FDM快速成形机的结构设计及优化研究

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要快速成形技 术是二十世纪八十 年代后期发展起 来的一项先进制造技术，该技术发展到今天，已经趋于成熟和完善，它的应用领域几乎覆盖了制造领域的各个行业。然而熔融沉积成形（FDM）工艺作为快速成形技术的一 种，具有运行成本低、制件可打磨性好、设备轻巧、环保等优点。 鉴于 FDM 工艺如此广泛的应用和众多优点，自主开发出一套成熟的 FDM 快速成形设备，并朝着商品化的方向发展，一定有很大的发展潜力。本文主要针对 FDM快速成形设备的机械系统结构设计和优化进行了全面的深入研究。 首先，通过对国内外传统 FDM 设备结构上的比较分析，提出一套完整的结构设计方案，利用三维实体设计软件 UG 对结构设计方案中的各主要零部件进行参数化设计和虚拟装配，得到整机机械系统的完整三维模型。 然后，运用 有限元的分析方法 ，对整机机械系 统的安全性和稳定性进行验证，同时对机械 结构加以优化和改 进。当机械系统 的各项性能指标均 满足设计需求后，便开始投入样机的实际生产。 目前本课题 的研究已经取得了 阶段性成果，第 一台实验样机已经调试完成，在对其制件过程的工艺性进行相关的深入研究。 本论文的研 究方法具有一定的 工程实用价值， 对于同类大型结构的设计和结构优化改造项目有十分重要的借鉴作用。 关键词： FDM；结构设计；机床设计；有限元分析 I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Rapid prototyping technology was developed at the end of the eighties of twentieth century. The technology has been improved a lot until now. It is almost applied in every field of the manufacture industry. FDM (Fused Deposition Modeling) is one of the rapid prototyping technologies. It has many advantages such as inexpensive, easy to be polished, very smart and environmental protection. For above advantages, there is a great development potential to designing a perfect FDM rapid prototyping machine. The main topic of this paper is about structural design and optimization on FDM rapid prototyping machine. First, we should work out a full structural design program. The project chooses UG software to modeling every main part, and assembles them together based on the virtual design system. Then validating the security and stability of the whole mechanical system by using finite element analysis method. If every performance indicators of the whole mechanical system meet the design requirements, the testing machine could be produced. The research on this topic has made a big achievement. The setting and debugging of the first testing machine has been accomplished. Further research about FDM processing technology is working. The research method has certain engineering practicability; it has some model functions to the similar large structure in the design and structure improvement. Key Words: FDM; Structural design; Machine tool design; Finite Element Analysis II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 快速 成形技术的起源及发展快速成形(Rapid Prototyping , RP)技术 是二十世纪八十年代后期发展起来的一项先进制造 技术。