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摘 要
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代加工的需求，于是
一種全新的制造技術(shù)-3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過(guò)3D打印技術(shù)制造完成的零部件，完全真實(shí)的再現(xiàn)三維造型，無(wú)論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實(shí)準(zhǔn)確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。
隨著3D打印技術(shù)在市場(chǎng)的應(yīng)用越來(lái)越深入和廣泛，3D打印機(jī)的需求越來(lái)越大，因此，論文旨在設(shè)計(jì)一種桌面級(jí)3D打印機(jī)。
本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及一些必要的設(shè)計(jì)計(jì)算，通過(guò)對(duì)打印噴頭以及x-y軸打印平臺(tái)的分析，選擇適當(dāng)?shù)牟牧弦约皡?shù)，通過(guò)solidworks的繪圖對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行3D構(gòu)圖，最后完成裝配。最終要求3D打印機(jī)在打印過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)平穩(wěn)，使其穩(wěn)定生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；x-y軸打印平臺(tái)；打印噴頭
ABSTRACT
With the development of industrial technology, traditional processing methods are hard to meet the needs of modern processing. A new manufacturing technology -3D printing technology came into being. The parts made by 3D printing technology are completely reproduced in three-dimensional modeling. No matter the surface of the surface or the shaped hole, it is true and accurate to complete the modeling, and no longer need to be repaired with the aid of the external equipment.
With the more and more in-depth and extensive application of 3D printing technology in the market, the demand for 3D printers is becoming more and more large. Therefore, the paper aims to design a desktop 3D printer.
The design is mainly designed for the mechanical structure of the 3D printer and some necessary design and calculation. Through the analysis of the printing nozzle and the X-Y axis printing platform, the appropriate materials and parameters are selected. The design of the product is made by the SolidWorks drawing, and the assembly is finished at the end. Ultimately, 3D printer needs to be stable in movement and transmission during printing.
Keywords: 3D printing technology; X-Y axis printing platform; Print nozzle
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
目錄 III
引 言 1
1.緒 論 2
2.總體設(shè)計(jì)方案選擇 6
3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 12
4.傳感器選擇 24
結(jié)論 26
參考文獻(xiàn) 27
致謝 28
附錄1 外文譯文 29
附錄2 外文原文 34
53
引 言
3D打印機(jī)技術(shù)是機(jī)械制造中進(jìn)行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段，3D打印帶來(lái)了全世界性制造業(yè)革命，它無(wú)需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體。經(jīng)過(guò)快速成型制造完成的零部件，完全真實(shí)的再現(xiàn)三維造型，無(wú)論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實(shí)準(zhǔn)確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，極大的降低了新品開(kāi)發(fā)的成本及風(fēng)險(xiǎn)。
隨著智能制造，控制技術(shù)，材料技術(shù)，信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也被廣泛地綜合應(yīng)用與制造工業(yè)， 3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趨勢(shì)。提升3D打印的速度、效率和精度，開(kāi)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(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開(kāi)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(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)。
3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡(jiǎn)便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造，拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。
1.緒 論
1.1研究背景及研究意義
1.1.1國(guó)內(nèi)外3D打印機(jī)研究現(xiàn)狀
3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，是利用光固化和紙層疊等方式實(shí)現(xiàn)快速成型的技術(shù)。打印機(jī)內(nèi)裝有粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，與電腦連接后，通過(guò)一層又一層的多層打印方式，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。第一臺(tái)商用的3D打印機(jī)出現(xiàn)在1986年，但3D 打印技術(shù)的真正確立是以美國(guó)麻省理工大學(xué)的Scans E.M. 和Cima M.J.等人于1991 年申報(bào)的關(guān)于三維打印專利為標(biāo)志的。
在國(guó)外，經(jīng)過(guò)十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前已經(jīng)能夠在 0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的精細(xì)分辨率。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式，如在消費(fèi)電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的造型。
在國(guó)內(nèi)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)多所高校開(kāi)展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。中國(guó)科技大學(xué)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(lǐng)域得到應(yīng)用。但總體而言，國(guó)內(nèi)3D技術(shù)的研發(fā)水平還有較大差距。我國(guó)港臺(tái)地區(qū)很多高校和企業(yè)都有自己的3D打印設(shè)備，RP技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，但并非自主研發(fā)。國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)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(shù)水平有待進(jìn)一步提升。
1.1.2研究意義
3D打印技術(shù)應(yīng)用廣泛，除了日常生活用品以外，3D打印技術(shù)還可以廣泛運(yùn)用于建筑、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域。人們已經(jīng)使用該技術(shù)打印出了燈罩、身體器官、珠寶等，有些人甚至使用該技術(shù)制造出了機(jī)械設(shè)備。
傳統(tǒng)的產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的周期，一些很復(fù)雜的產(chǎn)品如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、房子等需要耗費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)原料進(jìn)行加工和建造。而3D打印技術(shù)集產(chǎn)品設(shè)計(jì)與打印制造于一身，短則幾小時(shí)，多則幾天就能把結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)。?
