3D打印設(shè)備機械機構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)論文設(shè)計

3D打印設(shè)備機械機構(gòu)設(shè)計摘要基于FDM技術(shù)的3D打印已逐漸發(fā)展成為一種新的主流加工技術(shù)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)不同,基于FDM技術(shù)的3D打印機可以降低復(fù)雜零件的制造難度、操作方便、成本低、印刷材料來源廣泛等特點。然而,它也面臨許多困難和挑戰(zhàn)。特別是在成形精度、印刷速度和新材料的研發(fā)等方面,還有待研究。因此,3D打印技術(shù)的發(fā)展和推廣仍有廣闊的空間。針對現(xiàn)有的基于FDM技術(shù)的三維打印機的低打印效率和成形精度差等缺點,分析了三維打印機的工作原理,并根據(jù)目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種三噴嘴3D打印機。對其機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和改進。根據(jù)不同的分工,將三維打印機分為擠出機構(gòu)、送絲機構(gòu)、傳動機構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)、伺服系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等。設(shè)計了送絲機構(gòu)的布置方案。針對噴嘴直徑的不同,采用近端送絲與遠端送絲相結(jié)合的送絲方法,降低了擠出機構(gòu)的重量,提高了印刷速度。改進環(huán)形散熱器的結(jié)構(gòu),選擇散熱器數(shù)量、長度、高度等參數(shù)的最佳組合,增加散熱,解決噴水器印刷堵塞的問題。分析了三維打印機軸承部件的強度和剛度,并對機械結(jié)構(gòu)的可行性進行了測試。對噴嘴內(nèi)流體的實際運動進行了模擬,驗證了三噴嘴擠出機構(gòu)的可行性和噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究了三維打印機的溫度控制系統(tǒng),以確保工作過程的穩(wěn)定性。繪制了傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制的響應(yīng)曲線,并對它們進行了比較。選擇了一種更合適的控制算法,使溫度控制更加準確。通過對基于FDM技術(shù)的三維打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)的研究,可以提高送絲的絲堵塞、唾液和動力不足等問題,同時提高印刷精度和印刷速度?；贔DM技術(shù)的3D打印機的設(shè)計通過對設(shè)計的3D打印機進行了多項打印樣品的測試,滿足了設(shè)計要求,為以后的3D打印機開發(fā)提供了參考,具有較高的精度和效率。關(guān)鍵詞：FDM；3D打印機；擠出機構(gòu)Abstract3DprintingbasedonFDMtechnologyhasgraduallydevelopedintoanewmainstreamprocessingtechnology.Differentfromtraditionalmanufacturingtechnology,3DprinterbasedonFDMtechnologycanreducethemanufacturingdifficultyofcomplexparts,convenientoperation,lowcostandwidesourceofprintingmaterials.However,italsofacesmanydifficultiesandchallenges.Especiallyintheformingaccuracy,printingspeedandnewmaterialresearchanddevelopment,etc.Therefore,thereisstillabroadspaceforthedevelopmentandpromotionof3Dprintingtechnology.Aimingatthedisadvantagesofexisting3DprintersbasedonFDMtechnology,suchaslowprintingefficiencyandpoorformingaccuracy,thispaperanalyzestheworkingprincipleof3Dprinters,anddesignsa3Dprinterwiththreenozzlesaccordingtothecurrentstructure.Itsmechanicalstructurewasdesignedandimproved.Accordingtothedifferentdivisionoflabor,the3dprinterisdividedintoextrusionmechanism,wirefeedingmechanism,transmissionmechanism,heatdissipationstructure,servosystem,temperaturecontrolsystem,etc.Thelayoutofwirefeedingmechanismisdesigned.Accordingtothedifferentdiameterofthenozzle,themethodoffeedingthenearendwireandthefarendwireisadoptedtoreducetheweightoftheextrusionmechanismandimprovetheprintingspeed.Improvethestructureoftheringradiator,choosethebestcombinationofthenumber,length,heightandotherparametersoftheradiator,increasetheheatdissipation,andsolvetheproblemofblockingtheprintingofthesprinkler.Thestrengthandstiffnessof3dprinterbearingpartsareanalyzed,andthefeasibilityofmechanicalstructureistested.Theactualmotionofthefluidinthenozzleissimulated,andthefeasibilityofthethree-nozzleextrusionmechanismandthestructuredesignofthenozzleareverified.Thetemperaturecontrolsystemof3dprinterisstudiedtoensurethestabilityofworkingprocess.TheresponsecurvesoftraditionalPIDcontrolandfuzzyPIDcontrolaredrawnandcompared.Amoresuitablecontrolalgorithmisselectedtomakethetemperaturecontrolmoreaccurate.Throughtheresearchonthestructuredesignandcontrolsystemof3dprinterbasedonFDMtechnology,theproblemssuchaswireblockage,salivaandpowershortageofwirefeedingcanbeimproved,andtheprintingaccuracyandspeedcanbeimprovedatthesametime.Thedesignof3DprinterbasedonFDMtechnologyhassatisfiedthedesignrequirementsandprovidedreferencesforthefuturedevelopmentof3Dprinterwithhighaccuracyandefficiencythroughthetestofanumberofprintedsamplesofthedesigned3Dprinter.Keywords:FDM;3Dprinter;Extrusionmechanism目錄第1章緒論 21.1課題研究的背景和意義 21.23D打印機的分類與基本原理分析 31.2.13D打印機的分類 31.2.2基于FDM技術(shù)的3D打印機的工作原理 71.3基于FDM技術(shù)的3D打印機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 91.3.1國外研究現(xiàn)狀 91.