基于3D打印技术的齿轮系统模型制造毕业论文.docVIP

本科毕业设计(论文)题 目:基于3D打印技术的齿轮系统模型 制造 学 院: 机械电子工程学院 专 业: 过程装备与控制工程 班 级: 1103051 学 号: 110305128 学生姓名： 朱超 指导教师: 于波 职称: 副教授 二一五年 六 月 二日基于3D打印技术的齿轮系统模型制造摘 要近年来3D打印技术得到了较快发展，被认为是“第三次工业革命”的主要标志之一。本文介绍了3D打印背景，包括3D打印的概念、起源及现状、发展历程和技术特点。齿轮系统在现代工业系统中举足轻重，是极为重要的一环。随着现代化工业的发展，对齿轮系统要求趋于精密化和个性化。齿轮系统有多种多样，经过许多年的发展，齿轮系统越发的复杂，但是其最核心的部分还是齿轮与齿轮、齿轮与轴之间的配合关系和配合方法。3D打印机是3D打印技术的具体表现，3D打印机的种类繁多，参差不齐。3D打印技术现在还未发展到很成熟的地步，还需要经过发展探索，来完成实现它的量化生产，而不是仅仅只能小批量生产。3D打印技术用于制作齿轮系统将具备广阔的发展空间。本论文以设计一个单级圆柱齿轮减速器为例，充分考虑减速器的工作情况，设计减速器内外部结构, 继而设计出符合要求的减速器。然后通过数据导入，利用Pro/E软件画出减速器立体图。采用3D打印机打印出高分子材料的减速器实物。关键词：3D打印；齿轮系统；单级圆柱齿轮减速器Design of gear system based on the technology of 3D printing Abstract In recent years, the 3D printing technology has been developed rapidly, and it is considered as one of the main signs of the third industrial revolution. This paper introduces the background of 3D printing, including the concept, origin, status quo, development and technical features of 3D printing.The gear system is a very important part in the modern industrial system. With the development of modern industry, the requirements for gear systems become more sophisticated and personalized. Gear system is divided into a variety, after many years of development, the gear system more and more complex, but the core part or between the gear and the gear, gear and shaft cooperation and coordination method. 3D printer is the specific performance of 3D printing technology, the variety of 3D printers, uneven. 3D printing technology is now not yet developed to the point of maturity, but also need to go through the development of exploration, to achieve its quantitative production, rather than just a small batch of production. 3D printing technology for the production of gear system will have a broad space for development. In this paper, a single - stage cylindrical gear reducer is designed, and the working environment of the reducer is considered, the internal and external structure of the reducer is designed, and the reducer is designed. And then through data, using Pro/E software to draw a reducer three-dimensional