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打印机 传动系统 设计

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中国地质大学长城学院毕业设计（论文）任务书学生姓名邱陵班级机制6班专业机械设计制造及其自动化指导教师杨运强职称教授单位工程学院毕业设计（论文）题目3D打印机传动系统设计开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结果、参考文献等）毕业设计（论文）主要内容和要求： 3D打印（三维打印 或3D printing），它是一种快速成形技术，一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。3D打印机主要技术指标如下：成型体积（长宽高）： 200mm200mm200mm；打印速度：300mm/s(建议使用速度150mm/s）；打印精度：XY轴：0.1mm（推荐42步进电机）；Z轴：0.05mm（42步进电机带螺杆）；最大加热温度：300；喷嘴直径：0.4mm；耗材直径：1.75mm；喷头数量：1。设计该款3D打印机机械传动部分，完成方案规划，设计计算，图纸绘制。毕业设计（论文）的工作量要求：(1)字数要求2.0万左右； (2)外文资料翻译不少于3千汉字(或2万印刷符）；(3)折算图纸工作量不少于1图3张（包括总体图、部件装配图、零件图等）。毕业设计（论文）主要参考资料： 1 严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，2003.2 机械设计师手册.北京:机械工业出版社，2006.3 王金娥等机电一体化课程设计指导书M北京大学出版社，2012毕业设计（论文）应完成的主要工作：(5) 了解本课题研究意义，调研本课题国内外研究情况及存在问题；写出调研报告。(6)进行课题方案规划和详细设计，完成全部设计。 (7)撰写设计计算说明书，字数不少于5000字，且打印输出并装订、格式一律参照“中国地质大学毕业设计（论文）写作规范”要求，提交毕业设计Word文档电子版并打印； (8)提交AutoCAD图纸电子版并打印图纸。 指导教师意见：指导教师签名：年 月 日教研室意见：审查结果： 同 意 不 同 意教研室主任签名：年 月 日中国地质大学长城学院本科毕业设计外文资料翻译 系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 邱陵 学 号： 05211601 2015年 4 月 1 日3D打印机3D打印技术（英语：3Dprinting），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。3D打印技术出现在上世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这一技术如今在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。 近年来,3D打印技术发展迅速,在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。具体应用领域包括：1、机械制造：3D打印技术制造飞机零件、自行车、步枪、赛车零件等。2、医疗行业：在医学领域，借助3D打印制作假牙，股骨头、膝盖等骨关节技术应用也非常广，技术越来越成熟。3、建筑行业：工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。4、汽车制造行业：用3D打印技术为汽车公司制造 自动变速箱的壳体。汽车公司会对变速箱进行各种极端状况下的测试，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再开模具，然后按照传统制造方法批量生产，这样成本就会大大降低。5、教育：可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。6、消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。3D Printer 3D printing technology(English:3Dprinting),arapid prototyping technology,itis a kind of digitalmodel files as the basis,the use of powdered metal or plasticmaterial can be bonded,to construct the objectlayer by layer by way of printingtechnology.The pastis often in the mold manufacturing,industrial designand other fieldsare used to manufacture themodel,isgraduallyused for directmanufacturingof some products.Especially for some highvalueapplications(such as hip orteeth,orsomeparts of the plane)has beenusing thistechnology to printtheparts.3D printing technologymeans that thepopularization ofthis technology. 3D printing,technology inthe mid 90s in last century,is in fact aquick forming deviceusing lightcuringand paperlaminatingtechnology.It workswith the ordinaryprinteris basically the same principle,the printeris equipped withliquid or powderprinting,andconnect to the computer,thecomputercontroltoprinta superimposed layers,finally puttheblueprint intothe physicalcomputer.This technologyhas been appliedinmany fieldsnow,people use it tomake clothing,building model,car,chocolatedesserts.The most prominent advantage of 3Dprinting technologyisfree ofany moldingor mechanical processing,can bedirectly generatedfrom the computer graphicsdatainany shapeparts,thus greatlyshorten the productdevelopment cycle,improve productivity andreduce the production cost. In recent years,the rapid development of 3D printing technology,the rapid developmenthas been made invarious fields,has become an effectivemeans of modernmodels,moldand parts manufacturing,widely usedin aerospace,automobile and motorcycle,household appliances,biomedical and other fields,but alsoholds the unique status in thefield of Engineeringand teaching research.Specificapplicationsinclude1:mechanicalmanufacturing,3D printing technology to produce aircraft parts,bicycle,carparts,such asa rifle.2,the medical industry:in the medical field,with the help of 3Dprintdentures,femoral head,kneeand otherjointtechnology