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 101.3.3存在的問題 121.4本文研究內(nèi)容 13第二章基于FDM技術(shù)的3D打印機核心機構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計 142.1引言 142.2基于FDM技術(shù)的3D打印機總體設(shè)計 142.3基于FDM技術(shù)的3D打印機三噴嘴擠出機構(gòu)的設(shè)計 182.3.1三噴嘴擠出機構(gòu)的擠出方式選擇 182.3.2三噴嘴擠出機構(gòu)的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計 192.3.3三噴嘴擠出機構(gòu)的布局設(shè)計 242.4送絲機構(gòu)的設(shè)計 262.4.1影響送絲驅(qū)動力的因素 262.4.2送絲機構(gòu)的設(shè)計 282.5散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計 302.5.1散熱結(jié)構(gòu)熱分析 302.5.2散熱結(jié)構(gòu)模型建立 312.5.3散熱結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)分析 322.6傳動機構(gòu)設(shè)計 362.6.1傳動機構(gòu)運動方式分析 362.6.2傳動機構(gòu)方案設(shè)計 372.7機身結(jié)構(gòu)和工作平臺設(shè)計 392.7.1機身結(jié)構(gòu)設(shè)計 392.7.2工作平臺設(shè)計 40第三章結(jié)論 41致謝 42參考文獻 43第1章緒論1.1課題研究的背景和意義三維打印是一種集數(shù)字化、人工智能和新材料應(yīng)用于一體的新型制造方法。在當今的3D打印領(lǐng)域,打印技術(shù)的類型是多樣化的。根據(jù)不同的印刷原理,可分為熔融沉積快速成型(FDM)、光固化成形(SLA)、三維粉末粘接(3DP)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)。與其他技術(shù)相比,基于FDM技術(shù)的3D打印機在簡單、安全的環(huán)境中運行,在打印部件的過程中不產(chǎn)生有毒氣體或化學物質(zhì),適用于家庭和辦公室。對印刷材料的要求相對較低。印刷材料具有成本低、利用率高、運輸方便等優(yōu)點。同時,對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,傳統(tǒng)的加工技術(shù)由于其加工設(shè)備的局限性,往往會影響零件在設(shè)計和加工過程中的制造精度,因為加工技術(shù)本身不能滿足制造要求,導致一些結(jié)構(gòu)不容易形成。然而,基于FDM技術(shù)的3D打印機可以很好地改善這些問題。目前,基于FDM技術(shù)的3D打印在醫(yī)療、國防等前沿地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。中國政府還加大了在三維打印領(lǐng)域的發(fā)展。在"十三五"規(guī)劃文件中,多次提到了新增材料制造,并明確提出了改進后的補充材料制造技術(shù)的創(chuàng)新和研發(fā)體系。然而,在基于FDM技術(shù)的3D打印機市場上,由于國外技術(shù)相對成熟,3D打印機的精度和速度具有更多的優(yōu)勢。我國許多高品質(zhì)的桌面3D打印機只依賴進口,存在進口價格和維護成本高的問題。因此,國內(nèi)基于FDM技術(shù)的3D打印機的研究和開發(fā),對于我國普通家庭的利用和科技前沿領(lǐng)域的推廣具有十分重要的意義。開發(fā)具有現(xiàn)有3D打印機功能的3D打印機,而且可以提高成型精度,提高打印速度,降低成本,獲得大量推廣,已成為當前該領(lǐng)域研究的熱點。在政府和科技工作者的共同努力下,基于FDM技術(shù)的3D打印機的發(fā)展將在未來幾十年變得更加成熟和強大,這對提高中國的競爭力具有十分重要的意義。醫(yī)療、教育、國防等領(lǐng)域,提升中國制造業(yè)的國際地位。本項目開發(fā)了基于FDM技術(shù)的三維打印設(shè)備。設(shè)計并改進了打印機的機械結(jié)構(gòu)。同時,對控制系統(tǒng)進行了研究,以提高印刷精度和印刷速度。為以后開發(fā)更先進的成型設(shè)備提供了依據(jù),也為以后實現(xiàn)準確、快速的印刷提供了相關(guān)的參考?？傊?設(shè)計高精度、高打印速度的3D打印機更為實用。1.23D打印機的分類與基本原理分析1.2.13D打印機的分類目前,世界各國都在開發(fā)不同類型的3D打印機。這些3D打印機可以根據(jù)不同的工作原理和機械結(jié)構(gòu)進行分類。具體分類如下:(1)根據(jù)3DP打印機的不同工作原理,三維打印可分為選擇性激光燒結(jié)(SLS)、光固化(SLA)、三維粉末粘接(3DP)和熔融沉積快速原型(FDM),如圖1-1、1-2、1-3、1-4所示：圖1-1選擇性激光燒結(jié)成型機圖1-2光固化成型機圖1-33DP成型圖圖1-4FDM成型圖三維印刷技術(shù)的基本原理是材料的疊加和積累,但不同形式的疊加和印刷材料在成型過程中導致了不同的技術(shù)原理。因此,成形零件的力學性能和成形速度也不同。標準1-1給出了四種典型3D打印機的工作原理和主要成形特性的比較結(jié)果。表1-13D打印成型技術(shù)對比(2)根據(jù)不同的機械結(jié)構(gòu),打印機可根據(jù)不同的打印原理分為四類,如表1-1所示。每臺打印機可根據(jù)不同的機械結(jié)構(gòu)進行分類。根據(jù)不同的機械結(jié)構(gòu),FDM3D打印機主要有三種類型:Reprap、制造商機器人和Ultimaker。如圖1-5、1-6、1-7所示：這三種型號由于其不同的機械結(jié)構(gòu),在安裝、調(diào)試和使用方面有不同的要求。這些差異最終反映在成型機的印刷精度和速度上。表1-2列出了三種典型的FDM3D打印機型號的優(yōu)缺點。表1-2三種FDM型3D打印機機型特點1.2.2基于FDM技術(shù)的3D打印機的工作原理基于FDM技術(shù)的三維打印機主要包括機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。僅有3D打印機的機械結(jié)構(gòu)無法正確完成打印工作。3D打印機還需要控制系統(tǒng)、相關(guān)固件和切片軟件的配合才能成功打印3D打印產(chǎn)品。完整的3D打印系統(tǒng)由工作平臺、送絲機構(gòu)、擠出機構(gòu)、電源設(shè)備、固件和打印控制系統(tǒng)組成。工作原理圖如圖1-8所示。其中,工作平臺提供了印刷場所,送絲機構(gòu)提供了電線的動力,擠出機構(gòu)負責電線的加熱和擠壓,步進電機提供了電源,以及控制系統(tǒng)負責掃描路徑。FDM工藝的成形過程是印刷材料的疊加。送絲機構(gòu)為擠出機構(gòu)提供了送絲裝置。在加熱室中加熱電線后,它就會熔化并輸送到噴嘴中。在外部控制系統(tǒng)的控制下,噴嘴打印二維平面的路徑。每個平面打印成功,噴嘴向上移動一個距離,然后打印下一個平面,最終實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的打印[3]。在此過程中,整個工件是通過逐層粘接打印的。該過程包括以下技術(shù)步驟:設(shè)計和建立零件的三維模型,將零件轉(zhuǎn)換為STL文件,以及后續(xù)處理。流程圖如下圖1-9所示：基于FDM技術(shù)的3D打印機的優(yōu)點是:(1)操作環(huán)境簡單、安全,無毒或化學氣體生成,適合家庭和辦公室使用;(2)對材料要求相對較低,材料交付快捷簡單,成本低,利用率高;(3)對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,傳統(tǒng)的加工技術(shù)是由于其設(shè)備的局限性。在零件的設(shè)計和加工中,零件的制造精度往往受到加工工藝的影響,有些結(jié)構(gòu)難以形成。基于FDM技術(shù)的3D打印機可以方便地打印這些產(chǎn)品;(4)大大縮短了加工時間,在一定程度上縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。1.3基于FDM技術(shù)的3D打印機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀國外基于FDM技術(shù)的3D打印機研究較早。隨著多年的發(fā)展,印刷技術(shù)已經(jīng)相對成熟。在機械結(jié)構(gòu)的改進、控制系統(tǒng)的更新和材料研究等方面取得了顯著成果。(1)基于FDM技術(shù)的三維打印機機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的研究來自丹麥科技大學的學生貝利尼·安娜,他在3D打印機的原始機械結(jié)構(gòu)上加載了一個噴射頭。直接打印和形成。與原有機械系統(tǒng)相比,印刷和成型速度提高了[4]。印度理工學院開發(fā)了一種新型的FDM3D打印機。打印機的打印機噴嘴為原始打印機的基礎(chǔ)增加了兩個自由度。兩個附加自由度可以分別圍繞x軸和y軸旋轉(zhuǎn),以使用多噴嘴打印,而這兩個增加的自由度可以減少打印薄壁零件和彎曲部件時的步進誤差,并且不需要在中添加支撐。懸浮液結(jié)構(gòu),以提高印刷強度[5]。