(完整版)3D打印機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

1、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文題目：3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)學(xué)院機(jī)電學(xué)院專業(yè)班級(jí)電氣五班屆次2014 屆學(xué)生姓名姜云飛學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師宋洪軍二 O一四年五月十二日目 錄摘要.Abstract.引言21 緒論.21.1國(guó)內(nèi)外 3D 打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 .21.1.1國(guó)外 3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 .21.1.2國(guó)內(nèi) 3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀 .31.23D 打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) .31.2.13D打印產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展前景 . .31.2.23D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì) . .41.33D 打印機(jī)的工作原理及特點(diǎn) .41.4發(fā)展創(chuàng)新與突破 . .62 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . .72.1引言 .72.2總體框架的設(shè)計(jì) . .82.3溫

2、度控制回路的設(shè)計(jì) . .82.4XYZ三方向控制電機(jī)的設(shè)計(jì) .92.5噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì) .93 機(jī)械結(jié)構(gòu) .103.1傳動(dòng)方式的選擇 . .103.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 . .113.3噴頭的選擇 . .124 電機(jī)的選擇.134.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比 .134.2直流交流伺服電機(jī)對(duì)比 .154.3負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 . .154.4打印速度的初步估計(jì) . .165 傳感器 .165.1溫度傳感器對(duì)比 . .165.2機(jī)械位置傳感器 . .185.3壓力傳感器 . .196 3D 打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及面臨問(wèn)題 .216.13D 打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn) .216.23D 打印技術(shù)面臨的問(wèn)題.21參考文獻(xiàn)

3、 .22致謝 .23ContentsSummary . Abstract. 1Introduction.21.1ResearchStatus3Dprinterat3Dprinter.21.1.2ResearchStatusofdomestic3Dprinters.31.2Trendsof3Dprinter.31.2.1Futureprospectsof3Dprintingindustry.31.2.23Dprintingtechnologyforfuturedevelopment.41.33Dprinterworksandfeatures.41.4Thedevelopmentofinnovat

4、iveandbreakthrough.61.5ChapterSummary.72Overallprogramandstructuraldesign.72.172.2Theoveralldesignoftheframework.82.3Temperaturecontrolloopdesign.82.4XYZthreedirectionalcontrolmotordesign.92.5Mobileandspraynozzledesignvolumeadjustment.93Mechanicalstructure.103.1Transmission.103.2Calculationofinertia

5、.11nozzle.124motor.134.1Comparisonofservomotorsmotors.134.2Comparisonofmotor .154.3Thecalculatedtorque.154.4PreliminaryestimatesSpeed.165Sensor.165.1ComparisonSensor.165.2Mechanicalsensor .185.3Pressuresensor .19Selectmomentof3.3SelectSelectandstepperDCservoofloadPrintTemperatureposition6 Advantages

6、 of 3D printersand the problems faced.216.1Advantages3Dprinter .216.23Dprintingtechnologyissuesfacingthe .21References.22Acknowledgements .233D 打印機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)作者：姜云飛指導(dǎo)教師：宋洪軍【摘要】 3D 打印是最近兩年開始流行的一種快速成形技術(shù),它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ) , 通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體.我們?nèi)粘Ｉ钪械拇蛴C(jī)能打印一些平面紙張材料,而 3D 打印機(jī)打印出的是立體塑品產(chǎn)品. 文章對(duì) 3D 打印的技術(shù)體系和國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展態(tài)勢(shì)作了綜合

7、介紹，綜述3D 打印技術(shù)的基本概念、發(fā)展簡(jiǎn)史、打印過(guò)程原理、應(yīng)用領(lǐng)域、廣泛影響以及面臨的問(wèn)題等. 在介紹3D 技術(shù)的發(fā)展歷程、3D 打印技術(shù)的工作原理流程及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了3D 打印技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)和存在的問(wèn)題，展望了 3D 打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì).關(guān)鍵詞 : 3D 打印機(jī) ; 快速成型 ; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ; 社會(huì)制造3D printer GraduationAuthor: Jiang YunfeiInstructor: Song Hongjun【 Abstract 】： 3D printing is one of the last two years became popular rapidpr