它采用层叠 堆积的分层制造 思想，将成形的实 体材料层层叠加粘合起来，从而得到产品的三维原型。 这种分层制造三维实体的思想,最早出现在制造技术还不够发达的十九世纪末。早在 1892 年,地质学家 Blanther 就提出了用分层切片的方法制 作三维地图模型。 然而，随着社会 的发展和科学技术 的进步，快速成形系统及其相关成形材料的研究均有了长足的进步，RP 技术得到了飞速的发展。 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 CharlesW. Hull 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1123华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 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 先进 的快速成形技术快速成形工艺发展非常迅速，目前已经有十多种成形工艺，按成型能源的不同，可分为激光加工和非激光加工两大类，其中典型的有以下几种快速成形工艺方法 ： (1)立体光固化造型（SLA） 在树脂槽中 盛满液态光敏树脂 ，利用聚焦后的 激光束按照切片扫描路径对液态光敏树脂进行选择性逐层扫描，光敏树脂逐层固化、层层叠加便得到三维实体； (2)选择性激光烧结（SLS） 二氧化碳激 光器在计算机控制 下按照截面轮廓 对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合 粉、金属与粘结剂 的混合粉等）进 行选择性烧结，使 粉末溶化继而形成一层固体轮廓，如此逐层叠加得到三维原型零件。 (3)分层实体制造（LOM） 供料机构将 涂有热溶胶的箔材 （如涂覆纸、涂 覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送 至工作台的上方， 然后用二氧化碳 激光束按照计算机 提取的横截面轮廓进行切割，由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起，叠加得到形成三维实体。 (4)熔融沉积制造（FDM） 采用丝状材料（如 ABS 塑料丝）作为加工物，用加热器将其加热到熔融状态，通过送丝机 构从喷头挤出细丝 材料，加热喷头 在计算机的控制下 ，根据三维模型的截面轮廓数据作 X-Y 平面运动，逐层选择性逐层熔覆形成三维实体。 (5)三维立体打印（3D-P ） 24华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 采用喷头将粘结剂按照电脑切片得到的截面数据，选择性的喷射到粉末材料上，如此周而复 始地送粉、铺粉和 喷射粘结剂，最 终完成一个三维粉 体的粘结。形成三维零件实体。由于用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。 1.3 快速 成形技术的特点虽然快速成 形技术有着许多种 不同的成形工艺 ，但它们的共同思想都是将一个复杂的三维 加工过程简化成一 系列二维加工过 程的组合，这与传 统的去除材料的冷加工方法形成鲜明对比。快速成形技术在不需要任何刀具，模具及工装夹具的情况下，可将复杂形 状的设计方案快速 转换为三维的实 体模型，这就是快 速成形技术所具有的革命意义 。它为技术人员与 企业决策者、产 品的用户等非技术 人员之间提供了一个更加形象 、完整、方便的工 程交流工具，能 够有力地支持同步 工程的实施，为企业带来不可估量的巨大收益。 之所以快速 成形工艺在这个以 知识经济和信息 社会为特征的时代、制造业面临瞬息万变的 市场时期，能够得 到广泛的应用和 发展，是因为具有 以下多方面的特点： (1)可迅速制造出自由 曲面和形状结构复杂的多样化零件 ，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期； (2)快速成形工艺属非 接触加工，不需要机床切削加工所 必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响； (3)可以将快速成形技术与传统制造方法相结合，实现快速模具制造和快速铸造，为传统制造方法注入新的活力，特别适合于新产品的开发和单件小批量生产； (4)利用快速成形技术能够缩短加工周期短，同时降低开发成本低； (5)无切割废料，噪音和振动小，有利于环保。 1.4 快速 成形技术的应用及展望快速成形技 术发展到今天，已 经趋于成熟和完 善，它的应用领域几乎覆盖了制35-6华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 造领域的各 个行业。从工业制 造、建筑、艺术 、医学、航空航天 等领域，到美学、人体工程、 文物保护、影视等 行业均有越来越 广泛的应用。