FDM型3D打印机机械结构设计【含3张CAD图纸】
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本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：FDM型3D打印机结构设计学 院： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 开题时间： 年04月1.1课题的意义3D打印(3D printing，又称三维打印)是一种快速成形技术，由意大利发明家恩里科迪尼设计发明，理论上这款打印机可以打印出任何东西1。它以数字化模型为基础，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构造物体。由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3D打印技术早在20世纪90年代中期就己出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推普及。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。目前，3D打印技术己经应用到许多学科领域，在生产应用方面有着巨大的潜力。3D打印技术在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科及医疗方面都能得到广泛的应用2。工程师和工业设计师利用3D打印将设计方案转换为原型并测试;外科医生使用3D打印制作器官模型以协助策划复杂的手术方案;考古学家和博物馆的技师利用3D打印制作珍贵文物的复制品，并在此基础上开展研究。这样的创新应用正不断进入大众的视野3。3D打印也为教育行业打开了一扇新窗，一些教育机构和组织正在研究。探索如何将该技术应用到教学和学习中，学生不仅可以享受到这种最新潮技术辅助教学的便利以及各种创新用法，还可以此作为促进他们学习设计技能的推动力，更会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远的影响3。第三次工业革命又称为数字化革命。互联网的发达、手机的普及正将我们包裹在用数字构成的纵横交错大网中。在这个阶段，制造业会受到影响，发生巨大变化，商品的制作方式将改变，就业格局也将打破1。3D打印机也将改变传统的生产模式以及企业之间的生产关系，同时为创业者提供更多的机会，打破传统创业时遇到的困难。大企业可以不用通过迁厂和在其它国家购买零部件来降低生产成本，尤其能鼓励一部分制造行业回迁发达国家。小企业也随着制造业小批量生产可能变得更加划算，而也有了和大企业竞争、抗衡的机会，甚至怀揣老板梦的打工一族也可以不用因为没有雄厚的资金而停止对梦想的追逐。不管大件物品还是小件物品都无需在生产车间进行生产，不管是办公室、商店或者是自己的家里，任何地方，都可以根据自己的需要选择而没有地域限制1。基于以上的论述，3D打印机对制造业的发展已带来革命性的发展，其意义主要体现在以下三个方面： 一是制造工艺的深刻变革。3D打印的特点在于通过逐层堆积材料进行加工，而不是通过去除多余材料进行加工。因此，这项工艺也被称作“堆积制造”或“添加制造”。这改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时问，带来了制造工艺的深刻变革。 二是制造技术的重大飞跃。3D打印技术是一种新兴的高科技技术，综合应用了CAD/CAM技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，3D打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。 三是制造模式的一次“革命”。3D打印作为一种新的加工工艺，将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。3D打印机的推广应用将减少产品推向市场的时问，产品用户只要简单下载设计图在数小时内通过3D打印将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件，不需要大量的工人4。1.2课题的国内外现状及发展趋势1.2.1 3D打印机的总体发展趋势3D打印机的总体发展趋势是更小巧，更便宜，更具有普及化。发展路线是由实验室走向企业，由军工向重工继而向民用。越来越贴近的走进我们的生活之中。如在尺寸方面，这项技术变得更小巧，尤其是在喷塑打印机这一类5。在价格方面，在近24个月里，价格跌到了3D打印吸引更广泛受众的价位5。能够打印工业制造原型的商用机型以前价格一度高达10万美元，如今起价只要约15000美元，而面向爱好者和教育市场的个人3D打印机售价更是不到1500美元5。在使用方面则更具普及化，目前3D打印技术支持多种材料，可以广泛应用在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科、医疗甚至美食等不同领域6。122国外3D打印机的研究及发展现状对于3D打印机在国外的发展情况，整体上要领先国内。这种领先不仅体现在纯粹的技术方面。而更加体现在普及度，市场化和商业化等方面。3D打印技术经过十多年的探索与发展，日前能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。当然受到喷墨打印原理的限制，打印速度势必不会很快，目前较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率，相比早期产品有10倍提升，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。 