四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台-摇摆台及支架设计【6张CAD图纸+答辩毕业论文】
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四杆机构
船用
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摇摆台
支架设计
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答辩毕业论文
船用滑动轴承摇摆试验台
摇摆台支架
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四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台-摇摆台及支架设计
25页 6500字数+论文说明书+任务书+三维文件损坏+外文翻译+6张CAD图纸【详情如下】
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四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台-摇摆台及支架设计说明书.docx
四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台装配图.dwg
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摇摆篮.dwg
摇篮盖.dwg
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目录
摘要 1
第一章绪论 3
1.1课题的来源及研究的意义和目的 3
1.1.1课题来源 3
1.1.2研究的意义和目的 3
1.2 国内外摇摆台及支架的研究现状 3
1.2.1 国外摇摆台设计的现状 3
1.2.2 国内摇摆台的研究现状 4
1.3 本论文研究的主要内容 5
第二章传动机构的计算 7
2.1 计算的已知条件 7
2.2 电机的选择 7
2.2.1 电机类型和结构形式的选择 7
2.2.2 确定摇摆台所需要的转速 7
2.2.3 确定电机所需要的电功率 7
2.3 传动系统的运动和动力参数 8
2.4 轴承的设计计算及校核 8
2.4.1滑动轴承的选择依据 8
2.4.2 滑动轴承的设计计算 9
2.4.3 滑动轴承润滑剂的选用 9
2.4.4 滑动轴承的校核 9
第三章 摇摆台及支架底座设计初步方案 11
3.1 钢材型号的选择 11
3.2 摇摆台的初步设计方案 11
3.3 支架底座的初步设计方案 12
第四章 四杆机构的计算 15
4.1曲柄摇杆机构 15
4.2计算： 16
第五章 支架和摇摆台的有限元分析及优化 19
5.1底座的有限元分析与优化 19
5.2摇摆篮的有限元分析与分析 19
第六章 总结和展望 21
参考文献 23
致谢 25
摘要
船舶在航行过程中会受到风浪的影响，从而导致船舶出现横向摇摆和纵向摇摆，横向摇摆幅度可以达到±30°，这样船舶上的零件工况就会发生很大的变化，情况严重的话会导致船舶上的零件失效，造成安全事故，因此有必要设计一个能模拟船舶在航行过程中摇摆的实验装置，从而可以根据该装置分析船舶上零件的工作情况，检查零件是否合格。
本设计首先介绍了课题来源，研究的目的和意义，国内外摇摆台和支架底座研究情况，对该摇摆台的传动机构进行了初步的计算，选择了电机的型号，设计了整个机构的传动比，着重对摇摆台滑动轴承进行了设计计算，并对其进行了必要的校核。本设计第三章对摇摆台和支架结构进行了初步的设计，第四章进行四杆机构的设计及计算，第五章对设计的机构进行了必要的有限元静态分析，分析其受力情况及有限元分析结果对设计的而机构进行优化设计。
第一章绪论
1.1课题的来源及研究的意义和目的
1.1.1课题来源
本课题来源于企业委托单位课题，四杆机构摇篮式滑动轴承摇摆试验台。
1.1.2研究的意义和目的
随着世界的快速发展，各国之间的交流日益频繁，其中尤其是经济交流已经成为各国交往的一个重要组成部分，国与国之间的贸易往来已成为常态，尤其是我国，据统计，2014年，中国贸易进出口总额为43030.4亿美元，增长3.4％，出口23427.5亿美元，增长6.1％，而贸易货物的运输则主要依靠船舶来实现，而船舶运行过程中的安全性则起到了至关重要的作用。
由于船舶在航行过程中会受到风浪的作用而摇摆运动，船舶纵向摇摆最大可达到30°，横向摇摆会打到45°，即它的运动会受到外界因素的干扰，剧烈的摇摆会使船上的货物移动，情况严重的话还会导致船舶的倾覆，还会降低船舶的动稳性能储备增加在风浪中的危险，这些对船舶的安全及使用性能都会有很大的不利影响，此外，船舶的摇摆还会使船上的一些重要零件工况发生很大的变化，甚至无法正常工作。本题目针对船舶用滑动轴承在横向摇摆是可能造成润滑油的泄露，从而导致油膜破裂，失去正常的工作能力。基于上述原因，设计一个能模拟船舶在风浪中的摇摆情况的实验装置，对滑动轴承的润滑及密封装置的设计具有很大的参考价值。
1.2 国内外摇摆台及支架的研究现状
在当今的市场中，不论是在国内还是在国外，不同类型的摇摆台已经在工作和生活中都有了广泛的应用，人们可以根据自己的需求设计出不同运动类型的摇摆台，比如由于训练飞行员的需要，设计出了飞机模拟器；由于地震研究的需要，设计出了地震模拟器；或者由于娱乐的需要，设计出了不同类型的机器人等等。
1.2.1 国外摇摆台设计的现状
最早研究摇摆台的是在美国，1945年，美国麻省理工学院仪表实验室成功设计出了第一台摇摆台，当时称其为A型转台，由于这方面的研究还处于萌芽阶段，这个摇摆台有很多明显的缺陷，而且其不能满足实际研究的需要，但是它的诞生却开启了摇摆台研究的新时代。基于A型摇摆台，该校又成功先后研制了B，C,D,E型摇摆台。遗憾的是，这几种类型的摇摆台并没有应用最新的伺服驱动技术，它们采用的都是电机来对其进行运动模拟。时间进入20世纪60-70年代，国外的研究液压控制已经日趋完善，还有对摇摆台的模拟提出了更大的需求：需承受的负载足够大，有较高的稳定性，良好的动态性能等。
1965年，德国的斯图尔特参考高夫的汽车轮胎模拟装置发明了六自由度并联机构，由于其自由度较大，其被用为飞行员模拟训练，这个平台被后人称为“斯图尔特”平台。1978年，澳大利亚HuntK.H.教授提议将斯图尔特平台用于机器人手臂的结构，并最终实现。
由于种种原因，国外的很多学者在80年代并没有对这方面进行更加深入的研究，直至80年代末期，90年代初期，该机构才被人进行广泛研究，美国有Roney，Ficher，还有俄罗斯，德国等一些发达国家也在研究。
至今为止，国外专家和学者设计出了各种各样的摇摆台，平面的，立体的，并联的，串联的等等。
1.2.2 国内摇摆台的研究现状
和国外的研究相比较，国内的研究开始的比较迟，尤其是液压技术和转台技术。我国在20世纪50年代中期成功研制出了液压传动系统，实现了液压领域的重大突破，并为以后的研制打下了坚实的基础。随后，我国在80年代初期研制出了FMT-74A液压飞行器模拟台。20世纪80年代末期，并联机构的理论的应用和研究在我国有了长足的发展，燕山大学在这方面的研究成绩斐然，1990年和1994年分别研制出并联机器人样机和机器人误差补偿器，随后，该大学又对并联数控机床进行了深入的研究。关于这方面的研究，我国的很多其它大学做的也很好，1995年，哈尔滨工业大学成功研制出6自由度机器人，所不同的是，该机构是由压电陶瓷驱动的。
近20年来，摇摆台技术在我国得到了飞速发展，我国有很多所大学的教授从事这方面的研究，比如天津机械工程研究所研究了大型重载高精度的摇摆试验台，是集电，液，仪表，计算机于一体的大型高精度模拟试验系统，可实现横向，纵向摇摆，其由液压系统，机械台体，电控系统，测量系统和安全保护系统等组成。
1.3 本论文研究的主要内容
为了模拟船舶航行过程中零件的摇摆情况，我们设计一个恰当的摇摆台实验装置，根据所需要的摇摆台开发功能和性能指标，本篇论文将进行以下几方面的设计和论述：
1．本篇论文首先从世界和我国今年来的经济发展情况引出了船运航行过程对一个国家的重要程度，然后分析了船运过程中可能出现的状况，因此提出了设计船用滑动轴承摇摆台，然后接受了国内外这方面的发展情况。
2．本篇论文第二章将根据指导老师提供的数据进行必要的计算，从而选择适当的电机，设计传动比，选择滑动轴承等。
