开题报告-3D打印机结构设计

开题报告3D打印机结构设计开题报告综述随着社会进步，科技发展，人们对生活质量要就越来越高，生活节奏也越来越快，人们就期盼一种更便捷的生产的机器，更高的办事效率，更低的做事成本。在19世纪末的美国就开始有了3D打印的思想，到21世纪初已经变为了现实。3D打印机的出现既代表了人类在科技的发展上取得了进一步的进展，又代表了未来人类将可以摆脱繁琐的生产线，例如在建筑，零件加工方面等方面。3D打印是一种快速成型技术，又称为快读原型制造（RapidPrototypingManufacturing,简称RPM），是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是制造业近20年来制造业的一个重要成果。它是集机械工程、逆向工程技术、数控技术、激光技术、CAD、分层制造技术、材料科学于一身，可以将思想设计转变为具有一定功能的原型或直接制造的零件。以数字模型文件为基础，利用特殊蜡材，粉末状金属或塑料等可黏合材料，打印出一层层粘合材料利用叠加原理最终打印出3D物品。3D打印机在上世纪出现的时主要是利用光固化和纸层叠的快速成型的技术。经过几十年的研究和发展3D打印机已经不仅仅是局限于光固化和纸层叠。现时代的3打印机可以用各种各样原料打印三维模型，不管是房子还是人工心脏瓣膜只要是通过电脑设计好模型，之后通过相关的3D打印机就可以打印出需要的东西，打印的原料也可是多种多样的，包括无机的或者有机的材料，例如橡胶，塑料等等。3D打印作为近年来的新兴技术，在很多发展领域有很大的发展前景，例如：航天科技，3D打印机制出飞机发动的部件：医疗行业的骨骼打印，建筑领域，制造业及食品行业。2010年，一位名叫恩里科迪尼的发明家设计出可以打印出完整的建筑的3D打印机，这种打印机比正常的建筑方法要快四倍，而且需用的原料也只有原来的三分之一到三分之二，并且不会产生其他的废弃料。这台打印机的原料是沙子，打印机工作时同时会有上千个喷嘴中喷出沙子和镁基胶（这是一种特定的胶，可以将沙子粘成像岩石一样坚固），然后按照电脑模型一层沙子一层胶喷上这种材料，最后打印出设想的模型。德国发布了目前为止最高速的纳米级别微型3d打印机——PhotonicProfessionalGT。此3D打印机，能制作纳米级别的微型结构，以最高的分辨率和快速的打印宽度，打印出小于人类头发直径的三维物体。世上最小的3D打印机来自维也纳技术大学，由其化学研究员和机械工程师研制。这款迷你3D打印机只有大装牛奶盒大小，重量约3.3磅（约1.5公斤），造价1200欧元（约1.1万元人民币）。相比于其他的打印技术，这款3D打印机的成本大大降低。研发人员还在对打印机进行材料和技术的进一步实验，希望能够早日面世。3D打印技术自上世纪90年代初传入我国开始一直到现在深受国内广大热爱科学的工作者所喜爱。从打印设备到打印材料的研发，国内都有着深入的研究。现在，3D打印的节能节材的特点高度符合我国可持续发展战略，因此在国内又掀起了一场3D打印热潮。许多企业，高校，包括政府都开始纷纷踏足三维打印中。高校和科研机构通常是先进技术的研发地和先行者，清华大学是国内最早开发快速成型技术的单位之一，在3D打印技术理论，成型工艺等方面都有很深入的研究。清华大学自行制备LOM工艺用纸，并开发出了系列同型设备。西安交通大学也在电子束熔融直接金属成型，以及光固化成型等3D打印基础工艺方面有深入的研究。华中科技大学史玉升科研团队经过多年努力，在此方面有了重大发展，研发出全球最大的“3D打印机”。从理论上说，只要小于1.2米的零件，都可通过这台机器“打印”出来。相信在不久的将来我国的3D打印技术也会有突出的发展。三维打印机不仅使物品的制造成本降低，而且缩短了制造周期，同时激发了人们的想象力。3D打印发展前景十分广阔，专家预测，随着3D打印的发展与成熟，从食物，建筑到飞机，宇宙飞船，都会有3D打印机直接或间接生产的产品。所以大力发展3D打印机有助于我国科技发展，实现可持续发展战略目标。因此我决定在这次毕设中研究设计一款3D打印机，进一步了解3D打印机原理和现阶段发展状况，为将来自己在这方面的研究发展做一个殷实的基础。二、研究内容1、xy扫描装置设计2、升降工作台设计3、整机总装配图设计设计一个3D打印机，可以通过加热来融化塑料，并且从喷头喷出，机械手在按电脑规划的路线打印出实物的平面图，通过叠加原理一层一层堆积出模型。实现方法及预期目标本文主要是对3D打印机的结构进行设计，主要包括电机控制位移系统。其中最主要的电机控制系统（机械结构）分为驱动喷头和控制位移两大部分。在机械系统设计方面主要由两方案，具体如下：方案一：喷头直接将热固性塑料原料喷在底板上，喷头进行直线运动，生成的一条条塑料线条最后累积成想要实物的截面面积。同时在喷头旁边设有一个电机控制喷头在Z轴方向的高度，随着高度一点一点增加，就可以打印出想要的3D实物。方案二：原料通过黏胶实现他们黏结在一起。设置两个喷头一个是原材料喷头，另一个为黏胶颗粒喷头。黏胶颗粒喷头跟方案一一样，喷出想要的实物截面图样，此处用的黏胶颗粒是粘稠度较大的颗粒，喷在加热底板上之后不会融化流动，之后原料喷头喷出原料之后就会和黏胶结合。