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本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
論文題目：FDM型3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計
學 院：
專業(yè)班級：
學生姓名：
指導教師：
開題時間： 年04月
1.1課題的意義
3D打印(3D printing，又稱三維打印)是一種快速成形技術(shù)，由意大利發(fā)明家恩里科·迪尼設(shè)計發(fā)明，理論上這款打印機可以打印出任何東西[1]。它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。3D打印技術(shù)早在20世紀90年代中期就己出現(xiàn)，但由于價格昂貴，技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推普及。經(jīng)過20多年的發(fā)展，該技術(shù)已更加嫻熟、精確，且價格有所降低。
目前，3D打印技術(shù)己經(jīng)應(yīng)用到許多學科領(lǐng)域，在生產(chǎn)應(yīng)用方面有著巨大的潛力。3D打印技術(shù)在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科及醫(yī)療方面都能得到廣泛的應(yīng)用[2]。
工程師和工業(yè)設(shè)計師利用3D打印將設(shè)計方案轉(zhuǎn)換為原型并測試;外科醫(yī)生使用3D打印制作器官模型以協(xié)助策劃復雜的手術(shù)方案;考古學家和博物館的技師利用3D打印制作珍貴文物的復制品，并在此基礎(chǔ)上開展研究。這樣的創(chuàng)新應(yīng)用正不斷進入大眾的視野[3]。
3D打印也為教育行業(yè)打開了一扇新窗，一些教育機構(gòu)和組織正在研究。探索如何將該技術(shù)應(yīng)用到教學和學習中，學生不僅可以享受到這種最新潮技術(shù)輔助教學的便利以及各種創(chuàng)新用法，還可以此作為促進他們學習設(shè)計技能的推動力，更會對他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響[3]。
第三次工業(yè)革命又稱為數(shù)字化革命?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)達、手機的普及正將我們包裹在用數(shù)字構(gòu)成的縱橫交錯大網(wǎng)中。在這個階段，制造業(yè)會受到影響，發(fā)生巨大變化，商品的制作方式將改變，就業(yè)格局也將打破[1]。
3D打印機也將改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式以及企業(yè)之間的生產(chǎn)關(guān)系，同時為創(chuàng)業(yè)者提供更多的機會，打破傳統(tǒng)創(chuàng)業(yè)時遇到的困難。大企業(yè)可以不用通過遷廠和在其它國家購買零部件來降低生產(chǎn)成本，尤其能鼓勵一部分制造行業(yè)回遷發(fā)達國家。小企業(yè)也隨著制造業(yè)小批量生產(chǎn)可能變得更加劃算，而也有了和大企業(yè)競爭、抗衡的機會，甚至懷揣老板夢的打工一族也可以不用因為沒有雄厚的資金而停止對夢想的追逐。不管大件物品還是小件物品都無需在生產(chǎn)車間進行生產(chǎn)，不管是辦公室、商店或者是自己的家里，任何地方，都可以根據(jù)自己的需要選擇而沒有地域限制[1]。
基于以上的論述，3D打印機對制造業(yè)的發(fā)展已帶來革命性的發(fā)展，其意義主要體現(xiàn)在以下三個方面：
一是制造工藝的深刻變革。3D打印的特點在于通過逐層堆積材料進行加工，而不是通過去除多余材料進行加工。因此，這項工藝也被稱作“堆積制造”或“添加制造”。這改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時問，帶來了制造工藝的深刻變革。
二是制造技術(shù)的重大飛躍。3D打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學以及材料科學等諸多方面的技術(shù)和知識，3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動包括新材料技術(shù)、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實現(xiàn)大的飛躍。
三是制造模式的一次“革命”。3D打印作為一種新的加工工藝，將改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3D打印機的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場的時問，產(chǎn)品用戶只要簡單下載設(shè)計圖在數(shù)小時內(nèi)通過3D打印將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要庫存大量的零部件，不需要大量的工人[4]。
1.2課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 3D打印機的總體發(fā)展趨勢
3D打印機的總體發(fā)展趨勢是更小巧，更便宜，更具有普及化。發(fā)展路線是由實驗室走向企業(yè)，由軍工向重工繼而向民用。越來越貼近的走進我們的生活之中。
如在尺寸方面，這項技術(shù)變得更小巧，尤其是在噴塑打印機這一類[5]。
在價格方面，在近24個月里，價格跌到了3D打印吸引更廣泛受眾的價位[5]。
能夠打印工業(yè)制造原型的商用機型以前價格一度高達10萬美元，如今起價只要約15000美元，而面向愛好者和教育市場的個人3D打印機售價更是不到1500美元[5]。
在使用方面則更具普及化，目前3D打印技術(shù)支持多種材料，可以廣泛應(yīng)用在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科、醫(yī)療甚至美食等不同領(lǐng)域[6]。
1．2．2國外3D打印機的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
對于3D打印機在國外的發(fā)展情況，整體上要領(lǐng)先國內(nèi)。這種領(lǐng)先不僅體現(xiàn)在純粹的技術(shù)方面。而更加體現(xiàn)在普及度，市場化和商業(yè)化等方面。
3D打印技術(shù)經(jīng)過十多年的探索與發(fā)展，日前能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。當然受到噴墨打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，目前較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達24位。
2010年2月，Invetech公司和Crganovo醫(yī)學公司合作，研制出了首臺商業(yè)化的3D生物打印機，對提取的活體進行組合排列，打印出所需要的細胞，誤差可以控制在20微米之內(nèi)，能夠打印人體的組織和器官，包括動脈和靜脈而管以及小到牙齒、大到血管網(wǎng)在內(nèi)的身體器官。
2010年5月。意大利發(fā)明家恩眼科·迪尼成功研制出一種叫做“D外形”的大型二維打印機，能夠掃印山整個立體建筑體?！癉外形”二維打印機的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴灑出沙子和鎂質(zhì)鉆合物薄層。打印機噴頭打印出的每個薄層僅有5—10毫米厚，通過一層層地將黏合物和沙子結(jié)合，可逐漸鑄成石質(zhì)固體，最終形成與巖石一樣堅固的石質(zhì)建筑物，已建造出內(nèi)曲線、分割體導管和中空柱等各種建筑結(jié)構(gòu)，且打印建筑物的速度是普通建筑方法的4倍，幾乎不會產(chǎn)生廢棄物，十分環(huán)保。