这种 技术的应用主要表现在以下几个方面 ： (1)快速成形技术可以将产品设计者勾勒的三维模型数据方便、快捷的转 变为物理实 体模型的，可以很 准确的验证设计 思想和产品结构的 合理性，也能很直观的判断设 计产品的美观性， 如果发现设计中 的问题还能够及时 修改，从而大大缩短了产品开发周期，降低研发费用，使研发风险降到最低； (2)另外，用快速成形技术对复杂系统结构的可制造性和装配性进行检验和分析，可以大大降低设计和制造的难度； (3)在满足使用要求的 情况下，可利用高强度的工程塑料 直接快速成型单件或小批量的高分 子材料复杂零件， 能够缩短加工周 期，提高产品的开 发率；对于复杂金属零件也可直接通过快速铸造或直接金属粉末烧结成形获得； (4)快速成形技术还在 在生物学和医学上有广泛的应用， 通过这种技术制造出人体局部组织 或器官的模型，可 以用于临床医学 辅助诊断复杂手术 方案的确定，也可以制造组织 工程细胞载体支架 结构，帮助研究 特殊的医疗手段， 发展新的装置，作为生物制造工程中的一项关键技术。 (5)快速成形技术还可 应用在快速模具制造和快速铸造方 面，通过各种转换技术可以将快速 成形制品转换成各 种快速模具，以 适应市场激烈竞争 条件下，产品多样化、批量小和结构复杂的发展趋势，从而缩短生产制造周期，降低生产成本和风险。 快速成形技术经过十几年的飞 速发展,成型设备与材料两个方面都有了很大的提高。但该技 术也存在成本高， 制件精度同普通 机械加工相比较差 ，强度和耐久度受材料限制等 缺点。近年来数控 加工机床亦在大 步向前发展，高速 、高精度的数控加工机床问世 ，价格上面的优势 也越来越明显。 因此，不少企业使 用数控加工的方法制造金属或 非金属模具及零件 ，给快速成形技 术提出了新的挑战 。不过，快速成形技术在成形 复杂、中空的特殊 零件方面与数控 加工相比还是有其 巨大的优势，是难以被取代的 。这种直接从概念 设计迅速转变为 产品的开发理念将 会成为二十一世纪47华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 制造技术的主流。 通过上述分析，我们大致了解了快速成形技术的现状,它是一项很有发展潜力的技术，在未来几年，它的主要发展趋势有以下几个方面： (1)提高快速成形系统的速度、控制精度和可靠性。 (2)优化产品信息的采集与处理，提高数据处理的速度与精度。 (3)研究开发成本低、成形易、变形小、强度高以及无污染的新的成形材料。 (4)开发新的成形能源，提高成型制造采用的能源性能。 (5)研究开发新的成型制造方法。 (6)继续研究快速制模和快速制造技术。 。 (7)拓展快速成形技术的应用领域。 (8)开展远程制造。 1.5 国内外 FDM 技术研究进展 FDM 工艺最早是由美国 Scott Crump 博士提出,后来研究 FDM 的主要有 Stratasys公司和 Med-Modeler 公司。 Stratasys 公司于 1993 年开发出第一台 FDM-1650 机型，接着先后推出了 FDM-2000、FDM-3000、FDM-8000 和的 FDM-Quantum 机型。其中FDM-Quantum 机 型 采用 了 挤 出头 磁 浮定 位 (Magna Drive) 系统，最大成型空间为600500600mm，可以在同一时间对 2 组挤出头进行独立控制，极大地提高了造型速度，是前几台老机型造型速度的 5 倍左右。 国内对 FDM 技术进行的研究是 92 年前后在几个重点高校开始的，包括清华大学、西安交通大学和现在的华中科技大学等。清华大学企业集团下属的高科技企业，北京殷华快速成形与模具技术有限公司在 2000 年推出了 MEM300A、MEM450A 等成熟商品机型，最大成型空间达到 400400450mm，成型精度为0.2mm/100mm ；同时，华中科技大学也研制出一台试验样机“HRPR-1 快速成形系统” ；另外，上海富奇凡机电科技有限公司也推出了“TSJ 型熔融挤压快速成形机”及其增强型“HTS 型熔融挤压快速 成形机” ， 这两种快速成 形机的外形尺寸 小、整机重量 轻，机器与耗材5华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的价格相当便宜，非常适合教育培训单位教学与企业新产品开发使用。 FDM 成形工艺采用的丝材主要是 ABS 、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料等，但目前最常用的是具有各种颜色的 ABS 丝。为了提高制件的表面质量和尺寸精度，成形材料方面也有许多相关的研究和进展。1998 年澳大利亚的 Swinburn 工业大学,研究了一种金属塑料复合材料丝，能够大大提高制件的强度；1999 年 Stratasys 公司研制出特殊的水溶性支撑材料,有效地解决了支撑材料难去除或无法去除的难题。 1.6 FDM 技术原理及 特点熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling, FDM）的工作原理是将丝状热熔性材料（ABS、蜡）通过送丝机构送进热熔喷头，在喷头内被加热融化，在计算机的控制下喷头沿 零件截面轮廓和填 充路径运动，将 半流动状态的材料 按指定的位置挤出并凝固，与周围的材料粘结，选择性逐层熔覆形成三维实体。