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19 熔融沉积成型机床设计 熔融 沉积 成型 机床 设计

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湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 熔融沉积成型机床设计 学号： 2010962918 姓名： 李舒扬 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 周里群 系主任： 刘柏希 一、主要内容及基本要求 对FDM 整个机械系统的几大构件制定的设计方案，按照我们最初的整机设计需求参数，分别对主运动系统、导向系统、机身结构和包装造型进行了具体的参数化结构设计，主要内容有以下几点： (1)结合数控机床的设计原理，制定熔融沉积成型机床机械系统设计的五大基本设计原则：实现设计功能、保证稳定性和精度、提高经济性、人性化设计、要有独创性。另外提出整机的初步设计需求参数。 (2)完成了主运动系统的结构设计，包括滚珠丝杠的选取以及丝杠的强度和寿命校核；伺服驱动电机型号的选用和校核；导向系统的设计和直线导轨的选用。 (3)按照机身结构设计原则，将机身分为底板基座、立板基座、工作平台几个大部分分布进行结构设计，并完成熔融沉积成型机床机械系统的整体装配图 二、重点研究的问题 很多技术都有自己的关键技术，熔丝沉积成形也不例外，挤出技术是熔丝沉积成形工艺的关键使能技术。挤出机构是实现熔丝沉积成形的关键部件，在机械运动控制的精密控制下，从原材料的棒料形态转换到堆积路径单元的形态，层层堆积粘结形成三维实体。 挤出机构系统在熔丝沉积成形系统的基本要求是：将原料丝材送入加热腔中，在其中及时而充分地熔化，变为熔融态，然后从满足精度要求的喷嘴中挤出成细丝状，按预设的扫描路径填充堆积成形。送丝速度要与扫描速度相匹配，以形成均匀一致的材料堆积路径，满足成形工艺要求。采用功能分解思想，挤出头系统的功能要求可以分解为以下几点： l)将原料丝材从丝筒上拉出，提供成形原料，即原料丝材的供应功能。 2)将原料丝材送入加热腔，称为原料丝材送进功能，简称送丝功能。 3)将送进的固态原料丝材及时而充分地熔化成为熔融态，简称熔丝功能。 4)提供熔融态材料稳定流动的通道，简称流道功能。 5)将熔融材料挤出喷嘴，简称挤出功能。 6)对挤出熔融态物料进行定径，变为满足要求的更细小直径的丝材以进行堆积，简称定径功能。 7)出丝速度应该可控，并能根据扫描速度进行调整，以相互匹配，简称速度匹配功能。 8)出丝应能根据路径扫描要求及时起停，以保证高质量的成形路径，尤其在路径起停处，简称出丝起停控制功能 。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研两周2开题报告、制订设计方案一周3计算设计两周4分析、调试一周5写出初稿一周6修改，写出第二稿一周7写出正式稿一周8答辩2014.5.30四、应收集的资料及主要参考文献1 孙勇，王秀峰. 快速原型制造技术在陶瓷制件上的研究进展N . 陕西科技大学学报，2004-10-25 2 陈步庆，林柳兰，陆齐，胡庆夕. 三维打印技术及系统研究J . 机电一体化，2005-07-20 3 王葵，谭威. 快速成型技术及发展N . 科技创新导报，2008-03-21 4 刘厚才，莫健华，刘海涛. 三维打印快速成形技术及其应用J . 机械科学 与技术，2008-09-15 5 汪洋，叶春生，黄树槐. 熔融沉积成型材料的研究与应用进展J . 塑料工业，2005-11-30 6 任乃飞，张福周，王辉，邢志杰. 金属粉末选择性激光烧结技术研究进展J . 机械设计与制造，2010-02-08 7 杨俊杰，邓海兵. 熔融挤压快速成形支撑参数的研究J . 机械设计与制造 2006-11-08 8 罗晋. 熔融沉积成型控制系统的研究D . 华中科技大学，2006-04-01 9 纪良波. 熔融沉积成型有限元模拟与工艺优化研究D . 南昌大学，2011-06-01 10 陈明. 熔丝沉积快速成形的控制及软件系统的研究D . 华中科技大学， 2004-04-01 11 朱利松，叶春生，黄树槐. FDM快速成形系统的控制系统研究J . 机床与液压2005，(1)：28-2912 门东升. 熔融挤压快速成形机喷头的研究D .北京化工大学，200313 吴良伟. CAD模型驱动高聚物熔融挤压快速成形技术研究D . 清华大学，199814 吴任东. 高速熔融挤压成形工艺及设备研究D . 清华大学，200015 黄小毛. 熔丝沉积成形若干关键技术研究D . 华中科技大学，2009-06-01 16 濮良贵，纪名刚. 机械设计M . 高等教育出版社，2006-05湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2010962918 姓名 李舒扬 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 熔融沉积成型机床设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价选题符合教学计划要求，具有综合训练的目的，具有文献查阅的能力和计算机应用能力，立论正确，记述充分，分析处理正确，有应用价值，同意进行答辩。评阅人： 2014年5月 30日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2010962918 姓名： 李舒扬 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 46 页 图 表 25 张论文（设计）题目： 熔融沉积成型机床设计 内容提要： 熔融沉积成型技术(FDM)是目前国内外应用最为广泛的快速成型技术之一。它可以快速、精确地将设计思想从CAD模型物化为具有一定功能的原型或零件，从而实现对产品的快速测评及修改，有效的缩短了产品的开发周期。在熔融沉积快速成型中，成型精度对最终产品的质量起着决定性的作用，但是目前成型机的成型精度往往不高，如何提高成型精度是当今快速成型研究的一个重要方向。 本课题围绕熔融成型机，重点研究了该设备的机械系统，提出一套完整的机械设计方案。具体工作如下： （1）结合传统的FDM熔融沉积成型设备，从整机的外形尺寸、最大成形空间、成形精度、主要运动结构和方式等方面，进行了细致和分析。在吸收了不同机型之间的优点和缺点之后，大致拟定了熔融成型机机械系统总体设计方案中的机械传动结构、三轴运动方式以及加热挤出头结构，确定了机械结构设计中的几个关键技术问题。 （2）以机械设计原理为依据，结合对FDM整个机械系统的几大构件制定的设计方案，按照整机设计需求参数，分别对运动系统、导向系统、机械结构和包装造型进行了具体的参数化选择,着重设计了加热挤出头结构，解决与优化了流涎问题，然后按照机身结构设计原则设计并完成了全部零部件的三维实体建模、装配以及工程图。指导教师评语 选题明确，方案合理，分析论证正确，图纸规范，设计期间遵守校纪校规，有较强的工作能力，同意参加答辩，并建议成绩评为指导教师： 2014年5月30日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日毕业设计说明书 题 目： 熔融沉积成型机床设计 完成日期： 2014年5月27日 目录1 绪论31.1 引言31.2 熔融沉积成型技术概论31.2.1 熔融沉积成型技术的特点41.2.2 熔融沉积成型技术 - 工艺过程51.2.3 熔融沉积成型技术的应用61.3 熔融沉积成型技术存在问题及发展方向71.3.1 熔融沉积成型技术的现状71.3.2 熔融沉积成型技术的发展方向82 总体方案及结构设计102.1 引言102.2 总体设计要求102.3 熔融沉积成型机床的结构运动方案113 电机方案的选择及选型133.1 电机方案的比较133.2 步进电机的选型134 挤出装置的设计184.1 结构尺寸的确定184.2 挤出机构的设计要求184.3 挤出装置的组成194.4 挤出机构齿轮组设计204.4.1 按齿面接触强度来设计204.4.2 按齿根弯曲强度设计234.5 轴设计264.5.1 作用在齿轮上的力264.5.2 初步确定大齿轮轴的最小直径264.5.3 轴的结构设计274.6 挤出机构流道口设计284.7 加热腔的设计304.7.1 加热腔入口溢料问题的分析304.7.2 流涎问题的分析314.7.3 解决方案31参 考 文 献33附录 翻译35附录一：英文文献原文35附录二：英文文献翻译42摘 要 熔融沉积成型技术(FDM)是目前国内外应用最为广泛的快速成型技术之一。它可以快速、精确地将设计思想从CAD模型物化为具有一定功能的原型或零件，从而实现对产品的快速测评及修改，有效的缩短了产品的开发周期。在熔融沉积快速成型中，成型精度对最终产品的质量起着决定性的作用，但是目前成型机的成型精度往往不高，如何提高成型精度是当今快速成型研究的一个重要方向。 本课题围绕熔融成型机，重点研究了该设备的机械系统，提出一套完整的机械设计方案。具体工作如下：（1）结合传统的FDM熔融沉积成型设备，从整机的外形尺寸、最大成形空间、成形精度、主要运动结构和方式等方面，进行了细致和分析。在吸收了不同机型之间的优点和缺点之后，大致拟定了熔融成型机机械系统总体设计方案中的机械传动结构、三轴运动方式以及加热挤出头结构，确定了机械结构设计中的几个关键技术问题。（2）以机械设计原理为依据，结合对FDM整个机械系统的几大构件制定的设计方案，按照整机设计需求参数，分别对运动系统、导向系统、机械结构和包装造型进行了具体的参数化选择,着重设计了加热挤出头结构，解决与优化了流涎问题，然后按照机身结构设计原则设计并完成了全部零部件的三维实体建模、装配以及工程图。 