2010年9月，美國科學家發(fā)明了一種可打印出塑料立體物品的3D打印機，美國醫(yī)療行業(yè)生產(chǎn)模型公司用3D打印機“打印”出擁有完美功能的假肢。
2010年11月，美國與加拿大兩家公司研制成功全球首輛利用3D打印枝術(shù)制造的Urbee雙座汽車。Urbee用電池和汽油作為混合動力，每加侖汽油能夠在高速公路上行駛320公里。
2010年12月，美國康奈爾大學科研人員研制出3D食物打印機，只要把“食物墨水”預先放進一組注射器內(nèi)，再下載食譜軟件“FabApp”，機器便會根據(jù)電子設(shè)計圖，結(jié)合計算機輔助設(shè)計軟件，令各種“墨水”按照指令準確落墨，逐行逐層“打印”出立體食物。
2011年1月，美國公司開發(fā)出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印機，能在幾分鐘內(nèi)用塑料打造出結(jié)構(gòu)簡單的塑料物品。如浴缸、塑料瓶、鏡框、支架墊、螺帽等，以及任何幾何形狀物休。
2011年1月，麻省理工學院媒體實驗室的研究人員使用了一臺Objec公司生產(chǎn)的Connex500成功“打印”出了一只長笛。
2011年6月，時裝設(shè)計師瑪麗黃與3D模型專家詹娜費瑟利用Rhino 3DCAD設(shè)計軟件創(chuàng)造出3D打印泳衣的藍圖，然后通過3D打印機打印出比基尼泳衣，最薄處僅為0.7毫米。由于使用了尼龍12材料，質(zhì)地非常柔軟而且不易破裂。
2011年7月，英國倫敦皇家藝術(shù)學院設(shè)計專業(yè)學生設(shè)計山“太陽能燒結(jié)”3D打印機。能在全自動的情況下將陽光和沙子轉(zhuǎn)化成玻璃制品。它運用了燒結(jié)技術(shù)。先是將一些沙子加熱至熔點，然后再將它們冷卻并凝結(jié)成固體（即變成玻璃）。此外，這臺3D打印機還能自動移動到合適的位置，以獲取最多的大陽光射線融化。
2011年7月，英國?？撕卮髮W的研究人員開發(fā)出世界第一款使用液態(tài)巧克力作為“油墨”的 "3D巧克力打印機”?？梢源蛴〕黾扔袑嵱霉πв植环κ秤脙r值的巧克力日用品和服裝。
2011年7月，美國明尼蘇達州廠商開發(fā)出Stratasys Fortes 250mc 3D打印機。它使用ABSplus塑料進行3D打印，可注入多種顏色的塑料，支持0.007英寸、0.01英寸和0.013英寸3種厚度的單層材料輸出，可以打印出形狀較為準確的磨具、工藝品。
2011年8月，英國南安普敦大學的工程師設(shè)計并放飛了世界第一架“打印”出來的飛機“SULSA”，這是一種無人駕駛飛機，整個結(jié)構(gòu)均采用這種“打印”方式，包括機翼、整體控制面和艙門?！癝ULSA”使用ROS ROSINT P730尼龍激光燒結(jié)機打印，通過層層打印的方式，整架飛機可在幾分鐘內(nèi)完成組裝并且無須任何工具。這款電動機翼展2米，最高時速接近160公里[7]。
目前的全球3D打印機行業(yè)，美國ZCorporation和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占有絕大多數(shù)市場份額。美國Stratasys公司率先推出了基于FDM技術(shù)的快速成型機，并很快發(fā)布了基于FDM的Dimension系列3D打印機。FDM枝術(shù)有其得天獨厚的優(yōu)勢，適合汽車、家電電動工具、機械加工、精密鑄造及工藝品制作等領(lǐng)域。
第一臺商用的3D打印機出現(xiàn)在1986年，但3D打印技術(shù)的真正確立是以美國麻省理工大學的Scans E.M.和CimaMJ.等人于1991年申報的關(guān)于三維打印專利為標志的。目前，在3D打印領(lǐng)域比較著名的公司有3DSystem、Z-corporation等。
經(jīng)歷十多年的探索和發(fā)展后，3D打印無論在技術(shù)、造價，還是應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了長足的進步。在打印技術(shù)方面，目前，主流打印機能夠在0.01 mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi分辨率的打印精度，較先進的產(chǎn)品己經(jīng)具備每小時1英寸以上的垂直打印速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印iii用于打印的材料涵蓋從石料。金屬到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，己經(jīng)開發(fā)出的可打印材料約為14類，可混搭出一百多種耗材。在造價方面，3D打印機的售價正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售價己經(jīng)下降到2199美元，高端的Replicator 2X也僅售2799美元，預計幾年后家用型的3D打印會降價到100美元以內(nèi)[3]。
瑪麗·華盛頓大學的教師在 2012年的設(shè)計入門課程中使用3D打印機作為學習環(huán)境。由學生掃描實物或自己設(shè)計出物品，打印出原型，并在此基礎(chǔ)上試驗和改進。在FullSail大學，學生們使用該技術(shù)制作3D漫畫人物，他們利用三維軟件設(shè)計人偶并打印出塑料模型。美國弗吉尼亞大學的學生通過3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機并成功試飛，飛機的所有零部件都是通過3D打印制造的。美國國家科學基金會(NSF)的數(shù)字圖書館項目提供了很多3D動物和器官結(jié)構(gòu)模型，包括無脊椎和脊椎生物，很多是己滅絕生物。該項目的參與者正在掃描并打印復制占人類化石。哈佛大學博物館的研究人員也在利用計算機為收集到的殘缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出復制品[3]。
同時國外3D打印機的商業(yè)化、普及化、工業(yè)應(yīng)用上也發(fā)展的相對成熟。美國的3DSystems公司這些年不僅將市場放在重工方面，除了生產(chǎn)價值500萬的重工產(chǎn)品外，還生產(chǎn)可以打印吉他等玩具的產(chǎn)品。3DSystems公司為消費者提供了結(jié)合功能性和適應(yīng)性的最佳產(chǎn)品，他們推出的打印機無須組裝，使用簡單的“彩色圖木”設(shè)計界而進行操作。毫無疑問，家長們希望自己的孩子玩的東西，不要像高中手工課的組裝作品那么復雜。除了簡單，3DSystems公司還推出預先制作的應(yīng)用程序，提供給最有創(chuàng)意的Cube 3D打印機用戶，讓他們使用免費軟件自己繪制設(shè)計圖。同時該公司的BoM HBD打印機也提供按需定制的服務(wù)。對于企業(yè)用戶來說，3DSystems公司還為他們提供了在網(wǎng)上銷售設(shè)計產(chǎn)品的渠道。這些在行業(yè)中的主導優(yōu)勢，讓3DSystems公司一直運行良好，目前的毛利潤率接近50% [7]。
1．2．3國內(nèi)3D打印機的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀90年代，我國國內(nèi)有多所高校自主研發(fā)RP技術(shù)，但是沒有一款達到國際水平的3D打印機成功推向市場。清華大學主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學理論。SSM分層實體制造、FDM上藝，并開展了基于SL工藝金屬模具的研究;華中科技大學研究LOM(分層實體制造)工藝，推出了HRP系列成型機和成型材料;西安交通大學開發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。我國港臺地區(qū)的很多高校、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)[7]。