傳統(tǒng)的制造會(huì)浪費(fèi)大量材料，在一些高新技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中一些廢棄角料無(wú)法回收利用，造成大量浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。而3D打印技術(shù)使用的材料主要是PLA、ABS或金屬材料，它幾乎沒(méi)有材料損耗，大大降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)增加利潤(rùn)創(chuàng)造條件；傳統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程需要大量的人力、場(chǎng)地和設(shè)備，給企業(yè)增加了較大負(fù)擔(dān)。而使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品只需要幾個(gè)技術(shù)熟練的3D打印技術(shù)人員即可完成從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造的全部過(guò)程。
從長(zhǎng)期來(lái)看，3D打印技術(shù)是一種顛覆性的技術(shù)，在未來(lái)將會(huì)是實(shí)現(xiàn)高端制造業(yè)發(fā)展的重要手段之一。
1.2 3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趨勢(shì)。3D打印機(jī)的發(fā)展目前主要是如何提升3D打印的速度、效率和精度，實(shí)現(xiàn)斷電斷點(diǎn)連續(xù)打印、大件打印、多材料打印，并提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好的成品。
但受限于3D打印技術(shù)自身原因，無(wú)法應(yīng)用于大量生產(chǎn)，它適合一些小規(guī)模制造，尤其是高端的定制化產(chǎn)品，比如汽車零部件制造。而且受材料的限制，3D打印機(jī)可以生產(chǎn)的其他產(chǎn)品也很少，現(xiàn)在所應(yīng)用的主要材料還是塑料，但未來(lái)金屬材料肯定會(huì)被運(yùn)用到3D打印中來(lái)，3D打印技術(shù)可應(yīng)用的的范圍會(huì)越來(lái)越廣。未來(lái)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等行業(yè)領(lǐng)域?qū)?huì)有更多創(chuàng)造性應(yīng)用。
1.3 3D打印機(jī)工作原理
1.3.1熔融沉積快速成型技術(shù)簡(jiǎn)介
典型的快速成型技術(shù)有立體光固造型SLA、疊層實(shí)體制造LOM、選擇性激光燒結(jié)SLS、熔融沉積技術(shù)SLS。
其中熔融沉積的制造過(guò)程是通過(guò)對(duì)CAD模型進(jìn)行快速切片，從而生成每一層的幾何形狀，將熱塑性材料加熱融化，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)并擠出半流體材料，凝固成實(shí)際部分薄層，并在垂直提升系統(tǒng)下生成下一層，使兩層固化在一起。最后成為三維實(shí)體。
1.3.2基于熔積技術(shù)的3D打印機(jī)工作原理
圖1-1為3D打印機(jī)工作原理示意圖，打印噴頭首先將材料融化，通過(guò)打印噴頭將材料擠出。計(jì)算機(jī)已設(shè)計(jì)好所要打印的3D模型，由打印頭噴出零件底層截面的形狀三維打印技術(shù)是采用噴頭融化并擠出熱塑性材料。根據(jù)截面輪廓形狀信息并在計(jì)算機(jī)的控制下打印頭做x-y軸運(yùn)動(dòng)，最終打印出底層截面形狀。然后Z軸進(jìn)行上下移動(dòng)，繼續(xù)打印出下一層截面形狀。經(jīng)過(guò)一層一層的打印粘結(jié)最后形成所需要的模型。
Z軸移動(dòng)的距離即每層的厚度由噴涂材料及打印機(jī)的結(jié)構(gòu)決定，為幾十毫米軸到幾百毫米不等，對(duì)于模型的層片分割由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖1-1 熔積式打印機(jī)工作原理圖
1.4 3D打印機(jī)工作流程
工作流程如下：
(1) 三維建模 應(yīng)用CAD、Solidworks、Pro/E等三維建模軟件構(gòu)建三維模型，然后進(jìn)行切片處理，也可對(duì)實(shí)體進(jìn)行掃描獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行三維構(gòu)造。
(2) 三維模型的處理 在使用3D打印機(jī)加工前，由于模型上往往有一些不規(guī)則的曲面，加工前必須對(duì)其進(jìn)行近似處理。處理后的模型文件為STL格式，一般三維建模軟件可直接轉(zhuǎn)為此文件格式。
(3) 三維模型切片處理 由于3D打印技術(shù)是一層層的加工，故必須對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，即每隔一定間距分一層，已獲得輪廓形狀，為獲得光滑的實(shí)體表面，層片厚度應(yīng)小于1mm。層片厚度越小表面越光滑，但加工時(shí)間越長(zhǎng)。
(4) 截面加工 根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計(jì)算機(jī)控制下，噴頭由數(shù)控系統(tǒng)控制在x-y平面內(nèi)按截面輪廓進(jìn)行掃描，并擠出材料凝固，得到一層層截面。
(5) 獲得三維實(shí)體 每層截面形成之后，下一層材料被送至已成形的層面上，與前一層面相粘結(jié)，從而將一層層的截面逐步疊合在一起，最終形成三維產(chǎn)品。
1.5本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
1.5.1 主要設(shè)計(jì)方面
(1) Y軸（打印截面平面）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
(2) 軸（截面累積）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
(3) 擠出機(jī)（耗材擠出）機(jī)構(gòu)
(4) 框架設(shè)計(jì)
通過(guò)以上四個(gè)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，構(gòu)成3D打印機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以初步實(shí)現(xiàn)3D打印的打印過(guò)程。
1.5.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
成 型 空 間 ：210mm*210mm*220mm
最大移動(dòng)速度：50mm/s
噴頭定位精度：0.05mm
最大成型質(zhì)量：500g
2.總體設(shè)計(jì)方案選擇
2.1機(jī)架部分設(shè)計(jì)
在機(jī)械框架方面，采用主流的四邊形支撐架構(gòu)，這種架構(gòu)結(jié)實(shí)穩(wěn)定而且容易安裝其他零件，抗震能力也更為出色。本次設(shè)計(jì)的機(jī)架部分，主要由鋁型材進(jìn)行拼裝組成，如圖2-1所示，這種架構(gòu)相對(duì)于亞克力板材質(zhì)，更為牢固、結(jié)實(shí)，使用過(guò)程中不易出現(xiàn)損壞。
圖2-1 機(jī)架
2.2傳動(dòng)設(shè)計(jì)
2.2.1 XYZ軸傳動(dòng)方式選擇
傳動(dòng)方式上，常規(guī)的傳動(dòng)方式主要有絲桿傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。絲桿螺母副傳動(dòng)啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給，無(wú)側(cè)隙、剛性高；但是其速度較慢，而且價(jià)格昂貴。同步帶傳動(dòng)傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，但同步帶用久后會(huì)被拉長(zhǎng)，需要經(jīng)常換皮帶。