3．本篇论文第三章将着重介绍设计的支架及摇摆台的结构，以及选择的依据。
4．本篇论文第四章将进行四杆机构的计算
5．本篇论文第5章将依据以上做的有限元分析，对设计的支架和摇摆台进行优化，从而满足既节省材料，又可以满足实际需要。
第六章 总结和展望
回顾一个学期的毕业设计，从最初选择四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台——摇摆台及支架设计这个题目开始，我就表现出极大的兴趣，在最初的一个月中，我查阅了大量的文献资料，了解了很过结构设计的知识，对我所选择的题目进行了初步的了解。同时，我也认真学习了Solidworks的操作技巧。随后，在姜老师的指导下，我开始进行了摇摆试验台的初步设计计算，对传动机构的电机和减速器进行了选型，从三月底到四月初，我利用solidworks对摇篮和支架进行了设计，并在四月中下旬进行了组装，并对设计的摇篮和支架进行了必要的有限元分析，从而对其进行优化设计。
时间进入5月，我根据组装的结果绘制出了装备图和关键零件的零件图，并在5月中旬利用一个星期的时间完成了设计说明书的编写。在这整个过程中，我受益匪浅，我学到了大量的机械设计知识，对传动机构的知识有了更进一步的了解，对solidworks的使用更加熟练，并能更具有限元的分析结果对自己设计的内容进行优化。
随着社会的发展，未来人类的工作和生活对摇摆台会更加需求，基于不同需要的各种类型摇摆台也会应运而生，从最初的单自由度，到后来的三自由度，再到六自由度，摇摆台的发展会更加多功能化和实用化，摇摆台也必要会丰富人类的生活，同时，摇摆台也可以用于大型机械的工作需求，因此我认为本次的毕业设计很具有价值，我对本次的设计内容和自己的表现很满意。
参考文献
[1]梁迎春，陈时锦，黄开榜，惯性系统三轴综合测试转台总体设计若干问题探讨[J]，2006。
[2]王梁英，某舰载雷达大型摇摆台的结构设计[J] 电子机械工程，1999,4
[3]赵江波，王军政等四自由度摇摆台研制[J] 液压与气压传动，2003,10
[4]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.
[5]闻邦椿，机械设计手册[M].第五版，北京：机械工业出版社，2010
[6]孙桓，陈作模.机械原理[M].6版.北京：高等教育出版社，2006
[7]孙靖民.机械优化设计[M].4版.北京：机械工业出版社，2009.
[8]郁明山.现代机械传动手册[M].北京：机械工业出版社，1996.
致谢
在将近四个月的毕业设计过程中，姜老师给了我们很大的帮助，他要求每周二我们小组成员开会，汇报一周的设计成果，姜老师对每位同学都进行不厌其烦的辅导，给了我们很大的动力，并对我们设计过程中的知识点进行耐心的讲解，在他的帮助下，我设计的内容不断的进行了改进，并最终达到了理想的效果，没有姜老师的指导和帮助，我很难完成这项毕业设计，因此，在这里由衷的感谢姜老师。
同时，我也非常感谢同组成员给予我的帮助和支持，我们相互分享自己的心得，每次遇到困难的时候大家都一起帮组讨论解决，我刚开始对solidworks不是太熟悉，同组同学就耐心的教我，让我少走了很多弯路，因此，非常感谢你们的无私帮助，没有你们，我很难在规定的时间完成毕业设计。
- 内容简介：
-
湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台-摇摆台及支架设计专 业：机械设计制造及其自动化学 号： 2011964111 姓 名： 黄 博 指导教师： 姜胜强 完成日期： 2015年 06 月 湘潭大学兴湘学院毕业设计任务书毕业设计题目：四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台-摇摆台及支架设计 学号：2011964111 姓名： 黄 博 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师： 姜胜强 系主任： 刘柏希 一、主要内容及基本要求 （1） 采用Solidworks 2014进行建模；（2） 运用Solidworks 2014里包含的COSMOS 2012应用模块进行有限元分析。（3） 设计出优化方案。运用Solidworks 。（4） 2014把三维模型转换成工程图。二、重点研究的问题（1） 四杆机构的计算；（2） 电机及减速器的选择；（3） 对支架上的支撑滑动轴承进行设计、选型；（4） 对摇摆台、支架进行有限元分析，优化其结构。3、 进度安排 序号各阶段完成的内容 完成时间1查阅资料、前期准备3.9-3.152开题报告、任务书、熟悉软件3.16-3.253设计计算、有限元分析及机构优化3.26-4.104画三维图，编写说明书4.11-5.105完成毕业设计、答辩5.11-6.1四、应收集的资料及主要参考文献1梁迎春，陈时锦，黄开榜，惯性系统综合测试转台总体设计若干问题探讨J 2007，7。2王梁英，某舰载雷达大型摇摆台的结构设计J 电子机械工程，1999,4。3赵江波，王军政等四自由度摇摆台研制J 液压与气压传动，2003,10。4濮良贵，纪名刚.机械设计M.8版.北京：高等教育出版社，2006。5闻邦椿，机械设计手册M.第五版，北京：机械工业出版社，2010。6孙桓，陈作模.机械原理M.6版.北京：高等教育出版社，2006。7孙靖民.机械优化设计M.4版.北京：机械工业出版社，2009。8郁明山.现代机械传动手册M.北京：机械工业出版社，1996。目录摘要1第一章绪论3 1.1课题的来源及研究的意义和目的3 1.1.1课题来源3 1.1.2研究的意义和目的3 1.2 国内外摇摆台及支架的研究现状3 1.2.1 国外摇摆台设计的现状3 1.2.2 国内摇摆台的研究现状4 1.3 本论文研究的主要内容5第2章 传动机构的计算7 2.1 计算的已知条件7 2.2 电机的选择7 2.2.1 电机类型和结构形式的选择7 2.2.2 确定摇摆台所需要的转速7 2.2.3 确定电机所需要的电功率7 2.3 传动系统的运动和动力参数8 2.4 轴承的设计计算及校核8 2.4.1滑动轴承的选择依据8 2.4.2 滑动轴承的设计计算9 2.4.3 滑动轴承润滑剂的选用9 2.4.4 滑动轴承的校核9第三章 摇摆台及支架底座设计初步方案11 3.1 钢材型号的选择11 3.2 摇摆台的初步设计方案11 3.3 支架底座的初步设计方案12第四章 四杆机构的计算15 4.1曲柄摇杆机构15 4.2计算：16第五章 支架和摇摆台的有限元分析及优化19 5.1底座的有限元分析与优化19 5.2摇摆篮的有限元分析与分析19第六章 总结和展望21参考文献23致谢25文献翻译27摘要 船舶在航行过程中会受到风浪的影响，从而导致船舶出现横向摇摆和纵向摇摆，横向摇摆幅度可以达到30，这样船舶上的零件工况就会发生很大的变化，情况严重的话会导致船舶上的零件失效，造成安全事故，因此有必要设计一个能模拟船舶在航行过程中摇摆的实验装置，从而可以根据该装置分析船舶上零件的工作情况，检查零件是否合格。 本设计首先介绍了课题来源，研究的目的和意义，国内外摇摆台和支架底座研究情况，对该摇摆台的传动机构进行了初步的计算，选择了电机的型号，设计了整个机构的传动比，着重对摇摆台滑动轴承进行了设计计算，并对其进行了必要的校核。本设计第三章对摇摆台和支架结构进行了初步的设计，第四章进行四杆机构的设计及计算，第五章对设计的机构进行了必要的有限元静态分析，分析其受力情况及有限元分析结果对设计的而机构进行优化设计。第一章绪论1.1课题的来源及研究的意义和目的1.1.1课题来源 本课题来源于企业委托单位课题，四杆机构摇篮式滑动轴承摇摆试验台。1.1.2研究的意义和目的 随着世界的快速发展，各国之间的交流日益频繁，其中尤其是经济交流已经成为各国交往的一个重要组成部分，国与国之间的贸易往来已成为常态，尤其是我国，据统计，2014年，中国贸易进出口总额为43030.4亿美元，增长3.4，出口23427.5亿美元，增长6.1，而贸易货物的运输则主要依靠船舶来实现，而船舶运行过程中的安全性则起到了至关重要的作用。 由于船舶在航行过程中会受到风浪的作用而摇摆运动，船舶纵向摇摆最大可达到30，横向摇摆会打到45，即它的运动会受到外界因素的干扰，剧烈的摇摆会使船上的货物移动，情况严重的话还会导致船舶的倾覆，还会降低船舶的动稳性能储备增加在风浪中的危险，这些对船舶的安全及使用性能都会有很大的不利影响，此外，船舶的摇摆还会使船上的一些重要零件工况发生很大的变化，甚至无法正常工作。