8、ototyping technology, which is based digital model files, through over the printed layer by layer approach to construct objects. Our daily lives printer can print someflat sheet material, and 3D printer to print out the three-dimensional plastic goodsproducts. Article on 3D printing technology syste

9、m status and domestic industrial development, development made a comprehensive presentation situation, review thebasic concepts of 3D printing technology, development the development process of introduction of 3D technology, working principle and characteristics of the process of3D printing technolo

10、gy based on the analysis of 3D printing technology innovations and problems, looked to the future development trend of 3D printing technology. Key words ： 3D printers; rapid prototyping; structural design; social manufacture引言隨著時(shí)代的進(jìn)步， 我們的生活水平日漸提升，同時(shí)，人口也在急劇的增長(zhǎng)，我們需要越來(lái)越多的物品來(lái)滿足物質(zhì)生活條件。這就勢(shì)必造成我們對(duì)物品的要求也會(huì)越來(lái)越

11、高，做工精細(xì)、獨(dú)特且非量產(chǎn)的物品會(huì)受廣大人們的喜愛(ài)。如今，我們擁有了3D 打印這一先進(jìn)的技術(shù)，我們可以通過(guò)3D打印機(jī)來(lái)打印各種我們所需要的、想要的。3D打印技術(shù)應(yīng)用面廣，它可以用于醫(yī)療行業(yè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品模型、建筑設(shè)計(jì)、制造業(yè)及食品等，前景廣泛。3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料， 通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D 打印機(jī)則出現(xiàn)在上世紀(jì)90 年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物

12、。如今這一技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，人們用它來(lái)制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。1 緒論1.1國(guó)內(nèi)外 3D 打印機(jī)的研究現(xiàn)狀1.1.1國(guó)外 3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)十多年的探索和發(fā)展， 3D 打印技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前已經(jīng)能夠在 0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn) 600dpi 的精細(xì)分辨率。目前國(guó)際上較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí) 25mm厚度的垂直速率，并可實(shí)現(xiàn) 24 位色彩的彩色打印。目前，在全球3D 打印機(jī)行業(yè)，美國(guó)3D Systems 和 Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。此外，在此領(lǐng)域具有較強(qiáng)技術(shù)實(shí)力和特色的企業(yè)、研發(fā)團(tuán)隊(duì)還有美國(guó)的和Shapeways、英國(guó)的 R

13、eprap 等。3D Systems 公司是全世界最大的快速成型設(shè)備開發(fā)公司。于2011年11 月收購(gòu)了 3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者 Z Corporation公司之后， 3D Systems 奠定了在 3D打印領(lǐng)域的龍頭地位。 Stratasys公司 2010 年與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協(xié)議，生產(chǎn) HP品牌的 3D打印機(jī)。繼 2011 年 5 月收購(gòu) Solidscape公司之后， Stratasys又于 2012 年 4 月與以色列著名 3D 打印系統(tǒng)提供商 Objet 宣布合并。當(dāng)前，國(guó)際 3D 打印機(jī)制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過(guò)程中，行業(yè)巨頭正在加速崛

14、起。目前在歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(fèi)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。 另外，3D打印技術(shù)獲得應(yīng)用的領(lǐng)域是個(gè)性化消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)。如紐約一家創(chuàng)意消費(fèi)品公司 Quirky 通過(guò)在線征集用戶的設(shè)計(jì)方案，以3D打印技術(shù)制成實(shí)物產(chǎn)品并通過(guò)電子市場(chǎng)銷售，每年能夠推出60 種創(chuàng)新產(chǎn)品，年收入達(dá)到 100 萬(wàn)美元。1.1.2 國(guó)內(nèi) 3D打印機(jī)的研究現(xiàn)狀自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)多所高校開展了3D 打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面都有