(1) Z軸：由于Z軸方向需帶動(dòng)X軸以及打印擠出頭，所受重力較大，而且Z軸位移較慢，所以采用絲桿傳動(dòng)，既保證電機(jī)有足夠的力使其移動(dòng)，又保證了進(jìn)給的準(zhǔn)確性。
絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)形式采用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母做直線運(yùn)動(dòng)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿，螺母的移動(dòng)為Z軸直線運(yùn)動(dòng)。圖2-2為傳動(dòng)簡(jiǎn)圖與螺桿載荷圖。
圖2-2 絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)簡(jiǎn)圖
(2) 在X軸和Y軸方面，要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高。X與Y軸由于沒(méi)有重力作用，所承受力較小，同步帶與絲杠螺母相比較而言，同步帶價(jià)格較低，體積小，空間占用率高，而且在使用過(guò)程中維修方便，而且在打印過(guò)程中為了保證有足夠的速度，故采用同步帶傳動(dòng)，同步帶只會(huì)有輕微的變形，不會(huì)影響到精度。
故3D打印機(jī)機(jī)械傳動(dòng)方式如表2-1所示。
表2-1 傳動(dòng)方式表
X軸
同步帶輪機(jī)構(gòu)
Y軸
同步帶輪機(jī)構(gòu)
Z軸
光桿—絲杠機(jī)構(gòu)
2.2.2 電機(jī)選擇
3D打印機(jī)制作的產(chǎn)品精度高，所以對(duì)于電機(jī)的要求較高。在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)選擇，分析它們的性能如圖2-3所示：
圖2-3 步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)對(duì)比
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但伺服電機(jī)的成本遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)。在考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，我們選擇步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)源。
2.3打印平臺(tái)設(shè)計(jì)
打印平臺(tái)由加熱板和打印固定板通過(guò)螺栓螺母固定而成，如圖2-4所示，底層為固定板，上層為加熱板。兩層板由四角處的螺栓連接，之間放置彈簧，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母來(lái)調(diào)節(jié)平臺(tái)的高度。
打印平臺(tái)下部固定直線滑動(dòng)軸承，再通過(guò)光軸與直線滑動(dòng)軸承的配合完成Y軸打印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。
圖2-4 打印平臺(tái)
2.4擠出機(jī)設(shè)計(jì)
2.4.1 電機(jī)選擇
擠出機(jī)擠出融化材料時(shí)需要運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，精度要求高，但是對(duì)轉(zhuǎn)速的要求不高，根據(jù)上節(jié)的電機(jī)選擇分析可選擇步進(jìn)電機(jī)。
2.4.2 擠出機(jī)構(gòu)原理
耗材擠出機(jī)構(gòu)的基本要求是:將成型料絲送人液化器中,在其中及時(shí)而充分地熔化,由固態(tài)變?為熔融態(tài)。然后再進(jìn)一步從更小直徑的噴嘴中以極細(xì)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。
擠出機(jī)的功能要求可以分解為以下幾點(diǎn):
(1) 供應(yīng)功能：將料絲從絲筒上拉出,提供成型材料。
(2) 熔絲功能：將送進(jìn)的固態(tài)料絲及時(shí)且充分地熔化成為熔融狀態(tài)。
(3) 流道功能：固態(tài)料絲以及熔融狀態(tài)下的材料的運(yùn)輸通道。
(4) 定徑功能：對(duì)擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑,變?yōu)闈M足要求的細(xì)小直徑的絲材進(jìn)行堆積。
(5) 出絲速度可控：在打印機(jī)工作起始以及Z軸向上移動(dòng)時(shí)，出絲速度應(yīng)隨之變化或者停止。
（6）散熱功能：3D打印機(jī)工作時(shí)，擠出的材料應(yīng)該快速冷卻，以固定打印的實(shí)體，避免出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。
2.4.3 擠出機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1) 供料機(jī)構(gòu)
供料機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源提供動(dòng)力，工作原理是通過(guò)擠壓齒輪對(duì)線性材料進(jìn)行擠壓，材料在內(nèi)凹型軸承內(nèi)滑動(dòng)來(lái)完成供料。設(shè)計(jì)出的供料基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，軸承支架通過(guò)螺栓固定于步進(jìn)電機(jī)上，同時(shí)可圍繞螺栓旋轉(zhuǎn)。齒輪連接在電機(jī)軸上，隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承支架另一端的彈簧使軸承對(duì)齒輪施加壓力，齒輪與軸承之間的線性材料便隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)被擠出。
圖2-5 供料機(jī)構(gòu)圖
當(dāng)需要換料盤或者撤出線性材料時(shí)，需要按下軸承支架右端，使軸承遠(yuǎn)離齒輪，此時(shí)便可以撤出材料。
(2) 融化出絲機(jī)構(gòu)
如圖2-6所示，融化出絲機(jī)構(gòu)完成了熔絲、通道、定徑功能。材料經(jīng)過(guò)喉管進(jìn)行運(yùn)輸，加熱棒和鋁塊將材料進(jìn)行融化，最后經(jīng)由噴頭使融化的材料變?yōu)樾枰募?xì)絲。
喉管由螺旋副連接在支架上，材料經(jīng)過(guò)供料機(jī)構(gòu)被送入喉管內(nèi)，沿著喉管向下運(yùn)動(dòng)。由加熱鋁塊內(nèi)插入的加熱棒提供熱量，用于融化線性材料，使材料變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，融化徹底的材料經(jīng)過(guò)噴頭進(jìn)行擠出，成為打印所需要的細(xì)絲。加熱鋁塊的作用是將加熱棒的熱量均勻的分布于喉管周圍，避免因?yàn)榧訜岵痪鶆蚨鴮?dǎo)致的融化不徹底。如果有未融化的材料進(jìn)入噴頭，會(huì)使噴頭堵塞，打印機(jī)無(wú)法正常出料。
散熱片連接于喉管上，加速喉管的散熱。避免了加熱鋁塊的熱量沿著喉管向上傳導(dǎo)，是材料提前融化，無(wú)法向下運(yùn)輸。
圖2-6 融化出絲機(jī)構(gòu)圖
(3) 散熱機(jī)構(gòu)
散熱機(jī)構(gòu)采用雙風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，一個(gè)風(fēng)扇對(duì)打印的實(shí)體進(jìn)行冷卻，另一個(gè)風(fēng)扇對(duì)步進(jìn)電機(jī)降溫，使其更好地工作。
3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1步進(jìn)電機(jī)的選擇