在中國的大學校園中有很多的實驗室或研發(fā)中心，華中科技大學的快速成型機制造中心成立于1991年，到現(xiàn)在整整21年，在這一過程中研發(fā)了不少的3D打印機。2000年，該中心研發(fā)出0.1m×0.1m工作面的基于粉末床的快速制造裝備，2003年，擴大到0.5m×0.5m，超過了當時代表國際先進水平的美國3DSystems公司，2005年以后，工作面達到1m×1m以上，據(jù)媒體稱，這一產(chǎn)品的問世遠遠超過國外同類裝備水平[8]。
但在商業(yè)化和普及化方面，我國的發(fā)展卻不及國外的水平。
例如將這些成品產(chǎn)品化，似乎將會帶了一次新的制造業(yè)革命，事實上，我國普通民眾對它還知之甚少。
同時我國也存在市場錯位的問題。由于史玉升研究團隊研制出了世界上最大的3D打印機，中央電視臺《我愛發(fā)明》節(jié)目組專門為他們做了一期節(jié)目，制作平時常用的生活用品，讓人們對未來有無限的想象，也勾起了大眾對3D打印機進入普通家庭的遐想，然而市場反應(yīng)讓人失望。目前在A股上市公司中僅一家直接涉及到該領(lǐng)域，其中南風股份和中航重工主要依托于北京航空航天大學王華明的團隊，華中數(shù)控主要依托于華中科技大學的史玉升研究團隊，隨著這幾家公司宣布進入3D打印領(lǐng)域，他們的股價短期上漲后便開始大幅同落。這三家上市公司將市場放在了軍工、航空、核電等方面，民用方面無人問津[8]。
所以我國3D打印機的發(fā)展不僅要在技術(shù)方面要有長足的發(fā)展，繼續(xù)突破，追趕世界水平。同時，在市場營銷，產(chǎn)品推廣，使用普及方面也應(yīng)該有所發(fā)展。
1.3課題的目的
通過對國內(nèi)外目前3D打印機的發(fā)展水平的分析，此次課題的目的首先是在技術(shù)方面進行探索，進行3D打印機的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計。同時也應(yīng)對3D打印機的推廣及普及有所作用。
2. 主要工作及理論方法
本文運用機械設(shè)計、機械制造等的基本理論及相關(guān)知識，對3D打印機結(jié)構(gòu)進行研究及設(shè)計。該論文的主要內(nèi)容包括：
(1)整體尺寸的確定；
(2)動力及傳動方法選擇及確定；
(3)進料裝置設(shè)計；
(4)機床防護門的設(shè)計。
3. 預計困難及解決方法
(1)首先自己之前對3D打印技術(shù)了解較少，也沒有過全面的對實物的觀測，對3D打印機的具體結(jié)構(gòu)比較朦朧。應(yīng)該通過多看相關(guān)的書籍，查看相關(guān)資料，以及向老師請教；
(2)英文文獻相關(guān)資料少，查找比較困難，英語水平有限，翻譯需要些時間；
(3)缺乏設(shè)計經(jīng)驗和方法,在實際的工作過程中可能還會遇到很多沒有考慮到的問題。
4. 進度安排
步驟
周次
工 作 內(nèi) 容 安 排
1
3月17日-3月23日
查閱資料，了解課題內(nèi)容
2
3月24日-3月30日
按要求完成外文資料的翻譯
3
3月31日-4月6日
在了解相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，完成開題報告的撰寫
4
4月7日-4月13日
總體結(jié)構(gòu)方案討論，初步確定
5
4月14日-4月20日
總體支撐方案設(shè)計
6
4月21日-4月27日
傳動方式的計算機確定
7
4月28日-5月4 日
托板（工作臺）傳動及運動設(shè)計與計算
8
5月5日-5月11日
工作臺關(guān)鍵件校核
9
5月12日-5月18日
打印頭部分傳動及運動設(shè)計與計算
10
5月19日-5月25日
打印頭部分與關(guān)鍵件校核
11
5月26日-6月1 日
總裝圖設(shè)計及校對
12
6月2日-6月8 日
部件圖設(shè)計及校對
13
6月9日-6月15日
撰寫論文
14
6月16日-6月22日
論文及圖紙的完善、修改
15
6月23日-6月29日
準備答辯
5.參考文獻
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指導教師意見
指導教師簽字：
年 月 日
密級：
FDM型3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
Design of Mechanical Structure for FDM-type 3D Printer
學 院：
專 業(yè) 班 級：
學 號：
學 生 姓 名：
指 導 教 師：
II
摘 要
課題以FDM型3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要工作。通過對3D打印機機械結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計，實現(xiàn)3D打印機在工作過程中所需要的機械運動。實現(xiàn)3D打印機的機械運動后，便可滿足3D打印機打印功能的基本要求。
在設(shè)計中，首先了解3D打印機的功能及工作原理，進而分析3D打印機在工作過程中需要實現(xiàn)怎樣的機械運動，從而思考怎樣的機械結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)所需要的機械運動。列出可以采用的幾種方案，論述所列方案的優(yōu)缺點、機構(gòu)實現(xiàn)的難易程度及各個方案的機械結(jié)構(gòu)的合理性，在綜合考量各個方案后選出相對合理的提案，并進行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
3D打印機在工作過程中，主要應(yīng)實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的機械運動。因此，所設(shè)計的3D打印機的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)達到X、Y、Z三個方向平動的要求。在設(shè)計過程中通過對3D打印機的觀看，結(jié)合其他機床實現(xiàn)機械運動的方法，從而得出自己最終要選擇的設(shè)計方案。
設(shè)計過程中首先列出幾種傳動方案，如齒輪傳動，齒條傳動，齒形帶傳動及絲杠等。通過對各種機構(gòu)實現(xiàn)傳動的特點進行分析、所設(shè)計3D打印機外形尺寸的考慮及各個方面的參考后，本次3D打印機的設(shè)計，最終選擇通過絲杠、導軌及導柱等實現(xiàn)3D打印機的機械運動。動力傳動選擇伺服電機通過聯(lián)軸器與導軌直連實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：FDM；3D打印機；齒型帶傳動
Abstract
The topic of my graduated design is FDM 3D printers mechanical design. 3D object is achieved by the work of the analysis and design of the mechanical structure of the printer to achieve 3D printer during operation of the mechanical movement required. when achieved the mechanical movement, you can meet the basic requirements of 3D printer functions.