15、一定的科研優(yōu)勢(shì)；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢(shì)，并已推出了 HRP系列成型機(jī)和成型材料【1】；西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到40.2mm；中國(guó)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(guó)內(nèi)3D 打印技術(shù)研發(fā)水平與國(guó)外相比還有較大差距。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了3D 打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)共同的特點(diǎn)是由海外歸國(guó)團(tuán)隊(duì)建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)與國(guó)外廠商同類產(chǎn)品相比尚處于低端。目前，國(guó)產(chǎn)3D 打印機(jī)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(jìn)一步

16、提升。在服務(wù)領(lǐng)域，我國(guó)東部發(fā)達(dá)城市已普遍有企業(yè)應(yīng)用進(jìn)口3D 打印設(shè)備開展了商業(yè)化的快速成型服務(wù)，其服務(wù)范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設(shè)計(jì)、文物復(fù)原等多個(gè)領(lǐng)域。與內(nèi)地相比，我國(guó)港臺(tái)地區(qū)3D 打印技術(shù)引入起步較早，應(yīng)用更為廣泛，但港臺(tái)主要著重于技術(shù)應(yīng)用，而非自主研發(fā)。1.2 3D 打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展前景根據(jù)國(guó)際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)告Wohlers Report 2011發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，全球3D 打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988 2010 年間保持著 26.2%的年均增長(zhǎng)速度。報(bào)告預(yù)期， 3D打印產(chǎn)業(yè)未來(lái)仍將持續(xù)較快地增長(zhǎng)，到2016 年，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將

17、達(dá)到31 億美元， 2020年將達(dá)到52 億美元 【 2】。但 3D 打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D 打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面， 3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對(duì)的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識(shí)

18、產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的需求。Gartner公司 2011 年發(fā)布的最新技術(shù)發(fā)展展望報(bào)告判斷：3D 打印技術(shù)目前正在進(jìn)入概念炒作的高峰階段，其技術(shù)還有待充分成熟，主流市場(chǎng)也有待進(jìn)一步培育。 Gartner 公司研究人員認(rèn)為， 3D打印技術(shù)成熟到適應(yīng)市場(chǎng)需求還將需要5 10 年的時(shí)間。在這一較為漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，產(chǎn)業(yè)可能會(huì)面臨增長(zhǎng)期望落空、技術(shù)遭遇瓶頸以及投資撤離等風(fēng)險(xiǎn)?？傊?，從中長(zhǎng)期看來(lái)3D 打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產(chǎn)業(yè)距離成熟階段尚有較大距離，對(duì)于3D 打印市場(chǎng)規(guī)模的短期發(fā)展不宜過(guò)分高估。因此，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)界對(duì)3D打印領(lǐng)域的投入應(yīng)以加強(qiáng)創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)引進(jìn)和儲(chǔ)備為主，尤其

19、要重視自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的建設(shè)和維護(hù)，爭(zhēng)取在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。如受到概念炒作影響，在技術(shù)尚未充分完善的現(xiàn)階段大規(guī)模投入產(chǎn)能擴(kuò)張，則投資回報(bào)將面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)。1.2.2 3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域， 3D 打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來(lái)，3D 打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢(shì)。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(shí)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

20、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(gè)熱點(diǎn)； 3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡(jiǎn)便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) CADCAPPRP 的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造；拓展在生物醫(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。1.3 3D 打印機(jī)的工作原理及特點(diǎn)1.3.1 3D打印的工作原理三維打印技術(shù)是使用噴頭噴出粘結(jié)劑，選擇性地將零件的截面印刷在材料粉末上面，最后層層將各個(gè)截面粘結(jié)起來(lái).可