本题目针对船舶用滑动轴承在横向摇摆是可能造成润滑油的泄露，从而导致油膜破裂，失去正常的工作能力。基于上述原因，设计一个能模拟船舶在风浪中的摇摆情况的实验装置，对滑动轴承的润滑及密封装置的设计具有很大的参考价值。1.2 国内外摇摆台及支架的研究现状 在当今的市场中，不论是在国内还是在国外，不同类型的摇摆台已经在工作和生活中都有了广泛的应用，人们可以根据自己的需求设计出不同运动类型的摇摆台，比如由于训练飞行员的需要，设计出了飞机模拟器；由于地震研究的需要，设计出了地震模拟器；或者由于娱乐的需要，设计出了不同类型的机器人等等。1.2.1 国外摇摆台设计的现状 最早研究摇摆台的是在美国，1945年，美国麻省理工学院仪表实验室成功设计出了第一台摇摆台，当时称其为A型转台，由于这方面的研究还处于萌芽阶段，这个摇摆台有很多明显的缺陷，而且其不能满足实际研究的需要，但是它的诞生却开启了摇摆台研究的新时代。基于A型摇摆台，该校又成功先后研制了B，C,D,E型摇摆台。遗憾的是，这几种类型的摇摆台并没有应用最新的伺服驱动技术，它们采用的都是电机来对其进行运动模拟。时间进入20世纪60-70年代，国外的研究液压控制已经日趋完善，还有对摇摆台的模拟提出了更大的需求：需承受的负载足够大，有较高的稳定性，良好的动态性能等。 1965年，德国的斯图尔特参考高夫的汽车轮胎模拟装置发明了六自由度并联机构，由于其自由度较大，其被用为飞行员模拟训练，这个平台被后人称为“斯图尔特”平台。1978年，澳大利亚HuntK.H.教授提议将斯图尔特平台用于机器人手臂的结构，并最终实现。 由于种种原因，国外的很多学者在80年代并没有对这方面进行更加深入的研究，直至80年代末期，90年代初期，该机构才被人进行广泛研究，美国有Roney，Ficher，还有俄罗斯，德国等一些发达国家也在研究。 至今为止，国外专家和学者设计出了各种各样的摇摆台，平面的，立体的，并联的，串联的等等。1.2.2 国内摇摆台的研究现状 和国外的研究相比较，国内的研究开始的比较迟，尤其是液压技术和转台技术。我国在20世纪50年代中期成功研制出了液压传动系统，实现了液压领域的重大突破，并为以后的研制打下了坚实的基础。随后，我国在80年代初期研制出了FMT-74A液压飞行器模拟台。20世纪80年代末期，并联机构的理论的应用和研究在我国有了长足的发展，燕山大学在这方面的研究成绩斐然，1990年和1994年分别研制出并联机器人样机和机器人误差补偿器，随后，该大学又对并联数控机床进行了深入的研究。关于这方面的研究，我国的很多其它大学做的也很好，1995年，哈尔滨工业大学成功研制出6自由度机器人，所不同的是，该机构是由压电陶瓷驱动的。 近20年来，摇摆台技术在我国得到了飞速发展，我国有很多所大学的教授从事这方面的研究，比如天津机械工程研究所研究了大型重载高精度的摇摆试验台，是集电，液，仪表，计算机于一体的大型高精度模拟试验系统，可实现横向，纵向摇摆，其由液压系统，机械台体，电控系统，测量系统和安全保护系统等组成。1.3 本论文研究的主要内容 为了模拟船舶航行过程中零件的摇摆情况，我们设计一个恰当的摇摆台实验装置，根据所需要的摇摆台开发功能和性能指标，本篇论文将进行以下几方面的设计和论述：1 本篇论文首先从世界和我国今年来的经济发展情况引出了船运航行过程对一个国家的重要程度，然后分析了船运过程中可能出现的状况，因此提出了设计船用滑动轴承摇摆台，然后接受了国内外这方面的发展情况。2 本篇论文第二章将根据指导老师提供的数据进行必要的计算，从而选择适当的电机，设计传动比，选择滑动轴承等。3 本篇论文第三章将着重介绍设计的支架及摇摆台的结构，以及选择的依据。4 本篇论文第四章将进行四杆机构的计算5 本篇论文第5章将依据以上做的有限元分析，对设计的支架和摇摆台进行优化，从而满足既节省材料，又可以满足实际需要。第二章 传动机构的计算2.1 计算的已知条件 1.电机经减速器后可带动摇摆台摇摆，采用变频电机驱动。 2.试验台摇摆的角度为30，摇摆周期为5s。 3.某型号滑动轴承质量为2t，安装尺寸重心已知。 2.2 电机的选择 2.2.1 电机类型和结构形式的选择 按照工作条件和要求，选择一般用途的Y系列三相异步卧式电动机，封闭结构。 2.2.2 确定摇摆台所需要的转速 已知摇摆台的摇摆角度为30，摇摆周期为5s 2.2.3 确定电机所需要的电功率 已知摇摆台和滑动轴承重量4t，重心偏移R=150mm=1.5m G=4t=40000N 所需的最大力F=G=20000N 所需的最大力矩为T=FR=200001.5Nm 速度v=0.063m/s 试验台所需输入功率 Pw=kw = 1.260kw 所需电动机的输出功率 根据电机功率.力矩以及摇摆台摆动所需的条件，故选用NAD行星减速器NAD200， 所以式中： 为传递装置总效率：NAD行星轮传动效率取0.98：滚动轴承的效率取0.98：联轴器的效率0.99所以 故选电动机的额定功率为符合这一要求的同步转速有750r/min , 1000r/min , 1500r/min电机容量的选择比较： 方案型号额定功率/kw同步转速满载转速重量价格 1Y90S-22.2750710重高 2Y90L-231000960中中 3Y100L-2315001430轻低 考虑电动机和传动装置的尺寸、重量及成本，可见第二种方案较合理，因此选择型号为：Y90L的电动机。2.3 传动系统的运动和动力参数 1 计算总传动比 2 分配减速机传动比 故取，2.4 轴承的设计计算及校核 2.4.1滑动轴承的选择依据 由于滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。滑动轴承应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。由于该机构的转速较低，承载的重量较大，所以选择整体式滑动轴承。 2.4.2 滑动轴承的设计计算 设计时，通常根据轴承所受径向载荷F，轴颈转速n，以及轴颈的直径d，然后进行以下的验算。 由上可知，轴承所受径向载荷F=20000N，轴颈转速n=0.063，由同组同学设计得轴颈选择114mm，根据以上内容，选择滑动轴承内径为115mm，外径为120mm，宽径比选择0.87，故选择轴承宽度为100mm。由资料查得材料类别为黄铜，牌号为ZCuZn16Si4滑动轴承适用于低速，重载，所以选择该牌号。该牌号轴承性能如下：最大许用值 p=12Mpa v=2 pv=10Mpa最高工作温度 200轴颈硬度 200/HBS 2.4.3 滑动轴承润滑剂的选用因为液体动压轴承通常采用润滑油作润滑剂，原则上讲，当转速低，压力大时，应选用粘度较高的油，综合考虑，选择粘度等级为100的润滑油。 2.4.4 滑动轴承的校核 1.验算轴承的平均压力p P=1.7Mpa12Mapa式中:B-轴承宽度，mm p-轴瓦材料的许用压力，Mpa 2.验算轴承的pv（单位为Mpa）值 轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗fpv成正比，限制pv值就是限制轴承的温升。 Pv=0.042 Mpa10Mpa式中：v-轴颈的圆周速度，即滑动速度， pv-轴承材料的许用pv值，Mpa 3验算滑动速度v V=0.0632式中：v为许用滑动速度。第三章 摇摆台及支架底座设计初步方案3.1 钢材型号的选择 由于该摇摆台和支架尺寸比较大，根据经验，这种类型的钢型一般普通碳钢，为了设计简便，这里选择普通碳钢和H型钢。底座采用20mm厚的普通碳钢，为了增大强度和刚度，摇摆台边架用H型钢，摇摆台H型钢尺寸规格为=100mm60mm20mm。3.2 摇摆台的初步设计方案 由于被试轴承部件已知，即需要依据所给的轴承部件来设计摇摆台的结构，由所给的被试轴承支架，被试轴承支架顶板，被试轴承加强筋等结构先设计出承载被试轴承的底座钢板，设计尺寸如下 长宽厚=200mm120mm20mm 再进一步设计摇摆台的形状，依据实际尺寸，初步选择摇摆台长宽为22001440mm，然后由设计经验对该结构进行适当的加强，已达到最后的强度和刚度要求，由结构设计的基本知识可知，#型结构强度值较高。 