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熔融沉积成型机床设计【12张CAD图纸+毕业论文】【答辩优秀】

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熔融沉积成型机床设计【全套CAD图纸+毕业论文】【答辩优秀】.rar

熔融沉积成型机床设计

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12小齿轮.DWG

68大齿轮.DWG

传动轴.DWG

入嘴.DWG

喷嘴.DWG

垫片.DWG

左顶板.DWG

挤压头左板.DWG

接头.DWG

整体装配A0.DWG

滚珠丝杆.dwg

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关键词：: 熔融沉积成型机床设计全套 cad 图纸毕业论文答辩优秀优良

资源描述：

1 绪论3

1.1 引言3

1.2 熔融沉积成型技术概论3

1.2.1 熔融沉积成型技术的特点4

1.2.2 熔融沉积成型技术 - 工艺过程5

1.2.3 熔融沉积成型技术的应用6

1.3 熔融沉积成型技术存在问题及发展方向7

1.3.1 熔融沉积成型技术的现状7

1.3.2 熔融沉积成型技术的发展方向8

2 总体方案及结构设计10

2.1 引言10

2.2 总体设计要求10

2.3 熔融沉积成型机床的结构运动方案11

3 电机方案的选择及选型13

3.1 电机方案的比较13

3.2 步进电机的选型13

4 挤出装置的设计18

4.1 结构尺寸的确定18

4.2 挤出机构的设计要求18

4.3 挤出装置的组成19

4.4 挤出机构齿轮组设计20

4.4.1 按齿面接触强度来设计20

4.4.2 按齿根弯曲强度设计23

4.5 轴设计26

4.5.1 作用在齿轮上的力26

4.5.2 初步确定大齿轮轴的最小直径26

4.5.3 轴的结构设计27

4.6 挤出机构流道口设计28

4.7 加热腔的设计30

4.7.1 加热腔入口溢料问题的分析30

4.7.2 流涎问题的分析31

4.7.3 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

ABSTRACT

The fused deposition rapid prototyping technology (FDM) is one of the at home and abroad the most widely used rapid prototyping technology. It can quickly and accurately Design 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。