美國stratasys公司生產(chǎn)了一臺新打印機,其最大尺寸達到590毫米*500毫米*590毫米。這種類型的打印機首次使用了噴水器的磁懸浮定位系統(tǒng)。它可以同時控制兩個噴頭,大大提高了打印速度。朱大平和劍橋大學實驗室利用印刷技術(shù)制造半導體元件和薄膜晶體管,并共同開發(fā)可用于生產(chǎn)需求的印刷設(shè)備和印刷系統(tǒng)[6]。(2)基于FDM技術(shù)的三維打印機打印材料研究,對麻省理工學院喬達諾r.a.進行了分析。通過測量基于FDM技術(shù)的三維打印機打印樣品的抗拉強度和其他力學性能,研究人員發(fā)現(xiàn),冷軋工藝可以提高PLLA所形成的零件的力學性能[7]。馬來西亞理工大學李博士以ABS線作為印刷原料。采用田口法確定了FDM3D打印機的最佳工藝參數(shù)。通過大量的實驗,得到了印刷零件的彈性與單層印刷厚度、光柵線之間的距離與空間間隙的關(guān)系。博洛尼亞大學的croccolod.采用實驗方法分析了樣條輪廓的形成方向和圓圈數(shù)對樣條曲線力學性能的影響。他們建立了一個理論模型來預(yù)測成型工件的機械性能。材料ABS-M30被選擇。根據(jù)預(yù)先建立的理論模型,用FDM成型機打印出樣條,并對其力學性能進行了測試。最后,得出極限強度和楊氏模量是影響力學性能的決定性因素的結(jié)論。G.PawanKumar和SrivasaPrakashRegalla測試了支撐結(jié)構(gòu)和印刷材料對印刷時間的影響,討論了它們之間的相互作用,最后優(yōu)化了印刷時間和支撐結(jié)構(gòu)[10]。梅西主要采用材料模具和FDM印刷成型的制造方法,提出了模具疊加成形方法[11]。新加坡國立大學的dietmarW等人成功地開發(fā)出一種新型的PLC材料,可用于組織工程研究。澳大利亞一所大學開發(fā)了一種新的復(fù)合材料,增加了10%的ABS材料,以獲得一種主要由ABS組成的新型線材。它的性能有了很大的提高[12]。通過實驗改變了ABS材料的性能,可以更好地融入水中。ABS材料的生物相容性得到了提高,FDM加工在生物領(lǐng)域發(fā)揮著更重要的作用[13]。KimHo-chan和豪爾赫·米雷斯采用一種新型金屬材料作為印刷耗材,具有熔點低的特點。根據(jù)這一特點,闡述了印刷過程中工藝參數(shù)的選擇原則\[14]。奧拉夫·迪格爾和薩拉特·辛加梅尼成功地將FDM快速成型技術(shù)應(yīng)用于電路板加工領(lǐng)域。采用彎曲熔體層印刷的方法成功地將導電聚合物印刷成功地進行了[15]。1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀基于FDM技術(shù)的3D打印機在我國的研究時間可以追溯到20世紀90年代初。起初,主要研究人員都是來自中國所有大學的教師和學生。其中,清華大學、西安交通大學和南京大學取得了最突出的成績。此后,社會上許多企業(yè)開發(fā)了功能完善、性能優(yōu)良的FDM成型設(shè)備,可以打印出相對復(fù)雜的產(chǎn)品。隨著市場和技術(shù)的發(fā)展和成熟,每個公司都形成了自己的特色。公司主要還活躍在3D打印市場:北京銀華激光快速成型模具技術(shù)有限公司、上海達諾實業(yè)有限公司、北京尚拓科技有限公司、北京方明達科技有限公司、南京紫金立德電子有限公司在過去的幾十年里,這些公司和大學的研究技術(shù)人員和專家學者為基于FDM技術(shù)的3D打印機的精度、速度和材料研究與開發(fā)做出了巨大貢獻。(1)基于FDM技術(shù)的清華大學三維打印機機械結(jié)構(gòu)研究首次開發(fā)了基于FDM技術(shù)的多功能快速成型系統(tǒng)MRPMS和三維打印設(shè)備MEM-200和Men-250;金一凡、張冰等人引進半導體制冷技術(shù),將制冷技術(shù)與三維印刷溫度控制相結(jié)合,開發(fā)出了一種可調(diào)功率的半導體制冷系統(tǒng),有效地解決了三維印刷過程中的一些橫截面因素。散熱不良造成的脫位[16]?；贔DM技術(shù),sisiuobin和WangChunxia對三維打印機的送料系統(tǒng)進行了改進。由新型電源管、加熱管和PWM組成的新型加熱系統(tǒng)提高了打印機的精度和印刷質(zhì)量[17]。沈炳霞和關(guān)玉鵬改進了平行臂單色3d打印機的噴水機構(gòu),實現(xiàn)了三維打印梯度產(chǎn)品的一次性成型,并將原有的單擠出噴頭改進為雙進料擠出機制,使材料熔化和混合在混合室打印混合效果[18]。通過對現(xiàn)有3D打印機的擠出機構(gòu)、送絲機構(gòu)和噴嘴的研究和分析,高燕芳等人成功地制作了一種新型的3D打印樣機。燕山大學的李江斌深入分析了并聯(lián)機構(gòu)的自由度,研究了并聯(lián)機構(gòu)的運動學,為三維打印機的后續(xù)機構(gòu)誤差建模提供了相關(guān)依據(jù)。梁松松設(shè)計了一種基于FDM技術(shù)的并行結(jié)構(gòu)3D打印機。從機械系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等方面設(shè)計了并行結(jié)構(gòu)三維打印機。分析了其機械結(jié)構(gòu)和印刷過程中的工藝參數(shù)誤差,闡明了誤差的來源[21]。(2)基于FDM技術(shù)的三維打印機控制系統(tǒng)的研究宋平聯(lián)和姜素華以3D系統(tǒng)公司生產(chǎn)的Fdm型3D打印機為原型,開發(fā)了基于開放GL的三維打印機仿真軟件系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)成功地演示了3D打印機的工作過程[22]。毛磊和郭曉金成功地實現(xiàn)了基于Linux平臺的fdm型3D打印機系統(tǒng)[23]。吳海喜、于中華等人開發(fā)了基于聲發(fā)射傳感器的故障監(jiān)測系統(tǒng),并進行了相關(guān)實驗,獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)基本實現(xiàn)了FDM3D打印機的典型故障識別,故障識別精度高達9462%[24]。華中科技大學的李忠峰、王從軍利用開放GL的特征處理機制、MFC的文檔和視圖結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了糾錯算法的應(yīng)用研究。(3)基于FDM技術(shù)的切片算法研究經(jīng)過多次實驗,李占利和丁玉成對影響印刷效率的因素進行了測試。在原有三角切割算法的基礎(chǔ)上,提出了快速排序和快速分層兩種算法,并提出了一種新的分層軟件[26]。劉光福和李愛平分析了分層軟件的總體結(jié)構(gòu)和相關(guān)模塊的功能,提出了計算機坐標系和快速三維固體零件坐標系轉(zhuǎn)換的新方案。原型設(shè)備工具軟件[27]。西安工程大學的張建平和徐光申開發(fā)了一種基于三維軟件Solidworks的CAD模型直接切片方法[28]。李永清等人研究了FDM成型機的精密控制,建立了送絲速度和噴管印刷速度的數(shù)學模型[29]。西北理工大學郭磊和陸昌德對提高FDM工藝印刷模型表面質(zhì)量提出了新的看法,改進了CAD的預(yù)處理方法,取得了良好的印刷效果[30]。上海交通大學的王天明等人解決了FDM成形過程中零件的翹曲變形問題[31]。李震、姜本奇、王建斌等人補償了STL在當?shù)氐臏蚀_性。使用新生成的STL文件,可以保證模型每個部分的準確性,減少文件的大小,減少計算過程中的數(shù)據(jù)量。這有助于提高STL文件模型的準確性[32]。1.3.3存在的問題據(jù)統(tǒng)計,基于FDM技術(shù)的3D打印機生產(chǎn)的產(chǎn)品中,仍有80%是未成品,需要以后處理。其余產(chǎn)品中只有20%是最終產(chǎn)品。結(jié)果表明,基于FDM技術(shù)的三維打印機仍有許多需要改進的領(lǐng)域。其中,基于FDM技術(shù)的3D打印機的機械機制和技術(shù)存在以下缺陷:(1)輔助對象需要額外的支撐機制:由于重力的原因,基于FDM技術(shù)的3D打印機是不可能的要打印出掛起的對象,因此有必要打印懸掛的對象下的支撐結(jié)構(gòu)[33]。目前,大多數(shù)3D打印機都是通過單噴嘴打印的,負責打印零件表面、內(nèi)部灌裝和外部輔助支架等。打印速度低,打印精度低。(2)印刷時,散熱器內(nèi)的熱量不能及時釋放,導致熔絲回流凝固堵塞噴嘴;(3)送絲方式的送絲機構(gòu)達到印刷精度時,不能滿足印刷速度。相反,它不能同時滿足印刷速度和精度。同時,在送絲過程中,存在送絲動力不足的問題,影響了印刷質(zhì)量。(4)只能印刷塑料制品,成品硬度有限。(5)堆疊薄層越薄,所需層越多,消耗的時間越長,只有通過同時工作的多個噴嘴才能提高打印速度?；贔DM技術(shù)的3D打印機的機構(gòu)和技術(shù)不僅存在一些缺陷,而且國內(nèi)外基于FDM技術(shù)的3D打印機也存在差距。比較了國內(nèi)外fdm型3D打印機的具體參數(shù),如表1-3所示。表1-3國內(nèi)外FDM型3D打印機參數(shù)對照表從表1-3中我們可以看到,國外的印刷厚度可以達到0.05-0.4mm,而國內(nèi)國家的印刷厚度只能達到0.1-0.4m。