Delta-3D打印机作业报告.docx

Delta 3D打印机结构设计组长 王琛 ZY1607512组员 魏玉波 SY1607423 成 绩： 2016-12-29组员学号姓名工作内容零件名称组长ZY1607512王琛1. 提出设计题目及目标2. 搜集资料3. 确定结构设计方案4. 绘制零件三维模型及二维图纸5. 主要零件部装配6. 编写作业报告文档exturderCATProductLink-productCATProductProduct2CATProductBall-bearingBall-screwbeltCarrier of stepmotorCarrier of wheelDivern-wheel-carrierE3DV6Fixing-circleleverM5linkMotor-carrier2Motor-gearPart1Part2Part3Part4Part5Part6PLAplatformshellTop-shell成员SY1607423魏玉波1. 搜集资料2. 绘制零件三维模型及二维图纸3. 零部件装配4. 编写作业报告文档Moving-productCATProductPlatform-productCATProduct42stepmotoraxleCooling-blockCT-ATP28MXL025-A-H5Driven-wheelE4A5Moving-partsleeve目录1产品简介51.1背景51.2 Delta 3D打印机机构描述51.3 打印原理62 机械系统总体设计72.1基于Delta结构的运动系统部分82.2热头部分92.3挤出机部分102.4工作平台113 产品典型零部件设计113.1 挤出机构设计113.2 挤出喷头选取123.3 电机的选择134 产品建模145总结与感想181产品简介1.1背景 3D打印(Three Dimension Printing, 3DP)技术是采用离散材料(液体、粉末、丝、板、片、块等)逐层累加原理制造实体零件的技术。相对于传统的材料去除技术，3D打印是一种自下而上材料累加的制造工艺。进入21世纪以来，Delta系列机器人呈现出高速、高精度、灵活性等发展方向, Pier-rot团队相继发明了四支链的H4 以及Part4等机构, Clavel先后提出将外转动副改为移动副的三种变异形式，即直线型Delta结构，本文设计的3D打印机，其结构即为一种直线型Delta结构。Delta结构3D打印机是Delta结构并联机器人与3D打印的融合。Delta型3D打印机作为3D打印机的个重要分支，它以价格低、占地面积极少，实用等优点在现实生活中应用的越来越广泛。Delta型3D打印机具有结构简单、安装维护方便性价比高等特点。Delta型如打印机因其区别于其他类型的3D打印机的独特优势在实际生活中应用越来越广。Delta机型是一种并联式运动结构的3D打印机，Delta机型实际上是分为两大类一种是工业上用的并联式机器人，另外一种是rostock的运动结构。本文设计了款Delta型3D打印机即基于三臀并联结构的桌面微型3D打印机。把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上，让其实现三维打印，让我们不需要花很高的成本去买专业级别的3D打印机。我们有时候想制作出些模型来观察和实验，不需要很高的精度，只是需要速度。我们便用Delta型并联机械手臂来实现3D打印，能保证一定的精度和速度，如果能制作出这样的3D的打印机，很多工程师都可以将自己的设计打印出来，通过对型3D打印机的深入研究挖提出其特有的优势使如打印技术发挥越来越大的作用1.2 Delta 3D打印机机构描述该3D打印机由定平台、动平台以及连接两平台的3个分支组成(图1),3个分支以定平台中心呈对称分布，具有相同的运动链，都含有一个平而平行四边形机构。该平行四边形机构一端与滑块连接，另一端与动平台连接，动平台中心与该3D打印机的打印头部分相连接，该平行四边形机构可等效为过其上下边中点的一根单杆。滑块安装在直线导轨上，导轨的下方安装有3台步进电机，步进电机带动轴上的同步带轮做旋转运动，同步带轮依靠与滑块固定在一起的同步带，将同步带轮的旋转运动转变为滑块的直线运动，滑块的上下运动使得动平台完成对打印头位置的控制。1.3 打印原理三维打印技术：首先利用三维设计软件对零件进行三维CAD实体建模，并将得到的三维实体模型以一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高。