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内容简介：: 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。 nts 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nts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)： 28-29 12 门东升 . 熔融挤压快速成形机喷头的研究 D .北京化工大学， 2003 13 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， 1998 14 吴任东 . 高速熔融挤压成形工艺及设备研究 D . 清华大学， 2000 15 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 nts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 nts nts 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。 nts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 nts 湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题目：熔融沉积成型机床设计专业：机械设计制造及其自动化学号： 2010962918 姓名：李舒扬指导教师：周里群完成日期： 2014 年 5 月 27日 nts 目录 1 绪论 . 3 1.1 引言 . 3 1.2 熔融沉积成型技术概论 . 3 1.2.1 熔融沉积成型技术的特点 . 4 1.2.2 熔融沉积成型技术 - 工艺过程 . 5 1.2.3 熔融沉积成型技术的应用 . 6 1.3 熔融沉积成型技术存在问题及发展方向 . 7 1.3.1 熔融沉积成型技术的现状 . 7 1.3.2 熔融沉积成型技术的发展方向 . 8 2 总体方案及结构设计 . 10 2.1 引言 . 10 2.2 总体设计要求 . 10 2.3 熔融沉积成型机床的结构运动方案 . 11 3 电机方案的选择及选型 . 13 3.1 电机方案的比较 . 13 3.2 步进电机的选型 . 13 4 挤出装置的设计 . 18 4.1 结构尺寸的确定 . 18 4.2 挤出机构的设计要求 . 18 4.3 挤出装置的组成 . 19 4.4 挤出机构齿轮组设计 . 20 4.4.1 按齿面接触强度来设计 . 20 4.4.2 按齿根弯曲强度设计 . 23 4.5 轴设计 . 26 4.5.1 作用在齿轮上的力 . 26 4.5.2 初步确定大齿轮轴的最小直径 . 26 4.5.3 轴的结构设计 . 27 4.6 挤出机构流道口设计 . 28 4.7 加热腔的设计 . 30 4.7.1 加热腔入口溢料问题的分析 . 30 4.7.2 流涎问题的分析 . 31 4.7.3 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 nts 1 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 nts 2 ABSTRACT The fused deposition rapid prototyping technology (FDM) is one of the at home and abroad the most widely used rapid prototyping technology. It can quickly and accurately Design 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 nts 3 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nts 4 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nts 5 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，nts 6 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。 nts 7 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，nts 8 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，nts 9 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。 nts 10 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 24错误 !未找到引用源。 h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 467 360 377mm 打印文件格式 STL 支持 SD卡打印，无需 PC连接 nts 11 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。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Y 轴 X 轴 Z 轴 nts 12 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。 nts 13 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 步进电机的选型选择电机一般应遵循以下步骤 24：负载步距角静转矩修正电流矩频特性曲线 nts 14 1. 电机最大速度选择步进电机最大速度一般在 600 1200 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，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： 28222 10445.11)101721(2 mkgJ 21445.0 cmg 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。 nts 15 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： t max (rad / s2) (3-3) 所以： 2/047.160 60/1200 sr a d 3. 电机力矩计算力矩计算公式为： /( ）LTJT (3-4) 式中： LT 为系统外力折算到电机上的力矩；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 8.0 则： cmkgcmkgT 5.28.0 20 4 7.1104 4 5.18- nts 16 根据计算出的力矩 T 再加上一定的安全系数为 1.2 则。 cmkgcmkgT 32.15.2 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) 42BYGH001 2 0.95 2.1 2.3 1.7 38 0.20 34 24 42BYGH007 4 0.31 38.5 18.5 1.6 38 0.20 34 18 42BYGH011 2 0.33 34 46 2.4 38 0.20 34 20 42BYGH019 4 0.28 42 23 1.8 38 0.20 34 22 42BYGH025 2 0.95 2.6 2.6 1.7 38 0.20 34 18 42BYGH068 4 0.95 4.2 2.7 1.7 38 0.20 34 22 42BYGH101 2 1.7 1.5 2.3 4.2 38 0.60 39 24 42BYGH102 4 1.2 3.5 3.2 2.4 38 0.24 40 24 42BYGH103 2 0.4 30 66.0 4.0 38 0.24 40 24 42BYGH128 4 0.4 30 24.0 2.5 38 0.24 40 22 42BYGH204 2 1.0 4.3 6.3 4.0 82 0.34 48 24 42BYGH205 2 1.2 3.2 6.0 4.5 82 0.34 48 24 42BYGH301 2 0.8 9.0 14.0 4.2 38 0.60 48 24 42BYGH404 4 0.4 30 25.0 3.2 38 0.34 48 24 42BYGH2901 2 0.6 7.0 6.0 1.2 38 0.24 30 27.5 42BYGH2902 2 1.2 2.0 2.8 1.8 38 0.24 30 18 42BYGH3402 2 0.4 40 36 2.6 38 0.24 34 18 nts 17 42BYGH3404 4 0.5 10.5 7.0 1.5 38 0.24 34 18 42BYGH3406 4 0.25 75 42 2.0 38 0.24 34 18 42BYGH3407 2 0.4 22.5 30 2.2 38 0.24 34 24 42BYGH3905 2 0.8 7.0 10 4.2 82 0.24 40 24 42BYGH3906 4 0.65 11.5 12 3.2 82 0.24 40 20 42BYGH442C 4 0.3 42 40 2.7 82 0.34 44 27 42BYGH4404 2 0.33 42 95 4.2 82 0.60 44 24 42BYGH4408 4 1.0 5.0 6.8 3.5 82 0.34 44 24 42BYGH3909 2 0.4 30 35 3.2 82 0.24 40 24 42BYGH4802 2 3.0 0.5 1.1 5.0 82 0.34 48 17 42BYGH4803 2 1.5 2.8 4.8 5.0 82 0.34 48 17 42BYGH4804 4 0.4 28 22 3.2 82 0.34 48 24 42BYGH4806 4 1.0 52 5.2 3.8 82 0.34 48 24 42BYGH4807 2 0.5 19 32 4.2 82 0.34 48 24 选择型号为 42BYGH128 的 NEMA17步进电机，最高转速可以达到 3000 转 /分钟。 nts 18 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nts 19 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。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应该是一个由左图的原理图可知， FDM 的工作原理，就是通过挤出机构把 FD

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