熔融沉积3D打印机机械结构的设计.docx

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熔融沉积3D打印机机械结构的设计

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

机械制造工艺教育

班级学号：

机制0911-29

学生姓名：

张斌

指导教师：

刘玉山副教授

二〇一四年六月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

熔融沉积3D打印机机械结构的设计

Designfor3DPrinterofFusedDepositionManufacturing

专业班级：

机制0911

学生姓名：

张斌

指导教师：

刘玉山副教授

学院：

机械工程学院

2014年06月

摘要

随着科学技术的发展,快速成形技术已广泛应用于机械制造领域,提高快速成型技术的应用水平,高效、快速的加工已经成为当前快速成型加工技术发展的一个新课题。

熔融沉积成型工艺（熔融沉积成型工艺）后LOM工艺和SLA工艺开发的3D打印技术。

3D打印技术技术发明于1988年,ScottCrump成立Stratasys公司。

Stratasys公司在1992年推出了世界上第一个基于FDM3D打印机技术——“3D造型,3D建模者）“这也标志着FDM技术投入商业阶段。

快速成型技术的发展和应用越来越广泛和深入,3D印制机的需求越来越大。

因此,本文针对熔融沉积的3D印制机机械结构进行了设计,包括:

1。

改进单喷嘴,2.x-y扫描机制:

3.Z轴升降机制:

4.传动机构。

x-y平面扫描的方向运动、运动的机械传动、打印机精度、同步带传动精密、滚珠丝杆传动。

不要出现在行程较长时抖动,有利于确保扫描精度,稳定的运动。

使用线性步进电机直接连接滚珠丝杆、响应更加快速准确,因为没有中间部分同时,简化了机械结构,精度高。

熔融沉积在3D打印过程中,机械结构的设计,运动和传动更加合理和平稳，使它更好的生产。

关键词：

喷头；X-Y扫描机构；Z轴升降机构；传动机构。

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,Rapidprototypingprocessingtechnologyhasbeenwidelyusedinthefieldofmachinerymanufacturing.Raisetheleveloftheapplicationofrapidprototypingtechnology.Implementefficientprocessinghasbecomethecurrentrapidprototypingprocessingtechnologydevelopmentofanewtopic.Fuseddepositionmoldingprocess（Fuseddepositionmoldingprocess）isdevelopedaftertheLOMprocessandSLAprocessa3dprintingtechnology.ThetechnologybyScottCrumpinventedin1988,ScottCrumpfoundedStratasys.Stratasysin1992,launchedtheworld'sfirstbasedonFDMtechnologyof3dprinter-"3dmodelling,3dModeler）"italsomarkstheFDMtechnologyintocommercialstage..

Thedevelopmentandapplicationofrapidprototypingtechnologyismoreandmoreextensiveandin-depth,3dprintersdemandisbecomingmoreandmorebig.Thus,thispaper3dprintersforfuseddepositionofmechanicalstructuredesign,including:

1.Improvementofsinglenozzle,2x-yscanningmechanism:

3.Zaxisliftingmechanism:

4.Drivemechanism,andonthepartofthestructureisimproved.X-yplanescanninginthedirectionofmovementandthemovementofmechanicaltransmissionprinterfromprecisionsynchronousbeltdriveintoprecisionballscrewdrive.Don'tappearwheninthejourneyislongerthanthejitter,isbeneficialtoensureaccuracyofscanning,stablemovement.Usinglinearsteppermotordirectlyconnectedballscrew,responsemoreaccurately,becausethereisnomiddlepartatthesametime,simplifythemechanicalstructure,highprecision.

