Prusa i3型-3D打印機(jī)設(shè)計(jì)含8張CAD圖
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一、選題依據(jù)
1.論文(設(shè)計(jì))題目
Prusa i3 型 3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)
2.研究領(lǐng)域
機(jī)械設(shè)計(jì)
3.論文(設(shè)計(jì))工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
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 打印帶來了全世界性制造業(yè)革命,它無需機(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發(fā)的成本及風(fēng)險(xiǎn)。到目前為止,各類 3D 打印機(jī)設(shè)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,基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)材料的機(jī)械性能需求。
3D 打印技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在醫(yī)療行業(yè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品原型、文物保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)、制造業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、汽車制造業(yè)和配飾制造等領(lǐng)域中,為這些領(lǐng)域帶來革命性的改變。在工業(yè)中,3D 打印機(jī)很難用于批量生產(chǎn),因?yàn)閷?duì)比于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)還有一定的障礙,所以在工業(yè)中一般用于產(chǎn)品的開發(fā)研制,設(shè)計(jì)師可以把設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品用 3D 打印機(jī)很快地制造出來,然后根據(jù)實(shí)際需要來繼續(xù)下一步的研發(fā),大大降低了研發(fā)的成本,還提升了研發(fā)速度。3D 打印機(jī)還可以用于藝術(shù)雕塑品的制作,有些工藝設(shè)計(jì)品難以用傳統(tǒng)工藝制造出來,而利用 3D 打印機(jī),只需把作品的模型參數(shù)輸入電腦, 打印出來,而且還打破了材料的局限和工藝的限制,使得藝術(shù)品更具可觀性。 4.目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
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。目前,在 3D 打印領(lǐng)域比較著名的公司有 3D System、Z-Corporation、Object
Geometries 等。在國(guó)外,經(jīng)過十多年的探索和發(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,國(guó)內(nèi)多所高校開展了 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
10
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。
3D 打印既是制造業(yè),更是服務(wù)業(yè)。3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈涉及到很多環(huán)節(jié),包括 3D 打印機(jī)設(shè)備制造商、3D 模型軟件供應(yīng)商、3D 打印機(jī)服務(wù)商和 3D 打印材料的供應(yīng)商。因此圍繞 3D 打印的產(chǎn)業(yè)鏈會(huì)產(chǎn)生很多機(jī)會(huì)。
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。
從長(zhǎng)期來看,3D 打印技術(shù)其實(shí)就是顛覆性、破壞性的技術(shù)。盡管 3D 打印主要適用于小批量生產(chǎn),但是其打印的產(chǎn)品可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品——更輕便、更堅(jiān)固、定制化、直接組裝成型。3D 打印的另一個(gè)顛覆性特征是:?jiǎn)闻_(tái)機(jī)器能創(chuàng)建各種完全不同的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)制造方式需要改變流水線才能完成定制生產(chǎn),其過程需要昂貴的設(shè)備投資和長(zhǎng)時(shí)間的工廠停機(jī)。不難想象,未來的工廠可以用同一個(gè)車間的 3D 打印機(jī)既制造茶杯,又制造汽車零部件和量身定制的醫(yī)療產(chǎn)品。
二、論文(設(shè)計(jì))研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問題
(1)3D 打印機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
(2)3D 打印機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)計(jì)算
(3)3D 打印機(jī)擠出機(jī)噴頭設(shè)計(jì)
2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路)
通過設(shè)計(jì)計(jì)算,CAD/SOLIDWORKS 繪圖,查閱設(shè)計(jì)手冊(cè),參考文獻(xiàn)等相關(guān)設(shè)計(jì)資料,進(jìn)行 3D 打印快速模型制造設(shè)備的設(shè)計(jì)并最終完成 3D 打印機(jī)的零件圖、裝配圖、CAD 圖及相關(guān)設(shè)計(jì)說明書。
論文寫作大綱:
1.緒論
1.1 三維打印技術(shù)簡(jiǎn)介
1.2 3D 打印機(jī)概述
1.3 國(guó)內(nèi)外 3D 打印機(jī)技術(shù)水平及發(fā)展概況
1.4 3D 打印機(jī)工作原理及過程
1.5 設(shè)計(jì)思路及主要問題
2. 總體設(shè)計(jì)方案選擇
3. 3D 打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 總體框架設(shè)計(jì)
3.2 X、Y 軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
3.3 Z 軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
3.4 噴頭、擠出機(jī)設(shè)計(jì)
3.5 X、Y、Z 軸限位方式設(shè)計(jì)
4. 傳動(dòng)元件及傳感器選擇
4.1 絲杠選擇
4.2 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)對(duì)比選擇
4.3 限位傳感器選擇
4.4 溫度傳感器選擇
5. 總結(jié)
3.本論文(設(shè)計(jì))預(yù)期取得的成果
(1)3D 打印機(jī)總體設(shè)計(jì)方案
(2)3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
(3)3D 打印機(jī) CAD 圖紙
(4)3D 打印機(jī) SW 裝配建模
三、論文(設(shè)計(jì))工作安排
1.擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù));