在印刷速度方面,國外可以達到10-100毫米,而中國只能達到30-80mm[34]。國外印刷精度與印刷速度和最大打印速度之間存在較大差距。機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)仍有許多需要改進的領(lǐng)域,與國外發(fā)達國家的總體技術(shù)仍有一定差距。我國3D打印的整體發(fā)展還存在一些不足。由于高溫,國內(nèi)3D打印機容易出現(xiàn)扭曲邊緣、溢出和打印效果差的情況。1.4本文研究內(nèi)容基于FDM技術(shù)的3D打印機正在發(fā)展成為一種新的主流加工技術(shù)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)不同,3D打印可以降低復(fù)雜零件的制造難度,操作方便,成本低,易于獲得印刷材料。然而,它也面臨許多困難和挑戰(zhàn)。因此,3D打印技術(shù)的發(fā)展和推廣仍有廣闊的空間。機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的改進需要深入研究。本文將從以下幾個方面進行研究。介紹了基于FDM技術(shù)的三維打印機的分類、工作原理和研究意義,以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。討論了基于FDM技術(shù)的3D打印機的優(yōu)點和存在的主要問題。設(shè)計并研究了基于FDM技術(shù)的三維打印機的機械結(jié)構(gòu)。提出了一種三噴嘴擠出機構(gòu)。設(shè)計了三噴嘴擠出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和布局。設(shè)計了送絲機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和布局。分析了影響散熱器散熱的因素。對散熱器的數(shù)量和尺寸進行了優(yōu)化。本文分析了三維打印機傳輸機構(gòu)的幾種常見運動模式,設(shè)計了更高效的運動模式。機身和工作平臺的設(shè)計及部件的選擇。第二章基于FDM技術(shù)的3D打印機核心機構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1引言3D打印機的機械結(jié)構(gòu)決定了成品的精度和速度。本文在市場上對三維打印機機械結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,對3D打印機的核心機構(gòu)和結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和研究,以提高打印速度和印刷精度。本章共分八個部分,分別對擠出機構(gòu)、送絲機構(gòu)、傳動機構(gòu)、噴嘴結(jié)構(gòu)、機身結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)等機械機構(gòu)進行了設(shè)計和研究。整體機架示意圖2.2基于FDM技術(shù)的3D打印機總體設(shè)計基于FDM技術(shù)的3D打印機可分為三個主要系統(tǒng):機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)[35],3D打印機與主機連接。主機計算機軟件根據(jù)STL格式的三維模型生成打印機識別的語言g代碼,然后通過串行通信將其傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng),控制系統(tǒng)向機械系統(tǒng)?？刂拼蛴÷窂?。下面的圖2-1顯示了這三個系統(tǒng)之間的關(guān)系：控制系統(tǒng)包括外部電路、溫度控制系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、工作流控制系統(tǒng)等。這些控制系統(tǒng)起到控制和監(jiān)控的作用,并配合機械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完成印刷工作[36]。該控制器對主機傳輸?shù)腉碼進行解碼,并根據(jù)G碼中的信息控制步進電機、擠出機構(gòu)和散熱裝置。同時,步進電機的位置和溫度信息將反饋到上電腦。該軟件系統(tǒng)負責對導入的三維模型切片進行分層,并根據(jù)設(shè)定的處理參數(shù)生成所需的G代碼?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示：如X、y和z所示,主框架X現(xiàn)有的擠壓和擠出機構(gòu)包括:主框架X的其他部分的擠壓機構(gòu),用于軸保持傳動的x軸y軸同步帶的印刷框架結(jié)構(gòu)機身接頭x軸y軸傳遞給FDM技術(shù)支持,并安裝擠出部件等。它直接影響證書印刷過程的運動,從而實現(xiàn)了機械機構(gòu)z軸螺桿傳動圖的三維打印和整形。該132-2控制系統(tǒng)的擠壓機構(gòu)和導軌具有印刷過程中提供的來源。擠壓噴嘴結(jié)構(gòu)的定位印刷噴涂機系統(tǒng)2-3臺機械打印機采用框圖進料機構(gòu)和擠出機的質(zhì)量機構(gòu)。無限進料噴嘴的精確進料機構(gòu)由單個驅(qū)動機構(gòu)的噴嘴等組成。打印機構(gòu)用于準確定位線材。機械送絲機的加熱結(jié)構(gòu)噴嘴可以三維打印零件等。主體工作。擠出機將打印線材設(shè)備。傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是遠線送絲和近送絲。執(zhí)行零件清單打印機結(jié)構(gòu)、車身結(jié)機構(gòu)、負材料平滑運動機構(gòu)、結(jié)構(gòu)和控制如下。路徑算法簡單,操作方便,但不能提供更快的打印速度。因此,本文提出了一種新的分層方法,即利用兩直徑噴嘴自行打印零件、輔助支撐和內(nèi)部填充。其中,小噴嘴打印零件表面,大噴嘴分別打印內(nèi)充填件和外部支撐部分。因此,根據(jù)分層印刷形式的新設(shè)計,設(shè)計了基于FDM技術(shù)的三機打印機的機械結(jié)構(gòu),并對控制系統(tǒng)進行了研究。三維打印機的總體設(shè)計如下:(1)三維打印機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是設(shè)計打印機的整體結(jié)構(gòu)和主要部件,并選擇和優(yōu)化打印機的零件結(jié)構(gòu),包括擠出機構(gòu)、送絲機械。(2)擠壓機構(gòu)由三個噴嘴設(shè)計。零件的外表面印有小直徑噴嘴,內(nèi)部填充有大直徑噴嘴的外部支撐。根據(jù)新的切片算法進行印刷,提高了印刷速度和成形精度。(3)對于不同直徑的噴嘴結(jié)構(gòu),送絲機構(gòu)采用遠程送絲機構(gòu)和近端送絲機構(gòu)相結(jié)合的方式,在確保一定送絲精度的同時,降低擠出機構(gòu)的重量。分析了送絲輪受力和驅(qū)動力的影響因素。采用v型送絲輪,解決送絲動力不足的問題。(4)根據(jù)工作條件,設(shè)計和研究散熱結(jié)構(gòu)中環(huán)形翅片的數(shù)量和尺寸。通過ANSYS工作臺三維模型仿真分析獲得了數(shù)據(jù),并對影響環(huán)形散熱結(jié)構(gòu)散熱效果的因素進行了分析和優(yōu)化。(5)傳遞機構(gòu)分析了三軸的運動形式。步進電機安裝在遠離導軌的框架上,提高了傳動效率,減少了印刷過程中的慣性,提高了印刷精度。(6)工作平臺在印刷平臺上添加PCB熱床,確保線材在印刷過程中不會因突然冷卻而收縮和翹曲。(7)伺服控制系統(tǒng)選用步進電機作為執(zhí)行器,對步進電機的驅(qū)動進行細分,并利用A4988芯片對控制進行細分,從而提高步進電機在工作過程中的控制精度。(8)溫度控制算法的設(shè)計將PID控制算法與模糊PID控制算法進行了比較,并選擇了最佳算法來提高打印過程中的溫度控制精度。(9)實驗驗證了基于FDM技術(shù)自主開發(fā)的3D打印機零件是否用于零件的打印。打印示例以驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求。本文主要進行了擠出機構(gòu)的設(shè)計、散熱機理的改進、傳動機構(gòu)的設(shè)計、溫度控制算法的選擇和實驗驗證。獨立開發(fā)的基于fdm的3D打印機參數(shù)如下表2-1所示：機械系統(tǒng)的主要機理和結(jié)構(gòu)會影響印刷零件的成形精度和速度,因此設(shè)計打印機機構(gòu)非常重要。圖2-4顯示了機械系統(tǒng)的主要機理和結(jié)構(gòu)。1成型件噴嘴2內(nèi)部填充噴嘴3外部支撐噴嘴4熱床5送絲機構(gòu)6工作平臺7主機身圖2-43D打印機總裝2.3基于FDM技術(shù)的3D打印機三噴嘴擠出機構(gòu)的設(shè)計2.3.1三噴嘴擠出機構(gòu)的擠出方式選擇在基于FDM技術(shù)的三維打印設(shè)備中,擠出機構(gòu)是實現(xiàn)印刷和成形的關(guān)鍵機制,是實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)打印和成形過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。