熔融沉積成型機床設(shè)計

歡迎下載本文檔參考使用，如果有疑問或者需要CAD圖紙的請聯(lián)系q1484406321畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 熔融沉積成型機床設(shè)計 完成日期： 2014年5月27日 目錄1 緒論31.1 引言31.2 熔融沉積成型技術(shù)概論31.2.1 熔融沉積成型技術(shù)的特點41.2.2 熔融沉積成型技術(shù) - 工藝過程51.2.3 熔融沉積成型技術(shù)的應(yīng)用61.3 熔融沉積成型技術(shù)存在問題及發(fā)展方向71.3.1 熔融沉積成型技術(shù)的現(xiàn)狀71.3.2 熔融沉積成型技術(shù)的發(fā)展方向82 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計102.1 引言102.2 總體設(shè)計要求102.3 熔融沉積成型機床的結(jié)構(gòu)運動方案113 電機方案的選擇及選型133.1 電機方案的比較133.2 步進(jìn)電機的選型134 擠出裝置的設(shè)計184.1 結(jié)構(gòu)尺寸的確定184.2 擠出機構(gòu)的設(shè)計要求184.3 擠出裝置的組成194.4 擠出機構(gòu)齒輪組設(shè)計204.4.1 按齒面接觸強度來設(shè)計204.4.2 按齒根彎曲強度設(shè)計234.5 軸設(shè)計264.5.1 作用在齒輪上的力264.5.2 初步確定大齒輪軸的最小直徑264.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計274.6 擠出機構(gòu)流道口設(shè)計284.7 加熱腔的設(shè)計304.7.1 加熱腔入口溢料問題的分析304.7.2 流涎問題的分析314.7.3 解決方案31參 考 文 獻(xiàn)33附錄 翻譯35附錄一：英文文獻(xiàn)原文35附錄二：英文文獻(xiàn)翻譯42摘 要 熔融沉積成型技術(shù)(FDM)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的快速成型技術(shù)之一。它可以快速、精確地將設(shè)計思想從CAD模型物化為具有一定功能的原型或零件，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品的快速測評及修改，有效的縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。在熔融沉積快速成型中，成型精度對最終產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用，但是目前成型機的成型精度往往不高，如何提高成型精度是當(dāng)今快速成型研究的一個重要方向。 本課題圍繞熔融成型機，重點研究了該設(shè)備的機械系統(tǒng)，提出一套完整的機械設(shè)計方案。具體工作如下：（1）結(jié)合傳統(tǒng)的FDM熔融沉積成型設(shè)備，從整機的外形尺寸、最大成形空間、成形精度、主要運動結(jié)構(gòu)和方式等方面，進(jìn)行了細(xì)致和分析。在吸收了不同機型之間的優(yōu)點和缺點之后，大致擬定了熔融成型機機械系統(tǒng)總體設(shè)計方案中的機械傳動結(jié)構(gòu)、三軸運動方式以及加熱擠出頭結(jié)構(gòu)，確定了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。（2）以機械設(shè)計原理為依據(jù)，結(jié)合對FDM整個機械系統(tǒng)的幾大構(gòu)件制定的設(shè)計方案，按照整機設(shè)計需求參數(shù)，分別對運動系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)和包裝造型進(jìn)行了具體的參數(shù)化選擇,著重設(shè)計了加熱擠出頭結(jié)構(gòu)，解決與優(yōu)化了流涎問題，然后按照機身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則設(shè)計并完成了全部零部件的三維實體建模、裝配以及工程圖。 關(guān)鍵字：快速成型；FDM；加熱擠出頭ABSTRACTThe fused depositionrapid prototypingtechnology(FDM)isoneoftheat home and abroadthe most widely usedrapid prototyping technology. It canquickly and accuratelyDesign ideas from the CAD model materialized as proto types or parts of certain functions in order to achieve the rapid evaluation and modification of the product, effectively shortening the product development cycle. In fused deposition modeling, forming precision on the final product quality plays a decisive role, but the current forming machine precision is not high, how to improve the precision of the rapid prototyping is an important direction of research.This topic around the molten molding machine, mainly studies the mechanical system of the device, puts forward a complete set of mechanical design.Specific work is as follows:(1) combined with the traditional FDM fused deposition molding