在Z轴后方向的移动与方案一相同。最终得出实物。方案二虽然对原料材料要求简单，但是在实现喷洒原料粉末时实现喷洒均匀，厚度一样的控制比较难实现，操作难度大，而且操作复杂。需要有喷洒黏胶颗粒，喷洒原材料的两个喷头，还有对远原材料颗粒粉末进行铺平、压实的滚筒，并且需要设置回收多余的原材料粉末的装置。二者比较之后，方案一制作成本低，操作容易，所以综上考虑，选用方案一。X,Y轴构成平面扫描运动框架，扫描运动由伺服电机控制喷头运动。X轴机构丝杆-导轨-齿轮机构，由电机控制齿轮转动，齿轮带动丝，从而实现喷头在X轴方向的移动；Y轴机构选用丝杆-齿轮机构，同样利用电机带动齿轮，齿轮带动丝杠，从而实现喷头在Y轴方向的移动；Z轴是垂直于XY平面的运动，由伺服电机驱动控制运动，选用丝杆-齿轮机构进行运动与X,Y轴同理。运动简图如下所示。图1运动简图1、5、7、11、12、14-----齿轮6-------喷头2、3、4、8、9、10、13、15、16、17-----滑块18,19,20------齿形同步带X轴方向：电机通过带动齿轮1转动，齿轮1带动同步带运动，同步带带动齿轮14同向转动，齿轮带动丝杠转动从而实现滑块3、9、13、17在X轴方向的移动，最后实现喷头6和控制Z轴的丝杆在X轴方向的移动；Y轴方向：电机通过带动齿轮11转动，齿轮11带动同步带运动，同步带带动齿轮12同向转动，齿轮带动丝杠转动从而实现滑块15、16在Y轴方向的移动，最后实现底板在Y轴方向的移动；Z轴方向：电机通过带动齿轮5转动，齿轮5带动同步带运动，同步带带动齿轮7同向转动，齿轮带动丝杠转动从而实现滑块3、9在Z中轴方向的移动，最后实现喷头6在Z轴方向的移动；图2喷头结构原材料有上方的细软管输送进来，在喷口处会有加热圈进一步加热融化的塑料，防止输送过程中热量消耗，是原材料提前硬化，影响表面质量。由于X,Y,Z轴方向的移动原理相同，所以就X轴方向的移动做具体说明：下图是齿轮带动丝杆的具体运动图图3齿轮与齿形同步带最初选择的是三个齿轮啮合传动，从而实现两个丝杆实现同向传动，但由于齿轮结构及重量较大，会增加制作成本及机器结构，因此选用齿形同步带。电机带动左边齿轮转动，齿轮带动齿形同步带转动，从而使右边齿轮与左边齿轮可以实现同步的同向转动。图4丝杆传动简图1--------丝杆2-------滑块丝杆1转动，通过滑块与丝杆的螺纹副传动，从而使滑块2运动对进度的具体安排第1周：开始调研，查阅相关资料第2～3周：文献阅读，方案设计，外文翻译，完成开题报告。第4周：完成前期工作，确定最终方案，制定设计路线，开始理论计算。第5~7周：理论计算，草图绘制，结构设计，简单模型绘制。第8~11周：结构设计，详细设计，三维模型设计绘制。第12周：装配制作。第13周：检查，修改更正。第14周：完成论文。第15周：整理资料，准备答辩。第16周：答辩参考文献[1]封会娟;闫旭;唐彦峰;董岳；3D打印技术综述[J]；2014[2]李昕；3D打印技术及其应用综述[J]；2014[3]郭璐；3D打印技术发展综述[J]；工业技术创新；2016[4]赵翀;邓晓波;郝晨晖;王婷;赵凤霞；Stratasys公司FDM-3D打印专利技术综述[J]；2016[5]郭振华;王清君;郭应焕；3D打印技术与社会制造[J]；宝鸡文理学院学报(自然科版)；2013[6]于霞;孙伶俐;张菽；3D打印技术在美国装备研制中的应用[J]；国防制造技术；2016[7]何敬志；新型压电式喷墨打印头一体化腔室制造[D]；大连理工大学；2015[8]ZakariaBOUGHALEM；用于成形电极制备的金属熔丝沉积3D打印技术验证平台[D]；上海交通大学；2014[9]胡瑞珍;黄惠;3D打印启发下的模型实例化优化研究综述[J]；计算机辅助设计与图形学学报；2014[10]LILin;CHUXiao-li;NieWenchao;；ARapidGenerationMethodofCharacterDollwithRotatableLimbsOrientedto3DPrinter[J]；ComputerAidedDrafting,DesignandManufacturing；2014[11]SitiAfifahMohshim；FastPrototypingandLowVolumeManufacturingUsing3dPrinter[J]；ConferenceProceedingsof3rdInternationalConferenceonAdvancesinEngineering&Technology(KualaLumpur)；2014[12]姚妮娜;彭雄厚；3D打印金属粉末的制备方法[J]；四川有色金属；2013[13]刘鑫;余翔;张奔；中美3D打印技术专利比较与产业发展对策研究[J]；情报杂志；2015[14]朱艳青;史继富;王雷雷;钟柳文;李育坚；3D打印技术发展现状[J];制造技术与床;2015[15]柳建;雷争军;顾海清;李林岐;3D打印行业国内发展现状[J];制造技术与机床;2015指导教师：（签署意见并签字