applicationis very wide,technology is more and moremature.3,the construction industry:engineers and designershave beenacceptedbybuilding3D modelprinter,thismethod is rapid,low cost,environmental protection,at the same time,produced exquisite,fully in line withthe requirements of designers,but alsocansave a lot of material.4,the automobile manufacturing industry:the3D printing technology to produceautomatic transmissioncar company.The carcompany will beall kinds of extremeconditionsto test thegearbox,some partsis to use 3Dprinting methodto do.Aftersetting,openmold,thenaccording to the traditionalmanufacturingmethods of mass production,so the costwill be greatly reduced.5,education:can be used in themodel to verifyscientific hypotheses,fordifferent disciplines,teachingexperiment.Some high schoolsin North America,thecolleges and universities andmilitary academies,3D printers havebeenused for teaching and scientific research.6,consumer goods: can be used injewelry,clothing,footwear,toys,creativeworksin the design and manufacture ofDIY.中国地质大学长城学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名邱陵学号05211601专业班级11级机制6班指导教师杨运强职称教授单 位工程学院课题性质设计 论文课题来源科研 教学 生产 其它毕业设计（论文）题目3D打印机传动系统设计开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结果、参考文献等）一、课题的目的及意义1、研究目的：3D打印带来了全世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印技术的出现，将会颠覆这一生产思路，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印技术来实现，它无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。 2、研究意义：本课题研究的3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。二、研究现状在国外经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在 0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。在国内，自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。近年来，国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。三、研究内容本报告研究的3D打印机的传动系统由输人设备制定部分参数,从存储设备或者直接从计算机中得到事先建好的三维模型,由单片机对模型进行分析,切片,建立 必要的支撑结构,再从单片机输出控制指令,控制喷头型材料融化,并通过一定的驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向的移动,并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。每打好一层,从外 部设备读取下一层的参数,再打印下一层,直到全部模型完成。完成模型的打印之后,还需要后期的材料回收工作。四、研究方案3D打印机主要技术指标如下：成型体积（长宽高）： 200mm200mm200mm；打印速度：300mm/s(建议使用速度150mm/s）；打印精度：XY轴：0.1mm（推荐42步进电机）；Z轴：0.05mm（42步进电机带螺杆）；最大加热温度：300；喷嘴直径：0.4mm；耗材直径：1.75mm；喷头数量：1。设计该款3D打印机机械传动部分，完成方案规划，设计计算，图纸绘制。毕业设计（论文）的工作量要求：(1)字数要求2.0万左右； (2)外文资料翻译不少于3千汉字(或2万印刷符）；(3)折算图纸工作量不少于1图3张（包括总体图、部件装配图、零件图等）。五、进度安排2、2014-12-01至2015-01-07 编写论文提纲，撰写开题报告，进行开题。3、2015-01-08至2015-01-20 实习期间进行一步查找资料，作社会调查。4、2015-01-21至2015-02-20 撰写论文，完成第一稿，并交指导教师。5、2015-02-20至2015-04-15 完善论文并绘制图纸。10、2015-04-16至2015-04-30 专家评阅。11、2015-05-01至2015-05-15 毕业论文答辩。六、预期结果1. 了解本课题研究意义，调研本课题国内外研究情况及存在问题；写出调研报告。2. 进行课题方案规划和详细设计，完成全部设计。 3. 撰写设计计算说明书，字数不少于5000字，且打印输出并装订、格式一律参照“中国地质大学毕业设计（论文）写作规范”要求，提交毕业设计Word文档电子版并打印； 4. 提交AutoCAD图纸电子版并打印图纸。七、参考文献1 严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，2003.2 机械设计师手册.北京:机械工业出版社，2006.3 王金娥等机电一体化课程设计指导书M北京大学出版社，2012指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日教研室意见：审查结果： 同 意 不 同 意教研室主任签名：年 月 日中国地质大学长城学院本科毕业设计文献综述系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 邱陵 学 号： 05211601 2015年 4月1日43D打印机的发展前景1、3D打印概念3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，也称为增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。快速成型技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，早在20世纪90年代中期就已出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。2、3D打印机工作原理“3D打印”层层印刷的原理和喷墨打印机类似，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制采用分层加工，叠加成型的方式来“造型”，会将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层一层叠加起来，最终在计算机上的蓝图变为实物。 3D打印是一种直接数字化制造技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散，然后是喷洒一层均匀的粉末。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用，加工过程仅需确定所需塑料、树脂、金属等物料，材料耗费仅相当于传统制造的十分之一，而误差可轻易控制到0.1mm之内。它无需生产线，亦可制造那些常规方法无法生产的奇形怪状的零件。三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。