equipment, from the appearance of the whole machine size, maximum forming space, forming precision, main structure and movement mode, are detailed and analyzed.In absorbing the advantages and disadvantages between different models, roughly sketched the melting machine mechanical system overall design scheme of mechanical transmission structure, three axis movement mode and heating extrusion head structure, identified several key technical problems in mechanical structure design.(2)And in accordance with FDM based on principle of mechanical design, the whole of several major components of design scheme of mechanical system, on the demand of the whole machine design parameters, respectively, on the sports system, guiding system, mechanical structure and packaging for the specific parameterized choice, mainly design the structure of heat extrusion head, solving and optimizing the salivate, then design and completed in accordance with the principle of the fuselage structure design all components of the three-dimensional entity modeling, assembly, and engineering drawing.Key Words： Rapid Prototyping；Fused Deposition；Heating extrusion head 1 緒論1.1 引言 進(jìn)入21世紀(jì)后,因為一方面,消費者日益?zhèn)€性化、多樣化的需求,工業(yè)產(chǎn)品要求創(chuàng)造更多需求。另一方面,制造商不僅要設(shè)計的產(chǎn)品滿足需求的迅速,而且還要縮短設(shè)計周期和生產(chǎn)周期搶占市場,市場環(huán)境發(fā)生了翻天覆地的變化。制造業(yè)競爭加劇。 全球市場一體化的形成和提高產(chǎn)量的主要因素通常是有關(guān)競爭的成功或失敗。為了保持和加強產(chǎn)品在市場上的競爭力,不僅需要設(shè)計師可以設(shè)計新產(chǎn)品迅速滿足市場的需求,并能在短時間內(nèi),生產(chǎn)的產(chǎn)品或樣品在投放市場之前進(jìn)行必要的測試。在這種情況下,如果使用傳統(tǒng)的制造方法,不僅需要各種各樣的機械加工機床、工具、模具、及高水平的技術(shù)工人,生產(chǎn)成本高,生產(chǎn)周期長,不能適應(yīng)快速發(fā)展的時代,因此,研究低成本、高效率的生產(chǎn)技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵。 在1980年代末,隨著制造業(yè)信息化,快速成型技術(shù)(Prototypical)應(yīng)運而生。由于這種技術(shù)事新的制造理念,生產(chǎn)速度產(chǎn)品快速靈活的模型的關(guān)注。這種技術(shù)采用CAD設(shè)計、輔助制造、數(shù)控、精密的伺服驅(qū)動和新型材料等先進(jìn)技術(shù),成功地實現(xiàn)了產(chǎn)品制造自動化,更大程度提高生產(chǎn)效率和靈活的制造。在響應(yīng)速度化市場作為第一個目標(biāo),市場可以縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。由于符合現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展核心,成型技術(shù)發(fā)展非常迅速,在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為行業(yè)的一個新分支和先進(jìn)制造技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè),制造技術(shù)是近年來最熱門的研究課題。1.2 熔融沉積成型技術(shù)概論 快速原型設(shè)計、快速成型、RP)技術(shù)是在1980年代末開發(fā)1的一種先進(jìn)制造技術(shù)。級聯(lián)的想法積累分層制造、材料粘合層層疊加形成實體,和3 d產(chǎn)品原型。三維分層制造實體的思想,最早出現(xiàn)在19世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展足夠的。早在1892年,地質(zhì)學(xué)家Anther2提出了使用新方法的3 d地圖分層切片模型。然而,隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步,快速原型系統(tǒng)及其組成材料的相關(guān)研究有了長足的進(jìn)步,取得了RP技術(shù)的快速發(fā)展。 這種新興的制造技術(shù)不受成型幾何實體外形限制，直接將三維的立體模型加工變?yōu)槠矫婕庸?形狀特別復(fù)雜的物體和簡單的物體可以用同樣的方法進(jìn)行制造。具體來說就是通過計算機三維造型系統(tǒng)獲得產(chǎn)品的三維實體模型數(shù)據(jù),然后經(jīng)過面化處理,把它變成許多個三角形面化模型得到STL文件,接著以此面化模型為基礎(chǔ),切出沿某一方向的一系列連續(xù)截面作為二維切片薄層,再通過數(shù)控加工得到那些薄層切片,并將層與層之間粘接起來，如此層層疊加便形成了產(chǎn)品的三維原型?？