毕业设计（论文）-3D打印用复合材料丝材制备装置设计

本科毕业设计（论文）理工学院毕业设计学生姓名：学号：17L0551090专业：机械设计制造及其自动化。题目：3D打印用复合材料丝材制备装置设计指导教师：。评阅教师：。2021年6月本科毕业设计河北科技大学理工学院本科生毕业设计（论文）原创性声明毕业设计（论文）题目:3D打印用复合材料丝材制备装置设计学生姓名:专业班级:机械L173学号:本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。内容中除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，不存在伪造、篡改实验数据。如有违规行为发生我愿承担一切责任，接受学校的处理，并承担相应的法律责任。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学生（签名）：2021年3月5日

毕业设计中文摘要摘要:3D打印技术（3DPrinting），就是一个进行快捷快速制造的技术，还叫做增材制造，这种技术先用数字模拟文件做基础，然后用各种能粘合的材料，会一层一层的来把物体构造出来。在很多地方都会应用这一技术发挥其相应的作用。其实，3D打印熔融沉积（FDM）技术才是现在人们现在经常用的打印技术。但是因为熔融沉积(FDM)可用耗材邵、而且成丝方面有问题，可控比输入不稳定、成丝效率略低，喷头方面也经常发生一系列麻烦，使人在打印过程时还要处理这些问题，这些问题不能让我们在对FDM型做更稳定且新的研究。因此，我要完成3D打印用复合材料丝材制备装置设计，该装置可以实现连续纤维和树脂基体的可控配比输入、实时熔覆复合、高效固化成丝，所制备丝材可直接用于3D打印工艺，解决复合材料3D打印过程中的技术难题。所以，单螺杆挤出型粒料加热熔融装置就成为了我们的研究对象。我把该设备的零件用三维软件做出来，然后再去进行装配，这款单螺杆挤出型粒料加热熔融装置的运料是将中小型材料以及略微大点材料破碎的，并且输料设备还进行了新的装配，使人一目了然。关键词：复合材料，熔融沉积，螺杆挤出，丝材制备毕业设计外文摘要Title：OverallDesignoftheScrewExtrusionTypeThreeDimensionalPrinterAbstract：3Dprintingisarapidmanufacturingtechnology,alsoknownasadditivemanufacturing.Thistechnologyfirstusesdigitalanalogfilesasthebasis,andthenusesvariousmaterialsthatcanbebondedtoconstructobjectslayerbylayer.Inmanyplaces,thistechnologywillbeappliedtoplayitscorrespondingrole.Infact,3Dprintingfuseddeposition(FDM)technologyistheprintingtechnologythatpeopleoftenusenow.ButbecauseFDMcanbeusedasconsumables,andtherearesomeproblemsinfilamentforming,thecontrollableinputisnotstable,thefilamentformingefficiencyisslightlylow,andaseriesoftroublesoftenoccurinthenozzle,whichmakespeoplehavetodealwiththeseproblemsintheprintingprocess.TheseproblemscannotmakeusdomorestableandnewresearchonFDM.Therefore,Iwanttocompletethedesignofcompositewirepreparationdevicefor3Dprinting.Thedevicecanrealizecontrollableratioinputofcontinuousfiberandresinmatrix,real-timecladdingandcomposite,andhigh-efficiencycuring.Thepreparedwirecanbedirectlyusedin3Dprintingprocesstosolvethetechnicalproblemsintheprocessof3Dprintingofcompositematerials.Therefore,thesinglescrewextrusionpelletheatingandmeltingdevicehasbecomeourresearchobject.Imadethepartsoftheequipmentwiththree-dimensionalsoftware,andthenwenttotheassembly.Thissinglescrewextrusiontypegranularmaterialheatingandmeltingdeviceisusedtotransportsmallandmedium-sizedmaterialsandslightlylargermaterials,andtheconveyingequipmenthasalsobeenassembled,whichmakesitclearataglance.KeyWords：Compositematerials,Meltdeposition,Screwextrusion,Wirepreparation目录240101引言 页共29页1引言随着时间的流逝，我们的生活条件越来越高。同时人口也在增加。在历史的发展和时代的伟大进步中，3D打印技术更广泛地应用于我们的生产和生活，如考古研究、淘宝网珠宝、珠宝、建筑、医疗等，三星堆今年最受欢迎的发掘。在一些大小饰品的生产中，3D打印技术是不可缺少的。由于其廉价和便携功能，越来越多的个体DIY用户一直在追求它，在建筑行业中，建筑师可以使用3D打印技术来更快地制造更省力的模型。也可以打印一些小模型的建筑，让人们更直观地看到它们。同时，他们也可以使建筑物变得更加摩登。不需要通过三维打印来建设现场。他们只是运送打印在为了组装的建设网站上的模块。而且，它简化了建设过程；在医疗方面，由于人体个人差异，三维打印技术的小批量定制可以为医疗做出贡献。在所有的生活中，3D打印技术都是很好的应用和开发的。在未来的生活中，3D打印技术必须是我们生活中不可缺少的部分[1]。3D打印技术概述近年来，3D打印技术广泛应用于产业、军事、医疗、日常生活中。那被认为是破坏制造系统的革命性技术。3D打印技术是由ISO/ASTM国际标准组织的F42添加剂制造技术委员会所定义的附加制造技术。与传统的还原材料制造技术不同，通常使用喷嘴、喷嘴或其他打印技术来堆叠材料。3D打印集新材料、计算机科学、光学、控制、机械等技术于一体，具有明显的数字特性。该技术与传统的还原材料制造和材料加工中的同等材料制造技术本质上不同。适用于自动化的高精度、高精度、柔性生产、无组装的一体成型、高材料的使用率、复杂结构的快速制造，有许多显著的优点，如定制定制需求、结构设计和制造集成等。3D打印技术的有效应用有望促进从“制造设计”到“设计制造”的结构设计和制造概念转变，与其他数字生产模式一起促进第三产业革命的实现在制造的中国2025”全国计划中，3D打印技术作为加速智能制造实现的重要手段，从“中国制造”到“中国制造”，对于促进中国制造业的转换和改良非常重要。三维打印技术使用可用于接合的材料，以数字模型文件为基础，如建筑工程。各层的部件可以作为日常的对象部件使用。更具体地说，那就是使用计算机建模软件来转换它。以STL形式放入3D打印软件，像建筑物一样打印整体。3D打印用的一般材料有PLA、PP、光敏树脂、碳纤维石膏、铝、金属、砂、橡胶等。三维打印技术的应用从简单的概念模型发展为功能部件的直接制造。国内外发展概况到当前，国内外主要研发出了两种立式和卧式进料的微型颗粒熔融挤出机，其主要结构都是单螺杆挤出机，其主要零部件分别为机筒、螺杆、喷嘴、加热器和驱动设备。1.2.1国内现状在这种技术中使用的挤出机制被认为是微单螺杆挤出机，其主要功能是运输、压缩、塑性和从喷嘴挤压熔融物。为了确保在颗粒供应过程中的连续性，稳定性和成形量，并且将不均匀的重力供给的影响影响影响到产品成形质量，熔融挤出机需要选择强制供给的饲料。已经发现，微单螺杆挤出机的螺杆尺寸相对较小，螺杆速度几乎不影响材料的剪切和可塑性。由于材料螺丝引起的剪切应力越强，挤压机的振动越大，影响产品的加工精度和装置的稳定性。建议适当降低螺杆的速度和扭矩，适当增加材料桶的加热温度，使材料完全均匀地熔化。水平螺旋桨螺旋挤压机是一种可以控制材料输送速度的强制供给装置，垂直螺杆轴的微单螺杆挤出机是一种可以产生大挤压压力的熔融挤压装置。设备设计的重点是送丝杠和挤出螺杆的速度合理匹配。如果螺杆速度保持恒定，则进给螺钉速度过小，会造成供给不足，减少从喷嘴流出的熔液的流动，如果进给螺钉的旋转速度较快，则从挤出机进入挤压螺杆的材料速度超过熔融流的速度直接在熔融物内积累在熔体中，增加螺杆内螺杆的旋转阻力。