In the design of the course, I get the meaning of the function and operation principle 3D printer ,3D printer at first .Then analyzed in the work process to achieve what needs to mechanical motion, thus we need to think what mechanical structure about how to achieve the required mechanical movement. Then lists several options can be used and thinking the advantages and disadvantages are listed in the program and the degree of difficulty to achieve advantages and disadvantages of the various agencies and programs implemented in various programs after comprehensive consideration of the proposal to elect a relatively reasonable, and mechanical Design.
3D printers in the course of their work, mainly to be achieved three directions mechanical movement of X, Y, Z. Thus, the mechanical structure of the printer should be designed to achieve 3D X, Y, Z three movable parallel to the direction required. By watching in the design process a 3D printer, combined with other methods to achieve the mechanical movement of the machine, to get the final design.
Several design process is listed first transmission scheme, such as gears, rack drive, belt drive and screw and so on. Consider and refer to various aspects of the 3D printer dimensions achieved through a variety of agencies to analyze the characteristics of the transmission, the design, the design of this 3D printer, 3D printer to achieve the final selection by the screw, guide rails and columns, and other mechanical movement. Select the servo motor power transmission and rail directly connected via coupling to achieve.
Keywords: FDM; 3D printer; The teeth type belt drive
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章3D打印機概述 1
1.1什么是3D打印機 1
1.2 3D打印機的工作原理 1
1.3 3D打印機特點及優(yōu)勢 2
1.4 3D打印機的工作范圍 2
1.5 3D打印機在國外的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.6 3D打印機在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.7 3D打印機未來發(fā)展趨勢 4
第二章 FDM型3D打印機的工作原理及結(jié)構(gòu)分析 6
2.1 FDM型3D打印機的結(jié)構(gòu)確定與分析 6
2.1.1 FDM型3D打印機整體結(jié)構(gòu)的方案選擇與確定 6
2.1.2 FDM型3D打印機Z軸方向運動結(jié)構(gòu)分析 7
2.1.4 FDM型3D打印機X軸方向運動結(jié)構(gòu)分析 9
2.1.3 FDM型3D打印機Y軸方向運動結(jié)構(gòu)分析 10
第三章 部件的選擇 12
3.1電機的選擇 12
3.1.1伺服電機和步進電機對比 12
3.1.2直流交流伺服電機對比 12
3.2.同步帶輪及同步帶的選用 12
3.3絲杠的設(shè)計和選擇 14
3.4導柱的設(shè)計與選擇 15
第四章部分零件的校核 18
4.1帶輪及齒帶的校核 18
4.2絲杠的校核 19
第五章總結(jié) 20
參 考 文 獻 21
致 謝 22
III
第一章 3D打印機概述
1.1什么是3D打印機
3D打印機（3D Printers）是一位名為恩里科·迪尼（Enrico Dini）的發(fā)明家設(shè)計的一種打印機，可以直接打印出立體物體。它源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，上世紀80年代已有雛形。通俗來講，即快速成形技術(shù)的一種機器，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。[1] 3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加制造技術(shù)中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價值應(yīng)用，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。
1.2 3D打印機的工作原理
3D打印并非是新鮮的技術(shù)，這個思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發(fā)展和推廣。3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加劑制造技術(shù)中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同。稱之為“打印機”是參照了其技術(shù)原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似[2]。
其工作步驟是：首先可使用CAD軟件來創(chuàng)建物品，然后把它拷貝到3D打印機中，進行打印設(shè)置后，打印機將自動分析將要打印物體的結(jié)構(gòu)，然后進行分層打印。
每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。