分步骤描述如下：1、 三维建模通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的 DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成二维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。2、分层切割由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。3、打印喷涂由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到二维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。4、后期处理模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。3、3D打印机的国内外现状 在国外经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，美国加州大学最新开发的“轮廓工艺”技术，在美国航天局的出资赞助下，可以在24小时以内打印一栋两层楼的房子。澳洲一家石墨矿公司和一家3D打印公司合作已经可以用石墨烯打印电池，充放电速度比普通电池快1000倍。3D打印技术也已经到发展到生物打印，瑞士苏黎世联邦理工学院的3D生物打印技术团队利用肋骨的软骨组织打印出新的耳朵。在国内，多所高校开展了3D打印技术的自主研发。根据美国3D打印机行业研究机构WohlersAssociates公布的权威报告指出，中国华东科技大学已经获得多项3D打印机研究成果，另外清华大学、西安交通大学等众多大学也取得一些研发成果。近年来，国内一些企业已经实现了3D打印机的整机生产和销售，浙江湘湖已经逐渐建立起了3D小镇，整个3D产业园区为3D打印企业提供了一个很好的平台，抱团发展。3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，我国已经广泛应用到航空、航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，我国的3D打印技术也正在蓬勃发展。4、3D打印相关软件 Blender、SketchUp、AutoCAD 在3D打印的制作过程中，用到软件的方面应该是在3D打印的三维模型设计上（不包括其余过程中的常用的操作软件）。模型的设计可以说是整个3D打印过程的核心部分，是3D打印产品的根本。在此介绍几种建立三维数字化模型的建模软件。Blender：Blender是一个开源的多平台轻量级全能三维动画制作软件，提供从建模，动画，材质，渲染，到音频处理，视频剪辑的一系列动画短片制作解决方案。blender以python为内建脚本，支持yafaray渲染器，同时还内建游戏引擎。完整集成的创作套件，提供了全面的3D创作工具，包括建模（modeling）、uv映射（uv-mapping）、贴图（texturing）、索链关连（rigging）、蒙皮（skinning）、动画（animation）、粒子（particle）和其它系统的模拟、脚本控制（scripting）、渲染（rendering）、合成（compositing）、后期处理（post-production）和游戏制作；SketchUp：Google Sketchup是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。googleSketchUp软件同3dmax等3维制作软件同样，有丰富的模型资源，在设计中可以直接调用、插入、复制等进行编辑任务。AutoCAD：AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。5、3D打印技术的优缺点5.1、优点一是最直接的好处就是节省材料，不用剔 除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了 成本；二是能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表 现出外形曲线上的设计；三是不再需要传统的刀具、夹 具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生 成任何形状的零件；四是它可以自动、快速、直接和精 确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件 或模具，从而有效的缩短产品研发周期；五是3D打印 能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从 平面图到实体的飞跃；六是它能打印出组装好的产品， 因此它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生 产方式。5.2、缺点任何一个产品都应该具有功能性，而如今 由于受材料等因素限制，通过3D打印制造出来的产品 在实用性上要打一个问号。强度问题：房子、车子固 然能“打印”出来，但是否能抵挡得住风雨，是否能在 路上顺利跑起来？精度问题：由于分层制造存在 “台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度 下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需 要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏 差；材料的局限性：目前供3D打印机使用的材料非 常有限，无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。 能够应用于3D打印的材料还是很单一，以塑料为主， 并且打印机对单一材料也非常挑剔。参考文献1 孙晓林. 3D打印技术的应用J.2013-07-13.2 刘红光,杨倩,刘桂锋,刘琼. 国内外3D打印快速成型技术的专利情报分析.J2013-06.3 王忠宏,李扬帆,张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路.J2013-01-044 李青.3D打印一种新兴的学习技术.C2013-05-155 LamC;MoXScaffolddevelopmentusing3Dprintingwithastarch-basedpolymer2002(C20) 6 RoweCWMultimechanismoraldosageformsfabricatedbythreedimensionalprinting外文期刊2000(01) 7 许廷涛3D打印技术产品设计新思维J电脑与电信，2012,9 :5-78 古丽萍 蓄势待发的3D打印机及其发展J 数码印刷2011,10 :64-679 蔡恩泽3D打印颠覆传统制造业J 中国中小企业，2012,11 :46-4710 刘厚才,莫健华,等.三维打印快速成形技术及其应用 J机械科学与技术，2008，9:12-1411 刘厚才,莫健华,等.三维打印快速成形技术及其应用，机械科学与技术，2007,27(9):23-26.12 陈步庆,林柳兰,等.三维打印技术及系统研究 J机电一体化，2005，（4）:31-3213 胡发宗,赵毅,等.三维立体打印机的成形技术，上海交通大学,2012(8):16-18.长城学院毕业设计中期考核表格2015附表1中国地质大学长城学院毕业设计（论文）中期质量检查指标表检查指标指标内涵及标准选题质量选题方向和范围符合本专业的培养目标，能够达到科学研究和实践能力培养和锻炼的目的，保证每个学生一人一题，且题目不能雷同难易度满足专业培养方案中对素质、能力和知识结构的要求，难易适中，工作量适当，通过学生努力能按期完成毕业论文（设计）各项工作 理论意义和实际应用价值选题符合本学科专业的发展，符合科技、经济和社会发展的需要，能够理论联系实际，具有一定的科技、应用的参考价值能力水平查阅和应用文献资料能力能独立检索中外文献资料，对资料进行分析、综合、归纳等整理，并能对所研究问题的现状进行综述，提出存在的问题或进一步发展的方向综合运用知识能力能够综合应用所学知识，对课题所研究问题进行分析、论述，研究目标明确，内容具体，且具有一定的深度研究方法熟练运用本专业的方法、手段和工具开展毕业论文（设计）实践研究研究方法科学，实验数据准确可靠，理论分析与计算准确，结果正确；有较强的实际动手能力和现代技术应用能力外文应用论文外文摘要、关键词翻译准确学习态度论文写作态度学习态度认真，遵守纪律，论文完全符合规范化要求主动联系教师情况及时主动的与指导教师取得联系，沟通解决论文写作过程中遇到的问题论文完成进度按照开题报告中的任务要求按期完成论文写作的任务撰写质量文题相符主题鲜明，观点正确，重点突出，论文紧扣主题内容与写作能够完整地反映实际完成的工作，概念清楚，内容正确，数据可靠，结果可信结构与水平结构严谨，语言通顺，立论正确，论据充分，论证严密，分析深入，结论正确写作规范行文表述规范，标点、符号、计量单位、图表、曲线等的运用和引用均符合各学科、各专业的规定及符合我院的毕业论文（设计）工作的相关规范要求篇 幅毕业论文（设计）材料齐备，用中文撰写的正文字数一般在8000字以上（英语撰写的字数不少于4000个单词，日语撰写的字数不少于8000个假名）附表2：长城学院本科毕业设计（论文）中期检查表系： 工程技术系 专业：机械设计制造及其自动化 检查日期：2015.4.7学生姓名邱陵论文题目3D打印机传动系统设计任务书已完成（ ），进行中（ ）参考文献 10 篇：其中外文文献 1 篇外文翻译已完成（ ），进行中（ ）；完成字数约： 4000 字（翻译成的汉字字数）开题报告已完成（ ），进行中（ ）；完成字数约： 5000 字正文已完成（ ），进行中（ ）；完成比比例： 100 %已完成的任务目前完成了开题报告，外文翻译，设计说明书的撰写以及部分图纸的绘制。