3D打印機頭的設(shè)計與制造

3D打印機頭的設(shè)計與制造摘要3D打印技術(shù)是是當今世界上快速發(fā)展的一種制造技術(shù)，和傳統(tǒng)去除材料制造方式不同，3D打印技術(shù)采用增加材料制造的方式，利用CAD、Pro/E等三維建模軟件制作三維圖像，使用金屬材料制成的粉末或塑料等材料的粉末或顆?；蚓€材進行一層一層打印。熔融堆積（FDM）3D打印技術(shù)的基本原理是，熔化ABS塑料、PLA等材料線材，從噴頭擠出堆積打印的技術(shù)。噴頭是熔融堆積3D打印機最關(guān)鍵的部分，噴頭的主要組成部分為推送裝置，加熱裝置噴嘴和冷卻風扇，線材被送料齒輪推動送到加熱裝置中被電阻絲加熱，加熱液化后從噴頭擠出，經(jīng)過風扇冷卻定型，通過多層堆積形成最后成品。關(guān)鍵詞：3D打??；熔融堆積；數(shù)字模型；金屬粉末；塑料英文題目Designandmanufactureof3DprinterheadAbstract3Dprintingtechnologyisarapidlydevelopingmanufacturingtechnologyintheworld.Differentfromthetraditionalmanufacturingmethodofremovingmaterials,3Dprintingtechnologyadoptsthemethodofincreasingmaterialmanufacturing,using3DmodelingsoftwaresuchasCAD,Pro/Etomake3Dimages,andusingpowderorparticleorwirerodmadeofmetalmaterialssuchaspowderorplastictoprintonelayerbyone.ThebasicprincipleofFDM3DprintingtechnologyistomeltABSplastic,PLAandothermaterialsandwires,andextrudetheprintingtechnologyfromthenozzle.Thesprayheadisthemostcriticalpartofthemeltstacking3Dprinter.Themaincomponentsofthesprayheadarethepushingdevice,theheatingdevicenozzleandthecoolingfan.Thewireispushedbythefeedinggeartotheheatingdeviceandheatedbytheresistancewire.Afterheatingandliquefying,thewireisextrudedfromthesprayhead,cooledandfinalizedbythefan,andthefinalproductisformedthroughmulti-layerstacking.Keywords:3Dprinting；additivemanufacturing；digitalmodel；metalpowder；plasticPAGE6目錄TOC\o"1-2"\h\u1前言 21.1序論 21.2本設(shè)計的目的、意義及應達到的技術(shù)要求 71.3本設(shè)計在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題 91.4本設(shè)計應解決的主要問題 132本設(shè)計 142.2設(shè)計原理 152.3方案選擇 172.3.1分析問題 192.3.2設(shè)計過程 213結(jié)論 27參考文獻 28謝辭 30附錄 31附錄1 31設(shè)計成品組裝照片 311前言1.1序論隨著科技的發(fā)展，工業(yè)制造模式也逐漸改變，新產(chǎn)品開發(fā)的速度越來越快，傳統(tǒng)的大規(guī)模制造的工業(yè)模式已經(jīng)無法滿足人們的需要，3D打印技術(shù)應運而生。傳統(tǒng)的大規(guī)模制造模式在制造大量產(chǎn)品時可以降低成本，而在制作小批量產(chǎn)品時由于昂貴的開模費用導致成本居高不下，而使用3D打印技術(shù)進行開模則可以有效降低成本。而后三維打印技術(shù)被直接應用于制造產(chǎn)品和零部件，如今該技術(shù)在首飾制造、鞋類生產(chǎn)、工業(yè)方面設(shè)計、建筑行業(yè)、工程制造和建筑施工、汽車制造、航空航天領(lǐng)域，牙科和醫(yī)療業(yè)、公立和私立教育、地理位置的導航系統(tǒng)、自然改造工程、兵器制造等其它領(lǐng)域都有應用。工藝熔融沉積制造技術(shù)FDM（FusedDepositionModeling）在1988年被發(fā)明，發(fā)明人是美國人ScottCrump，熔融堆積三維打印技術(shù)打印的材料一般為熔點較低的熱塑性塑料，例如PLA材料、尼龍材料、ABS塑料、蠟等熱塑性材料，原材料以線材狀態(tài)在原料盤上被供料，原料被加熱裝置加熱從噴頭內(nèi)被擠出，噴頭由點到線，由線到面地在需要制作物品的橫截面上移動，熔融狀態(tài)的材料被從噴頭擠出并與附近的材料凝結(jié)在一起。熔融堆積三維打印技術(shù)屬于較為早期的三維打印技術(shù)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)成為應用最為廣泛的三維打印技術(shù)之一。在熔融堆積三維打印技術(shù)之后，很多三維打印技術(shù)快速發(fā)展了起來，例如光固化成型（SLA）三維打印技術(shù)、分層實體制造（LOM）三維打印技術(shù)、選域激光粉末燒結(jié)（SLS）三維打印技術(shù)、形狀沉積成型（SDM）三維打印技術(shù)、基于噴射的三維成型技術(shù)（JettingTechnology）、多相噴射沉積（MJD）的三維成型技術(shù)等。光固化成型（SLA）三維打印技術(shù)在業(yè)內(nèi)號稱最成熟的3D打印技術(shù)，從1977年就開始發(fā)展，美國Swainson公司在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)可以使用紫外線來引發(fā)材料相變凝固，用這種方法疊層制造三維物體，但是由于缺少資金資助，這個項目在1980年被叫停。在巴特爾實驗室，時間為1984年，同類項目又被開展并被命名為光化學加工（PhotochemicalMachining）三維打印技術(shù)。雖然當時的執(zhí)政政府給這個項目提供了經(jīng)濟支持和實驗室，但是最終這個項目也沒有實現(xiàn)商業(yè)化。美國人CharlesHull在1983年發(fā)明了光固化成型三維打印技術(shù)并且在1986年申請了專利。1986年，CharlesHull在加利福尼亞州成立了3DSystems公司，公司主要負責將光固化三維成型技術(shù)商業(yè)化。1988年該公司生產(chǎn)的第一臺商業(yè)3D打印機SLA-250被推出，從這開始光固化成型技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的使用。光固化成型（SLA）三維成型技術(shù)主要是利用對光敏感的樹脂作為打印原料，由于對光敏感的樹脂在紫外線照射下會發(fā)生凝固，對光敏感的樹脂一般為液態(tài)，在紫以外光線的照射下會引起聚合反應完成凝固。