金屬材料型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)含三維圖,金屬材料,打印機(jī),設(shè)計(jì),三維 金屬材料型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)答辯人：張濤班級(jí)：機(jī)械四班學(xué)號(hào)：201106040401指導(dǎo)老師：劉念聰老師2015.5.29摘要在近幾年來(lái)，隨著制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，快速成型技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)一直以來(lái)都受到全世界機(jī)械制造領(lǐng)域的高度重視，從目前社會(huì)對(duì)于快速成型技術(shù)最火熱的設(shè)備話題就是3D打印機(jī)，隨著這幾年3D打印機(jī)的不斷發(fā)展與完善，很多通過(guò)傳統(tǒng)加工難以甚至不能實(shí)現(xiàn)的加工零件在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上得到了實(shí)現(xiàn)。然而，縱觀現(xiàn)有的3D打印機(jī)，大多的都只能對(duì)某些合成材料進(jìn)行3D打印，比如：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等，能對(duì)大多數(shù)金屬材料進(jìn)行3D打印的設(shè)備極少，而在現(xiàn)代社會(huì)，不管是哪個(gè)領(lǐng)域?qū)饘俨牧隙加袠O大的需求，因此，研發(fā)一款能對(duì)金屬材料進(jìn)行3D打印的設(shè)備顯得格外有意義。本文圍繞快速原型技術(shù)之一-選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）展開(kāi)研究，以SLS技術(shù)為核心原理對(duì)打印機(jī)的結(jié)構(gòu)做出了設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括金屬粉末激光燒結(jié)快速成型技術(shù)的工藝原理，工序流程。其次分析了SLS工藝的參數(shù)對(duì)打印制件的影響，包括激光的功率、掃描的速度、掃描方式和每一層的厚度等。最后對(duì)如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)做了設(shè)計(jì)，其中包括定位系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算和控制電路部分單片機(jī)的應(yīng)用做了介紹。目錄1、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀2、快速成型技術(shù)原理3、幾種快速成型技術(shù)的對(duì)比4、打印機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)5、電路控制部分的設(shè)計(jì)6、結(jié)論7、致謝國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)外：在技術(shù)研發(fā)方面，早在1989年美國(guó)的斯科特克倫普就對(duì)熔融沉積成型（FDM）成功申請(qǐng)了專(zhuān)利，這種技術(shù)成型精度和成型物的強(qiáng)度都很高，并且可以實(shí)現(xiàn)彩色成型。另一種方法是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）,這也是由美國(guó)人CarlDechard早在1989年研制成功的技術(shù)，并且在1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStation。幾種3D打印的金屬產(chǎn)品國(guó)內(nèi)方面在國(guó)內(nèi)，目前還沒(méi)有自主研發(fā)的能對(duì)金屬材料實(shí)現(xiàn)3D打印的設(shè)備，并且現(xiàn)有的3D打印機(jī)也都幾乎來(lái)自于進(jìn)口，這些3D打印機(jī)針對(duì)的打印材料也大多都是：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等非金屬材料?？焖僭图夹g(shù)原理目前，分層疊加方法是快速成型技術(shù)的核心原理，通過(guò)CAD造型、生成STL文件和分層切片等步驟進(jìn)行分層處理，借助于計(jì)算機(jī)控制成型設(shè)備實(shí)現(xiàn)原料的幾何結(jié)構(gòu)的制造。其原理圖如下圖所示：幾種快速成型技術(shù)的對(duì)比打印機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)金屬材料打印可行性的分析：當(dāng)高能激光器照射在金屬粉末材料上時(shí)，金屬粉末便會(huì)在高溫下融化，激光移走，融化的金屬液便會(huì)迅速降溫凝固，當(dāng)激光按一定的速度和路徑在一層金屬粉末材料上掃描過(guò)后，金屬粉末就會(huì)按激光掃描的路徑形成金屬塊兒。打印機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理：通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光束按照所需成型模型的截面形狀信息在工作臺(tái)上鋪好的一層金屬粉末材料上進(jìn)行掃描，掃描過(guò)程中，單個(gè)的金屬微粒就會(huì)在高能激光束的作用下熔化，激光掃過(guò)之后便迅速凝結(jié)，這樣當(dāng)激光束掃描過(guò)一段距離之后，金屬微粒便會(huì)按照掃描的路徑凝固成一片層實(shí)體。當(dāng)一層掃描結(jié)束后，計(jì)算機(jī)控制工作臺(tái)下降一層固定厚度（0.10.3mm）的高度，然后鋪粉小車(chē)再在工作臺(tái)上鋪上一層新的金屬粉末，重復(fù)上述掃描的過(guò)程，那么新的一次掃描就會(huì)在先凝固的一層上再凝固，如此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直至所需制造的三維實(shí)體的生成。等到工作室溫度降下來(lái)后取出打印的工件，去除包裹在成型件外部多余的金屬粉末，再按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行必要的后處理工序，比如去應(yīng)力退火、淬火和上漆等打印機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作臺(tái)的定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-三軸定位結(jié)構(gòu)縱向精度監(jiān)測(cè)裝置：金屬打印過(guò)程中防止被氧化的辦法：1.