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1、 ……………………. ………………. ………………… 山東農業(yè)大學 畢 業(yè) 論 文 題目： 3D打印機設計 學 院 機電學院 專業(yè)班級 電氣五班 屆 次 2014屆 學生姓名 姜云飛 學 號 20100776 指導教師 宋洪軍

2、 二O一四年五月十二日 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… 目 錄 摘要..............................................................................................................................Ⅰ Abstract......................................................................

3、...................................................Ⅱ 引言 2 1緒論 2 1.1 國內外3D打印機的研究現(xiàn)狀 2 1.1.1 國外3D打印機的研究現(xiàn)狀 2 1.1.2 國內3D打印機的研究現(xiàn)狀 3 1.2 3D打印機的發(fā)展趨勢 3 1.2.1 3D打印產業(yè)的未來發(fā)展前景 3 1.2.2 3D打印技術未來發(fā)展的主要趨勢 4 1.3 3D打印機的工作原理及特點 4 1.4 發(fā)展創(chuàng)新與突破 6 2 總體方案及結構設計 7 2.1 引言 7 2.2 總體框架的設計 8 2.3 溫度控制回路的設計 8 2.4 XY

4、Z三方向控制電機的設計 9 2.5 噴頭移動及噴出量調節(jié)的設計 9 3 機械結構 10 3.1 傳動方式的選擇 10 3.2 轉動慣量的計算 11 3.3 噴頭的選擇 12 4 電機的選擇 13 4.1 伺服電機和步進電機的對比 13 4.2 直流交流伺服電機對比 15 4.3 負載轉矩的計算 15 4.4 打印速度的初步估計 16 5 傳感器 16 5.1 溫度傳感器對比 16 5.2 機械位置傳感器 18 5.3 壓力傳感器 19 6 3D打印機的優(yōu)點及面臨問題 21 6.1 3D打印機的優(yōu)點 21 6.2 3D打印技術面臨的問題 21 參考文獻 2

5、2 致謝 23 Contents Summary ...........................................................Ⅰ Abstract ................................................. ........Ⅱ 1 Introduction .....................................................2 1.1 Research Status 3D printer at home and abroad..................

6、2 1.1.1 Research Status of Foreign 3D printer........................2 1.1.2 Research Status of domestic 3D printers.......................3 1.2 Trends of 3D printer...........................................3 1.2.1 Future prospects of 3D printing industry...................3 1.2.2

7、 3D printing technology for future development..............4 1.3 3D printer works and features..................................4 1.4 The development of innovative and breakthrough.................6 1.5 Chapter Summary................................................7 2 Overall program and st

8、ructural design.............................7 2.1 Introduction...................................................7 2.2 The overall design of the framework............................8 2.3 Temperature control loop design................................8 2.4 XYZ three directional control motor

9、 design.....................9 2.5 Mobile and spray nozzle design volume adjustment...............9 3 Mechanical structure.............................................10 3.1 Select Transmission..........................................10 3.2 Calculation of moment of inertia...................

10、...........11 3.3 Select nozzle.................................................12 4 Select motor....................................................13 4.1 Comparison of servo motors and stepper motors.................13 4.2 Comparison of DC servo motor .................................15 4

11、.3 The calculated of load torque.................................15 4.4 Preliminary estimates Print Speed............................16 5 Sensor...........................................................16 5.1 Comparison Temperature Sensor.................................16 5.2 Mechanical po

12、sition sensor ....................................18 5.3Pressure sensor ...............................................19 6 Advantages of 3D printers and the problems faced.................. 21 6.1 Advantages 3D printer .......................................21 6.2 3D printing technology is

13、sues facing the .....................21 References ........................................................22 Acknowledgements ..................................................23 3D打印機畢業(yè)設計 作者：姜云飛 指導教師：宋洪軍 【摘要】3D打印是最近兩年開始流行的一種快速成形技術, 它以數(shù)字模型文件為基礎, 通 過逐層打印的方

14、式來構造物體. 我們日常生活中的打印機能打印一些平面紙張材料, 而3D打印機打印出的是立體塑品產品.文章對3D打印的技術體系和國內外產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展態(tài)勢作了綜合介紹，綜述3D打印技術的基本概念、發(fā)展簡史、打印過程原理、應用領域、廣泛影響以及面臨的問題等.在介紹3D技術的發(fā)展歷程、3D打印技術的工作原理流程及特點的基礎上，分析了3D打印技術的創(chuàng)新點和存在的問題，展望了3D打印技術的未來發(fā)展趨勢. 關鍵詞:3D打印機;快速成型;結構設計;社會制造 I 3D printer Graduation Author: Jiang

15、 Yunfei Instructor: Song Hongjun 【Abstract】：3D printing is one of the last two years became popular rapid prototyping technology, which is based digital model files, through over the printed layer by layer approach to construct objects. Our daily lives printer can print some flat sheet material