map. 3D printer to print out the reducer of polymer material in kind. Key words:3D print;Gear system;Single cylindrical gear reducer目 录1 绪论- 1 - 1.1 3D打印背景- 1 - 1.1.1 3D打印的概念- 1 -1.1.2 3D打印的起源及现状- 1 -1.1.3 3D打印的发展- 2 -1.2 齿轮系统- 3 -1.2.1齿轮的发展起源- 3 -1.2.2 齿轮的分类- 4 -1.2.3齿轮材料- 5 -2 齿轮系统的设计-单级圆柱齿轮减速器- 6 - 2.1系统设计的内容和要求- 6 -2.2 传动方案的拟定- 6 -2.3 电动机的选择及传动装置的运动和动力参数- 6 -2.3.1电动机的选择- 6 -2.3.2传动比的初步分配- 7 -2.3.3初步计算传动装置的运动参数和动力参数- 7 -2.3.4普通V带的传动设计- 9 -2.3.5 齿轮的传动设计- 10 -2.3.6轴设计- 13 -2.3.7 滚动轴承的选择- 19 -2.3.8键的选择及校核- 20 -2.3.9联轴器的选择- 20 -2.3.10 减速器的润滑- 21 -2.3.11减速器箱体的结构尺寸- 21 -3 3D打印齿轮系统- 22 -3.1 3D打印机的介绍- 22 -3.2齿轮系统制造的过程- 23 -3.2.1 3D打印机体系结构- 23 -3.2.2 3D打印工作流程- 24 -结 论- 25 -致 谢- 26 -参考文献- 27 -南京林业大学本科生毕业设计（论文）1 绪论1.1 3D打印背景1.1.1 3D打印的概念 3D打印(Three-dimensional printing) 技术起源于快速成形技术，也被称为增材制造。3D打印技术是20世纪80年代后期发展起来的一门新兴技术，其发展速度很快，对制造业产生了巨大推动作用，其发展也越来越受到多个行业和领域的关注。3D打印技术基于电脑画图软件所建立的模型直接驱动，快速把形状复杂的三维实体制造出来，是多门学科相互结合与交织的产物。可以说，它是准确地、自动地、迅速地将设计想法物化为具有一定功能的实物或直接制造出相应零件的技术，对制造产业技术具有革命性和创新性意义。当前，3D打印技术的研究方向主要集中在基础理论、方法学、新型材料、制造技术与生物工程等，专业领域跨度极大。3D打印技术的核心是基于数字化新型成形技术，因此，3D打印技术可以理解为信息技术和传统制造业的有机结合，或者说信息技术对传统制造业的创新性改造和革命性提升。1.1.2 3D打印的起源及现状3D打印的核心思想起源于美国，现代意义上的3D打印技术出现在20世纪80年代。其诞生标志为1988年美国 3D System公司根据 Hull 的专利，采用“立体平版印刷快速原型”（又称立体光刻等）（Stereo Lithography（Appearance），SL（A） 技术，通过紫外激光束扫描照射光敏树脂固化，逐层制造得到三维实体模型所推出的 SLA-250 首台商用“液态光敏树脂选择性固化成形机”。美国麻省理工学院的Saches E.M.1和Cima M.J.等在1992年率先提出“3D打印技术”的概念，并创建了三维打印企业 Z Corp。此后，3D 打印日益得到广泛关注。立体光刻诞生后的数年中，多种快速成形技术迅速兴起， 主 要包 括：1988年Feygin2发明的分层实体制造（ Laminated Object Manufacturing，LOM）、1989年Deckard3的选区激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、1992 年Crump 的熔融沉积造型Fuesd Depostion Modeling，FDM）、以及原本狭义，今天却被媒体广义地用作增材制造代表性术语“ 三维（3D）打印 ”（Three Dimension Printing,3DP）。进入20世纪90年代之后，具有更大价值和发展空间的进展是采用激光烧结方法直接制造金属零件的新技术。其中代表性事件是，1994 年 德 国 EOS 公 司利用激光烧结方法制造了EOSINT M160 首台原型机及随后的EOSINT M250 工业用机。增材制造技术“以信息技术为支撑，以柔性化的产品制造方式来最大限度满足企业和个人无限丰富的订制化和个性化需求”4。 经历20 多年的发展，3D打印技术已经从萌芽状态发展到到产业化阶段，当前已经从初始的原型设计和制造发展为机械零件设计和制造。1.1.3 3D打印的发展目前，3D打印技术已经比较成熟，但其发展潜力依然十分巨大。随着技术进步，3D打印在打印材料和打印精度等方面都有较大提高。一般打印精度可以达到600dpi，每层材料最小厚度可以达到0.1 mm，打印器件最小尺度能够做到0.1 mm。打印材料从石料、金属到目前主流材料高分子材料都可以适用。