关键字：快速成型；FDM；加热挤出头ABSTRACTThe fused depositionrapid prototypingtechnology(FDM)isoneoftheat home and abroadthe most widely usedrapid prototyping technology. It canquickly and accuratelyDesign ideas from the CAD model materialized as proto types or parts of certain functions in order to achieve the rapid evaluation and modification of the product, effectively shortening the product development cycle. In fused deposition modeling, forming precision on the final product quality plays a decisive role, but the current forming machine precision is not high, how to improve the precision of the rapid prototyping is an important direction of research.This topic around the molten molding machine, mainly studies the mechanical system of the device, puts forward a complete set of mechanical design.Specific work is as follows:(1) combined with the traditional FDM fused deposition molding equipment, from the appearance of the whole machine size, maximum forming space, forming precision, main structure and movement mode, are detailed and analyzed.In absorbing the advantages and disadvantages between different models, roughly sketched the melting machine mechanical system overall design scheme of mechanical transmission structure, three axis movement mode and heating extrusion head structure, identified several key technical problems in mechanical structure design.(2)And in accordance with FDM based on principle of mechanical design, the whole of several major components of design scheme of mechanical system, on the demand of the whole machine design parameters, respectively, on the sports system, guiding system, mechanical structure and packaging for the specific parameterized choice, mainly design the structure of heat extrusion head, solving and optimizing the salivate, then design and completed in accordance with the principle of the fuselage structure design all components of the three-dimensional entity modeling, assembly, and engineering drawing.Key Words： Rapid Prototyping；Fused Deposition；Heating extrusion head 1 绪论1.1 引言 进入21世纪后,因为一方面,消费者日益个性化、多样化的需求,工业产品要求创造更多需求。另一方面,制造商不仅要设计的产品满足需求的迅速,而且还要缩短设计周期和生产周期抢占市场,市场环境发生了翻天覆地的变化。制造业竞争加剧。 全球市场一体化的形成和提高产量的主要因素通常是有关竞争的成功或失败。为了保持和加强产品在市场上的竞争力,不仅需要设计师可以设计新产品迅速满足市场的需求,并能在短时间内,生产的产品或样品在投放市场之前进行必要的测试。在这种情况下,如果使用传统的制造方法,不仅需要各种各样的机械加工机床、工具、模具、及高水平的技术工人,生产成本高,生产周期长,不能适应快速发展的时代,因此,研究低成本、高效率的生产技术是解决这一问题的关键。 在1980年代末,随着制造业信息化,快速成型技术(Prototypical)应运而生。由于这种技术事新的制造理念,生产速度产品快速灵活的模型的关注。这种技术采用CAD设计、辅助制造、数控、精密的伺服驱动和新型材料等先进技术,成功地实现了产品制造自动化,更大程度提高生产效率和灵活的制造。在响应速度化市场作为第一个目标,市场可以缩短开发周期,降低开发成本,提高企业的生产效率。由于符合现代先进制造技术的发展核心,成型技术发展非常迅速,在发达国家已经成为行业的一个新分支和先进制造技术的支柱产业,制造技术是近年来最热门的研究课题。1.2 熔融沉积成型技术概论 快速原型设计、快速成型、RP)技术是在1980年代末开发1的一种先进制造技术。级联的想法积累分层制造、材料粘合层层叠加形成实体,和3 d产品原型。三维分层制造实体的思想,最早出现在19世纪制造技术发展足够的。早在1892年,地质学家Anther2提出了使用新方法的3 d地图分层切片模型。然而,随着社会的发展和科技的进步,快速原型系统及其组成材料的相关研究有了长足的进步,取得了RP技术的快速发展。 这种新兴的制造技术不受成型几何实体外形限制，直接将三维的立体模型加工变为平面加工,形状特别复杂的物体和简单的物体可以用同样的方法进行制造。具体来说就是通过计算机三维造型系统获得产品的三维实体模型数据,然后经过面化处理,把它变成许多个三角形面化模型得到STL文件,接着以此面化模型为基础,切出沿某一方向的一系列连续截面作为二维切片薄层,再通过数控加工得到那些薄层切片,并将层与层之间粘接起来，如此层层叠加便形成了产品的三维原型。快速成形技术具有传统制造技术无法比拟的优势,于是受到工程界的高度重视, 并在国内外得到迅速的发展。在这个商业市场竞争越来越激烈，商品更新换代越来越快的时代，快速成形技术对制造业的发展起着巨大的影响，产品应用方面的成果也十分显著，这种技术的商品化成为其必然的趋势。 快速成形技术的发展其实也是经历了一个漫长曲折的过程。从二十世纪七十年代末到八十年代初期,几个不同国家的研究学者均独立提出了分层制造的快速成形概念。当时Charles. Hull3在美国UVP公司的支持下,完成了第一台能自动建造零件的完整系统（SLA-1）,并在1986年申请获得该系统的专利,这个研究成果可以看做是快速成形技术发展史上的一个重要里程碑。同年,Charles W. Hull和UVP公司合作建立了3D System公司,许多关于快速成形的概念和技术在3D System公司中逐步发展成熟。同时许多其它相关学者和公司对快速成形原理及相应的成形系统也相继开发成功，直到九十年代后期共出现了十多种不同的快速成形技术。其中作为主流的是SLA、LOM、SLS、FDM和3DP这五种典型快速成形技术。快速成形技术涉及知识面极广，包括机械工程、激光、自动控制、计算机、材料学等多个前沿学科。随着现代设计和现代制造技术的迅速发展，该技术迅速在工业制造、建筑、艺术、医学、航空航天等领域得到广泛良好的应用。1.2.1 熔融沉积成型技术的特点快速成型技术能得到飞速的发展与它自身的特点有很大关系 (1)快速性 采用快速成型技术，从设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型原型，一般只需几个小时至几十个小时，从而可以对产品设计进行快速评估、测试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争的能力。 (2)集成性 快速成型机通过计算机直接执行CAD模型的数控指令，避免了数控中的复杂编程，真正实现了设计制造一体化，大大提高了加工效率。与反求工程(Bioengineering)、Tao技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品快速开发的有力工具。 (3)高度柔性 若要生产不同形状的零件模型，只需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可，成型过程中不需要专门的夹具和工具，成型零件与CAD模型具有直接关联，零件可随时修改，随时制造。 (4)无限制性 快速成型不受零件的形状和复杂程度的限制，可成型任意形状的造型，这就摆脱了传统夹具、工具加工的限制，使高难度、高复杂度的模型的加工变得相对较容易。 (5)材料的广泛性 快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型。 (6)低造价性 其制造周期一般为传统的数控切削方法的l/5一1/10，而成本仅为1/3一1/5，它在保证一定精度和零件制作精度的基础上，具有最优的性能价格比，这也是快速成型的到飞速发展的一个重要原因。1.2.2熔融沉积成型技术 - 工艺过程1) 产品三维模型的构建 由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,Fieldworks,UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。2) 三维模型的近似处理由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL文件有二进制码和ASCll码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出stl格式文件的功能。3) 三维模型的切片处理。 根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一定间隔的平行面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm0.5mm，常用0.1mm。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。4) 成型加工。 根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。5) 成型零件的后处理。 从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。1.2.3熔融沉积成型技术的应用目前熔融沉积成型技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）-造型设计-结构设计-基本功能评估-模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。快速成型的应用主要体现在以下几个方面：（1） 新产品开发过程中的设计验证与功能验证。熔融沉积成型技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。 （2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用熔融沉积成型技术进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用熔融沉积成型技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，熔融沉积原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。