21、用于制造復(fù)雜形狀的模型中空模型，或者制造復(fù)合材料或非均勻材料的模型等.圖 1 是三維打印成型機(jī)的剖面示意圖 . 其工藝是先由鋪粉輥從左往右移動(dòng) , 將供粉缸里的粉末在成型缸上均勻鋪上一層然后按照計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件底層截面的形狀,然后成型缸平臺(tái)向下移動(dòng)一定距離，再由鋪粉輥從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結(jié)劑，層層遞進(jìn)，最后得到的零件整體是由各個(gè)橫截面層層重疊起來(lái)的.圖 1 三維快速打印技術(shù)工作原理示意圖3D 打印的主要工作流程如圖2 所示 ,其中 3D建模是 3D打印的前提，相當(dāng)于平面印刷中的原稿，3D

22、建模質(zhì)量的好壞決定了3D 打印的質(zhì)量 .一般現(xiàn)有的 3D 建模軟件都可以實(shí)現(xiàn)建模，比如CADProe等矢量建模軟件，都可以輕易地實(shí)現(xiàn)3D建模 . 3D 分割將建立的 3D 模型分成一個(gè)個(gè)的薄片，每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料及打印機(jī)的結(jié)構(gòu)決定,厚度一般為幾十微米到幾百微米不等 .分割工序也是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，類似于打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序.噴墨打印中將成型材料一層層噴涂在基材上.目前比較流行的做法是先噴一層膠水, 然后再在上面撒一層粉末，如此反復(fù) , 噴頭一般可采用噴墨打印機(jī)的噴頭， 目前也有一些設(shè)備廠商提供專用的噴頭 . 打印完成后，還需要對(duì)打印出來(lái)的 3D 模型進(jìn)行后處理，比如固化處理剝離模型的修整等等，最

23、終完成所需要的模型的制作.1.3.2 3D打印的特點(diǎn)與傳統(tǒng)模型制作相比， 3D 打印具有傳統(tǒng)模具制作所不具備的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)如下 :1 制作精度高。經(jīng)過(guò) 20 年的發(fā)展， 3D 打印精度有了大幅度的提高。目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以03mm以下。2 制作周期短。傳統(tǒng)模型制作往往需要經(jīng)過(guò)模具的設(shè)計(jì)模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期長(zhǎng)。而 3D打印則去除了模具的制作過(guò)程，使得模型的生產(chǎn)時(shí)間大大縮短，一般幾個(gè)小時(shí)甚至幾十分鐘就可以完成一個(gè)模型的打印。3 可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作。對(duì)于傳統(tǒng)模型的制作，個(gè)性化模型的生產(chǎn)就顯得力不從心， 或者是成本高昂。而 3D 打印對(duì)于打印的數(shù)量沒(méi)有限制，

24、不管是一個(gè)還是多個(gè)，都可以以相同的成本制作出來(lái)。4 制作材料的多樣性。 一個(gè) 3D 打印系統(tǒng)往往可以實(shí)現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領(lǐng)域的需要。 比如金屬石料高分子材料都可以應(yīng)用于 3D打印。5 制作成本相對(duì)低。 雖然現(xiàn)在 3D 打印系統(tǒng)和 3D打印材料比較貴，但是如果用來(lái)制作個(gè)性化產(chǎn)品， 其制作成本就相對(duì)較低了 加上現(xiàn)在新的材料不斷出現(xiàn)，其成本下降將是未來(lái)的一種趨勢(shì)。1.4發(fā)展創(chuàng)新與突破3D打印被用作經(jīng)濟(jì)學(xué)人雜志封面，主題為看制造業(yè)新技術(shù)如何改變世界，詳細(xì)介紹了3D打印的歷史和發(fā)展，可見人們對(duì)于3D 打印成為一項(xiàng)可以改變世界的影響力日益關(guān)注。而 3D 打印的價(jià)值體現(xiàn)在想象力