焖俪尚渭夹g(shù)具有傳統(tǒng)制造技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢,于是受到工程界的高度重視, 并在國內(nèi)外得到迅速的發(fā)展。在這個商業(yè)市場競爭越來越激烈，商品更新?lián)Q代越來越快的時代，快速成形技術(shù)對制造業(yè)的發(fā)展起著巨大的影響，產(chǎn)品應(yīng)用方面的成果也十分顯著，這種技術(shù)的商品化成為其必然的趨勢。 快速成形技術(shù)的發(fā)展其實也是經(jīng)歷了一個漫長曲折的過程。從二十世紀(jì)七十年代末到八十年代初期,幾個不同國家的研究學(xué)者均獨立提出了分層制造的快速成形概念。當(dāng)時Charles. Hull3在美國UVP公司的支持下,完成了第一臺能自動建造零件的完整系統(tǒng)（SLA-1）,并在1986年申請獲得該系統(tǒng)的專利,這個研究成果可以看做是快速成形技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。同年,Charles W. Hull和UVP公司合作建立了3D System公司,許多關(guān)于快速成形的概念和技術(shù)在3D System公司中逐步發(fā)展成熟。同時許多其它相關(guān)學(xué)者和公司對快速成形原理及相應(yīng)的成形系統(tǒng)也相繼開發(fā)成功，直到九十年代后期共出現(xiàn)了十多種不同的快速成形技術(shù)。其中作為主流的是SLA、LOM、SLS、FDM和3DP這五種典型快速成形技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)涉及知識面極廣，包括機械工程、激光、自動控制、計算機、材料學(xué)等多個前沿學(xué)科。隨著現(xiàn)代設(shè)計和現(xiàn)代制造技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)迅速在工業(yè)制造、建筑、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛良好的應(yīng)用。1.2.1 熔融沉積成型技術(shù)的特點快速成型技術(shù)能得到飛速的發(fā)展與它自身的特點有很大關(guān)系 (1)快速性 采用快速成型技術(shù)，從設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ńY(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型原型，一般只需幾個小時至幾十個小時，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行快速評估、測試及功能試驗，以縮短產(chǎn)品開發(fā)的研制周期，減少開發(fā)費用，提高企業(yè)參與市場競爭的能力。 (2)集成性 快速成型機通過計算機直接執(zhí)行CAD模型的數(shù)控指令，避免了數(shù)控中的復(fù)雜編程，真正實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化，大大提高了加工效率。與反求工程(Bioengineering)、Tao技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等相結(jié)合，成為產(chǎn)品快速開發(fā)的有力工具。 (3)高度柔性 若要生產(chǎn)不同形狀的零件模型，只需改變CAD模型，重新調(diào)整和設(shè)置參數(shù)即可，成型過程中不需要專門的夾具和工具，成型零件與CAD模型具有直接關(guān)聯(lián)，零件可隨時修改，隨時制造。 (4)無限制性 快速成型不受零件的形狀和復(fù)雜程度的限制，可成型任意形狀的造型，這就擺脫了傳統(tǒng)夾具、工具加工的限制，使高難度、高復(fù)雜度的模型的加工變得相對較容易。 (5)材料的廣泛性 快速成型技術(shù)可以制造樹脂類、塑料原型，還可以制造出紙類、石蠟類、復(fù)合材料以及金屬材料和陶瓷的原型。 (6)低造價性 其制造周期一般為傳統(tǒng)的數(shù)控切削方法的l/5一1/10，而成本僅為1/3一1/5，它在保證一定精度和零件制作精度的基礎(chǔ)上，具有最優(yōu)的性能價格比，這也是快速成型的到飛速發(fā)展的一個重要原因。1.2.2熔融沉積成型技術(shù) - 工藝過程1) 產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建 由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動，因此首先要構(gòu)建所加工工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設(shè)計軟件（如Pro/E,I-DEAS,Fieldworks,UG等）直接構(gòu)建，也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實體進(jìn)行激光掃描、CT斷層掃描，得到點云數(shù)據(jù)，然后利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。2) 三維模型的近似處理由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前要對模型進(jìn)行近似處理，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡單、實用，目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個小三角形用3個頂點坐標(biāo)和一個法向量來描述，三角形的大小可以根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇。STL文件有二進(jìn)制碼和ASCll碼兩種輸出形式，二進(jìn)制碼輸出形式所占的空間比ASCII碼輸出形式的文件所占用的空間小得多，但ASCII碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出stl格式文件的功能。3) 三維模型的切片處理。 根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向，在成型高度方向上用一定間隔的平行面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm0.5mm，常用0.1mm。間隔越小，成型精度越高，但成型時間也越長，效率就越低，反之則精度低，但效率高。4) 成型加工。 根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，相應(yīng)的成型頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上一層一層地堆積材料，然后將各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。5) 成型零件的后處理。 從成型系統(tǒng)里取出成型件，進(jìn)行打磨、拋光、涂掛，或放在高溫爐中進(jìn)行后燒結(jié)，進(jìn)一步提高其強度。1.2.3熔融沉積成型技術(shù)的應(yīng)用目前熔融沉積成型技術(shù)的發(fā)展水平而言，在國內(nèi)主要是應(yīng)用于新產(chǎn)品（包括產(chǎn)品的更新?lián)Q代）開發(fā)的設(shè)計驗證和模擬樣品的試制上，即完成從產(chǎn)品的概念設(shè)計（或改型設(shè)計）-造型設(shè)計-結(jié)構(gòu)設(shè)計-基本功能評估-模擬樣件試制這段開發(fā)過程。對某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進(jìn)行小批量試制，或進(jìn)行一些物理方面的功能測試、裝配驗證、實際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場，達(dá)到投石問路的目的?？焖俪尚偷膽?yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗證與功能驗證。熔融沉積成型技術(shù)可快速地將產(chǎn)品設(shè)計的CAD模型轉(zhuǎn)換成物理實物模型，這樣可以方便地驗證設(shè)計人員的設(shè)計思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題可及時修改。如果用傳統(tǒng)方法，需要完成繪圖、工藝設(shè)計、工裝模具制造等多個環(huán)節(jié)，周期長、費用高。如果不進(jìn)行設(shè)計驗證而直接投產(chǎn)，則一旦存在設(shè)計失誤，將會造成極大的損失。 （2）可制造性、可裝配性檢驗和供貨詢價、市場宣傳，對有限空間的復(fù)雜系統(tǒng)，如汽車、衛(wèi)星、導(dǎo)彈的可制造性和可裝配性用熔融沉積成型技術(shù)進(jìn)行檢驗和設(shè)計，將大大降低此類系統(tǒng)的設(shè)計制造難度。對于難以確定的復(fù)雜零件，可以用熔融沉積成型技術(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)以確定最佳的合理的工藝。此外，熔融沉積原型還是產(chǎn)品從設(shè)計到商品化各個環(huán)節(jié)中進(jìn)行交流的有效手段。比如為客戶提供產(chǎn)品樣件，進(jìn)行市場宣傳等，快速成型技術(shù)已成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑。（3） 單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。對于高分子材料的零部件，可用高強度的工程塑料直接快速成型，滿足使用要求;對于復(fù)雜金屬零件，可通過快速鑄造或直接金屬件成型獲得。該項應(yīng)用對航空、航天及國防工業(yè)有特殊意義。（4）快速模具制造。通過各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將熔融沉積成型轉(zhuǎn)換成各種快速模具，如低熔點合金模、硅膠模、金屬冷噴模、陶瓷模等，進(jìn)行中小批量零件的生產(chǎn)，滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代快、批量越來越小的發(fā)展趨勢?？焖俪尚蛻?yīng)用的領(lǐng)域幾乎包括了制造領(lǐng)域的各個行業(yè)，在醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等行業(yè)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用?？焖俪尚图夹g(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用：汽車、摩托車：外形及內(nèi)飾件的設(shè)計、改型、裝配試驗，發(fā)動機、汽缸頭試制。家電：各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配試驗與功能驗證，市場宣傳，模具制造。通訊產(chǎn)品：產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配試驗，功能驗證，模具制造。航空、航天：特殊零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發(fā)動機的試制、裝配試驗。輕工業(yè)：各種產(chǎn)品的設(shè)計、驗證、裝配，市場宣傳，玩具、鞋類模具的快速制造。醫(yī)療：醫(yī)療器械的設(shè)計、試產(chǎn)、試用，CT掃描信息的實物化，手術(shù)模擬，人體骨關(guān)節(jié)的配制。國防：各種武器零部件的設(shè)計、裝配、試制，特殊零件的直接制作，遙感信息的模型制作?？傊?，快速成型技術(shù)的發(fā)展是近20年來制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同，更重要的是在目前產(chǎn)業(yè)策略以市場響應(yīng)速度為第一的狀況下，熔融沉積成型技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)的競爭力。