SLA技術(shù)首先在一個層面進行鋪粉，然后利用紫外線術(shù)對該層面切片進行由點到線，由線到面的照射從而完成繪制工作，然后重復該工作，最終得到3D實體。其基本原理如圖1.1所示：圖1.SEQ圖1.\*ARABIC1光固化成型技術(shù)原理示意圖光固化成型（SLA）三維打印技術(shù)主要優(yōu)點為：是較早出現(xiàn)的三維打印制造成型工藝之一，已經(jīng)非常成熟。通過CAD或者Pro/E等數(shù)字模型直接制成成品，加工的速度很快，產(chǎn)品生產(chǎn)的時間周期較短，不需要切削工具或者加工模具。打印精度高（在0.1mm左右）、表面質(zhì)量較好。光固化成型（SLA）三維打印技術(shù)主要缺點：光固化成型（SLA）三維打印技術(shù)的制造價格很高，使用成本和維護成本相對較高。對工作的環(huán)境要求較為苛刻。打印材料是液體狀態(tài)的樹脂類材料，具有刺鼻氣味和毒性，需要在密閉狀態(tài)下避光保存，同時為防止被紫外線照射提前發(fā)生凝固反應，需要避光保存。成型后的產(chǎn)品大多數(shù)為樹脂材料類，使得打印成品的結(jié)構(gòu)強度和對熱的耐受性較低，不利于在較長時間內(nèi)保存。打印出的產(chǎn)品需用濃度為95%的酒精和丙酮進行清洗，并且再次通過紫外線照射進行固化。分層實體制造（LOM）3D打印技術(shù)的應用雖然不是現(xiàn)在最多的，但是具有極其廣泛的發(fā)展前景，該技術(shù)在發(fā)展過程中被不斷完善，最終會在產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程中占據(jù)越來越重要的作用。分層實體制造技術(shù)主要使用的原料為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型熱熔膠，聚酯類熱熔膠，尼龍類熱熔膠或者其它熱熔膠類混合物。目前為止EVA材料被應用得最多。熱熔膠的優(yōu)點為：加熱融化，室溫固化，熔融狀態(tài)下具備良好的粘性，可以對薄片材料進行黏結(jié)，黏結(jié)強度高，廢料容易分離。分層實體制造技術(shù)主要分為3個制造過程。第一步首先要使用3D制圖軟件繪制產(chǎn)品的三維模型，然后將模型轉(zhuǎn)化為STL格式，然后將STL三維文件導入負責切片軟件進行切片。第二步要制作底部支撐結(jié)構(gòu)，由于制作成品體積較大，直接制作會不穩(wěn)定，所以要制作基底，先在底部制作三五層材料，必要時進行加熱使材料固化得更加完全。第三步為加工的主要部分，利用熱熔膠鋪棍和激光進行產(chǎn)品的加工，在這個過程中，激光的移動速度，激光的功率，鋪棍的移動速度等都會對產(chǎn)品的精度和牢固程度造成巨大的影響。第四步為后處理部分，去除產(chǎn)品的預料，并且進行表面處理。分層實體制造的基本原理如圖1.2所示：圖1.SEQ圖1.\*ARABIC2分層實體制造技術(shù)原理簡圖在分層實體制造過程中，有若干因素會導致加工出現(xiàn)誤差，首先3D模型在轉(zhuǎn)換格式的時候會產(chǎn)生誤差，不是所有3D格式都可以完美轉(zhuǎn)換成STL格式。在將STL格式文件輸入切片軟件的時候，也會產(chǎn)生一定的誤差，切片軟件由于設(shè)置不同，對同一STL格式文件的識別會產(chǎn)生誤差。設(shè)備在機械結(jié)構(gòu)上存在一定的誤差，從而導致加工過程中形成誤差。成型前后溫度的不一致還會導致材料熱脹冷縮形成誤差。選域激光粉末燒結(jié)（SLS）三維加工技術(shù)是最近30年以來快速發(fā)展的一種三維加工技術(shù)，選域激光粉末燒結(jié)三維加工技術(shù)可以加工多種材料，從金屬乃至非金屬都可加工，制造原理較為簡單，不同加工材料切換時不用對設(shè)備進行大的改動，加工精度高，只要激光光束聚焦程度高，就可加工出精度極高的產(chǎn)品，不需要支撐結(jié)構(gòu)，可以直接燒結(jié)制作零部件，不需要前后復雜的工藝支持。眾多優(yōu)點使SLS技術(shù)成為當今在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展最快的3D打印技術(shù)。SLS技術(shù)的基本原理是，利用co2激光作為能量源，在數(shù)字技術(shù)打的控制下，對區(qū)域內(nèi)粉末狀原材料進行掃描，掃描成型完一層之后，重新進行鋪粉，再掃描下一層，最后形成成型件。其基本原理如圖1.3所示。最后進行打磨和烘干等后期處理，得到最終的產(chǎn)品。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC3選域激光粉末燒結(jié)技術(shù)原理示意圖由斯坦福大學的AmonC.H等人合作研發(fā)，形狀沉積成型技術(shù)主要特點在于與CNC數(shù)控加工技術(shù)的結(jié)合。SDM技術(shù)將傳統(tǒng)的CNC去除材料加工的技術(shù)與堆積增加材料的加工技術(shù)相結(jié)合，基本不受產(chǎn)品復雜程度限制，加工時可以先將熔融材料沉積到工件的成型表面上，然后通過機床刀具對工件表面進行加工的到工整的表面，最后進行噴丸等表面處理增加工件表面精度并且去除工件內(nèi)部應力。SDM技術(shù)相對于SLS技術(shù)的優(yōu)勢在于，對沉積成型時的精度依賴較低，可通過后期數(shù)控機床去除材料加工獲得高精度的表面，同時加工過程中可對沉積技術(shù)和去除材料加工技術(shù)進行靈活結(jié)合，提高了加工效率。形狀沉積成型技術(shù)可以直接制造一些形狀復雜的零件，也可以將多種材料融合在同一零件的制作中，提高零件的物理性能。也可以在制造過程中就把復雜零部件結(jié)合在一起，形成一個無法拆分的活動部件，在達到功能的同時提高產(chǎn)品的強度和可靠性。多相噴射沉積（MJD）是從90年代開始快速發(fā)展的一種成型技術(shù)，該技術(shù)使用熔融狀態(tài)的金屬霧化液滴直接制作毛坯或者成品。在制造過程中，可以先噴射形成初步的產(chǎn)品，再進行軋制或者鍛造，也可以通過離心原理在空管內(nèi)部制造無縫鋼管，也可以使用該技術(shù)和噴丸技術(shù)相結(jié)合，制作熱噴涂涂層，該涂層由于在加熱狀態(tài)被噴丸所以沒有應力，具備較好的物理性能和機械性能。噴射沉積三維加工技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成是，熔化狀態(tài)的加工原料從噴嘴流出，被噴口噴出的高壓氣體霧化并且噴向成型面表面，在此過程中較小的顆粒冷卻成為固體，較大的顆粒保持液體狀態(tài)并且裹挾較小顆粒在成型表面凝結(jié)沉積，形成毛坯。在沉積過程中不同層面帶來的溫度積累不同，所以需要控制噴射速率，并且對基板和工件進行散熱，來控制沉積的速度。多相噴射沉積技術(shù)的基本原理見圖1.4：圖1.SEQ圖1.\*ARABIC4多相噴射沉積技術(shù)原理示意圖但是FDM3D打印技術(shù)相較于其它3D打印技術(shù)，具備如下優(yōu)點：1.機械和電子結(jié)構(gòu)相對簡單，維護成本低，設(shè)備可靠性高，運行安全。2.成型速度快，用FDM技術(shù)打印的部件可直接使用，可以不經(jīng)過再加工，節(jié)省時間。3.可以使用石蠟打印部件模型，用于鑄造，將蠟部件做進砂模中，澆灌金屬進行鑄造。4.可以打印內(nèi)部結(jié)構(gòu)多樣化的零件，如有復雜腔室和孔洞的零件。