16、, and 3D printer to print out the three-dimensional plastic goods products. Article on 3D printing technology system status and domestic industrial development, development made a comprehensive presentation situation, review the basic concepts of 3D printing technology, development history, the prin

17、ting process principles, applications, and the problems faced widespread impact, etc. In the development process of introduction of 3D technology, working principle and characteristics of the process of 3D printing technology based on the analysis of 3D printing technology innovations and problems,

18、looked to the future development trend of 3D printing technology. Key words：3D printers; rapid prototyping; structural design; social manufacture I 引言 隨著時代的進步，我們的生活水平日漸提升，同時，人口也在急劇的增長，我們需要越來越多的物品來滿足物質生活條件。這就勢必造成我們對物品的要求也會越來越高，做工精細、獨特且非量產的物品會受廣大人們的喜愛。如今，我們擁有了3D打印這一先進的技術，我們可以通過3D打印機

19、來打印各種我們所需要的、想要的。3D打印技術應用面廣，它可以用于醫(yī)療行業(yè)、科學研究、產品模型、建筑設計、制造業(yè)及食品等，前景廣泛。 3D打印技術，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印機則出現(xiàn)在上世紀90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。如今這一技術在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。 1 緒論 1.1 國

20、內外3D打印機的研究現(xiàn)狀 1.1.1 國外3D打印機的研究現(xiàn)狀 經過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術有了長足的進步，目前已經能夠在0.01mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi的精細分辨率。目前國際上較先進的產品可以實現(xiàn)每小時25mm厚度的垂直速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印。 目前，在全球3D打印機行業(yè)，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。此外，在此領域具有較強技術實力和特色的企業(yè)、研發(fā)團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。 3D Systems公司是全世界最大的快速成型設備開發(fā)公司

21、。于2011年11月收購了3D打印技術的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領域的龍頭地位。Stratasys公司2010年與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協(xié)議，生產HP品牌的3D打印機。繼2011年5月收購Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月與以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。 目前在歐美發(fā)達國家，3D打印技術已經初步形成了成功的商用模式。如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領域，3D打

22、印技術可以以較低的成本、較高的效率生產小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。另外，3D打印技術獲得應用的領域是個性化消費品產業(yè)。如紐約一家創(chuàng)意消費品公司Quirky通過在線征集用戶的設計方案，以3D打印技術制成實物產品并通過電子市場銷售，每年能夠推出60種創(chuàng)新產品，年收入達到100萬美元。 1.1.2 國內3D打印機的研究現(xiàn)狀 自20世紀90年代以來，國內多所高校開展了3D打印技術的自主研發(fā)。清華大學在現(xiàn)代成型學理論、分層實體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料【1】；西安交通大學自主研制了三維打

23、印機噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應成型材料，成型精度達到40.2mm；中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領域得到應用。但總體而言，國內3D打印技術研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。 近年來，國內企業(yè)已實現(xiàn)了3D打印機的整機生產和銷售，這些企業(yè)共同的特點是由海外歸國團隊建立，規(guī)模較小，產品技術與國外廠商同類產品相比尚處于低端。目前，國產3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術水平有待進一步提升。在服務領域，我國東部發(fā)達城市已普遍有企業(yè)應用進口3D打印設備開展了商業(yè)化的快速成型服務，其服務范圍涉及到模具制作、樣品制

24、作、輔助設計、文物復原等多個領域。與內地相比，我國港臺地區(qū)3D打印技術引入起步較早，應用更為廣泛，但港臺主要著重于技術應用，而非自主研發(fā)。 1.2 3D打印機的發(fā)展趨勢 1.2.1 3D打印產業(yè)的未來發(fā)展前景 根據(jù)國際快速制造行業(yè)權威報告《Wohlers Report 2011》發(fā)布的調查結果，全球3D打印產業(yè)產值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增長速度。報告預期，3D打印產業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長，到2016年，包含設備制造和服務在內的產業(yè)總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元【2】。 但3D打印技術要進一步擴展其產業(yè)應用空間，目前仍面臨著多方

25、面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠不適應大規(guī)模生產的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風險大增，現(xiàn)有知識產權保護機制難以適應產業(yè)未來發(fā)展的需求。 Gartner公司2011年發(fā)布的最新技術發(fā)展展望報告判斷：3D打印技術目前正在進