在驱动装置的输出扭矩不足的情况下，电动机有可能失去步进，驱动传动带打滑，进而可能对供给装置及挤出机构造成进一步损伤。在设备运行过程中，需要使用计算机软件实时控制送丝螺钉速度和挤出螺杆速度。1.2.2国外现状由saratsingani和黄斌设计的装置的供电结构是横向进给。与其他微单螺杆供给漏斗挤出机不同，该装置没有散热器和冷却风扇的构造，但在气缸和供给范内尔之间加入一定数量和厚度的密封垫，从而阻止从气缸向供水范内尔的传热。通过将汽缸完全熔融到供应料斗中的粒状材料上来避免附着和阻塞。在螺杆头和喷嘴的入口和出口之间分别设有大容量的熔融室，能够通过加热套管直接加热喷嘴的熔融室。由喷嘴从物体的向上移动的能量主要加热螺杆内的物体。这种轴承结构的缺点是，当材料熔融室的直径太小时，轴上的供热不足，材料的熔融能力不足，积累。海桑尼设置了一个适合于在公共单螺杆挤出机中熔接的喷嘴，用于复合纤维和大分子粒子的大规模熔融沉积。通过实验分析了喷嘴的打印高度，螺杆速度和平台位置的移动速度对截面形状和间隙密度的影响。分析了从挤出试验中获得的纤维增强剂产品的化学性质和质量的优点和缺点。3D打印技术的应用领域现在市场上好多得企业都在研究新技术跟新的材料，打算把3D打印运用到更广泛的领域中（汽车，军工，航空航天，教育，医疗，影视等等），由此看来3D打印前景还是蛮不错哩。在未来，3D打印技术发展的可能更加了不得，想一想，有了更多不同的材料和更多技术，岂不是想打印什么东西就打印什么东西，所有想要的东西都是自己制作，直接拿出来用，这不就很好了，所以，以后可能每人都有一台，来打印自己想要的东西，这样更能真正推动工业升级3.0。不仅仅这个，还要跟其他新兴的产业（5G，人工智能等）一块来发展，更重要的是要关注国家政策对3D行业的导向。1.3.1产品设计领域3D打印技术真的很方便，所有的产品设计师都喜欢用3D打印技术拼命工作。这可以迅速准确地使用3D打印技术将设计理念转换成固体模型（样品）。除此之外，这也是一个令人惊异的产品设计师，他们像这种单纯的技术一样，降低了你想要的设计量，成本少，不牺牲金钱。以这种方式，你可以在市场上取得领先地位，以更快的速度推荐你的产品。岂不是相当好图13D打印玩具1.3.2建筑设计领域以前的建筑模型制作方法放到现在来说不行了，它不高端、大气、上档次，但使用3D打印做出来的三维模型就不一样了啊，让我们看到更直观的效果，更能够完美地了解到这个建筑是咋样设计的。传统建筑方式有很多，但终究还是需要大量的劳动力来完成房屋的建设，在建造房子的过程中，由于大量工作是通过人工完成，所以存在很多的误差，在质量方面有可能存在着安全隐患。而目前通过3D打印制造的建筑，可以大大减少了误差的存在。同时也可以使建筑更加有艺术感。现在我们好多得建筑都是先使用3D模型实现模拟出来，比如说房地产公司的楼盘模型就是靠3D打印来打印出来供买房者更好的选择户型。图23DMAX大型建筑生长动画设计图1.3.3机械制造领域在机械制造领域里，3D打印也尤为重要，他可以打印出各种金属零件有着普通金属零件的可塑性还有着身为3D打印机器生产的众多好处，制作的时候耗费所需要的时间少，所需要的费用也很少，且在汽车金属零件制造方面的技术是很成熟的，若是只说单个的打印金属零件的话3D打印无疑是可以成为第一的。图3械金属零件1.3.4模具制造领域3D打印不需要依赖于模具的制造特性，在各种类型的铸造和模具制造中的应用主要集中在小批量，复合模具，共形冷却模具上。在制造复杂模具的小批量的过程中，3D打印具有短周期和低成本。第三，当材料费过大时，三维打印技术比传统的模具制造工序更重要和有利。但是，大规模的模具和产品的制造和生产还有很多余地。周毅设计了冷却模具的解决方案，并在冷却过程中通过测试确认了温度。图43D打印冷却水路模具1.3.5医学领域在医疗领域的3D应用、医疗技术、所有组织和器官的断面图像和3D立体图像的应用都可以取得。在医疗领域的3D应用，医疗技术，断面图像，所有的组织和器官都可以获得3D立体图像。3D打印主要为脏器提供解决方案，是人类组织的医疗移植。同时，可以使用3D打印技术培养组织细胞。因此，重建耳朵组织时，首先要打印出骨组织结构，根据骨组织结构的方向训练结合组织、神经组织和其他肌肉组织，最终培养这些组织的外部皮肤组织。在这个过程中，3D打印技术提供了面向细胞的文化可行性。生物脚手架控制脚手架的外部轮廓和内部微孔结构，并满足形状控制脚手架修复关节组织缺陷的要求。目前，各个国家的研究人员基本上已经完成了耳介组织、血管、肌肉组织、大动脉阀组织、内脏器官、软骨组织、器官、肝脏组织、器官的研究。[6]图53D打印骨头1.3.6航天技术领域限制制造业和航空飞机工业发展最大的难题就是材料够不够轻量化。