一台完整的商业化 FDM设备主要包 括加工工作平台、 送丝机构、加热 挤丝头、储丝设备 和控制设备几个部分 。FDM 制件的本质过程就是将细丝材料熔融挤出后粘接而成型,成型过程主要包括 ：设计三维实体建立模型、CAD 模型的近似处理、对 STL 文件进行分层处理、造型、后处理这几个步骤，如图 1-1 。 图 1-1 FDM 制件流程 689华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 FDM 快速成形工艺由于其独特的技术原理，比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业 新产品开发，另外 还被广泛用于医 学、医疗、大地测 量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。总的来说 FDM 技术同 SLS 、SLA、LOM 技术相比，其优点可归纳为以下几点 ：(1)工艺无需激光器， 可降低运行成本，原材料也十分廉 价，在现有快速成形设备中运行费用最低； (2)丝材成形后的可打磨性好，后处理简单，易于后期精加工； (3)设备运行过程中无毒，无味，噪音小，可在办公室工作； (4)与其他使用粉末和 液态树脂材料的工艺相比，塑性丝 材更加清洁，易于更换和保存，不会在设备中或对周围环境造成粉末或液态污染。 然而 FDM 快速成形工艺也存在致命的缺点，一个就是成形制件的尺寸精度受到材料和工艺 的限制，同传统的 机械加工得到的 零件尺寸精度相比 还有很大差距，这也是各种快 速成形工艺存在的 一个共同问题， 它或多或少的阻碍 了快速成形工艺在社会上的普 及；另一个就是成 形过程耗时很长 ，如果想得到表面 质量较好的制件，生成的扫描路径就得比较密集，相应的扫面时间必然会很长。 1.7 本课 题研究的目的和意义本课题来源于实验室自主设备研发项目。 我们快速成形实验室早在几年前就着手 FDM 快速成形设备的研发，并成功制造出一台试验样机“HRPR-1 快速成形系统”。不过在对该设备进行了长时间的工艺实验后，发现该机器实际工作过程中十分不稳定，存在一些无法解决的问题。于是，我们需要对现有的设备机械结构加以改进和优化，从稳定性和可靠性方面入手，提出一套新的设计方案，并努力将其推向市场逐步商品化。 鉴于熔融沉积成型制造工艺在如此众多领域的广泛应用，自主开发出一套成熟的成形设备，并朝着商品化的方向发展，一定会产生可观的经济效益，同时开发的过程，也能极大的提高我们实验室研发团队的设备自主研发实力。这便是本课题的意义所在。 710华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 机械系统总体方案拟定及关键技术分析2.1 传统 FDM 设备机械结构分析 2.1.1 MEM300 MEM300 型快速成形机是由清华大学企业集团下属的高科技企业，推出的第一款成熟机型。它的成形空间为 255255310mm，制件的成形精度达到0.2mm，使用的主要成形材料为直径 1.75mm 的 ABS 工程塑料丝，图 2-1 为 MEM300 的整体外形图片。 图 2-1 MEM300 该机型的特点是成形室密封性好，还有独特的成形室温度监控和调节系统，能够很大程度的降低成形过程中由于温度变化太快，丝材在凝固过程中发生翘曲变形的情况。 整机机械运动结构的驱动系统，X 轴与 Y 轴采用伺服电机通过精密滚珠丝杠驱8华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 动，精密直线导轨导向；Z 轴采用步进电机通过精密滚珠丝杠驱动，同样使用精密直线导轨导向；挤丝头部分采用步进电机驱动齿轮结构进行传动，将熔融的塑料丝从喷头挤出。 三个轴的运动复合方式为工作台面作 Z 方向动作，螺杆挤出头由 X 方向和 Y 方向复合动作，具体来说：工作台面由 Z 轴步进电机驱动，仅作 Z 方向的上下独立运动；X 轴和 Y 轴运动是由 2 条垂直搭建的直线运动结构复合在一起得到，加热挤出头悬挂在与 Y 轴滚珠丝杠连接的运动平台上，然后整个 Y 轴运动结构垂直跨在 X 轴运动方向的直线导轨之上。 整个成形过程就是挤出头根据软件生成的路径每填充完一层，Z 方向独立运动的工作平台便往下降低 0.15mm，然后进行下一层的填充。 2.1.2 HTS-300 型熔融挤压快速成形机 HTS-300 型熔融挤压快速成形机是由上海富奇凡机电科技有限公司开发成功的，这种快速成形机的外形尺寸小、整机重量轻，机器与耗材的价格相当便宜。它的成形空间为 280250300mm，制件的成形精度也为0.2mm，使用的主要成形材料为直径 4mm 的塑料 丝，图 2-2 为 HTS-200 的整体外形图片。 图 2-2 HTS-300 9华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 该机型采用专利高压螺杆挤出式成形头，成形效率高，能挤压成形增强型塑料，同时采用与国外著名公司共同开发的丝料，价格便宜，成形时翘曲变形很小, 无需采取环境保温措施，就能保证成形件具有良好的尺寸精度与表面质量。