3.1.1 3D打印機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)
(1)轉(zhuǎn)速要求：3D打印機(jī)其實(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求并不高，3D打印機(jī)除了對(duì)X.Y軸的電機(jī)轉(zhuǎn)速要求高一點(diǎn)外，像Z軸及擠出機(jī)部分電機(jī)的轉(zhuǎn)速都比較低。
(2)驅(qū)動(dòng)電流的大?。耗壳?D打印機(jī)用的基本上都是1A或者2A的主板，也就是說(shuō)驅(qū)動(dòng)電流都在在2A以下。
(3)溫度的要求：很多3D打印機(jī)所使用的步進(jìn)電機(jī)都是直接外露的，所以對(duì)電機(jī)表面溫度的要求就比較高，正常情況下步進(jìn)電機(jī)的表面溫度在80度以下都是正常的，而3D打印機(jī)上的步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橛兄苯油饴兜模砸箅姍C(jī)的表面溫度不能太高，溫度在40度以下最好。相同驅(qū)動(dòng)電流的情況下要讓步進(jìn)電機(jī)的溫度降下來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的相電阻就必須不能太高，所以3D打印機(jī)用的步進(jìn)電機(jī)的相電阻一般都在2歐以下，1.5歐左右最好。相同電流的情況下，步進(jìn)電機(jī)相電阻越大力矩越大，而為了保證電機(jī)的表面溫度，就不得不犧牲步進(jìn)電機(jī)本身的力矩。
3.1.2傳動(dòng)電機(jī)的選擇
3D打印機(jī)傳動(dòng)部分的電機(jī)為XYZ三軸的電機(jī)，設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的要求較高，要求運(yùn)動(dòng)性能一致，故需選用同一種電機(jī)。在三軸之中，Z軸電機(jī)所需力矩最大，故只需計(jì)算Z軸來(lái)選擇電機(jī)。
Z軸電機(jī)帶動(dòng)X軸及打印擠出頭套件上下移動(dòng)，X軸運(yùn)動(dòng)部件和擠出頭套件總重約為1.6kg，移動(dòng)速度為2m/min。
G = mg = 16N
V = 33mm/s
(1) 電機(jī)轉(zhuǎn)速
n電機(jī) = VP
(3-1)
P為絲杠螺距，取P=4mm
n電機(jī) = VP = 20.004 =500r/min
(2) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩
TL=μgMP2πη=0.3×10×1.6×0.0042π×0.9=0.034N·m
(3-2)
其中：
μ: 摩擦系數(shù)，取0.3
M: 負(fù)載質(zhì)量，1.6Kg
P: 絲桿導(dǎo)程，0.004mm
η: 傳動(dòng)效率，取0.9
(3) 負(fù)載慣量
上下垂直運(yùn)動(dòng)：
JLM=MP22π=1.6×0.00422π=4.07×10-6(kg·m2)
(3-3)
絲桿螺母慣量：
JB=π32ρLBDB4=π32×7.8×0.32×0.0084=10-9
(3-4)
JB=π32ρLBDB4=π32×7.8×0.32×0.0084=10-9
其中：
ρ為密度，取7.8
LB為絲桿長(zhǎng)度，取0.32mm
DB為絲桿直徑，取0.008mm
總慣量 J=4.07×10-6(kg·m2)
(4) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
TS=2πNM(JM+J)60=0.016
(3-5)
選取安全系數(shù)為3，故電機(jī)力矩為：
Ts=(0.016+0.034)×3=0.15 N·m
選用電機(jī)為飛凌廠家的42步進(jìn)電機(jī)，圖3-1為電機(jī)型號(hào)參數(shù)。
圖3-1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
由上圖可知FL42BYG40力矩滿足要求，電機(jī)外形圖如下。
圖3-2 電機(jī)外形尺寸圖
外形尺寸42*42*40，軸徑輸出5mm。
3.2絲杠螺母設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1螺紋基本參數(shù)
本次設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)螺旋，螺紋為矩形螺紋，矩形螺紋傳動(dòng)效率較高，但強(qiáng)度較低。
3.2.2螺旋副材料選擇
滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的主要零件是螺桿和螺母，螺桿的材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，以及良好的加工性。對(duì)于精密的傳導(dǎo)螺紋要求熱處理后有較好的尺寸穩(wěn)定性。螺母材料以ZCuSn10Pb1最耐磨，但價(jià)格較貴，主要用于高精度的傳導(dǎo)螺旋。
下表3-1為螺桿的常用材料及熱處理。
表3-1 常用材料熱處理
精度等級(jí)是否淬硬
材料
熱處理
中等及中等以上精度
淬硬
合金工具鋼9Mn2V、
CrWMn
C56
氮化鋼38CrMoAlA
D0.5-900
不淬硬
高碳工具鋼T10
T215
中等以下精度
淬硬
合金鋼40Cr
G42
不淬硬
中碳鋼45
T235
易切削鋼Y40Mn
通過(guò)以上分析，螺桿材料可選擇9Mn2V，螺母材料選擇ZCuSn10Pb1。
3.2.3絲桿螺母校核計(jì)算
由上一章得絲桿的軸向載荷F=16N
(1)螺紋中徑的計(jì)算
梯形螺紋螺紋中徑d2：
d2≥0.8FφPp=0.8×1.6÷1.2×11=0.968mm
(3-6)
其中：
Pp--------螺紋副許用壓強(qiáng)，見(jiàn)表3-2
φ值取1.2
表3-2滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)許用壓強(qiáng)
螺紋副材料
速度范圍
許用壓強(qiáng)
鋼對(duì)青銅
低速
~0.5
0.1~0.2
0.5~
18~25
11~18
7~10
1~2
鋼對(duì)耐磨鑄鐵
0.1~0.2
6~8
由d2可選取螺紋公稱直徑d為8mm，螺距P為4mm，線數(shù)X為1。
(2) 螺桿強(qiáng)度計(jì)算
Ff=μmg=0.2×16=3.2N
T=Ffd2×1000=0.011N·m
(3-7)
選取安全系數(shù)為3
T=0.011×3=0.033
d1=6.6mm
螺桿工作時(shí)承受軸向載荷F和扭矩T的作用，因此，校核螺紋強(qiáng)度時(shí)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面計(jì)算應(yīng)力σca。
其強(qiáng)度條件為：
σca=σ2+3τ2=1AF2+3（4Td1）2≤[σ]
(3-8)
其中：
F------------軸向壓力，N
A------------危險(xiǎn)截面面積,mm
d1-----------螺紋小徑，mm
T-------------螺桿所受扭矩，N·mm
求得：
σca=1π4×6.62162+3（4×336.6）2=1.12N/mm2
查表3-3得：
σ=σs5=1505=30MPa
故σca?σ，螺桿強(qiáng)度足夠。
表3-3 材料應(yīng)力表
材料
許用拉應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)力
許用剪應(yīng)力
螺桿
鋼
σs5
——
——
螺母
青銅
耐磨鑄鐵
鑄鐵
鋼
——
——
——
——
40~60
50~60
45~55
——
30~40
40
40
——
(3) 螺紋強(qiáng)度計(jì)算
剪切強(qiáng)度τ：
τ=Fπd1bn
(3-9)
牙根部寬度b=0.5P=2mm
旋合圈數(shù)n=5
τ=16π×6.6×2×5=0.077N/mm2
查表3-3得：
τ?40N·mm-2
彎曲強(qiáng)度σ：
σb=3FH1πd1b2n
(3-10)
基本牙型高度H=0.5P=2mm
σb=3×16×2π×6.6×22×5=0.23N/mm2?σb
故螺紋強(qiáng)度足夠。
(4) 效率