待完成的任务部分图纸尚未完成。存在的问题一些标注不合理。一些结构设计太简单，实用性差，不足以用于实际生产。采取的办法查阅资料，对设计上出现的错误予以改正。指导教师意见 建议多联系实际，多考虑实际制造生产方面的问题。 指导教师签名： 注：按表中的要求填写，选项打钩（）；附表3毕业论文（设计）教师指导记录表毕业论文（设计）题目3D打印机学生姓名邱陵系（部）工程技术系学生学号05211601专业班级机制6班指导教师姓名杨运强职称教授主要指导内容：收集资料，并整理资料完成论文任务书。编写论文提纲，撰写开题报告。 指导时间：2015年 1 月 1 日主要指导内容：编写论文提纲，撰写开题报告。 指导时间： 2015年 1 月 8 日主要指导内容：实习寻找资料，并深入理解3D打印机。 指导时间：2015年 2 月 1 日主要指导内容：撰写论文，初步完成论文。 指导时间：2015年 4 月 3 日注：此表由指导教师按毕业论文（设计）的主要工作阶段填写主要指导内容。 系主任签字（盖章）：中国地质大学长城学院本 科 毕 业 设 计题目 3D打印机传动系统设计 系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 邱 陵 学 号 05211601 指导教师 杨运强 职 称 教授 2015 年 04 月 18 日本科毕业生毕业论文（设计）诚信承诺书毕业论文（设计）题目3D打印机传动系统设计学生姓名邱陵专业机制学号05211601指导老师杨运强职称教授所在系别工程技术系诚信承诺本人慎重承诺和声明：我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在本人的毕业论文中不剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，不篡改研究数据，如有违规行为发生，我愿承担一切责任，接受学校的处理。 学生（签名）： 年 月 日中国地质大学长城学院毕业设计（论文）任务书学生姓名邱陵班级机制6班专业机械设计制造及其自动化指导教师杨运强职称教授单位工程学院毕业设计（论文）题目3D打印机传动系统设计开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结果、参考文献等）毕业设计（论文）主要内容和要求： 3D打印（三维打印 或3D printing），它是一种快速成形技术，一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。3D打印机主要技术指标如下：成型体积（长宽高）： 200mm200mm200mm；打印速度：300mm/s(建议使用速度150mm/s）；打印精度：XY轴：0.1mm（推荐42步进电机）；Z轴：0.05mm（42步进电机带螺杆）；最大加热温度：300；喷嘴直径：0.4mm；耗材直径：1.75mm；喷头数量：1。设计该款3D打印机机械传动部分，完成方案规划，设计计算，图纸绘制。毕业设计（论文）的工作量要求：(1)字数要求2.0万左右； (2)外文资料翻译不少于3千汉字(或2万印刷符）；(3)折算图纸工作量不少于1图3张（包括总体图、部件装配图、零件图等）。毕业设计（论文）主要参考资料： 1 严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，2003.2 机械设计师手册.北京:机械工业出版社，2006.3 王金娥等机电一体化课程设计指导书M北京大学出版社，2012毕业设计（论文）应完成的主要工作：(5) 了解本课题研究意义，调研本课题国内外研究情况及存在问题；写出调研报告。(6)进行课题方案规划和详细设计，完成全部设计。 (7)撰写设计计算说明书，字数不少于5000字，且打印输出并装订、格式一律参照“中国地质大学毕业设计（论文）写作规范”要求，提交毕业设计Word文档电子版并打印； (8)提交AutoCAD图纸电子版并打印图纸。 指导教师意见：指导教师签名：年 月 日教研室意见：审查结果： 同 意 不 同 意教研室主任签名：年 月 日中国地质大学长城学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名邱陵学号05211601专业班级11级机制6班指导教师杨运强职称教授单 位工程学院课题性质设计 论文课题来源科研 教学 生产 其它毕业设计（论文）题目3D打印机传动系统设计开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结果、参考文献等）一、课题的目的及意义1、研究目的：3D打印带来了全世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印技术的出现，将会颠覆这一生产思路，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印技术来实现，它无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。 2、研究意义：本课题研究的3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。二、研究现状在国外经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在 0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。在国内，自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。近年来，国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。三、研究内容本报告研究的3D打印机的传动系统由输人设备制定部分参数,从存储设备或者直接从计算机中得到事先建好的三维模型,由单片机对模型进行分析,切片,建立 必要的支撑结构,再从单片机输出控制指令,控制喷头型材料融化,并通过一定的驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向的移动,并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。每打好一层,从外 部设备读取下一层的参数,再打印下一层,直到全部模型完成。完成模型的打印之后,还需要后期的材料回收工作。四、研究方案3D打印机主要技术指标如下：成型体积（长宽高）： 200mm200mm200mm；打印速度：300mm/s(建议使用速度150mm/s）；打印精度：XY轴：0.1mm（推荐42步进电机）；Z轴：0.05mm（42步进电机带螺杆）；最大加热温度：300；喷嘴直径：0.4mm；耗材直径：1.75mm；喷头数量：1。设计该款3D打印机机械传动部分，完成方案规划，设计计算，图纸绘制。毕业设计（论文）的工作量要求：(1)字数要求2.0万左右； (2)外文资料翻译不少于3千汉字(或2万印刷符）；(3)折算图纸工作量不少于1图3张（包括总体图、部件装配图、零件图等）。五、进度安排2、2014-12-01至2015-01-07 编写论文提纲，撰写开题报告，进行开题。3、2015-01-08至2015-01-20 实习期间进行一步查找资料，作社会调查。4、2015-01-21至2015-02-20 撰写论文，完成第一稿，并交指导教师。5、2015-02-20至2015-04-15 完善论文并绘制图纸。10、2015-04-16至2015-04-30 专家评阅。11、2015-05-01至2015-05-15 毕业论文答辩。六、预期结果1. 了解本课题研究意义，调研本课题国内外研究情况及存在问题；写出调研报告。2. 进行课题方案规划和详细设计，完成全部设计。 3. 撰写设计计算说明书，字数不少于5000字，且打印输出并装订、格式一律参照“中国地质大学毕业设计（论文）写作规范”要求，提交毕业设计Word文档电子版并打印； 4. 提交AutoCAD图纸电子版并打印图纸。七、参考文献1 严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，2003.2 机械设计师手册.北京:机械工业出版社，2006.3 王金娥等机电一体化课程设计指导书M北京大学出版社，2012指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日教研室意见：审查结果： 同 意 不 同 意教研室主任签名：年 月 日中国地质大学长城学院本科毕业设计文献综述系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 邱陵 学 号： 05211601 2015年 4月1日3D打印机的发展前景1、3D打印概念3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，也称为增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。快速成型技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，早在20世纪90年代中期就已出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。2、3D打印机工作原理“3D打印”层层印刷的原理和喷墨打印机类似，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制采用分层加工，叠加成型的方式来“造型”，会将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层一层叠加起来，最终在计算机上的蓝图变为实物。 3D打印是一种直接数字化制造技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散，然后是喷洒一层均匀的粉末。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用，加工过程仅需确定所需塑料、树脂、金属等物料，材料耗费仅相当于传统制造的十分之一，而误差可轻易控制到0.1mm之内。它无需生产线，亦可制造那些常规方法无法生产的奇形怪状的零件。三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。分步骤描述如下：1、 三维建模通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的 DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成二维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。2、分层切割由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。3、打印喷涂由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到二维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。4、后期处理模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。3、3D打印机的国内外现状 在国外经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，美国加州大学最新开发的“轮廓工艺”技术，在美国航天局的出资赞助下，可以在24小时以内打印一栋两层楼的房子。澳洲一家石墨矿公司和一家3D打印公司合作已经可以用石墨烯打印电池，充放电速度比普通电池快1000倍。3D打印技术也已经到发展到生物打印，瑞士苏黎世联邦理工学院的3D生物打印技术团队利用肋骨的软骨组织打印出新的耳朵。在国内，多所高校开展了3D打印技术的自主研发。根据美国3D打印机行业研究机构WohlersAssociates公布的权威报告指出，中国华东科技大学已经获得多项3D打印机研究成果，另外清华大学、西安交通大学等众多大学也取得一些研发成果。近年来，国内一些企业已经实现了3D打印机的整机生产和销售，浙江湘湖已经逐渐建立起了3D小镇，整个3D产业园区为3D打印企业提供了一个很好的平台，抱团发展。3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，我国已经广泛应用到航空、航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，我国的3D打印技术也正在蓬勃发展。4、3D打印相关软件 Blender、SketchUp、AutoCAD 在3D打印的制作过程中，用到软件的方面应该是在3D打印的三维模型设计上（不包括其余过程中的常用的操作软件）。模型的设计可以说是整个3D打印过程的核心部分，是3D打印产品的根本。在此介绍几种建立三维数字化模型的建模软件。Blender：Blender是一个开源的多平台轻量级全能三维动画制作软件，提供从建模，动画，材质，渲染，到音频处理，视频剪辑的一系列动画短片制作解决方案。blender以python为内建脚本，支持yafaray渲染器，同时还内建游戏引擎。完整集成的创作套件，提供了全面的3D创作工具，包括建模（modeling）、uv映射（uv-mapping）、贴图（texturing）、索链关连（rigging）、蒙皮（skinning）、动画（animation）、粒子（particle）和其它系统的模拟、脚本控制（scripting）、渲染（rendering）、合成（compositing）、后期处理（post-production）和游戏制作；SketchUp：Google Sketchup是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。googleSketchUp软件同3dmax等3维制作软件同样，有丰富的模型资源，在设计中可以直接调用、插入、复制等进行编辑任务。AutoCAD：AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。5、3D打印技术的优缺点5.1、优点一是最直接的好处就是节省材料，不用剔 除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了 成本；二是能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表 现出外形曲线上的设计；三是不再需要传统的刀具、夹 具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生 成任何形状的零件；四是它可以自动、快速、直接和精 确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件 或模具，从而有效的缩短产品研发周期；五是3D打印 能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从 平面图到实体的飞跃；六是它能打印出组装好的产品， 因此它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生 产方式。5.2、缺点任何一个产品都应该具有功能性，而如今 由于受材料等因素限制，通过3D打印制造出来的产品 在实用性上要打一个问号。强度问题：房子、车子固 然能“打印”出来，但是否能抵挡得住风雨，是否能在 路上顺利跑起来？精度问题：由于分层制造存在 “台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度 下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需 要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏 差；材料的局限性：目前供3D打印机使用的材料非 常有限，无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。 能够应用于3D打印的材料还是很单一，以塑料为主， 并且打印机对单一材料也非常挑剔。参考文献1 孙晓林. 3D打印技术的应用J.2013-07-13.2 刘红光,杨倩,刘桂锋,刘琼. 