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基于 打印 齿轮 设计 制作 CAD

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基于3D打印的锥齿轮系设计与制作摘要：本课题是针对基于3D打印的锥齿轮系设计与制作，本文主要介绍了什么是3D打印，3D打印的发展历程，它的不同的打印原理及3D打印相较于传统打印的优缺点。另外本文介绍了3D打印机的种类，不同种类打印机的工作原理和打印材料的选择，并进行锥齿轮系的设计和计算。重点论述了锥齿轮系的下箱座和轴承零件的制作过程，主要包括，选择3D打印工艺和3D打印机来确定打印方案，根据打印的精度要求不高，还有成本问题，因此我们确定采用FDM熔融沉积成型( Fused Deposition Modeling ) 工艺，也叫材料挤出成型，控制好材料的加工温度以确保能很好的快速成型。 通过加热能使材料处于熔融状态，即半流动状态，然后通过小喷头挤压出很细小的材料，通过电机的伺服控制来控制小喷头的移动，从而在打印平台上勾画出二维平面模型，通过丝杠的轴向移动，层层累加的方式完成真个打印过程。使用的打印材料为最普通的ABS材料。该技术的难点是要控制好打印的温度以确保打印材料能处于一种半流动状态的熔融状态。另外对喷头也有很高的精度要求，从喷头挤压出的打印工程材料很薄，每层厚度不到一毫米，因此速度很慢，打印一个零部件要花很长时间，该工艺运行安全，系统构造原理和操作简单。选择的打印机类型为I3， 这种打印机应用最为普遍，因为其结构简单且制作成本低，打印的成品效果能满足一般的需求。当打印工艺、打印材料、打印机选择好之后，通过设计计算锥齿轮传动系统，绘制二维的装配图和零件图，并进行锥齿轮传动系统下箱体和轴承的三维建模，使用的是Solidworks建模软件，建模结束后进行装配修正，最后打印成实物模型。关键词：3D打印，Solidworks，锥齿轮系统设计，三维造型Design and Fabrication of Bevel Gear System Based on 3D PrintingAbstract: This design is for the design and manufacture of bevel gears based on 3D printing. The 3D printing process and 3D printer are used to determine the printing scheme. According to the requirements of printing accuracy and cost, we determine the use of FDM fused deposition. The Fused Deposition Modeling process, also known as material extrusion, controls the processing temperature of the material to ensure good rapid prototyping. By heating, the material can be in a molten state, that is, a semi-fluid state, and then a very small material is extruded through a small nozzle, and the movement of the small nozzle is controlled by the servo control of the motor, so that a two-dimensional planar model is outlined on the printing platform. Through the axial movement of the screw, the printing process is completed in layers. The printing material used is the most common ABS and PC material, so it can control the cost very well, but it also has a higher surface roughness of the printed product, a poor finish, and unevenness. The difficulty of this technology is to control the printing temperature so as to ensure that the printing material can be in a semi-flowing molten state. In addition to the nozzle has a very high precision requirements, the printing engineering material extruded from the nozzle is very thin, each layer thickness is less than a millimeter, so the speed is very slow, it takes a long time to print a part, the process is safe, The system construction principle and operation are simple, and the printed product does not require subsequent processing. The type of printer selected is I3. This type of