由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)
η=（0.95~0.99）×tanλtan?（λ±ρ）
(3-11)
（0.95~0.99）為軸承系數(shù)，決定與軸承形式，滑動(dòng)軸承取最小值，軸向載荷與涌動(dòng)方向相反時(shí)取+號(hào)。
其中：
λ=arctanSπd2=9
(3-12)
ρ=arctanfcosα2=5.7
(3-13)
f如表3-4取0.1。
表3-4 摩擦因數(shù)f值
螺桿和螺母材料
F值
淬火鋼和青銅
0.06~0.08
鋼和青銅
0.08~0.10
鋼和耐磨鑄鐵
0.10~0.12
η=（0.95~0.99）×tan9tan?（9±5.7）
故上升時(shí)效率為0.57、下降時(shí)效率為2.5。
3.3同步帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)定電機(jī)功率為0.2Kw，每天使用8小時(shí)，其工作系數(shù)KA為1.0。則計(jì)算功率為： P=0.2Kw。
(1) 計(jì)算同步帶輪轉(zhuǎn)速
n=v2πr=32π×60=75r/min
(3-14)
(2) 選取同步帶帶型
由于電機(jī)功率以及轉(zhuǎn)速不大，所以可選取MXL型號(hào)同步帶，為了滿足精度要求，選取梯形齒形同步帶，節(jié)距Pb=2mm，帶寬b=4.8mm。
(3) 選取同步帶齒數(shù)
查表3-5得同步帶輪最小齒數(shù)為10，本次設(shè)計(jì)取15。
表3-5 同步帶輪齒數(shù)表
(4) 同步帶輪節(jié)圓直徑
d=ZPbπ=2×1.5π=9.6mm
(3-15)
同步帶速確定
v=πdn60×1000=π×9.6×7560×1000=0.04m/s
(3-16)
(5) 同步帶長(zhǎng)確定
軸間間距為410mm，故同步帶長(zhǎng)為：
L0=2×410+π2×2d=850mm
(6) 基準(zhǔn)額定功率計(jì)算
周節(jié)制：
P0=T-mv2v1000
(3-17)
其中：
T----------許用工作壓力
m----------單位長(zhǎng)度質(zhì)量
查表3-6得：T=27N, m=0.007kg/m，最后算得：
P0=27-0.007×0.042×0.041000=0.001kw
表3-6 周節(jié)制帶的基準(zhǔn)寬度、許用拉力T及質(zhì)量m
型號(hào)
MXL
XXL
L
基準(zhǔn)寬度/mm
6.4
6.4
9.5
許用拉力T/N
27
31
50.17
帶的質(zhì)量/kg/m
0.007
0.01
0.022
(7) 作用于軸上的力
F=1000×P×dV=0.24N
3.4聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算
聯(lián)軸器用于連接絲桿與電機(jī)輸出軸，用于傳遞扭矩。本次設(shè)計(jì)采用LMX型梅花聯(lián)軸器，具有緩沖減震、不需潤(rùn)滑、維護(hù)方便的特點(diǎn)，具有補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移的能力。適用于載荷變化不大、工作平穩(wěn)、正反轉(zhuǎn)、中低速、頻繁啟動(dòng)、中小功率的傳動(dòng)。圖3.3為梅花聯(lián)軸器零件圖。
圖3-3梅花聯(lián)軸器
聯(lián)軸器承受轉(zhuǎn)矩：
TC=KaT=1.3×0.033=0.0429N·m<15N·m
表3-7技術(shù)參數(shù)表
規(guī)格
額定轉(zhuǎn)矩
N·m
最高轉(zhuǎn)速
r/min
主要尺寸/mm
d1、d2(mm)
D
D1
L
16
15
19000
5~16
30
25
50
3.5滾動(dòng)直線導(dǎo)套副的壽命計(jì)算
滾動(dòng)直線導(dǎo)套副由直線運(yùn)動(dòng)球軸承，圓形導(dǎo)軌軸組成。由于結(jié)構(gòu)原因，軸承只能在圓形導(dǎo)軌軸上做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
采用軸承代號(hào)為L(zhǎng)BP81524，表3-8為尺寸表：
表3-8 LBP81524尺寸表
軸承代號(hào)
外形尺寸
LBP型
內(nèi)徑
外徑
長(zhǎng)度
LBP 81524
8
15
24
設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)與工件總重約為20N，共有兩根軸承載工作臺(tái)，每根軸上裝有兩套軸承，則每個(gè)導(dǎo)套所受載荷為5N。
由表3-9查得fT=1，由表3-10查得fc=0.81，由表3-11查得fw=1.2。滾動(dòng)直線導(dǎo)套副的額定動(dòng)載荷為80N。
計(jì)算：
L=(fHfTfCfW×cPc)3×50=1×1×0.811.2×8053×50=62986Km
(3-18)
Lh=8.3Lln=8.3×629860.4×50=26139h
預(yù)計(jì)使用年限為 26139/（8*300）=11.9a。
表3-9 溫度系數(shù)fT
工作溫度
fT
~100
1.00
100~150
0.90
150~200
0.73
200~250
0.6
表3-10 接觸系數(shù)fc
每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)量或每根軸上花鍵套個(gè)數(shù)
fc
1
1.00
2
0.81
3
0.72
4
0.66
5
0.61
表3-11 載荷系數(shù)fw
工作條件
fw
無(wú)外部沖擊或震動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，速度小于15m/min
1~1.5
無(wú)明顯沖擊或震動(dòng)的中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，速度小于60m/min
1.5~2
有外部沖擊或震動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，速度大于60m/min
2~3.5
3.6導(dǎo)向光軸的校核
本設(shè)計(jì)中對(duì)XYZ進(jìn)給精度要求高，而且軸的跨度較大。比較XYZ軸所受載荷的大小，YZ軸是豎直安裝的，所以其受的載荷相對(duì)X軸的工作臺(tái)要小些。故選取x軸進(jìn)行校核。
3.6.1軸徑計(jì)算
軸的材料均采用45鋼，為加強(qiáng)其性能，采用調(diào)質(zhì)處理。
查得σb=640MPa，A0=110。由公式得
d≥110×320011×1000= 6.68mm
取軸直徑d=8mm。
3.6.2軸的剛度校核
軸兩端有固定支撐，簡(jiǎn)化為A、B兩個(gè)鉸支點(diǎn)，作用力作用在中點(diǎn)上。處于中點(diǎn)時(shí)，軸的撓度最大，設(shè)所受力為8N。
(1) 變形計(jì)算
絲桿軸橫截面的慣性矩為：
I=πd464=π×8464=201mm4
作用力所引起的撓度為：
wc=-Fl348EI=-8×240348EI=-0.054mm
(2) 剛度校驗(yàn)
由于X軸進(jìn)給精度為0.01mm，所以wc<[w]
故剛度滿足要求。
4.傳感器選擇
4.1溫度傳感器選擇
溫度傳感器分為接觸式和非接觸式傳感器，非接觸式傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價(jià)格昂貴，故選用接觸式溫度傳感器。?接觸式溫度傳感器適合1200℃以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，并且接觸式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉。下表4-1為幾種接觸式溫度傳感器：
表4-1 接觸式溫度傳感器對(duì)比
傳感器類型
測(cè)溫范圍
精度（%）
特點(diǎn)
常用熱電阻
-260～＋850℃
0.05
可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。
管纜熱電阻
-20～＋500℃
0.5
最高上限為1000℃
陶瓷熱電阻
–200～+500℃
0.3、0.15
超低溫?zé)犭娮?
