于熔融沉积成型技术尤为重要，本文采用的碳纤维的材料极其容易磨坏喷嘴，成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点:
（1）熔丝功能和料丝送进功能:
将送进的固态料年能及时充分地熔化成为熔融状态并从喷嘴挤出;
（2）流道功能:
为熔融态材料提供稳定流动的通道;
（3）定径功能:
对挤出熔融物料进行可控定径,使得细小直径的丝材能够进行堆积;
（4）出丝速度匹配与出丝起停控制功能:
出丝速度实行可控,能够根据喷头扫描速度进行调整,能实现速度互相匹配。
出丝应该能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径起始和停止处。
挤出喷头装置将挤出机送来的打印条料采用电阻式加热融化后，由挤出喷嘴挤出。
挤出喷头设备主要由进料管、加热管、散热片、喷嘴、监测装置、散热风扇、组成。
挤出喷头的原理如图2.9所示。
图2.9挤出喷嘴原理图
挤出喷嘴原理是由送料装置送进的条料经过进料管流进加热管，在加热管内迅速加热至245℃全熔化。
当后续的材料进入加热管后，借助未熔的活塞作用将熔融材料挤入嘴,挤出的条料在打印面上固化形成打印件。
在挤出装置的前端，假如过早地融化，会因材料的热膨胀产生的逆向压力将液态的材料挤出到下端凝固，引起进料管的堵塞。
为阻止这种情况的发生，在进料管上加入散热片和散热风扇对进料管进行冷却与降温。
进料管为贯通整个挤出装置，上端接入喉管插头，下端和喷嘴相连。
进料管的上半部分被数根散热片包裹，下半部分被加热管包裹。
在挤出机构中喷嘴是比较重要的部件，因为打印产品的表面质量取决于喷嘴的大小，考虑到Delta型3D打印机的机械轴向负载能力较弱是为了提高打印精度，本设计采用重量较轻的J-head型喷嘴，这样能控制机器的稳定性，该喷嘴的实物图如图2.10所示。
图2.10J-head型喷嘴
2.6电机的选择
电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类，它们优缺点的分别比较如表4所示.综合考虑控制使用要求、成本要求以及3D打印机的实际工作情况，3D印机的电机选择了步进电机，其作用是为滑块提供足够的动力，即通过带动同步带使得滑块在导轨上做直线运动。
表4伺服电机与步进电机的比较
伺服电机
步进电机
控制类型
闭环控制
开环控制
控制精度
是步距为1.80步进电机脉冲当量的1/655。
两相混合式步进电机的步距角一般为1.80、0.90，两相混合式步进电机的步距角一般为0.720、0.360。
低频特性
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
步进电机在低速时易出现低频振动现象。
频率特性
交流伺服电机为恒力矩输出，其额定转速一般为2000r/min—3000r/min在该范围内电机都能输出额定扭矩，在额定转速以上为恒功率输出。
步进电机输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般为300r/min—600r/min。
选择步进电机需要考虑的因素如下：
（1）最小转速：
要使得打印喷头的最大移动速度可达到60mm/s，步进电机的最小转速可达到250r/min。
（2）额定扭矩：
3D打印机中电机的扭矩涉及以下三个方面：
一、滑块在运动时在自身重力和连杆压力的作用下，使得其最大阻力为0.2N，电机轴的输出力要克服阻力从而带动同步带运动；二、在行进停止时步进电机时可以保持的最大静扭矩要能有效防止滑块在自身重力作用下滑轨下滑；三、为保证挤出机在送料时不失步，步进电机需要提供足够的扭矩。
通过拉力测定可得，材料在送进的过程中，步进电机在运动时的扭矩需保持在0.5N·m左右。
基于以上三个方面的考虑，查《机械设计手册》选取42HB48-174型步进电机，其部分参数如表5：
表542HB48-174型步进电机的部分参数
额定扭矩
保持扭矩
步距角
步距精度
0.27N·m
0.40N·m
1.8°
±5%
2.7传感器的选择
2.7.1温度传感器
在此3D打印机中的传感器包括温度传感器与机械位置传感器。
在温度传感器中，主要有接触式与非接触式两种，具体的差别如表6
表6接触式和非接触传感器比较
温度传感器按工作原理分为接触式和非接触式。
由上表分析，接触式温度传感器的特别适合1200℃以下，无腐蚀性、热容大传感器的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、可靠、维护方便、价格低廉、体积小，并且可以方便的组成多路集中测量与控制系统；非接触时传感器对于1000摄氏度以下误差相对来说较大，故采用接触式的温度传感器。
其中热敏电阻的镍的有效温度测量范围在-150-300℃，精度在0.2%-0.5%之间，标准化程度非常高高，精度及灵敏度都较好，对于本设计来讲镍更加适合作为温度传感器
2.7.2机械位置传感器
机械位置传感器选用压力传感器，它用于检测喷头的三原色颜料用量和粘剂的用量，还有打印原料当前使用情况检测。
但物量不够的时候，反馈并提醒用户加入颜料、粘剂或原料。
综合考虑各个方面因素，选用电位器来做测量，且能达到比较高的精度。
3运动学仿真
3.1Delta型3D打印机结构设计的相关技术指标
运动学仿真的目的在于验证所设计的打印机的结构是否满足任务书给定的运动学相关技术指标。
任务书给定的相关技术指标有：
（1）打印机的工作区域：
直径200mm,高300mm的圆柱体；
（2）喷嘴的运动精度：
0.2mm，打印厚度：
0.2mm；（3）喷嘴运动的最大速度：
60mm/s。
3.2三维模型预处理
在Solidworks中建好三维模型后将其导进adams中进行运动学仿真，为了便于仿真应对模型进行预处理。
为方便在adams中对模型进行处理应在Solidworks中将三维模型进行结构简化就是去掉与运动无关的零部件。
另外，为保证三维模型在Solidworks和adams中所处的坐标系一致以便于处理，在Solidworks应该将模型的坐标原点与系统的坐标原点重合。
Solidworks中处理好的三维模型如图3.1。
将简化后的模型导入adams中后要再次进行处理。
首先对底座、顶座和立柱，滑块和套筒，喷头支架和喷嘴间进行布尔加运算。
然后在底座与大地间添加固定约束,套筒和立柱间添加移动副约束，连杆两端与相关零件分别添加球面副约束。
图3.1Solidworks中处理好的三维模型
图3.2带轮主要参数设置
图3.3同步带的主要参数设置
图3.4同步带系统激励主要参数设置
最后添加同步带运动系统。
为使其便于带轮准确定位，应
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