Infuseddepositionintheprocessof3dprinters,thedesignofthemechanicalstructure,motoranddrivingmorereasonableandstable,andmakeitbetterinproduction

KeyWords:

Nozzle;X-yscanningmechanism;TheZaxisliftingmechanism;Transmissionmechanism

1绪论

新材料,新技术,新技术在快速成型加工快速介绍,现在在快速成型加工零件加工的质量要求也越来越高,向高功能、高智商,高性能的方向开发;快速成型开发的方向是高功能;快速成型技术向高智能方向前进。

熔融沉积快速成型技术（熔融沉积成型工艺）的新兴与发展,现如今已成为当前的热点行业,已成为业界关注的焦点。

应用3D打印机合理的机械结构是一个重要途径来提高快速成型加工的效率。

目前,与传统的处理相比,机械结构优化设计可以很好的实现高效率和高质量、节能、可以形成良好的技术优势相结合。

是未来的发展方向。

1.1熔融沉积快速成型技术的简介

1.1.1PDM的技术原理介绍

丝状材料选择性熔覆（熔融沉积制造、FDM）,也称为熔融沉积造型。

FDM快速成型技术是一种不依赖于激光成型能源,将各种丝材加热熔融成型方法。

这个过程通过熔融材料一步一步的固化形成一个三维产品,制造的产品目前市场约6.1%的份额。

1.1.2几种典型的快速成型技术

（1）立体光固造型SLA

SteroLightgraphyApparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置.

（2）叠层实体制造LOM

叠层实体制造叠层的成型材料是热敏感类箔（纸等）,激光切割，形成之初,激光根据底部的CAD三维实体模型切片平面几何信息数据,对于铺在工作台上的箔材作轮廓切割,工作台下降一层高度后,回到一层（躺在底部）材料,加热辊滚压,与底层牢牢粘住,激光轮廓切割,根据相应的数据,然后重复,直到整个三维零件。

LOM部分不收缩,不会变形,精度高达±0.1毫米,切片厚度0.05~0.50毫米。

（3）选择性激光烧结SLS

选择性激光烧结选择激光烧结生产过程类似于SLA,使用红外CO2激光扫描加热层的金属粉末或塑料粉末使其达到其烧结温度,烧结金属或塑料制成的立体结构。

（4）融积成型技术FDM

集成产品成型技术（熔融沉积造型）的制造过程是首先通过系统随机快速切片层和SupportWorks软件CAD模型可分为极薄截面,生成控制FDM喷嘴的几何信息。

操作,FDM热塑性材料（如聚酯塑料、ABS塑料、蜡、等等）被加热头加工到临界状态,根据微型计算机控制,计算机辅助设计的喷嘴沿平面几何信息来确定数据移动同时挤出半流动的材料,沉积凝固成精确的实际部分薄层,通过垂直提升系统下的新的形成层同时固化它,并固化层牢固地粘合在一起。

所以,底部形成一个三维实体。

FDM的生产精度达到±0.127毫米,持续积累范围0.0254～0.0254毫米,它允许不同颜色的材料。

（5）其它快速原型制造技术

直接成型铸造DSPC（直接壳生产铸造）来源于三维打印快速成型技术（3d打印）。

流程是计算机设计完毕的零件模型装进模壳设计装置,利用微型机绘制浇注模,生产到所需的厚度,需要配备电子模型（模芯壳模具组件）,然后输给模壳制造设备,由电子模型制成固体的三维陶瓷模壳。

取走疏松的陶瓷粉,露出完整的模壳,并使用熔模铸造的方法,对模壳最终处理,完成整个过程。

该系统可以检测自己的印刷缺陷,不需要图纸,整个加工就可以完成。

光屏蔽（SGC基地-固体-地面养护）由以色列肘的公司开发的,这一工艺是可以同时固化整个液体光聚合物。

SGC技术使用丙烯酸盐光聚合物材料,它的生产精度可以达到0.1%,切片厚度约为0.1～0.15毫米,Cubital公司研制的Solider5600类型产品制作的工作最大的尺寸是508*508*356mm,紫外灯功率2千瓦,每一层循环在90s左右。

MRM（三菱化学快速成型）日本三菱化学化学最新的快速成型系统,原型可以直接放入模具中,被调用的“金属增强树脂成型复合材料（金属树脂模塑）”,比传统模具制造成本降低1/2,缩短成型时间的1/2～1/3。