–268.8～253℃-272.9～272.99℃
0.5
熱敏電阻器
-50～300℃
0.3~0.5
體積小，重量輕，靈敏度高。
綜上所述，熱敏電阻器測(cè)溫范圍在-50～300℃，精度在0.3~0.5%，標(biāo)準(zhǔn)度高，使用性能好，在本次設(shè)計(jì)中，打印溫度為200℃左右，所以使用熱敏電阻適合做溫度傳感器。
4.2限位開(kāi)關(guān)選擇
限位開(kāi)關(guān)用于確定XYZ三軸起始位置，3D打印機(jī)每一次打印運(yùn)行前，都需要確定起始位置，找到XYZ軸的零點(diǎn)，保證打印的準(zhǔn)確。本次設(shè)計(jì)采用微動(dòng)式接觸式限位開(kāi)關(guān)。
圖4-1為微動(dòng)式限位開(kāi)關(guān)外形及結(jié)構(gòu)圖。
圖4-1 限位開(kāi)關(guān)外形結(jié)構(gòu)圖
結(jié)論
本次設(shè)計(jì)完成了對(duì)3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)總體由鋁型材構(gòu)造而成，完成了對(duì)三D打印機(jī)XYZ三坐標(biāo)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，擠出裝置設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)可以完成制作精度為0.05mm的實(shí)體打印。
(1) X軸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，同步帶帶動(dòng)打印擠出機(jī)進(jìn)行X軸的移動(dòng)，最大移動(dòng)距離為220mm。
(2) Y軸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，同步帶帶動(dòng)打印平臺(tái)進(jìn)行Y軸的移動(dòng)，最大移動(dòng)距離為220mm。
(3) Z軸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)絲杠螺母進(jìn)行傳動(dòng)，絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)輸出軸，帶動(dòng)整個(gè)X軸進(jìn)行Y軸的移動(dòng)，最大移動(dòng)距離為230mm。
(4) 耗材擠出裝置主要由擠壓齒輪進(jìn)行摩擦擠壓，將耗材送入喉管，最后經(jīng)由噴頭加熱融化擠出成為所需要的細(xì)絲。
本設(shè)計(jì)與市場(chǎng)上較為成熟的3D打印機(jī)相比較，打印精度較低，零件中有一部分為塑料件，質(zhì)量較差，但可以通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。
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致謝
經(jīng)過(guò)了幾個(gè)月的努力，我最后完成了論文的寫(xiě)作。從開(kāi)始接到論文題目到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對(duì)我來(lái)說(shuō)都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間獨(dú)立完成的最大的項(xiàng)目。在這段時(shí)間里，我學(xué)到了很多知識(shí)也有很多感受，從一無(wú)所知，我開(kāi)始了獨(dú)立的學(xué)習(xí)和試驗(yàn)，查看相關(guān)的資料和書(shū)籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己十分稚嫩作品一步步完善起來(lái)，每一次改善都是我學(xué)習(xí)的收獲，每一次試驗(yàn)的成功都會(huì)讓我興奮好一段時(shí)間。
本設(shè)計(jì)在劉安生老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成，從課題選取、方案論證到具體設(shè)計(jì)和調(diào)試，無(wú)不凝聚著劉安生老師的心血和汗水，在四年的本科學(xué)習(xí)和生活期間，也始終感受著老師的精心指導(dǎo)和無(wú)私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向劉安生老師表示深深的感謝和崇高的敬意。
不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫忙和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向大連大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院的全體老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來(lái)的辛勤栽培。
附錄1 外文譯文
入門級(jí)3D打印機(jī)的PLA材料性能測(cè)試
摘要
一臺(tái)入門級(jí)的3D打印機(jī)，the MakerBot Replicator 2x，使用平均價(jià)格、通用品牌的PLA材料(類似一個(gè)家庭用戶可以購(gòu)買的燈絲)打印標(biāo)本進(jìn)行拉伸，彎曲和疲勞測(cè)試。試樣在0°、45°、90°的光柵方向上打印，以測(cè)試方向?qū)Σ糠謴?qiáng)度的影響。PLA細(xì)絲也受拉伸試驗(yàn)。
對(duì)3d打印試樣的拉伸試驗(yàn)表明，45°的光柵方向角使試樣的最大抗拉強(qiáng)度為64 MPa。在58 MPa和54 MPa的情況下，采用三點(diǎn)彎曲夾具對(duì)印刷試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，0°和90°的光柵方向不太明顯。對(duì)于這種類型的測(cè)試，0°的光柵方向產(chǎn)生了最強(qiáng)烈的部分，最終的彎曲應(yīng)力為102 MPa。45°和90°光柵方向類似的結(jié)果在90 MPa和86 MPa。疲勞測(cè)試沒(méi)有明確的最佳選擇，但顯然有一個(gè)糟糕的選擇，90°光柵取向，這個(gè)方向明顯比其他兩個(gè)光柵方向的疲勞壽命要低。另外兩個(gè)光柵方向，0°和45°非常相似。PLA細(xì)絲測(cè)試采用bollard式夾頭，表明PLA燈絲顯示的力學(xué)性能與印刷樣品相似-當(dāng)測(cè)試在較高的應(yīng)變率時(shí)，損傷沒(méi)有發(fā)揮重要的作用。這可能會(huì)導(dǎo)致回收失敗的3d打印作業(yè)，并將其轉(zhuǎn)化為可重復(fù)使用的細(xì)絲。