printer is most commonly used because it is simple in structure and low in production cost, and the printed product can meet general requirements. The principle is that the print carrier platform moves on the Y-axis through a timing belt, and the nozzle moves on the X and Z axes, so that the nozzle can be anywhere in the entire space. The biggest advantage is that the structure is simple and each motor is responsible for one axis. The movement can be easily controlled and controlled through the control panel. When the printing process, printing materials and printers are selected, the bevel gear transmission system is designed and calculated, and the selection and verification of axes, bearings, and keys are performed. The two-dimensional assembly drawings and parts drawings are drawn, and the bevel gear transmission system is used. The three-dimensional modeling of the box and the bearing is based on the Solidworks modeling software. After the modeling is completed, the assembly is corrected and finally printed into a physical model.Keywords: 3D printing, Solidworks, , 3D modeling, bevel gear systemV目录1 绪论11.1 3D打印简介11.2 3D打印的发展11.3 3D打印的原理11.4 3D打印的优缺点21.5 3D打印工艺32 3D打印机概述62.1 3D打印机工作原理62.2 3D打印机的种类72.3 3D打印材料的选择83 齿轮传动系统设计93.1 传动方案的确定93.2 传动装置的设计计算93.3 传动件的设计计算103.3.1 高速级锥齿轮传动的设计计算103.3.2 低速级斜齿圆柱齿轮的设计计算133.4 齿轮上作用力的计算173.4.1 高速级齿轮传动的作用力173.4.2 低速级齿轮传动的作用力183.5 轴的设计计算183.6 轴承寿命校核193.7 键的选择及校核204 3D打印流程224.1 打印材料和打印机的选择224.2 打印位置的确定224.3 打印的零件244.4.1 零件的三维建模244.4.2 文件格式转换254.5 打印填充方式的选择264.6 切片处理274.6.1 下箱体的切片处理274.6.2 轴承的切片处理294.7 下箱体和轴承的后期处理294.8 轴承和下箱体成品305 总结33参考文献34致谢351绪论1.1 3D打印简介3D打印技术也被称为增材制造制造技术，它是相对于传统的减材机械加工而言的。因为在整个零件产品生产的过程中并没有传统的切削、打磨、钻、铰等过程，也不会产生切废料。而是通过把原材料的形状重新改变从而获得想要的零部件形状。3D打印技术有将近40年的发展历程，通过不断的发展，已经形成了一门新兴技术，凭借着其极快的发展速度，和材料科学的快速发展，两者相结合，使3D打印技术突飞猛进，对传统机械制造业产生了极大地促进作用，并推动了其他相关行业的发展。3D打印渐渐成为各行各业的一种新型实用工具。3D打印技术需要通过三维建模软件建模，需要把要打印的实物建模之后，根据建立的模型导入驱动，变成打印机可以识别的文件格式，从而能快速地把形状复杂的三维模型制造出来。该技术融合了其他多门学科，它是从原来二维图纸到三维实体模型的又一次突破和飞跃，它能相对准确地将设计者的想法变成实物，并且使实物具备相应的功能，可以直接打印出想要的技术零件，从而实现了从设计到生产加工的无缝对接，在生产打印的过程中如果发现零件存在设计缺陷，可以直接修改三维设计参数，进行修正，因此对于设计者来说是一件极好的设计工具，对整个制造产业是一个创新和革命。目前，3D打印技术在材料学、先进制造技术、数控机床、生物工程等领域还有待突破，因为其专业领域跨度极大，所以每个专业领域的技术突破都能给3D打印技术带来进步和发展。1.2 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。随着其他相关技术的发展进步, 尤其是打印材料的发展，让3D打印技术的发展突飞猛进。从传统石料到金属，再到目前的高分子材料，3D打印机都能适用。打印速度因为之前受制于材料的发展和数字控制技术，还有其本身的打印工艺的局限，因此打印速度一直不高，这也是3D打印的主要缺点，通常一各小型机械零部件的打印时间要花十几个小时，但随着打印材料的发展，高分子材料的使用和熔融技术的进步，现在的打印速度得到了提高。当前和3D打印相关的其他技术，尤其是数控技术、材料研发技术、成型技术的发展推动了整个3D打印技术的发展。在这个领域中，诞生了一批实力强大的企业，3D system 公司就是典型，技术最为先进，产品也比较成熟，代表了目前 3D 打印技术最先进的技术水平，也引领了未来3D打印的发展趋势。