25、馳騁的各個(gè)領(lǐng)域，人們利用3D打印為自己所在的領(lǐng)域貼上了個(gè)性化的標(biāo)簽。人們紛紛展示了如何3D 打印馬鈴薯巧克力小鎮(zhèn)模型，甚至擴(kuò)展到用3D打印汽車和飛機(jī)， 3D打印行業(yè)的發(fā)展始終凸顯著創(chuàng)新突破這一關(guān)鍵特質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.4.1 3D打印應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展延伸3D打印的優(yōu)勢(shì)在 2011 年被充分應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，利用 3D 打印進(jìn)行生物組織直接打印的概念日益受到推崇。比較典型的包括Open3DP創(chuàng)新小組宣布 3D打印在打印骨骼組織上的應(yīng)用獲得成功，利用3D 打印技術(shù)制造人類骨骼組織的技術(shù)已經(jīng)成熟;哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一個(gè)研究小組則成功研制了一款可以實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞打印的設(shè)備;另外，3D打印人體器官

26、的嘗試也正在研究中。隨著3D 打印材料的多樣化發(fā)展以及打印技術(shù)的革新，3D打印不僅在傳統(tǒng)的制造行業(yè)體現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿?，同時(shí)其魅力更延伸至食品制造服裝奢侈品影視傳媒以及教育等多個(gè)與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。1.4.2 3D打印速度尺寸及技術(shù)日新月異在速度突破上， 2011 年，個(gè)人使用3D打印機(jī)的速度已突破了送絲速度 300mm每秒的極限， 達(dá)到 350mm每秒在體積突破上， 3D打印機(jī)體積為適合不同行業(yè)的需求， 也呈現(xiàn)輕盈和大尺寸的多樣化選擇。 目前已有多款適合辦公室打印的小巧 3D打印機(jī)，并在不斷挑戰(zhàn)輕盈極限，為未來(lái)進(jìn)入家庭奠定基礎(chǔ)。在 ViennaUniversityof Technolo

27、gy的一個(gè)研究項(xiàng)目中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了迄今為止世界上最小的 3D 打印設(shè)備，并且降低了打印設(shè)備的制造成本，也有望未來(lái)進(jìn)駐家庭在大尺寸領(lǐng)域，在德國(guó)的 3D打印公 司發(fā)布了4000x2000x1000mm尺寸的 3D 打印機(jī)，該款大尺寸 3D打印機(jī)使打印大尺寸部件一次成型成為可能【3 】打印技術(shù)日新月異，在2011 年 Lexus 對(duì)外。3D發(fā)布了新 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)基于高科技循環(huán)編織技術(shù)，使用激光進(jìn)行3D打印，能夠以編織的方式制作復(fù)雜的3D模型1.4.3設(shè)計(jì)平臺(tái)革新基于 3D 打印民用化普及的趨勢(shì)，3D 打印的設(shè)計(jì)平臺(tái)正從專業(yè)設(shè)計(jì)軟件向簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)應(yīng)用發(fā)展，其中比較成熟的平臺(tái)有基于WEB的 3D

28、設(shè)計(jì)平臺(tái) 3DTin ，另外，微軟谷歌以及其他軟件行業(yè)巨頭也相繼推出了基于各種開放平臺(tái)的 3D打印應(yīng)用，大大降低了 3D 設(shè)計(jì)的門檻，甚至有的應(yīng)用已經(jīng)可以讓普通用戶通過(guò)類似玩樂(lè)高積木的方式設(shè)計(jì)3D模型。2 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1引言3 D打印機(jī) , 專業(yè)領(lǐng)域又稱快速原型機(jī), 是數(shù)字化增材技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展后的逐漸走向民用市場(chǎng)的技術(shù)成果。其推廣不僅意味著科技的進(jìn)步,更為工業(yè)制造概念增添了新的內(nèi)涵, 有著廣闊的發(fā)展前景。本文擬對(duì)3 D 打印機(jī)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì), 在綜合考慮性能與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上完成其元件的討論與選型。3 D 打印機(jī)利用不同的材料打印立體模型 , 利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù) , 設(shè)計(jì)者設(shè)