對(duì) 3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)合理的機(jī)構(gòu)并進(jìn)行計(jì)算,并選擇合理的傳動(dòng)方式,最終完成對(duì) 3D 打印機(jī)的研究。
2.論文(設(shè)計(jì))進(jìn)度計(jì)劃
第
1
周:查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,了解設(shè)計(jì)內(nèi)容;
第
2
周:初步方案設(shè)計(jì);
第
3
周:總體方案設(shè)計(jì);
第
4
周:撰寫并完善開題報(bào)告;
第
5~6
周:3D 打印機(jī)噴頭部分研究設(shè)計(jì);
第
7~9
周:3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)各部分零部件設(shè)計(jì)計(jì)算;
第
10
周:3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)各部分零部件設(shè)計(jì)計(jì)算;
第 11~12 周:繪制相關(guān)圖紙; 第 13 周:撰寫設(shè)計(jì)說明書;
第 14 周:完善畢業(yè)設(shè)計(jì)各項(xiàng)內(nèi)容,準(zhǔn)備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附:文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
文獻(xiàn)綜述
目前,桌面化快速成型系統(tǒng)作為快速成型技術(shù)的兩大發(fā)展方向之一,已成為國(guó)內(nèi)外快速成型領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。3D 打印是對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的一種顛覆性變革,有人甚至將
3D 打印機(jī)看成是第三次工業(yè)革命的影子,與蒸汽機(jī)和電力相提并論。作為新出現(xiàn)的一種制造產(chǎn)業(yè),三維打印技術(shù)( there dimensional pirnitng,3DP)具有成本低、體積小、產(chǎn)品可具有多種顏色、可選擇多種材料、噪聲小、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
3DP 技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院 Emanual Sachs 等人研制的。3DP 技術(shù)改變了傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)模式, 真正實(shí)現(xiàn)了由概念設(shè)計(jì)向模型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。近幾年來,3DP 技術(shù)在國(guó)外得到了迅猛的發(fā)展。美國(guó) Z Corp 公司與日本 Riken Institute 于 2000 年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能夠作出彩色原型件的三維打印機(jī)。該公司生產(chǎn)的 Z400、Z406 以及 Z4810 打印機(jī)是采用 MT 發(fā)明的基于噴射粘結(jié)劑粘結(jié)粉末工藝的 3DP 設(shè)備。2000 年底以色列的 Object Geometries 公司推出了基于結(jié)合 3D Ink-Jet 與光固化工藝的三維打印機(jī) Qaudra。美國(guó) 3D Systems、荷 TNO 以及德國(guó) BMT 公司等都生產(chǎn)出自己研制的 3DP 設(shè)備。目前清華大學(xué)、西安交大、上海大學(xué)等國(guó)內(nèi)科研院所也在積極研發(fā)此類設(shè)備。3DP 技術(shù)在國(guó)外的家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域已得到了較為廣泛的應(yīng)用, 但在國(guó)內(nèi)尚處于研究階段。
目前,已實(shí)現(xiàn)商品化的 3D 打印機(jī)共涵蓋了七類工藝,其中以 SLA、SLS、FDM 和
3D 打印等為主。
光固化打印( SLA) 是采用紫外光在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行掃描,每次生成一定厚度的薄層,從底部逐層生成物體。其優(yōu)點(diǎn)是原材料的利用率將 100%,尺寸精度高(±
0.1 mm),表面質(zhì)量?jī)?yōu)良,可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型; 缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴,可用材料種類有限,制成品在光照下會(huì)逐漸解體。
選擇性激光燒結(jié)打印( SLS) 是采用高功率的激光,把粉末加熱燒結(jié)在一起形成零件。SLS 工藝的優(yōu)點(diǎn)是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料,如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等,打印時(shí)無需支撐,打印的零件機(jī)械性能好、強(qiáng)度高; 缺點(diǎn)是材料粉末比較松散,燒結(jié)后成型精度不高,且高功率的激光器價(jià)格昂貴。
熔融沉積打印( FDM) 是采用熱融噴頭,使塑性纖維材料經(jīng)熔化后從噴頭內(nèi)擠壓而出,并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式,其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、體積小、生成操作難度相對(duì)較小; 缺點(diǎn)是成型件的表面有較明顯的條紋,產(chǎn)品層間的結(jié)合強(qiáng)度低、打印速度慢。
3D 打印是采用類似噴墨打印機(jī)噴頭的工作方式,這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十分類似,只是將激光燒結(jié)過程改為噴頭粘結(jié),光柵掃描器改為粘結(jié)劑噴射頭。其優(yōu)點(diǎn)是打印速度快、價(jià)格低; 缺點(diǎn)是打印出來的產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度不高。
隨著 3D 打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展,“大批量的個(gè)性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D 打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合,將衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式, 創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。3D 打印技術(shù)發(fā)展帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的進(jìn)步使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的能力,特別是形成適應(yīng)全球市場(chǎng)上豐富多樣的客戶群,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計(jì)、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式,使生產(chǎn)模式、商業(yè)模式等多個(gè)方面發(fā)生根本性的變化。