引言
3d打印機(jī)已經(jīng)成為家庭用戶的必備。事實(shí)上，有許多高質(zhì)量的3d打印機(jī)，售價(jià)在3000美元以下，包括雙擠出機(jī)。許多這樣的消費(fèi)者級(jí)3d打印機(jī)正以打印機(jī)的形式出售，這些打印機(jī)使用的是PLA，而不是更傳統(tǒng)的，更難以印刷的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)材料。PLA比ABS結(jié)實(shí)，但更脆。PLA有一個(gè)較低的熱膨脹系數(shù)，它減少了翹曲的影響，不附著在印刷表面上，并且在印刷時(shí)出現(xiàn)了很大的部分開(kāi)裂。但PLA的最明顯的缺點(diǎn)是較低的載荷撓度溫度(50到140°C)，這將導(dǎo)致印刷部件變形時(shí)暴露在溫暖的環(huán)境中。一公斤的材料大約是50美元(在2014年初)?？紤]到這一切，很容易理解為什么許多3d打印機(jī)制造商正在生產(chǎn)和支持3d打印機(jī)，這些打印機(jī)只使用PLA。
現(xiàn)在很多人都是這樣，而且很快就會(huì)有更多的人用自己的3d打印機(jī)在自己家里打印。僅MakerBot公司在過(guò)去的5年里就售出了15000多臺(tái)3d打印機(jī)。ABS的材料特性和特性已經(jīng)得到了很好的研究，包括許多對(duì)打印方向的研究。這些研究大多是在“專業(yè)”模型機(jī)器上進(jìn)行的。消費(fèi)者機(jī)器的打印質(zhì)量基本上未被測(cè)試，而描述3d打印的PLA材料特性的文獻(xiàn)是找不到的。本研究旨在從消費(fèi)者3d打印機(jī)上開(kāi)始了解3d打印PLA的行為。對(duì)試件進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和疲勞性能的研究，并進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。默認(rèn)情況下，如果3d打印機(jī)的MakerBot系列使用的MakerWare軟件被告知要在100%填充的情況下打印一個(gè)樣本/對(duì)象，那么切片軟件就會(huì)在交替的光柵方向上打印，層層疊加。一種自定義的印刷資料，是為了將標(biāo)本完全印在單個(gè)光柵方向上，以檢查印刷方向，因?yàn)樗c材料各向異性有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)步驟
在PLA細(xì)絲上進(jìn)行了幾種類型的力學(xué)性能測(cè)試，并使用PLA進(jìn)行3d打印。所有標(biāo)本都印在消費(fèi)者3d打印機(jī)上，即MakerBot Replicator 2x。自定義打印配置文件用于控制切片/打印軟件，該軟件允許在單個(gè)指定的光柵方向上打印整個(gè)樣品。每個(gè)標(biāo)本都單獨(dú)打印在打印床的中心，以便盡可能地生產(chǎn)出所有的標(biāo)本。對(duì)于所有的標(biāo)本，在標(biāo)本的周長(zhǎng)上使用了兩個(gè)“外殼”，在標(biāo)本的內(nèi)部用100%填充指定的光柵朝向。PLA材料擠壓在230°C、100毫米/秒的速度與加熱床面在65°C。所有的標(biāo)本都是用同一品牌的PLA長(zhǎng)絲，購(gòu)買兩個(gè)1公斤的線軸。
每個(gè)標(biāo)本在測(cè)試部分的幾個(gè)位置分別測(cè)量厚度和寬度。根據(jù)ASTMs，采用最小的橫截面面積(或梁中心的橫截面面積進(jìn)行彎曲試驗(yàn))來(lái)確定合適的應(yīng)力值。采用MTS通用加載機(jī)進(jìn)行拉伸和疲勞試驗(yàn)。對(duì)3d打印試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并進(jìn)行了MTS 858加載框架MTS 25kN加載單元的所有疲勞試驗(yàn)。在一個(gè)5kN負(fù)載單元的MTS Insight加載框架上進(jìn)行了PLA纖維的拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。在兩臺(tái)機(jī)器上，都使用LVDTs來(lái)測(cè)量位移，而MTS擴(kuò)展器(型號(hào)634.31F-24)的長(zhǎng)度為20mm，用于測(cè)量3d打印試樣的拉力測(cè)試。所有測(cè)試都是在室溫下進(jìn)行的(大約20°C)。
樣品經(jīng)ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定塑料的拉伸性能。MTS楔形鉗以5mm /min的速度移動(dòng)，數(shù)據(jù)(力、抓地力和應(yīng)變)在100hz處收集。MTS型號(hào)634.31F-24伸長(zhǎng)計(jì)(20毫米長(zhǎng)度)用于測(cè)量應(yīng)變。在本研究中測(cè)試的三個(gè)光柵方向上分別測(cè)試了5個(gè)樣本。
根據(jù)ASTM D790 -標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)未加筋和增強(qiáng)塑料和電氣絕緣材料的彎曲性能進(jìn)行了測(cè)試。采用MTS三點(diǎn)式彎曲試驗(yàn)臺(tái)。使用了5.1 cm的支撐跨度。握桿以10毫米/分鐘的速度移動(dòng)，造成撓曲。標(biāo)本的制作時(shí)間超過(guò)了必要的長(zhǎng)度，以保證在試樣偏轉(zhuǎn)時(shí)，支撐足夠的長(zhǎng)度。
3d打印試件單軸疲勞試驗(yàn)
根據(jù)ASTM D7791 -標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)塑料的單軸疲勞性能進(jìn)行了MTS 858加載框架的疲勞試驗(yàn)。用聚氯乙烯補(bǔ)償法對(duì)試件進(jìn)行了持續(xù)的應(yīng)力測(cè)試，以保證試件從未超載。根據(jù)ASTM，測(cè)試可以在20赫茲的速率下進(jìn)行。因此，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，試件在2赫茲，1000個(gè)周期時(shí)使用正弦加載波形，然后是5赫茲，10,000個(gè)周期，然后是20hz直到失敗。失敗被認(rèn)為是一個(gè)完全斷裂的標(biāo)本。本實(shí)驗(yàn)的疲勞疲勞極限為100萬(wàn)次。如果標(biāo)本沒(méi)有突破一百萬(wàn)圈，測(cè)試就停止了。所有測(cè)試進(jìn)行的應(yīng)力比=?1。