26、入概念炒作的高峰階段，其技術還有待充分成熟，主流市場也有待進一步培育。Gartner公司研究人員認為，3D打印技術成熟到適應市場需求還將需要5～10年的時間。在這一較為漫長的發(fā)展過程中，產業(yè)可能會面臨增長期望落空、技術遭遇瓶頸以及投資撤離等風險。 總之，從中長期看來3D打印產業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產業(yè)距離成熟階段尚有較大距離，對于3D打印市場規(guī)模的短期發(fā)展不宜過分高估。因此，現(xiàn)階段產業(yè)界對3D打印領域的投入應以加強創(chuàng)新研發(fā)、技術引進和儲備為主，尤其要重視自主知識產權的建設和維護，爭取在未來的市場競爭中占據(jù)有利地位。如受到概念炒作影響，在技術尚未充分完善的現(xiàn)階段大規(guī)模投入產能擴張，則

27、投資回報將面臨著較大的風險。 1.2.2 3D打印技術未來發(fā)展的主要趨勢 隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。 提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質量、力學和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成為今后研究與應用的又一個熱點；

28、3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設計軟件和生產控制軟件能夠無縫對接，實現(xiàn)設計者直接聯(lián)網控制的遠程在線制造；拓展在生物醫(yī)學、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領域的創(chuàng)造性應用。 1.3 3D打印機的工作原理及特點 1.3.1 3D打印的工作原理 三維打印技術是使用噴頭噴出粘結劑，選擇性地將零件的截面印刷在材料粉末上面，最后層層將各個截面粘結起來. 可用于制造復雜形狀的模型中空模型，或者制造復合材料或非均勻材料的模型等. 圖1是三維打印成型機的剖面示意圖. 其

29、工藝是先由鋪粉輥從左往右移動, 將供粉缸里的粉末在成型缸上均勻鋪上一層． 然后按照計算機上設計好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件底層截面的形狀, 然后成型缸平臺向下移動一定距離，再由鋪粉輥從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結劑，層層遞進，最后得到的零件整體是由各個橫截面層層重疊起來的. 圖1 三維快速打印技術工作原理示意圖 3D打印的主要工作流程如圖2所示, 其中3D建模是3D打印的前提，相當于平面印刷中的原稿，3D建模質量的好壞決定了3D打印的質

30、量. 一般現(xiàn)有的3D建模軟件都可以實現(xiàn)建模，比如CADPro/e等矢量建模軟件，都可以輕易地實現(xiàn)3D建模. 3D分割將建立的3D模型分成一個個的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料及打印機的結構決定, 厚度一般為幾十微米到幾百微米不等. 分割工序也是由軟件來實現(xiàn)，類似于打印機的驅動程序. 噴墨打印中將成型材料一層層噴涂在基材上. 目前比較流行的做法是先噴一層膠水,然后再在上面撒一層粉末，如此反復, 噴頭一般可采用噴墨打印機的噴頭， 目前也有一些設備廠商提供專用的噴頭. 打印完成后，還需要對打印出來的3D模型進行后處理，比如固化處理剝離模型的修整等等，最終完成所需要的模型的制作.

31、 1.3.2 3D打印的特點 與傳統(tǒng)模型制作相比，3D打印具有傳統(tǒng)模具制作所不具備的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)如下: 1． 制作精度高。 經過20年的發(fā)展，3D打印精度有了大幅度的提高。 目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以0．3mm以下。 2． 制作周期短。 傳統(tǒng)模型制作往往需要經過模具的設計模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期長。 而3D打印則去除了模具的制作過程，使得模型的生產時間大大縮短，一般幾個小時甚至幾十分鐘就可以完成一個模型的打印。 3． 可以實現(xiàn)個性化制作。 對于傳統(tǒng)模型的制作，個性化模型的生產就顯得力不從心，或者是成本高昂。 而3

32、D打印對于打印的數(shù)量沒有限制，不管是一個還是多個，都可以以相同的成本制作出來。 4． 制作材料的多樣性。 一個3D打印系統(tǒng)往往可以實現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領域的需要。 比如金屬石料高分子材料都可以應用于3D打印。 5． 制作成本相對低。 雖然現(xiàn)在3D打印系統(tǒng)和3D打印材料比較貴，但是如果用來制作個性化產品，其制作成本就相對較低了 加上現(xiàn)在新的材料不斷出現(xiàn)，其成本下降將是未來的一種趨勢。 1.4 發(fā)展創(chuàng)新與突破 3D打印被用作經濟學人雜志封面，主題為看制造業(yè)新技術如何改變世界，詳細介紹了3D打印的歷史和發(fā)展，可見人們對于3D打印成為一項可以改變世界的影響