29、計(jì)出一個(gè)初步模型之后 , 例如一座建筑亦或是人工心臟瓣膜 , 之后通過(guò) 3 D 打印機(jī) 進(jìn)行打印。打印的原料種類繁多 , 有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料均可使用。例如塑料、橡膠等。打印材質(zhì)視具體情況而定。3 D打印機(jī)在 9 0 年代中期就出現(xiàn)了。隨著科技的發(fā)展, 它已經(jīng)投人到各種科技工作的領(lǐng)域當(dāng)中。通過(guò)一層一層堆積的液體和粉末來(lái)生產(chǎn)物體 ,可以用來(lái)制造一次性的機(jī)械產(chǎn)品以及模型。牙科醫(yī)生利用3 D 打印機(jī)掃描患者的牙齒輪廓后復(fù)制出合適的矯正模具 ; 產(chǎn)品生產(chǎn)廠商用它來(lái)完成對(duì)產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì) , 以避免在大規(guī)模生產(chǎn)后修改設(shè)計(jì) ; 展覽館用它復(fù)制真品, 以避免真品被參觀者損毀。2.2總體框架的設(shè)計(jì)2.2.1系統(tǒng)概

30、述系統(tǒng)由輸人設(shè)備制定部分參數(shù) , 從存儲(chǔ)設(shè)備或者直接從計(jì)算機(jī) 中得到事先建好的三維模型 , 由單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分析 , 切片 , 建立 必要的支撐結(jié)構(gòu) , 再?gòu)膯纹瑱C(jī)輸出控制指令 , 控制噴頭型材料融化 , 并通過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī) , 帶動(dòng)噴頭進(jìn)行 X、 Y、 Z 三個(gè)方向的移動(dòng) , 并控制噴頭的噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料的多少。每打好一層, 從外 部設(shè)備讀取下一層的參數(shù) , 再打印下一 層 , 直到全部模型完成。完成 模型的打印之后 , 還需要后期的材料回收工作。2.2.2系統(tǒng)框架輸入設(shè)備、存儲(chǔ)外設(shè)、上位機(jī)、溫度傳感器的測(cè)量值-單片機(jī)分析 -溫度控制回路、 XYZ各方向電機(jī)控制、噴出量控制、

31、顯示設(shè)備2.3溫度控制回路設(shè)計(jì)2.3.1打印耗材的選用為了實(shí)現(xiàn) 3 D 打印機(jī)的功能 , 所選材料也很重要。既要由較低的熔點(diǎn) , 也要有較好的粘滯性 , 同時(shí)也需要快速成型。 綜合考慮 , 我們最終選擇了 P LAA BS耗材。2.3.2設(shè)計(jì)思路概述ABSPLA耗材熔點(diǎn)為 230左右 , 分解溫度 260以上 , 故其通常成型溫度在 250以下?？刂苹芈肥褂脺囟葌鞲衅鞣祷禺?dāng)前溫度 , 反饋回路保證了溫度保持恒定 , 控制器統(tǒng)一使用了單片機(jī)來(lái)輸出指令 【 4】 。(3) 控制回路方框圖如下：設(shè)置的空氣溫度單片機(jī)DA 轉(zhuǎn)換器加熱電路當(dāng)前溫度溫度傳感器 AD轉(zhuǎn)換器單片機(jī)2.4 x y z三方向控制電