国内外3D打印快速成型技术的专利情报分析.J2013-06.3 王忠宏,李扬帆,张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路.J2013-01-044 李青.3D打印一种新兴的学习技术.C2013-05-155 LamC;MoXScaffolddevelopmentusing3Dprintingwithastarch-basedpolymer2002(C20) 6 RoweCWMultimechanismoraldosageformsfabricatedbythreedimensionalprinting外文期刊2000(01) 7 许廷涛3D打印技术产品设计新思维J电脑与电信，2012,9 :5-78 古丽萍 蓄势待发的3D打印机及其发展J 数码印刷2011,10 :64-679 蔡恩泽3D打印颠覆传统制造业J 中国中小企业，2012,11 :46-4710 刘厚才,莫健华,等.三维打印快速成形技术及其应用 J机械科学与技术，2008，9:12-1411 刘厚才,莫健华,等.三维打印快速成形技术及其应用，机械科学与技术，2007,27(9):23-26.12 陈步庆,林柳兰,等.三维打印技术及系统研究 J机电一体化，2005，（4）:31-3213 胡发宗,赵毅,等.三维立体打印机的成形技术，上海交通大学,2012(8):16-18.3D打印机传动系统设计摘 要 打印机发出指令，这样3D打印机打印出来的的切片就会逐渐累积复制模型.文章对3D打印技术、3D打印机国内外的研究现状、3D打印机的优势极其面临问题等做了综合介绍,综述了3D打印机工作原理和特点及其发展趋势并展望了3D打印机未来的发展和突破,阐述了本文3D打印机的总体方案与结构设计、机械结构和电机与传感器的选择.关键词:3D打印机;未来发展;发展突破;方案设计ABSTRACT printerinstructions,thissectionwill bethe3D printer to print out the cumulativereplicationmodel.The article on the 3D3D printerprinting technology,the domestic and foreign research,the advantage of3D printerproblems facedto do a comprehensiveintroduction,summarized theworking principle and characteristics of3D printerand its development trendand prospect of3D printerthe future developmentandbreakthrough,expounds theoverall scheme and structuredesign,the 3D printermechanical structure andmotor andsensor selection.Key words：3D printer;future development;developmentbreakthrough;scheme design目 录引言1 1绪论21.1国内外3D打印机的研究现状21.1.1 国外3D打印机的研究现状21.1.2国内3D打印机的研究现状 21.23D打印机的发展趋势21.2.1 3D打印产业的未来发展前景 21.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势 31.33D打印机的工作原理及特点31.3.1 3D打印的工作原理31.3.2 3D打印的特点41.4发展创新与突破41.4.1 3D打印应用领域拓展延伸51.4.2 3D打印速度尺寸及技术日新月异51.4.3 设计平台革新52 总体方案及结构设计52.1引言52.2总体框架的设计62.3温度控制回路的设计62.4XYZ三方向控制电机的设计62.5喷头移动及喷出量调节的设计73 机械结构73.1传动方式的选择73.2转动惯量的计算83.3喷头的选择84 电机的选择94.1伺服电机和步进电机的对比94.2直流交流伺服电机对比104.3负载转矩的计算114.4打印速度的初步估计114.5加速和减速运动的控制114.6 振动和噪音125 传感器125.1温度传感器对比125.2机械位置传感器145.3压力传感器156 3D打印机的优点及面临问题176.13D打印机的优点176.23D打印技术面临的问题17参考文献18致谢19中国地质大学长城学院2015届毕业设计引 言 随着时代的进步，我们的生活水平不断提高，与此同时，人口的增长形成了鲜明的对比，我们需要更多的商品来满足物质生活的条件。这肯定会引起我们对商品的需求也将越来越高，做工精细，独特的货物生产将流行在人民群众之中。现在，我们有先进的技术3D打印，我们可以通过三维打印机打印出所有的东西，我们需要的和想要的。三维打印技术广泛应用，它可以应用在医疗行业，科研，产品模型，架构设计，制造和食品等，前景广阔。3D打印技术,数字模型文件是基于使用金属或塑料粉材料通过一层一层地印刷技术来构造对象。3 D打印机出现在1990年代中期,光固化快速成型设备和纸张纹理技术的使用。它基本上也是作为一个普通的打印机,打印机由液体或粉“印度材料”与电脑连接,电脑控制印刷材料层复合在一起,最终成为蓝图的电脑。今天,这项技术已经应用在许多领域,人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜点。01 绪论1.1 国内外3D打印机的研究现状1.1.1 国外3D打印机的研究现状 经过十年的探索和发展,3D打印技术在国外已经取得了很大的进步,加州大学的新开发的“等值过程”技术,在美国国家航空航天局(NASA)的赞助下,您可以打印在不到24小时内设置两层的房子。澳大利亚石墨矿公司的3 d印刷公司已经可以打印石墨烯电池,充电和放电速度快1000倍，比普通电池。3 d打印技术已经发展的生物打印，瑞士联邦理工学院苏黎世3D打印技术团队使用肋软骨打印新的耳朵。1.1.2 国内3D打印机的研究现状在国内，已经有多所高校开展了3D打印技术的自主研发。根据美国3D打印机行业研究机构公布的权威报告指出，中国华东科技大学已经获得多项3D打印机研究成果，另外包括清华大学、西安交通大学等众多大学也取得一些研发成果。近年来，国内已经有一些企业开始研发和生产3D打印机，比较突出的是浙江已经逐渐建立起了3D小镇，建立起一个3D打印产业区，为众多生产商提供了一个聚集生产3D打印机的平台。3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，我国在航空、航天等众多领域已经开始广泛使用大型复杂构件的一次成型制造，可以看出，我国的3D打印产业也在同世界看齐。1.2 3D打印机的发展趋势1.2.1 3D打印产业的未来发展前景 根据3D产业权威报告Wohlers Report 2014发布的调查结果，全球3D打印产业产值在19882010年间保持着26.2%的年均增长速度。近几年更是增长迅速，预计在2016年，3D打印设备制造和服务的产业总产值将增加到30亿美元，预计在2020年将达到51亿美元。中国3D打印产业近两年开始迅猛发展，我国已经有几家年销售额过亿的3D打印企业，并且随着EOS,Formlabs，3D Systems等国外知名的3D打印企业在国内大幅拓展中国市场，对我国的3D打印技术有着促进作用。但是现在研制生产销售的设备大多都是ABS和PLA材料，能提供金属粉末和陶瓷等材料的企业还是只有几家，所以材料问题是未来3D打印产业不得不解决的问题。随着金属粉末设备的迅速发展，未来对金属粉末的需求会大大增加，所以国内对于金属粉末的投资力度也越来越大。1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势最初的3D打印技术是用来验证工业的设计方案，再生成模型，对于创新为核心的3D打印技术，在未来的发展中一定会进入到更多的领域里，这是3D打印的高效率和低成本优势。传统工业都是采用减法工艺，通过车、铣、刨、摩、钻等切削工艺对材料进行加工，这种工艺对材料有很大的浪费，复杂的工序也需要很长的制作周期。而3D打印机就很好的解决了这样的问题，加法制造可以节省大量的原材料，制作周期也大大的减少。1.3 3D打印机的工作原理及特点1.3.1 3D打印的工作原理 三维打印技术是使用喷头喷出粘结剂,进行熔融沉淀造型(Fused deposition modeling，之后简称FDM).FDM是目前使用最为广泛的3D打印工艺，通过加热头把热熔性材料(如ABD树脂、尼龙等)加热到半流体状态，然后加热头会在电脑软件指定的轨迹运动，同时喷头将半流体状态下的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓的薄层。图1是3D打印机的简易示意图. 这个过程是首先铺粉辊从左到右移动,将粉杠里的粉末在成型缸槽均匀覆盖着一层。