奥斯汀德克萨斯大学正在研究的高温选择性激光烧结（HTSLS）,在取消聚合物粘结剂的技术上有了重大突破。

结果表明,可用铜-锡或青铜-镍粉两相粉末、用“激光部分熔融低熔点”粉末技术来制造模具。

1.2熔融沉积3D打印机概述

熔融沉积有时被称为熔丝沉积,它将热熔性材料加热到融化,丝状材料被具有微细喷嘴的挤出机挤出,可以沿着X轴方向移动的喷嘴,工作台沿Y轴（不同设备和机械结构设计可能不是相同的）,把熔融的丝材挤出后立即和前一层材料粘合在一起,然后重复这些步骤,直到工件完全形成。

1.3熔融沉积3D打印机工艺原理及过程

FDM工艺是使用热塑性材料热熔,在计算机的控制下一层又一层的堆积成型。

机器控制加热喷嘴可根据截面轮廓信息,作x-y平面运动和Z方向的运动。

丝状热塑性材料通过送丝机构送到喷嘴里,并加热到熔融状态,然后选择性涂覆在工作台之上,快速冷却后形成截面轮廓。

完成一层截面后喷嘴增加一层的高度,然后进行下一层涂覆。

重复上述动作,直至形成三维产品。

FDM制造过程原则:

熔融沉积快速成型工艺在原型制作时同时需要制作支撑,为了节省材料成本,提高沉积效率,新的FDM设备采用双喷嘴。

一个喷嘴用于沉积模型材料,一个喷嘴用于沉积支撑材料。

一般来说,模型材料丝成本高、沉积效率很低。

但是支撑材料丝很粗且成本更低、沉积效率比模型材料丝高。

双喷嘴除了沉积过程具有较高的沉积效率,并降低生产成本以外,还可以灵活地选择具有特殊的性能支撑材料,方便支撑材料的处理,如水溶性材料、低于模型材料熔点低的热熔材料。

1.4熔融沉积3D打印机国内外现有技术水平

目前,快速成型技术的软件还有早期的典型特征,可以完成数据处理和控制的形成过程,因为每个公司的软件都是自己开发、自成体系,所以相对封闭,没有统一的数据接口和统一的软件模块划分标准,严重阻碍了二次开发和该技术的推广应用、不同工艺的集成。

因为CAD和RP&M的接口软件开发的难度高和独立性,外国出现了作为CAD和RP&M系统之间桥梁作用的第三方软件,软件开发人员一般为个人或公司,软件功能很少。

比较著名软件有很多，比如CIDES、Brigeworks,STL等等。

国内RP&M软件的开发也进行了大量的工作,清华大学激光快速成型中心已经开发出具有自主知识产权的适应性快速RP数据处理系统LARK,该系统主要分为三个部分,即基于STL模型三维工艺规划子系统,基于CLI模型2D工艺规划子系统和工艺规则制定和信息管理子系统。

华中科技大学在POWERSHAPE直接切片研究、直接切片研究、直接切片在RP&M中的应用,RP&M数据处理软件一些技术问题等,进行了卓有成效的研究,开发出一系列实用的软件。

西安市交通大学开发的LPS数据管理系统和数据处理系统,有STL模型显示控制、参数设置、分层处理、支撑添加等功能,并在其独立开发的LPS和CPS系列应用于快速成型机。