1.3 3D打印的原理简单通俗地来说，3D打印技术的核心是通过对打印材料进行融化或者凝固处理，然后通过层层累加或者下沉的方式从而打印出真实的立体实物，在整个打印的过程中，打印材料发生了变形，像沥青一样进过热化处理加工，变成可以随意改变形状填充的原材料，而3D打印技术只是通过伺服电机使得小喷头的移动位置更加精确，喷出的材料也非常细，通过小喷头的移动，在平面载体上画二维图形，然后再层层累加，每层累加的厚度非常小，以此来保证打印的质量要求。也有通过激光固化处理，即像传统的机械切削加工一样，只不过加工不是用刀具而是用精度更高的的激光，通过控制激光的扫射路线和激光的强度来加工打印材料，使得需要加工的地方被激光处理，打印材料被激光扫射之后会熔化脱落，后续进行化学处理使得表面更加光洁。三维建模软件完成图形的绘制以后通过驱动变成可以识别的文件格式，一般是STL格式，从而实现很多的数字切片，通过传输数据将这些切片信息传送到3D打印机上，让3D打印机来识别这些指令信息。而3D打印机会按照传送来的指令，控制X轴、Y轴、Z轴方向上的伺服电机动作，从而使3D打印喷头能在空间运动到任何位置，把处于熔融状态的打印材料叠加，直到形成想要的固态实物，在打印前要对打印的材料进行处理，以使它们能更好地打印，这些打印材料经过适当的处理后，它们就不是普通意义上的石膏、塑料、树脂了，而是能够打印的原材料。1.4 3D打印的优缺点（1）优点：总的来说3D打印的优势非常多。可以根据用户的需求独立的为他加工他想要的产品。传统的机械加工生产因为是大批量大规模标准化的工业化生产，因此，相对来说其模具的设计生产成本和总的加工成本并不高，且相对于3D打印来说成本还很低廉，但是随着设计者的实物展示需求的增加和家庭普通爱好者的个性化3D打印需求的增加，以及3D成品的实物个性化多样属性，这对于传统的机械标准化加工来说捉襟见肘，如果单纯为了生产一个零部件或者产品而设计制作模具、夹具、机床，显然是不可取的，这样成本太高。而3D打印不需要设计任何模具、夹具，只要改变三维模型，就可生产出所需要的零件，且可以邀请用户参与设计过程，对整个设计过程进行实时控制和更改。因此无论是生产一个还是成批大量的生产都可以满足需求，且成本基本维持不变。3D打印可以打印多种材料，如金属、工程塑料、高分子材料等等，同一个实物也可以被不同种类的打印材料所打印，这样所打印出的实物可以满足不同类型的需求，可以应用于不同的工作环境和场合，比如在恶劣的工况环境下，以及对实物零件有很高的强度要求，这就需要使用强度、硬度、机械性能较高的打印材料，而如果仅仅是用来作为展示需要的实物，则可使用普通的工程塑料作为打印介质，不仅能节约成本，也能缩短打印时间，加快打印速度，因此根据打印需要和使用场合，可以灵活地选择材料。截止目前，可供3D打印的打印材料已经多达七八十多种，适合于各种类型的场合，能满足用户广泛的打印需求。不仅如此，还有以前传统的加工方式所不能加工的制造的零部件，通过3D打印机却能够加工成型。同时，相比于传统的加工方式，它能加工更为复杂的零件，但是仍能保持很高的精度和表面光洁度。打印成本相对较低。在整个3D打印过程中，打印材料成本占整个打印成本的较大比重，随着越来越多的新材料被发现被使用，3D打印成本在不断的下降，而且，目前更多的绿色环保可降解材料被应用到了打印过程，比如用玉米粉制作成的工程塑料。另外，相对于传统规模化大批量生产，对于个性化产品的定制来说，3D打印有着非常明显的成本优势，因此，在今后3D打印进将越来越多的用于日常的打印，3D打印机在家庭中也将越来越普遍。相对于传统的机械加工方式，3D打印属于增材制造，需要打印多大实际体积的实物，就会按照理论供应多少打印材料，而不会像传统的加工方式那样，做减法，把毛培不断的切削、钻、铰、磨，浪费材料，因此，极大地提高了材料的利用率。另外打印的过程不需要设计制作模具、夹具，无需机床、车间及固定集中的生产线，能在不同的场合加工。另外因外打印机具有高度的自动化特性，因此，可以在任意时间进行打印。具有分布式生产的特点。（2）缺点：目前来说，3D打印技术因为打印材料的原因和个性化定制，打印比较昂贵。另外，打印材料的研发较困难，市场较小，使用量不高，而使打印材料的研发成本高，从而使打印成本也较高。3D打印技术目前在我国主要应用于新产品研发过程中，实际的大规模生产还没有普及。从现在的3D打印技术条件和打印材料的发展来看，要使3D打印技术作为主流的工业生产加工方式还有待时日，因为其加工成本和加工效率直接制约了其大规模生产的可能性。另外一方面，3D打印技术因为其打印工艺的原因，不能生产复杂的具有多种材料组合而成的产品，因此，像生产自行车、汽车等复杂的混合材料产品，就不能直接打印出来，而需要更换打印材料，这就直接影响了打印的速度，并且一种材料与另一种材料之间的结合也存在着技术难题，难以保证精度要求，成品的强度要受材料粘结状况的影响，增加了打印的难度。除此之外，像打印汽车这样的复杂工业产品，要耗时几个月，而传统的机械生产加工装配线却能在几个小时内完成装配。虽然目前3D打印材料的研发有了很大的进步，有了更多的打印材料可供选择，但是考虑到零件需要适应不同条件，不同工况的复杂性和打印工艺对材料的限制，这就使得可供选择的打印材料有限，并且还需要经过处理才能适应打印需求。当前的3D打印技术的准确性还不能和传统的生产方式相媲美，另外其打印出的成品的强度、刚度、耐疲劳性等物理性能及化学性能等和实际的工程需要还有一定的差距，从而不能使打印出的零件成为功能性零件来使用，因此，其实际应用能力不足，无法满足实际工程需要。1.5 3D打印工艺（1）熔融挤压堆积成型 FDM打印工艺主要是通过打印喷头来控制工程塑料等打印材料的加工温度以确保能很好的快速成型。通过加热使材料处于熔融状态，即半流动状态，然后通过小喷头挤压出很细小的材料，通过电机的伺服控制来控制小喷头的移动，从而在打印平台上勾画出二维平面模型，通过丝杠的轴向移动，层层累加的方式完成真个打印过程。