同立體印刷、疊層實(shí)體制造和選擇性激光燒結(jié)快速成形技術(shù)相比, 3DP 不需要昂貴的激光系統(tǒng), 具有設(shè)備價(jià)格便宜、運(yùn)行和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。與熔融沉積快速成形技術(shù)相比,3DP 可以在常溫下操作,具有運(yùn)行可靠,成形材料種類多和價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。此外, 與其它 RP 系統(tǒng)相比,3DP 還有操作簡(jiǎn)單、成形速度快、制件精度高、成形過程無污染, 適合辦公室環(huán)境使用等優(yōu)點(diǎn)。因此, 3DP 被認(rèn)為是 RP 行業(yè)中最有生命力的新技
術(shù)之一, 具有良好的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。
利用3DP 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的概念原型件制造是建立從概念信息到物理實(shí)現(xiàn)的最直接方式。概念原件可以用于展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體概念、立體形態(tài)和布局安排, 進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià),如在建筑設(shè)計(jì)上, 利用 3DP 技術(shù)制作的大樓或橋梁等建筑物模型, 可以幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行評(píng)價(jià)和確定最終方案。醫(yī)學(xué)上根據(jù) CT 或 MRI 的數(shù)據(jù), 應(yīng)用3DP 技術(shù)可以快速精確地制造人體的骨骼和軟組織等器官模型, 可以幫助醫(yī)生進(jìn)行病情診斷、術(shù)前討論和最終治療方案的確定。概念原型件還可作為產(chǎn)品的展示模型, 進(jìn)行產(chǎn)品的招投標(biāo)和新產(chǎn)品上市前的宣傳使用。利用 3DP 技術(shù)制造的功能原型件可以用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查.裝配干涉檢驗(yàn), 靜、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、物理和機(jī)械性能試驗(yàn)、人機(jī)工程試驗(yàn)等, 為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過 3DP 技術(shù)快速制造出產(chǎn)的功能原型件, 可以盡早地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試、檢查和評(píng)估, 縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)反饋的周期, 提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率, 大大降低產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本。
顯然,3D 打印技術(shù)給人類帶來新奇和進(jìn)步,但畢竟還是起步階段,有的還在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)之中,想要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù),并形成龐大的產(chǎn)業(yè),還面臨巨大的挑戰(zhàn)。
首先,3D 打印需要 CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))支撐。對(duì)于一般用戶來說,要學(xué)會(huì) CAD 等制作工具并非想像中那么簡(jiǎn)單。CAD 是指利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作,利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行與圖形編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。3D 打印制造神奇,CAD 是基礎(chǔ)。就像指揮官指揮戰(zhàn)爭(zhēng)一樣,一份標(biāo)示準(zhǔn)確的地圖往往決定戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)。CAD 是 3D 打印的基礎(chǔ)工程?;?3D 的 CAD 更加復(fù)雜精細(xì),需要具有高超編程技術(shù)的專業(yè)人士操作。這樣的人才并非一般技術(shù)人員所能擔(dān)當(dāng)。
其次,知識(shí)產(chǎn)權(quán)將成為較大糾結(jié)。人們的想象力有多大,3D 打印的用途就有多廣。遺憾的是,打印對(duì)象副本,即使只是復(fù)制個(gè)人設(shè)計(jì),這類行為仍然會(huì)產(chǎn)生知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。3D 打印被視作一門新興技術(shù),雖然法律對(duì)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題尚未作出明確界定,而完全復(fù)制他人創(chuàng)意的做法還是不可取的。當(dāng) 3D 打印機(jī)組合一個(gè) 3D 掃描儀時(shí),知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題將更為突出。掃描儀不僅可以復(fù)制外形,而且可以復(fù)制更為復(fù)雜的細(xì)節(jié)。這種行為要比抄襲專利或版權(quán)嚴(yán)重得多。犯罪分子可以用 3D 打印機(jī)設(shè)計(jì) ATM 提款卡、鑰匙、武器或其他危險(xiǎn)物品。
再次,價(jià)格優(yōu)勢(shì)還不明顯。在某些情況下,3D 打印產(chǎn)品最終耗費(fèi)的成本和零售店產(chǎn)品的價(jià)格差不多,目前條件下,3D 打印還不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì),價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)尚不明顯。所以對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品來說,不管你是打印多少件,價(jià)格都相差無幾。但是, 相信隨著 3D 技術(shù)的逐漸成熟,價(jià)格會(huì)慢慢降下來。
采用 3DP 系統(tǒng)制造的概念原型, 主要在于形狀、色彩等外觀表達(dá)功能, 而對(duì)材料的性能要求較低。可用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試或裝配, 可作為產(chǎn)品的展示模型、投標(biāo)模型等使用。由于 3DP 工藝能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和同時(shí)處理多種材料, 因此在特殊材料的成型和功能梯度成型方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì), 在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和微細(xì)加工領(lǐng)域等特殊成型場(chǎng)合。隨著快速成型技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展, 3DP 必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。
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