5.原料在加工成型過程中無化學變化，形變量小。6.原材料浪費少，幾乎無材料損耗，壽命較長。FDM3D打印技術(shù)也有如下缺點：1.成型零件表面有條紋，表面精度較低，需要后期加工以提高表面精度。2.沿成型軸垂直方向強度較低，需要通過交叉打印的方式來提高強度。3.打印零件角度過大時需要制作支撐結(jié)構(gòu)，在打印完成后去除支撐。4.需要對整個零件進行填充涂覆，成型時間較長。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC5熔融沉積制造技術(shù)原理簡圖1.2本設(shè)計的目的、意義及應達到的技術(shù)要求3D打印機形式繁多，但大多數(shù)都應用于工業(yè)領(lǐng)域，由于大多數(shù)3D打印機成本較高，長期以來個人很難擁有一臺3D打印機，如果在日常生活和DIY的過程中需要使用到一些異形件和非標件，需要進行定制，而傳統(tǒng)的CNC數(shù)控加工雖然可以滿足需求，但是成本較高，CNC需要為單一工件的加工單獨設(shè)計夾具，并且需要多個步驟和夾具才能實現(xiàn)加工，費時費力。而FDM3D打印技術(shù)可以在較低成本的情況下實單件零件的制造，對于家庭、個人DIY、工廠快速原型驗證有著很大的幫助。當產(chǎn)品上某個對精度要求不高的塑料件損壞后，不用苦于尋找替換配件而能通過一臺平價的FDM3D打印機進行低成本制作，將損壞的產(chǎn)品復原功能。在個人進行DIY作品時，如果需要制作復雜零部件或者非標件的時候，無需費盡心思設(shè)計工藝路線尋找廠商制作，只需要建模并用軟件切片導入3D打印機中，只需等待零件打印完畢。在工廠制造產(chǎn)品原型的時候，3D打印技術(shù)也能提供很大的便利，在制作對精度和強度要求不高的外觀件時，可以直接打印使用，如果對外觀要求較高，則可以在打印后進行表面處理、噴涂油漆等解決。在需要制造金屬零部件時，可以通過失蠟鑄造法，先打印欲制造部件的蠟模，再進行鑄造，鑄造完成后進行表面處理得到成品。本設(shè)計旨在制造一臺價格低廉、人人都用的起的、可以滿足生活中大多數(shù)物品所需精度的并聯(lián)臂FDM3D打印機，可以打印一般的生活用品和一些空調(diào)、風扇等家用電器的損壞零件，花少量成本足不出戶修復這些家電，使其恢復功能，也可以制作一些由塑料制成的玩具給孩子玩，鍛煉小孩的創(chuàng)造力，甚至也可以打印蠟模，在家鑄造一些低熔點金屬制品。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC6利用熔融沉積技術(shù)打印的宮殿模型本設(shè)計的意義在于可以以較低的價格實現(xiàn)以個人或家庭為單位擁有一臺3D打印機，以解決生活中的問題。3D打印機的缺點在于大規(guī)模生產(chǎn)速度較慢，適合用于制造原型和定制生產(chǎn)。而個人和家庭則對多樣化定制的需求比較強烈，每個人都需要解決不同的問題，則需要不同的產(chǎn)品，而且每個人對于同種產(chǎn)品的尺碼和形狀需求也不同，進行大規(guī)模生產(chǎn)不同尺寸將會提高成本，降低生產(chǎn)效率，而且即便可以生產(chǎn)不同尺碼，也無法完全適配每個人。如果大規(guī)模生產(chǎn)3D打印機，以個人為單位進行生產(chǎn)所需用品就可以解決這個問題，相關(guān)單位只需要根據(jù)個人需求不同進行建模，個人下載模型便可以打印自己所需的物品，隨著時間的推移，3D打印熱度的提升，相關(guān)的提供定制建模服務的行業(yè)也會越來越多，經(jīng)過學習之后個人也可以通過相關(guān)建模軟件進行建模，自己設(shè)計出理想的產(chǎn)品。本設(shè)計的定位為家用和DIY級別3D打印機，用于打印熱塑性塑料等低熔點加熱可塑的材料，精度滿足一般家用產(chǎn)品的需求，在無需進行后期處理的情況下可以直接投入使用，或者在進行簡單的切除支撐后可以投入使用。該設(shè)計要求能實現(xiàn)脫機打印，打印精度0.1mm，打印面積200mm*200mm*200mm，打印耗材為1.75mmPLA或1.75mmABS線材如圖1.7所示。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC7PLA和ABS材料線材1.3本設(shè)計在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，加工技術(shù)不斷升級，市場需求不斷轉(zhuǎn)變，制造業(yè)從傳統(tǒng)他制造向全球化制造轉(zhuǎn)變，智能制造技術(shù)不斷發(fā)展，制造業(yè)響應市場需求速度越來越快，只要市場需要某種產(chǎn)品，工廠就能快速生產(chǎn)。如果采用傳統(tǒng)的加工模式，則在生產(chǎn)產(chǎn)品之前，需要準備工作用具，設(shè)計生產(chǎn)裝夾用具，制定工藝路線等，使產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)的時間邊長。三維打印技術(shù)的逐步發(fā)展，一直到大規(guī)模應用，可以促進制造行業(yè)的發(fā)展，并且已經(jīng)極大地推動了新產(chǎn)品的研發(fā)模式。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC8Stratasys工業(yè)級3D打印機FDM3D打印技術(shù)主要是將熱塑性材料的線材如PLA、ABS、蠟等，由送料機構(gòu)通過齒輪送入噴頭，在熔化腔內(nèi)熔化并從噴頭噴出，同時噴頭由點到線，由線到面，根據(jù)要加工部件的切片橫截面繪制，材料被噴射到指定位置之后，隨之時間的推移很快就冷卻成為固體，與之前已經(jīng)成為固體的材料相結(jié)合，最終形成產(chǎn)品模型。工作原理見圖1.5。FDM3D打印技術(shù)可以快速實現(xiàn)三維模型和實體的轉(zhuǎn)換，為設(shè)計師提供了極大的便利，可以快速驗證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、裝配干涉、美觀度等，便于設(shè)計師快速完善產(chǎn)品設(shè)計，使設(shè)計制造結(jié)合得更加緊密。在模具設(shè)計和開發(fā)過程中，由于模具結(jié)構(gòu)形狀復雜，包括復雜曲面、筋和槽等結(jié)構(gòu)，設(shè)計難度較高且容易失誤，如果將模具成品加工出來以后再進行問題的檢驗則工期較長、成本較高。用FDM3D打印技術(shù)則可以方便地驗證產(chǎn)品合理性而且工期較短、成本較低。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC9工程師正在使用3D打印機驗證設(shè)計合理性FDM3D打印技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)去除材料的加工方式，采用低熔點熱塑性材料或金屬進行直接成型，原料浪費小，可以快速實現(xiàn)數(shù)十到數(shù)百件不同零件的小批量制造，在達成同樣目的的同時，省去了傳統(tǒng)工業(yè)模具和裝夾用具的設(shè)計制造費用。例如豐田公司利用3D打印技術(shù)在Avalon汽車4個門把手上就省下了30萬美元，在太空環(huán)境下宇航員可利用3D打印技術(shù)打印所需的工具和零配件，減少了所需要攜帶的材料的總重量。