打印速度也有所提高，当前能够以较高分辨率进行打印，打印过程中每小时打印的垂直高度达到1英寸以上。3D打印技术的发展得益于许多企业的专注与持之不断的热情与资金的投入。 3D打印的发展状况，通过这些企业的相关产品和解决方案可以显现得淋漓尽致。目前比较有名的公司主要有 Z-corporation 公司(2011 年被 3D system公司收购）、3D system公司、Objet Geometries公司和Stratasys公司等5。其中 3D system 公司实力最为强大，代表了3D打印技术目前的最顶尖技术水平和未来发展趋势，可以为个性化高端消费者和专业人士提供 3D 打印系统，其3D系统可分为个人用户解决方案、专业用户解决方案和工业用户解决方案等。上述解决方案能够快速设计、传输、成型和制作功能部件，使客户更有信心地进行创作。 1.1.4 3D打印的特点 3D打印和传统的制造方式比起来有他自身的优势 1. 制作精度高。 经过20年的发展，在精度方面3D打印技术有了显著的提高。目前市面上所运用的3D打印成型的精度基本上都不高于在0.3 mm 。例如3D System公司的 Projet SD 6000/7000 最高成型精度可以达到（ 0.025 0.05）mm。这种精度等级应该可以满足市场上绝大多数消费的要求。2. 制作周期短。传统模式的生产往往需要模具设计，模具生产，生产模式，加工过程，生产周期长。而3D打印并不需要模具制作过程，这样就使得模型的生产时间大大缩短，完成一个模型的打印一般几个小时甚至几分钟就可以了。3. 可以实现个性化制作。就像文章一开始说的那样，今后个性化模型的生产对于传统模型制作工艺来讲要么显得力不从心，要么成本高昂。在理论上，3D打印对于打印模具的数量是没有要求得， 不管一个还是多个都可以用相同的材料和成本制作出来，这作为一个很大的优势为3D打印开拓新的市场奠定了十分坚实的基础。4. 制作材料的多样性。 一个3D打印系统往往可以打印不同种材料， 而这种材料的多样性满足了不同领域的需要。如金属、石材、高分子材料都可应用于3D打印。 截至 2011 年，著名的3D打印成型公司Objet公司6的可打印的3D打印材料就已经多65种。5. 制作成本相对低。 尽管现在3D打印系统中3D打印材料比较贵， 但如果用来制作个性化产品，其制作成本相对来说就比较低了。其成本下降将是未来的一种趋势随着新材料不断出现。一些3D打印方面的专家估计在今后的十年左右，3D打印将会出现在普通家庭的日常生活。1.2 齿轮系统1.2.1齿轮的发展起源 齿轮的历史可以追溯到两千多年以前,在公元前400-200年以文明古国着称的中国和印度,就开始使用了它。十六世纪 ,齿轮被确定为机械元件。从十八世纪欧洲工业革命到现在,齿轮传动作为机械传动的主要形式在机械工业占有很大一部分,是工业技术发展水平的重要标志之一。 在各种新技术蓬勃发展的今天,齿轮依然具有重要作用。最原始的齿轮是不考虑齿距和齿形的所谓“拨挂传动”。十三世纪西欧的时钟齿轮需要准确的音高，而齿只是近似弧。为了转移等速旋转运动和提高传输效率，齿廓曲线是在第十七世纪的研究所得，并对齿轮啮合理论的研究。1733加缪（mcamu）7发表了加缪定理和1765瑞士欧拉（欧盟- L E R L）开创了欧拉沙氏方程，莫定了齿形机耕学的基础。十七到十九世纪,能够传递正确回转运动的摆线齿形被广泛采用伴随着钟表工业的发展。虽然摆线齿形在负荷状态和轴承受力方面是优越的,但是渐开线齿形由于制造工艺的多样性和其中心距的可分性等优点,在实用上比摆线更为优越。来到二十世纪初 ,渐开线齿形加工效率和精度大大提高得益于展成切齿法”的应用，并且可以用“变位”方法来改善啮合性能,因而这种齿形很快被广泛采用。二十世纪以来 ,齿形理论 从刚体的机构学逐渐发展 ,考虑了运动学、动力学的问题 ,以及热变形和摩擦 、 润滑等多方面的因素。出现了渐开线“修形”新技术 。经过 二百多年的发展 ,渐开线齿形已是树大根深。但是 ,它也存在不足之处 ,所以在某些领域也出现了其他类型的齿形。例如,由于相对曲率半径的限制 ,提出了有较高齿面强度的园弧齿形为了减轻轴承受力,在钟表、仪表齿轮中常用摆线齿形;在少齿差内齿轮传动中 ,由于滑动和干涉的限制出现了任摆线齿形和波导传用的锯齿形等等。1.2.2 齿轮的分类 齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。齿轮的齿面形状包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。渐开线齿轮比较易于制造，因此渐开线齿轮占绝对多数在现代使用齿轮中，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。在压力角方面，大压力角齿轮承载能力较高，而小压力角齿轮的承载能力较小。但大齿轮相对于小齿轮在传递转矩相同的情况下轴承的负荷会增大，所以仅用于特殊情况。