1.3熔融沉積成型技術(shù)存在問題及發(fā)展方向1.3.1熔融沉積成型技術(shù)的現(xiàn)狀 目前熔融沉積成型技術(shù)還是面臨著很多問題，問題大多來自技術(shù)本身的發(fā)展水平，其中最突出的表現(xiàn)在如下幾個方面。工藝問題快速成型的基礎(chǔ)是分層疊加原理，然而，用什么材料進(jìn)行分層疊加，以及如何進(jìn)行分層疊加卻大有研究價值。因此，除了上述常見的分層疊加成形法之外，正在研究、開發(fā)一些新的分層疊加成形法，以便進(jìn)一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。1 材料問題 成型材料研究一直都是一個熱點問題，快速成型材料性能要滿足：有利于快速精確的加工出成型；用于快速成型系統(tǒng)直接制造功能件的材料要接近零件最終用途對強度、剛度、耐潮、熱穩(wěn)定性等要求；有利于快速制模的后續(xù)處理。發(fā)展全新的RP材料，特別是復(fù)合材料，例如納米材料、非均質(zhì)材料、其他方法難以制作的材料等仍是努力的方向。2 精度問題 目前，快速成形件的精度一般處于0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此?？焖俪尚图夹g(shù)的基本原理決定了該工藝難于達(dá)到與傳統(tǒng)機械加工所具有的表面質(zhì)量和精度指標(biāo)，把快速成型的基本成形思想與傳統(tǒng)機械加工方法集成，優(yōu)勢互補，是改善快速成型精度的重要方法之一。3 軟件問題 目前，快速成型系統(tǒng)使用的分層切片算法都是基于STL文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，就是用一系列三角網(wǎng)格來近似表示CAD模型的數(shù)據(jù)文件，這種數(shù)據(jù)表示方法存在不少缺陷，如三角網(wǎng)格會出現(xiàn)一些空隙而造成數(shù)據(jù)丟失，還有由于平面分層所造成的臺階效應(yīng)，也降低了零件表面質(zhì)量和成形精度，目前，應(yīng)著力開發(fā)新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分層法，即：不進(jìn)行STL格式文件轉(zhuǎn)換，直接對CAD模型進(jìn)行切片處理，得到模型的各個截面輪廓，或利用反求工程得到的逐層切片數(shù)據(jù)直接驅(qū)動快速成型系統(tǒng)，從而減少三角面近似產(chǎn)生的誤差，提高成形精度和速度。4 能源問題 當(dāng)前快速成型技術(shù)所采用的能源有光能、熱能、化學(xué)能、機械能等。在能源密度、能源控制的精細(xì)性、成型加工質(zhì)量等方面均需進(jìn)一步提高。 5 應(yīng)用領(lǐng)域問題 目前快速成型現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在于新產(chǎn)品開發(fā)，主要作用是縮短開發(fā)周期，盡快取得市場反饋的效果。由于快速成型技術(shù)的巨大吸引力，現(xiàn)在，不僅工業(yè)界對其十分重視，而且許多其他的行業(yè)都紛紛致力于它的應(yīng)用和推廣，在其技術(shù)向更高精度與更優(yōu)的材質(zhì)性能方向取得進(jìn)展后.可以考慮加入生物醫(yī)學(xué)、考古、文物、藝術(shù)設(shè)計、建筑成型等多個領(lǐng)域的應(yīng)用，形成高效率、高質(zhì)量、高精度的復(fù)制工藝體系。 1.3.2熔融沉積成型技術(shù)的發(fā)展方向 熔融沉積成型技術(shù)雖然有其巨大的優(yōu)越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能較差，成型機的價格較高，運行制作的成本高等，所以在一定程度上成為該技術(shù)的推廣普及的瓶頸。從目前國內(nèi)外熔融沉積成型技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況來看，快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）大力改善現(xiàn)行快速成型制作機的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，為進(jìn)一步進(jìn)行模具加工和功能試驗提供平臺。 （2）隨著成型工藝的進(jìn)步和應(yīng)用的擴展，其概念逐漸從快速成型向快速制造轉(zhuǎn)變，從概念模型向批量定制轉(zhuǎn)變，成型設(shè)備也向概念型、生產(chǎn)型和專用型三個方向分化。 （3）開發(fā)性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續(xù)加工性能，還要滿足對強度和剛度等不同的要求。 （4）提高熔融沉積成型系統(tǒng)的加工速度和開拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機也難以完成象注塑和壓鑄成型的快速大批量生產(chǎn)。將來的快速成型機需要向快速和多材料的制造系統(tǒng)發(fā)展，以便可以直接面向產(chǎn)品制造。 （5）開發(fā)直寫技術(shù)。直寫技術(shù)對于材料單元有著精確的控制能力，開發(fā)直寫技術(shù)，是快速熔融沉積成型技術(shù)的材料范圍擴大到細(xì)胞等活性材料領(lǐng)域， （6）開發(fā)用于快速成型的RPM（REDHAT軟件包管理工具）軟件。這些軟件有快速高精度直接切片軟件，快速造型制造和后續(xù)應(yīng)用過程中的精度補償軟件，考慮快速成型原型制造和后續(xù)應(yīng)用的CAD 等。 （7）開發(fā)新的成型能源。目前大多數(shù)成型機都是以激光作為能源，而激光系統(tǒng)的價格和維修費用昂貴，并且傳輸效率較低。這方面也需要得到改善和發(fā)展。 （8）該項技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場就十分成功的可能性，也可以快速實現(xiàn)反求工程。 （9）研制新的快速成型方法和工藝。 （10）提高網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)全球化異地協(xié)同合作。2 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 引言 在此結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，已經(jīng)有前人對此類機構(gòu)做了部分設(shè)計研究，所以本文的設(shè)計研究只要是在已有的研究基礎(chǔ)之上，注重考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理性、緊湊性、零部件的簡化、機構(gòu)的耗能性等，并注重工程問題的解決，對設(shè)備部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計改良。 2.2 總體設(shè)計要求本文研究的熔融沉積成型機床屬于家庭桌面電器領(lǐng)域，涉及多軸聯(lián)動，且設(shè)備的主要運動關(guān)節(jié)采用直線元件驅(qū)動，形成相互聯(lián)動運動機構(gòu)的運動形式，具有成型速度高，材料使用效率好，精度可控，消耗功率低而制造成本低的特點。按照建造一臺小型規(guī)格熔融沉積成型機床的規(guī)格要求以及運動范圍參數(shù)，如表2.1所示下：表2.1 熔融沉積成型機床規(guī)格要求設(shè)備技術(shù)要求項規(guī)格構(gòu)建尺寸200*185*195mm精度0.1mm層厚0.1-0.3mm （可調(diào)）構(gòu)建速度24h以上最大打印溫度260以下材料顏色黑、白、紅、綠、藍(lán)等機器尺寸467360377mm打印文件格式STL支持SD卡打印，無需PC連接2.3 熔融沉積成型機床的結(jié)構(gòu)運動方案結(jié)構(gòu)運動方案說明圖2.1 原方案圖在原來方案中，驅(qū)動Y軸的步進(jìn)電機和同步齒形帶安裝在右側(cè)，雖然這樣的設(shè)計方案可以實現(xiàn)Y軸的移動，但是給右側(cè)的軸承巨大的負(fù)載，使光桿的壽命降低。修改方案后如圖2.2所示，把驅(qū)動Y軸的步進(jìn)電機和同步齒形帶安裝在光桿5中間位置，這樣一來，就減輕了兩側(cè)的側(cè)壓力，減少磨損，提高了使用壽命。Z軸Y軸X軸圖2.2 修改后3D打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意簡圖圖2.2為熔融沉積成型機床結(jié)構(gòu)示意簡圖，有結(jié)構(gòu)示意簡圖可以看出，該熔融沉積成型機床主要由步進(jìn)電機，同步齒形帶，光桿，滑塊和噴頭等部件組成。從上圖可以看出，通過步進(jìn)電機1，可以實現(xiàn)Y軸在光桿上的前后移動；同理也可以使得X軸左右移動，以及Z軸的上下移動。噴頭6在X、Y軸上作二維的疊加運動，其加工軌跡可以是直線也可以是曲線，從而實現(xiàn)了單層的二維加工，以及Z軸的分層加工。在一層一層的疊加以后，就可以得出設(shè)計的相應(yīng)零件。3 電機方案的選擇及選型3.1 電機方案的比較由上述3D打印設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意簡圖我們可以知道，Byz軸各需要一個電機，加上噴頭的電機，總共就需要4個電機的帶動，該設(shè)備才能正常的運動。能夠驅(qū)動Byz軸運動的電機分別有：步進(jìn)電機、伺服電機和直線電機究竟選擇哪個電機比較合適，我們做了一些對比如下表3.1：表3.1 動力元件的比較 電機因素步進(jìn)電機伺服電機直線電機成本低高高平穩(wěn)性低頻存在振動低頻平穩(wěn)存在邊端效應(yīng)控制簡單復(fù)雜復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜簡單分辨率較高高高尺寸小較小較小出于成本、應(yīng)用場合和尺寸的考慮，我選擇步進(jìn)電機作為3D打印設(shè)備的動力元件。3.2 步進(jìn)電機的選型修正矩頻特性曲線電機型號電流靜轉(zhuǎn)矩步距角負(fù)載選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟24： 1. 電機最大速度選擇 步進(jìn)電機最大速度一般在6001200 rpm。在設(shè)計3D打印設(shè)備機械傳動系統(tǒng)時根據(jù)此參數(shù)設(shè)計。 2. 電機定位精度的選擇 由于噴頭擠出機構(gòu)的擠出速度很低，是在步進(jìn)電機的低頻區(qū)域內(nèi)，因此容易出現(xiàn)振動和爬行等不良現(xiàn)象，故選擇擠出機構(gòu)的減速比為4：1，Byz軸的步進(jìn)電機減速比為1：1。確定機械傳動比后，可根據(jù)控制系統(tǒng)的定位精度選擇步進(jìn)電機的步距角及驅(qū)動器的細(xì)分等級。一般選電機的一個步距角對應(yīng)于系統(tǒng)定位精度的1/2 或更小。注意：當(dāng)細(xì)分等級大于1/4后，步距角的精度不能保證。3. 電機力矩選擇步進(jìn)電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）1. 轉(zhuǎn)動慣量計算物體的轉(zhuǎn)動慣量為： (3-1)式中：V為體積元，r為物體密度，r為體積元與轉(zhuǎn)軸的距離。單位：kgm2將負(fù)載質(zhì)量換算到電機輸出軸上轉(zhuǎn)動慣量，常見傳動機構(gòu)與公式如下： (3-2)傳動機構(gòu)的負(fù)載為w=2kg，減速比GL=1，小齒輪直徑D=17mm所以： 2. 加速度計算控制系統(tǒng)要定位準(zhǔn)確，物體運動必須有加減速過程，如下圖所示。圖3.1加減速過程已知加速時間、最大速度Max，可得電機的角加速度： (rad / s2) (3-3)所以：3. 電機力矩計算力矩計算公式為： (3-4)式中：為系統(tǒng)外力折算到電機上的力矩；h為傳動系統(tǒng)的效率，表3.2所示。