32、機(jī)的設(shè)計(jì)采用化繁為簡(jiǎn)的思路 , 將三維打印轉(zhuǎn)化為二維進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一維打印。即 Z 方向采用步進(jìn)電機(jī) , 由步進(jìn)電機(jī)固定的 給量算出所需的步進(jìn)角 , 用這種方式將三維打印先轉(zhuǎn)化為每一平面內(nèi)的二維打印 , 再由 Y 方向也為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) , 則每一平面內(nèi)的二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條 直線上的一維打印。2.5噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)2.5.1噴頭系統(tǒng)的功能要求熔融擠出系統(tǒng)對(duì)噴頭系統(tǒng)的基本要求 是 : 將成型料絲送人液化器中 , 在其中及時(shí)而充分地熔化 , 由固態(tài)變 為熔融態(tài) , 然后再進(jìn)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

33、料堆積路徑。成型工藝對(duì)噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點(diǎn):1) 供應(yīng)功能 : 將料絲從絲筒上拉出 , 提供成型材料 ;2) 熔絲功能與料絲送進(jìn)功能 : 將送進(jìn)的固態(tài)料絲及時(shí)且充分地 熔化成為熔融狀態(tài)并將料絲送人液化器 ;3) 流道功能 : 提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動(dòng)的通道 ;4) 定徑功能 : 對(duì)擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑 , 變?yōu)闈M足要求的細(xì)小直徑的絲材進(jìn)行堆積 ;5) 出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ?: 出絲速度可控 , 能根據(jù)掃描速度進(jìn)行調(diào)整 , 實(shí)現(xiàn)互相匹配。出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時(shí)起停 , 以保證高質(zhì)量的成型路徑 , 尤其是在路徑 起停處。在采用熔絲擠出方式的工藝原理時(shí) , 就是借助液

34、化器中未熔絲材的活塞作用 , 將熔融材料擠出噴嘴 , 出絲推力近似等于送絲驅(qū)動(dòng)力 , 所以在此特定的工藝原理中 , 送絲功能和基礎(chǔ)功能是等效的。2.5.2噴頭實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)基于所選擇的打印耗材 , 噴出技術(shù)采用熔融沉積成型技術(shù) , 根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描 , 同時(shí)控制熔融液體的體積 流量 , 使粘稠液體物料均勻地鋪灑在斷面層上。液化器中使用電熱絲提供熱量使料絲熔融。熔融擠壓快速成型工藝對(duì)溫度的要求極其嚴(yán)格, 噴頭出絲溫度和成型室的溫度嚴(yán)格處于一定的溫度范圍之內(nèi) , 且一旦設(shè)定溫度控制值之后, 須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài), 不能產(chǎn)生較大的擾動(dòng) , 否則成型質(zhì)量將受到影響。這就要求

35、液化器溫度必須保持穩(wěn)定。因此 , 我們需要加入上述的溫度控制回路來(lái)嚴(yán)格控制液化器的溫度。3 機(jī)械結(jié)構(gòu)3.1傳動(dòng)方式的選擇直線導(dǎo)軌可分為：滾輪直線導(dǎo)軌和滾珠直線導(dǎo)軌兩種，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度較高。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。1) 與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 13由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng), 所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到13以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的13。在省電方面很有幫助。

36、2) 高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面, 對(duì)溫度濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制 , 由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。3) 微進(jìn)給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng), 所以啟動(dòng)力矩極小 , 不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象 , 能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。4) 無(wú)側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓 , 由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值 , 進(jìn)而得到較高的剛性 ( 滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力 , 在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí) , 由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng) ) 。5) 高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)

37、現(xiàn)高速進(jìn)給( 運(yùn)動(dòng) ) 。3.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算滾珠絲杠根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JBT9893 1999選用長(zhǎng)度 L=1.0m，公稱直徑【5 】D=12mm,公稱導(dǎo)程 mmPh40對(duì)本系統(tǒng)而言，絲杠傳動(dòng)折算到馬達(dá)軸上的總慣量為：Jt=Z 1+1i 2Z 2 +JS+JW(kg.m 2)其中 i 為兩齒輪的傳動(dòng)比，此處取 i=Z 1Z2=1 其他符號(hào)說(shuō)明如下：Z1齒輪 l及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； J1=0.0018kg.m 2Z2齒輪 2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取J2 =0.0018kg.m2Js絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， kg.m2Jw- 為工作臺(tái)折算到絲杠上的動(dòng)慣量；W工作臺(tái)重量，工作臺(tái)輕，取6kg；S絲杠螺距， 4mm；g重力加速度