FDM熔融层积成型技术是目前常用的3D打印技术之一。三维打印机的工作原理如图2所示。计算机控制快速成型机的加热喷头，依据每一层截面数据作x-y平面运动。送丝机构将丝材送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出的打印材料粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每当其中一层截面打印完成后，工作台将下降前一次打印完成的高度，然后继续下一层的打印。如此循环重复，直到整个实体的造型完成。图2 打印机工作原理图2 机械系统总体设计Delta 3D 打印机机械系统主要包括运动机构、热头、挤出机构、工作台四个部分(如图3所示)。送丝机构将低熔点丝状材料送给加热器，加热器通过挤压热头将丝材熔化成液体，喷头将熔化后的热塑材料丝挤出，挤压头按照零件的每一截面信息准确运动，半流动的热塑材料被挤出并沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每当一层完成成型，工作台便下降上一层打印的高度，喷头再进行扫描喷丝完成下一层截面成型，如此循环反复，直到完成最后一层成型，这样由底到顶逐层地堆积成一个实体模型或零件。图3 打印机机械系统简图2.1基于Delta结构的运动系统部分本文设计的三维打印机框架结构是一种Delta运动结构。机械结构如图4所示，整个机械固定框架为静平台，静平台与动平台分别由三个相同的分支相连。每个分支由一个移动副和四个球副构成，在每个分支中与球副相连的四根杆构成一个平行四边形。动平台是一个正六边形，动平台的运动是由步进电机带动直线滑轨上的滑块完成的。3D打印机的性能主要由机构的工作空间决定，并联机构的工作空间又可以分为位置工作空间和姿态工作空间。本文中所采用并联机构只有3个移动自由度，因而只具有位置工作空间。图 4 机械结构图2.2热头部分本文所用的热头是采用英国E3DOnline设计小组开发的E3Dv6热头。该热头组件主要有铝合金散热器、铝合金加热块、黄铜喷嘴、不锈钢喉管、电加热棒、热敏电阻、PTFE铁氟龙远程送料管、送料管接头等元件组成。如图5所示：图5 部分热头示意图工作时，电加热棒和热敏电阻共同作用，使热头组件最前端的铝合金加热块保持在一定温度，会把塑料熔化成胶态。后头的塑料在挤出机的作用下持续往前推挤，就可以让胶态的塑料从喷孔连续挤出，形成可进行三维打印的热熔丝。2.3挤出机部分挤出机的工作是将厚重打印材料从3D打印机热头出来后挤压变成细细的料丝。本文设计的挤出机主要包括步进电机、挤出齿轮、U形轮、弹簧压紧机构组成。如图6所示。当打印机正常工作时，如图6中的挤出电机上的铜齿轮和弹簧的弹力使U形轮将耗材紧紧的夹住。当挤出电机正常转动时，电机轴上的铜齿轮通过摩擦力带动耗材前进。耗材在热头部分被加热融化成液体，挤出力通过耗材传递到喷头。当挤出力大于耗材在铜头管道流动中受到的阻力时，耗材才能从热头被挤出。如果铜头温度不够、铜头内有杂质、耗材没有得到充分熔化或过丝孔过小，就会造成阻力过大，会导致出丝不畅。图6 挤出机结构示意图2.4工作平台本文采用的工作平台是铝合金电加热工作平台，可以适应不同材料的打印工作。该工作平台主要由铝合金板，聚酰亚胺(PI)电加热膜和热敏电阻组成。工作时，在PI电加热膜和热敏电阻的共同作用下，使铝合金工作台表面保持一定的温度。使被打印的工件更好的附着在工作平台上。3 产品典型零部件设计3.1 挤出机构设计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170摄氏度左右的环保高分子材料ABS，故基于以上两个方面的考虑在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，齿轮与相连接，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，用小螺栓将送丝轮固定在输出轴上，用一个装有滚珠的装置来挤压打印材料，使材料夹在送丝轮和滚轴之间，使打印材料两侧受到压力产生浅凹槽，迫使材料在电机带动下前进或倒退。这种装置的好处在于对于步进电机的电流和参数要求并不是太高，同时由于采用齿轮减速加力，因此挤丝力会比较好。缺点就是这种装置的结构复杂程度较高，维护起来有点麻烦。（3）通过步进电机的输出轴带运一软轴。