然后依据计算机模型，由打印头设计粉末喷射截面的第一层，在该形状的底部上，然后形成筒平台从一层粉末向下移动一定的距离, 再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的。 图1 三维快速打印技术工作原理示意图3D打印的主要工作流程如图1所示, 首先要在电脑软件上进行3D建模，3D建模质量越好3D打印出来的质量就越好. 现在CADPro/e等矢量建模软件都可以实现建模. 3首先是将模型分割成一片片薄片，每个薄片厚度由材料决定。然后再进行分割，最后像喷墨打印中将成型材料那样逐层打印到打印面板上面。 1.3.2 3D打印的特点 与传统的工业制作相比，3D打印技术有很多优势，主要优势如下: 1 精度高。 一开始的3D打印精度并不高，但是随着技术的不断成熟与突破，如今的3D打印精度已经可以达到制作需求。 2 周期短。 3D打印不像传统的制作那样，先要设计模具然后再休整之后进行制作，需要的周期很长，有时需要数周，直接建模之后增量生产，短时间之内就能将一个模型制作出来。 3 个性化制作。 以前订做模型往往需要花费巨大的资金成本，但是对于3D打印而言，制作模型的数量是随意的，都可以轻松制作出来，且成本都是一样的。 4 材料的多样性。 3D打印材料的更新速度也是非常快，如今金属石料高分子材料都可以应用于3D打印。1.4 发展创新与突破3D打印已经逐渐被人所熟知，进入了世界各大期刊杂志，普遍认为它将会改变我们的世界，可以看到人们已经开始关注并且对它感兴趣。3D打印的飞速发展，主要表现在以下方面。1.4.1 3D打印应用领域扩展延伸3D打印已经逐步走向生物领域，这是3D打印对于医学的重大贡献，包括之前的打印出耳朵组织，打印心脏的成功，标志着3D打印在生物领域的不断成熟，也是众多病人的福音。3D打印不仅是在现有的领域有出众的潜力，相信还会有更多的领域等待着它去突破。1.4.2 3D打印速度尺寸及技术日新月异3D打印的速度已经逐渐加快，如今最快的3D打印机已经可以每秒送丝超过400mm，在不同行业里，已经有多钟3D打印机的诞生不断的刷新着打印速度的记录，相信在不久的将来，3D打印机的打印速度会达到甚至远远超过1000mm每秒的梦想。1.4.3 设计平台革新3D打印未来民用化已是大势所趋，如何使其简单化也是重点，现在已经有部分企业着重于推出简单成熟的3D设计平台，并且大力开发3D打印应用，从而让所有人都能进去3D打印的世界。2 总体方案及结构设计2.1 引言 3 D打印机,从推出至今，已经逐渐走向我们的身边。它的推出被人推崇为第三次工业革命，代表着时代的进步以及科技的革新，为未来的工业带来了更加广阔的未来。本文是针对3D打印机的结构设计,对各个原件的选择是考虑到整体的合理性以及经济性，经过分析后进行的选择。3 D打印机可以运用种类繁多的材料进行打印,运用计算机建模,例如一辆汽车模型也可能是一个器官模型,之后通过3 D打印机使用不同的材料进行打印。打印的原料已经不再单调，如今已经从以前的几种单一的打印材料增加到现在的上百种材料。2.2总计框架的设计2.2.1系统概述部分参数都是由系统输入设备制定的，从储蓄设备或者计算机中获得事先建立好的三维模型，有单片机对模型进行先进行分析和切片，然后再建立需要的支撑结构，喷头接收单片机的指令对材料进行融化并发动电机，从而控制喷头在X，Y，Z三个方向的移动，同时喷出系统调节材料的喷出量，逐层打印，直到全部模型完全打印出来，最后再进行后期的修整和材料回收。2.2.2系统框架输入设备，存储外设，上位机，传感器系统单片机分析温度控制系统，X，Y，Z方向控制系统，喷出量控制系统。2.3温度控制回路设计2.3.1打印耗材的选用一方面需要熔点低，并且要很好的粘滞性，另一方面还需要快速成型。基于以上综合考虑，最终选择了PLA/ABS耗材。2.3.2设计思路概况ABS/PLA耗材的熔点大约为230，分解温度大约在260以上，因此可以初步确定成型温度约在250以下。控制回路运用温度传感器来返回当前温度，控制回路返回当前温度保证了温度的恒定，而控制器统一使用了单片机来传达命令。控制回路的顺序如下：设置空气温度单片机D/A转换器加热电路当前温度温度传感器A/D转换器单片机。2.4 X Y Z三方向控制电机设计把二维打印与一维打印结合成三维打印。就是在Z方向使用步进电机，将步进电机固定的量算出需要的步进角，控制喷头竖直方向的速度，再把X,Y方向也使用电机带动，就像喷墨打印机的原理，这样结合就使得每一个平面的二维打印进而实现三维打印。2.5喷头移动及喷出量调节的设计2.5.1喷头系统的功能要求熔融挤出系统：把成型材料放入液化器中，材料在液化器充分融化变为熔融态，然后经过内径极小的喷嘴以直径很小的丝状喷出，经过单片机的命令在与扫描速度相匹配的送丝速度堆积成型，以此来保证它的均匀和一致。2.5.2喷头实现方法设计本3D打印机选择的是PLA/ABS型打印材料，采用熔融沉积成型技术，每一片的参数控制喷头的的路径以及喷出量，使打印材料均匀铺在打印面板上。液化器中电热丝在系统控制的热量范围使材料熔融，并在设定温度值之后尽量保证恒温，不能产生较大的扰动，不然就会影响成型的质量，所以我们必须加入合适的温度控制回路来控制液化器的温度。3机械结构3.1传动方式的选择支持直线运动的传动方式主要是螺杆，和皮带两种，螺杆精度高，载荷大，速度低。3D打印机打印头基本不受力，没有载荷要求，打印机X,Y轴方向需要的速度较高，在Z轴方向上需要精度较高，对于速度的要求不高。3D打印机的传动设计一般都是在水平方向使用带传动,垂直方向用螺杆。滚珠丝杠和滑动丝杠的选择：滚珠丝杠效率高，传动速度高；滑动丝杠有自锁性，价格低。滚珠丝杠是如今精密器械最常用的传动元件，传动效率可达90%以上，是将旋转运动转化为线性运动，传动效率可达90%以上。与滑动丝杆相比驱动力矩为1/3因为滚珠丝杠副的丝杠轴和丝母之间有很多在做滚动运动的滚珠，所以运动效率比较高，跟滑动丝杠副相比，驱动力矩在1/3以下，效率可以达到滑动丝杠副的三倍，节省电力。无间隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加入一定的与压力，可以让轴向间隙为负值，提高刚性。使用寿命高滚珠丝杠副所受损伤比滑动丝杠副所受损伤小很多，只要清洁和润滑达到要求，滚珠丝杠副的使用寿命可以高很多。价格差异不大如今的自动化设备逐渐增多，滚珠丝杠副的产量也越来越大，因此现在的滚珠丝杠副已经和滑动丝杠副的价格差异越来越小。3.2转动惯量的计算滚珠丝杠依采用JB/T98931999，长度=1m，公称直径=12mm，公称导程mmPh40.对本体系来说，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为：Jt=Z1+1/i2Z2+JS+JW(kg.m2)其中i是两齿轮的传动比，设i=Z1/Z2=1其他符号说明如下：Z1齿轮l及其轴的转动惯量；J1=0.0018kg. m2；Z2齿轮2的转动惯量，取J2=0.0018kg. m2；Js丝杠转动惯量，kg. m2；Jw-为工作台折算到丝杠上的动惯量；W工作台重量，工作台轻，取6kg；S丝杠螺距，4mm；g重力加速度，9.8m/ s2；圆柱体转动惯量：J=1/8MD2；M-圆柱体质量；D-圆柱体直径；选用丝杠的密度（类于铁）：7.8g/m3；滚珠丝杠的转动惯量为：JS=1/4D2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )Jw=6*0.0042/(9.8*42)=2.48*10-7( kg.m2 )因此 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。从上述计算公式可以看出，Jt很小，主要是由两个齿轮的转动惯量来决定的，这样对电机的功率输出要求不那么过于严厉，在功率不高的情况下，可是完成高转速。制动性能和反应都比较好。这类电机的最高转速达到了3000r/min左右，假如最高转速在3000，按照360dpi的分辨率来思考，则每英寸25.4mm对应360个色点，每两个色点之间的距离是25.4/360=0.07mm,加上打印所使用的喷头为双排，因此打印喷头的周期移动距离d=0.072=0.14mm，喷墨和喷粘剂各一次，两个喷头同步喷出。假设机械精度为0.005mm，所对应的脉冲当量为：i=1是，求得丝杠转一圈，喷头前进4mm，则机械精度所对应的丝杠转一周，上位机所发出的脉冲指令时4mm/0.005mm=800(个)，对应的转速为3000，上位机脉冲的能力在8003000/60=40000r/s，对应的6000转速，上位机脉冲能力为80000r/s，电齿轮不变。CMX：电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。CDV：电子齿轮比的分母是上位机的给定脉冲（指令脉冲）。电子齿轮比=CMX/CDV=（131072100）/80000=6553600/200000=32.8。