钛合金、陶瓷、碳纤维复合材料等多种轻量材料都可以应用到生产中。随着3D打印技术的进步和发展，不仅可以在材料方面达到轻量化的目标，而且可以在结构层面也更容易地解决该问题。实现层次式轻量化结构的设计方法主要有四种:空心夹层、空心网格、集成和特殊拓扑结构。因此，李大伟等人通过对结构进行分析制造并生成了高密度、可控制的内支撑结构，并且为用户提出了基于密度感知的内支撑结构建模解决方案，实现了三维打印模型的高效和轻量化。俄罗斯托木斯克。120立方体的卫星只有300毫米×100毫米×100毫米的尺寸，其轻巧的外壳完全是由3D打印而成。图63D打印喷气动力无人飞机3D打印的工艺方法1.4.1激光燃烧器技术图7是激光燃烧器技术的示意图，激光燃烧器技术原理是采用高能激光、粉末燃烧器打字，然后滚筒将粉末再次带到表面，层层烧结，即可获得3D打印产品。sls的成型模具工艺简单，成型的过程速度快，不用再需要任何机械，但缺点就是铝粉比较贵，同时对人身体健康有伤害。1989年德克萨斯德哈特大学首次提出激光燃烧成型技术，sls技术经过近30年的探索和发展，日趋成熟，在现代工业3D打印的应用中，sls甚至比FDM燃烧成型还多。sls成形技术允许人们通过热塑性材料共同混合打印出如陶瓷或者金属等优良的熔融物。杜德克等人开发和研制了羟基亚帕特石和尼龙复合材料，通过sls模具法加工制备产品。工作原理如图7所示。图7激光熔丝增材制造工作原理选择性激光熔凝添加剂制造就是从下面往上面自开始一层一层融化成固体零件的技术，不过要实现按照预定的路径走，来融化材料（金属粉末）。先把挡板放在工作台上，然后靠着送粉系统给把材料整到挡板中，激光系统用激光融化材料，再固化成为增材制造堆积材料，然后工作台按照之前的设定进行XY平面上的运动，形成单程的材料，然后三维工作台沿Z方向移动，进行下一层添加剂制造，直至整个零件添加剂制造完成。与电子束选择性熔化技术相比，利用该技术可以制备出传统方法无法加工的任何形状的复杂结构，如光晶格夹层结构、空间曲面多孔结构、复合腔道结构等，激光选择性熔化由于其粉末尺寸小（<50μm）、层薄（<0.05mm），具有较高的尺寸精度（±0.05m）和表面质量（粗糙度Ra≤10），可以实现无余量加工[4]。工作原理如图8所示。图8激光选区增材制造工作原理图1.4.2电子束增材制造电子束增材制造就是用高能电子束为热源，对金属材料进行连续扫描熔化，然后逐层形成致密零件。其工艺原理与激光添加剂制造工艺相似，可分为电子束选择性熔化添加剂制造和电子束引信添加剂制造[9]。（1）电子束熔丝增材制造的原理跟激光熔丝增材制造的原理一样，就热源不一样。它是用高密度的电子束把之前放好的材料表面变成熔池，然后在把其他材料送进去，也是按照之前设置的步骤走，然后分层固化堆积成形，必须是在真空环境内。主要优点包括：①沉积效率高。该电子束可实现数万瓦的大功率输出，可达到很高的沉积速率，每小时10~20kg，适合于大型金属结构的成形。②真空环境能有效防止空气中有害杂质对金属高温冶金质量的影响。适用于钛、铝等活性金属的制造。工作原理如下图所示。工作原理如下图所示。图9电子束熔丝沉积成形原理图（2）电子束选择性熔化成形技术是指电子束要在真空环境中（空气中含有有害杂质），按照之前设置的方式走，把材料一层层的熔化，然后凝固成形。它的工作原理与选择性激光添加剂制造类似，但热源不同，这里就不详细说了。与激光添加剂制造相比，电子束添加剂制造的主要优点是制造效率高，主要缺点是电子束加工过程中伴随的X射线效应[10]。图10电子束选区熔化技术原理图1.4.3电弧增材制造电弧添加剂的制造在所谓的电弧添加剂的制造中，使用了用于使用电弧制造固体金属部件的各层的表面处理方法。这个技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术。形成的部分由完全焊接组成，由均匀的化学组成和高密度组成。然而，电弧比激光和电子束添加的制造大。电弧添加剂制造技术的主要应用目标是大复杂部件的低成本，高效率和近网形成。服务器技术的开发有低成本，高效率的优点。另外，在添加剂制造工序中，具有高速焊接速度、高成形效率、低热输入的优点，适合钛、不锈钢等的制造。图11电弧增材制造工作原理1.4.4光固化增材制造光固化增材制造（Stereolithographyapparatus,SLA）主要是环氧树脂等特殊材料（专业树脂、液体等）。在紫外线的作用下，可以进行高速聚合和交联反应，完成紫外线硬化剂的制造。紫外线硬化技术越来越被用于添加剂的制造。当紫外线激光照射到所有感光聚酯树脂的晶体表面时，紫外线激光照射的所有感光性聚酯树脂开始再次固化，沿着Z线的轴左右移动。