整机最大外形尺寸为 950820900mm，总重量 120Kg。 整机机械运动结构的驱动系统，X 轴与 Y 轴采用伺服电机通过精密滚珠丝杠驱动，精密直线导轨导向；Z 轴采用步进电机通过精密滚珠丝杠驱动，同样使用精密直线导轨导向；螺杆轴采用步进电机直接驱动，并将熔融的塑料丝从喷头挤出。 三个轴的运动复合方式为工作台面作 Y 方向动作，螺杆挤出头由 X 方向和 Z 方向复合动作，具体来说：工作台面由 Y 轴伺服电机驱动，仅作 Y 方向的前后独立运动；螺杆挤出头悬挂在由 X 轴伺服电机驱动的直线导轨上，能够作 X 方向的左右运动；同时整个 X 轴驱动系统及直线导轨结构，整体悬挂在可升降的龙门式机架上，机架由 Z 轴步进电机驱动，便获得 Z 轴方向的运动。 整个成形过程就是挤出头根据软件生成的路径每填充完一层，悬挂着螺杆挤出头的可升降龙门式机架便往上抬高 0.15mm，然后进行下一层的填充。 2.1.3 HRPR-1 快速成形系统 HRPR-1 快速成形系统是由我们华中科技大学快速成形实验室自主开发的第一台 FDM 试验样机。该设备的成形空间为 250250300mm，理论成形精度为0.2mm，但在实际试验过程中得到的制件还无法达到这个水平。使用直径 1.75mm 的塑料丝材成形，整机最大外形尺寸为 110012001400mm。由于整体采用钢架结构搭建，而且外型庞大，故机身十分笨重。 另外，HRPR-1 型试验样机的挤出头采用独特的摩擦轮驱动方式，丝材通过一组金属摩擦轮送入，使之受热成为熔融状，然后通过丝材的活塞推进作用使材料从喷头挤出。 运动结构是以步进电机驱动二组钢丝绳传动结构带动喷头作 X 、Y 两个主要方向的运动，Z 方向依靠一个步进电机带动二根滚珠丝杠使平台升降，从而得到 Z 方10华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 向的运动，挤出头根据软件生成的路径每填充完一层，平台就下降一层，图 2-3 为钢丝绳传动结构。 图 2-3 钢丝绳传动结构 最初选用钢丝绳的传动结构主要是由于它成本低，结构也比较简单，安装和调试都很方便，而且基本满足我们的运动要求。但是经过长期的实验后，问题就开始暴露出来，主要有以下几点： (1)精度问题 由于钢丝绳传动的这种结构特点，长期运行后会逐渐造成磨损、容易松动，于是就难以保证产品的成形精度。精度问题也是我们现在其他各种快速成形方法有待解决的一个主要问题。 (2)稳定性差 在我们实验的过程中钢丝绳还会出现断裂的现象，稳定性差，维护率很高。 (3)移动速度慢 用钢丝绳传动限制了挤出头的移动速度，速度设置过高将会出现打滑的现象，也会影响到产品的精度。另外还会出现抖动的现象，同时还有很大的噪音。 (4)影响丝材挤出 11华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目前的运动方式是挤出头部分作 X、Y 方向的运动，运动过程中将会拉扯后面的丝材使其扭曲，扭曲的丝材进入送丝机构时容易受到阻碍，将会影响丝材的加热和挤出。 2.1.4 以上三台 FDM 设备 机械结构的比较分析综合上面的介绍我们对以上三台 FDM 设备的机械结构有了简单的了解，现在我们从下列几个方面分别对它们的性能参数和机械结构进行比较分析： (1)最大成形空间 上述三台机型的最大成形空间均在 250250300mm 左右，这个成形范围基本能满足大部分用户的加工需求，完成样件的快速制造。合理的确定成形空间，对整机的外形尺寸有着直接的影响。 (2)成形精度 上述三台机型的成形精度均为0.2mm，然而这个数值也只是从理论上得到的一个大概制件尺寸公差。由于 FDM 工艺的特殊性，影响到制件成形精度的因素有很多，如：成形材料的性能、温度、挤出速度、填充速度、分层厚度和成形时间等。 (3)整机外型尺寸和重量 上述三台机型中 HTS-300 的体型最小、重量最轻。将快速成形系统做成类似于打印机能放在办公室使用的设备，是所有开发者的一个共同目标。于是怎样才能设计出轻巧、便捷，同时使用又稳定的机型也是设计者面临的一个关键问题。 (4)三轴运动结构和方式 上述三台机型都能够完成同样的动作得到同一模型的制件，但是传动的结构和运动方式存在着差异。 MEM300 和 HTS-300 在结构上都是采用滚珠丝杠传动，而 HPRP-1 采用钢丝绳传动。比较这 2 种结构的原理，很明显前者拥有更好的稳定性、精度以及持久的寿命。 运动方式上 HTS-300 与另外 2 台机型相比也有所不同。前者 Y 方向独立运动，12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 将 X 方向与 Z 方向运动复合；后 2 者是 Z 方向独立运动，而将 X 方向与 Y 方向运动复合。 这二种运动方式各有自己的优点。