33、力日益關注。 而3D打印的價值體現(xiàn)在想象力馳騁的各個領域，人們利用3D打印為自己所在的領域貼上了個性化的標簽。 人們紛紛展示了如何3D打印馬鈴薯巧克力小鎮(zhèn)模型，甚至擴展到用3D打印汽車和飛機，3D打印行業(yè)的發(fā)展始終凸顯著創(chuàng)新突破這一關鍵特質，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 1.4.1 3D打印應用領域擴展延伸 3D打印的優(yōu)勢在2011年被充分應用于生物醫(yī)藥領域，利用3D打印進行生物組織直接打印的概念日益受到推崇。 比較典型的包括Open3DP創(chuàng)新小組宣布3D打印在打印骨骼組織上的應用獲得成功，利用3D打印技術制造人類骨骼組織的技術已經成熟; 哈佛大學醫(yī)學院的一個研究小組則成功研制了一款可以實現(xiàn)

34、生物細胞打印的設備; 另外，3D打印人體器官的嘗試也正在研究中。隨著3D打印材料的多樣化發(fā)展以及打印技術的革新，3D打印不僅在傳統(tǒng)的制造行業(yè)體現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿?，同時其魅力更延伸至食品制造服裝奢侈品影視傳媒以及教育等多個與人們生活息息相關的領域。 1.4.2 3D打印速度尺寸及技術日新月異 在速度突破上，2011年，個人使用3D打印機的速度已突破了送絲速度300mm每秒的極限，達到350mm每秒在體積突破上，3D打印機體積為適合不同行業(yè)的需求，也呈現(xiàn)輕盈和大尺寸的多樣化選擇。 目前已有多款適合辦公室打印的小巧3D打印機，并在不斷挑戰(zhàn)輕盈極限，為未來進入家庭奠定基礎。 在ViennaUni

35、versityof Technology的一個研究項目中，該團隊設計了迄今為止世界上最小的3D打印設備，并且降低了打印設備的制造成本，也有望未來進駐家庭在大尺寸領域，在德國的3D打印公 司發(fā)布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印機，該款大尺寸3D打印機使打印大尺寸部件一次成型成為可能【3】。3D打印技術日新月異，在2011年Lexus對外發(fā)布了新3D打印技術，該技術基于高科技循環(huán)編織技術，使用激光進行3D打印，能夠以編織的方式制作復雜的3D模型 1.4.3 設計平臺革新 基于3D打印民用化普及的趨勢，3D打印的設計平臺正從專業(yè)設計軟件向簡單設計應用發(fā)展，其中比較成熟的平臺有基于

36、WEB的3D設計平臺—— 3DTin，另外，微軟谷歌以及其他軟件行業(yè)巨頭也相繼推出了基于各種開放平臺的3D打印應用，大大降低了3D設計的門檻，甚至有的應用已經可以讓普通用戶通過類似玩樂高積木的方式設計3D模型。 2 總體方案及結構設計 2.1 引言 3 D打印機,專業(yè)領域又稱快速原型機,是數(shù)字化增材技術。經過幾十年發(fā)展后的逐漸走向民用市場的技術成果。其推廣不僅意味著科技的進步,更為工業(yè)制造概念增添了新的內涵,有著廣闊的發(fā)展前景。 本文擬對3 D打印機的控制結構進行設計,在綜合考慮性能與經濟性的基礎上完成其元件 的討論與選型。 3 D打印機利用不同的材料打印立體模型,利

37、用計算機軟件技術,設計者設計出一個初步模型之后,例如一座建筑亦或是人工心臟瓣膜,之后通過3 D打印機 進行打印。打印的原料種類繁多,有機材料、無 機材料均可使用。例如塑料、橡膠等。打印材質視具體情況而定。 3 D打印機在9 0年代中期就出現(xiàn)了。隨著科技的發(fā)展,它已經投人到各種科技工作的領域當中。通過一層一層堆積的液體和粉末來 生產物體,可以用來制造一次性的機械產品以及模型。牙科醫(yī)生利用 3 D打印機掃描患者的牙齒輪廓后復制出合適的矯正模具;產品生產廠商用它來完成對產品功能的設計,以避免在大規(guī)模生產后修改設計;展覽館用它復制真品,以避免真品被參觀者損毀。 2.2 總體框架的設計

38、 2.2.1 系統(tǒng)概述 系統(tǒng)由輸人設備制定部分參數(shù),從存儲設備或者直接從計算機 中得到事先建好的三維模型,由單片機對模型進行分析,切片,建立 必要的支撐結構,再從單片機輸出控制指令,控制噴頭型材料融化,并通過一定的驅動電路驅動電機,帶動噴頭進行X、Y、Z三個方向的移動,并控制噴頭的噴出系統(tǒng)調節(jié)噴出材料的多少。每打好一 層,從外 部設備讀取下一層的參數(shù),再打印下一 層,直到全部模型完成。完成 模型的打印之后,還需要后期的材料回收工作。 2.2.2 系統(tǒng)框架 輸入設備、存儲外設、上位機、溫度傳感器的測量值----單片機分析----溫度控制回路、XYZ各方向電機控制、噴出量控制、顯示設備 2