为了满足摇摆台的功能要求，增加强度和刚度，在摇摆台的长边用H型钢，为了结构需求，该钢材型号选择长宽高=2200mm140mm60mm，同样，在两端安装支撑板，支撑板的尺寸大小如下： D1=520mm D2=510 厚度为20mm 综上所述，摇摆台初步设计方案截图如下：图3-1 摇篮3.3 支架底座的初步设计方案 由于支架底座需要承受被试轴承部件，摇摆台等零件的重量，因此更加需要注重支架底座强度要求，根据已知条件，被试轴承部件和摇摆台重量大约为4t，支架底座采用方形边框，依据摇摆台的尺寸，为了满足最后的配合要求，底座边长选择为2850mm，同样为了加强其强度和刚度，由于底座支架两边需要支撑起摇摆台，所以在支架的两边设计采用H型结构，把两块相同型号的钢并接起来，并用加强筋以加强其强度，再对其安装支撑板，支撑板的尺寸为D1=800mm，D2=250mm，厚度为40mm。这样初步的支架设计结构已经完成，由于这只是初步的方案，肯定还有很多不完善的地方，这就需要进一步对其进行有限元分析，检查其是否能满足使用要求，并根据有限元分析，对设计的结构进行优化，以使其满足经济和使用要求，支架的设计截图如下：图3-2 底座第四章四杆机构的计算 根据设计说明，本设计应用曲柄遥杆机构。4.1曲柄摇杆机构两个连架杆中，一为曲柄，一为摇杆。通常曲柄主动，摇杆从动，但也有摇杆主动的情况。应用例：牛头刨床进给机构、雷达调整机构、缝纫机脚踏机构、复摆式腭式破碎机、钢材输送机等。曲柄摇杆机构的急回特性如下： 图4-1 曲柄摇杆机构 从上图观察到：当曲柄匀速转动时，摇杆作变速摆动，而且往复摆动的平均速度是不同的。若将平均速度小的行程作为工作行程（正行程），将平均速度大的行程作为非工作行程（反行程），那么，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。急回特性很有用，牛头刨床、往复式运输机等机械就常常利用急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。 急回特性常用行程速比系数K（摇杆反、正行程平均速度之比）来度量。如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动（顺时针为正行程，逆时针为反行程）。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为极位夹角，用表示。根据行程速比系数的定义有： 存在急回特性的条件是不等于零。 因为是锐角，即小于等于90，故理论上K可以最大为3。但由于最小传动角的限制，实用中K小于等于1.4。对一些有急回特性要求的机械，常根据K值按式算出角，再确定各杆尺寸。原始信息： 摆角=60 摇杆长度AD=560mm 摇杆长度CD=268.7mm 曲柄长度AC= 130mm机构简图如下： 图4-2 机构简图14.2 计算：根据下图： 图4-3 机构简图2 计算得：BC=457mm第五章 支架和摇摆台的有限元分析及优化5.1底座的有限元分析与优化 根据设计要求，被试轴承部件为2t，底座手的力为摇摆蓝和被试轴承部件的总重量4t，那么底座所受的力为40000N的压应力，受力部位为底座支架。所以底座有限元分析如下图所示：图5-1如上图根据受力分析，支架的中心支撑梁所受力的载荷最大，左边支撑梁的区服力为4，符合要求。右边支撑梁为4，也在要求范围内,但是限度差距不大，可以把支撑梁改成30mm的支撑梁，增强受压力度。5.2摇摆篮的有限元分析与分析 根据设计要求，被试轴承部件为2t，摇摆篮受的力为被试轴承部件的总重量2t，那么底座所受的力为20000N的压应力，受力部位为摇摆篮除支架的整体部位。所以底座有限元分析如下图：图5-2如图所示，图形变形严重，大大超过要求范围，所以应当进行具体优化： a.两端支架应加高 b.支架最上面额的平板应从20mm加厚到40mm c.支架竖直钢板从20mm加厚到30mm d.在支架中心家一根30mm100mm的承重梁第六章 总结和展望 回顾一个学期的毕业设计，从最初选择四杆机构船用滑动轴承摇摆试验台摇摆台及支架设计这个题目开始，我就表现出极大的兴趣，在最初的一个月中，我查阅了大量的文献资料，了解了很过结构设计的知识，对我所选择的题目进行了初步的了解。同时，我也认真学习了Solidworks的操作技巧。随后，在姜老师的指导下，我开始进行了摇摆试验台的初步设计计算，对传动机构的电机和减速器进行了选型，从三月底到四月初，我利用solidworks对摇篮和支架进行了设计，并在四月中下旬进行了组装，并对设计的摇篮和支架进行了必要的有限元分析，从而对其进行优化设计。 时间进入5月，我根据组装的结果绘制出了装备图和关键零件的零件图，并在5月中旬利用一个星期的时间完成了设计说明书的编写。在这整个过程中，我受益匪浅，我学到了大量的机械设计知识，对传动机构的知识有了更进一步的了解，对solidworks的使用更加熟练，并能更具有限元的分析结果对自己设计的内容进行优化。 随着社会的发展，未来人类的工作和生活对摇摆台会更加需求，基于不同需要的各种类型摇摆台也会应运而生，从最初的单自由度，到后来的三自由度，再到六自由度，摇摆台的发展会更加多功能化和实用化，摇摆台也必要会丰富人类的生活，同时，摇摆台也可以用于大型机械的工作需求，因此我认为本次的毕业设计很具有价值，我对本次的设计内容和自己的表现很满意。 参考文献1梁迎春，陈时锦，黄开榜，惯性系统三轴综合测试转台总体设计若干问题探讨J，2006。2王梁英，某舰载雷达大型摇摆台的结构设计J 电子机械工程，1999,43赵江波，王军政等四自由度摇摆台研制J 液压与气压传动，2003,10 4濮良贵，纪名刚.机械设计M.8版.北京：高等教育出版社，2006.5闻邦椿，机械设计手册M.第五版，北京：机械工业出版社，2010 6孙桓，陈作模.机械原理M.6版.北京：高等教育出版社，2006 7孙靖民.机械优化设计M.4版.北京：机械工业出版社，2009. 8郁明山.现代机械传动手册M.北京：机械工业出版社，1996.致谢 在将近四个月的毕业设计过程中，姜老师给了我们很大的帮助，他要求每周二我们小组成员开会，汇报一周的设计成果，姜老师对每位同学都进行不厌其烦的辅导，给了我们很大的动力，并对我们设计过程中的知识点进行耐心的讲解，在他的帮助下，我设计的内容不断的进行了改进，并最终达到了理想的效果，没有姜老师的指导和帮助，我很难完成这项毕业设计，因此，在这里由衷的感谢姜老师。 同时，我也非常感谢同组成员给予我的帮助和支持，我们相互分享自己的心得，每次遇到困难的时候大家都一起帮组讨论解决，我刚开始对solidworks不是太熟悉，同组同学就耐心的教我，让我少走了很多弯路，因此，非常感谢你们的无私帮助，没有你们，我很难在规定的时间完成毕业设计。 纤维增强材料的3D打印摘要 三维（3D）打印是一个很有吸引力的快速成型技术，它是以制备三维结构反应性粘合剂液体局部沉积到薄粉之中为主的技术应用。实际的限制往往是打印样品的强度低，从而导致从粉末床上去除粉末的粉化过程中大而脆弱的结构崩溃。纤维加固可以提高印刷样品的力学性能,这项研究中它采用一系列不同的短纤维再加入变性纤维素石膏粉矩阵。机械测试打印样本显示弯曲强度相比无钢筋的印刷样品增加了180%以及10倍的工作裂缝值。介绍 三维打印（3DP）采用局部应用粘结剂构成粉末床 1 从而创建复杂形状的三维结构，3DP的巨大优势是复杂结构的精确控制和在室温下可以设置结构。结构通过使用有机粘结剂发生硬化,这部分溶解在液体中的粒子在接触印刷和装订时一起干燥2，硬化后可以通过使用活性粉末来显示液压设置反应3。它调用3D打印技术模仿最初的样品，但是强度相对较低，从而导致从粉末床去除粉末的粉化过程 4 在大型结构中的崩溃。本研究旨在通过在3d打印部分使用纤维加固，方法类似于矿物骨水泥(5 - 8)来提高生坯强度。3D打印面临的主要挑战是在打印机中获得光滑的粉层的要求为100200毫米厚度。这可能限制了粉末中的纤维长度和纤维体积比,在这项研究中我们调查添加1%短纤维与添加最大长度为1 - 2毫米的矩阵变性纤维素对石膏粉的不同影响，纤维长度受限于印刷工艺，纤维长度可能超过用于纤维增强陶瓷基复合材料的文献中依据的临界长度值9。机械性能通过使用四探针弯曲试验方法来确定在x和y轴方向的印刷，也就是像以往的研究一样，3D打印技术将测定样品的各向异性力学性能。材料与方法 3D打印的样本在ZPrinter 310(美国ZCorporation)上进行，它的层厚度为0.1毫米,活页夹卷饱和度为100%。打印的粉末是由混合商用牙科石膏（气相色谱fujirock EP，比利时)和5%(羟丙基)甲基纤维素(丙烯酰胺)，在犁头混合器(M5R Lodige,德国)中混合10分钟制成四种不同的商业纤维：聚丙烯腈纤维填料(PAN)、聚丙烯腈短切纤维(PAN-sc),聚丙烯腈纤维填料(PAN)、聚丙烯腈短切纤维(PAN-sc),聚酰胺纤维填料(PA)和耐碱性硅酸锆玻璃短切纤维(玻璃纤维)(德国)海因里希Kautzmann。