（3） 单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。（4）快速模具制造。通过各种转换技术将熔融沉积成型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。快速成型技术在各行业中的应用：汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。总之，快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，熔融沉积成型技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业的竞争力。1.3熔融沉积成型技术存在问题及发展方向1.3.1熔融沉积成型技术的现状 目前熔融沉积成型技术还是面临着很多问题，问题大多来自技术本身的发展水平，其中最突出的表现在如下几个方面。工艺问题快速成型的基础是分层叠加原理，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，正在研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。1 材料问题 成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：有利于快速精确的加工出成型；用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。2 精度问题 目前，快速成形件的精度一般处于0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标，把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成，优势互补，是改善快速成型精度的重要方法之一。3 软件问题 目前，快速成型系统使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的，就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件，这种数据表示方法存在不少缺陷，如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失，还有由于平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成形精度，目前，应着力开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法，即：不进行STL格式文件转换，直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各个截面轮廓，或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速成型系统，从而减少三角面近似产生的误差，提高成形精度和速度。4 能源问题 当前快速成型技术所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。 5 应用领域问题 目前快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发，主要作用是缩短开发周期，尽快取得市场反馈的效果。由于快速成型技术的巨大吸引力，现在，不仅工业界对其十分重视，而且许多其他的行业都纷纷致力于它的应用和推广，在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后.可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用，形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。 1.3.2熔融沉积成型技术的发展方向 熔融沉积成型技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。从目前国内外熔融沉积成型技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面： （1）大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。 （2）随着成型工艺的进步和应用的扩展，其概念逐渐从快速成型向快速制造转变，从概念模型向批量定制转变，成型设备也向概念型、生产型和专用型三个方向分化。 （3）开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。 （4）提高熔融沉积成型系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。 （5）开发直写技术。直写技术对于材料单元有着精确的控制能力，开发直写技术，是快速熔融沉积成型技术的材料范围扩大到细胞等活性材料领域， （6）开发用于快速成型的RPM（REDHAT软件包管理工具）软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD 等。 （7）开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。 （8）该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。 （9）研制新的快速成型方法和工艺。 （10）提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。2 总体方案及结构设计 2.1 引言 在此结构设计之前，已经有前人对此类机构做了部分设计研究，所以本文的设计研究只要是在已有的研究基础之上，注重考虑设备的结构合理性、紧凑性、零部件的简化、机构的耗能性等，并注重工程问题的解决，对设备部分结构进行重新设计改良。 2.2 总体设计要求本文研究的熔融沉积成型机床属于家庭桌面电器领域，涉及多轴联动，且设备的主要运动关节采用直线元件驱动，形成相互联动运动机构的运动形式，具有成型速度高，材料使用效率好，精度可控，消耗功率低而制造成本低的特点。按照建造一台小型规格熔融沉积成型机床的规格要求以及运动范围参数，如表2.1所示下：表2.1 熔融沉积成型机床规格要求设备技术要求项规格构建尺寸200*185*195mm精度0.1mm层厚0.1-0.3mm （可调）构建速度24h以上最大打印温度260以下材料颜色黑、白、红、绿、蓝等机器尺寸467360377mm打印文件格式STL支持SD卡打印，无需PC连接2.3 熔融沉积成型机床的结构运动方案结构运动方案说明图2.1 原方案图在原来方案中，驱动Y轴的步进电机和同步齿形带安装在右侧，虽然这样的设计方案可以实现Y轴的移动，但是给右侧的轴承巨大的负载，使光杆的寿命降低。修改方案后如图2.2所示，把驱动Y轴的步进电机和同步齿形带安装在光杆5中间位置，这样一来，就减轻了两侧的侧压力，减少磨损，提高了使用寿命。Z轴Y轴X轴图2.2 修改后3D打印设备的结构示意简图图2.2为熔融沉积成型机床结构示意简图，有结构示意简图可以看出，该熔融沉积成型机床主要由步进电机，同步齿形带，光杆，滑块和喷头等部件组成。从上图可以看出，通过步进电机1，可以实现Y轴在光杆上的前后移动；同理也可以使得X轴左右移动，以及Z轴的上下移动。喷头6在X、Y轴上作二维的叠加运动，其加工轨迹可以是直线也可以是曲线，从而实现了单层的二维加工，以及Z轴的分层加工。在一层一层的叠加以后，就可以得出设计的相应零件。3 电机方案的选择及选型3.1 电机方案的比较由上述3D打印设备的结构示意简图我们可以知道，Byz轴各需要一个电机，加上喷头的电机，总共就需要4个电机的带动，该设备才能正常的运动。能够驱动Byz轴运动的电机分别有：步进电机、伺服电机和直线电机究竟选择哪个电机比较合适，我们做了一些对比如下表3.1：表3.1 动力元件的比较 电机因素步进电机伺服电机直线电机成本低高高平稳性低频存在振动低频平稳存在边端效应控制简单复杂复杂结构简单复杂简单分辨率较高高高尺寸小较小较小出于成本、应用场合和尺寸的考虑，我选择步进电机作为3D打印设备的动力元件。3.2 步进电机的选型修正矩频特性曲线电机型号电流静转矩步距角负载选择电机一般应遵循以下步骤24： 1. 电机最大速度选择 步进电机最大速度一般在6001200 rpm。在设计3D打印设备机械传动系统时根据此参数设计。 2. 电机定位精度的选择 由于喷头挤出机构的挤出速度很低，是在步进电机的低频区域内，因此容易出现振动和爬行等不良现象，故选择挤出机构的减速比为4：1，Byz轴的步进电机减速比为1：1。确定机械传动比后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2 或更小。注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。3. 电机力矩选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）1. 转动惯量计算物体的转动惯量为： (3-1)式中：V为体积元，r为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下： (3-2)传动机构的负载为w=2kg，减速比GL=1，小齿轮直径D=17mm所以： 2. 加速度计算控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如下图所示。图3.1加减速过程已知加速时间、最大速度Max，可得电机的角加速度： (rad / s2) (3-3)所以：3. 电机力矩计算力矩计算公式为： (3-4)式中：为系统外力折算到电机上的力矩；h为传动系统的效率，表3.2所示。表3.2 常用机构的机械效率表：机构机械效率滑动丝杠0.50.8滚珠丝杠0.9齿条和齿轮0.8齿轮减速器0.80.95蜗轮减速器0.50.7皮带传动0.95链条传动0.9因此传动系统的效率则： 根据计算出的力矩 T 再加上一定的安全系数为1.2则。 