而目前齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮优点较多，已遍及各类机械设备中。此外，齿轮可分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按齿轮制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。齿轮的承载能力和尺寸重量受齿轮的制造材料和热处理过程的影响。在20世纪50年代前，碳钢作为生产齿轮的主要材料，60年代改用合金钢，而70年代则多用表面硬化钢。按硬度划分，齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。软齿面的齿轮承载能力较低，但它容易制造，并运行良好，一般常用于传动尺寸和无严格限制重量，以及小量生产的一般机械中。因为在配对的齿轮中，小轮负担较重，这样就使得大小齿轮工作寿命大致相等，但在实际中小轮齿面硬度一般要比大轮更高。硬齿面齿轮承载能力高，其制作过程通常为：先齿轮精切，再进行淬火、表面淬火或渗碳淬火处理。这样可以提高硬度。但在热处理中，齿轮产生变形是不可避免地，所以在热处理之后须进行进一步磨削、研磨或精切，用来消除因变形产生的误差，提高齿轮精度。1.2.3齿轮材料 当今齿轮的制造材料基本上是钢铁制品,广义上来讲齿轮的制造材料就是金属。但是随着材料科学的迅速发展,齿轮上逐渐开始采用很多高新材料。高分子材料,比如塑料已在齿轮上得到应用,今后在某些特种产品制造领域必将有更大作为。陶瓷材料已在汽车领域得到运用和轴承上得到应用,相信不久就会运用在在齿轮传动中。纳米材料由于其在物理,化学,力学等方面的特殊性质,所以有望在齿轮材料家族中扮演重要角色。 本论文制作的齿轮减速系统就是运用高分子材料采用3D打印技术制作的一个具体模型。2 齿轮系统的设计-单级圆柱齿轮减速器2.1系统设计的内容和要求设计要求：设计一用于带式运输机的单级圆柱齿轮减速器。运输机连续工作，单向运转，载荷变化不大，空载启动。减速器小批生产，使用期限10年，两班制工作。运输带容许速度误差为5%。 原始数据：运输带拉力（KN） 3.6 卷筒直径D（mm） 330 运输带速度（m/s） 1.02.2 传动方案的拟定采用v带传动与齿轮传动的组合，即可满足传动比要求，同时由于带传动具有良好的缓冲，吸振性能，适应大起动转矩工况要求，结构简单，成本低，使用维护方便。2.3 电动机的选择及传动装置的运动和动力参数2.3.1电动机的选择A. 电动机类型和结构选择：选择Y系列三相异步电动机，此系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，适用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械。B. 电动机容量选择：电动机所需工作功率为： （2.1） (2.2) 已知F=3.6KN V=1.0m/sC.设1、2、3、4、5分别是V带，轴承，齿轮，联轴器和卷筒的效率查机械手册可取1=0.95 2=0.98 3=0.97 4=0.99 5=0.96 (2.3) = =0.824 Pd=P1/总 (2.1) =3.6/0.824 =4.369kwD.确定电动机转速： (2.4)取带的传动比为i1=24 齿轮的传动比为i2=36 总的传动比 i总=624 电动机转速=347.41389.6r/min符合要求的传速有750r/min、1000r/min 2种E.确定电机型号综上所述，查机械手册3得电动机型号为Y160M2-8 Pm=5.5kw nm=720r/min 2.3.2传动比的初步分配： 1. 总传动比的计算： (2.5)2. 分配传动比 i1不宜取过大，初取i1=2.76，i2=4.52.3.3初步计算传动装置的运动参数和动力参数1. 电动机的输出参数Pm=5.5kw, nm=720r/min Nm (2.6)2确定转速3确定功率(1)输入 卷筒 （2.7）(2) 输出4输出转矩（1） 输入： （2.8）（） 卷筒 （2） 输出： （2.9）数据整理如下 表2.1 轴数据表轴名称转速r/min功率（输入）kw转矩（输入）Nm电动机轴7205.572.95轴260.874.15151.94轴57.973.94649.95卷筒轴57.973.82630.582.3.4普通V带的传动设计1. 普通V带传动 查手册得KA=1.2计算功率： （2.10） 查手册可知用B型普通V带2确定带轮基准直径dd1，dd2查手册的，B型普通V带最小直径ddmin=125mm取dd1=140mm,取带的滑动率=0.01从动轮直径 （2.11）取dd2=37.5mm则普通V带实际传动比 （2.12）齿轮实际传动比 3验算速度V在525m/s范围内，符合要求。