为了加强效果对四种不同的商业纤维进行了有效的测试，所有纤维与粉末混合，其中纤维含量1%，再通过1毫米筛孔分离筛选10分钟。弯曲试验样品（5毫米，4毫米，45毫米）被打印在如图1所示的两个不同的方向和孵育20 h的水饱和空气中。打印在z方向不执行,因为样品(有或没有纤维添加)不足够稳定建筑室。一半的样本进一步过滤,通过聚氨酯树脂(阿克森技术,德国)附加钢筋力学性能进行测试。通过使用一个静态机械测试设备-茨威格/ Roell Z010(兹维克两合公司，乌尔姆，德国）进行四探针弯曲试验n10。细胞在2.5 kN载荷中测量，结果为0.1 N负荷1毫米/分钟的恒定的横头速度。使用设备克恩ABT 100-5 M原理（Kern公司GmbH，德国）进行密度测量基于阿基米德原理形成（N3）每摩尔Westphal平衡。孔隙特征为孔径测定的分布和总汞（Hg）汞孔隙度（Pascal 140 / 440，porotec GmbH，德国）。此外，断裂面进行扫描电镜（SEM）观察与在加速电压5 kV进行数字扫描微范围DSM 940（Zeiss，德国）。统计计算在分析应用软件SigmaPlot 12.5执行（SYSTAT软件，Inc.，2011）。结果 弯曲试验的样本印刷在两个不同的排列方向。(图1)探讨用于打印头运动影响样本内的纤维方向和影响粘合剂的应用程序。液体的结果：弯曲l强度显示不能增加价值(180%)的样品(图.2A)，仅仅是考评挠曲强度纤维打印在y轴方向进行参考。标准偏差没有区别与打印方向有关的人挠曲强度;记录在弯曲试验和样品的横截面面积(图2 b)显示了一个类似的挠曲强度行为。除了等量加强样本,独立的印刷方向也增加了一个数量级。聚氨酯在过滤的样品上增加挠曲强度(图2 c)以及10 - 20倍断裂(图2 d)。这种过程后,纤维增强样品相比无筋样本没有显示更高的价值。此外,纤维全部加强石膏样品具有最佳优化力学性能(图2 )。挠曲强度可能会进一步增加到超过400%的1.5%纤维含量,直到2.5%。更高的纤维内容是不可打印的。复合材料的密度和孔隙度可以有一个机械性能得外在影响,这并不影响纤维增强(表1)。相比之下,孔隙度的样品如果减少样本钢筋(表1),纤维材料无法影响孔隙度和孔隙分布(图3)。此外,断裂表面(图3)显示纤维正好退出，而矩阵正好在纤维表面残留。等量纤维似乎变形,而玻璃纤维不是完好无损的。讨论 检查机械性能的四点弯曲试验以显示更高的弯曲优势和断裂钢筋样本(图2),最高断裂值被发现,它的长度为2毫米,因此它有更高的表面。考虑到Castilho et al .1的结果。可以认为纤维增强样品机的械性能可能在打印方向影响,挠曲强度和断裂没有区别。由于面向应用程序的粘合剂初始强度的x样本低于面向y的。这种粘结剂效应补偿，主要是在x方向一致,这样x方向的强化,是增强y方向(开始走强)的样本打印。聚氨酯过滤导致机械性能极大地增加。这表明这个系统的聚合物在淬火后更在外面影响力学性能，进一步调查有关钢筋样品的密度和孔隙度(表1),PA的密度、PAN-sc和PA远低于石膏的混合物(约1.2克/厘米),降低总体密度可以达到预期效果。然而,纤维复合密度含量为1%，相比之下,孔隙度可以减少纤维加成从62%(无纤维)到至少56%。这些值按照打印样本中发现11 - 13降低孔隙率，也有助于测算纤维弯曲强度等力学性能。纤维矩阵界面(图3)显示矩阵残留在所有纤维表面，正好表明石膏矩阵之间的附着力好。聚合物纤维陶瓷矩阵10的纤维拔出和界面脱胶是主要的能量吸收机制6,高水平的断裂与被发现的SEM图像有关。优先纤维的拔出就是纤维嫁接的开始图1 示意图的3 d打印(A)。饲料室(F)和构建室(B)在x - y平面本地化。样品标签的x和y根据他们的建筑室来进行取向。打印头(P)会在整个建筑商的x方向移动,粘结剂喷洒在y方向(见箭头旁边P)。图B(y方向)和C(x方向)显示了样本内的纤维取向。图2挠曲强度(A)和断裂(B)纤维增强样本印刷在x和y方向。(C)抗弯强度和过滤(D)的聚氨酯断裂样本。纤维内容在x方向进行(E)优化。表格1用压汞法和莫尔韦氏天平分别测定表1的孔隙率和纤维增强石膏的密度。裂纹导致较高的变形，在更高的设备上再次复合 6 。此外，PAN和PA纤维都是变形的，这可以归因于磨纤维填料的制造过程。因此,无法观察到独立的纤维断裂纤维材料和长度。结论 我们能够引进3D粉末进行打印，提高打印的复杂样品的生坯强度。尽管纤维长度是一个数量级高于粉层的厚度,打印的样品质量可以保持纤维含量为2.5%。本研究主要集中在材料(纤维和基质)技术应用程序中使用证明3 d打印的主要强化机制。成果转移到生物医学上应用,如硬组织替代,这显然需要使用生物相容性图3石膏。SEM图像(5 kV和100次马尼进而确定)显示分别为PAN-sc(A)和PA(B)石膏样品，可生物降解的纤维，如聚乳酸-羟基乙酸共聚物作为证明之前的纤维增强现象 14 。39Fiber reinforcement during 3D printingSusanne Christ, Martin Schnabel, Elke Vorndran, Jrgen Groll, Uwe GburecknDepartment for Functional Materials in Medicine and Dentistry, University Hospital Wrzburg, Pleicherwall 2, 97070 Wrzburg, Germanya r t i c l e i n f oArticle history:Received 4 September 2014Accepted 11 October 2014Available online 23 October 2014Keywords:3D powder printingFibre reinforcementMechanical propertiesa b s t r a c tThree-dimensional (3D) printing is an attractive rapid prototyping technology for the fabrication of 3Dstructures by the localized deposition of a reactive binder liquid onto thin powder layers in predominantlytechnical applications. A practical limitation is often the low green strength of printed samples, which can leadto a collapse of large and fragile structures during removal from the powder bed and the followingdepowdering procedure. Fibre reinforcement may improve green mechanical properties of printed samples,which was investigated in this study using a range of different short fibres added to a matrix of cellulose-modified gypsum powder. Mechanical testing of printed samples revealed a bending strength increase of 180%and up to 10 times higher work of fracture values compared to non-reinforced printed samples.