根据南京理一讯电子有限公司的步进电机参数表如下表3.3所示：表3.3 南京理一讯电子有限公司的步进电机参数表技术数据型号相数电流(A)电阻()电感(H)最大静转矩(kg.cm)转动惯量(g.cm2)重量(kg)外形尺寸外形图L0(mm)L1(mm)42BYGH00120.952.12.31.7380.20342442BYGH00740.3138.518.51.6380.20341842BYGH01120.3334462.4380.20342042BYGH01940.2842231.8380.20342242BYGH02520.952.62.61.7380.20341842BYGH06840.954.22.71.7380.20342242BYGH10121.71.52.34.2380.60392442BYGH10241.23.53.22.4380.24402442BYGH10320.43066.04.0380.24402442BYGH12840.43024.02.5380.24402242BYGH20421.04.36.34.0820.34482442BYGH20521.23.26.04.5820.34482442BYGH30120.89.014.04.2380.60482442BYGH40440.43025.03.2380.34482442BYGH290120.67.06.01.2380.243027.542BYGH290221.22.02.81.8380.24301842BYGH340220.440362.6380.24341842BYGH340440.510.57.01.5380.24341842BYGH340640.2575422.0380.24341842BYGH340720.422.5302.2380.24342442BYGH390520.87.0104.2820.24402442BYGH390640.6511.5123.2820.24402042BYGH442C40.342402.7820.34442742BYGH440420.3342954.2820.60442442BYGH440841.05.06.83.5820.34442442BYGH390920.430353.2820.24402442BYGH480223.00.51.15.0820.34481742BYGH480321.52.84.85.0820.34481742BYGH480440.428223.2820.34482442BYGH480641.0525.23.8820.34482442BYGH480720.519324.2820.344824选择型号为42BYGH128的NEMA17步进电机，最高转速可以达到3000转/分钟。4 挤出装置的设计4.1结构尺寸的确定根据设计要求，通过参考国内外成熟3D桌面打印设备的的尺寸比例，进行机器人的初步尺寸选定，选定后可根据后面分析得到的结果进行进一步的尺寸修改，下面为挤出装置的设计。4.2 挤出机构的设计要求很多技术都有自己的关键技术，熔丝沉积成形也不例外，挤出技术是熔丝沉积成形工艺的关键使能技术。挤出机构是实现熔丝沉积成形的关键部件，在机械运动控制的精密控制下，从原材料的棒料形态转换到堆积路径单元的形态，层层堆积粘结形成三维实体。挤出机构系统在熔丝沉积成形系统的基本要求是：将原料丝材送入加热腔中，在其中及时而充分地熔化，变为熔融态，然后从满足精度要求的喷嘴中挤出成细丝状，按预设的扫描路径填充堆积成形。送丝速度要与扫描速度相匹配，以形成均匀一致的材料堆积路径，满足成形工艺要求。采用功能分解思想，挤出头系统的功能要求可以分解为以下几点：l)将原料丝材从丝筒上拉出，提供成形原料，即原料丝材的供应功能。2)将原料丝材送入加热腔，称为原料丝材送进功能，简称送丝功能。3)将送进的固态原料丝材及时而充分地熔化成为熔融态，简称熔丝功能。4)提供熔融态材料稳定流动的通道，简称流道功能。5)将熔融材料挤出喷嘴，简称挤出功能。6)对挤出熔融态物料进行定径，变为满足要求的更细小直径的丝材以进行堆积，简称定径功能。7)出丝速度应该可控，并能根据扫描速度进行调整，以相互匹配，简称速度匹配功能。8)出丝应能根据路径扫描要求及时起停，以保证高质量的成形路径，尤其在路径起停处，简称出丝起停控制功能。工艺原理中一个重要思想就是借助加热腔中未熔丝材的活塞作用，将熔融材料挤出喷嘴。出丝推力近似等于送丝驱动力，送丝功能和挤出功能是等效的。在以上各项功能中，前六项是基本功能要求，是实现工艺原理的必要条件，后两项则是实现高质量成形的必要条件，是提高造型精度的关键。在进行挤出头系统设计时，还应遵守工艺优化的要求以及其他特殊要求等，具体包括以下方面27：l)在合适的加热功率下按一定速度送入加热腔的材料经过熔化充分均匀，在加热腔中处于合适的熔融区间(靠控温系统实现)。2)加热腔加热功率应尽量小，该部分应采取隔热措施。一方面减少热量损失，减少能源消耗，另一方面减少高温对其它部件的影响。3)送丝机构应能提供足够大的推动力，以克服高聚物材料挤出时产生的阻力。4)加热腔和喷嘴结构对流动的阻力尽量小。在满足要求的前提下加热腔流道应尽量短，既减少流动阻力，又可减小挤出头总体尺寸。5)结构合理易于安装和拆卸，并可方便地与系统其他部件集成。6)符合人机工程原理，方便人工操作和维护。4.3 挤出装置的组成挤出装置结构图如下图所示：挤出装置分别由挤出机构，导热机构，喷嘴组成。21 由左图的原理图可知，FDM的工作原理，就是通过挤出机构把FDM的物料棒送到导热机构，使物料在导热机构中融化。然后通过喷嘴打印到工作台上，在X、Y轴的联合运动作用下实现工件的一层一层叠加，渐渐把所需零件加工出来。 图4.1 FDM原理图挤出机构是喷头的重要组成部分，没有了挤出机构，FDM物料棒就无法连续供给到导热装置，使得喷嘴得不到熔融状态的叠加物料，工件无法完成加工。在设计挤出机构过程中，我们先定下设计方案，然后初定设计参数，最后进行数据的校核，看看是否满足要求。挤出机构中，主要是要实现两个滚轮带动棒料缓缓下落的功能，因此需要一个步进电机；步进电机在低速运动时，很难实现有效控制，并且很容易出现漂移，低频是容易出现震动和失步，所以需要一个传动比较高的配合，例如：一对直齿轮；在图4.3中轮1由步进电机作为动力转动，为了方便棒料的拆卸和挤出机构的清洁，滚轮2应该是一个从动轮，改装成为一个滑动型的顶出装置，实现紧松调节的顶出装置；为了方便棒料的进入，还应该有个棒料的导入嘴，其作用是为了防止棒料的卡死和减少摩擦。因此整个挤出装置的主要部件为：导入嘴、步进电机、两个滚轮、一对齿轮组、顶板、以及支撑端板。如图4.4所示图4.2 挤出机构4.4挤出机构齿轮组设计该齿轮组选用直齿圆柱齿轮传动，精度均为7级，为了使整个喷头结构简单和重量减轻，并且要求强度高和耐磨性好，故小齿轮材料选用45号钢（调质），硬度为250HBS，大齿轮 材料选用45号钢（正火），硬度为210HBS，二者材料硬度差为40HBS。初选齿轮模数为1，压力角为20度，小齿轮17齿，传动比选择4，则大齿轮齿数为68。4.4.1按齿面接触强度来设计 （1）试选载荷系数kt=1.6 （2）由下图4.4.1128：图4.3齿面接触强度得区域系数ZH=2.5 （3）由标准圆柱齿轮传动的端面重合度图如下图4.4.1228：图4.4 标准圆柱齿轮传动的端面重合度得标准圆柱齿轮传动的端面重合度：=0.765 =0.82=1.585 (4-1) （3）由下表4.4.128：表4.1 齿宽系数选取齿宽系数为：（4）由下表4.228：表4.2弹性模量 得 （5）由下图4.5和4.6可知： 图4.5 图4.6得=550MPa（小齿轮） =400MPa（大齿轮） N1=60n1jLn =60 其中n1为小齿轮的转速，小齿轮与步进电机直接相接，由步进电机的参数可知n1=3000r/mim （6）按接触疲劳选寿命系数： 由下图4.7：图4.7 弯曲疲劳选寿命系数KFN取小齿轮、大齿轮失效概率为1%，安全系数为s=1.4 （4-2）初步选取两齿轮模数m=1、小齿轮齿数为 大齿轮齿数为则分度圆直径分别为：和4.4.2 按齿根弯曲强度设计 （1）计算载荷系数 （4-3） （2）查取齿形系数和应力校正系数为如下表4.4.3：表4.3齿形系数和应力校正系数Z17181920212223242526272.972.912.852.802.762.722.692.652.622.62.571.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.60Z28293035404550607080902.552.532.522.452.402.352.322.282.242.222.201.611.621.6251.651.671.681.701.731.751.771.78由上表得 (3) 由下图4.8：图4.8 调制处理钢查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ，大齿轮的弯曲疲劳强度极限（4）由于在前一页中已经查得弯曲疲劳寿命系数、（5）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.4 （4-4） ； （4-5）（6）计算大、小齿轮的并加以比较 （4-6） （4-7）小齿轮的数值大，则用小齿轮的数值进行计算。(7)设计计算 （4-8）故齿轮的模数m=1，这样设计的齿轮既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并且做到了结构紧凑，避免浪费。则小齿轮齿数为 大齿轮齿数为4.4.3 几何尺寸计算如下表4.4表4.4 挤出机构直齿轮参数挤出机构直齿轮相关参数齿轮参数小齿轮大齿轮轴齿轮模数m110.16齿数z1768120压力角202020分度圆直径d=m176819.2齿顶高ha=1*m110.16齿根高hf=1.25*m1.251.250.2齿全高h=2.25*m2.252.250.36齿顶圆直径da=(z+2)*m197019.52齿根圆直径d=(z-2-2*0.25)*m14.565.518.8基圆直径db=Coosada6.93739527.749587.835176齿距p=3.14*m3.143.140.5024齿厚s=p/21.571.570.2512齿槽宽e=p/21.571.570.2512标准中心距a=m*(z1+z2)/242.5传动比i=z2/z14有了该对齿轮组的尺寸数据，就可以设计喷头挤出机构各个零部件的相关参数，进而可以完成挤出机构的设计。4.5 轴设计4.5.1作用在齿轮上的力大齿轮上的力为： 圆周力 （4-9） 径向力 （4-10）小齿轮上的力为： 圆周力 （4-11） 径向力 （4-12）4.5.2 初步确定大齿轮轴的最小直径 如下表4.5所示：表4.5 轴直径分布选轴的材料为45钢，调质处理。根据上表，取A0=103，于是 （4-13） （4-14） （4-15）4.5.3轴的结构设计拟定挤出机构轴上的零件的装配方案选用下图4.9所示：图4.9传动轴1. -的直径为与其配合轴承的直径，为了满足最小直径要求，于是选内径为10mm，外径为19mm的SKF深沟球轴承，尺寸系列为00，0级公差，0级游隙。所以该处的轴直径为10mm，轴承的厚度T=5mm，所以L-=4.6mm2. -轴段与-之间要有一个定位轴肩，在处定位轴肩，则h=2mm，所以-轴段的直径取d-=12mm，因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为0.2mm，所以此处长度为L-=0.2mm。3. -轴段齿轮，该齿轮在轴上，相关参数如表5所示，所以直径为齿轮齿顶圆，则d-=19.52mm，分度圆直径为19.2mm。故长度为齿宽L-=1.4mm+1mm+1.4mm=3.8mm。4.与轴承配合-的直径为标准值10，SKF深沟球轴承型号为61800，长度为轴承套、大齿轮、垫片和螺母的厚度之和，所以最小尺寸为L-= =(6+6+3+9.3)mm=24.3mm，取整，则得L-=25mm。5.