擠壓機構(gòu)直接影響打印機的打印質(zhì)量和性能。因此,研究擠壓機理尤為重要。擠壓機構(gòu)主要由噴嘴、送絲機構(gòu)、加熱結(jié)構(gòu)和散熱結(jié)構(gòu)組成。同時,擠壓機構(gòu)作為機電一體化裝置,也是機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合。根據(jù)不同的擠出方法,擠出機構(gòu)可分為螺桿擠出機構(gòu)和柱塞擠出機構(gòu)兩種類型。這兩者的特點見表2-2。表2-2兩種擠出方式的對比相比之下,柱塞擠出機結(jié)構(gòu)小,能滿足臺式3D打印機的要求,因此本設(shè)計選用了柱塞擠出機。柱塞擠出機構(gòu)包括冷卻風扇、環(huán)形散熱器、加熱模塊、噴霧和熱電偶。其原理是將加熱室中的實心線用作柱塞,將熔融的導線向前推,以便從噴嘴中擠出熔絲。電源是步進電機。柱塞擠出結(jié)構(gòu)如下圖2-5所示：印刷材料是高聚物,在熔融狀態(tài)下具有很強的粘性。有些電線會在加熱室的通道中積聚。這很容易導致擠壓機構(gòu)堵塞。因此,為了防止電線的積累,要求電線不要出現(xiàn)在上述熔融狀態(tài)。因此,聚四氟乙烯軟管入內(nèi)部。特氟龍軟管具有耐高溫、表面不粘的物理特性,加入特氟龍軟管可以保證焊絲在轉(zhuǎn)輪中的流動性,避免堵塞問題。2.3.2三噴嘴擠出機構(gòu)的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計在擠出機構(gòu)的實際打印過程中,根據(jù)打印機的結(jié)構(gòu),需要支持和填充一些打印機,有些需要使用外部支持進行打印,有些需要使用內(nèi)部填充進行打印,其他兩個打印機需要在在同一時間。一方面,支撐印刷和印刷滿足印刷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,另一方面也帶來了增加成型時間的問題。因此,在滿足成形條件的情況下,應(yīng)盡可能縮短加工時間,盡可能縮短支撐結(jié)構(gòu)。只有這樣,才能縮短加工時間,減少材料消耗。由于輔助支撐部分在打印后被拆除,內(nèi)部部分在印刷部分被填充,因此用于形成輔助支撐結(jié)構(gòu)的噴嘴直徑和內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)可能大于用于在支撐結(jié)構(gòu)強度足夠大的情況下,以提高零件模型的印刷效率。此次實際使用的噴嘴，如下圖所示。實際使用噴嘴示意圖以mem-300為例,用于印刷固體材料的噴嘴直徑為0.15-0.16mm,用于印刷支撐結(jié)構(gòu)的噴嘴直徑為1mm。在擠壓機構(gòu)的設(shè)計中,也充分考慮了表面成形部分的厚度不同于內(nèi)填充部分和外部支撐部分的厚度。外表面層的厚度設(shè)置為3n,輔助支撐層的厚度設(shè)置為3n,內(nèi)部填充層的厚度設(shè)置為3n。舊的切片算法如圖2-6所示,新的切片算法如圖2-6所示。該模型根據(jù)上面設(shè)計的厚度設(shè)置進行切片。擠壓機構(gòu)的運動方式如下:(1)擠壓機構(gòu)根據(jù)切片數(shù)據(jù)的指示打印印刷表面,印刷層的層數(shù)為3;(2)擠壓機構(gòu)根據(jù)切片數(shù)據(jù)的說明分別打印輔助支撐物和內(nèi)部填充件,印刷層的層數(shù)為1。(3)擠出機構(gòu)按照上述兩個步驟進行圓形印刷,直至產(chǎn)品完成最終打印雅雅。使用上述算法,打印機擠出機構(gòu)中的噴嘴數(shù)量必須為3個。在三個噴嘴中,要求在打印工件的外表面形成的噴嘴出口直徑較小,而噴嘴出口的直徑則在打印工件的內(nèi)部填充和輔助支架上形成應(yīng)較大,負責外部表面形成的噴嘴出口的直徑應(yīng)加倍。根據(jù)成型的不同部分,設(shè)置不同的層,以確保成型的準確性,同時減少成型所需的時間。因此,在上述分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計了擠壓機構(gòu)的噴嘴。首先,印刷物體外表面的噴嘴直徑大于印刷物體外部支撐和內(nèi)部填充上的噴嘴直徑。其次,選擇最佳尺寸組合,以滿足印刷過程的需要?？傊?用于加工工件表面的噴嘴直徑為0.2mm;輔助支承噴嘴直徑為0.4mm;用于處理內(nèi)部灌裝的噴嘴直徑為0.4mm。噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如2-8所示。直管截面直徑is_1.75毫米,漸變截面的角度為60,模具截面分別is_0.2x0.5mmand_0.4x0.5mm。其中,0.2mm噴嘴的物理對象如圖2-9所示：噴嘴內(nèi)加熱器的尺寸參數(shù)對熔絲的運動特性有影響,這與噴嘴的內(nèi)徑和外徑有關(guān),并與錐形過圓度的大小有關(guān)。通過建立不同的加熱室流道模型,將該模型引入有限元軟件進行分析,并逐一獲得并記錄和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。當加熱室內(nèi)徑為2毫米時,印刷速度保持不變,錐形超額角保持60,流道外徑為可變值,熔融段長度數(shù)據(jù)和完全熔融的熔融時間d電線見下文表2-3。表2-3不同加熱腔外部直徑的融化時間與融化段長度以加熱室外徑為橫坐標,以熔融段長度為縱坐標,分析了加熱室外徑對熔融段長度的影響。如圖2-10所示。圖2-10融化段長度與加熱腔外部直徑關(guān)系從斷線圖和數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論,噴嘴內(nèi)導線的熔化時間越長,熔化部分的熔融長度越短,當加熱室的內(nèi)徑保持不變時,外部的外部時間就越大。噴嘴的直徑。然而,加熱室噴嘴直徑過小,會導致加熱室內(nèi)壁與電線表面接觸面積太小,使加熱室的壁壁結(jié)構(gòu)太薄,不足以提供電線的熱量。當加熱室的外徑保持不變6毫米時,打印速度保持不變,圓錐形角保持不變60度,加熱室內(nèi)徑不同,影響內(nèi)徑的影響。研究了導線上的加熱室。電線實現(xiàn)完全熔煉所需的時間和熔融部分的長度見表2-4：表2-4不同加熱腔內(nèi)部直徑下的融化時間與融化段長度以加熱室的直徑為橫坐標,以熔融段的長度為縱坐標,分析了加熱室的直徑對熔融段長度的影響,如圖2-11所示：圖2-11融化段長度與加熱腔內(nèi)部直徑關(guān)系根據(jù)斷線圖和數(shù)據(jù),當加熱室的外徑保持不變時,加熱室噴嘴的內(nèi)徑越大,導線的熔化時間越短,熔融段的長度越短。加熱室的漸變角對熔融段的長度有很大的影響。通過改變漸變角的角度,建立不同尺寸的模型來模擬和分析不同漸變角下熔融截面的長度。該軟件可以在不同的漸變角度下分析熔融段的長度。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變,錐形過度圓角使用不同的值,如下表2-5所示：表2-5不同漸變角度下融化時間與融化段長度如圖2-12所示,利用錐形過渡圓角作為橫坐標,熔融截面長度為縱坐標,分析了錐形過渡圓角對熔融段長度的影響：圖2-12錐形角度大小與融化段長度折線圖2.3.3三噴嘴擠出機構(gòu)的布局設(shè)計三噴嘴三維結(jié)構(gòu)圖在布局形式中,三個噴嘴擠出機構(gòu)可分為直角三角形布局、等邊三角形布局和鋸齒形布局,如下圖2-13所示。三角形布局的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。打印時,它占用了很大的空間。需要復(fù)雜的控制程序和算法來提高三維打印機的成本。因此,為了減少旅行和處理時間,選擇了字體分布的布局形式。在印刷過程中,在x軸和y軸步進電機的協(xié)調(diào)作用下實現(xiàn)了三個噴嘴的位置轉(zhuǎn)換。三個噴嘴一起工作,加工要打印的零件的外部表面、內(nèi)部填充和輔助支撐。在保證印刷速度的同時,零件的精度也得到了提高。擠出機構(gòu)如下圖2-14所示：圖2-13三噴嘴擠出機構(gòu)布置形式1零件外表面噴嘴2內(nèi)部填充噴嘴3外部支撐噴嘴4風扇5進絲口6環(huán)形散熱片圖2-14三噴嘴擠出機構(gòu)實物圖設(shè)計完成的三噴嘴擠出機構(gòu)的參數(shù)如表2-6所示：表2-6設(shè)計的擠出機構(gòu)參數(shù)根據(jù)表2-6,三噴嘴擠出機構(gòu)的總長度大于市場上其他單噴嘴3D打印機的總長度,但總質(zhì)量較輕。主要原因是選擇了不同的送絲方式,每個噴嘴分工不同,但運動協(xié)調(diào),提高了成型零件的印刷精度和表面精度。2.4送絲機構(gòu)的設(shè)計2.4.1影響送絲驅(qū)動力的因素在擠壓過程中,印刷成形的關(guān)鍵因素是送絲機構(gòu)提供的動力是否足夠大、是否穩(wěn)定。目前,基于FDM技術(shù)的三維打印機送絲機構(gòu)是驅(qū)動一對摩擦輪,夾緊線材,并通過步進電機的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動摩擦輪,以實現(xiàn)送絲過程,如下圖2-15所示。