1.3 3D打印機特點及優(yōu)勢
3D打印機是一種用于快速原型和模具制造的強大工具，相對于其他的添加制造技術(shù)而言，無須機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，能夠在各個零部件的構(gòu)造復雜性和重量輕型化兩者之間找到最佳平衡點。3D打印機具有打印精度高。速度快、價格便宜、高效易用性等特點，可以極大地縮短產(chǎn)品研制周期，降低了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。這種打印機比常規(guī)建筑方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原來的三分之一到二分之一，更重要的是幾乎不會產(chǎn)生任何廢棄物，有利于對資源的節(jié)約和環(huán)境的保護。
1.4 3D打印機的工作范圍
3D打印機作為一種全新的技術(shù)，對制造業(yè)產(chǎn)生了重要的影響。隨著技術(shù)的成熟和進一步的發(fā)展，3D打印機憑借其特殊的優(yōu)勢逐漸發(fā)展到生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。理論上，3D打印機的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。目前3D打印機主要應(yīng)用的領(lǐng)域有：
2010年9月美國醫(yī)療行業(yè)生產(chǎn)模型公司用3D打印機“打印”出擁有完美功能的假肢。
2010年11月，美國與加拿大兩家公司研制成功全球首輛利用3D打印枝術(shù)制造的Urbee雙座汽車。
2010年12月，美國康奈爾大學科研人員研制出3D食物打印機，只要把“食物墨水”預先放進一組注射器內(nèi)，再下載食譜軟件“FabApp”，機器便會根據(jù)電子設(shè)計圖，結(jié)合計算機輔助設(shè)計軟件，令各種“墨水”按照指令準確落墨，逐行逐層“打印”出立體食物。
2011年1月，美國公司開發(fā)出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印機，能在幾分鐘內(nèi)用塑料打造出結(jié)構(gòu)簡單的塑料物品。如浴缸、塑料瓶、鏡框、支架墊、螺帽等，以及任何幾何形狀物休。
2011年1月，麻省理工學院媒體實驗室的研究人員使用了一臺Objec公司生產(chǎn)的Connex500成功“打印”出了一只長笛。
2011年7月，英國倫敦皇家藝術(shù)學院設(shè)計專業(yè)學生設(shè)計山“太陽能燒結(jié)”3D打印機。能在全自動的情況下將陽光和沙子轉(zhuǎn)化成玻璃制品。
2011年7月，英國埃克塞特大學的研究人員開發(fā)出世界第一款使用液態(tài)巧克力作為“油墨”的 “3D巧克力打印機”?？梢源蛴〕黾扔袑嵱霉πв植环κ秤脙r值的巧克力日用品和服裝。
2011年7月，美國明尼蘇達州廠商開發(fā)出Stratasys Fortes 250mc 3D打印機。它使用ABSplus塑料進行3D打印，可注入多種顏色的塑料，可以打印出形狀較為準確的磨具、工藝品。
有上述可見，3D打印機在醫(yī)療行業(yè)、傳統(tǒng)制造業(yè)甚至在高精密行業(yè)都已經(jīng)逐漸得到應(yīng)用[3]。
1.5 3D打印機在國外的發(fā)展現(xiàn)狀
第一臺商用的3D打印機出現(xiàn)在1986年，但3D打印技術(shù)的真正確立是以美國麻省理工大學的Scans E.M.和CimaMJ等人于1991年申報的關(guān)于三維打印專利為標志的。目前，在3D打印領(lǐng)域比較著名的公司有3DSystem、Z-corporation等。
經(jīng)歷十多年的探索和發(fā)展后，3D打印無論在技術(shù)、造價，還是應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了長足的進步。在打印技術(shù)方面，目前，主流打印機能夠在0.01 mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi分辨率的打印精度，較先進的產(chǎn)品己經(jīng)具備每小時1英寸以上的垂直打印速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印。用于打印的材料涵蓋從石料、金屬到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，己經(jīng)開發(fā)出的可打印材料約為14類，可混搭出一百多種耗材。在造價方面，3D打印機的售價正在迅速降低，MakerBot公司新推出的低端打印Replicator2的售價己經(jīng)下降到2199美元，高端的Replicator 2X也僅售2799美元，預計幾年后家用型的3D打印會降價到100美元以內(nèi)[3]。
瑪麗·華盛頓大學的教師在 2012年的設(shè)計入門課程中使用3D打印機作為學習環(huán)境。由學生掃描實物或自己設(shè)計出物品，打印出原型，并在此基礎(chǔ)上試驗和改進。在FullSail大學，學生們使用該技術(shù)制作3D漫畫人物，他們利用三維軟件設(shè)計人偶并打印出塑料模型。美國弗吉尼亞大學的學生通過3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機并成功試飛，飛機的所有零部件都是通過3D打印制造的。美國國家科學基金會(NSF)的數(shù)字圖書館項目提供了很多3D動物和器官結(jié)構(gòu)模型，包括無脊椎和脊椎生物，很多是己滅絕生物。該項目的參與者正在掃描并打印復制占人類化石。哈佛大學博物館的研究人員也在利用計算機為收集到的殘缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出復制品[3]。
同時國外3D打印機的商業(yè)化、普及化、工業(yè)應(yīng)用上也發(fā)展的相對成熟。美國的3DSystems公司這些年不僅將市場放在重工方面，除了生產(chǎn)價值500萬的重工產(chǎn)品外，還生產(chǎn)可以打印吉他等玩具的產(chǎn)品。3DSystems公司為消費者提供了結(jié)合功能性和適應(yīng)性的最佳產(chǎn)品，他們推出的打印機無須組裝，使用簡單的“彩色圖木”設(shè)計界而進行操作。除了簡單，3DSystems公司還推出預先制作的應(yīng)用程序，提供給最有創(chuàng)意的Cube 3D打印機用戶，讓他們使用免費軟件自己繪制設(shè)計圖。同時該公司的BOM HBD打印機也提供按需定制的服務(wù)。對于企業(yè)用戶來說，3DSystems公司還為他們提供了在網(wǎng)上銷售設(shè)計產(chǎn)品的渠道。這些在行業(yè)中的主導優(yōu)勢，讓3DSystems公司一直運行良好，目前的毛利潤率接近50% [4]。
1.6 3D打印機在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀
自20世紀90年代，我國國內(nèi)有多所高校自主研發(fā)RP技術(shù)，但是沒有一款達到國際水平的3D打印機成功推向市場。清華大學主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學理論。SSM分層實體制造、FDM上藝，并開展了基于SL工藝金屬模具的研究;華中科技大學研究LOM(分層實體制造)工藝，推出了HRP系列成型機和成型材料;西安交通大學開發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。我國港臺地區(qū)的很多高校、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)[4]。
1.7 3D打印機未來發(fā)展趨勢
第一，向低成本方向發(fā)展。目前大多3D打印機造價仍比較昂貴，這給其進入家庭帶來了困難?，F(xiàn)在已有一些小規(guī)模的3D打印機制造商推出較低價的3D打印機，一些愛好者參與改良3D打印機，共同促成低價3D打印機的誕生和普及。
第二，向材料多樣性方面發(fā)展。3D打印機的成型材料多采用化學聚合物，材料的安全性是一個很重要的參考因素。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)材料及其他方法難以制作的復合材料等，金屬材料、直接金屬成型技術(shù)將會成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點。
第三，向提高精度、速度和效率方面發(fā)展。改養(yǎng)3D打印系統(tǒng)的可靠性、生產(chǎn)效率和制作大件能力，提高3D打印的速度和效率。開拓并行、多材料制造的工藝方法，提高成型件的精度、表面質(zhì)量、力學和物理性能，以便能夠直接面向產(chǎn)品制造，許多新的成型方法與工藝會應(yīng)用于3D打印機。
第四，技術(shù)和研究方面。比如3D生物打印機的困難并不是制造器官本身，而是復制器官內(nèi)部錯綜復雜的血管網(wǎng)絡(luò)。這些血管起到了滋養(yǎng)器官。為器官提供氧氣的作用。有專家設(shè)想打印出一個器官最大的連接性血管，然后給那些大血管細胞留出充足的時間、空間和理想環(huán)境自造剩余血管，最終器官便可以被植入體內(nèi)，用病患自己的細胞打印出功能齊全的肝、腎或者心臟。世界各地醫(yī)藥、生物、化學、工程等領(lǐng)域的專家們正致力于研究這些難題。
無可厚非的是，3D打印機已經(jīng)向我們走來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印機將成為市場的主流，有可能顛覆其涉及的許多領(lǐng)域，對傳統(tǒng)制造業(yè)帶來重大的影響。未來，也許3D打印機服務(wù)將會與發(fā)送電子郵件、即時短信通訊一樣普及。制造業(yè)將徹底擺脫集中式管理模式，大規(guī)模定制化將超越傳統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)方式，某一天3D打印機可能會像電腦、照相機、微波爐一樣進入千家萬戶，為我們的生活增添無窮樂趣。[5]
在中國的大學校園中有很多的實驗室或研發(fā)中心，華中科技大學的快速成型機制造中心成立于1991年，到現(xiàn)在整整23年，在這一過程中研發(fā)了不少的3D打印機。2000年，該中心研發(fā)出0.1m×0.1m工作面的基于粉末床的快速制造裝備，2003年，擴大到0.5m×0.5m，超過了當時代表國際先進水平的美國3DSystems公司，2005年以后，工作面達到1m×1m以上，據(jù)媒體稱，這一產(chǎn)品的問世遠遠超過國外同類裝備水平[6]。
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第二章 FDM型3D打印機的工作原理及結(jié)構(gòu)分析
2.1 FDM型3D打印機的結(jié)構(gòu)確定與分析
2.1.1 FDM型3D打印機整體結(jié)構(gòu)的方案選擇與確定
根據(jù)FDM型3D打印機打工作原理及工作方式，可以了解到，打印機在工作過程中要有上下的相對運動，這樣才能實現(xiàn)FDM型3D打印機在工作過程中逐層打印的功能。同時打印每一“層”時，打印頭相對于托盤要有左右及前后的相對運動。及FDM型3D打印機要實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的自由運動。因此在設(shè)計FDM型3D打印機機械結(jié)構(gòu)時，主要任務(wù)就是所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)上述運動。
據(jù)此可以根據(jù)上述結(jié)論，首先確定FDM型3D打印機整體的運動方案。例如在Z軸（即上下）方向上的運動，我們可以選擇由打印頭作上下運動而托盤保持相對靜止，反之也可以是打印頭相對靜止而托盤做上下運動。同時在X軸（即左右運動）方向和Y軸（即前后）方向的運動方式也可以由多種選擇。例如我們可以選擇某一軸與上下運動實現(xiàn)聯(lián)動，也可以選擇各軸都獨立運動。因此在選取方案前，應(yīng)仔細分析各個方案的優(yōu)缺點，并做出決定。
當再次仔細分析3D打印機在進行打印工作時，各個方向的運動，可以發(fā)現(xiàn)，Z軸（即上下）方向的運動是一種階段性的運動。即是在每打印完“一層”時，才再做一次運動，來打印下一層。而在打印每一層的過程中，打印頭相對于托盤在Z軸（即上下）方向上要保持相對靜止。如選擇Z軸（即上下）方向運動的部件同時也作X軸或Y軸方向的運動，這樣在保持Z軸方向上相對靜止時，還要同時做X軸或Y軸方向的運動。這樣不利于精度保持。所以，最后確定，Z軸方向的運動做獨立運動，運動部件與X軸或Y軸方向的運動部件不關(guān)聯(lián)，使之相對于X軸或Y軸的運動部件獨立。
但若選擇打印機噴頭做Z軸方向的運動，那么若要使X軸或Y軸方向的運動與之不關(guān)聯(lián)，唯有托盤做X軸或Y軸方向的運動。但托盤的材料較多，重力較大，同時托盤上又要放置被打印物體，因此運動過程中慣性較大，相對不容易實現(xiàn)打印過程中的運動變化。所以相對而言，選擇托盤做Z軸方向上的運動，而打印頭做X軸及Y軸方向上的運動，相對合理。
因此最后確定所要設(shè)計的FDM型3D打印機的整體運動結(jié)構(gòu)為：由托盤實行Z軸方向的運動，而由打印頭完成X軸及Y軸方向的運動。
2.1.2 FDM型3D打印機Z軸方向運動結(jié)構(gòu)分析
如上論述，此次設(shè)計的FDM型3D打印機Z軸方向的運動有托盤運動實現(xiàn)。，經(jīng)多次設(shè)計修改，最后設(shè)計結(jié)構(gòu)由圖2-1和2-2所示。
圖2-1 Z軸方向運動結(jié)構(gòu)圖
圖2-2 Z軸方向運動傳遞圖
Z軸方向運動的動力，由一臺伺服電機提供。該伺服電機被固定于打印機整體框架的最下層后方的橫梁上。托盤的左右兩邊各有兩根絲杠和兩根導柱。絲杠和導柱的滑塊被固定在安裝托盤的內(nèi)框架上。這樣當絲杠接受伺服電機的動力轉(zhuǎn)動時，絲杠上的滑塊將做向上或向下運動。同時便可帶動安裝托盤的內(nèi)框架與之同步運動。這樣動力便傳遞到托盤上，使托盤能夠在Z軸方向上運動。而被固定在安裝托盤的內(nèi)框架上的導柱滑塊也隨之沿著導柱在Z軸方向上運動。這時導柱將起到導引及增加穩(wěn)定性的作用，增加托盤的平穩(wěn)性及精度，進而增加整個機器的打印精度。