1.5熔融沉积3D打印机应用领域

制造各种模具,模型;代替熔模精密铸造蜡模,一般主要用于原型设计验证。

塑料零件、铸造蜡模,样件或模型。

快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

主要用于专业领域、桌面级项目还有待观察。

高端制造业领域,样品功能测试、试验和装配仿真模拟等。

1.6本次设计的主要工作

1.6.1主要设计工作

（1）丝杠设计；

（2）导轨设计；

（3）框架设计；

（4）喷头设计；

（5）部分机械辅助控制的设计。

1.6.2设计参数

喷头最大运行速度：

80mm/s

最大成型件重量：

约为10kg

Z向定位精度：

0.01mm

加热板、丝杠以及直线导轨轴等的总重量：

约10kg

喷头定位精度：

0.005mm

成型空间：

400*400*300mm

1.6.3设计思路及主要问题

使用分块设计的理念,机械结构分为X--Y扫描系统,Z方向移动系统两个部分。

（1）x-y扫描系统的机械结构

打印机扫描系统采用精度高x-y工作台,它驱动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。

步进电机驱动滚珠丝杠带动扫描头作x-y平面运动,扫描范围是400x400mm,重复定位精度为0。

005mm。

为降低质量,提高响应速度,选择铝材进行设计,选择高转矩电动机。

扫描系统结构由计算机、X-Y扫描头、聚焦透镜,圆柱滚动直线导轨,滚珠丝杠、步进电机等组成。

因为混合步进电机体积小、大转矩和良好的低频特性,运行的时候噪声小,失去电力自锁等优点,X,Y、Z方向都采用这种步进电机。

为了减少X方向负载的质量、连接板和电机采用铝材。

（2）Z轴升降系统

它能完成零件支撑和在Z轴方向运动的功能,驱动丝杠上的喷头上下移动。

每个固化一层。

Z轴带动喷头上升一层的厚度，这个过程实现零件的堆积,确保定位精度。

定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度和表面光洁度,和层与层之间的粘结性能。

采用步进电机驱动、精密滚珠丝杠传动和精密导轨导向。

驱动电机采用混合式步进电机,配合细分驱动电路,直接连接滚珠丝杠来实现高分辨率驱动,消除中间齿轮传动,既减少了尺寸和减少传输误差。

成形零件时,Z轴经常做下降,上升运动,为了减少运动时产生较大的误差,方便从加热板上取下成型零件,加热板必须加工成表面光滑的加热板的大小要合理。

2传动部分的设计

2.1设计任务

机械部分的设计主要包括机械结构传动装置和熔融沉积3D打印机的整体布局设计。

2.1.1设计目的

设计熔融沉积3D打印机的整体部分和其它的设计。

主要用于单件小批量零件和功能模型的快速成型制造

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2.1.2机械结构传动装置设计

事实证明,整个机器传动装置占了很大的比例。

因此,传动装置的设计好坏是机械设计的关键。

本次的设计从电机到执行部分采取几种解决方案:

齿轮传动,普通V带,同步带传动、链传动、丝杠螺母副等。

下面将上述几个传输方案比较。

齿轮传动的承载能力和速度范围比较大,传动比恒定,外轮廓尺寸小,运行可靠,效率高,寿命长,制造安装精度要求高,噪音大,成本较高。

齿轮齿条传动通常用于行程较大的机床,可以得很大的传动比,容易得到高速直线运动,刚度和机械效率高,传输不够平稳,传输精度不高。

普通三角皮带传动的承载能力小,传递相同的转矩时结构尺寸比其他形式大,但稳定,可以缓冲振动、噪音低、良好的经济性能。

同步带传动确保准确的同步带传动比,传动的优点是速度范围广,传动比大,效率高（高达98%）,预紧力小,轴和轴承负荷小,单位长度质量很小,因此它允许线速度高,但制造和安装精度较高,必须按要求严格中心距。

链传动属于有中间挠性件啮合传动。

只能用两个平行轴方向进行回转和传动,不能保证恒定的瞬时传动比;磨损后容易发生跳齿;工作时有噪音;不应该在负载变化大和快速反向传动中应用。

丝杠螺母副传动,滚珠丝杆螺母副是滚动摩擦,摩擦损失小,传动效率高,可达到0.90至0.96;丝杠和螺母预紧后,可以完全消除两者之间的间隙,提高传动刚度,摩擦阻力小,几乎与速度无关。

能保证平稳的运动,不容易在低速中爬行;不能自锁,可逆性强。

综合比较几种传动方案最后选择同步带传动适合并能满足步进电机和丝杠之间的连接需要，因此传动装置选择同步带传动

熔融沉积3D打印机总体布局设计根据设计要求加工尺寸最大、重量、形状、和传动关系,速度、位移、加速度、时间等一系列的参数设计,最后得到一个可以满足设计要求同时满足各部分之间的相对位置关系。