表3.2 常用機構(gòu)的機械效率表：機構(gòu)機械效率滑動絲杠0.50.8滾珠絲杠0.9齒條和齒輪0.8齒輪減速器0.80.95蝸輪減速器0.50.7皮帶傳動0.95鏈條傳動0.9因此傳動系統(tǒng)的效率則： 根據(jù)計算出的力矩 T 再加上一定的安全系數(shù)為1.2則。 根據(jù)南京理一訊電子有限公司的步進(jìn)電機參數(shù)表如下表3.3所示：表3.3 南京理一訊電子有限公司的步進(jìn)電機參數(shù)表技術(shù)數(shù)據(jù)型號相數(shù)電流(A)電阻()電感(H)最大靜轉(zhuǎn)矩(kg.cm)轉(zhuǎn)動慣量(g.cm2)重量(kg)外形尺寸外形圖L0(mm)L1(mm)42BYGH00120.952.12.31.7380.20342442BYGH00740.3138.518.51.6380.20341842BYGH01120.3334462.4380.20342042BYGH01940.2842231.8380.20342242BYGH02520.952.62.61.7380.20341842BYGH06840.954.22.71.7380.20342242BYGH10121.71.52.34.2380.60392442BYGH10241.23.53.22.4380.24402442BYGH10320.43066.04.0380.24402442BYGH12840.43024.02.5380.24402242BYGH20421.04.36.34.0820.34482442BYGH20521.23.26.04.5820.34482442BYGH30120.89.014.04.2380.60482442BYGH40440.43025.03.2380.34482442BYGH290120.67.06.01.2380.243027.542BYGH290221.22.02.81.8380.24301842BYGH340220.440362.6380.24341842BYGH340440.510.57.01.5380.24341842BYGH340640.2575422.0380.24341842BYGH340720.422.5302.2380.24342442BYGH390520.87.0104.2820.24402442BYGH390640.6511.5123.2820.24402042BYGH442C40.342402.7820.34442742BYGH440420.3342954.2820.60442442BYGH440841.05.06.83.5820.34442442BYGH390920.430353.2820.24402442BYGH480223.00.51.15.0820.34481742BYGH480321.52.84.85.0820.34481742BYGH480440.428223.2820.34482442BYGH480641.0525.23.8820.34482442BYGH480720.519324.2820.344824選擇型號為42BYGH128的NEMA17步進(jìn)電機，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3000轉(zhuǎn)/分鐘。4 擠出裝置的設(shè)計4.1結(jié)構(gòu)尺寸的確定根據(jù)設(shè)計要求，通過參考國內(nèi)外成熟3D桌面打印設(shè)備的的尺寸比例，進(jìn)行機器人的初步尺寸選定，選定后可根據(jù)后面分析得到的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的尺寸修改，下面為擠出裝置的設(shè)計。4.2 擠出機構(gòu)的設(shè)計要求很多技術(shù)都有自己的關(guān)鍵技術(shù)，熔絲沉積成形也不例外，擠出技術(shù)是熔絲沉積成形工藝的關(guān)鍵使能技術(shù)。擠出機構(gòu)是實現(xiàn)熔絲沉積成形的關(guān)鍵部件，在機械運動控制的精密控制下，從原材料的棒料形態(tài)轉(zhuǎn)換到堆積路徑單元的形態(tài)，層層堆積粘結(jié)形成三維實體。擠出機構(gòu)系統(tǒng)在熔絲沉積成形系統(tǒng)的基本要求是：將原料絲材送入加熱腔中，在其中及時而充分地熔化，變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后從滿足精度要求的噴嘴中擠出成細(xì)絲狀，按預(yù)設(shè)的掃描路徑填充堆積成形。送絲速度要與掃描速度相匹配，以形成均勻一致的材料堆積路徑，滿足成形工藝要求。采用功能分解思想，擠出頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點：l)將原料絲材從絲筒上拉出，提供成形原料，即原料絲材的供應(yīng)功能。2)將原料絲材送入加熱腔，稱為原料絲材送進(jìn)功能，簡稱送絲功能。3)將送進(jìn)的固態(tài)原料絲材及時而充分地熔化成為熔融態(tài)，簡稱熔絲功能。4)提供熔融態(tài)材料穩(wěn)定流動的通道，簡稱流道功能。5)將熔融材料擠出噴嘴，簡稱擠出功能。6)對擠出熔融態(tài)物料進(jìn)行定徑，變?yōu)闈M足要求的更細(xì)小直徑的絲材以進(jìn)行堆積，簡稱定徑功能。7)出絲速度應(yīng)該可控，并能根據(jù)掃描速度進(jìn)行調(diào)整，以相互匹配，簡稱速度匹配功能。8)出絲應(yīng)能根據(jù)路徑掃描要求及時起停，以保證高質(zhì)量的成形路徑，尤其在路徑起停處，簡稱出絲起停控制功能。工藝原理中一個重要思想就是借助加熱腔中未熔絲材的活塞作用，將熔融材料擠出噴嘴。出絲推力近似等于送絲驅(qū)動力，送絲功能和擠出功能是等效的。在以上各項功能中，前六項是基本功能要求，是實現(xiàn)工藝原理的必要條件，后兩項則是實現(xiàn)高質(zhì)量成形的必要條件，是提高造型精度的關(guān)鍵。在進(jìn)行擠出頭系統(tǒng)設(shè)計時，還應(yīng)遵守工藝優(yōu)化的要求以及其他特殊要求等，具體包括以下方面27：l)在合適的加熱功率下按一定速度送入加熱腔的材料經(jīng)過熔化充分均勻，在加熱腔中處于合適的熔融區(qū)間(靠控溫系統(tǒng)實現(xiàn))。2)加熱腔加熱功率應(yīng)盡量小，該部分應(yīng)采取隔熱措施。一方面減少熱量損失，減少能源消耗，另一方面減少高溫對其它部件的影響。3)送絲機構(gòu)應(yīng)能提供足夠大的推動力，以克服高聚物材料擠出時產(chǎn)生的阻力。