當摩擦輪在導線上的驅(qū)動力小于噴嘴內(nèi)導線的阻力時,摩擦輪與導線之間會發(fā)生滑動摩擦。滑動會使電線不光滑,彈射速度下降,嚴重影響成形質(zhì)量。此外,如果送絲的驅(qū)動力不穩(wěn)定,將導致噴嘴的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),形成精度無法保證。因此,為了保證印刷質(zhì)量,送絲機構(gòu)應(yīng)提供足夠大、穩(wěn)定的送絲動力,因此應(yīng)充分考慮影響送絲驅(qū)動力的因素。圖2-15摩擦輪送絲機構(gòu)影響送絲驅(qū)動力的因素有:(1)柱塞擠出機加工線材中線材不均勻性對驅(qū)動輪驅(qū)動力的影響,由于線材本身的加工精度,線材直徑不能保證長度方向的一致性,特別是在導線直徑較小的情況下,產(chǎn)品的形狀誤差往往較大。這些錯誤通常反映在印刷產(chǎn)品的準確性上。一般情況下,3D打印線的直徑約為2毫米,變化非常小。但對于基于FDM技術(shù)的三維打字機印刷材料,導線直徑波動小引起的誤差將對印刷精度產(chǎn)生很大影響[37]。對于無外部預(yù)壓的結(jié)構(gòu),壓力主要是由導線變形引起的,對于直徑較小的導線,不能忽略導線直徑的不均勻性。(2)當兩個摩擦輪將實心導線送入擠出機構(gòu)時,金屬絲的實心部分起到活塞的作用,將噴嘴中的熔融聚合物推向Z軸,直至擠壓噴嘴。在此過程中,噴嘴中的熔融流體對導線固體部分的阻力直接傳遞到摩擦輪。因此,只要降低噴嘴中熔體的動態(tài)阻力,就會增加送絲的驅(qū)動力。當送絲機構(gòu)提供的送絲驅(qū)動力保持不變時,熔體在流道內(nèi)遇到的阻力越小,拉絲速度越快,3D打印機的打印工作就越有利。流道內(nèi)熔體的電阻主要取決于兩個方面:聚合物熔體本身的流變特性和噴嘴內(nèi)流道的尺寸。(2)電機的承載能力對驅(qū)動力動態(tài)承載能力的影響也會影響送絲驅(qū)動力的大小。步進電機的承載能力越大,送絲的動力就越大。然而,驅(qū)動力不能完全等于摩擦輪組的送絲驅(qū)動力。解決方案應(yīng)根據(jù)步進電機的實際工作扭矩計算。許多3D打印機使用普通的凹形車輪在摩擦輪上進行電線傳輸。在2-17個上顯示了凹輪的結(jié)構(gòu)示意圖。普通凹輪提供的送絲動力為F=fN。為了增加摩擦輪的驅(qū)動力,采用v形車輪來增加有效的驅(qū)動力。在電線上作用的力顯示在圖2-16和2-16中：因此,送絲的動力是普通凹輪的兩倍。因此,v形車輪比普通凹輪能提供更大的送絲動力。本設(shè)計中,ABS用于金屬絲材料,屬于熔融狀態(tài)下的聚合物和非牛頓流體。所需的送絲驅(qū)動力與管徑結(jié)構(gòu)有關(guān)。熔融段的流程圖如圖2-18所示：圖2-18熔融段流道示意圖2.4.2送絲機構(gòu)的設(shè)計本設(shè)計采用三種噴嘴擠出機構(gòu),因此設(shè)計中需要三種送絲機構(gòu)。擠壓機構(gòu)在導軌上移動。擠出機構(gòu)的重量越輕,印刷精度就越高。為了減輕負擔,應(yīng)考慮擠壓機構(gòu)重力的影響。送絲機構(gòu)步進電機的重量約為0.4公斤,加熱鋁塊、散熱器、噴嘴、加熱桿等部件的重量約為0.4公斤。如果所有三個送絲機構(gòu)的噴嘴都采用相同的短距離送絲機構(gòu),則三個噴嘴的重量約為2.4kg,是原來單噴嘴擠出機構(gòu)的三倍,從而使打印機的壓力大導軌上的噴嘴明顯增加。導軌的疲勞強度是原導軌的三倍,這將降低整個三維打印機的使用壽命。因此,為了保證在快速打印的基礎(chǔ)上使用三個噴嘴,盡可能使使用壽命不受影響,我們可以采取措施減輕導軌的負擔或增加導軌的直徑。簡單地增加導軌的直徑可以提高使用壽命,但會給整個機械運動系統(tǒng)帶來負擔。同時,導軌的重量會增加,導致質(zhì)量過高,而制動故障發(fā)生時,速度增加,這將導致零件的四個角的成形質(zhì)量太低。因此,在本設(shè)計中,從減輕導軌的負擔入手,設(shè)計了合適的送絲機構(gòu)布局方案。通過減輕導軌的負擔,平衡了擠壓機構(gòu)印刷速度與精度之間的矛盾。提出了三噴嘴擠出機構(gòu)的遠程送絲方案。三種擠出機構(gòu)均采用遠程送絲機構(gòu)實現(xiàn)送絲。但是,由于印刷部件外表面噴嘴直徑太小,僅0.2mm,使用遠程送絲時,摩擦輪與線材之間的摩擦不足,不易滑移和拉絲困難,而且拔絲困難,不連續(xù),不能滿足預(yù)期的精度要求。為此,為了減輕擠出機構(gòu)的重量,確保更大的送絲力,設(shè)計采用了遠程送絲與近端送絲相結(jié)合的送絲方式。對于印刷零件外表面的0.2mm噴嘴擠出機構(gòu),采用了近端送絲方式,并采用遠端送絲方式進行印刷支撐和充填零件。遠端送絲機構(gòu)和近端送絲機構(gòu)的布局可分為兩種情況,如下圖2-19所示：10.2mm噴嘴20.4mm噴嘴30.4mm噴嘴4近端送絲摩擦輪5遠端送絲摩擦輪圖2-19遠端送絲與近端送絲的分布在第一種方案中,0.2mm噴嘴的送絲機構(gòu)位于中間端和近端,0.4mm噴嘴的擠出機構(gòu)位于兩端,采用遠端。在第二種方案中,0.2mm噴嘴的送絲機構(gòu)位于左端,0.4mm噴嘴的送絲機構(gòu)位于右端。分析了兩種進料機構(gòu)的布置。由于0.4mm噴嘴擠出機構(gòu)所需的進給驅(qū)動力較小,因此它可以遠離步進電機。相反,0.2mm噴嘴擠出機構(gòu)需要較大的進給驅(qū)動力,因此采用了第二種方案。送絲機的結(jié)構(gòu)示意圖和物理圖紙如下所示：送絲機結(jié)構(gòu)示意圖送絲機構(gòu)三維示意圖2.5散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.5.1散熱結(jié)構(gòu)熱分析在自然界中,傳熱是很常見的。傳熱有三種方式:導熱、對流和輻射。只要有溫度梯度,就會發(fā)生傳熱。當由于體內(nèi)溫度不平衡而產(chǎn)生溫差時,熱量將從高溫部分流向人體的低溫部分。熱傳導不僅可以發(fā)生在固體中,還可能發(fā)生在氣體和液體中[38]。在無內(nèi)部熱源的傳熱過程中,換熱能力與傳熱溫差_t之間的關(guān)系可以用Q=qf=_trw表示。Q-熱流t傳遞動力f-傳熱接觸區(qū)熱阻是由熱電偶加熱噴嘴過程中的溫差和增加熱量引起的對流形式。高溫流體密度相對較低,重量輕,高密度流體移動到低密度流體[39]。在噴嘴模塊的工作過程中,噴嘴靠近加熱耦合的溫度較高,噴嘴與遠離噴嘴的部件之間的溫差產(chǎn)生傳熱功率。同時,在風的作用下,驅(qū)動力也指向遠離噴嘴的部分,形成強制對流。熱輻射以波的形式向外傳播,以達到熱交換的目的,熱交換可以在沒有任何介質(zhì)和接觸的情況下發(fā)生。在熱對流中,換熱與換熱系數(shù)、有效接觸面積和溫差成正比。這三個值越高,它們帶走的熱量就越大。在結(jié)構(gòu)上,通過控制有效面積,可以增加散熱。有效散熱面積越大,對散熱的好處就越大。因此,散熱器采用環(huán)形散熱器的形狀來擴大散熱面積。假設(shè)散熱面積加倍,相應(yīng)的散熱也將加倍[40]。同時,如果不使用散熱器,導熱系數(shù)也會發(fā)生變化。導熱系數(shù)主要與散熱區(qū)、溫差、流速和氣流方向長度有關(guān)。確定了熱源與外部環(huán)境的溫差。因此,為了有利于散熱,只有增加散熱面積,才能增加散熱。熱源能量擴散到面積較大的環(huán)形翅片上,熱量通過導熱傳遞到空氣中。溫差與散熱能力之間也有正相關(guān)。溫差越大,散熱能力就越高。速度越高,氣流方向的長度越短,導熱系數(shù)就越高?？傊?與散熱有關(guān)的變量包括散熱面積、溫度場、流速和氣流方向長度。提高導熱系數(shù)的最佳條件是氣流長度較短,橫向氣流寬度較寬[41]。這確保了熱量可以覆蓋更大的區(qū)域。散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.5.2散熱結(jié)構(gòu)模型建立在實心導線的輸送段,用送絲機構(gòu)輸出實心線。當電線到達加熱室的入口時,實心導線起到柱塞的作用,并為電線的前進提供動力。在導線加熱段中,在熱電偶加熱下,實心導線轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)。實心導線傳遞的壓力會導致熔融材料通過噴嘴擠壓。在這個過程中,固體和液體線都在流道內(nèi)流動。通常,轉(zhuǎn)輪的直徑應(yīng)略高于導線的直徑。此外,電線本身的直徑也會出現(xiàn)誤差,有些地方會非常精細,所以電線和它之間會有縫隙。正是由于這些間隙的存在,在實心導線壓力的作用下,熔絲才會向后流動。如果向后流動的距離過長,導線與流道之間的摩擦阻力就會增加,噴嘴很容易堵塞。同時,噴頭加熱部分的高溫會導致噴水機尾部過熱,導致尾線提前軟化,從而失去電源,也會堵塞噴頭。因此,需要采取適當?shù)拇胧﹣砝鋮s灑水車。主要的解決方案是加熱流道,包括加熱噴嘴外的部分,這樣流道中的溫度就可以降低,使熔融的電線再次變成固體。目前,散熱器主要包括風扇和散熱器。增加風機的數(shù)量會增加擠壓機構(gòu)的重量,從而影響印刷速度,因此不考慮增加風機的方案。環(huán)形翅片的散熱與其自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),因此有必要對影響散熱結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行分析。