轴-段安装轴承，处为定位轴肩，尺寸与之前的轴肩一样，因此直径为：d-=10mm，长度比轴承厚度要短，则长度为L-=4.8mm6.在轴-段，为轴承的定位轴肩，尺寸与之前的轴肩一样，h=2mm，所以-轴段的直径取d-=12mm，因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为0.2mm，所以此处长度为L-=0.2mm。到此，我们就可以得到挤出机构的相关零件的所以参数了。则挤出机构的建模爆炸图如下图4.10所示：图4.10 挤出机构的建模爆炸图其中包括：棒料1（ABS材料），顶针螺帽2，顶针3，顶针接头4，右顶板5，右板6，步进电机7，螺钉8，入嘴9，转接头10，传动轴11，小齿轮12，六角螺钉13、16，大齿轮14，垫片15、17，左板18，深沟球轴承19、21、22以及左顶板20。4.6 挤出机构流道口设计根据熔丝沉积成形FDM的基本工艺原理，原料丝材直径为，然而喷嘴流道的直径是比小的孔，因此挤出头中的熔体流动管道包含如下两个基本组成部分：直径分别为 (略大于丝材直径)和的等截面圆形管道和由到的锥形过渡圆管道。与挤出头结构对应，熔体流道中的流动过程分为三段，即直径为段的等截面圆管流动，由到的过渡段锥形管道流动和直径为的等截面圆管流动。熔体流动包括连续变化的三个过程，整过挤出头流道中的总压力差为三段压力差之和，如公式4.6所示： (4-16)其中：系数；无因次压力梯度为参考粘度；为参考剪切速率；Q为熔体沿管道的体积流率；直径缩小系数；n为流体压力梯度与流率系数，对于牛顿流体1，对于高聚物等非牛顿流体(如ABS熔体)，n取1/3；系数。图4.11挤出头流道示意图公式(4.6)计算流道两端的压力差实际上为熔体在流道中流动时的沿程压力损失，相应的阻力即为沿程阻力，它主要是由于材料粘性而在熔体中产生的摩擦阻力。另外，流道中局部可能存在的紊流会对流体产生附加阻力来说非常小，在此将其忽略不计，即可认为，与上式计算的压力差相应的阻力即为流道对丝材送进的全部阻力。由于本工艺中，流道中未熔丝材要承担活塞作用，利用丝材本身来传递驱动机构的驱动力，驱动力对熔体的作用面积即为丝材截面积，也就是流道入口处的截面积况，因此所需的丝材送进的驱动力F的理论计算公式即为： （4-17）下面根据公式(4.7)进一步分析驱动力与有关参数间的关系29：(1)驱动力与流率Q的关系根据公式(4.7)，驱动力与流率间存在下列非线性关系： 对于本系统采用的材料ABS熔体(非牛顿流体)来说，n在1/3左右，所以：即对于非牛顿流体来说，流率增加时，伴随的压力和所需驱动了并不是成比例的线性增加。当流率从0开始增加时，在最初阶段，压力会有急剧的上升，但流率增加到一定值后，尽管流率有很大增加，但相应压力和驱动力的变化却比较小。实际进行的ABS熔体流动实验也证明了这一点。(2)在挤出头流道直径依次缩小的情况下，各段长度对应的比例系数为：。当时即为9：3：1即较小直径的喷嘴出口段的长度对总压力差的影响最大，是过渡段的3倍，是入口段的9倍。所以挤出头设计时，在满足出丝口定径功能的前提下应尽量减小喷嘴出口段的长度，这对减小挤出头中的总体流动阻力效果最为显著。(3)实例计算分析这里以一种特定配方的ABS塑料为例进行计算分析，在工作温度下(255c)基本参数如下：参考剪切速率时，参考粘度；恒定剪切速率下粘度的温度系数，幂指数n=1/3，熔体密度。取如图2一3所示的流道尺寸由， ， ；,设工作时进丝速度，丝材直径为1.8mm。计算得：，最后计算获得。因为这个驱动力为计算的理论值，进行了一些近似和忽略，所以在利用这个值作参考选择电机和设计送丝结构时应该适当放大。4.7 加热腔的设计本课题研发的熔丝沉积成形系统采用一对摩擦轮将直径约为2mm的丝状料带入加热腔，丝材在加热腔内加热熔融，粘度降低，并从出口挤出，实现熔丝沉积造型。图4.7为丝材在流道中熔融挤出过程示意图 图4.12 丝材在流道中的熔融挤出过程示意图4.7.1加热腔入口溢料问题的分析当加工做成中，送丝突然中断过长时间，处于流道口上的所以丝材会因受热，距离入口处温度较低不至于融化，但会因受热而膨胀，直径变大，出现卡死现象；距离入口较远处温度高而导致融化，使得再加工时出现熔浆溢出现象。4.7.2流涎问题的分析在进行工艺实验的过程中发现，送丝电机停止转动以后，喷嘴并不会马上停止出丝，而是长时间的由快到慢的缓缓出丝，我们把这种现象称为“流涎”流涎是挤出头起停响应滞后现象的一种表现形式29。本系统所采用的丝材为ABS材料，ABS是一种非结晶型(无定形)聚合物。高分子材料在不同的温度下具有不同的形变特性。图4.7.2为非结晶型聚合物温度一形变曲线。在温度较低时，材料呈现刚性固体状，称之为玻璃态；当温度升高至玻璃化温度几后，高聚物呈现柔软的弹性状，称之为高弹态；温度继续升高至粘流温度今则会出现粘性流动，称之为粘流态。图4.13非结晶型聚合物温度一形变曲线29我认为，导致流涎的原因主要为在停止送丝后，由于余热的存在，热膨胀使得处于粘弹态丝材被迫压出；4.7.3解决方案从根本上说，解决入口溢料问题的关键是减少入口处丝材的受热，同时保证一定的温度梯度。经过分析，我认为可以通过减小或消除高弹区(粘弹区)来减小流涎量。直接的方法就是减小流道高温区的容积，希望丝材只在喷嘴前端的过渡区熔融，这样压力可以直接传递到喷嘴处。针对如图4.7所示结构的不足，进行了如下改进：一方面减小了加热铜块的厚度，另一方面适当增加摩擦轮与加热块的距离，在其间加入热障块。这种结构减少了丝材在流道内的受热长度，减小高温段的体积，从而减小处于高弹态的材料，达到减小流涎量的目的。建模效果图4.7.3如下：热障块管式加热器导热块螺钉垫片喷嘴 图4.14 建模效果图很多机械设备在加工过程中，由于过热而影响到加工精度和稳定性。例如支撑板材过热会发生形变，从而导致了加工过程中对刀的误差以及加工误差。并且会产生累积效应，使得最终的加工零件与设计的零件有差距。因此，我们应该在喷头上加入风扇和散热片。一来可以起到散热作用；二来，细密的网格结构起到一定的保护作用。因此喷头机构整体装配效果如图4.7.4所示：图4.15 喷头机构整体装配效果图 参 考 文 献1 J.A. Lewis, G.M. Grat son, Materials Today 7 (2004) 32.2 王雪莹. 3D打印技术与产业的发展及前景分析J . 中国高新技术企，2012-09-10张剑峰，张建华，赵剑峰，沈以赴，花国然，黄因慧. 激光快速成形制造技术的应用研究进展J . 航空制造技术，2002-07-15 3 张爱英，王连才，刘厚利，魏宏亮，冯增国. 基于快速成型技术的组织工程支架制备进展J . 化工进展，2004-03-30 4 Kathy Lu *, William T. Reynolds 1, 3DP process for fine mesh structure printing, Powder Technology 187 (2008) 11185 孙勇，王秀峰. 快速原型制造技术在陶瓷制件上的研究进展N . 陕西科技大学学报，2004-10-25 6 陈步庆，林柳兰，陆齐，胡庆夕. 三维打印技术及系统研究J . 机电一体化，2005-07-20 7 王葵，谭威. 快速成型技术及发展N . 科技创新导报，2008-03-21 8 刘厚才，莫健华，刘海涛. 三维打印快速成形技术及其应用J . 机械科学 与技术，2008-09-15 9 汪洋，叶春生，黄树槐. 熔融沉积成型材料的研究与应用进展J . 塑料工业，2005-11-30 10 张会. ZPrinter310系统X-Y执行机构中的Y轴设计J . 机械管理开发，2008-06-15 11 张昌明. 三维打印机ZPrinter310系统Z向升降台的结构设计J . 机械管理开发，2008-08-15 12 刘海涛. 光固化三维打印成形材料的研究与应用D . 华中科技大学，2009-05-11 13 林静. 数字光处理投影系统D . 大连理工大学，2008-05-26 14 蒋玮，徐志祥，赵福令. 直接金属激光烧结成形的机理及实验研究J . 中国机械工程，2003-08-15 15 任乃飞，张福周，王辉，邢志杰. 金属粉末选择性激光烧结技术研究进展J . 机械设计与制造，2010-02-08 16 杨俊杰，邓海兵. 熔融挤压快速成形支撑参数的研究J . 机械设计与制造 2006-11-08 17 罗晋. 熔融沉积成型控制系统的研究D . 华中科技大学，2006-04-01 18 纪良波. 熔融沉积成型有限元模拟与工艺优化研究D . 南昌大学，2011-06-01 19 陈明. 熔丝沉积快速成形的控制及软件系统的研究D . 华中科技大学， 2004-04-01 20 朱利松，叶春生，黄树槐. FDM快速成形系统的控制系统研究J . 机床与液压2005，(1)：28-2921 门东升. 熔融挤压快速成形机喷头的研究D .北京化工大学，200322 吴良伟. CAD模型驱动高聚物熔融挤压快速成形技术研究D . 清华大学，199823 吴任东. 高速熔融挤压成形工艺及设备研究D . 清华大学，200024 黄小毛. 熔丝沉积成形若干关键技术研究D . 华中科技大学，2009-06-01 25 濮良贵，纪名刚. 机械设计M . 高等教育出版社，2006-05附录 翻译 附录一:英文文献原文Optimized Kinematics of Mechanical Presses with Noncircular GearsE. Dodge ( l ) , M. HinderanceReceived on January 8, 1997Abstract：The quality of parts manufactured using metal forming operations depends to a large degree on the kinematics of the press ram. Non-circular Geary to obtain those stroke-time behaviorisms we aim at as an optimum for the various metal forming ope with a rotational-angle-dependent speed ratio in the press drive mechanism offer a new WA rations in terms of manufacturing. The paper explains the principle using a prototype press which was built by the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools at Hanover University. It will present the kinematics as well as the forces and torques that occur in the prototype. Furthermore, the paper demonstrates using one example of deep drawing and one of forging that the press drive mechanism with