将 X 方向与 Z 方向复合，由于 Z 方向每次提升的行程很小，在 0.15mm 左右，而且是 单向提升几乎没有换向，可将 X 方向的运动也视为独立的，于是成形过程中的运动惯量小；将 X 方向与 Y 方向复合，由于挤出头本身占用的空间与工作台面相比小很多，仅靠这一部分作 X-Y 方向的扫描运动，在成形空间一定的情况下所占用的运动空间也相对要小，起到节省空间的作用。 (5)挤出头送丝结构 加热挤出头的结构是 FDM 工艺的一个核心部分，这一部分的结构将直接影响到成形制件的尺寸精度和表面质量，就如同冷加工工艺中使用的切削刀具，刀具的好坏决定了被加工零件的尺寸和表面光洁度。 上述三台机型的挤出头结构均不相同，从丝材挤出的压力方式来分可大致分为 2种 ：一种是靠丝材本身的活塞推进作用产生的压力（图 2.4 a） ，另一种是靠螺杆旋转产生的压力（图 2.4 b） ，图 2-4 是二种结构的比较。 a 活塞推进作用 b 螺杆旋转压力 图 2-4 挤出头结构 1311华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 这二种结构相比，前者利用丝材本身的推进作用挤丝，结构设计简单，仅用一台直流电机就能完成挤丝的功能，制造成本低，日后维护和更换比较方便；后者类似于注塑机的结构，通过步进电机驱动螺杆旋转，将熔融状态的丝材挤出，挤出压力大，出丝稳定，相应速度快，而且无流涎现象。 2.2 机械 传动结构设计方案2.2.1 总体设计思想 经过总结我们现有的 HPRP-1 型机上存在的众多问题，同时对成熟的机型结构加以分析，确定总体的设计思想。从传动结构入手，同时对整体运动方式加以改进，结合各种机型的优点，在结构设计过程得到应用。 2.2.2 齿形带传动结构 齿形带的传动原理是电机带动主动齿形带轮转动，通过套在齿轮上的齿形带将运动传给固定在皮带上的工作台（图 2-5） ，使用两组这样的传动结构垂直叠加到一起便能实现平台的 X、Y 运动。 图 2-5 齿形带原理简图 齿形带传动是利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻、故可用高速传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高 。 1412华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2.3 滚珠丝杠传动结构 滚珠丝杠是用来将旋转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等特点。当丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动 。 （图 2-6） 图 2-6 滚珠丝杠结构简图鉴于滚珠丝杠传动稳定性好、定位准确、承载能力高、结构简单紧凑这些优点，我们最终确定采用它作为三个运动轴的主要传动结构。虽然相应的开发费用也较高，但是从稳定性和可靠性来考虑这个成本也是值得的。 2.3 三轴运动方式设计方案 在前面我已经分析过上面三种机型在运动方式上的差异，以及不同复合方式的优点。将 X 方向与 Z 方向复合，成形过程中的运动惯量小；将 X 方向与 Y 方向复合，占用的运动空间小，空间利用率高。 1513华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 之前我提到过 HPRP-1 机型的送丝机构在成形过程中，由于挤出头在作 X、Y 方向的频繁运动，会出现丝材扭曲导致出丝不顺畅的问题。为了避免这个问题再次出现，提出工作平台做 X、Y 方向运动的设计方案，挤出头悬挂工作平台之上，做 Z方向提升的独立运动，如图 2-7。这种结构布局恰好跟当前机械制造行业应用极其广泛的 CNC 数控加工机床的结构布局类似。 图 2-7 三轴运动方案 这种结构的优点是：易保证较高的刚度和精度，结构简单、紧凑，运行稳定，容易实现机电一体化，适合于小型机床和小型精密机床。 2.4 加热 挤出头设计方案前面已经提到过加热挤出头的结构是 FDM 工艺的一个核心部分，这一部分的结构将直接影响到成形制件的尺寸精度和表面质量，就如同冷加工工艺中使用的切削刀具，刀具的好坏决定了被加工零件的尺寸和表面光洁度。 目前按丝材挤出的压力方式来分，可大致分为二类挤出头设计结构：一种是靠丝材本身的活塞推进作用产生的压力，另一种是靠螺杆旋转产生的压力。前者利用丝材本身的推进作用挤丝，结构设计简单，仅用一台直流电机就能完成挤丝的功能，16华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 制造成本低，日后维护和更换比较方便；后者类似于注塑机的结构，通过步进电机驱动螺杆旋转，将熔融状态的丝材挤出，挤出压力大，出丝稳定，相应速度快，而且无流涎现象。 如果单从制件的质量来考虑，当然应该选用螺杆机构的挤出头设计结构。但是为了缩短我们设备的开发周期，在现有的 HPRP-1 机型上加以改进更容易实施，加热挤出头的设计只需要延用现有的设计方案，将送丝模块整体移植到新的设备上。 2.5 本章 小结本章节首先针对传统的 FDM 快速成形设备，从整机的外型尺寸、最大成形空间、成形精度、主要运动结构和方式等方面，进行了细致的比较和分析。