然后，将硬化后的感光性树脂的表面再次浸入新的树脂液面，再次照射紫外线，打印三次原物层。sla具有比fdm更高的精度，高速处理速度和更高的层间结强度的优点。主要的光敏树脂是环氧树脂和丙烯酸。必须选择光刻用的感光性树脂。作为主要原料，丙烯酸和环氧树脂通常价格昂贵。因此，紫外线硬化技术的研究主要集中在材料的开发和环氧树脂的制造上。结果表明，dmmp和lnm可以大大提高环氧树脂的机械强度。还总结了基于sls形成方法的新陶瓷3D打印技术。突破这些困难是紫外线硬化剂制造的发展方向。目前，紫外线硬化剂的制备技术比较成熟的“添加剂制造技术系列：液态树脂紫外线硬化添加剂制造技术”（2013年6月1日）包括数字建模、数据处理、液态树脂紫外线硬化成型、根据系统地介绍了包括紫外线硬化树脂材料等在内的紫外线系树脂的层状紫外线硬化技术的液态树脂紫外线硬化成型系统和迅速旅行技术的应用和操作Sabkme，桌面可以进行紫外线硬化。此打印机可以打印在98m的大小范围内×55mm×相对于125mm的工件，xy方向的打印精度达到100%μmZ方向的层厚精度达到10μ这个可以使用工作物和工作物的原型[7]。如图12所示。图12Sparkmaker光固1.4.5热熔增材制造热熔增材制造热熔增材制造顾名思义就是FDM（Fuseddepositionmodeling,FDM），也就是我们常用的3D打印方式，它把那些寺庄材料变成熔融液体材料，再从喷嘴处挤出。也是按照事先设定的路径开始打印成形。最主要的是这个打印方式能让我们自己就可以简单地运用，比如在办公中来打印，而且桌面式FDM特别简单，正因为简单，因此缺点也很明显，打印精度不高，打印出来的物品看起来很糙，以该工艺适用于制造精度要求较低的小型概念模型或原型模型。工作原理如下图所示[10]。图13热熔增材制造工作原理示意图1.4.6熔融沉积成型(FDM)ScottCrump于1988年研发的最典型的3D打印技术，通过将三维图形降维到二维层面，利用喷头将材料熔融并按照图形切面的轮廓在x-y轴移动挤出并迅速凝固，FDM技术被Stratasys公司的Dimension、uPrint和Fortus全线产品以及惠普大幅面打印机作为核心技术所采用。FDM虽然具有成形技术工艺简便、设备费用低、原材料综合利用率高、化学污染小等特征，但是其成形精度低、轴向强度低等缺点还未曾解决。常见的复合材料通常为热和可塑性好的聚合物。与此同时，各国研发人员还在不断研发新材料用于FDM打印并且还在改进已有的材料以得到更好的打印效果。由于FDM工艺特有的优势和技术特点，不仅能够实现三维打印单一材料，同时其他复合材料和陶瓷还可以进行三维打印。使用FDM成型方法制备的样本拉伸模数比较大时可以得到明显增加。因此，3D打印聚合物复合材料首选的方法和成型工艺依旧是FDM。现在我们使用的材料基本上都是蚕丝，这就需要一种高分子材料能够满足特殊的性能，并且必须具有一定的坚固性和柔韧度，这就很大程度限制了我国高分子复合材料的应用。1.53D打印用复合材料类型碳纤维复合材料是在密度，刚性，重量和疲劳特性方面具有许多优点的新型复合材料。然而，复杂而低效的工艺流、模态不能形成高成本、高精度要求和复杂模型限制了碳纤维材料的作用。由于其附加的制造特性，3D打印技术具有集成成型的特性，并且可以自由地限制模型复杂度。因此，工业领域碳纤维复合材料和3d布丁技术的组合充分发挥了优秀材料和快速加工的优点，具有广泛的应用前景。纤维增强聚合物基质复合材料是具有优良机械性能的先进结构材料。通过结合三维印刷的先进技术和纤维材料性能的优点，提出了用于纤维增强树脂矩阵复合材料的新的3D印刷工艺，这有可能进一步促进两种纤维的开发和应用。1.6FDM工艺简介目前市场上应用最广泛的FDM打印机按照传动系统选择方式分为两种：XYZ型、三角形[8]。XYZ型FDM打印机就是有三个轴的打印机。如下图所示。图14XYZ轴这种类型的打印机结构简单，成本低，所以各轴不会影响自己的运动。关于工作效率和精度，性价比真的很高。至于噪音的功能，我们可以随时打印项目，让剩下的部分和办公室真的非常方便使用。三角形结构的三角形结构也被称为平行臂结构。正如名字所示，那是三角机构。这种打印机结构紧凑，便于携带，适合收纳在狭窄的位置。与xyz轴打印机相比，总觉得没有完全的感觉。我害怕打印时由于振动而脱落。我还喜欢比较完整的xyz打印机。三角型打印机如下图所示。图15三角型1.7本课题研究意义在此背景下，3D打印技术不仅用在科技研究中，还在智能制造，材料技术等方面了有了巨大的进步。现在的3D打印技术真的是发展的非常快，3D技术打印的物品也陆续上市了，出现在我们的日常生活中，你试想一下，有可能你的电脑模板就是靠3D打印技术打印出来的，而且材质也非常好。一个真是的案例。美国的一个博士生彼得·施密特（PeterSchmidt）就打印出了祖父母使用的类似手表的物品。经过几次实验，一个塑料钟被打印机打印出来挂在墙上。结果，时钟开始滴答作响。采用3D打印技术打印，材料也非常好。真的情况。彼得施密特打印了美国博士生、他祖父母使用的类似手表的物品。几个实验之后，塑料表被打印机打印，挂在了墙上。结果，时钟开始刻度了。