non-circular gears may be used advantageously for virtually all metal forming operations.Keywords: Press, Gear, Kinematics1 introductiveIncreasing demands on quality in all areas of manufacturing engineering, in sheet metal forming as well as in forging, go hand in hand with the necessity to make production economical. Increasing market orientation requires that both technological and economic requirements be met. The improvement of quality, productivity and output by means of innovative solutions is one of the keys to maintaining and extending ones market position.In the production of parts by metal forming, we need to distinguish between the period required for the actual forming process and the times needed to handle the part.With some forming processes we have to add time for necessary additional work such as cooling or lubrication of the dies. This yields two methods of optimization, according to the two aspects of quality and output. In order to satisfy both aspects, the task is to design the kinematics taking into account the requirements of the process during forming; also to be considered is the time required for changing the part as well as for auxiliary operations in line with the priority of a short cycle time.2 Pressing Machine RequirementsOne manufacturing cycle, which corresponds to one stroke of the press goes through three stages: loading,forming and removing the part. Instead of the loading and removal stages we often find feeding the sheet, especially in sheer cutting. For this, the press ram must have a minimum height for a certain time. During the forming period the ram should have a particular velocity curve,which will be gone into below. The transitions between the periods should take place as quickly as possible to ensure short cycle time. The requirement of a short cycle time is for business reasons, to ensure low parts costs via high output. For this reason stroke numbers of about 24/min for the deep drawing of large automotive body sheets and 1200/min for automatic punching machines are standard practice.Increasing the number of strokes in order to reduce cycle times without design changes to the pressing machine results in increasing strain rates, however. This has a clear effect on the forming process, which makes it necessary to consider the parameters which determine the process and are effected by it.In deep drawing operations, the velocity of impact when striking the sheet should be as low as possible to avoid the impact. On the one hand, velocity during forming must be sufficient for lubrication. On the other hand, we have to consider the rise in the yield stress corresponding to an increase in the strain rate which creates greater forces and which may cause fractures at the transition from the punch radius to the side wall of the part.In forging, short pressure dwell time is desirable. As the pressure dwell time drops the die surface temperature goes down and as a result the thermal wear This is counteracted by the enhanced mechanical wear due to the greater forming force, but the increase due to the strain rate is compensated by lower yield stress because of the lower cooling of the part. The optimal short pressure dwell can nowadays be determined quantitatively using the finite element method 3. In addition to cost avoidance due to reduction in wear, short pressure dwell time is also an important technological requirement for the precision forging of near net shape parts, which has a promising future.The requirements of high part quality and high output will only be met by a machine technology which takes into account the demands of the metal forming process in equal measure to the goal of decreasing work production costs. Previous press designs have not simultaneously met these technological and economical requirements to a sufficient extent, or they are very costly to design andmanufacture, such as presses with link drives 6. This makes it necessary to look for innovative solutions for the design of the press. Its design should be largely standardized and modularized in order to reduce costs 6. Fig 1. Prototype press3 Press Drive with Noncircular Gears3.1 PrincipleThe use of non-circular gears in the drive of mechanical crank presses offers a new way of meeting the technological and economic demands on the kinematics of the press ram. A pair of non-circular gears with a constant center distance is thus powered by the electric motor, or by the fly wheel, and drives the crank mechanism itself.The uniform drive speed is transmitted cyclically andnon-uniformly to the eccentric shaft by the pair of noncircular gears. If the non-circular gear wheels are suitably designed, the non-uniform drive of the driven gear leads to the desired stroke-time behaviour of the ram. Investigations at