噴水鰭的三維模型如圖2-22所示,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-22所示。通過建立不同的參數(shù)模型,將該模型引入ANSYS工作臺進行仿真,并對所獲得的數(shù)據(jù)進行記錄和分析,以找到合適的散熱片結(jié)點。構(gòu)建、優(yōu)化。圖2-22環(huán)形散熱結(jié)構(gòu)圖2-23環(huán)形散熱片示意圖如圖2-2所示,D表示兩個相鄰散熱器的距離長度,D表示y軸方向上單個散熱器的厚度,A表示散熱器的總數(shù),H表示x軸方向上外部側(cè)的寬度。L是橫向?qū)挾?。由于擠壓結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求,本設(shè)計中的L=8mm。散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化是為了在不同的空間約束下找到目標函數(shù)的最優(yōu)值。為了簡化分析過程,在不影響實際工作條件的情況下簡化了環(huán)形散熱器的結(jié)構(gòu),并給出了以下假設(shè):(1)環(huán)形散熱器的材料質(zhì)量均勻,性能好。材料本身的參數(shù)是固定的,其他零件的材料性能是均勻的;(2)當灑水車加熱時,環(huán)境溫度保持不變。三維打印機周圍的氣流是自然對流換熱,是恒定的;(3)除加熱棒外,不考慮其他熱源?；谝陨霞僭O(shè),將復(fù)雜環(huán)形翅片的動態(tài)換熱過程簡化為穩(wěn)定換熱過程,大大簡化了問題。根據(jù)最后一節(jié)的熱分析理論,影響換熱和換熱的主要因素是散熱結(jié)構(gòu)與空氣液之間的接觸區(qū),因此以散熱器的總體積為評價指標。2.5.3散熱結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)分析影響三維打印流道外部散熱器散熱效果的主要因素包括散熱器a的數(shù)量、相鄰兩個散熱器之間的距離d、單個散熱器的厚度D以及每個散熱器的長度H。橫向方向。根據(jù)已知的理論,當空氣層厚度為2毫米時,散熱器之間的空間需要大于1毫米,以確保平滑的自然對流[43]。但是,如果兩個散熱器之間的距離太大,散熱器的數(shù)量將在有限的空間內(nèi)減少,從而減少輻射面積。相反,如果兩個散熱器之間的距離太小,自然對流的效率就會大大降低,從而降低輻射效率。因此,有必要確定兩個相鄰散熱器之間的距離、單個散熱器的厚度和散熱器的數(shù)量的最佳組合,以確定最佳散熱。在三維SolidWorks軟件中構(gòu)建了八個具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的實體模型。利用ANSYS工作臺軟件對散熱器的模型進行了分析。噴頭的溫度設(shè)置為一個常量值,并輸入熱流,以便直觀地觀察到散熱。改變散熱器的厚度、長度、數(shù)量和間距,觀察散熱情況。對不同參數(shù)的環(huán)形散熱器的數(shù)量、厚度、間距和寬度進行了分析,并記錄了散熱器結(jié)構(gòu)末端的最高溫度。分別得到了散熱器結(jié)構(gòu)導管末端的最高溫度和導管末端的最大溫度曲線和散熱器的數(shù)量。研究了散熱器數(shù)量對散熱效果的影響。以六個散熱器的擠出機理為參考,根據(jù)實際經(jīng)驗和散熱器的結(jié)構(gòu)要求,選擇了6個到13個散熱器的數(shù)量。其他尺寸參數(shù)與樣品散熱器一致。數(shù)據(jù)見表2-8：表2-8不同散熱片片數(shù)對散熱的影響數(shù)據(jù)以散熱片厚度為橫坐標，散熱體積與溫度分別為縱坐標，根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制兩個折線圖，如圖2-26、2-27所示：圖2-26散熱片厚度對散熱體積的影響圖2-27散熱片厚度對溫度的影響根據(jù)上述斷線圖,隨著散熱器厚度的增加,散熱量也相應(yīng)增大,溫度也相應(yīng)降低。研究了相鄰翅片間距對散熱效果的影響。根據(jù)實際經(jīng)驗和翅片結(jié)構(gòu)要求,研究了1~2.4之間相鄰翅片間距的不同值。其他尺寸參數(shù)與樣品鰭一致,數(shù)據(jù)如表2-10所示：表2-10相鄰散熱片間隔對散熱的影響數(shù)據(jù)以散熱片間隔為橫坐標，散熱體積與溫度分別為縱坐標，根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制兩個折線圖，如圖2-28、2-29所示：圖2-28散熱片間隔對散熱體積的影響圖2-29散熱片間隔對溫度的影響根據(jù)上述斷線圖,隨著翅片之間距離的增加,散熱量相應(yīng)增大,溫度也相應(yīng)降低,但兩者的變化并不明顯。研究了散熱器橫向長度對散熱效果的影響。根據(jù)散熱器的實際經(jīng)驗和結(jié)構(gòu)要求,從3到10不等取散熱器橫向長度的值。其他尺寸參數(shù)與樣品散熱器一致。數(shù)據(jù)見表2-11：表2-11散熱片長度對散熱體積的影響數(shù)據(jù)以散熱器的橫向長度為橫坐標,散熱器的體積和溫度分別為縱向坐標,根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪制了兩個多邊形圖,如圖2-30和2-30所示：從圖中可以看出,隨著散熱器寬度和距離的增加,散熱體積開始相應(yīng)減小,然后隨著長度的增加而增大。溫度也是如此。2.6傳動機構(gòu)設(shè)計2.6.1傳動機構(gòu)運動方式分析根據(jù)市場上現(xiàn)有的FDM型3D打印機,設(shè)計了三噴嘴擠出機構(gòu)3D打印機的傳輸模式。設(shè)計的關(guān)鍵是選擇合適的傳輸模式,將x、y和Z的運動轉(zhuǎn)移到擠出機構(gòu)和印刷平臺?；贔DM技術(shù)的3D打印機傳輸模式可分為幾種類型,如圖2-32所示：圖2-32運動方式示意圖(a)印刷平臺使X(y)和Z平面的復(fù)合運動,擠壓機構(gòu)使Y(x)的單軸運動。(b)打印平臺沿X(y)軸單方面移動,擠壓機構(gòu)在Y(x)和Z平面上移動。(c)打印平臺在z軸方向獨立移動,擠出機構(gòu)在X-Y平面上移動。機構(gòu)的整體質(zhì)量是輕的,慣性小,對提高印刷速度有很大的幫助。在相同尺寸的打印部件的情況下,所需空間較小,空間利用率較高。(d)印刷平臺使X和Y平面的復(fù)合運動,擠壓機構(gòu)單獨使Z軸的運動。它可以保證平臺具有較高的強度和剛度,但空間利用率較小,需要較大的打印空間,有利于提高印刷速度。從以上分析可以看出,擠壓機構(gòu)使x軸和y軸的復(fù)合運動,印刷平臺使z軸運動,具有最小的運動空間和最高的空間利用率。選擇該方案作為3D打印機的傳輸模式,可以以更高的速度進行播放。如下圖所示為傳動機構(gòu)示意圖及物理圖紙傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖傳動機構(gòu)物理圖紙2.6.2傳動機構(gòu)方案設(shè)計兩個步進電機,編號為X和y,對稱地排列在主框架的一端。四個固定的凹槽設(shè)置在主框架的直角。固定槽、步進電機和噴嘴運動部件分別根據(jù)圖2-33所示的位置與同步旋轉(zhuǎn)軸連接。X和Y平面采用同步皮帶驅(qū)動。同步帶是一種齒帶相互嚙合的傳動方式。同步帶式變速器不會出現(xiàn)相對滑動現(xiàn)象,傳動平穩(wěn)、準確、傳動效率高、減振能力強、噪音低。在皮帶傳動中,皮帶會有彈性松弛,因此每端都增加一個張緊器(兩個部分的交點在上下平面上)。打開緊張的目的。當兩個步進電機順時針旋轉(zhuǎn)在一起時,噴嘴組合機構(gòu)向前移動到軸,并移動第2部分的位置。當X和Y步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)在一起時,噴嘴組合機構(gòu)沿X軸的負方向移動,并將部件移動3個位置。當x步進電機順時針旋轉(zhuǎn),y-步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)時,噴嘴組合機構(gòu)向關(guān)閉機工作臺的運動可以乘以單級運動,打印機可以向在y軸機構(gòu)的正方向上的電流負到y(tǒng)軸。打印機本身的上下移動有許多優(yōu)點。為了改善三維跳動的傳輸模式,在系統(tǒng)設(shè)計中采用了分步電動運動。當在負方向移動時。Z軸方向如圖2-34所示。高打印機打印機的結(jié)構(gòu)優(yōu)于具有高打印機的打印機。驅(qū)動扭轉(zhuǎn)電機的要求是當X步進電機移動時。所以,如果你想采取球絲4如圖所示。軋制能力高,傳動精度高。傳動系統(tǒng)的控制比原來機器扭曲帶的控制要低得多。36臺機器的順時針旋轉(zhuǎn)需要改變由噴嘴組2-33的傳動螺桿連接的步進滾珠絲杠的穩(wěn)定性和精度。因此,2-34Z軸的機械結(jié)構(gòu)可以通過兩個步進電機和旋轉(zhuǎn)來復(fù)位。Y步進元件的傳動將旋轉(zhuǎn)方形、可逆地實現(xiàn)方向傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計,提高了性能,并對步進電機進行了集成。