使用的打印材料为最普通的ABS和PC材料，因此能很好的控制成本，但也因此打印成品的表面粗糙度较高，光洁度较差，不平整。该技术的难点是要控制好打印的温度以确保打印材料能处于一种半流动状态的熔融状态。另外对喷头也有很高的精度要求，从喷头挤压出的打印工程材料很薄，每层厚度不到一毫米，因此速度很慢，打印一个零部件要花很长时间，该工艺运行安全，系统构造原理和操作简单，打印成品不需要后续处理。（2）激光固化光敏树脂成型 SLA激光固化这项技术使用的原材料为光敏树脂，它是一种高分子材料，对光的敏感性较强，当在紫外线的照射下，这种材料的内部结构将会发生变化，分子将会结合。外在表现为胶状变成坚硬。SLA的原理是控制透明色光敏树脂的阴暗，通过底片来控制紫外线的照射，使需要加工的部分被紫外线透过，成为亮区，不需要加工的地方不被紫外线透过，成为暗区。亮区因为有紫外线的照射而发生内部结构的变化，被紫外激光扫射过的区域的树脂会发生光聚合反应，从柔软的液态树脂变得坚硬。通过控制激光的扫射轨迹，来加工零件。整个加工的过程是通过一层一层扫描完成额，当一层被紫外激光扫面固化之后，就需要移动打印平台，在原来的固化好的表面再刷上一层胶状的光敏树脂，依次不断扫描固化，因为光敏树脂本身特殊的物理化学性质，在层与层之间虽然加工顺序有时间差异，但是还是能很好的黏合，通过这样的层层黏合来打印实物。这项工艺最早是由美国3DSYSTEMS 公司推出，这项技术的特点由于是层层由激光固化，因此，打印的成品精度和光洁度高，但是由于材料是光敏树脂，由其自身内部结构决定了打印出的成品刚度、硬度较差，整个结构非常脆，另外，需要一层一层的涂抹胶状的光敏树脂，导致整个打印的成本太高，最后还要进行复杂的后续处理，整个加工过程的难度较大，对加工人员提出了很高的要求。属于一种打印精度较高的打印方式。其工作原理如图1.1所示。图1.1 SLA3D打印机工作原理当激光发生器发出激光后，通过激光扫描系统，有选择性地控制激光束的轨迹，从而固化打印材料。（3）激光烧结 SLS选择性激光粉末烧结，该法采用的能源设备为二氧化碳激光发生器，当前，使用的打印材料有塑料粉、尼龙粉、金属粉等。打印流程为在打印平台上均匀铺上一层只有几百微米的粉未材料。SLA技术相较于激光固化技术的特点是可打印金属材料的零部件，可使用的材料范围比较广泛，制作工艺相对来说比较简单，无需支撑结构，材料利用率高。其工作原理如图1.2所示。图1.2 选择性激光烧结技术SLS技术算是一种精度极高的3D打印技术，相对于激光固化技术，只不过是把打印的材料从胶状的液体材料换成了粉末状材料，通过控制激光扫描轨迹来对打印的粉末状材料进行有选择性的熔融处理，其实有点类似平面的激光打印机，但是它们的打印原理都是相似的。SLS的打印模式已经广泛地应用到了金属3D打印上了，对于打印高精度的材料来说，优势非常明显。图1.3为使用SLA技术打印的金属材料。图1.3 采用选择性激光烧结技术打印的金属手枪2 3D打印机概述3D打印机又称三维打印机(3DP)，是一种利用增材制造技术的打印设备，普通的3D打印机结构并不复杂，硬件主要由打印材料、打印载体即打印平台和小喷头构成，它是一种高度自动化、专业化打印设备，其打印精度随着打印材料的发展而得到不断的提高。它是把计算机当中已经建好的三维模型转换为一种数字模型，通常是STL格式的文件，通过数字切片的方式，逐层打印。其打印的材料非常丰富，有普通的工程塑料、光敏树脂、金属、陶瓷等。但这些材料都需要经过后续的处理才能作为打印材料，不能直接使用。虽然3D打印工艺很多，千差万别，但是它们基本的原理是相通的，都是把打印材料通过层层堆叠方式来打印实物。3D打印机作为一种打印设备，不仅仅可以被设计者当做一种设计工具，并且随着打印成本的不断降低，3D打印机不断地走进普通家庭，成为普通打印爱好者打印个性化产品的一种工具，它会像之前的喷墨打印机和激光打印机一样越来越普遍。2.1 3D打印机工作原理3D打印机与传统平面打印机的打印原理其实是类似的，最大的不同之处在于它们使用的打印材料不同，传统平面打印机的打印材料一般是墨水等颜料，而3D打印机的打印原料是实实在在的原材料，它是用来构造实物的成分，因此3D打印机的原料是多种多样的，根据打印物体所使用的场合和特性而选择，这些打印介质有工程塑料、光敏材料、金属粉末等。和传统的平面打印不同的是3D打印是通过打印材料的一层一层累加而成的，根据累加方式的不同也就有不同的打印工艺。（1）有些3D打印机和传统的喷墨打印机原理类似，即在喷头处喷出打印材料，这种材料一般为极细小的胶状或液态物质，然后层层累叠，或者让打印平台随着打印厚度的增加而自动下降一段只有不到一毫米的距离，如果是工程塑料的话，会随着温度的降低而自动固化，如果是光敏材料的话，还需要通过紫外激光照射处理，紫外激光照射之后，高分子材料内部结构将发生变化，将从原来的胶状变成固体状，从而能更加有选择性的处理打印材料。（2）还有一些打印机使用的技术是激光选择性烧结技术即SLS技术，这种技术是一种精度极高的打印技术，一般用来打印精度要求较高的仪器等物品，它使用的能源装置是二氧化碳激光发生器，使用的打印材料为一些粉末状物质，如塑料、金属等粉末。通过控制激光的发射路线来控制打印分层，即把粉末状打印材料喷在打印平台上，通过激光熔融成固定形状，最后通过黏结剂把这些粉末状的打印材料进行粘结。（3）另外一种打印工作原理是通过打印喷头把材料挤出的一种成型技术，主要是控制好打印材料的加工温度以确保能很好的快速成型。通过加热能使材料处于熔融状态，即半流动状态，然后通过小喷头挤压出很细小的材料，通过电机的伺服控制来控制小喷头的移动，从而在打印平台上勾画出二维平面模型，通过丝杠的轴向移动，层层累加的方式完成真个打印过程。使用的打印材料为最普通的ABS和PC材料，因此能很好的控制成本，但也因此打印成品的表面粗糙度较高，光洁度较差，不平整。该技术的难点是要控制好打印的温度以确保打印材料能处于一种半流动状态的熔融状态。另外对喷头也有很高的精度要求，从喷头挤压出的打印工程材料很薄，每层厚度不到一毫米，因此速度很慢，打印一个零部件要花很长时间，该工艺运行安全，系统构造原理和操作简单，打印成品不需要后续处理。