在总结了不同机型之间的优点和缺点之后，大致拟定了我们 FDM 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。 17华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 机械系统设计FDM 快速成形系统是自动化生产设备，机械系统作为整个系统设备的执行部分，其合理的规划设计直接影响了制件的成行精度和质量，并决定数控系统、运动系统和送丝挤丝系统之间的匹配关系。因此对机械系统内部各结构的优化设计，对于实现快速成形机的生产和应用至关重要。 3.1 机械结构总体设计 3.1.1 基本设计原则 FDM 快速成形系统的结构设计，首先要实现三轴联动的机械运动结构，在满足各种设计技术要求的前提下，还要从经济性、可靠性、环保等多方面去考虑。因此制定以下原则 ，对各机构进行优化设计。 (1)确定机械系统中各部分的功能，合理优化设计，使机床达到服务于使用者的功能目的，同时充分发挥和体现结构设计的科学性、先进性，这是整个系统设计的前提。 (2)提高系统的可靠性和工作精度，可靠性和精度是衡量系统质量的重要指标，表示机床的功能在时间上的稳定程度。可靠性设计中包括提高机构运行稳定性、保证成形制件的精度以及保证送丝机构的协调性。 (3)提高经济性，机械系统的经济性表现在设计、制造和使用的全过程中，要求使用尽可能少的人力、物力、材力和时间而收到最大的经济效果。为此，一是要提高设计和制造的经济性；二是要提高使用和维护的经济性。其目的在于使 FDM 快速成型设备生产的成本低、消耗少、生产周期短、提高经济利益。经济性制约着机械结构方案以及标准元件的选用、加工方法和面饰技术等造型因素的选择。 (4)保证安全性和操作者的舒适性，机械系统的设计要保证系统执行预期功能的安全性，还要对周围环境不造成危险，在此基础上尽量使操作者感觉方便和舒适。 1814-20华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (5)要有独创性，设计新颖。机械结构及造型设计不能只是单纯的继承和仿造，设计者必须在继承的基础上，不断发展与探求，创造出自己的风格，才能达到符合时代特征的标准，才能具有竞争力。 3.1.2 FDM 快速成形机主 要技术参数结合我们的设计需要，初步给定 FDM 快速成形机主要技术参数如表 3-1： 表 3-1 主要技术参数 3.2 主运动系统设计 传动系统的性能在很大程度上决定了制件的精度、制件的表面质量以及生产效率。FDM 快速成型机本质上是一台小型数控机床，需要根据指令信号自动精确地控制执行各机械部件运动的位移、方向和速度，还要完成三轴的联动，使数个执行部件按一定的规律同时运动以合成负载的运动轨迹。因此应选用精度高，结构简单的伺服进给控制系统。 主传动系统的工作原理是将伺服电机的旋转运动传递给滚珠丝杠，通过螺母将转动转化为直线运动，从而使滑块沿导轨移动。根据 FDM 快速成形机工作原理，结合伺服进给系统设计原则，主传动系统应包括伺服电机、滚珠丝杠副、直线导轨副等主要部分。为了便于设计和以后的生产及安装，将 X 、Y 、Z 三个轴的运动系统统一，按照负载最大的轴进行强度校核。运动系统中相关的固定安装零件，均可标准化定义。 19技术参数最大成形空间 254254254mm台面最大移动速度 100mm/s成形精度 0.2mm整机机械部分总重量 150Kg整机外型尺寸 8007001000mm华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.2.1 传动系统设计原则 根据 FDM 成形工艺以及制件精度要求，制订传动系统设计原则如下(1)具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的运行速度。 ： (2)结构稳定、合理，有足够的静刚度和动刚度，具有足够的抗振性和热稳定性，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声。 (3)传动精度和定位精度要高，传动平稳，以保证制件的成形精度。 (4)传动系统响应能力要快，灵敏度要高，以进一步提高制件的生产效率。 (5)加工和装配工艺性好，防护性能好，便于维修。 3.2.2 滚珠丝杠副选用 进给伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。而数控进给伺服系统的性能取决于它的各个组成环节的特性及系统中各环节性能参数的合理匹配。 滚珠丝杠是数控机床进给伺服系统中重要的机械传动部件，滚珠丝杠副具有传动效率高、摩擦力小、使用寿命长、经预紧后可以消除轴向间隙、高系统刚度、反向时无空行程、可以提高轴向运动精度等特点，合理的选用滚珠丝杠对于制件的成形精度至关重要 。 根据青岛安品精密机械有限公司提供的滚珠丝杠详细产品目录，初步选用 FSIN型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，采取一端固定一端支持的安装方式。