39、.3 溫度控制回路設計 2.3.1 打印耗材的選用 為了實現(xiàn)3 D打印機的功能,所選材料也很重要。既要由較低的熔點,也要有較好的粘滯性,同時也需要快速成型。綜合考慮,我們最終選擇了P L AA /B S耗材。 2.3.2 設計思路概述 ABS/PLA耗材熔點為230℃左右,分解溫度260℃以上,故其通常成型溫度在250℃以下?？刂苹芈肥褂脺囟葌鞲衅鞣祷禺斍皽囟?反饋回路保證了溫度保持恒定,控制器統(tǒng)一使用了單片機來輸出指令【4】。 (3) 控制回路方框圖如下： 設置的空氣溫度→單片機→D/A轉換器→加熱電路→當前溫度→溫度傳感器→A/D轉換器→單片機 2.4 x y z三方向控制電

40、機的設計 采用化繁為簡的思路,將三維打印轉化為二維進而轉化為一維 打印。即Z方向采用步進電機,由步進電機固定的 給量算出所需的步進角,用這種方式將三維打印先轉化為每一平面內的二維打印,再由Y方向也為步進電機帶動,則每一平面內的二維打印又轉化為很多條 直線上的一維打印。 2.5 噴頭移動及噴出量調節(jié)的設計 2.5.1 噴頭系統(tǒng)的功能要求 熔融擠出系統(tǒng)對噴頭系統(tǒng)的基本要求 是:將成型料絲送人液化器中,在其中及時而充分地熔化,由固態(tài)變 為熔融態(tài),然后再進一步從更小直徑的噴嘴中以極細絲狀擠出,按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描速度相匹配,以保證均勻一 致的材料堆積路徑。成型工藝對

41、噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點: 1) 供應功能:將料絲從絲筒上拉出,提供成型材料; 2) 熔絲功能與料絲送進功能:將送進的固態(tài)料絲及時且充分地 熔化成為熔融狀態(tài)并將料絲送人液化器; 3) 流道功能:提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動的通道; 4) 定徑功能:對擠出熔融態(tài)物料進行定徑,變?yōu)闈M足要求的細小直徑的絲材進行堆積; 5) 出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ?出絲速度可控,能根據(jù)掃描速度進行調整,實現(xiàn)互相匹配。出絲應能根據(jù)路徑掃描要求及時起停,以保證高質量的成型路徑,尤其是在路徑 起停處。 在采用熔絲擠出方式的工藝原理時,就是借助液化器中未熔絲材的活塞作用,將熔融材料擠出噴嘴,出絲推

42、力近似等于送絲驅動力,所以在此特定的工藝原理中,送絲功能和基礎功能是等效的。 2.5.2 噴頭實現(xiàn)方法設計 基于所選擇的打印耗材,噴出技術采用熔融沉積成型技術,根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描,同時控制熔融液體的體積 流量,使粘稠液體物料均勻地鋪灑在斷面層上。 液化器中使用電熱絲提供熱量使料絲熔融。熔融擠壓快速成型工藝對溫度的要求極其嚴格,噴頭出絲溫度和成型室的溫度嚴格處于一定的溫度范圍之內,且一旦設定溫度控制值之后,須保證其溫度保持在平穩(wěn)狀態(tài),不能產生較大 的擾動,否則成型質量將受到影響。這就要求液化器溫度必須保持穩(wěn) 定。因此,我們需要加入上述的溫度控制回路來嚴格控制液化器的溫

43、度。 3 機械結構 3.1 傳動方式的選擇 直線導軌可分為：滾輪直線導軌和滾珠直線導軌兩種，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度較高。 滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1)與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2)高精度的保證

44、 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。 3)微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4)無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5)高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。

45、 3.2 轉動慣量的計算 滾珠絲杠根據(jù)國家標準JB/T9893－1999選用長度L=1.0m，公稱直徑D=12mm,公稱導程mmPh40【5】=。 對本系統(tǒng)而言，絲杠傳動折算到馬達軸上的總慣量為： Jt=Z1+1/i2[Z2+JS+JW](kg.m2)++= 其中i為兩齒輪的傳動比，此處取i=Z1/Z2=1 其他符號說明如下： Z1——齒輪l及其軸的轉動慣量；J1=0.0018kg.m2 Z2——齒輪2的轉動慣量，取J2=0.0018kg.m2=； Js——絲杠轉動慣量，kg.m2； Jw----為工作臺折算到絲杠上的動慣量； W——工作臺重量，工作臺輕，取6kg；