& 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.1. IntroductionThree-dimensional powder printing (3DP) is used to create 3Dstructures of complex shape by localized application of binder intoa powder bed 1. The great advantage of 3DP is an accuratecontrol of the complex structure and a setting at room tempera-ture. Hardening of the structures occurs by either using organicbinders, which partially dissolve in contact with printing liquidand bind particles together after drying 2 or hardening can beachieved by using reactive powders showing a hydraulic settingreaction 3. A practical limitation of 3D printing is the relativelylow initial green sample strength, which can lead to a collapse oflarge structures during removal from the powder bed and thefollowing depowdering procedure 4.This study aimed at increasing the green strength of 3D printedparts by using a fibre reinforcement approach similar to mineralbone cements 58. The major challenge for such an approach in3D printing is the requirement to obtain smooth powder layers(?100200 mm thickness) within the printer. This likely restrictsthe fibre length and the fibre volume ratio within the powder; inthis study we investigated the effect of adding 1% short fibres witha maximum length of 12 mm to a matrix of cellulose-modifiedgypsum powder. The fibre length was limited by the printingprocess, as the addition of longer fibres prohibited the preparationof thin and smooth powder layers during printing. Nevertheless,the fibre length was likely above the critical length accordingto literature for fibre-reinforced ceramic matrix composites 9.The mechanical properties were determined using a four-pointbending test regime in both x and y printing direction, as it isknown from previous studies that 3D printing will cause aniso-tropic mechanical performance of the samples 1.2. Materials and methods3D printing of samples was performed on a ZPrinter 310(ZCorporation, USA) with a layer thickness of 0.1 mm and a bindervolume saturation of 100%. The powder for printing was preparedby mixing commercially available dental gypsum (GC Fujirock EP,Belgium) with 5% (hydroxypropyl)methylcellulose (Fluka) in aploughshare mixer (M5R, Ldige, Germany) for 10 min. For rein-forcement four different commercially available fibres were tested:polyacrylonitrile fibre fillers (PAN), polyacrylonitrile short cut fibre(PAN-sc), polyamide fibre fillers (PA), and alkali resistant zirco-nium silicate glass short cut fibre (glass fibre) (Heinrich Kautz-mann, Germany). All fibres were separated by sieving through a1 mm mesh size sieve before mixing with the powder for 10 minat a fibre content of 1%. Samples for bending tests (5 mm ? 4 mm? 45 mm) were printed in two different orientations as shown inFig. 1 and incubated for 20 h in water saturated atmosphere.Printing with z orientation was not performed because samples(with or without fibre addition) were not stable enough to beremoved from the building chamber. Half of the samples werefurther infiltrated with a self-setting polyurethane resin (Axsontechnologies, Germany) for additional reinforcement. Mechanicalproperties were tested by four-point bending test with n10using a static mechanical testing device Zwick/Roell Z010 (ZwickGmbH&Co.KG, Ulm, Germany). The 2.5 kN load cell was employedContents lists available at ScienceDirectjournal homepage: /locate/matletMaterials Letters/10.1016/j.matlet.2014.10.0650167-577X/& 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.nCorresponding author. Tel.: 49 931 20173550.E-mail address: uwe.gbureckfmz.uni-wuerzburg.de (U. Gbureck).Materials Letters 139 (2015) 165168for measurements at a constant cross head speed of 1 mm/minand a pre-load of 0.1 N. To calculate the work of fracture (wof),mechanical testing was stopped when sample was fractured or at amaximum displacement