2.2 3D打印机的种类使用工程塑料作为打印材料的打印机在一般家庭中最为普遍。，因为其打印材料成本最低，但能满足基本的打印需求，另外，这种打印材料是绿色的，叫做ABS，是用一些粮食粉末作为主要原料，且能做成一卷一卷的细长条，易于保存，可随时随地取出用来打印。其打印出的成品的机械性能和物理化学性能虽然不能作为工程零件使用但能满足普通的展示分析测试。因此，根据成本考虑和实际的需要，选择使用ABS作为打印材料的3D打印机，使用这种打印材料的打印机根据结构原理的不同有三种。这三种打印机的主要区别在它们的机械运动方式存在差异。而打印工艺原理是相通的，都是一种一层一层的累加、堆叠。第一种打印机是I3，这种打印机的运动结构是打印平台载体和打印的半成品在Y轴方向随着导轨同步带而随着计算机指令配合打印喷头动作，而打印喷头则在三维模型转化为数字切片指令之后，根据切片指令而在X轴和Y轴方向上动作，以使小喷头能在整个打印空间运动，这种运动方式非常简单，执行动作结构也不复杂，三个电机分别负责X轴、Y轴和Z轴方向的运动，当出现电机故障或者打印精度降低时都可以很方便的进行排除故障，对于，前期的调试工作，这种打印机的工作结构也是易于调试的。第二种打印机是三角洲，这种打印机的主要特点是，打印的平台载体始终保持不动，打印喷头在X轴Y轴Z轴方向上靠三个电机驱动，这也是和I3打印机的主要区别，当打印时，每个电机都在运动，只不过每个电机驱动的进给量是不同的，这种运动方式相较与I3打印机来说，结构更加复杂，在打印的过程中，如果出现打印故障或者打印物体的精度较差，不能满足事先的打印需求，需要调整打印的精度时，难以调试电机，因为这三个电机是联动的，难以确定到底是哪个方向的电动机驱动进给的量出现了偏差。这种打印机的打印平台载体一般都不是很大，但是其纵向高度比较高，因此非常适合打印轴类等截面积小但是距离长的物体，对于此次的锥齿轮传动系统的打印来说，三角洲打印机就并不具有优势。对于只有普通打印需求的用户来说来说，这类型的打印机就不实用。第三种打印机叫COREXY，这种打印机的运动控制方式其实和I3打印机是非常类似的，X轴Y轴Z轴方向上的进给运动分别由三台电动机控制，只是和I3打印机不同之处在于空间运动方向发生了变化，打印喷头不是在X轴和Z轴方向上动作而是在X轴和Y轴方向上动作，打印平台载体不是在Y轴方向上动作，而是在Z轴方向动作，当打印一层之后，打印平台就得到计算机的动作指令，在Z轴方向移动，下降一段微小的距离，以供下次打印留下打印空间，通过不断的下降来完成层层的累加堆叠，因为每次在Z轴方向上下降的距离都很微小，因此，打印的质量和精度都非常高，相比于I3打印机，打印的效果稍微会好一点。但是，这种打印机结构比I3复杂，综合考虑其打印效果和结构的复杂程度，I3打印机还是更加适合于这种锥齿轮传动系统的打印，并且，如果前期能做好I3打印机的调试工作，它的打印效果也不比COREXY打印机差。综合考虑打印效果，打印机的结构复杂程度以及成本，打印材料的特殊性，我们选择I3打印机。2.3 3D打印材料的选择平面打印的载体是纸，用的打印材料是各种墨料，3D打印是要打印实物，即实物是由什么构成的，实物的成分是什么，我们的打印材料就应该是什么。3D打印的材料应该是易于重塑便于加工的，而传统的生产方式的加工过程是在完整的原料上面进行去材加工。因此，其打印原理就决定了3D打印的成品其刚度和强度相较于传统的机械加工出的零件产品较差。可以这么说，3D打印技术的发展是伴随着3D打印材料的发展而发展的，3D打印材料的发展状况直接影响着3D打印技术的发展，3D打印的成本也很大一定程度上是由3D打印材料决定的。因此3D打印材料对于3D打印技术而言的重要性不言而喻。近些年来，越来越多的3D打印材料被研发出来，促进了3D打印技术的快速发展。当前的3D打印材料大概有六七十多种，这些材料之间的性质差异很大，应用范围也很广，根据材料的不同属性也催生了不同种类的3D打印工艺。下面来具体介绍几种典型的3D打印材料。（1）工程塑料：工程塑料的使用范围很广，因为其成本相对于其他材料来说最低，因此得到了广泛的应用。工程塑料另外一个优势是易于加工，因此，打印的时间会大幅度缩减，工程塑料的韧性较好，强度也能满足一般的打印需要，在模型、电子领域得到了广泛的应用。（2）光敏树脂：SLA技术使用的主要打印原材料即为光敏树脂，它是一种高分子材料，对光的敏感性较强，当在紫外线的照射下，这种材料的内部结构将会发生变化，分子将会结合。外在表现为胶状变成坚硬。SLA的原理是控制透明色光敏树脂的阴暗，通过底片来控制紫外线的照射，使需要加工的部分被紫外线透过，成为亮区，不需要加工的地方不被紫外线透过，成为暗区。亮区因为有紫外线的照射而发生内部结构的变化，被紫外激光扫射过的区域的树脂会发生光聚合反应，从柔软的液态树脂变得坚硬。这种材料主要用于电子产品、模具等专用材料的打印。（3）金属材料：金属材料是SLS技术的主要原材料，通常在打印的开始阶段为粉末状，通过激光选择性扫描之后，使金属粉末处于熔融状态。通过SLS技术处理之后的成品的综合性能也比较优异，因此这种材料多用于高精度的3D打印。（4）陶瓷材料：陶瓷材料的综合性能比较突出，强度和硬度较高，而另一方面其密度低，重量轻，能承受高温，化学性质也比较稳定。用这种陶瓷材料可打印出厨房用具和仪器量器。（5）复合型石膏粉末：这种材料打印出来的成品具有明显的一条一条的纹路，视觉效果和其他的打印方式打印出来的成品有明显的不同比。一般在室内展示物中使用这种打印技术，如一些模型、人像雕塑、建筑物的模型等等。3 齿轮传动系统设计3.1 传动方案的确定图3.1 传动装置简图3.2 传动装置的设计计算（1） 选择电动机类型（2）选择电动机功率 （3）传动装置的总效率 （4）电动机输出功率（5）滚筒的工作转速 （7） 传动比的计算及分配（1）（2）。（3） 传动装置动力参数的计算（1）（2）（3）3.3 传动件的设计计算3.3.1 高速级锥齿轮传动的设计计算（1）选择材料、热处理方式和公差等级大小锥齿轮均选用45钢，小齿轮调质处理，大齿轮正火处理，齿面硬度为平均硬度为在3050HBW之间。