46、 S——絲杠螺距，4mm； g——重力加速度，9.8m/s2； 圓柱體的轉動慣量：J=1/8MD2 M----圓柱體質量；D----圓柱體直徑； 而且選用絲杠的密度（類于鐵）為7.8g/m3=r； 滾珠絲杠的轉動慣量為： JS=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 ) Jw=6*0.0042/(9.8*4π2)=2.48*10-7( kg.m2 ) 從而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。 可見，Jt很小——主要由兩個齒輪的轉動慣量來決定，從而對電機的功率輸出要求不苛刻，在功率不高情況下，可

47、以實現(xiàn)高轉速。 這是一個小慣量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動，加速，制動的性能好，反應快，比較理想。 此類電機最高轉速一般是3000r/min上下，取3000為參考研究 按360dpi的分辨率來考慮，則每英寸25.4mm對應360個色點，每兩個色點的距離為25.4/360=0.07mm,又打印噴頭為雙排的，所以，打印噴頭周期移動距離d=0.07*2=0.14mm，噴墨一次，噴粘劑一次，兩個噴頭噴出同步； 設定機械精度：0.005mm，對應的脈沖當量: 由i=1，求得絲桿轉一圈，噴頭前進4mm。則機械精度對應 絲桿轉一周，上位機應該發(fā)出的指令脈沖為4mm/0.005mm=800（個）

48、則對應轉速約為3000，上位機脈沖能力至少800*3000/60=40000r/s；對應6000轉的轉速，則上位機脈沖能力80000r/s，電子齒輪比不變. CMX：電子齒輪比的分子是電機編碼器反饋脈沖。 CDV：電子齒輪比的分母是上位機的給定脈沖（指令脈沖）。 電子齒輪比=CMX/CDV=（131072100）/80000=6553600/200000=32.8。 在此計算電子齒輪比的目的——電子齒輪比把上位機的給定脈沖要換算成與電機編碼器反饋脈沖同等意義的信號，便于控制中心按給定指令要求控制伺服轉動定位。此外，通過上位機的脈沖能力的估算，對比實現(xiàn)的可能性，得知我們方案的合理性。

49、 3.3 噴頭的選擇 選用Konica512L型號，實現(xiàn)寬度盡可能滿足，分辨率滿足，控制X軸方向運動，Y軸方向由另一電機控制，控制方式類似，單次位移為36.1mm,精度控制一樣。雙排式排列方式，使得走完一個幅面的時間相對于單排式減半，利于打印速度的提高。 4 電機的選擇 4.1 伺服電機和步進電機的對比 控制電機的比較與選?。弘姍C控制系統(tǒng)按照運動過程的需要分為驅動伺服和驅動步進兩大類。伺服有速度控制和位置控制模式。 4.2 交流直流伺服電機對比 在20世紀60年代，最早是直流電機作為主要執(zhí)行部件，在70年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)

50、的主導執(zhí)行電機?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅動器已經包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進電機直接驅動的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經在90年代的所謂經濟型數(shù)控領域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。 伺服電機可以考慮直流和交流兩種【6】：但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經常維護。換向器換向時會產生火花，使電動機的最高速度受到限制，也使應用環(huán)境受到限制，而且直流電動機結構復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響

51、應更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10﹪～70﹪，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。 PMSM主要由定子、轉子及測量轉子位置的傳感器構成。定子和一般的三相感應電機類似，采用三相對稱繞組結構，它們的軸線在空間彼此相差120度。轉子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極。位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉變壓器。 4.3 負載轉矩的計算 PMSM定子轉組產生旋轉磁場的機理與感應電機是相同的。其不同點是轉子為永磁體且n與ns相同（同步）。兩個磁場相互作用產生轉矩。定子繞組產生的旋轉磁場可看作一對旋轉磁極吸引轉子的磁極隨其一起旋轉。(同性相斥，異

52、性相吸) 其中θ為失調角，也稱功率角；K與定子端電壓和轉子磁勢（磁密)的乘積成正比。Fy和Fs分別是轉子、定子的磁勢或磁密；p為極對數(shù)。 當θ為90度角時，對應最大轉矩，稱最大同步轉矩。對之前我們算得的負載轉矩Jt=3.0*10-3kg.m2進行慣量匹配。 根據(jù)牛頓第二定律：“進給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量J角加速度a角”。加速度α影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，α越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應越慢。如果α變化，則系統(tǒng)反應將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望α的變化小，則J應該盡量小。 傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應都有影響。

53、慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應盡量減小慣量。 通常負載的慣量不要大于電機慣量的5倍，最大不要超過10倍。 對于功率P=2π*nT/60對旋轉運動的物體來說，轉矩和慣量的關系正如直線運動物體的受力和質量的關系。 4.4 打印速度的初步估計 每打一個，計劃在Y軸方向移動10次，使寬度達到361mm=對此，計算噴頭走完1個幅面的時間T，計劃彩印周期T秒，暫時忽略10次Y方向移動時間，有： 電機一轉對應絲桿