熔融堆積三維打印技術(shù)相對于傳統(tǒng)加工工藝有很多好處，所以現(xiàn)在在加工制造業(yè)已經(jīng)被經(jīng)常用到，在制作人體古代替品、復制古代文物、三維打印食品等方面也得到了極大的應用。在人體古復原方面，醫(yī)生通過打印患者需要做手術(shù)部位器官的3D模型進行模擬手術(shù)，來降低手術(shù)的風險性，通過打印患者的骨模型來最大程度地代替患者因手術(shù)移除的骨如圖1.10所示。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC10利用熔融堆積三維打印技術(shù)制作的下顎骨3DSystems公司和好時巧克力公司合作，通過將巧克力熔化擠壓成型的方式制作巧克力，實現(xiàn)巧克力的多樣化生產(chǎn)，大大節(jié)省了模具費用如圖1.11所示。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC11三維打印設(shè)備正在打印巧克力熔融堆積三維打印技術(shù)是現(xiàn)在用得很多的一種三維打印技術(shù)，國內(nèi)很對學者和國外不少研究人員都對其進行了很多學習和探究，并且在結(jié)果方面也是非常不錯的。開始是在原材料選取方面，熔融堆積三維打印機一般選用低熔點的線材，例如PLA塑料、ABS塑料、蠟等，只需將材料推入噴頭內(nèi)通過電阻絲加熱即可進入熔融狀態(tài)并且被擠出成型。但是此類材料通過3D打印制成的產(chǎn)品在硬度、韌性、強度等方面都不如傳統(tǒng)鑄造制成的產(chǎn)品，因此國內(nèi)外研發(fā)人員針對材料方面也在不斷開發(fā)新材料，例如ABS-M30、ABS-M60、PC-ABS等材料，在原有材料的基礎(chǔ)上進行了改進，增加了強度和FDM3D打印的適用性。由于FDM3D打印技術(shù)在打印形狀復雜、角度較大的材料時需要使用支撐，在打印完成后進行去除支撐，但是有時候模型過于復雜，導致支撐很難去除或者無法去除，為解決該問題，使用遇到水就會溶解的材料制作三維打印模型的支撐，例如聚乙烯醇（PVA）、聚氧化乙烯（PEO）等。隨著環(huán)境問題的日益凸顯和石油的消耗，科學家開始了環(huán)保材料的開發(fā)聚乳酸從玉米木薯等作物的淀粉中提取，具有可再生的有點，被認為是21世紀新型生態(tài)材料，將安全、綠色、低碳和3D打印技術(shù)結(jié)合起來，是3D打印技術(shù)和時代發(fā)展主題結(jié)合起來。經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前FDM3D打印技術(shù)的發(fā)展方向是低成本、高精度方向，F(xiàn)DM3D打印機的價格一般在幾千元至幾十萬元不等，近幾年由于FDM3D打印技術(shù)的普及和平民化，出現(xiàn)了百元級的3D打印機，主要用于家用和DIY玩家制作零件，精度較低但是使FDM3D打印機走進了普通人的視野。2013年3月，Stratasys公司發(fā)布了超大型快速打印成型系統(tǒng)Fortus900mc，成型尺寸高達914.4mm*696mm*914.4mm，精度為0.0015~0.0089mm，打印最小厚度為0.178mm，如圖1.12所示：圖1.SEQ圖1.\*ARABIC12大型快速打印成型系統(tǒng)Fortus900mc國內(nèi)企業(yè)太爾時代在吸收了清華大學的快速三維打印技術(shù)后，完成研發(fā)了Inspire系列的工業(yè)級熔融堆積三維打印機和UP系列的桌面級熔融堆積三維打印機如圖1.13所示，其中UPPlus2的成型尺寸為140mm*140mm*135mm，打印最低厚度為0.15mm。目前國際上先進的熔融堆積三維打印技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)在一個絲的厚度層面達到600dpi的分辨率，多數(shù)熔融堆積三維打印機的垂直打印速度已經(jīng)達到每小時25mm及以上，許多已經(jīng)可以實現(xiàn)彩色打印。2010年，Stratasys公司和惠普公司合并工作，由惠普公司OEM代工生產(chǎn)Stratasys公司的三維打印機，品牌使用惠普品牌。2011年Stratasys公司收購了Solidscape公司，2012年Stratasys公司和以色列公司Object合并，Stratasys公司正在一步步成為行業(yè)巨頭。最近30年以來，國內(nèi)許多高等院校已經(jīng)開始開展三維打印機的自主研發(fā)，到目前為止已經(jīng)取得不小的進步。港臺地區(qū)對于3D打印機的應用較早，但自主研發(fā)能力不足。目前國產(chǎn)3D打印機與外國同類產(chǎn)品還存在較大差距，距離大規(guī)模工業(yè)應用還需時日，東南沿海城市的許多企業(yè)已經(jīng)使用3D打印技術(shù)進行商業(yè)化運作，涉及到模具制作、樣品開發(fā)、輔助涉及等多個領(lǐng)域。圖1.SEQ圖1.\*ARABIC13UP系列的桌面級FDM3D打印機全球3D打印業(yè)產(chǎn)值從1988年到2010年每年平均增長26.2%，并且從這以后還將持續(xù)增速增長。估計到2020年為止三維打印行業(yè)的總價值將達到52億美元。但是目前3D打印技術(shù)在發(fā)展過程中仍有許多瓶頸，從成本上來看，雖然現(xiàn)在3D打印機已經(jīng)大規(guī)模降低成本，甚至出現(xiàn)百元級別的FDM3D打印機，但是精度較差，不能滿足工業(yè)應用的需求，而現(xiàn)在工業(yè)使用的三維打印機制造價格還是比較高。從打印物品的材料來源種類來看，目前熔融堆積三維打印機打印的材料大多數(shù)都是有機塑料、聚合物材料等，大多數(shù)FDM3D打印機無法打印金屬部件，而塑料部件的強度相對于模具鑄造的部件來說強度較差，難以滿足使用需求。由于FDM3D打印的原理限制，使熔融堆積三維打印時，在打印精度方面，還有打印速度方面需要作出取舍，如果提高打印精度則打印速度就會降低，如果提高打印速度，打印精度就會降低。最后3D打印技術(shù)的普及會使企業(yè)機密變得容易泄露，只需要有3D模型，就能打印出成品，而按照傳統(tǒng)工業(yè)體系則需要一整套圖紙、工藝路線圖和夾具圖紙等，安全性較高。1.4本設(shè)計應解決的主要問題目前，F(xiàn)DM3D打印機價格呈現(xiàn)下降趨勢，但售價仍然很高，本設(shè)計試圖以較低的價格制作出一臺可以打印熱塑性有機材料的3D打印機。本設(shè)計以并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)制作，將X、Y、Z三軸的移動轉(zhuǎn)化為Z軸一軸的移動，則噴頭步進電機控制的擠出量要和并聯(lián)臂步進電機的移動量相匹配。加熱裝置熔化材料的速度要和擠出速度一致，并且液化器內(nèi)的溫度要保持嚴格穩(wěn)定，過高和過低的溫度都將導致成型質(zhì)量受到影響，所以需要加入溫控反饋系統(tǒng)來控制液化器和噴嘴溫度。溫度過高則降低電阻絲功率，提高散熱風扇的轉(zhuǎn)速，溫度過低則提高電阻絲發(fā)熱功率，降低散熱風扇轉(zhuǎn)速。本設(shè)計FDM3D打印機頭不僅擠出速度要和搖臂步進移動速率相匹配，還要能速率可調(diào)，以滿足在拐角處打印以及中斷式和跳躍式打印。