計算機控制和印刷擠出電機的逆軌跡只驅(qū)動方向,從而轉(zhuǎn)化為運動。Z軸的精確定位導致了結(jié)構(gòu)強度對傳動效率的控制。當針頭旋轉(zhuǎn)時,只需控制即可實現(xiàn)線性平方精度,結(jié)構(gòu)非常小,結(jié)構(gòu)高。新設(shè)計的程度和剛度提高了驅(qū)動效率,通過有效分離噴嘴,改善了印刷方方向的結(jié)構(gòu)和位移。2.7機身結(jié)構(gòu)和工作平臺設(shè)計2.7.1機身結(jié)構(gòu)設(shè)計目前機身結(jié)構(gòu)是整個3D打印機承受重力的基礎(chǔ),包括螺桿、三噴嘴擠出機、步進電機、直線導軌等多種設(shè)備。因此,采用三噴嘴擠出機的三維打印機主機結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)具有強度高、結(jié)構(gòu)緊湊、運行負荷低的特點。根據(jù)各種因素選擇鈑金作為3D打印機的機身?；暮穸葹?米。這種材料具有拆卸安裝方便的優(yōu)點,可用于表面的耐腐蝕處理。整體機身結(jié)構(gòu)的物理圖紙如圖2-35所示：圖2-35主機身結(jié)構(gòu)圖紙2.7.2工作平臺設(shè)計Z軸上的滾珠絲杠固定了3D打印機的工作平臺。在步進電機的驅(qū)動下,工作平臺上下移動。擠壓噴嘴沿X-Y平面上零件的外部輪廓掃描。印刷工作平臺將完成。因此,工作平臺的穩(wěn)定性會影響零件的質(zhì)量。由于在成型過程中從噴嘴擠出的金屬絲的溫度較高,在室溫下,線材在冷卻后會凝固收縮,從而導致產(chǎn)品出現(xiàn)邊緣翹曲現(xiàn)象。因此,為了使產(chǎn)品溫度下降過快,部件可以更好地粘合到工作平臺上,有必要在工作平臺上添加一個熱床,這樣就不會因為t的溫度瞬間下降而出現(xiàn)翹曲。線,確保零件的印刷質(zhì)量。本設(shè)計采用PCB熱床,如圖2-36所示,通過加熱熱床,使打印機保持在相對較高的溫度,減輕了印刷過程中冷卻造成的材料收縮。熱床的性能均勻加熱,可增加人工調(diào)平,工作平穩(wěn),不易損壞。其原理是通過電阻產(chǎn)生加熱效果,通過電阻、加熱電流。工作平臺的結(jié)構(gòu)模型顯示在2-37中：圖2-36PCB熱床圖2-37工作平臺圖2.38零件圖圖2.39梯形絲杠及螺母機構(gòu)示意圖第三章結(jié)論為了提高印刷速度和質(zhì)量,本文提出了一種新的印刷算法。根據(jù)新算法,設(shè)計了一種三噴嘴擠出機構(gòu)。設(shè)計了三噴嘴擠壓機構(gòu)的布置和擠壓機構(gòu)噴嘴的結(jié)構(gòu)。不同直徑的噴嘴分別用于打印零件表面、內(nèi)部填充和外部支撐。設(shè)計并分析了送絲機構(gòu)的布置和摩擦輪的結(jié)構(gòu)。采用遠端送絲結(jié)合近送絲的布局,提高了印刷速度和精度。記錄了散熱結(jié)構(gòu)散熱環(huán)的仿真數(shù)據(jù),分析了影響散熱的結(jié)構(gòu)參數(shù),解決了散熱不能及時釋放的問題。此外,還對傳動方式和主體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和分析。通過對國內(nèi)外基于fdm的3D打印機的技術(shù)參數(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀的研究,進行了基于fdm的3D打印機的總體設(shè)計,包括基于fdm的3D打印機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)研究。得出以下結(jié)論:三噴三噴機在三噴嘴擠出機構(gòu)噴嘴的劃分與配合下,根據(jù)新的切片算法完成印刷。其中,噴管圓錐形過量的圓角和流道的長度影響熔絲的熔融時間和熔融段長度。通過流體力學模擬,得到了噴嘴內(nèi)熔融流體的靜壓和速度云圖。仿真結(jié)果表明,圓錐圓角處噴嘴內(nèi)的壓力下降最快,中心軸的速度最大,離中心軸較遠。速度越低。鑒于上述因素,使用直徑為0.1mm、圓錐形過渡角為60度的噴嘴打印零件的外表面。兩個直徑為0.2mm、圓錐形過渡角60度的噴嘴分別采用外部支撐和內(nèi)部填充進行打印。有效地提高了零件的打印速度和精度。分析了熔絲正常工作所需的送絲驅(qū)動力和摩擦輪提供的送絲驅(qū)動力。當原來的凹輪改為v型送絲輪時,摩擦輪提供的送絲動力是原來的凹輪的兩倍。送絲機構(gòu)采用遠端送絲與近端送絲相結(jié)合的送絲方案。0.1mm噴嘴打印零件表面,這需要較高的打印精度。因此,它使用近端送絲,0.2mm噴嘴打印內(nèi)部灌裝和外部支持,這需要較低的印刷精度,并使用遠端送絲。降低了擠壓機構(gòu)的重量,有效地提高了印刷速度。通過對散熱結(jié)構(gòu)環(huán)形散熱器的分析和數(shù)據(jù)處理,得出環(huán)形散熱器的散熱受散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,其中包括厚度、寬度、厚度、寬度、散熱器的高度和相鄰散熱器之間的距離。綜合考慮空間結(jié)構(gòu)的合理性和散熱情況,選擇了環(huán)形散熱器參數(shù)的最佳組合。致謝時光飛逝，終于到了論文定稿的這一刻。雖然文章顯得有些粗糙，但畢竟凝聚了自己的心血，在此謹向曾經(jīng)關(guān)心、幫助、支持和鼓勵我的老師、同事、同學、親人和朋友們致以最誠摯的謝意和最衷心的祝福衷心感謝我的導師謝鐵兔。老師對我兩年來的學習、生活給予了悉心的關(guān)懷，在本論文的開題、寫作、修改、定稿方面更是給予了悉心指導和匠心點撥，論文凝結(jié)著導師的汗水和心血。在這兩年多的學習和生活過程中，我要向老師們表示衷心的感謝是他們給了我熱情的關(guān)懷、支持和幫助，使我得以順利完成學業(yè)。同時，衷心感謝我的父母、家人以及和我一起學習的各位同學，是他們在我學習和論文寫作過程中，給予我了莫大的支持和鼓勵。最后，再一次感謝所有關(guān)心和支持我的人們，我一定會用所學知識更好地做好本職工作來報答你們。參考文獻[1]王秀峰，羅宏杰.速原型制造技術(shù)，第1版．北京：中國輕工業(yè)出版社，2011.[2]熊曉明，張連洪.快速成形技術(shù)的現(xiàn)狀及進展[J].精密成形工程,2011,19(6):1-4.[3]Chenzhangzi,HuanXu,Ninghaiyang,Zhengyou.Temperature-dependentopticalresponseofphase-onlnematicliquidcrystalonsilicondevices[J].ChineseOpticsLetters,2016,11:89-93.[4]RussellA.G,BenjaminM.W.,ScottW.B.,etal.Mechanicalpropertiesofdensepolylacticacidstructuresfabricatedbythreedimensionalprinting,JournalofBiomaterialsScience[J].EmanuelM.Sachs&MichaelJ.Cima,PolymerEdition,8:1,63-75[5]SingareS,DichenL,BinghengL,etal.Customizeddesignandmanufacturingofchinimplantbasedonrapidprototyping[J].RapidPrototypingJournal,2005,11(2):113-118.[6]DarioC.,MassimilianoD.A.,GiorgioO.ExperimentalcharacterizationandanalyticalmodellingofthemechanicalbehavioroffuseddepositionprocessedpartsmadeofABS-M30[J].ComputationalMaterialsScience,79(2013)506–518[7]G.PavanKumar,SrinivasaPrakashRegalia.OptimizationofSupportMaterialandBuildTimeinFusedDepositionModeling(FDM)[J].AppliedMechanicsandMaterials,2011,110-116:2245-2251[8]Macy,B.Rapid/AffordableCompositeToolingStrategiesUtilizingFusedDepositionModeling[J],SampleJournal,2011,47(4):37-44[9]CroccoloD.Developmentofbioceramictissuescaffoldsviafuseddepositionofceramics[J].Bioceramics:MaterialsandApplicationsIII,2003:183-195.[10]EricJ.McCulIough，VamsiK.Yadavalli.SurfacemodificationoffuseddepositionmodelingABStoenablerapidprototypingofbiomedicalmicrodevices[J].Jou