54、1轉對應10個導程共4mm，360mm需要電機轉90r，最高轉速時，電機每秒轉50r，對應時間為1.8s。則10個來回大約18秒，x軸方向10次加減速，對應總時間6s;走完一個幅面，需要大概24秒，加上其余誤差時間，30秒就可以完成一個幅面，T=30s，基本實現(xiàn)1分鐘打印2頁的要求【7】。 求電機勻加速需要時間。 電機300ms，表示靜止加速到額定轉速的時間，角加速度為 α=50*2π/0.3=1047rad/s2 M=Ma+Mf Ma=(Im+It)α Mf=μWS/2πηι 式中Ma——電機啟動加速力矩； Jm，Jt——電機自身慣量與負載慣量（kgm3）； Mf—

55、—導軌摩擦折算至電機的轉矩（Nm） μ——摩擦系數(shù)，取0.1； η——傳遞機械效率，在此取0.15。 滾動螺旋傳動的傳動效率取0.95；滾動球軸承傳動效率為0.99；齒輪的傳動效率為0.93；總傳動效率為： η=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866==h 導軌磨擦折算至電機側的轉矩：Mf=0.1*6*0.004/(2π*0.866*1)=4.4*10-4 需要的輸出力矩為: T=Jα+Mf=(3.0*10-3+0.388*10-4)*1047+4.4*10-4=3.18N.m 出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81，滿足要求。 5 傳感器 5.1 溫

56、度傳感器對比 溫度傳感器的接觸式特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，并且接觸式測溫系統(tǒng)結構簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉，并且可以可方便地組成多路集中測量與控制系統(tǒng)。a 由上面兩個表分析，非接觸時的對于1000攝氏度以下誤差較大，應該采用接觸式的溫度傳感器。其中，熱敏電阻的銅的溫度測量范圍在-50~150℃，精度在0.1%~0.3%之間，標準化程度高，精度及靈敏度均較好，對于本設計來講銅更加適合作為溫度傳感器。 5.2 機械位置傳感器 支持直線運動的傳動方式主要就是螺桿，和皮帶兩種，螺桿的精度比皮帶高，載荷也大，但速度

57、低一些。三維打印機的打印頭基本不受力，對載荷沒有要求，打印機的運動特點時，在水平兩個方向上速度越快越好，在垂直方向上精度越高越好，速度無所謂（打完一層才動一次）。因此打印機的傳動設計一般都是在水平方向使用皮帶（同步帶),垂直方向用螺桿。 5.3 壓力傳感器 壓力傳感器用于檢測兩個噴頭分別對應的三原色顏料用量和粘劑的用量，還有固體粉末當使用情況檢測。但物量不夠的時候，反饋，提醒用戶加入顏料、粘劑或粉末。對應以上表格，可以采用電位器來做測量，且能達到比較高的精度。 6 3D打印機的優(yōu)點及面臨問題 6.1 3D打印機的優(yōu)點 3D打印技術主要有以下優(yōu)點：

58、 1.制造快速　3D打印技術是并行工程中進行復雜原型或者零件制造的有效手段，能使產品設計和模具生產同步進行，從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產品設計周期，極大降低了新品開發(fā)的成本及風險，對于外形尺寸較小特異形的產品尤其適用[8]。 2.CAD/CAM技術的集成　快速成型技術集成CAD.CAM激光技術.數(shù)控技術.化工材料工程等多項技術,使得設計制造一體化的概念完美實現(xiàn)。 3.完全再現(xiàn)三維效果　經過快速成型制造完成的零部件,完全真實的再現(xiàn)三維造型,無論外表面的異形曲面,還是內腔的異形孔都可以真實準確的完成造型,不再需要再借助外部設備進行修復。 4.材料種類繁多　到目前

59、為止，各類3D打印機設備上所使用的材料種類有很多樹脂，尼龍，塑料，石蠟紙以及金屬或陶瓷的粉末，能滿足絕大多數(shù)產品對材料的機械性能需求。 5.創(chuàng)造顯著的經濟效益　與傳統(tǒng)機械加工方式比較，開發(fā)成本上節(jié)約10倍以上，同樣快速成型技術縮短了企業(yè)的產品開發(fā)周期，使的在新品開發(fā)過程中出現(xiàn)反復修改設計方案的問題大大減少，也消除了修改模具的問題，創(chuàng)造的經濟效益十分明顯。 6.應用行業(yè)領域廣　3D打印技術經過這些年來的發(fā)展，在技術上已形成了一套體系，同樣可應用的行業(yè)也逐漸擴大，從產品設計到模具設計與制造材料工程醫(yī)學研究文化藝術建筑工程等等都逐漸的使用3D打印技術，使得3D打印技術有著廣闊的前景。