38、， 9.8ms2；2圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J=18MDM- 圓柱體質(zhì)量；D- 圓柱體直徑；而且選用絲杠的密度（類于鐵）為7.8gm3滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：JS=14 D2pl*18D 2=3.14*0.012 4*1.0*780032=1.59*10 -5 ( kg.m 2 )Jw=6*0.004 2(9.8*4 2)=2.48*10 -7 ( kg.m 2 )從而 J t =3*10-3 ( kg.m 2)可見， Jt 很小主要由兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)決定，從而對(duì)電機(jī)的功率輸出要求不苛刻，在功率不高情況下，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。這是一個(gè)小慣量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動(dòng)，加速，制動(dòng)的性能好，反應(yīng)快，比較理想。此

39、類電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般是3000rmin 上下，取 3000 為參考研究按 360dpi 的分辨率來(lái)考慮，則每英寸 25.4mm對(duì)應(yīng) 360 個(gè)色點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)色點(diǎn)的距離為 25.4360=0.07mm,又打印噴頭為雙排的，所以，打印噴頭周期移動(dòng)距離 d=0.07*2=0.14mm，噴墨一次，噴粘劑一次，兩個(gè)噴頭噴出同步；設(shè)定機(jī)械精度： 0.005mm，對(duì)應(yīng)的脈沖當(dāng)量 :由 i=1 ，求得絲桿轉(zhuǎn)一圈，噴頭前進(jìn) 4mm。則機(jī)械精度對(duì)應(yīng)絲桿轉(zhuǎn)一周，上位機(jī)應(yīng)該發(fā)出的指令脈沖為4mm0.005mm=800（個(gè)）則對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約為 3000，上位機(jī)脈沖能力至少 800*300060=40000rs ； 對(duì)應(yīng) 600

40、0 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，則上位機(jī)脈沖能力 80000rs ，電子齒輪比不變 . CMX ：電子齒輪比的分子是電機(jī)編碼器反饋脈沖。CDV ：電子齒輪比的分母是上位機(jī)的給定脈沖（指令脈沖）。電子齒輪比 =CMXCDV=（131072100）80000=0=32.8。在此計(jì)算電子齒輪比的目的電子齒輪比把上位機(jī)的給定脈沖要換算成與電機(jī)編碼器反饋脈沖同等意義的信號(hào)，便于控制中心按給定指令要求控制伺服轉(zhuǎn)動(dòng)定位。此外，通過(guò)上位機(jī)的脈沖能力的估算，對(duì)比實(shí)現(xiàn)的可能性，得知我們方案的合理性。3.3噴頭的選擇選用 Konica512L 型號(hào)，實(shí)現(xiàn)寬度盡可能滿足，分辨率滿足，控制X軸方向運(yùn)動(dòng)，Y 軸方向由另一電機(jī)控制， 控制方

41、式類似，單次位移為 36.1mm,精度控制一樣。雙排式排列方式，使得走完一個(gè)幅面的時(shí)間相對(duì)于單排式減半，利于打印速度的提高。4 電機(jī)的選擇4.1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比控制電機(jī)的比較與選?。弘姍C(jī)控制系統(tǒng)按照運(yùn)動(dòng)過(guò)程的需要分為驅(qū)動(dòng)伺服和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)兩大類。伺服有速度控制和位置控制模式。4.2交流直流伺服電機(jī)對(duì)比在 20 世紀(jì) 60 年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，在70 年代以后，交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。控制器的功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說(shuō)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和功率放大部分。 雖然采用功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在90年代的所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。【 6】伺服電機(jī)可以考慮直流和交流兩種：但