the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools (IFUM) of Hanover University have shown that in this simple manner all the relevant uninterrupted motions of the ram can be achieved for various forming processes 2. Apart from, the advantages of the new drive, which result from the kinematics and the shortened cycle time, the drive concept is distinguished by the following favorable Propertius. Because it is a mechanical press, high reliability and low maintenance may be expected. In companion to linkage presses the number of parts and bearings is clearly reduced. Above all, a basic press type can be varied without further design changes by installing different pairs of gears, designed according to the demandsof the customer. Unlike link drives, bearing locations and installations do not change within one loadclass as a result of different kinematics. Thus the above mentioned requirement of popularization and standardization is taken into account Reductions in time and costs are possible for the design and press manufacture.3.2 PrototypeAt the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools (IFUM) a C-frame press has been remodeled and a pair of non-circular gears was installed. The previous back gears were replaced by a planetary gear set for this purpose. The work carried out shows that remodeling of existing presses for the new drive is possible. The state of the press at the end of the modelli is shown in figure 1. The press is designed for a nominal ram force of 1,000 N and 200 N of the die cushion. The center distance of the non-circular gears is 600 mm. The pair of non-circular gears has an average transmission ratio of 1.Each gear wheel has 59 gear teeth, straight-toothed,module 10 mm (fiacre 2). The face width is 150 mm. The gears have involute gear teeth. We assume a non-circular base curve for the design of the flank geometry. As a result the tooth geometry of a non-circular gear varies along the circumference. In spite of this, it can be derived from the well-known trapezium rack, however 4, 51. An algorithm for the computation, which takes the addendum and addendum into account exactly, has been developed. Fig. 2 View of the gears from the rearThe press is designed for deep drawing of flat parts in single stroke operation mode. The maximum ram stroke is 180 mm, the number of strokes 32/min. At a stroke of 140 mm the ram velocity almost remains constant 71 mammals from 60 mm before lower dead center until lower dead center, see figure 3. Thus the velocity corresponds to the working velocity of hydraulic presses. The velocity of incidence of a crank mechanism with the same number of strokes would be 220 mammals, in comparison. In order to keep the same average velocity with a crank press, the number of strokes would have to be halved. The shortcycle time of the jodelled machine results from the fast upward motion. Because the press is run in single stroke operation mode, no particular requirements were made concerning handling time during design.The drive mechanism of the prototype with non-circular gears has in addition a favorable effect on the ram forces and the driving torques (failure 4). For a crank press the nominal force is normally available at 30 rotation of the crank shaft before the lower dead center. This corresponds to a section under nominal force of only 7 5% relative to the stroke. To reach the nominal force of 1,000 N, the drive has to supply a torque of 45 kam at the crank shaft. The prototype only requires 30 kam on account of the additional transmission of the non-circular gears. They are transmitted to a cyclic. non-uniform crank shaft torque, resulting in a nominal force range from 60 to the lower dead center. This corresponds to 27.5% of the stroke. We always find similar conditions if the pair of non-circular gears is stepped down in the operating range of the press. This will almost always be the case with sheet metal forming and stamping. It is thus possible to design some machine parts in a weaker form and to save costs this way.4 Further Design ExamplesUsing the examples of two stroke-time behaviorisms the design is illustrated in the following. A range of parts is assumed which are to be manufactured by the press. For this purpose the ram velocity requirements and the forming section of the assumed stroke need to be quantified.Furthermore, the time needed for the handling of the part needs to be determined, and also the minimum height which the ram has to assume during the handling. From this, we design the sequence of movements, and we describeit mathematically. At the IFUM, a software program developed by the institute is used. From this mathematical description of the stroke-time behaviour we can calculate the speed ratio of the non-circular gears needed.From this we obtain the outcurves