上述计算电子齿轮比方便控制中心按给定指令要求控制伺服转动定位，所以，通过上位机的脉冲能力计算，等对比实现的可能性，知道我们方案的合理性。3.3喷头的选择选用3DA-001B型号，宽度和分辨率都达到规定要求。4电机的选择4.1伺服电机和步进电机的对比控制电机的选取和比较：电机控制系统依据运动过程的需要可分为驱动伺服和驱动步进两大类，而伺服又有速度控制盒位置控制模式。伺服电机步进电机控制类型控制精度低频特性矩频特性过载能力运行性能速度响应性能闭环控制两种混合式步进电机步距角一般是1.8，0.9，五相混合式步进电机步距角是0.72，0.36。步进电机在低速时容易出现低频振动现象。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，并且在较高转速时会急剧下降，所以最高工作转速在300600r/min。为了克服这种惯性力矩，在选取转矩的电机的时候，机器在正常工作期间又需要大的转矩，就会出现力矩浪费。交流伺服驱动系统是闭环控制，内部构成位置环和速度环，通常情况下不会出现步进电机的丢步或过载现象。交流伺服系统的加速性能较好，一般把它用在需要快速开启快速停止的控制场合。开环控制带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，其脉冲当量为360/131072=0.0027466，是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。交流伺服电机运转非常平稳，即便在低速时也不会出现振动现象。交流伺服电机为恒力矩输出，其额定转速一般在2000r/min3000r/min,所以它可以输出额定转矩。步进电机因为一般不具有过载能力，所以通常需要选取较大转矩的电机来克服惯性力矩，但是机器只需要较小的转矩就可以正常工作，所以会出现力矩浪费。在选型时一般选择更大转矩的电机来克服惯性力矩但是机器只需要较小的转矩就可以正常工作，所以会出现力矩浪费。步进电机到工作转速所需时间非常短，一般在200400毫秒。4.2交流直流伺服电机对比伺服电机可以考虑直流和交流两种：直流电机因为自身的缺点，需要经常维护。与直流电动机相比，相同体积的交流电动机要比直流电动机提高2070的输出功率。4.3 负载的分类（1）Tf力矩负载：Tf = Gr G 重物重量 r 半径 （2）TJ惯性负载：J = M（R12+R22）/ 32 （Kgcm）M：质量R1：外径R2：内径TJ = Jdw/dt dw/dt 为角加速度 4.4 力矩曲线图的说明 步进电机的输出特性可以用力矩曲线图表现，下面对力矩曲线图的关键词做出说明。 说明：1. 工作频率点：步进电机在该点的转速值。单位：Hzn=*Hz / （360*D）n 转/秒Hz 该点的频率值D 电路的细分值， 步进电机的步距角4.5 加速和减速运动的控制系统在力矩曲线图区域之内工作，需要在最短的时间内进行加减速。步进电机的动态力矩在高速时很低，但是在低速却很平稳。 4.5.1 直线加速度运动电机负载为TL，要从F0 在最短时间tr内加速到F1，求tr 和 加速脉频率F（t）A确定TJ，一般TJ =70% Tm。Btr = 1.8*10-5*J*（F1-F0）/ （TJ-TL）C.（）（） ， 0 t tr 4.5.2 指数加速运动 电机负载为TL，要从F0 在最短时间tr内加速到F1，求tr 和 加速脉频率F（t）A.确定TJ，一般TJ =70% Tm,TJ =70% Tm,TL=60%Tm1Btr = F4*ln(TJ0-TL)/(TJ1-TL)C.（）F2*1-e(-t/F4) ， 0 t tr 其中，F2=(TL-TJ0)*(F1-F0)/(TJ1-TJ0)F4=1.8*10-5*J*F2 /( TJ0-TL) 4.6 振动和噪音 步进电机空载时，在200pp振动最为严重，还可能出现失步现象。一般解决的办法是避开振动区，使电机的工作频率不在这个范围内。5 传感器5.1 温度传感器对比温度传感器的接触式特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以可方便地组成多路集中测量与控制系统。a从以上两个表可以看出，温度在1000以下的误差较大，所以选择接触式传感器。本设计选用温度范围为-50150的铜材料热敏电阻，精度以及灵敏度都符合本设计所需要的传感器。5.2 机械位置传感器 X,Y轴传动使用带传动，Z轴使用的是滚珠丝杠。传感器的位置在传动路线终点。5.3 压力传感器用压力传感器检测喷头的喷出量以及粉末使用量，在分量不够或者超过的时候进行反馈和提示。6 3D打印机的优点及面临问题6.1 3D打印机的优点 3D打印技术主要有以下优点： 1.3D打印技术可以有效的加工工程中任何复杂的零部件结构，提高企业的研发效率。 2.CAD/CAM技术的集成，快速成型技术集成CAD.CAM激光技术.数控技术.化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。 3.作为增材制造，对材料的使用率高，基本上可以做到无消耗。 4.材料种类多，推出新材料的速度也越来越快，可以选择不同的材料制作个性化的产品。5. 节省劳动成本，利用3D打印技术，工厂可以快速设计制造模具，从而批量生产。6.2 3D打印技术面临的问题现在3D打印机还需要解决很多问题，3D打印机价格偏高，材料价格虚高，外购3D打印机和打印耗材的税收也是相当高，所以还没有实现普及。3D打印机的速度也需要大幅度提升才能进行真正意义上的大规模批量生产。参考文献1许廷涛3D打印技术J电脑与电信，2012,9 :5-72机械设计师手册.北京:机械工业出版社，20063蔡恩泽3D打印颠覆传统制造业J 中国中小企业，2012,11 :46-47 4 刘厚才，莫健华,等.三维打印快速成形技术及其应用 J机械科学与技术，2008，9:12-14 5 陈步庆，林柳兰，等三维打印技术及系统研究 J机电一体化，2005，（4）:31-32 6 杨小玲，周天瑞.三维打印快速成形技术及其应用，浙江科技学院学报，2009,21(3):78-80. 7王金娥等机电一体化课程设计指导书M北京大学出版社，2012 8胡发宗，赵毅，等.三维立体打印机的成形技术，上海交通大学,2012(8):16-18. 致 谢时光匆匆，四年的大学生涯即将画上句号。大学四年感谢孜孜不倦的老师，还有善良可爱同学们，中国地质大学长城学院陪伴了我四年，不但教会了我知识，更是让我懂得了成长需要的责任与担当，成熟与稳重。毕业论文暂告收尾，这也意味着我在中国地质大学长城学院的四年学习生活既将结束。回望过去，四年的大学生涯，让我在众多老师的指导下，学习了我未来所需的知识，也让我在离家数千公里的保定有了另一个家，这里的老师和同学们就像我的家人一样，那么的亲切可爱。在这里，首先我要感谢我的导师杨运强教授。感谢老师的悉心指导我才能顺利完成我的论文。在选题之前我对3D打印机特别感兴趣，感谢老师对本选题的重视，从提纲、完成初稿、修改再到定稿都一一过问，花费了大量心血。导师对学生论文一丝不苟的精神深深促动了我，也鼓励我要成为这样的人，不只是在对待毕业设计还是未来的路，都要认真踏实的对待。其次，我必须感谢父母对我学业的支持，虽然离家较远，但是父母的关心无时不在，让我备受感动。然后，我要感谢大学所有的老师和同学们，谢谢你们的关心和鼓励，谢谢你们的帮助与支持，让我度过了一个有意义有阳光的大学。感谢在做毕业设计的时候所有给我帮助的人，谢谢你们帮我战胜困难，坚持到最后完成此次毕业设计。感谢我的母校-中国地质大学长城学院。 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，和参与本人论文答辩的各位老师表示真诚的感谢，谢谢。 邱陵 2015年4月20日18中国地质大学长城学院本科毕业设计外文资料翻译 系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 邱陵 学 号： 05211601 2015年 4 月 1 日3D打印机3D打印技术（英语：3Dprinting），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。3D打印技术出现在上世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这一技术如今在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。 近年来,3D打印技术发展迅速,在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。具体应用领域包括：1、机械制造：3D打印技术制造飞机零件、自行车、步枪、赛车零件等。2、医疗行业：在医学领域，借助3D打印制作假牙，股骨头、膝盖等骨关节技术应用也非常广，技术越来越成熟。3、建筑行业：