of 3%. Density measurements were per-formed by MohrWestphal balance based on Archimedean prin-ciple using the device Kern ABT 100-5 M (Kern & Sohn GmbH,Germany) (n3). Porosity characteristics such as pore size dis-tribution and total porosity were measured by mercury (Hg)porosimetry (PASCAL 140/440, Porotec GmbH, Germany) withn1. Furthermore, fracture surfaces were examined using scan-ning electron microscopy (SEM) with a Digital Scanning Micro-scope DSM 940 (Zeiss, Germany) at an accelerating voltage of 5 kV.Statistical calculations were performed with ANOVA using thesoftware SigmaPlot 12.5 (Systat Software, Inc., 2011).3. ResultsSamples for bending test were printed in two different orienta-tions (Fig.1) to investigate the influence of fibre orientation withinthe sample and the influence of binder application due to printhead movement. The results for flexural strength showed signifi-cantly increased values (up to 180%) for most of the samples(Fig. 2A) with only the flexural strength of PA fibres printed in ydirection being comparable to the reference. Regarding standarddeviation there was no difference between printing orientationsconcerning flexural strength; wof calculated by the area under-neath stressstrain curves recorded during bending test and thecross sectional area of the sample (Fig. 2B) showed a similarbehavior like flexural strength. Apart from PA-reinforced samples,wof was also independent of printing orientation and a totalincrease of up to one order of magnitude could be obtained.Polyurethane infiltration of the samples increased both flexuralstrength (Fig. 2C) as well as wof (Fig. 2D) by 10- to 20-fold. Afterthis treatment, however, fibre-reinforced samples showed nosignificantly higher values compared to unreinforced samples.Furthermore, fibre content for PAN-reinforced gypsum was opti-mized with respect to mechanical properties (Fig. 2E). Flexuralstrength could be further increased to more than 400% with a fibrecontent of 1.5% and decreased slightly until 2.5%. A higher fibrecontent was not printable.Density and porosity of the composites can have a greatinfluence on mechanical properties. The density, however, wasnot affected by fiber reinforcement (Table 1). In contrast, porosityof the samples decreased if samples were reinforced (Table 1), butfibre material had no significant effect on porosity and pore sizedistribution (Fig. 3). Furthermore, fracture surfaces (Fig. 3) showedfibre pull out as well as matrix residues on the fibre surfaces. PANand PA fibres seemed to be deformed, whereas PAN-sc and glassfibres remained intact.4. DiscussionExamination of mechanical properties by four-point bendingtest revealed higher flexural strengths and wof for reinforcedsamples (Fig. 2), indicating a transfer of mechanical load frommatrix into the fibre as well as energy dissipation by frictionalforces during fibre pull out 10 resulting in higher strains of thecomposite. The highest wof values were found for PAN-sc due toits length of 2 mm and therefore its higher surface. Taking intoaccount results of Castilho et al. 1, it can be assumed thatorientation of printed fibre-reinforced samples could have aninfluence on mechanical properties. However, for both flexuralstrength and wof, there was no difference between printingorientations when samples were fibre reinforced. Due to binderapplication initial strength of x orientated samples was lower thanfor y orientated ones. This binder effect was compensated as fibresare predominantly aligned in x direction such that the reinforce-ment for x orientation is enhanced compared to (initially stronger)samples