of the gears l, 2, 7.In a first example the ram velocity in deep drawing is supposed to be constant during the sheet metal forming at least over 100 mm before the lower dead center and it is supposed to be about 400mm/s. Let the number of strokes be fixed at 30/min. Above 450mm section of stroke, let the time for the handling of the part be the same as for a comparable crank press with 25 strokes per minute. figure 5 shows the stroke-time behaviour , which is attained by the sketched pair of gears. The gear wheels are represented by their outcurves. The conventional cosine curve at 25/min is given for comparison. In addition to the reduction of cycle time by 20%, the ram velocity of impact onto the sheet is also considerably reduced.110 mm before the lower dead center, the velocity of impact is 700 mammals when using the crank mechanism and only 410 mm/s when operated with non-circular gears. A second example shows a drive mechanism as is used for forging. In figure 6, stroke-time behaviour of a conventional forging crank press is compared with the kinematics of the press with non-circular gears illustrated in the picture.The cycle time of the crank press is 0.7 s, the number of strokes is 85/min and the nominal force is 20 MN.Its pressure dwell time is 86 ms with a forming section of 50 mm. The pressure dwell of the press depicted with non-circular gears decreases by 67% to 28 ms. It thus reaches the magnitude familiar from hammers. By increasing the number of strokes by a factor of 1.5, the cycle time decreases by 33% to 46 ms. In spite of this,the handling time remains the same compared to conventional crank press on account of the kinematics of the non-circular gears. In order to achieve these kinematics in this case, a conventional circular gear may be used as driving gear, arranged eccentrically. This reduces the costs for gear manufacture.These examples show that different kinematics can be achieved by using non-circular gears in press drives At the same time the potential of this drive with respect to the realization of the desired kinematics becomes clear as does the reduction of cycle times in production. By varying the examples it is also possible to increase the velocity after impact in deep drawing operations if :his sequence of motions is advantageous for the range of pans to be produced on the press, for reasons of lubrication, for example.5 ConclusionsThe requirements of high productivity, reduced costs and the guarantee of high product quality to which all manufacturing companies are exposed, applies particularly to companies in the field of metal working. This situation leads us to reconsider the press drive mechanism in use up to now.The new drive for crank presses with non-circular gears described here allows us to optimize the kinematics of simple mechanical presses. This means that the cycle time is shortened to achieve high productivity and the kinematics follows the requirements of the forming process.The design effort needed is low. In contrast to presses with link drives, other kinematics can be achieved during the construction of the press by using other gears without changing bearing locations This allows the popularization and standardization of presses.6 AcknowledgeThe authors would like to express their appreciation to the German Machine Tool Builders Association (VDW), located in Frankfurter, for its financial assistance and to some members for their active support.7 References I Bernard, J., 1992, Optimization of Mechanism Timing Using Noncircular Gearing, Mechanical Design and Synthesis, Vol. 46, p. 565-570.2 Dodge, E., Hinderance, M., 1996, Fertigungsgerechte Kinematographs Burch Undergraduate. VDI-Z Special Antimechanist 1/96, p. 74-77.31 Dodge, E., Neagle, H., 1994, FE-Simulation of the Precision Forging Process of Bevel Gears, Annals of the CIRP, Vol. 43, p. 241-244.4 Hinderance, M., Beta, V., 1996, Arundel Nonreader- an differentiates Elementariness, Construction, Vol. 48, p. 256-262.5 Lit vin, F. L.: 1994, Gear geometry and applied theory,PTR Prentice Hall, Angleworm Cliffs (NJ, U.S.A.).6 Nietzsche, D., 1992, Forerunning an Grof3raumstufenpressen;Lichtenstein fur die Auftragsvergabe. In:Bearbaiting 92, Int. Congress 27 -28.0ct.1992,VDI-Be richt, Vol. 946, p.231-253.7 Agawam. K., Yokemate, Y., Kosice, T., 1973, Studies on the Noncircular Planetary Gear Mechanisms with Nonuniform Motion, Bulletin of the JSME, Vol. 16. p. 1433-1442. 附录二：英文文献翻译非圆齿轮与机械压力机运动学优化 1997年1月8日研制摘要：使用金属成形方法来加工生产零件的质量很大取决于压力杆。在机械压力传动时，有一种依赖于驱动旋转角度速度比的非圆齿轮，提供了一种获得这么动作时间的新途径，我们致力于为不同的优化金属成型运作的制造。本文阐述了由汉诺威的大学研究所建成的金属成形和金属成形加工机床的使用原型原则，它就是目前运动学以及在原型产生的力和力矩。此外，本文展示了如何使用拉深和锻造的一个例子，几乎所有的金属成形操作可有利用于机械传动机构的非圆齿轮。关键词：压力，齿轮，运动学。1. 简介 提高质量的要求在生产工程制造，所有的金属成形以及在锻造，有必要去携手制定生产经济。日益增长的市场定位要求技术和经济条件都得到满足。提高质量、生产力、生产手段的创新解决方案,是一种用来维持和扩大的市场地位的关键所在。