密封2.電路控制部分的設(shè)計(jì)：電機(jī)的選擇：電機(jī)的選用采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種可以把數(shù)字信號(hào)輸入脈沖轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)或者直線運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電流脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)大小為步距角的角度。輸入的脈沖數(shù)數(shù)量越多，步進(jìn)電機(jī)回轉(zhuǎn)角的總量越大，脈沖的輸入頻率越快，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。Z軸方向步進(jìn)電機(jī)選用的是型號(hào)：23HS8610（步距角1.8度）XY軸方向步進(jìn)電機(jī)選用的是型號(hào)：28BYG2401（步距角0.9度）控制系統(tǒng)的選擇：常見(jiàn)的對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制一般有三種：一、基于電子電路的控制系統(tǒng)二、基于PLC的控制系統(tǒng)三、基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)基于電子電路的控制系統(tǒng)如圖所示，這類(lèi)系統(tǒng)主要是由基于電子電路的脈沖控制器而產(chǎn)生脈沖來(lái)控制信號(hào)，再用過(guò)環(huán)形分配器將脈沖分配后送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)將功率進(jìn)行放大處理，從而便有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。基于PLC的控制系統(tǒng)如圖所示，PLC也被稱為可編程控制器，控制系統(tǒng)通過(guò)采用PLC來(lái)產(chǎn)生控制脈沖，再通過(guò)PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖。因?yàn)镻LC的掃描周期幾乎都在幾毫秒到幾十毫秒之間，因此頻率最高也只能到幾百M(fèi)Hz。然而步進(jìn)電機(jī)不能在高頻條件下工作，高速條件不能實(shí)現(xiàn)精確控制，而且當(dāng)其速度較高時(shí)，受PLC控制系統(tǒng)掃描周期的影響，精度的控制也會(huì)大幅度降低基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)如圖所示，本系統(tǒng)其實(shí)也就是通過(guò)把硬件和軟件相結(jié)合起來(lái)，環(huán)形分配器用軟件來(lái)代替，從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路通過(guò)采用片機(jī)接口線直接控制，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，還能根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)計(jì)大量的外圍電路，比如用鍵盤(pán)就可控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能?；趩纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)還有以下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)使用單片機(jī)軟件編程的方法可以使原本十分復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及精確控制，能避免因失步和震蕩造成的精度誤差；環(huán)形分配器可用軟件來(lái)替代，只需通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，可以用同一種硬件電路結(jié)構(gòu)控制并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這樣借口電路的靈活性和通用性就大大提高了；功能強(qiáng)大的單片機(jī)使復(fù)位電路、鍵盤(pán)電路等外部電路實(shí)現(xiàn)了有效結(jié)合，從而讓系統(tǒng)的交互性也大大提高了。結(jié)論本文主要對(duì)3D打印制造技術(shù)中的金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)的工藝過(guò)程和質(zhì)量控制措施以及電路控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，總結(jié)如下：（1）綜合工藝參數(shù)對(duì)成型件的質(zhì)量與效率的影響，得出最優(yōu)的參數(shù)配置：激光功率30%，掃描速度2000mm/s，掃描方式先逐行掃描再分組變向，層厚0.2mm;當(dāng)制件具有大斜率面時(shí),為改善表面質(zhì)量,層厚采用0.1mm。（2）從能量傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，給出了燒結(jié)金屬粉末之前先將粉末預(yù)熱到臨界溫度點(diǎn)和對(duì)制件去應(yīng)力退火以及強(qiáng)化淬火的后處理工藝的結(jié)論。（3）對(duì)打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過(guò)計(jì)算得出了在Z軸方向選用步進(jìn)電機(jī)型號(hào)23HS8610；XY軸方向通過(guò)借鑒現(xiàn)有打印機(jī)和醫(yī)療器械等機(jī)械設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)選擇28BYG2401型步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)對(duì)單片機(jī)、PLC以及電子電路控制的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比后得出采用基于單片機(jī)的控制電路對(duì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。致謝首先，感謝每一位機(jī)械專(zhuān)業(yè)的老師們。其次，感謝在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)。最后，感謝劉念聰老師的細(xì)心指導(dǎo)，您對(duì)學(xué)校和工作的一絲不茍，對(duì)自己的嚴(yán)格要求是我們組每一位同學(xué)終身學(xué)習(xí)的榜樣。