主框架的机械结构：

铝合金框架,,喷头、X-Y方向的传动装置（螺丝、导轨）和辅助装置。

2.2步进电机的选择设计任务

2.2.1步进电机的简介

步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器和电极的一步。

步进控制器由缓冲器、环形分配器、控制逻辑及方向控制。

功率放大器的作用是控制环形脉冲放大,驱动步进电机旋转。

其控制系统如图1：

图1步进电机的控制系统

脉冲信号的产生

CPU、单片机产生的脉冲信号,一般脉冲信号的占空比约为0.3至0.4,电机转速越高,工作周期越大。

在步进电机控制软件制作中要解决的一个重要问题,是产生周期性的脉冲序列,如下图所示。

从下图可以看出,脉冲是使用周期时间,脉冲高度,打开和关闭电源来表示的。

脉冲高度取决于使用数字元件电平来决定,如普通TTL电平为0-5v,COMS电平为0-10v等。

常用的接口电路,可用0到5v打开和关闭电源的办法来控制。

相应的数据为例,当步进电机数字线送高电平（连接）,步进电机开始一步一步的运动。

但是由于步进电机“一步”是需要一定的时间,所以在发送高脉冲应该延长一段时间,使步进电机在指定的位置。

因此,使用计算机控制步进电机实际上是一系列的脉冲波由计算机生成的。

用软件的方法实现脉冲波是先输出高电平,然后用软件延迟一段时间,然后输出低电平时间延迟。

延迟时间的长度决定于由步进电机的工作频率。

上面是一个步进电机控制命令和控制模型,如果在相反的顺序控制,步进电机相反的方向转动。

因此,所谓的步进电机的方向控制,实际上是在一个特定的方式控制（根据需要选择）中指定的顺序发送脉冲序列,可以达到控制步进电机的目标方向。

图2脉冲信号的产生

功率放大

功率放大器是驱动系统中最重要的部分。

步进电机在一定的速度转矩取决于平均动态电流而非静态电流（当前示例是静态电流）。

电动机转矩的平均电流越大,需要克电机的反电势平均电流越大。

在不同场合采取不同的方式,到目前为止,驱动模式通常有以下几种:

恒压和恒压串联电阻,高、低压驱动,恒流和细分数。

步进电机一旦定型,其性能取决于电机驱动电源。

步进电机速度越高,转矩,电动机电流的需求越大,驱动电源电压就越大。

用于步进电机步距角不满足条件下,利用细分驱动程序来驱动步进电机，细分驱动的原理是通过改变相邻（A,B）的大小,改变合成磁场的角度来控制步进电机运行。

驱动电源如图3所示：

图3步进电机驱动电源

细分驱动器

在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

细分驱动的原理如图10：

图4细分驱动器的原理

用途特点及工作条件

LX19系列开关用于交流50Hz或60Hz,控制电路的电压220v到380v的电路中,机械信号变成电信号,控制运动机构和转换方向度用。

LX19系列开关采用双断点瞬动式结构,安置在一个金属外壳构成的保护式。

壳上装有各种机械零件的方法。

组成的单轮、双旋转动,没有线性运动形式的行程开关,等等。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁步进电机（PM）,混合步

进电机（HB）和单相步进电机,等等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

步进电机的一些特点：

1、一般精密步进电机步进角的3-5%,且不累积。

2、步进电机外壳允许最高温度。

步进电机温度太高会使磁性材料退磁,所以电机外壳允许最高温度应该取决于不同的退磁磁性材料;有些材料都在130摄氏度以上,有的甚至高达200摄氏度以上,因此步进电机出现在80-90摄氏度温度完全正常

2.3丝杠的选型

1.公称直径。

即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不过请注意，这些规格中，各厂家一般只备16~50的货，也就是说，其他直径大部分都是期货（见单生产，货期大约在30~60天之间，日系产品大约是2~2.5个月，欧美产品大约是3~4个月）。

公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大，具体数值可以查阅厂家产品样本。

这里只说明两个概念：

动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。

设计时参考前者即可。

需要注意的是，额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。