2本設(shè)計2.1打印機頭概述通過研究各3D打印機的結(jié)構(gòu)和工作原理，確定了FDM3D打印機是在預算有限情況下能達成打印效果最好的，于是尋找相關(guān)文獻、進入各3D打印機公司網(wǎng)站學習FDM3D打印機的基本原理和構(gòu)造，搜集相關(guān)資料后開始進行設(shè)計。由于打算在控制成本的情況下制作可以打印熱塑性塑料的熔融堆積三維打印機，這種類型的打印機在DIY打印機圈內(nèi)被許多業(yè)余的人廣為研究，于是進入3D打印有關(guān)論壇和貼吧研究前人的制作經(jīng)驗。經(jīng)過研究了解到目前熔融堆積三維打印機主要由橫軸，縱軸和高低軸三軸三維打印機和并聯(lián)臂三維打印機組成，由于并聯(lián)臂3D打印機在降低成本的情況下可以實現(xiàn)減少疊加誤差、增加打印速度的效果，在和小組成員商議后共同決定采用并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)來設(shè)計制作3D打印機。采用Pro/E軟件對零部件進行設(shè)計，計算管狀零件內(nèi)部尺寸并且繪制零件圖，然后將設(shè)計的零件圖組合成裝配圖。根據(jù)裝配圖采購相關(guān)零件，如果沒有合適尺寸的零件就略微修改方案，使整個FDM3D打印機頭使用的零部件都為標準件和公用件。要確保零件之間不會干涉，否則則改變設(shè)計方案，修改零件裝配圖。在反復修改過后確定裝配圖如圖所示2.1。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC1通過Pro/E軟件對打印機頭進行建模2.2設(shè)計原理FDM3D打印機頭由送絲裝置、效應裝置和風扇組成，打印線材運送裝置的關(guān)鍵部分為步進電機，由步進電機帶動運送線材的輪子轉(zhuǎn)動，送絲軸承從動，從而將線材從料輪上抽下，送入效應裝置內(nèi)。送絲裝置的主要組成部分為送絲機支架、送絲機、送絲機夾具、蝶形螺母、送絲軸承和送絲輪如圖2.2所示。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC2送絲裝置零件示意圖效應裝置負責將送絲裝置送入的線材加熱融化，并且融化狀態(tài)的材料在送絲機的推動下繼續(xù)向下運動，最終從噴嘴擠出。效應裝置主要由打印頭、加熱棒組成，如圖2.3所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC3打印頭效應裝置風道件用于將風扇固定在基板的螺絲空位上，如圖2.4所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC4風道件打印頭夾具使用兩個M3*12將打印頭固定在基板上，如圖2.5所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC5打印頭夾具安裝內(nèi)圍件卡于擠出頭上方，便于將擠出頭安裝在基板上并且通過連接外圍件來進行固定，如圖2.15所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC6內(nèi)圍件將擠出頭和內(nèi)圍件與外圍件組裝，把一顆M3*12螺絲套上小彈簧來固定內(nèi)圍件和外圍件，小彈簧使打印頭下壓后仍留有一定余量，將限位開關(guān)用螺絲固定在外圍件上擰入M3*20螺絲使打印頭觸底時限位開關(guān)上部簧片剛好平行，用于檢測打印頭觸底，結(jié)合控制程序?qū)崿F(xiàn)觸底急停如圖2.7所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC72.3方案選擇到現(xiàn)在為止電動機按照控制系統(tǒng)的不同主要有步進電機，還有一種伺服電機?？刂扑欧姍C的辦法是開環(huán)的；控制步進電機的方式是閉環(huán)的。這兩種電動機的準度也是有區(qū)別的，伺服電動機分為很多種，里面有一種帶有17個位數(shù)編碼器的電機，驅(qū)動器在接收131072個脈沖厚電動機轉(zhuǎn)一周，就是這種電動機的脈沖當量是360°/131072=0.0027466°，是每步走過角度為3.6°步進電機脈沖當量的1/1310；兩個相組合的步進電機每步走過得角度一般是1.8°或者0.9°，五個相位組合形式的步進電機每步走過得角度一般是0.72°或者0.36°。從在較低頻率狀態(tài)下運行的特點方面來看，使用交流電的伺服電機運行起來很穩(wěn)定，就算在運行速度很低的情況下也不會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象；步進電機在速度很低的情況下容易出現(xiàn)頻率較低的抖動情況。從力矩和頻率之間的關(guān)系來看，使用交流電的伺服電機輸出的力矩是一定的，它在正常工作情況下的轉(zhuǎn)速一般為2000r/min~3000r/min，在規(guī)定的運轉(zhuǎn)速度下都能輸出額定的扭矩，在規(guī)定的運轉(zhuǎn)速度以上輸出恒定的功率；步進電機在運轉(zhuǎn)速度提高的情況下扭矩會降低，而且在運轉(zhuǎn)速度比較高的時候扭矩會快速降低，所以步進電機最高的運轉(zhuǎn)速度一般在300r/min~600r/min。從超負荷運行的性能方面看，步進電機在正常情況下一般不具有超負荷運行的能力，在選擇型號的時候一般選擇受到運行扭矩較小的電動機，在很多時候都選用扭矩比較大的電動機，但是打印機在規(guī)定功率下運行的時候又不需要那么大的扭矩，導致很多扭矩沒有用上。從電動機運作時候的性能效果角度來研究，在交流電能源下運行的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制回路是首位相接的，驅(qū)動器可以直接處理電機信號的反饋信號，在反饋的內(nèi)部對位置和速度進行控制，在正常情況下不會產(chǎn)生步進電機的前后步數(shù)不一致，多走或少走一步的情況，控制性能更加可靠。從電機轉(zhuǎn)速在控制指令發(fā)出后的反應方面來看，交流電控制的伺服電機的速度提高的能力更好，從沒有速度提高到其正常功率下的旋轉(zhuǎn)速度3000r/min只需要幾毫秒，可以在需要在很快的速度下啟動和停止的地方使用；步進電機從沒有速度提高轉(zhuǎn)速一直到正常的工作轉(zhuǎn)速300r/min~600r/min只用幾百毫秒。從五六十年前開始，用直流電源驅(qū)動的電機是最早作為主要的工作部件的，但是隨著最近40年以來第一個使用交流電的伺服電機的性能越來越好，價格越來越低，使用交流電的伺服電動機逐漸取代使用直流電的伺服電機成為主要驅(qū)動部分?？刂破饔糜趯﹄姍C的控制系統(tǒng)進行控制并且形成反饋回路，從扭矩、運行快慢和位置等方面進行控制，伺服驅(qū)動器在具備基本功能的同時，也可以將輸入功率放大。雖然采用功率步進電機直接驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在30年前在追求廉價三維加工的時候被廣泛應用，但是很快就被交流電驅(qū)動的伺服電機代替了。伺服電機主要有直流和交流兩種，直流電驅(qū)動的電動機存在一些特定的缺點，比如電刷和換向器容易磨損，不經(jīng)常保養(yǎng)就會損壞，換向器在改變電動機轉(zhuǎn)動方向的時候會產(chǎn)生電火花，使電動機的轉(zhuǎn)速上限收到限制，并且使電動機的使用場景變少，而且直流電動機的原理復雜，制造起來比較困難，使用金屬原料消耗大，制造的資金需要高。