4确定带的长度Ld和中心距a 现根距结构要求 取带的基准长度 （2.13）根据课本，选取带的基准长度 Ld=1800mm确定实际中间距 （2.14）5小带轮的包角 （2.15）能满足要求6确定根数查机械设计基础第五版课本得：P0=1.68kw P130表8-6得KL=0.95，表8-5可查得K=0.93 （2.16）取Z=4根 所采用V带为B-180047带作用在带轮轴的力单根V带的张紧力 （2.17）查课本得q=0.17kg/m，故F0=268.76N。所以作用在轴上的力为F=2ZF0sin= （2.18）V带相关数据 表2.2 V带数据参数数值参数数值/mm带型B大齿轮直径dd1375带数4小齿轮直径dd2140传动比2.68中心距478.465带速5.28m/s带长18002.3.5 齿轮的传动设计1高速轴设计（1) 重新计算高速轴运动参数(2) 选择齿轮材料及热处理查手册可知： 根据工作要求，采用齿面硬度360HBS 小齿轮选用45钢调制处理，硬度为60HBS 大齿轮选用45钢调制处理，硬度为220HBS计算可得许用接触应力：小齿轮 （2.19）大齿轮 由于我们技术有限并且力求把实物做出来。在目前国内，用3D打印技术打印钢铁材料对我们来讲技术难度较大，所以我们采用高分子材料，。（3） 选择齿轮齿宽系数：（4） 确定载荷系数K 因齿轮相对轴承对称布置，且载荷较平稳，故取K=1.35（5） 齿轮实际传动比 （6） 计算齿轮的中心距 （2.20）（7） 选择齿数和确定模数Z1=2040（取17） 初取 Z1=28 则 （2.21）根据课本.取标准模数 m=2.5mm（8） 齿轮几何尺寸计算 小齿轮的分度圆直径及齿顶圆直径，齿根圆直径 大齿轮的分度圆直径，齿顶圆直径及齿根圆直径 实际中心距 （2.22） 大齿轮宽度小齿轮宽度：因小齿轮齿面硬度高，为补偿装配误差，避免工作时在大齿轮齿面上造成压痕，一般b1应比b2宽些。取 （9）确定齿轮的精度等级 齿轮圆周速度： 根据工作要求和圆周速度。 由表9-3选用 齿轮精度等级为8级。2. 轮齿弯曲强度验算 （1）确定许用弯曲应力根据表9-7查得 (2) 查齿形系数YF，比较YF/ 小齿轮z1=28 由课本查的YF1=2.56 大齿轮z2=130由课本用插入法得YF2=2.19 ，所以应验算小齿轮（3）验算弯曲应力，计算时应以齿宽b2代入，则 (2.21) 鉴定安全（4） 齿轮的结构设计小齿轮采用齿轮轴，大齿轮采用锻造孔板式齿轮的计算数据整理如下表2.3 齿轮数据小齿轮大齿轮中心距a/min197.5模数m2.5齿数28130分度圆直径mm70325齿顶圆直径mm75330齿宽8479硬度HBS2602202.3.6轴设计1. 确定最小直径 高速轴： （2.22） 取dmin=28mm因为其截面有一键槽，故将其直径扩大3% 取标准直径 低速轴： （2.23） 故取因为其截面上有一键槽，故将其直径扩大3% 取标准直径 2. 设计轴的结构并绘制结构草图（1） 高速轴的设计 带轮宽度 （2.24） 取定位轴肩 该段落有滚动轴承选用深沟球轴承，则轴承有径向力，轴向力为0 根据要求选择6208型轴承，其尺寸为 该段为滚动轴承的定位轴肩，其直径小于滚动轴承的内圈外径52.8mm 故 该段为齿轮轴 该段装滚动轴承 图2.1 齿轮轴示意图(2) 低速轴的设计从联轴器开始为第一段. 转矩= 根据转矩和直径dmin，选HL4弹性Y型联轴器，轴孔直径为50mm，长度L1=112mm 右起第二段，考虑联轴器的轴向定位要求，该段直径取D2=58mm 根据轴承端盖的装拆及便于对轴承增加润滑脂的要求，取端盖外端面与联轴器，左端盖外端面与联轴器左端面的距离为50mm，取该段长度L2=80mm右起第三段，该段轴承有径向力，查手册选6212型深沟球轴承，尺寸为： 右起第四段，该段装有大齿轮并且齿轮与轴用连接。大齿轮分度圆直径325mm，取 D4=65mm,L4b2=76mm L4=76mm右起第五段，考虑轴的轴向定位轴肩 取轴肩的直径 得 右起第6段，该段为滚动轴承的安装外，与相似 图2.2 高速轴示意图3轴的受力分析图2.3 轴受力分析图 小齿轮圆周力： （2.25）小齿轮径向力：轴进行受力分析： 由前图分析可知，轴受力受力情况与轴相同，只是方向相反，不再重复分析4. 危险截面分析，绘制下图图2.4 危险截面分析图（1）图2.5 危险截面分析（2）2.6 危险截面分析（3） （1）轴的C截面根据GB/T699-1999规定45钢的抗拉强度C处最小直径： （2.26）小齿轮应与轴做成一体，避免边缘断裂。（2） 轴上的C截面2.3.7 滚动轴承的选择1. 高速轴选用6208轴承，低速轴选用6212轴承。要求使用寿命不小于2. 轴承6208轴承（查手册）基本额定动载荷: 基本额定静载荷： 带式输送机的载荷平稳，查课本得fp=1.0查课本当量动载荷 轴承寿命 3. 轴承6212校核：查手册知，查书得当量动载荷 （2.27） 轴承寿命 （2.28）2.3.8键的选择及校核1. 高速轴与带轮配合处选A型普通平键 查书可知 键长键的工作长度 带轮材料选铸铁，查的：键的挤压力应为键连接挤压应力为： （2.29）2. 