选用8级精度。（2）初步计算传动的主要尺寸，初选载荷，取，。（3）小齿轮与大齿轮的应力循环（4），对，（5）校核齿根弯曲疲劳强度（5）计算锥齿轮传动其他几何尺寸3.3.2 低速级斜齿圆柱齿轮的设计计算（1）选择材料、热处理方式和公差等级（2） 初步计算传动的主要尺寸，初选载荷系数，轴向重合度为，（3）确定传动尺寸查得使用系数 （4）确定模数（5）计算传动尺寸和中心距（6）端面重合度系数为（7）轴向重合度为由图查得重合度系数 因 （8）校核齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度条件为由图查得由图查得重合度系数为查得螺旋角系数为许用弯曲应力为由图查得弯曲疲劳极限应力为查得寿命系数（9）计算齿轮传动其他几何尺寸端面模数齿顶高齿根高全齿高顶隙齿顶圆直径为齿根圆直径为3.4 齿轮上作用力的计算3.4.1 高速级齿轮传动的作用力已知条件高速轴的转矩小齿轮大端分度圆直径（1）锥齿轮1的作用力圆周力为,其方向与力作用点圆周速度方向相反。径向力为，其方向为由力的作用点指向齿轮1的转动中心。轴向力为其方向沿轴向从小锥齿轮的小端指向大端法向力为（2）锥齿轮2上的圆周力、径向力和轴向力与锥齿轮1上的圆周力、轴向力和径向力大小相等，作用方向相反。3.4.2 低速级齿轮传动的作用力已知中间轴的传递转矩为（1）齿轮3作用力为圆周力为，其方向与力作用点圆周速度方向相反。径向力为，其方向为由力的作用点指向齿轮3的转动中心。轴向力为法向力为（2）从动齿轮4各个力与主动齿轮3上相应的力大小相等，作用方向相反。3.5 轴的设计计算轴与带轮连接，有一个键槽，轴径应增大3%5%，轴端最细处直径轴结构设计，轴承部件的结构设计：为方便轴承部件的装拆，减速器的机体采用剖分式结构，该减速器发热小，轴不长，故轴承采用两端固定方式。按轴上零件的安装顺序，从最细处开始设计。 圆周力、径向力及轴向力的方向如图3.2所示。图3.2 高速轴的结构与受力分析前已选定轴的材料为45钢（调质），由表查得，故安全。中间轴和低速轴的设计计算同上。3.6 轴承寿命校核计算轴承的轴向力，查得30207轴,C=54200N,。由表查得30207轴承内部轴向力计算公式，则轴承1,2的内部轴向力分别为外部轴向力A=191N，则两轴承的轴向力分别为：计算当量动载荷因为，轴承1的当量动载荷为因为，轴承2的当量动载荷为,因查表得。对于减速器，查表得载荷系数为。校核轴承的寿命减速器预期寿命为，故轴承寿命足够，中间轴轴承和低速轴轴承寿命校核计算同上，轴承寿命符合要求。3.7 键的选择及校核该处选用普通平键尺寸为，接触长度，载荷平稳 ，可选，则键联接所能传递的转矩为：故满足要求。该处选用普通平键尺寸为，接触长度，则键联接所能传递的转矩为：故满足要求。中间轴键和输出轴键的计算同上，满足要求。锥齿轮传动系统的装配图装配图如图3.8所示。图3.8 锥齿轮传动系统装配图锥齿轮传动系统的主要零件图如图3.9所示。图3.9 输出轴上齿轮图3.10 输出轴零件图4 3D打印流程4.1 打印材料和打印机的选择 跟传统的打印方式不同的是，传统的平面打印用的材料是墨料或者不使用原料直接在纸上打印，使纸张发生化学反应，从而打出字来。而3D打印就需要使用实实在在的材料来打印，它是用来构成打印物体的成分，即打出来的成品的成分是什么，那么打印材料就应该是什么。因为本次打印锥齿轮传动系统只是用于展示需求，没有把它作为工程零件来使用的需求，因此，本次打印的材料工艺选择为熔融挤压成型工艺，打印材料选择为ABS树脂，所有的打印零部件包括下箱体，轴承使用同一种材料，即ABS树脂，这不仅降低了打印难度，也使得打印速度大大加快。本次使用的打印材料ABS树脂是一种应用范围非常广的打印材料，当在打印喷头控制温度对它进行加热时，那么这种材料就会从固态变为一种熔融状态，即胶状物质，它能随着打印喷头的极细小的喷口喷出，从而能勾勒出打印模型，这种材料比热容也比较低，从固态到胶状再到固态的时间变化很短，因此胶状物质喷出之后，随着温度的降低，它能迅速地冷却，恢复原来的状态。另外下箱体和轴承的打印材料选择ABS树脂，它是由三种不同成分的材料构成的复合材料。它的优势除了上面提到的容易加工之外，它的韧性突出，在加工的过程中不容易折断，另外，这种材料最终打印出来的成品表面光滑，很多室内的展品雕塑都是使用的这种材料。ABS为使用最广泛的工程塑料之一。而此次采用的打印机为I3打印机，这种打印机适合FDM工艺。ABS树脂工程塑料如图4.1所示。图4.1 一般3d打印常用的“线料”4.2 打印位置的确定 当进行打印时，需要选择一个打印平台，用来进行X轴、Y轴和Z轴的移动，并配合小喷头的移动，这和数控机床的加工操作类似，数控机床一般是，所要加工的零件不动，刀具按照事先编制好的程序进行动作。而3D打印也是如此，承载零件的平台载体能随着小喷头的动作而动作。因为一般打印的工艺是要进行打印材料的熔融处理，当材料熔融之后温度较高，需要快速冷却。因此，综合考虑一般选用钢板作为打印的载体，钢板具有很好的导热性能且能耐高温、耐腐蚀、机械性能较高。在钢板下有导轨和同步带用来使打印载体能够在平面内做X轴和Y轴的移动。如图4.2所示。图4.2 3D打印载体由于本次使用的打印机为I3打印机，这种打印机的特点是打印平台在Y轴上移动，打印喷头在X轴和Z轴方向上动作，上面已经提到了，打印平台是通过同步带导轨在Y轴上动作，要使打印喷头能在Z轴方向上下移动，我们使用的是丝杠，如图4.3所示。图4.3 Z轴方向移动丝杠当打印喷头通过同步带可以在X轴方向上自由移动后，通过丝杠的旋转可以实现打印喷头的上下快速动作，因此在选择丝杠时，要注意丝杠的螺牙密度要和打印的每层厚度相适应，带动丝杠动作的电动机的转速也要与之相匹配。要计算出伺服电动机每转丝杠移动的距离，以此来确定每层的打印厚度是否满足要求，如果，每层厚度过厚或是过薄，都会影响打印的精度。