看到那个3D打印行业在世界上发展得很快，外国在世界上有自己的市场，但是我们不这样做。另外，为了更好地掌握3D打印技术，应该更好地学习3D打印技术，为我国的繁荣和将来发挥自己的力量。2整体结构设计2.1本课题的研究目的完成3D打印用复合材料丝材制备装置设计，该装置可以实现连续纤维和树脂基体的可控配比输入、实时熔覆复合、高效固化成丝，所制备丝材可直接用于3D打印工艺，解决复合材料3D打印过程中的技术难题。通过设计用于三维印刷的复合材料导线制作装置，综合测试了我们的能力，应用了机械设计的基本理论和专业知识，达到了毕业计的训练目标。同时，通过毕业设计过程，我们可以面对复杂的工程问题，提高问题分析、解决方案的建议和实施、现代工具的应用、工程式标准化等能力，提高环境和社会的可持续发展能力。社会责任、团队协作与沟通、项目管理、自主和终身学习等方面得到熏陶和影响。2.2本课题设计的内容和技术要求依据3D打印用复合材料丝材制备装置技术参数与任务要求，综合运用所学自然科学与工程科学知识，结合文献资料，分析3D打印用复合材料丝材制备装置的工作原理和结构特点，完成整体装置的设计。完成3D打印用复合材料丝材制备装置设计，该装置可以实现连续纤维和树脂基体的可控配比输入、实时熔覆复合、高效固化成丝，所制备丝材可直接用于3D打印工艺，解决复合材料3D打印过程中的技术难题。该设备所要达到的技术要求如下：①送料机构可以实现连续纤维，以及ABS、PLA等基体材料的可控配比输送；②熔融复合腔最高可加热温度为500℃；③所制丝材直径为1.75mm，制丝速度最高可达50mm/s。2.3单螺杆挤出型粒料加热熔融装置工艺流程系统参数的一部分由输入装置决定。然后，直接从存储装置获得的3D模型或计算机上的三维软件导入到切片软件中。请一般注意格式.stl格式。设置系统参数后，切片软件会自动切片并添加支持。支持非常重要，它可以保证你不会因为打印过程中的底盘和底盘不够而崩溃。切片后，软件会自动生成G码。根据该文件，单个螺杆挤出颗粒加热熔融装置可以主要根据G码和喷嘴的运动来操作。单螺杆挤出机的加热熔融装置在开始运转时必须预热，通常为200°，然后打印头移动到（原点）前设计的位置，形成平台也移动到G码设定的位置。然后，使打印头的马达旋转来驱动打印头的移动。我们开始运送材料的时候，螺丝在打印头移动的时候开始旋转。材料在螺杆槽旋转，螺杆旋转，打印头移动后高温熔化，最终挤压螺杆被输送到喷嘴，材料被挤出。打印头的移动在XY平面上，成型平台的移动在垂直面（Z面）上。因此，若打印头结束1层的打印，则在Z轴的电机旋转驱动打印形成台并工作结束之前，在打印头被设置的时刻，打印头返回到零点，若打印温度达到室温，则打印头返回到零。我们使用专业工具删除工作。下面就是装置的流程解析图。图16单螺杆挤出型粒料加热熔融装置的打印工作流程2.4总体设计方案2.4.1设计思路根据我从前辈的书和最后一学期开始学习的知识，我设计了这个单螺杆挤出颗粒加热和熔化装置。整个丝绸机械由5个部分组成：制丝单元、冷却单元、线径检测单元、制卷环单元和控制单元。导线制造单元可以通过熔压机将外部材料和增强材料合成成丝。这些未固化的打印细丝通过冷却单元和线径检测装置形成适当的三维打印材料。最后，通过线圈制造单元将打印用细丝缠绕在线圈上，在控制单元的调整下制作打印用细丝。可总结为：原材料破碎装置及其支架、粒料输送装置、粒料加热熔化挤出装置、连续纤维输送装置、复合丝材收集装置。单螺杆挤出型粒料加热熔融装置整体机构主要由喷头、送丝机构、运动机构、控制中心、加热装置以及成形工作平台六部分结构组成。如下图所示。图17总结构组成2.4.2装置整体机构本课题中所述单螺杆挤出型粒料加热熔融装置设计采用基本阶梯形从上而下进行设计以及工作运转，有机械设备的稳定性、打印速率和打印精度都能保持在一个比较高的水平，而且成形平台底部有轮子旁边有梯子可以更好地进行送料以及机器的放置，在最终喷头上设置了隔热套以及其中的隔热材料以用来防止将工作人员烫伤[9]。图18单螺杆挤出型粒料加热熔融装置三维模型我重点设计了喷头部分，其他结构跟平常的FDM桌面式差不多，这款单螺杆挤出型粒料加热熔融装置，喷头是由3部分组成的，分别是轴承，螺杆，喷头。其中，螺杆是这个挤出喷头最重要的部分，它可以把物料精确地挤出，来使熔融状态的物料可以与丝材输入装置输入进来的丝材进行融合。