而使用交流電的電動機特別是鼠籠式感應電機原料消耗小，成本低，而且電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部分慣性比直流電動機的內(nèi)部慣性小，停止和啟動性能更好，大小一樣的情況下，用交流電的電動機輸出的馬力可比用直流電源的電動機提高11%~71%，而且使用交流電的電動機能達到的最大功率比用直流電的電動機高，可以使用更高的電壓，最高旋轉(zhuǎn)速度也比直流電機快。經(jīng)過分析，權(quán)衡打印速度、打印精度和成本三者之間的平衡之后，選擇42步進電機17HS4401。2.3.1分析問題42步進電機17HS4401具有運行的時候聲音較小、發(fā)出的熱量較低、運轉(zhuǎn)時沒有不良抖動、加速性能好等特點，參數(shù)如表2.1所示：型號步距角電壓電流電阻電感保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量引線數(shù)重量機身長（L）Deg.VA/φΩ/φMh/φN·CMg·cmPingmm43D10541.82.5-31.61.634257429834表2.142步進電機17HS4401（1）步進電機輸出軸上轉(zhuǎn)動慣量和扭矩計算：力矩=力*力臂，由于送絲輪半徑為0.8cm，產(chǎn)生力矩=42*0.8=33.6N·CM以額定轉(zhuǎn)速運行時送絲速度為：送絲速度=額定轉(zhuǎn)速*送絲輪半徑*π，則送絲速度=1000RPM*0.8cm*3.14=2512cm/min，超過所需的送絲速度，這個電動機滿足使用需求。選用步進電機的種類的時候，需要估計并且計算物理方面的載荷和慣性載荷，計算打印設(shè)備對停啟節(jié)奏的要求，使該步進電機停啟節(jié)奏和固有停啟節(jié)奏相匹配還有一定余量，并且在電機額定功率運行情況下也能滿足打印機打印速率的要求。計算齒輪的減速比：i=（φ·S）÷（360°·Δ）式中φ為步進電機的步距角（°/脈沖）S為絲桿螺距（mm）；Δ（mm/脈沖）；則齒輪的減速比i=（1.8·0.5）/（360°/200）=0.5計算送絲輪、絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt：Jt=J1+（1/i2）（（J2+Js）+W/g（S/2n））式中Jt為折算至電機軸上的慣量（Kg·cm·S）；J1、J2為齒輪慣量（Kg·cm·S）；Js為絲桿慣量（Kg·cm·S）；S為絲桿螺距（cm）；則Jt=J1+（1/i2）（（J2+Js）+W/g（S/2n））=5.7*10（Kg·cm·S）計算電機輸出的總力矩M：M=Ma+Mf+MtMa=（Jm+Jt）·n/T×1.02×10=（5.7*10+0）·1000/0.5·1.02×10=11176N·m式中Ma是電動機開始發(fā)動增加速度的力矩（N·m）；Jm、Jt是步進電機自己的轉(zhuǎn)動慣量和負載情況下的轉(zhuǎn)動慣量(Kg·cm·s2)；n是步進電機要達到的額定轉(zhuǎn)速（r/min）；T是步進電機從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速所需的時間（s）；Mf=(u·W·s)/(2πηi)×10=（0.02·4.8·0.5）/（2*1000*0.95*0.5）×10=5.05×10N·mMf為螺桿摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（N·m）；u為摩擦系數(shù)；η為傳遞效率；Mt=(Pt·s)/(2πηi)×10=（0.01*0.5）/（2*1000*0.95*0.5）×10=5.26×10N·mMt為送絲輪阻力折算至電機力矩（N·m）；

Pt為線材和送絲輪最大阻力（N）；電動機承受載荷情況下起動發(fā)熱頻率估計和計算：步進電機的啟動的頻率和承受載荷時的扭矩和慣性有很大關(guān)系，其估計并計算的公式為：fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml]÷(1+Jt/Jm)]/2=3333.33/2=1666.67Hz式中fq是電動機有負載情況下的起動頻率（Hz）；fq0是電動機沒有負載情況下的起動頻率；Ml是起動頻率下由扭矩和頻率的特性決定的電動機輸出的力矩（N.m）；如果承受的載荷參數(shù)沒辦法精確計算,就按照fq=1/2fq0進行估算。步進電機運行時最高的頻率和由靜止加速到額定轉(zhuǎn)速的時間計算：因為步進電機輸出的扭力隨著頻率的升高不斷下降，所以在步進電機轉(zhuǎn)速最高時，由力矩和頻率的特性可知，輸出的扭矩應能驅(qū)動載荷，并且留有足夠的扭矩。在最高功率運行時，電機的輸出轉(zhuǎn)動扭矩為42N·cm大于所需最大轉(zhuǎn)矩33.6N·cm，所以該步進電機符合要求。承受載荷時的扭力轉(zhuǎn)矩和最大靜止時的力矩Mmax：承受載荷時的扭力轉(zhuǎn)矩可以按（1）中算式計算，電機在最大運行速率時，由力矩和頻率特性決定的電機輸出扭力轉(zhuǎn)矩要大于Mf與Mt之和，并保留一定的剩余量。大多數(shù)情況下，Mf和Mt的和應該比（0.2～0.4）Mmax小。由于Mf+Mt=5.05+5.26=10.31N·cm，0.4Mmax=0.4*42=16.8N·cm，Mf+Mt＜0.4Mmax，所以該步進電機符合要求。2.3.2設(shè)計過程參考有關(guān)文獻，使用Pro/E軟件繪制加熱塊夾具、散熱管和擠出頭零件圖并且裝配觀察有關(guān)部件的干涉現(xiàn)象。擠出頭部分的組成部件為加熱塊、材料輸入管、散熱管、快插頭、散熱風扇和噴嘴如圖2.8所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC8擠出頭部分的組成部件如下：加熱塊（如圖2.9所示）：設(shè)計規(guī)格尺寸：20*16*11.5；材質(zhì)：6061鋁合金t6時效處理；重量：8g；使用配套螺釘跟墊片：M3*10和M3*4。加熱塊用于連接噴嘴和散熱管，并且用于固定加熱電阻。把加熱電阻固定在加熱塊上之后進行加熱，就能加熱噴嘴，從而熔化噴嘴腔室內(nèi)的材料。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC9材料輸入管（如圖2.10所示）：規(guī)格：內(nèi)部孔洞直徑2mm，和散熱管連接處螺紋直徑M7，和加熱塊連接處直徑M6，全長22.4mm；材料：316F不銹鋼；功能：擠出頭部分線材進入口；尾部鉆4.2mm內(nèi)孔，內(nèi)部通入φ4*2的特氟龍管，使送絲過程中塑料線材和散熱管內(nèi)壁的摩擦阻力大大減少。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC10材料輸入管內(nèi)部通特氟龍管使線材輸入順暢散熱管（如圖2.11所示），幾何尺寸：和喉管連接處的螺紋直徑為M7；和打印噴嘴連接處的螺紋直徑為G1/8；打印線材送入孔部分直徑為φ4.2（套4*2特氟龍管PTFE）；和散熱管連接處的外徑為φ12*3.7。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC11散熱管由于散熱管的散熱屬性對打印頭效果起到至關(guān)重要的作用，如果散熱速率過慢，則會導致散熱管內(nèi)部熔融狀態(tài)材料達到耐受溫度250°以上，使打印材料降解，堵塞散熱管，最終損壞打印頭。本3D打印機頭設(shè)計使用的材料中，ABS塑料的熔點最高，所以以ABS塑料作為參考，使用Pro/E軟件對散熱管進行有限元熱分析。