相关设计参数要求如下，表 3-2 为相关计算参数： 工作台重量： W 1 = 30 kg 制件最大重量： W 2 = 5 kg 最大行程： S MAX = 254mm 电机最高转速： NMAX = 3000 r/min 传动比： i = 1 丝杠导程： P h = 5 mm 2021-2324-25华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 丝杠设计寿命： Lt = 20000h 引导面摩擦系数：= 0.25 表 3-2 相关计算参数 支承方式 一端固定 一端自由 简 图 K2 0.25 1.875 f 3.4 一端固定 一端支持 2 3.927 6.1 二端支承 1 3.142 9.7 二端固定 4 4.730 21.9 (1) 初步选定螺杆长度 L = 最大行程+螺帽长度+安全距离+ 轴端预留量 = 254 + 100 + 60 +100 = 514 （mm） (2) 螺杆轴径的确定 高速进给时，可根据容许转速来确定轴径。而轴承支撑结构选用最为普遍的固定-支持方式，一般用危险速度来计算所需螺杆外径： 2L rA Lf式中： n ：容许转速（rpm） ：安全系数（ 取 0.8） E ：纵弹性系数 21260EIg drn f 102 22nLdr 10华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I ： 螺杆的轴断面之最小二次力矩(I =3.14dr /64) dr ：螺杆轴牙底径 A ：螺杆轴断面积（A =3.14dr /4） L ：安装间距（螺杆两端安装之间的距离）这里取 L = 500 mm，n = 2500 rpm 查表 3.2 知 f = 6.1代入以上数据，可得： dr 10.3 mm 若要最高转速达到 2500rpm，则螺杆根径 dr 需大于 11mm； 故螺杆外径 D 应在 1420 mm 之间选取， 初步选定 D = 16mm (3) 寿命计算 当丝杠空载运行时，只承受工作平台的重力，此时丝杠受力为最小载荷： F1 = Fmin = 75N 当成形制件满载时为最大载荷： F2= Fmax = 8 7.5N 下表 3-3 是成形过程中各状态工作台进给的工作条件： 表 3-3 进给工作条件 运行 方式 高速 填充 中速 填充 低速 填充 快速 进给 进给速度 Vi(mm/s) 70 50 30 100 工作时间百分比 % 20 50 20 10 丝杠轴向载荷 (N) 87.5 87.5 87.5 75 丝杠转速 r/s 14 10 6 20 2242华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 滚珠丝杠的平均负荷为 Fm ，平均转速为 Nm 1n1 t1 n2 t2 . nn tn t计算使用寿命公式： Fm f w 60N m式中 fw 为负荷系数， 取 fw = 2.5 将数据代入上式计算得到 Lt = 165488 h 该结果远大于我们要求的设计寿命 20000 小时，故满足设计要求。 (4) 滚珠螺杆的应力校核 a. 轴向应力计算 A dr / 4式中： dr 16 0.3 3.175 13.125(mm)FMAX 87.5N b. 径向应力计算 J式中： 32T 1.3N m max 0.036 10 N / m8 2根据滚珠丝杠生产商提供的参数，该滚珠丝杠材料的抗拉强度为 1.5100.9 10 N / mN / m ，降伏强度为全的。 ，均大于计算所得到的应力，所以该螺杆的尺寸设计是安233 3 31 1 1 2 2 2 n n nF 85.5N mn t n t . n tN 11 r / s 660(rpm)m3 6L10tF 5 26.510 N / m2T r35.710 N / m4drJ2912 mm2 2 8 28 2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (5) 确定滚珠丝杠副的规格代号 根据以上校核设计，查阅青岛安品精密机械有限公司提供的滚珠丝杠详细产品目录，最终选定滚珠丝杠副的规格代号 R16-5T3-FSIN-320-397-0.05R 图 3-1 为滚珠丝杠的详细设计图纸。 图 3-1 滚珠丝杠详细设计图纸 3.2.3 伺服电机选用 伺服驱动装置是整个传动系统的动力来源，其中伺服电机的选择尤为重要。首先要根据给定负载要求选择参数合理的电机；其次，再按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。 丝杠最大负载时的驱动扭矩 TL 2式中： F运行时的最大负载 87.5NL丝杠导程 5mm24F lT L华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 传动效率，取为 0.9 代入数据，得：TL =0.08NM 我们最终使用的是深圳众为兴数控技术有限公司生产的，型号为 ACH-06040D伺服电机，如图 3-2，驱动系统是 QS5AA020M ，整套的售价为 2600 元人民币。 图 3-2 伺服电机 ACH-06040D 伺服电机的主要规格参数： 额定功率：400W 额定转速：3000 rpm 额定转矩：1.3NM 外型尺寸：6060122mm 电机