低速轴与齿轮的配合处键连接 选A型普通平键 键长 齿轮材料为钢，查的键连接处的挤压应力 （2.30）3. 低速轴与连轴器配合处键连接 A型普通平键 查 键长 齿轮材料为钢了，查的键连接处的挤压应力2.3.9联轴器的选择1. 计算载荷，查手册得 计算转矩 （2.31）2. 选择联轴器的型号3. 轴伸出端安装的联轴器初选HL4型，弹性柱销联轴器（GB/T5014-1996） 公称转矩Tn=1250N 许用转速 Y型轴孔（圆孔型）孔直径d=50mm 孔长度L1=84mm 总长L=112mm Tc=819.759Tn=1250 n=59.972.3.10 减速器的润滑1. 齿轮圆周速度 V=0.99m/s12m/s 齿轮因此采用油润滑，选用工业闭式齿轮油L-ckc682. 滚动轴承：脂润滑，选用钠基润滑脂3号（L-XAMGA3）2.3.11减速器箱体的结构尺寸表2.4 减速器箱体结构尺寸名称代号尺寸/mm名称代号尺寸/mm机座壁厚8窥视孔螺栓d48机盖壁厚110定位销d9机座凸缘厚度b12箱缘尺寸（扳手空间）C122机盖凸缘厚度b115C218机底盖凸缘厚度b220外箱壁至端盖面的距离L150地脚螺钉数目n4大齿顶圆与内机壁距离110轴承端盖螺栓直径d115齿顶端面与内机壁距离210机盖、机座螺栓d212机盖、机座肋厚m1、mm1=8.5，m=6.8轴承端盖螺栓d38端盖凸缘厚度t93 3D打印齿轮系统3.1 3D打印机的介绍恩里科迪尼（Enrico Dini）设计的一种神奇打印机3D打印机。它不仅可以“打印”一幢完整建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品。本文所设计的单级圆柱齿轮减速器就是用3D打印方式制造出来。3D打印机又称三维打印机，是一种增材制造技术，即快速成形技术的一种机器。它是把数字模型文件作为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。在目前三维打印机被用来制造产品，逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把3维图数据和生产原料放进3D打印机中，机器会按照图纸程序把产品一层层堆积出来，进而产生实物。3D打印机堆叠薄层的形式多种多样。3D打印机与传统打印机最大区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。1、有些3D打印机使用“喷墨”的方式。即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质 喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。2、还有的使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。3、还有一些系统使用一种叫做“激光烧结”的技术，以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。4、有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支 撑物便可形成孔隙。本文采用的的是CreatBot DH系列3D打印机。DH系列和DM、DS相比来讲，构建尺寸更大，可以打印体积更大的物体，机身更重，这样在打印的时候，更加稳定一些，另外，金属制作、成型尺寸、打印速度快、打印稳定、机身设计时尚典雅。3D打印机的参数如下：表3.1 3D打印机参数构建尺寸脱机打印喷嘴直径控制芯片喷嘴数量耗材类型最小层厚耗材直径250250450mm支持 SD 卡脱机打印0.4-0.8mmATmega 25602个（可定制单喷头PL， ABS， PVA， PS0.04mm3.0mm（1.75 可选）定位精度输入电压打印速度外观尺寸设备净重操作系统打印软件文件格式XYZ 轴 0.01mm220V（110V 可选）120mm/s（稳定）370420680mm30kgWindows， Linux， MacCreatBot 多国语言版STL， OBJ， GCode3.2 3D打印机选择和工作流程3.2.1 3D打印机体系结构图3.1 3D打印机体系结构本文3D打印机从控制结构上看，分上位机和底层控制两层。如图3.1所示，上位机主要运行三维设计软件、切片软件、打印控制软件等。底层控制包括嵌入式微控制器、主板、步进电机、电机驱动器、限位开关、热塑材料挤出上位机可以是笔记本或PC机，三维设计软件，切片软件，控制程序都运行在上位机上面。底层控制主要负责打印的执行，控制器主板连接3D打印机所需要的所有不同的硬件到微控制器。主板需要特别的能承受大负载的转换硬件，以便转换到打印平台和挤出器加热端的高电流环境。主板要能读入温度传感器的输入信号，也要能从大电流电源生成整个系统的能源集线器。