本打印頭使用的ABS線材熔融溫度為217°~237°，在分析過程中取中間值227°,查閱有關(guān)文獻得知熔融ABS塑料與6061鋁合金接觸導熱功率大約為0.7mw/（mmC）。因為加熱電阻絲的最大功率為40W，故在管內(nèi)加入40W的熱載荷，通過有限元熱分析如圖2.12所示，可得在未使用散熱風扇的情況下散熱管最高溫度可達294°，溫度遠高于ABS塑料的降解溫度，所以必須采取相關(guān)散熱措施。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC12未采用散熱措施時散熱管工作狀況熱分析快插頭（如圖2.13所示）：快插頭經(jīng)過車床加工，尾部鉆4.2mm內(nèi)孔，遠程送料管可以直通到喉管部分，減少送絲過程中與散熱管內(nèi)壁的摩擦。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC13快插頭5.散熱風扇的選擇：散熱風扇直徑和散熱管匹配則效果較好，如果散熱風扇直徑小于散熱管散熱片區(qū)域有效長度，則會導致部分散熱片沒用上，影響散熱效率；如果風扇直徑過大則會導致部分吹出的流量沒有經(jīng)過散熱片就流失了，經(jīng)濟型較低，而且超尺寸的風扇占用體積過大，容易對其它零部件造成干涉。經(jīng)過篩選，發(fā)現(xiàn)140605DF2N5風扇直徑與散熱管接近，較為合適，通過Pro/e建模如圖2.14所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC14140605DF2N5風扇利用Pro/E軟件對散熱管在加裝140605DF2N5風扇時的散熱狀況進行有限元熱分析，當風扇功率為50%，室溫25°的情況下，其分析結(jié)果如圖2.15所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC15風扇50%功率狀態(tài)下散熱管熱工作狀態(tài)熱分析從分析結(jié)果中的得知，散熱管的最高溫度已經(jīng)降低至241°，低于ABS塑料的降解溫度，但是仍然高于ABS塑料在熔融工作狀態(tài)的正常溫度217°~237°，設(shè)置風扇工作功率為100%并再次進行熱分析如圖2.16所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC16散熱風扇以最大功率工作時散熱管的熱分析圖從圖2.16可知，當散熱風扇和加熱電阻均以最大功率運作時，散熱管最高溫度可以被控制在204°，低于ABS塑料的最低熔點217°，所以在保持最高打印速率的同時，140605DF2N5風扇仍然能夠?qū)⑸峁軠囟瓤刂圃诠ぷ鞣秶詢?nèi)。使用M3螺絲將風扇模組通過Pro/e軟件和擠出頭模組進行裝配論證可行性，觀察是否干涉如圖2.17所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC17風扇和打印頭模組裝配圖模型裝配結(jié)果論證了140605DF2N5風扇與擠出頭模組通過連接件連接后沒由干涉現(xiàn)象，該風扇方案可行。噴嘴的設(shè)計過程：經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)小型熔融堆積三維打印機的噴嘴規(guī)格較為接近，在對比若干熔融堆積三維打印機噴嘴輸入端內(nèi)徑和使用線材直徑后發(fā)現(xiàn)為保證輸入順暢，輸入端內(nèi)徑設(shè)計得比線材直徑略大，本設(shè)計采用的是1.75mm線材，為了加工的便利性和輸出的順暢度，將輸入端內(nèi)徑設(shè)計為2mm。從經(jīng)濟性、打印速度和所需打印精度方面來考慮，輸出孔內(nèi)徑采用0.35mm，輸出面積為S=πr=0.096mm，r為輸出端內(nèi)徑。由于輸入面積S=πr=3.14mm，r為輸入端內(nèi)徑，所以噴嘴的最高擠出速率為：v=送絲輪外徑的最高線速度*線材橫截面積和輸出端橫截面積之比=1000*8*2.404/0.096≈200m/min。噴嘴通過M6螺紋和加熱塊進行連接。噴嘴如圖2.18所示：圖2.SEQ圖2.\*ARABIC18擠出頭噴嘴部分3結(jié)論通過計算結(jié)果分析，我發(fā)現(xiàn)42步進電機17HS4401滿足設(shè)計需求，該步進電機具有低噪音、低發(fā)熱、運行平穩(wěn)、加速性能好等特點，發(fā)熱量低，無需外部風扇散熱就可以維持正常工作溫度，扭矩較強，電機正產(chǎn)工作時，輸出扭矩可保持在相對于最大扭矩較低的范圍，工作穩(wěn)定，提速迅速，可滿足經(jīng)常啟停的工作環(huán)境，不易產(chǎn)生異常抖動。并且該電機價格低廉，可以有效降低制作成本，最終決定采用42步進電機17HS4401作為送絲輪的驅(qū)動電機。通過在3D打印論壇研究多種擠出頭特性，對比研究多種擠出頭的優(yōu)缺點，最終決定設(shè)計采用該擠出頭模組。該擠出頭組成部分具有集成度高、接口定制空間高、性能穩(wěn)定、成本較低等優(yōu)點，而且擠出頭擠出精度可以達到0.1mm的設(shè)計需求，擠出所需壓力以及加熱融化線材速率與42步進電機在額定功率運轉(zhuǎn)下輸出線材速率相匹配。該擠出頭散熱管散熱面積較大，經(jīng)過Pro/E的有限元熱分析發(fā)現(xiàn)在沒有散熱風扇的狀態(tài)下打印頭最高溫度可達294°，但是通過加裝風扇冷卻裝置可以達到很好的散熱效果，在加熱電阻絲以最大功率40W熔化ABS線材的同時，散熱風扇在額定功率內(nèi)運作時也可以將打印頭最高溫度控制在217°~237°范圍內(nèi)，在滿足散熱的同時可以實現(xiàn)打印頭以最大速度輸出打印材料，可滿足對打印速度的要求。在散熱設(shè)備方面，140605DF2N5風扇直徑與散熱管的長度相當，可以在實現(xiàn)較高的散熱效率的同時達成較好的空間利用率，在設(shè)計并添加一塊連接板之后，可將該風扇固定在E2D-V6連接板上，符合設(shè)計需要，在通過有限元熱分析后發(fā)現(xiàn)該風扇可以在打印頭以最大功率工作時滿足散熱需要，而且該風扇價格較同類風扇更低，滿足經(jīng)濟性需要，故最終選用140605DF2N5風扇作為3D打印機的散熱風扇。而將噴嘴噴出孔直徑設(shè)計為0.35mm則可以在打印精度滿足設(shè)計需求的同時實現(xiàn)最高200m/min的出絲速度，同時也保證了打印速度。參考文獻［1］王金宏.基于3D打印技術(shù)的隨形冷卻塑料模具制造技術(shù)[J].模具制造,2018,18(01):71-76.［2］劉曦明,曾文波.3D打印技術(shù)在骨盆髖臼骨折手術(shù)治療中的研究進展[J].創(chuàng)傷外科雜志,2018,20(01):1-5.［3］杜姍姍,周愛軍,陳洪,董緒燕,魏芳,呂昕.3D打印技術(shù)在食品中的應用進展[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報,2018,20(03):87-93.［4］蒲以松,王寶奇,張連貴.金屬3D打印技術(shù)的研究[J].表面技術(shù),2018,47(03):78-84.［5］陳紹軍,葉旋,鐘燕輝.3D打印技術(shù)在生物醫(yī)用高分子材料制備領(lǐng)域的應用進展[J].廣東化工,2018,45(04):123-124+126.［6］楊偉,陳正江,補輝,馮曉娟,施吉剛,王聰.