2010年2月，Invetech公司和Crganovo医学公司合作，研制出了首台商业化的3D生物打印机，对提取的活体进行组合排列，打印出所需要的细胞，误差可以控制在20微米之内，能够打印人体的组织和器官，包括动脉和静脉而管以及小到牙齿、大到血管网在内的身体器官。 2010年5月。意大利发明家恩眼科迪尼成功研制出一种叫做“D外形”的大型二维打印机，能够扫印山整个立体建筑体。“D外形”二维打印机的底部有数百个喷嘴，可喷洒出沙子和镁质钻合物薄层。打印机喷头打印出的每个薄层仅有510毫米厚，通过一层层地将黏合物和沙子结合，可逐渐铸成石质固体，最终形成与岩石一样坚固的石质建筑物，已建造出内曲线、分割体导管和中空柱等各种建筑结构，且打印建筑物的速度是普通建筑方法的4倍，几乎不会产生废弃物，十分环保。 2010年9月，美国科学家发明了一种可打印出塑料立体物品的3D打印机，美国医疗行业生产模型公司用3D打印机“打印”出拥有完美功能的假肢。 2010年11月，美国与加拿大两家公司研制成功全球首辆利用3D打印枝术制造的Urbee双座汽车。Urbee用电池和汽油作为混合动力，每加仑汽油能够在高速公路上行驶320公里。 2010年12月，美国康奈尔大学科研人员研制出3D食物打印机，只要把“食物墨水”预先放进一组注射器内，再下载食谱软件“FabApp”，机器便会根据电子设计图，结合计算机辅助设计软件，令各种“墨水”按照指令准确落墨，逐行逐层“打印”出立体食物。 2011年1月，美国公司开发出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印机，能在几分钟内用塑料打造出结构简单的塑料物品。如浴缸、塑料瓶、镜框、支架垫、螺帽等，以及任何几何形状物休。 2011年1月，麻省理工学院媒体实验室的研究人员使用了一台Objec公司生产的Connex500成功“打印”出了一只长笛。 2011年6月，时装设计师玛丽黄与3D模型专家詹娜费瑟利用Rhino 3DCAD设计软件创造出3D打印泳衣的蓝图，然后通过3D打印机打印出比基尼泳衣，最薄处仅为0.7毫米。由于使用了尼龙12材料，质地非常柔软而且不易破裂。 2011年7月，英国伦敦皇家艺术学院设计专业学生设计山“太阳能烧结”3D打印机。能在全自动的情况下将阳光和沙子转化成玻璃制品。它运用了烧结技术。先是将一些沙子加热至熔点，然后再将它们冷却并凝结成固体（即变成玻璃）。此外，这台3D打印机还能自动移动到合适的位置，以获取最多的大阳光射线融化。 2011年7月，英国埃克寒特大学的研究人员开发出世界第一款使用液态巧克力作为“油墨”的 3D巧克力打印机”。可以打印出既有实用功效又不乏食用价值的巧克力日用品和服装。 2011年7月，美国明尼苏达州厂商开发出Stratasys Fortes 250mc 3D打印机。它使用ABSplus塑料进行3D打印，可注入多种颜色的塑料，支持0.007英寸、0.01英寸和0.013英寸3种厚度的单层材料输出，可以打印出形状较为准确的磨具、工艺品。 2011年8月，英国南安普敦大学的工程师设计并放飞了世界第一架“打印”出来的飞机“SULSA”，这是一种无人驾驶飞机，整个结构均采用这种“打印”方式，包括机翼、整体控制面和舱门。“SULSA”使用ROS ROSINT P730尼龙激光烧结机打印，通过层层打印的方式，整架飞机可在几分钟内完成组装并且无须任何工具。这款电动机翼展2米，最高时速接近160公里7。 目前的全球3D打印机行业，美国ZCorporation和Stratasys两家公司的产品占有绝大多数市场份额。美国Stratasys公司率先推出了基于FDM技术的快速成型机，并很快发布了基于FDM的Dimension系列3D打印机。FDM枝术有其得天独厚的优势，适合汽车、家电电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域。第一台商用的3D打印机出现在1986年，但3D打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的Scans E.M.和CimaMJ.等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的。目前，在3D打印领域比较著名的公司有3DSystem、Z-corporation等。经历十多年的探索和发展后，3D打印无论在技术、造价，还是应用领域方面都有了长足的进步。在打印技术方面，目前，主流打印机能够在0.01 mm的单层厚度上实现600dpi分辨率的打印精度，较先进的产品己经具备每小时1英寸以上的垂直打印速率，并可实现24位色彩的彩色打印iii用于打印的材料涵盖从石料。金属到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，己经开发出的可打印材料约为14类，可混搭出一百多种耗材。在造价方面，3D打印机的售价正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售价己经下降到2199美元，高端的Replicator 2X也仅售2799美元，预计几年后家用型的3D打印会降价到100美元以内3。玛丽华盛顿大学的教师在 2012年的设计入门课程中使用3D打印机作为学习环境。由学生扫描实物或自己设计出物品，打印出原型，并在此基础上试验和改进。在FullSail大学，学生们使用该技术制作3D漫画人物，他们利用三维软件设计人偶并打印出塑料模型。美国弗吉尼亚大学的学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞，飞机的所有零部件都是通过3D打印制造的。美国国家科学基金会(NSF)的数字图书馆项目提供了很多3D动物和器官结构模型，包括无脊椎和脊椎生物，很多是己灭绝生物。该项目的参与者正在扫描并打印复制占人类化石。