PLA纖維拉伸試驗(yàn)
PLA的長(zhǎng)絲單獨(dú)進(jìn)行了測(cè)試。在MTS Insight加載框架中，用Bollard風(fēng)格夾鉗夾住了200mm的樣品。采用幾種置換率(500mm /min, 200mm /min, 50mm /min, 5 mm/min)來(lái)測(cè)試燈絲。
結(jié)論
3D打印的試樣拉伸試驗(yàn)
每個(gè)光柵方向角測(cè)試5個(gè)樣品，在PLA的例子中，45的光柵方向產(chǎn)生了最強(qiáng)的樣本。
3D打印的樣品彎曲測(cè)試
在每個(gè)光柵方向上打印并測(cè)試了5個(gè)彎曲試件。在這次試驗(yàn)中，失敗被認(rèn)為是一個(gè)完全斷裂的標(biāo)本。然而，標(biāo)本往往沒(méi)有完全斷裂。在沒(méi)有完全斷裂的標(biāo)本中，有些標(biāo)本破裂了，但外殼卻保持在一起，而其余的標(biāo)本則足夠堅(jiān)韌，不能斷裂。最終，測(cè)試停止了，因?yàn)樵嚰佑|到了測(cè)試夾具。
PLA印刷樣品，斷裂前0°光柵定位印刷樣品最高極限應(yīng)力為102.203 MPa。
3D打印試樣疲勞測(cè)試
疲勞試樣被打印出來(lái)，然后加載，直到試件完全破裂(或達(dá)到疲勞極限)。最后，對(duì)于大多數(shù)0°光柵取向標(biāo)本，標(biāo)本的外部“鏈”，在標(biāo)距長(zhǎng)度區(qū),與主體分離的標(biāo)本。據(jù)觀察，這片標(biāo)本沒(méi)有提供任何支撐，因?yàn)樗呀?jīng)達(dá)到疲勞極限了，而且這條鏈最終會(huì)脫離標(biāo)本。在每一個(gè)試樣失敗后，測(cè)量并減去用于計(jì)算他所需要的載荷的區(qū)域，以引起指定的交變應(yīng)力。利用調(diào)整后的橫截面面積對(duì)試件施加的荷載進(jìn)行了“調(diào)整”應(yīng)力值的計(jì)算。
與所有疲勞試驗(yàn)一樣，結(jié)果是隨機(jī)的，盡管確定值的系數(shù)相當(dāng)高?？梢钥闯?，90的光柵方向試樣明顯具有最低的疲勞能力。調(diào)整后0°標(biāo)本占“鏈”的斷裂在測(cè)試過(guò)程中，不加載任何負(fù)載，圖中可以看出，0°標(biāo)本疲勞強(qiáng)度比45°標(biāo)本高35 MPa以上。在35 MPa以下，45個(gè)標(biāo)本具有最佳的疲勞壽命。這些趨勢(shì)應(yīng)該用更多的樣本進(jìn)行更深度的研究，并且應(yīng)該在更大的壓力水平上進(jìn)行測(cè)試，以證實(shí)或否認(rèn)這些發(fā)現(xiàn)。
這項(xiàng)研究認(rèn)為疲勞極限是100萬(wàn)次。在這項(xiàng)研究中，三個(gè)光柵取向的耐力極限測(cè)試為5 MPa(0°標(biāo)本),10 MPa(45°標(biāo)本),0.5 MPa(90°標(biāo)本)。
細(xì)絲拉伸試驗(yàn)
在不經(jīng)過(guò)印刷工藝擠壓的情況下，對(duì)細(xì)絲也進(jìn)行了測(cè)試。用幾中應(yīng)變速率來(lái)測(cè)試細(xì)絲。
對(duì)于兩種最快的應(yīng)變速率(500mm /min和200mm /min)，極限應(yīng)力與彈性模量相似。兩種較慢的應(yīng)變速率(50mm /min和5 mm/min)具有較低的極限強(qiáng)度，但在失效前有較長(zhǎng)的最大延伸率——可能受到較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間的蠕變影響。
盡管在試樣中PLA塑料被加熱并擠出了一段時(shí)間，但它的最終應(yīng)力(不受蠕變影響)與印刷標(biāo)本的結(jié)果相似。這一發(fā)現(xiàn)可能是有用的，可以考慮是否從3d打印的浪費(fèi)PLA材料可以回收到新的燈絲，用于未來(lái)的印刷。
顯微鏡評(píng)估
用Keyence VHX-600顯微鏡對(duì)試樣的幾個(gè)小特征進(jìn)行了視覺(jué)評(píng)價(jià)。通過(guò)這一評(píng)價(jià)，指出了印刷質(zhì)量存在的幾個(gè)問(wèn)題。最值得注意的是在0°光柵取向，3d打印機(jī)在試件的半徑部分和整個(gè)試樣的一側(cè)都留有間隙。
在高應(yīng)力(低循環(huán))疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，印件與試件主體之間的間隙非常明顯。用顯微鏡測(cè)量了幾個(gè)樣品之間的間隙。平均縫隙厚度為181.47 m。在這些高應(yīng)力疲勞試驗(yàn)中，注意到試件的外殼與試件主體完全分離，并沒(méi)有對(duì)試件的剛度造成影響，當(dāng)載荷被循環(huán)時(shí)，試件留下的“松散的鏈”振動(dòng)。這條松散的鏈看起來(lái)是在循環(huán)疲勞開(kāi)始后幾乎立即彎曲，在屈曲開(kāi)始后很快就釋放了。由于試件在沒(méi)有峰值/谷機(jī)位移變化的情況下仍保持了完整的疲勞載荷，因此確定松散的斷鏈對(duì)試件的負(fù)載沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此松散的鏈斷裂不應(yīng)構(gòu)成試件的失效。
與0°的光柵方向角顯示的問(wèn)題相比，45°和90°的方向沒(méi)有在試件半徑附近或任何地方的任何間隙問(wèn)題。由于標(biāo)本切片和分層的問(wèn)題，所有的空間都可以填補(bǔ)。
結(jié)論
本文測(cè)試了PLA纖維和PLA打印試樣的力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)中，45°光柵取向標(biāo)本強(qiáng)度是最高的。在疲勞測(cè)試，90°標(biāo)本顯然是最不耐疲勞載荷。45°標(biāo)本和0°標(biāo)本的疲勞壽命非常相似，應(yīng)進(jìn)一步研究。然而，這45°樣本的疲勞強(qiáng)度極限是最高的。燈絲測(cè)試(在更高的應(yīng)變率下，蠕變不是一個(gè)因素)顯示了類似的結(jié)果印刷。標(biāo)本的結(jié)果可能有助于確定打印作業(yè)失敗是否可以回收再重新打印，顯微鏡的評(píng)價(jià)有助于確定印刷過(guò)程中標(biāo)本留下的縫隙尺寸。
附錄2 外文原文