用软轴控制两边齿轮，用一对齿轮夹紧打印材料，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。送料装置原理图如下图所示。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运动，从而达到条料的进给。送料齿轮为主动轮，负责提供条料进给所需的动力，轴承起定位的作用，同时可以有效减少条料的进给阻力。轴承与送料齿轮之间的间隙略小于条料的直径，因此条料进入轴承与送料齿轮之间的缝隙会受到两轮的挤压而产生摩擦力，使之沿图箭头所示方向运动，可以利用其自身的弹力确保送料齿轮有一定的抓紧力，确保条料不发生回抽，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。图7 送料装置原理图3.2 挤出喷头选取喷出技术采用熔融沉积成型技术，成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点1）熔丝功能与料丝送进功能：将送进的固态料丝及时充分地熔化成为熔融状态并从嘴嘴挤出；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：对挤出熔融态物料进行定径，变为满足要求的纽小直径的丝材进行堆积 ； 4）出丝速度匹配与出丝起停控制功能：出丝速度可控，可以根据扫描速度进行调整，实现速度互相匹配。出丝应能根据路径打描要求及时起停，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。出喷头装置主要由进料管、加热管、散热片、喷嘴、散热风扇、监测装置组成。挤出喷头的原理如图1所示。由送料装置送进的条料经过进料管进入加抗管，在加热管内迅速加热至180左右使其儿全熔化当后续的条料边入加热管后，借助未熔丝材的活塞作用将熔融材料挤出喷嘴，挤出的条料在打印床上冷却固化形成打印件。在挤出装置的前端，如果条料过早地融化，会因条料的热膨胀产生的逆向压力将液态的条料挤出到冷端凝固，引起进料管的堵塞。为防止这种情况的发生在进料管上装散热片和散热风扇对进料管进行冷却降温。进料管为贯穿整个挤出装置，上端接入软管插头，下端与喷嘴相连。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，因为打印产品的表川质量取决于喷嘴。考虑到Delta型3D打印机的机械轴负载能力较弱以及为了提高打印精度，本设计选取重量较轻的E4A5喷嘴。 3.3 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，它们优缺点的比较如表1所示，综合考虑控制要求、成本要求以及3D打印机的实际工作要求，3D打印机的电机选择步进电机其作用是为滑块提供动力，即通过带动同步带使滑块在导轨上做直线运动。选择步进电机需要考虑的因素有：（1）最小转速：要使打印喷头的最大移动速度达到60mm/s，步进电机的最小转速应达到250r/min（2）额定扭矩：3D打印机中电机的扭矩涉及两个方面：第一方面，滑块运动时在自身重力和连杆压力的作用下，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；第二方面，在行进停止时步进电机可以保持的最大静扭矩要有效防止滑块在自身重力作用下沿滑轨下滑；第三方面，为保证挤出机要送料不失步，步进电机需要提供足够的扭矩。基于以上三个方面的考虑，查机械设计手册，选择CT-42BYG250A-SASSML型步进电机。表1 伺服电机与步进电机的比较4 产品建模以下是部分零件的建模图形。图10铰链球头模型图图11 铰链模型图图12 E4A5喷嘴模型图图13 绕线圈模型图图14 部分连接结构装配模型图图15 工作圆盘模型图图16 步进电机模型图图17 工作台部分装配模型图图18 3D打印机装配总图5总结与感想通过这次课程作业，锻炼了我们运用已有的专业基础知识，独立进行科学研究活动，分析和解决一个理论问题或实际问题的能力，同时也是对我们的知识和相关能力进行一次全面的考核，是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，使我们初步掌握进行科学研究的基本程序和方法，为以后的科研打下良好的基础。在这次结构设计过程中，我们遇到了一些问题，也产生了小小的分歧，但是通过我们认真耐心的协商，一步一步解决问题，最终化解分