伺服電機的動力傳到絲杠上是由齒形帶和同步帶輪完成的。齒帶由伺服電機上的帶輪引出，與四個固定在絲杠下端的帶輪相連，并且繞過四個固定在托盤下端與打印機外框相固定的型材上的滑輪。這樣做的目的是為齒帶提供一個預張力，可以增加齒帶傳遞的準確性。
電機運轉(zhuǎn)時，通過帶輪將動力傳遞到齒帶，齒帶在將動力傳遞到四個固定于絲杠底端的帶輪上。這樣絲杠轉(zhuǎn)動，使絲杠上的滑塊延絲杠滑動，帶動與之固定的內(nèi)框，固定在內(nèi)框上的托盤也就可以隨之運動。同時四個導柱起到引導和增加穩(wěn)定的作用。這樣，打印機Z軸方向的運動便可以實現(xiàn)了。
2.1.4 FDM型3D打印機X軸方向運動結(jié)構(gòu)分析
如圖2-3所示為3D打印機X軸方向運動結(jié)構(gòu)圖。
圖2-3 X軸方向運動結(jié)構(gòu)圖
其運動的動力由右上方的伺服電機提供。動力及運動的傳遞是：首先，上圖中右上方的伺服電機軸上有一帶輪。伺服電機轉(zhuǎn)動時帶輪隨之轉(zhuǎn)動。帶輪通過齒帶將運動及動力傳遞到前面上方延Y軸方向的傳動軸上。該傳動軸的左端安裝固定有一帶輪，同過這個帶輪又通過左邊這個齒帶將動力傳遞到后面延X軸方向的傳動軸上。左右兩根齒帶的上帶各相對有一剛性連接的滑塊，滑塊同時套在齒帶上方的一個導柱上，該導柱承擔這個滑塊的重力。這兩個與齒帶剛性連接的滑塊通過兩根導柱延Y軸方向相連，并且導柱穿過固定有打印頭的滑塊即圖中中間的滑塊。
這樣，這臺3D打印機X軸方向的運動即是：當伺服電機運轉(zhuǎn)時，電機軸上的帶輪隨之同步轉(zhuǎn)動，并帶動齒帶將運動傳遞到前上方的通過齒帶相連的傳動軸上。該傳動軸有通過左端的帶輪和其上的齒帶將運動及動力傳遞到后面延Y軸安裝的傳動軸。左右兩條齒帶在傳動時帶動與齒帶剛性相連的滑塊。同時兩個滑塊通過兩根導柱相連，并且導柱穿過安裝有打印頭的滑塊，這樣安裝有打印頭的滑塊將隨齒帶運動，即實現(xiàn)了X軸方向的移動。
2.1.3 FDM型3D打印機Y軸方向運動結(jié)構(gòu)分析
如圖2-4為3D打印機Y軸方向運動結(jié)構(gòu)圖。其運動的動力由左上方的伺服電機提供。
圖2-4 Y軸方向運動結(jié)構(gòu)圖
動力及運動的傳遞是：首先，上圖中左上方的傳動軸與伺服電機直聯(lián)。伺服電機轉(zhuǎn)動時左上方的傳動軸隨之同步轉(zhuǎn)動。傳動軸的兩端各固定有一個帶輪，帶輪通過齒帶將運動及動力傳遞到右上方的傳動軸上。前后兩根齒帶的上帶各相對有一剛性連接的滑塊，滑塊同時套在齒帶上方的一個導柱上，該導柱承擔這個滑塊的重力。這前后兩個與齒帶剛性連接的滑塊通過兩根導柱延X軸方向相連，并且導柱穿過固定有打印頭的滑塊及圖中中間的滑塊。
這樣，這臺3D打印機Y方向的運動即是。當伺服電機運轉(zhuǎn)時，與電機直聯(lián)的傳動軸隨之同步轉(zhuǎn)動，傳動軸上的前后兩個帶輪也隨之轉(zhuǎn)動，并帶動齒帶將運動傳遞到右上方的通過齒帶相連的傳動軸上。前后兩條齒帶在傳動時帶動與齒帶剛性相連的滑塊。同時兩個滑塊通過兩根導柱相連，并且導柱穿過安裝有打印頭的滑塊，這樣安裝有打印頭的滑塊將隨齒帶運動，即實現(xiàn)了X軸方向的移動。
第三章 部件的選擇
3.1電機的選擇
3.1.1伺服電機和步進電機對比
控制電機的比較與選取：電機控制系統(tǒng)按照運動過程的需要分為驅(qū)動伺服和驅(qū)動步進兩大類。伺服有速度控制和位置控制模式。速度控制模式下，通過伺服電機的CL信號和INH信號，選擇伺服電機轉(zhuǎn)動的4檔內(nèi)部速度，這四檔內(nèi)部速度由驅(qū)動器的四個內(nèi)部儲存器記錄，其數(shù)值為零就是停轉(zhuǎn)，數(shù)值為零是順時針旋轉(zhuǎn)，小于零則為逆時針，也可通過ZEROSPD控制電機停轉(zhuǎn)。
3.1.2直流交流伺服電機對比
伺服電機可以考慮直流和交流兩種：但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使電動機的 最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動機結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感應(yīng)電動機沒有上述缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10﹪～70﹪，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。
綜合考慮以上資料，本次設(shè)計最終選擇交流伺服電機。
3.2.同步帶輪及同步帶的選用
我國現(xiàn)在選用最多的仍然是T型齒同步帶，這種帶稱為“節(jié)距制”帶，即以帶齒間的間距為規(guī)格的標準，其帶的外形與截形如圖3-1所示。
圖3-1 齒形帶界面圖
這種帶的齒形為梯形，大多數(shù)齒形的夾角為40度，帶的齒高（梯形的高度）、節(jié)距（兩齒間的距離）及厚度可以從產(chǎn)品樣本中查到（如：型號為L的T型齒同步帶，其節(jié)距Pb為9.525mm 齒高ht為0.51mm 帶厚hs為1.14mm）。實質(zhì)上，這種節(jié)距制傳動帶是一種英制的標準，一英寸等于25.4毫米，每英寸含8英分，即一英分等于3.175毫米，三英分就是9.524毫米，四英分是12.7毫米（在英制度量中以1/8” 1/4” 3/8” 1/2”等方式表述）。
其實，同步帶在傳動時，梯形齒的兩側(cè)只能用來和同步帶輪的輪齒貼合，以便能夠傳遞帶和帶輪之間的轉(zhuǎn)動力矩，當轉(zhuǎn)動力矩傳遞到同步帶上之后，就要依靠同步帶本身來傳遞產(chǎn)生力矩的拉力，也就是說此時同步帶的作用與平皮帶完全一樣了。
圖3-2 齒形帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從帶的截形圖看，如果同步帶只用單一材料制作，上述拉力只能夠由連接兩帶齒之間那一薄層來承受，這對于制作同步帶的基底材料聚氨酯橡膠而言是不可能的。所以同步帶還需要做成一種復合型的結(jié)構(gòu)——在同步帶聚氨酯橡膠基底材料中加入尼龍繩、錦綸繩或鋼絲繩作為“承載繩”，這些承載繩安置就在“薄層”的位置（見圖3-2），它們和同步帶基底材料緊密結(jié)合，帶齒受到的傳動力直接傳遞到承載繩上，完成拉力的傳遞。
在帶傳動中，傳動帶本身一定是有彈性、會出現(xiàn)“緊邊”“松邊”、緊邊長度被拉長、松邊長度相對較短的問題，而同步帶內(nèi)的承載繩就不容易被拉力“拉長”，所以同步帶就能夠?qū)崿F(xiàn)恒定速比的傳動，由此可見所謂“恒定速比”不僅是指宏觀上兩根軸之間的轉(zhuǎn)速比值，而且也應(yīng)該包含每一個傳動時刻兩根軸之間的角速度比值。
圖3-3齒形帶與帶輪嚙合
有了以上的基礎(chǔ)，理解傳動時同步帶輪與同步帶的位置關(guān)系就比較容易了（見圖3-3）。從圖3-3中可以看出，雖然傳動時同步帶輪的齒頂圓只能與同步帶齒凸起的底部相貼合，但是實際上同步帶長度不變的位置仍然在承載繩處，因此在傳動中同步帶輪的作用直徑（計算速比的直徑）卻在同步帶輪齒頂?shù)摹吧厦妗保酥睆娇蓮南嚓P(guān)的表格中查到、計算出來。