哈佛大学博物馆的研究人员也在利用计算机为收集到的残缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出复制品3。同时国外3D打印机的商业化、普及化、工业应用上也发展的相对成熟。美国的3DSystems公司这些年不仅将市场放在重工方面，除了生产价值500万的重工产品外，还生产可以打印吉他等玩具的产品。3DSystems公司为消费者提供了结合功能性和适应性的最佳产品，他们推出的打印机无须组装，使用简单的“彩色图木”设计界而进行操作。毫无疑问，家长们希望自己的孩子玩的东西，不要像高中手工课的组装作品那么复杂。除了简单，3DSystems公司还推出预先制作的应用程序，提供给最有创意的Cube 3D打印机用户，让他们使用免费软件自己绘制设计图。同时该公司的BoM HBD打印机也提供按需定制的服务。对于企业用户来说，3DSystems公司还为他们提供了在网上销售设计产品的渠道。这些在行业中的主导优势，让3DSystems公司一直运行良好，目前的毛利润率接近50% 7。123国内3D打印机的研究及发展现状自20世纪90年代，我国国内有多所高校自主研发RP技术，但是没有一款达到国际水平的3D打印机成功推向市场。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论。SSM分层实体制造、FDM上艺，并开展了基于SL工艺金属模具的研究;华中科技大学研究LOM(分层实体制造)工艺，推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成型精度0.2mm。我国港台地区的很多高校、企业都有自己的3D打印设备，RP技术应用更为广泛，但并非自主研发7。在中国的大学校园中有很多的实验室或研发中心，华中科技大学的快速成型机制造中心成立于1991年，到现在整整21年，在这一过程中研发了不少的3D打印机。2000年，该中心研发出0.1m0.1m工作面的基于粉末床的快速制造装备，2003年，扩大到0.5m0.5m，超过了当时代表国际先进水平的美国3DSystems公司，2005年以后，工作面达到1m1m以上，据媒体称，这一产品的问世远远超过国外同类装备水平8。但在商业化和普及化方面，我国的发展却不及国外的水平。例如将这些成品产品化，似乎将会带了一次新的制造业革命，事实上，我国普通民众对它还知之甚少。同时我国也存在市场错位的问题。由于史玉升研究团队研制出了世界上最大的3D打印机，中央电视台我爱发明节目组专门为他们做了一期节目，制作平时常用的生活用品，让人们对未来有无限的想象，也勾起了大众对3D打印机进入普通家庭的遐想，然而市场反应让人失望。目前在A股上市公司中仅一家直接涉及到该领域，其中南风股份和中航重工主要依托于北京航空航天大学王华明的团队，华中数控主要依托于华中科技大学的史玉升研究团队，随着这几家公司宣布进入3D打印领域，他们的股价短期上涨后便开始大幅同落。这三家上市公司将市场放在了军工、航空、核电等方面，民用方面无人问津8。所以我国3D打印机的发展不仅要在技术方面要有长足的发展，继续突破，追赶世界水平。同时，在市场营销，产品推广，使用普及方面也应该有所发展。1.3课题的目的通过对国内外目前3D打印机的发展水平的分析，此次课题的目的首先是在技术方面进行探索，进行3D打印机的结构功能设计。同时也应对3D打印机的推广及普及有所作用。2. 主要工作及理论方法本文运用机械设计、机械制造等的基本理论及相关知识，对3D打印机结构进行研究及设计。该论文的主要内容包括：(1)整体尺寸的确定；(2)动力及传动方法选择及确定；(3)进料装置设计；(4)机床防护门的设计。3. 预计困难及解决方法(1)首先自己之前对3D打印技术了解较少，也没有过全面的对实物的观测，对3D打印机的具体结构比较朦胧。应该通过多看相关的书籍，查看相关资料，以及向老师请教；(2)英文文献相关资料少，查找比较困难，英语水平有限，翻译需要些时间；(3)缺乏设计经验和方法,在实际的工作过程中可能还会遇到很多没有考虑到的问题。4. 进度安排步骤周次工 作 内 容 安 排 13月17日-3月23日查阅资料，了解课题内容 23月24日-3月30日按要求完成外文资料的翻译 33月31日-4月6日在了解相关资料的基础上，完成开题报告的撰写 44月7日-4月13日总体结构方案讨论，初步确定 54月14日-4月20日总体支撑方案设计 64月21日-4月27日传动方式的计算机确定 74月28日-5月4 日托板（工作台）传动及运动设计与计算 85月5日-5月11日工作台关键件校核 95月12日-5月18日打印头部分传动及运动设计与计算 105月19日-5月25日打印头部分与关键件校核 115月26日-6月1 日总装图设计及校对 126月2日-6月8 日部件图设计及校对 136月9日-6月15日撰写论文 146月16日-6月22日论文及图纸的完善、修改 156月23日-6月29日准备答辩5.参考文献1 张光照. 3D打印机-真实打印梦想J. 文化月刊（下旬刊）2012，07：51-532 刘欣灵. 3D打印机及其工作原理J. 网络与信息 2012，02：303 李青. 3D打印一种新兴的学习技术A. 远程教育杂志2013，04：29-354 左世全. 3D打印机技术大潮来袭J. 装备制造2012，08：92-935 潘巍. 3D打印机进入主流指日可待J. 微电脑世界2012，02 ：10-146 王月圆. 3D打印技术及其发展趋势J. 印刷杂志2013，04 ：10-127 古丽萍. 蓄势待发的3D打印机及其发展J. 数码印刷2011，10 ：64-678 孟剑. 中国的3D打印机何时走出校园J. 中国新时代2012，12 ：78-799 Barbara Leukers，Stephan H.Irsen，Stefan Milz. 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