4)加熱腔和噴嘴結(jié)構(gòu)對流動的阻力盡量小。在滿足要求的前提下加熱腔流道應(yīng)盡量短，既減少流動阻力，又可減小擠出頭總體尺寸。5)結(jié)構(gòu)合理易于安裝和拆卸，并可方便地與系統(tǒng)其他部件集成。6)符合人機工程原理，方便人工操作和維護(hù)。4.3 擠出裝置的組成擠出裝置結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：擠出裝置分別由擠出機構(gòu)，導(dǎo)熱機構(gòu)，噴嘴組成。21 由左圖的原理圖可知，F(xiàn)DM的工作原理，就是通過擠出機構(gòu)把FDM的物料棒送到導(dǎo)熱機構(gòu)，使物料在導(dǎo)熱機構(gòu)中融化。然后通過噴嘴打印到工作臺上，在X、Y軸的聯(lián)合運動作用下實現(xiàn)工件的一層一層疊加，漸漸把所需零件加工出來。 圖4.1 FDM原理圖擠出機構(gòu)是噴頭的重要組成部分，沒有了擠出機構(gòu)，F(xiàn)DM物料棒就無法連續(xù)供給到導(dǎo)熱裝置，使得噴嘴得不到熔融狀態(tài)的疊加物料，工件無法完成加工。在設(shè)計擠出機構(gòu)過程中，我們先定下設(shè)計方案，然后初定設(shè)計參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的校核，看看是否滿足要求。擠出機構(gòu)中，主要是要實現(xiàn)兩個滾輪帶動棒料緩緩下落的功能，因此需要一個步進(jìn)電機；步進(jìn)電機在低速運動時，很難實現(xiàn)有效控制，并且很容易出現(xiàn)漂移，低頻是容易出現(xiàn)震動和失步，所以需要一個傳動比較高的配合，例如：一對直齒輪；在圖4.3中輪1由步進(jìn)電機作為動力轉(zhuǎn)動，為了方便棒料的拆卸和擠出機構(gòu)的清潔，滾輪2應(yīng)該是一個從動輪，改裝成為一個滑動型的頂出裝置，實現(xiàn)緊松調(diào)節(jié)的頂出裝置；為了方便棒料的進(jìn)入，還應(yīng)該有個棒料的導(dǎo)入嘴，其作用是為了防止棒料的卡死和減少摩擦。因此整個擠出裝置的主要部件為：導(dǎo)入嘴、步進(jìn)電機、兩個滾輪、一對齒輪組、頂板、以及支撐端板。如圖4.4所示圖4.2 擠出機構(gòu)4.4擠出機構(gòu)齒輪組設(shè)計該齒輪組選用直齒圓柱齒輪傳動，精度均為7級，為了使整個噴頭結(jié)構(gòu)簡單和重量減輕，并且要求強度高和耐磨性好，故小齒輪材料選用45號鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS，大齒輪 材料選用45號鋼（正火），硬度為210HBS，二者材料硬度差為40HBS。初選齒輪模數(shù)為1，壓力角為20度，小齒輪17齒，傳動比選擇4，則大齒輪齒數(shù)為68。4.4.1按齒面接觸強度來設(shè)計 （1）試選載荷系數(shù)kt=1.6 （2）由下圖4.4.1128：圖4.3齒面接觸強度得區(qū)域系數(shù)ZH=2.5 （3）由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動的端面重合度圖如下圖4.4.1228：圖4.4 標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動的端面重合度得標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動的端面重合度：=0.765 =0.82=1.585 (4-1) （3）由下表4.4.128：表4.1 齒寬系數(shù)選取齒寬系數(shù)為：（4）由下表4.228：表4.2彈性模量 得 （5）由下圖4.5和4.6可知： 圖4.5 圖4.6得=550MPa（小齒輪） =400MPa（大齒輪） N1=60n1jLn =60 其中n1為小齒輪的轉(zhuǎn)速，小齒輪與步進(jìn)電機直接相接，由步進(jìn)電機的參數(shù)可知n1=3000r/mim （6）按接觸疲勞選壽命系數(shù)： 由下圖4.7：圖4.7 彎曲疲勞選壽命系數(shù)KFN取小齒輪、大齒輪失效概率為1%，安全系數(shù)為s=1.4 （4-2）初步選取兩齒輪模數(shù)m=1、小齒輪齒數(shù)為 大齒輪齒數(shù)為則分度圓直徑分別為：和4.4.2 按齒根彎曲強度設(shè)計 （1）計算載荷系數(shù) （4-3） （2）查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)為如下表4.4.3：表4.3齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)Z17181920212223242526272.972.912.852.802.762.722.692.652.622.62.571.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.60Z28293035404550607080902.552.532.522.452.402.352.322.282.242.222.201.611.621.6251.651.671.681.701.731.751.771.78由上表得 (3) 由下圖4.8：圖4.8 調(diào)制處理鋼查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強度極限（4）由于在前一頁中已經(jīng)查得彎曲疲勞壽命系數(shù)、（5）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4 （4-4） ； （4-5）（6）計算大、小齒輪的并加以比較 （4-6） （4-7）小齒輪的數(shù)值大，則用小齒輪的數(shù)值進(jìn)行計算。(7)設(shè)計計算 （4-8）故齒輪的模數(shù)m=1，這樣設(shè)計的齒輪既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并且做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。則小齒輪齒數(shù)為 大齒輪齒數(shù)為4.4.3 幾何尺寸計算如下表4.4表4.4 擠出機構(gòu)直齒輪