主板与每个轴的限位开关进行交互，并把打印头在打印前精准定位。微控制器可以和主板集成在一起也可以分离开来，它可以读取并解析温度传感器、限位开关等传感器并转换到高负载通过MOSFETs晶体管电路。微控制器用分离的步进电机驱动器来控制电机。微控制器用 Arduino开源硬件作为基础部件。电源采用的 ATX电源等进行供电应，电压在电压在 12-24V，电流在8A以上，整个打印机的最大消耗电源部件是挤出器和打印平台。3.2.2 3D打印工作流程在如图3.2所示的控制结构下，3D打印机的工作流程如图2所示。3D模型的构建及模型的检查与修改器由三维设计软件来实现，模型的切片及计算刀具路径由切片软件来实现，控制底层固件打印由控制程序来实现。整个过程从3D模型开始，它是STL格式的，该模型须适应3D打印机的尺寸。控制程序获取3D模型，并把它送给切片程序。切片器程序把3维模型切分成适合于3D打印的切片。这个过程生成告诉3D打印机把挤出器移动到哪、何时挤出、挤出多少的G代码。这些G代码被打印机控制软件发送给微控制器上的固件，固件是装载在微控制器的特殊的程序代码，它负责解析从打印机控制程序发来的G代码命令，控制所有的电器元件（包括步进电机和加热器）。固件根据从控制程序发来的指令来建造3D模型，并把温度、位置和其他信息发送给控制程序。图3.2 3D打印工作流程及各部件关系- 32 -3.3 3D打印齿轮系统的制造过程3.3.13D打印齿轮模型的前处理（1）CAD三维造型 三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必须的原始数据源。没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catia等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现，此次制作的齿轮系统模型就是运用Pro/E软件来建造数据模型的。（2）数据转换 数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面。这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。其中Pro/E中当然也有，只需要简单的保存为STL格式的文件 就能输入3D打印机里面完成相应的打印。（3）确定摆放方位摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。（4）施加支撑摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，目前，比较先进的支撑类型点支撑，即在支撑与需要支撑的模型面是点接触。支撑在快速成型制作中是与原型同时制作的，支撑结构除了确保原型的每一结构部分都能可靠固定之外，还有助于减少原型在制作过程中发生的翘曲变形。从图3.3可见，在原型的底部也设计和制作了支撑结构，这是为了成型完毕后能方便地从工作台上取下原型，而不会使原型损坏。成型过程完成后，应小心地除去上述支撑结构，从而得到最终所需的原型。图3.3 支撑结构示意图（5）切片分层 支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。3.3.2 3D打印齿轮模型原型制作3D打印过程是在专用的3D打印机上进行。在原型制作前，需要提前启动3D打印机系统，使得高分子材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与高分子材料的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光3D打印过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止。界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。3.3.3 3D打印齿轮模型后处理在3D打印系统中原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于光固化成型方法成型的原型，还需要进行后处理等，下面以某一3D打印原型为例给出其后续处理的步骤和过程。（1）原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留510min，以晾干多余的高分子材料。（2）将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。（3）从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。 （4）再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。 结 论3D打印技术当前在国内的市场极其火爆，学术界把它称为“第三次工业革命”的开始