另外，我喷头部分上方放置了漏斗，用来输送破碎后的状的物料，让物料进入螺杆，这样，单螺杆挤出型粒料加热熔融装置3D机的挤出部分就完成了[13]。2.5电机的选型及其计算本次的课题螺杆挤出型3D打印机能够实现整个打印过程的自动化控制，并且对于打印的精度要求较高，为完成高精度的打印工作所以动力部分可以选用步进电机或者伺服电机，这两种电机控制方式可以由电脑端人为控制，从而达到稳定输出的效果。在本次课题设计中选取了一台伺服电机，伺服电机本身具有一种编码器，就像上面所说到的是转子在各种电磁场的影响下进行转动，并且这种驱动器能够根据编码器所反馈出来的信号和相应目标值进行比较，从而使得可以通过改变转子旋钮来控制转子旋转的角度。和步进电机比虽然价格比较高，但是伺服电机不论是在低速还是高速输出都很稳定，有很强的过载保护能力和响应能力，非常适合用于该设计装置。电动机所需的输出功率为:Pd=Pw/η（2.5-1）有电机主运输的传动总效率η为η=η1η2η3η44公式中带的传动效率为η1，联轴器的传动效率为η2，齿轮的传动效率是η3，轴承的传动效率是η4。翻阅机械手册得到:η1=0.96η2=0.96η3=0.97η4=0.994那么η=0.96x0.96x0.97x0.994=0.86设Pw=4.5kw把η=0.86代入Pd=Pw/η得Pd=4.5/0.86=5.2kw（2.5-2）设输出轴的转速nw为76r/min根据机械手册查表得到：v带传动比是2~4，齿轮传动比是3~5，所以电机转速的可选范围为：nw=(6~20)x76r/min=(456~1520)r/min（2.5-3）2.6成形平台的设计每个都有一个好的成形平台，而成形平台设计就很有讲究，既要考虑喷嘴与成形平台的距离，还要考虑平台的大小是否能够正常出丝，因此，成形平台的设计尤为重要。成形平台最重要的环节自然是考虑调平的问题，因此我选择安装四个轮子来进行平衡以及更好的移动放置，使用与放置更加便携这样大大的降低了，我们打印零件所需要的时间与空间，在平台周围放置简易梯以方便我们送料加工，梯子位置并未固定可以随我们的要求进行改变位置以方便我们更加便携的工作从而降低我们的工作时间从而让我们可以在打印过程中做更多事情[10]。图20成型平台三维模型示意图2.7粒料输送装置的设计 装置上方放置方形漏斗使用螺栓螺母进行固定，装置由推动螺杆、粒料输送筒、输送漏斗三方构成，推动螺杆连接电机进行运转以推动破碎的物料到下一装置内进行工作，底部略微宽厚以方便更好的固定，以防止在设备工作的时候因底部接触面积的原因造成不可弥补的意外。所述快速接头以螺纹连接的形式固定于固定送料块的上端面位置。漏斗选择斌没有选择直上直下而是有坡度是为了使物料掉落时缓冲力的作用，放置因惯性的作用将螺旋杆砸坏。图20粒料输送装置2.8喷头部分的整体结构设计2.8.1喷头部分整体结构介绍单螺杆挤出型粒料加热熔融装置，最重要的部分当然就是喷头的设计了，螺杆挤出喷头一般是电机，螺杆，机筒三部分组成，在机筒侧方还附有一个入料口来输送物料，单螺杆挤出型粒料加热熔融装置一般输送的物料都是破碎后的材料，挤出螺杆转动带动破碎后的材料，一直挤压到下方温度达到一定值，也就是破碎后的材料的熔点，成为熔融状态的材料在一定压力下被挤出[11]。喷头部分三维模型如下图所示。图21螺杆挤出喷头三维图2.8.2挤出螺杆的结构设计作为螺杆挤出喷头最重要的部分，挤出螺杆可以将熔融状态的材料进行精确而且定量地挤出，为了节省材料费，我选用了螺杆最常用的材料45钢，不过45钢的抗腐蚀性跟耐磨性能较差，要想让螺杆达到设备所需要的性能要求，首先要进行热处理：调质，高频淬火。螺杆主要参数由下图所示，图中L1为加料段；L2为均化段；L3为压缩段；D为螺杆直径；S为螺杆螺距；e为槽宽；为加料段槽深；h3为均化段槽深[1图22挤出螺杆机构图图23自制的挤出螺杆机构图2.8.3挤出螺杆的设计计算本课题设计要求是螺杆转速最高可达50mm/s在X、Y单方向上，喷嘴直径应为1.75mm。因此，喷嘴在单位时间内挤出的材料体积等于放置在打印机成型平台上的熔融材料体积。单位时间内喷头挤出材料体积的计算V=πr2螺旋角的计算θ=arctan螺杆每转的挤出体积的计算V=0.07π由以上得到公式QUOTEV×n=fab（2.8.3-4）式中n为转速，单位为r/min；f为进给，单位为mm/min；a、b为平铺后层厚及线宽，单位为mm因此得出转速和进给匹配关系为nf=ab设a=0.5mm，b=1mm通过计算得到n10r/min2.8.4喷头部分的结构分析1.喷头的挤出量一般都是与螺杆转速有关系。喷头挤出量在一般情况下始于装置中的螺杆的转速成正比，只要装置中的螺杆转速有了变化，挤出速度就会发生变化。