基于工程塑料的3D打印技術(shù)應用研究進展[J].工程塑料應用,2018,46(02):143-147.［7］高國華,任晗,王皓,李煉石,董增雅,夏齊霄.熱塑性聚氨酯材料柔性外殼3D打印技術(shù)[J].北京工業(yè)大學學報,2018,44(04):497-506.［8］扈恩同.3D打印技術(shù)在機械制造中的應用研究[J].世界有色金屬,2018(01):42-43.［9］黃忠,韓江.金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及制約因素[J].山東農(nóng)業(yè)工程學院學報,2018,35(03):40-43.［10］李翔,王子健.基于3D打印技術(shù)的兒童玩具定制平臺設(shè)計[J].包裝工程,2018,39(08):211-216.［11］張雨明,吳銳.我國3D打印技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國材料進展,2018,37(03):237-240.［12］唐洋,陳海鋒,劉志強,肖倩.3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及發(f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idprototypingtechnologyhasadistinctadvantageinthemarket,thehugepotentialintheproductionapplication,hotapplicationsoutlinedbelow.2.1Industrialapplications"Aircycling"islocatedinBristol,UKtheEuropeanaeronauticdefenseandSpaceCompanyusing3Dprinters,applicationof3Dprintingtechnologytocreatetheworld'sfirstprintbike.Thebiketouseasstrongassteelandaluminumalloymaterialofnylon,theweightis65%lighterthanmetalmaterials.Moreinterestingly,"airbike",chainwheelsandbearingsareprintedatatime,withouttheoriginalmanufacturepartsfirst,andthenthepartstogetherofassemblyprocess,afterprinting,bicycleswillbeabletomovefreely.Bicyclemanufacturingprocesslikeprintingdiscontinuousingraphicprintassimplelines,3Dprintercanprintouttheobjectspaceisnotconnectedtoeachother.2.2MedicalapplicationsInmedicine,theuseof3Dprintingwilltwo-photonpolymerandbiologicalfunctionalmaterialscombinationmodifiedintothecapillaries,notonlyhasgoodflexibilityandcompatibilityofhumanbody,alsocanbeusedtoreplacethenecrosisofbloodvessels,combinedwithartificialorgans,partlyreplacingexperimentalanimalsindrugdevelopment.BiotechnologyinGermanyinOctober2011show,BiotechnicalFair),using3Dprintersprintartificialbloodcapillarytoattracttheattentionoftheparticipants,theseartificialcapillaryhasbeenappliedinclinicalmedicine.2.3applicationofdailylife"3Dfoodprinter"isdevelopedbyCornellUniversityinNewYork,theUnitedStatesfoodmanufacturingequipment.The"3Dfoodprinter"usedsimilarroutinecomputerprinters,theworkingprincipleofingredientsandingredientsinthecontainer(cartridge)inadvanceonlyneedtoentertherequiredrecipe,bysupportingtheCADsoftwarecankeepthefood"printout".Formanychefs,thenewkitchencookingmeansthattheycancreatenewdishesmakefoodmoreindividuality,higherfoodvalue.Usingthe"3Dfoodprinter"makingfood,fromrawmaterialstofinishedproductscansignificantlyreducethelink,soastoavoidthepollutioninthelinksoffoodprocessing,transportation,packingandsoonandpreservation,etc.Becauseofthecookingmaterialsandingredientsmustbeplacedintheprinter,sofoodrawmaterialsmustbeliquidorothercan"print"state.2.4ITapplicationsRecently,agroupofresearchersinDisney'suseof3Dprintinginthesameeffectwiththeorganicglasshighpervioustolightplastic,atlowcosttoprintouttheLCDscreenwithavarietyofsensors,realizethenewbreakthroughintheITapplications.Using3Dprintinglightpipecanproducehigh-techinternationalchess;thechesspiecescandetectanddisplaythecurrentlocation.Althoughthemonochromescreencomparedwithinthedailylife,richandcolorfuldisplaysomeinsignificant,butithasa3Dprintingtheadvantagesoflowcost,simplemanufacturingprocess.Inadditiontothedisplayscreen,theuseof3Dprintingwillalsobeabletoprintoutavarietyofsensors.Thesesensorscanbethroughthestimulationsuchasinfraredlighttodetecttouch,vibration