printed in y direction. Polyurethane infiltration increasedmechanical properties enormously but at the same time elimi-nated the influence of fibre reinforcement. This indicates for thissystem that polymeric post-hardening has a greater influence onmechanical properties than fibre reinforcement.Further investigation concerned density and porosity of thereinforced samples (Table 1). Density of all samples did not varywith different fibres. As density of PAN, PAN-sc, and PA is muchlower than that of the gypsum mixture (around 1.2 g/cm), a loweroverall density could be expected. However, composite densitywas not affected due to a low fibre content of 1%. In contrast,porosity could be decreased by fibre addition from 62% (no fibre)to a minimum of 56%. These values are in accordance with printedsamples found in literature 1113. Reduced porosity could alsohave contributed to better mechanical properties such as flexuralstrength.The fibrematrix interface (Fig. 3) shows matrix residues on allfibre surfaces indicating good adhesion between fibre and gypsummatrix. Furthermore, fibre pull out can be confirmed, which istypical for polymeric fibres in ceramic matrices 10. As fibre pullout and interface debonding are the main mechanisms of energyabsorption 6, the high wof can be associated with the findings ofSEM images. Prior to fibre pull out, fibre bridging of the openingFig. 1. Schematic top view of 3D printing (A). Feed chamber (F) and build chamber (B) are localized in xy plane. Samples are labelled with x and y according to theirorientation in the building chamber. The print head (P) moves across the building chamber in x direction where binder is sprayed in y direction (see arrow next to P). Figure B(y orientation) and C (x orientation) shows predominant fibre orientation within the samples.S. Christ et al. / Materials Letters 139 (2015) 165168166crack leads to a higher deformation of the composite resultingagain in a higher wof 6. Moreover, PAN and PA fibres seem to bedeformed, which can be ascribed to the manufacturing process offibre fillers by grinding. Thus, no fibre fracture could be observedindependent of fibre material and length.5. ConclusionWe were able to introduce fibre reinforcement in 3D powderprinting for the first time to improve green strength of complexsamples. Despite a fibre length being one order of magnitudehigher than the powder layer thickness during printing, fabrica-tion quality of samples could be maintained during printing up toa fibre content of 2.5%. This study focused on materials (fibres andmatrix) predominantly used in technical applications to demon-strate the principal reinforcement mechanism during 3D printing.A transfer of the results to biomedical applications, such as hardtissue replacement, would clearly require the use of biocompatibleFig. 2. Flexural strength (A) and wof (B) of fibre-reinforced samples printed in x and y direction. (C) Flexural strength and (D) wof of polyurethane infiltrated samples. Fibrecontent was optimized for PAN in x direction (E). Highly significant (po0.01) and significant (po0.05) samples are labelled with * and *.Table 1Porosity and density of fibre-reinforced gypsum was measured with mercuryporosimetry and MohrWestphal balance, respectively.FibrePorosity (%)Apparent density(mean7SD) (g/cm3)Bulk density(mean7SD) (g/cm)No fibre62.351.07870.0102.1070.04PAN56.101.02170.0021.9570.14PAN-sc59.101.08970.0092.2770.06PA58.891.03070.0042.1370.04Glass fibre57.821.06070.0102.1270.01S. Christ et al. / Materials Letters 139 (2015) 165168167and biodegradable
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