2.本次课题设计是将螺杆挤出型粒料加热熔融装置中的加热块和螺杆之间的活动空间设计成立一体式，传统的打印机二者是分开的，熔融状态的材料容易从螺纹的缝隙之间流出，难免造成原材料的浪费，还有可能对喷嘴部分造成麻烦的阻塞问题，本次课题的设计就可以很方便的避免以上所述问题的产生。3.经过装置间的对比以及查阅资料后，我进行了一系列的总结，最终我所选择的送料装置与一般情况下的传统的送料装置有很大的不同点，传统送料装置不能满足破碎后的状物料进行下一步的输送，所以说漏斗就很好并且便携的解决了这一点，在最后的喷头部分还不会影响喷头的移动，喷头部分的喷嘴阻塞产生的一系列情况也能很好地避免发生。2.9供料破碎装置系统的设计因为单螺杆挤出型粒料加热熔融装置所使用的是将物料是打碎成为小物料，因此传统的丝盘类物料装置并不能够满足这一点，所以我想起用一个破碎装置来输送这些物料到螺杆中，因此，我设计了一个破碎装置，装置内有破碎齿以及中心转轴来连接电机从而带动破碎齿将物料打碎从而向下传送给粒料输送装置进行下一步的输送与熔融。破碎支撑体具备破碎空腔，破碎空腔设有供给口，破碎用小刀设置在破碎空腔内。粉碎刀由刀轴和刀组成。刃沿着刀轴的轴方向以多个间隔配置。刃切断牙齿，沿着刃的周方向以多个间隔配置切断齿，沿着同一刃的周方向形成切削槽。在切割轴的轴方向上，邻接的2个刃在圆周方向上千鸟状切缺，切削齿脱臼。至少两个粉碎刀并列配置。相邻的两个粉碎机刃的加工范围与刀轴的轴方向重叠，相邻的两个粉碎机的旋转方向相反。如下图所示。图24供料破碎箱三维图2.10丝材收集与输入装置将工作所需要的纤维丝才放入喷头，经过与熔融的粒料进行融合后由喷头喷出，再由收集装置进行收集。输入装置为下图。图24丝材收集与丝材输入装置三维图图上所述收集装置在左侧安装电机以方便最后的丝材收集。2.11滚动轴承的选用支撑板需要考虑的是轴承。在此选择深沟轴承。其主要特征之一是可以同时承担水平面内的力和垂直面的力。其摩擦阻力非常小，在高速旋转的过程中可以实现高扭矩和速度，选择6000形状的深沟玉轴承，例如，选择6208轴承GB/T286-1994用于导线布置轮。然后，GB/T286-1994安装在导线配置装置中的引线螺杆机构的轴承上。3该课题对社会、环境、安全的影响3D打印技术（主要为FDM型熔融沉积技术）的出现，对传统的技术加工以及制造业加工产生了很大的影响，同时也对我国国际发展以及社会的进步与发展产生了深远的影响，更是使得一些新的产业更加牢牢站住脚跟，在某一方面看无疑是加速了社会的进步与发展。在生产制造以及机械零件的更迭过程中，也为企业降低了大量的资金消耗，节约大量的生产时长，大量降低了劳动工人的工作时长与强度，减少了物力与财力不必要的浪费。单螺杆挤出型粒料加热熔融装置的研究在研究3D打印技术方面有着深远且巨大的的影响，单螺杆挤出型粒料加热熔融装置可以快速的实现连续纤维与树脂基体之间的可控配比输入、实时熔覆复合、高效固化成丝，所制备最终丝材可直接用于3D打印工艺，解决复合材料3D打印过程中的技术难题。但是目前3D打印技术仍然存在着某些问题，打印材料的限制，打印成品强度的限制，制造机器的限制，知识产权的忧虑等等，这些问题也在制约着该技术的发展[13]。

结论在设计单螺杆挤出型粒料加热熔融装置的时候，我参考了很多资料，设计了个机械部件的详细结构，并做成了三维图，对重要部分进行了计算，不过选用的件依旧是市面上流行较广的标准件。本次设计也充分体现了3D打印技术在未来社会发展过程中的重要性，将会成为下次工业革命的动力，对这项技术应该投入更多的时间精力。通过近5个月的毕业设计，主要的工作有：1.研究3D打印用复合材料丝材制备工艺流程及制备装置的结构布局和运动方案，确定装置的总体设计方案，以及执行机械的运动参数，拟定传动原理和传动方案。2.依据课题技术实现方案，采用通用三维CAD软件完成复合材料丝材制备装置的三维结构模型设计，包括零件模型和装配模型，生成装配模型的爆炸视图，并绘制附带三维模型的相关二维工程图。3.利用相关装配模型进行整体装置结构的运动仿真和干涉检查。4.撰写课题的开题报告、毕业设计说明书，完成规定的外文资料翻译。社会的进步和科技水平的提高时的3D打印技术也越来越成熟，3D打印技术也会向精密零件制造方向进行迅速发展，这项打印技术也会在以后其他制造方向中的地位越来越强，在人们生活中会有更多的3D打印的机器出现。这也说明需要我们来研发研制性能更加强大的设备，使得带动我国工业以及其他产业的发展。

致谢大学四年，时光匆匆，转眼间校园时光到了尽头，如果说岁月的长河里，流淌着许多故事，毕业一定是百转千回的一个，短短二字记录了一千四百多个日日夜夜，从春夏到秋冬，从稚气到成