进而影响最后打印出来物体的打印质量。虽然打印喷头不能在Y轴方向上移动，但是打印平台在导轨上的移动使得打印喷头可以在空间自由的移动，因此可以打印任何复杂的平面基底，然后层层累叠。当我们在打印喷头的上方装上ABS高分子材料之后，这种高分子复合材料具有很好的韧性，我们把它做成很细的条状，这样方便保存使用，也是打印机高度自动化的要求，通常一个零件的打印时间要持续将近十个小时，打印材料做成这种形式，避免了人工上料，也能很好的和打印喷头相互配合。另外，本次打印选择的ABS高分子材料本身已经着色了，不需要等打印结束之后再进行后续处理上色。其打印的效果图如图4.4所示。图4.4 装上ABS材料后的打印机4.3 打印的零件当打印材料确定为ABS高分子材料，打印机也确定之后，就可以打印零件了。在打印之前已经做好了硬件的准备工作，那么就需要绘制零件的三维图形，此次打印的零件为锥齿轮传动系统的下箱体和高速轴的轴承，这两种零件的形状差别较大，在打印锥齿轮传动系统的下箱座时，考虑可以直接把和轴承座配合地凹槽填补，和整体一起打印，这样的话不仅降低了打印的难度，也大大缩短了打印的时间，当最后打印结束之后，可以通过后续处理，把凹槽进行简单的加工，打磨。在打印轴承时，考虑到轴承的精度较高，整体打印的话，难度也较大，因此可以把轴承进行分割，先打印深沟球轴承里面的球状滚动体，然后打印深沟球轴承的内外圈和保持架，当零部件都打印完成之后，再把球状滚动体装配到内外圈之间，这样就大大降低了打印的难度，也缩短了打印的时间。通过Solidworks三维制图软件绘制锥齿轮传动系统的下箱体和高速轴的轴承，并进行一定比例的缩放，图形绘制结束之后，要把它保存为打印机可以识别的文件格式，一般来说保存为常用的STL格式。4.4 计算机辅助设计4.4.1 零件的三维建模打印材料和打印机准备好了，打印位置也确定了，就需要用计算机三维软件画出想要打印物体的三维图，即要把锥齿轮传动系统的下箱体和轴承用计算机语言表示出来，用来给打印机来识别，即三维建模，画出锥齿轮传动系统的三维图形，目前主流的三维建模软件有pro-e、Solidworks、犀牛、3dmax等。他们的基本原理是相通的，即画出二维图形然后再进行相应的拉伸。我们此次计算机三维建模使用的工具是Solidworks，这种三维建模软件非常适合新手，很容易学会，另外系统库里面提供了非常丰富的组件，可以供用户使用，在绘制三维图的过程中，可以借助这些组件，从而能快速绘制出想要的图形，降低了绘图的难度。我们这次绘制的三维模型是锥齿轮传动系统的下箱体和轴承，轴承内的滚动体就属于标准件，用Solidworks三维制图软件可以调出组件，方便绘制。另外，在绘制的过程中，可以随时修改设计缺陷，相较于pro-e，利于错误的修改，用Solidworks绘制的三维图形如图4.5所示。图4.5下箱体和轴承三维模型4.4.2 文件格式转换软件里面的切片数据的设置是在三维图形导入后进行的参数调整，目的是为了与实际打印情况适应，确保打印的质量。所涉及的参数有很多，要注意的通常有，打印材料的选择是在工具栏一栏中将下拉菜单展开后进行的，这时会有很多类型材质弹出来，在根据所需点击确认。有一点在设置时需要了解的，不同耗材与参数之间是一种变量与因变量之间的变化关系，所以这点是值得关注的。在底垫参数设置的界面中，有多个选项，一般有三个显亮功能可选，分别为无底垫、底垫、防翘边底垫三个选项，根据所需进行勾选。选择的支承结构的依据一般为是否更易拆取。所以把所有的支承结构一比对后，线性的优势凸显出来，故选择线性支承结构。根据常识一般认为，选择质量的要求高的话，打印的好，没错，但是在时间上可能会久一点，也就是电要多用一点。所以选择是要多角度的考虑，选择性价比高的。打印出来质量也是可以满足需要的。系统里默认的常规打印速度为是不高，不过打印时要根据实际打印物体的形状难度进行确定，虽然这次锥齿轮传动系统的下箱体的体积比轴承大很多，用料也多，但是其结构远远比轴承简单，因此下箱体的打印速度进行设定时就可以比轴承的快，而轴承的速度要降低，以此来保证打印出的实物能够满足质量需要。在打印文件格式转换之前将所有的参数设定好了之后，要进行一个必要的过程，就是模型分层切片的动作。因为由3D打印的特点决定的，一层一层的来。在存贮方面，不管什么软件，都有另存为STL格式的功能。所以在做完后，将其存为这种格式的话，3D打印机都可以识别。如图4.6所示。图4.6 3d打印的常用格式STL4.5 打印填充方式的选择在进行切片处理处理之前，要先进行切片引擎的选择。一个好的切片引擎首先应该使打印出的实体和计算机中绘制出的三维模型之间误差要小，要尽可能地接近于三维模型图。切片软件在处理三维图形中的细节部分时的优劣直接由切片引擎的好坏所决定，因此，切片引擎对于打印质量的高低至关重要。打印出的实物也结实，硬度高。当前主流的切片引擎主要有skeinforge和slic3r这两种。决定一个切片引擎优劣直接由打印实物是否能节省打印材料、打印时间的长短和打印实物的机械强度决定。根据打印锥齿轮传动系统零件的实际需求，其要求的打印精度并不是很高，只是用来作为展示需要。因此可以选择sli3r这种切片引擎，这种切片引擎是用计算机高级程序语言c+开发的，它比skeinfoege这种切片引擎更加复杂，能提供的打印形式丰富，打印的边数可以设置。因此，非常适合于本次锥齿轮传动系统的下箱体和轴承的打印，sli3r切片引擎的填充方式比较多样。根据本次打印的物体形状差异较大，选择的填充方式也不同，下箱体的打印采用同心填充这种填充方式，这种填充方式的优势是能加快打印的速度，同时还能保证打印的精度要求。而轴承的填充方式，我们选择的是同心填充，选择这种填充方式的原因是轴承的特殊结构所决定的，因为轴承的滚动体和上下支撑体是分开的，处于悬挂状态，在打印的过程中为了方便打印，方便填充，我们采用这种填充方式。常见的几种填充方式如图4.7所示。