60、6.2 3D打印技術面臨的問題 現(xiàn)在3D打印技術的精度約為0.1ｍｍ， 而且3D打印機本身的售價偏高，不過隨著技術的進步和成本的降低，一臺普通3D打印機的成本有望比1985年的激光打印機還要低。生物3D打印機也面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中之一是其打印出的器官如何與身體其他器官尤其是大的組織更好地結合，因為任何打印出來的器官或身體組織都需要同身體的血管相連，而這可能非常難于實現(xiàn) ，一旦克服了這個技術障礙，在未來幾十年內生物打印技術將成為一項標準技術。 當然，要實現(xiàn)3D打印技術的大規(guī)模使用還有不少挑戰(zhàn)， 首先是打印材料，它根據(jù)打印商品的不同，需要各種特殊種類的金屬塑料以及陶瓷等成本比較高 。 產權保

61、護： 3D打印技術的意義不僅在于改變資本和工作的分配模式，而且也在于它能改變知識產權的規(guī)則 。該技術的出現(xiàn)使制造業(yè)的成功不再取決于生產規(guī)模而取決于創(chuàng)意。 然而單靠創(chuàng)意也不夠，模仿者和創(chuàng)新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產品 。因此，競爭優(yōu)勢可能將前所未有地變得比以前更短。 一旦物品能用數(shù)字文件來描述，它們就會變得很容易復制和傳播，當然盜版也會變得更加猖獗。 當一個新玩具的草圖或一雙鞋的設計方案在網上流傳時，其知識產權的擁有者會失去更多。因此人們在知識產權領域進行的斗爭會更加激烈，并且隨著開源軟件新的非商業(yè)模式的出現(xiàn)，3D打印技術需要比目前更加嚴謹還是更加寬松的法規(guī)還有待驗證。 稅務問題：

62、過去稅務局海關對交易征稅都是基于商品的價值。如果將來貨物的制造模式都是通過購買3D打印機和耗材，從網上下載設計文件，自行打印出所需的物品，那么傳統(tǒng)的征稅模式將難以為繼 ，未來的稅基將很可能從增值稅消費稅轉向個人所得稅和營業(yè)稅。 參考文獻 ［1］許廷濤．3D打印技術———產品設計新思維［J］．電腦與電信，2012,9 :5-7． ［2］古麗萍． 蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展［J］． 數(shù)碼印刷．2011,10 :64-67． ［3］蔡恩澤．3D打印顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)［J］． 中國中小企業(yè)，2012,11 :46-47． [4] 劉厚才，莫健華,等.三維打印快速成形技術及其應用 [ J]．機

63、械科學與技術，2008，9:12-14． [5] 陳步慶，林柳蘭，等．三維打印技術及系統(tǒng)研究 [J]．機電一體化，2005，（4）:31-32 [6] 楊小玲，周天瑞.《三維打印快速成形技術及其應用》，浙江科技學院學報，2009,21(3):78-80. [7]劉厚才，莫健華，等.《三維打印快速成形技術及其應用》，機械科學與技術，2007,27(9):23-26. [8]胡發(fā)宗，趙毅，等.《三維立體打印機的成形技術》，上海交通大學,2012(8):16-18. 致 謝 光陰荏苒，美好的大學時光即將畫上一個句號。回望過去，仿佛昨日。孜孜

64、不倦的老師，善良可愛的同學，美麗幽靜的校園，一直陪伴著我，見證了我的成長。 畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在山東農業(yè)大學機械與電子工程學院的四年學習生活既將結束?；厥准韧约阂簧顚氋F的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。在這四年的時間里，我在學習上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的。 首先,我要感謝我的導師宋洪軍老師。論文是在老師的悉心指導下完成的。老師對本選題十分重視。提綱、完成初稿、修改完善到最后的定稿都一一過問，花費了大量心血。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學識、獨特的學術思維、一

65、絲不茍的工作作風、熱情待人的品質，使我滿懷敬意。 其次，我要感謝我的父母對我二十多年來辛勤的養(yǎng)育之恩，正是你們的支持和鼓勵，才使我順利地完成學業(yè)；正是你們的關心和默默的奉獻，給我創(chuàng)造了優(yōu)越的條件，使我在學習的道路上樂觀向上、勇往直前。 然后，我還要十分感謝四年來與我朝夕相處的老師與同學們，感謝老師與同學們四年來的關心和鼓勵，因為你們使我的大學生活充滿了感動。因為有了你們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)論文才會順利完成。 感謝所有在畢業(yè)設計中曾經幫助過我的良師益友和同學，以及在設計中被我引用或參考的論著的作者。感謝我的母校--山東農業(yè)大學。 最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參與本人論文答辯的各位老師表示真誠的感謝，謝謝。 姜云飛 2014年6月15日 20