同心填充 蜂窝填充 线填充 图4.7 常见的几种填充方式4.6 切片处理 切片处理在整个打印过程中发挥着至关重要的作用，它能把一个庞大复杂的三维模型转化为一串串指令代码，这些指令代码就是G代码，当三维模型建好转化为STL格式之后，就需要对该文件进行切片操作，切片操作意识就是文件转化为打印机所能识别的指令，这些指令通常为G代码指令，通过这些指令来控制打印喷头的动作，当执行产生G指令命令时，软件就开始对已经建好的三维模型进行切片，通过使用基座支持命令来选择在打印的过程中是否在底部打印基座，这个基座在打印结束之后，可以从成品上剥离。另外一些打印材料通常可能和打印平台的黏结性不是很好，而通过打印基座能够使打印成品能够很好的固定在打印平台上。当选择电气自动方式后，选项中会弹出修改填充形状、层厚和打印速度等选项。当点击生成G代码命令后，G代码就能直接从计算机传输到打印机。在打印的过程中切片数据的传输可以人为的控制，可以停止打印或者打印其他物体。4.6.1 下箱体的切片处理接下来就是把STL模式的文件导入到驱动软件中，进行切片处理，把下箱体三维模型转换为一串串的切片指令。从下图中我们可以看出，总共的打印时间为11小时16分钟，打印耗材为62.01克，控制面板上有一些控制按钮，用来控制温度以及打印过程中的一些状态控制参数。如图4.8所示。图4.8 PLA打印页面控制参数下箱体在切片处理过程中，选择的填充方式为线填充，这种填充方式能缩短打印的时间，加快打印速度，打印出的物体密度合适，非常适合于打印物体的结构简单并不复杂情况。锥齿轮传动系统的下箱体的结构简单，因此采用这种填充方式。线填充算法的原理是先在打印平台上勾勒出打印物体的投影轮廓，当打印喷头运动到轮廓面内时，即表示在内部，打印喷头就喷出打印材料，当打印喷头运动到轮廓线外面时，即表示在外部，打印喷头就不喷打印材料，通过这种线填充方式能够让打印喷头迅速动作，从而加快打印速度，同时这种填充方式能够加快切片的速度，其填充方式模型如图4.8所示。图4.9 下箱座填充方式算法从上图中我们可以看出，画两条平行线穿过图形，当平行线与图形边界的交点为个数为偶数个时，即为外部点，当平行线与图形边界的交点个数为奇数个时，则为内部的点。另外，当平行线与图形边界的交点个数为奇数个时为当扫描线与奇数边相交时存在着特殊情况，如下图这种特殊情况，我们就需要把两侧的点的数量减去一个，算作偶数个。如下图4.10所示。 图4.10 特殊情况下的填充算法另外，在下箱体填充的过程中，不能使扫描发出的线和物体打印边界的线有重合，对于不同层的物体，在填充的时候需要调整方向，比如下箱体的加强筋有很多条，每个加强筋的处于的层次都不一样，因此，在打印这些加强筋的时候，就需要调整打印的方向，填充的方向需要改变，这样才能保证打印的质量是符合要求的，打印出来的成品稳定性效果更好。在填充的时候，前面的加强筋可以都在X轴方向上进行填充，而后面的加强筋则可以考虑都在Y轴的方向上进行填充，这样就避免了相邻层的部件填充方向相同的问题，下箱座采用这种算法来打印切片是最省时省力的，它是目前应用最为普遍的一种线填充算法。这种算法也存在着缺陷，因为下箱座的加强筋和吊耳较多，如果要不停地改变填充的方向，这样会导致打印喷头不停地改变打印的方向，从而使打印时间变长，对于打印机来说，频繁动作，调整打印方向，不利于打印设备的长期工作，影响打印机内部零部件的使用寿命，对于打印的加强筋与加强筋之间的打印效果也不能满足打印进度要求，增加了后期打磨处理的难度，因此，解决这种问题。线填充算法，采用的是把下箱体进行切片处理，分成若干个二维的平面，这些平面即是要打印的平面，并对这些平面进行分析，找到相似的二维平面，把它们做成一个集合，这些二维平面打印填充的方向是相同的，在打印的过程中，算法识别相同方法上的层，把它们捆绑一起打印，这样就解决了上面的问题。4.6.2 轴承的切片处理轴承因为其特殊的结构，存在着滚动体、内外圈和保持架，这种结构下，我们采用的切片处理方式为同心填充，同心填充的优势是这种填充算法打印出的实物和三维建模的原型保持基本一致，相似度高，在填充的过程中能很好的保持模型的原样，而不会因为打印难度的增加而自动调整填充方式，另外在打印滚动体这样的圆形物体时，如果采用线性填充，则会大大提高打印的难度，打印的机的动作将非常频繁，打印效果也不好，同心填充这种方式，在处理边界较多的时候具有明显的优势，避免在滚珠的边界产生打印震动，它是顺着滚珠的模型，通过一环一环向内填充的方式来打印实物，减少了打印机的动作频率。在打印内外圈时，也是由外而内的填充，打印机的喷头不断向内进给，直到填满整个区域，轴承采用这种切片处理方式有着明显的优势。红色的区域为打印填充的边界，蓝色和绿色部分则为要填充的区域。轴承的切片处理方式如图4.11所示。图4.11 轴承的同心填充4.7 下箱体和轴承的后期处理当打印完成之后一般要进行后续的处理，要进行打磨处理，在打印之前我们为了使打印流程简化，方便打印，缩短打印时间，锥齿轮传动系统的下箱体与轴承座配合地凹槽我们在三维图中并没有贯穿，因此当打印完成之后，就需要对凹槽进行打通，之后还要用砂纸进行打磨，因为我们使用的熔融挤压成型工艺，是通过一层层堆叠打印材料的方式打印的成品，虽然每层的厚度极其薄，但是层与层之间还是会不平，因此在层与层之间要消除这种毛糙，就需要用砂纸进行打磨，在打磨的过程中，如果粗糙度较大，则可以先用较粗糙的砂纸打磨，打磨完之后，再用较砂砾比较小的砂纸打磨，打磨的过程中，要轻微的进行摩擦，因为使用的是ABS材料，这种材料的熔点比较低，摩擦时间过长的话，会使材料熔化，从而影响装配精度，另外，下箱座需要和上箱座配合，在两者的接触处需要小心打磨，可以一边打磨，一边装配，以免产生误差过大而影响装配的精度。这就跟传统的机械加工中的粗磨和精磨类似。有的打印机打印出的产品可能因为打印工艺本身的打印精度就较高，或者打印设备前期调试很完美，打印出的成品的表面光滑度较好，就不需要打磨，但是我们此次的打印受条件很成本限制，就需要通过砂纸进行打磨。如图4.12所示 图4.12 下箱座打磨另外除了打磨外，还可以给成品进行上色，让打印出的成品更好看，也能分辨每个部分，且在上色的过程过程中，对上色的条件要求比较严格，要使上色的环境是无尘的，且易于上色颜料的附着