大多數(shù)情況下，為使結(jié)構(gòu)的體積盡可能緊湊，同步帶輪的直徑總是希望小一些為好，一般情況下只要結(jié)構(gòu)尺寸比較合理，受力校核不會不合格的。
由于T型同步帶是英制的，所以所有計算得到的尺寸必然不是整數(shù)，在關(guān)于同步帶齒形及相關(guān)尺寸設(shè)計計算中不需要把所得到的尺寸進行圓整。
參考以上資料，本次設(shè)計最終選擇T型齒同步帶及同步帶輪。
3.3絲杠的設(shè)計和選擇
本次設(shè)計，考慮設(shè)計的難度幾精度所要達到的程度，最終選擇選用梯形螺紋絲杠。具體選擇參考如下：
絲杠的設(shè)計方法與主軸相似，其支承軸徑與絲杠的長徑比都與主軸相同，不同的是絲杠上：有一段螺紋，因此，還需考慮螺紋的牙形角、螺距、直徑、螺紋公差的設(shè)計。
1．螺紋牙形的選擇精密絲杠螺母傳動，常用的螺紋有牙形角為60。的普通公制螺紋和牙形角為30。的梯形螺紋兩種。選擇哪種螺紋，取決于傳動精度、效率和制造工藝。
當絲杠螺母機構(gòu)的載荷不大，螺紋間的摩擦力對工作影響不大，而又要求小螺距時(螺距為0. 5～1 mm)．可采用公制基本螺紋和公制細牙螺紋。當載荷較大，螺距也較大時，宜用梯形螺紋。梯形螺紋比三角形螺紋的傳動效率高、強度大、螺距大(最小直徑為 10 mm，最小螺距為2 mm)。螺距小時，制造困難，而且不耐磨，故不易得到高精度絲杠。
2. 螺距選擇常用的梯形螺紋螺距有2、3、4、5、6 mm等。在精密儀器設(shè)備中，采用的公制螺紋螺距系列有0. 25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75 mm等，可根據(jù)傳動進給的實際需要選取，或參考同類型設(shè)備，初選螺距，然后計算步進機構(gòu)中間傳動速比i，若求得的速比i是合理的，則初選的f可最終確定 為所選螺距。
3．絲杠直徑的確定
(1)類比法參考同類型設(shè)備的絲杠直輕，并按所設(shè)計的設(shè)備具體情況確定。或者按結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，先確定絲杠總長度L，再按長徑比關(guān)系確定絲杠直徑矗，通常L/d<30。對于電子精密機械設(shè)備，一般移動距離較短，一般取1= (15～20)d。
(2)計算法 在沒有同類型設(shè)備可參考，或需要驗算初選的絲杠直徑時，可采用計算法。
絲杠計算通常包括耐磨性、剛度、穩(wěn)定性和強度四項。電子精密機械設(shè)備中的絲杠螺母機構(gòu)，一般承受載荷不大，而精度要求較高，往往是由于磨損而失效，所以，可根據(jù)磨損條件來選擇材料，并確定絲杠副的尺寸。
由于螺母的材料一般比絲杠的材料軟，所以，磨損主要發(fā)生在螺母的螺紋表面。磨損的計算方法，通常是采用限制螺紋表面的壓強，就是使螺紋工作表面的壓強聲小于或等于其許用壓強[p]。計算時，將螺母的螺紋牙看成是盤旋繞在圓柱表面上的長條，展開后相當于懸臂梁。
3.4導柱的設(shè)計與選擇
導柱導向機構(gòu)應(yīng)用最普遍，主要零件是導柱和導套1、導柱結(jié)構(gòu)形式
如圖3-4所示，圖3-4為直形導柱：除安裝部分的凸肩外，長度的其余部分直徑相同；圖3-4b、c為階梯導柱：除安裝部分的凸肩外，安裝配合部分直徑比外伸的工作部分尺寸直徑大。導柱的導滑部分根據(jù)需要可加工出油槽。圖3-4c所示導柱用于固定板太薄的場合在固定板下面再加墊板固定，這種結(jié)構(gòu)不常用。
圖3-4導柱類型
2導柱技術(shù)要求
（1）長度：導柱導向部分的長度應(yīng)比凸模端面的高度高出8到12mm，以避免出現(xiàn)導柱未入正方向而型芯先進入型腔。
（2）形狀：導柱前端應(yīng)做成錐臺形或半球形，以使導柱順利地進入導向孔。
（3）材料：導柱應(yīng)具有硬而耐磨的表面，堅韌而不易折斷的內(nèi)芯，因此多采用20鋼，經(jīng)滲碳淬火處理，或者T8、T10鋼，經(jīng)淬火處理，硬度為50~55HRC。導柱固定部分的表面粗糙度為Ra＝0.8μm，導向部分的表面粗糙度為Ra＝0.8~0.4μm。
數(shù)量及布置：導柱應(yīng)合理均布在模具分型面的四周，導柱中心至模具邊緣應(yīng)有足夠的距離，以保證模具強度（導柱中心到模具邊緣距離通常為導柱直徑的1~1.5倍）。為確保合模時只能按一個方向合模，導柱的布置可采用等直徑導柱不對稱布置或不等直徑導柱對稱布置，如圖3-5所示
配合精度：導柱固定端與模板之間一般采用H7／m6或H7／k6的過渡配合；導柱的導向部分通常采用H7／f7或H8／f7的間隙配合。
圖3-5導柱布置
第四章 部分零件的校核
4.1帶輪及齒帶的校核
1確定計算功率
根據(jù)已知工作條件查表，去 則
2選定帶型和節(jié)距
根據(jù)
確定帶型為T型，對應(yīng)節(jié)距
3選帶輪直徑d
帶輪節(jié)圓直徑
4校核帶速
帶速符合要求
5確定中心距及帶長
初定中心距：
定
選擇標準帶長：由設(shè)計帶長
6計算嚙合齒數(shù)
=8
7確定帶寬
8 計算軸上的壓力
4.2絲杠的校核
在這次所設(shè)計的3D打印機中，絲杠只承擔軸向力，因此在校核時只需對軸向力進行校核。首先對螺紋牙強度進行校核。
螺紋牙的剪切和彎曲破壞多發(fā)生在螺母。
螺紋牙底寬
許用壓應(yīng)力
許用切應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)力
相旋合螺紋圈數(shù)
剪切強度條件
彎曲強度條件
第五章 總結(jié)
這次畢業(yè)設(shè)計，主要問題在于了解3D打印機的工作原理，進而分析3D打印機在工作過程中需要實現(xiàn)的哪些運動，從而設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)這個運動的機械結(jié)構(gòu)。在近三個月的設(shè)計過程中，首先通過查閱資料及文獻，了解了3D打印機工作的原理。然后通過其工作原理，分析了其在工作中需要哪些運動，即需要有X、Y及Z軸三個方向的平動。
設(shè)計過程中首先列出幾種傳動方案，如齒輪傳動，齒條傳動，齒形帶傳動及絲杠等。通過對各種機構(gòu)實現(xiàn)傳動的特點進行分析、所設(shè)計3D打印機外形尺寸的考慮及各個方面的參考后，本次3D打印機的設(shè)計，最終選擇通過絲杠、導軌及導柱等實現(xiàn)3D打印機的機械運動。動力傳動選擇伺服電機通過聯(lián)軸器與導軌直連實現(xiàn)。
設(shè)計過程中主要解決了X軸和Y軸如何實現(xiàn)聯(lián)動，托盤的固定與卸取等問題。并最終完成了畢業(yè)設(shè)計。
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致 謝
對于這次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，首先要感謝的是我的指導教師李強老師。在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中，李老師對我進行了很多指導和幫助，為我解決了很多問題。在這里我深表感謝
其次要感謝沈陽工業(yè)大學，為我提供了一個良好的環(huán)境，特別是在圖書館及電子圖書館中，我查到了大量的資料，對我能完成畢業(yè)設(shè)計有很大幫助。
最后我也要感謝我周圍的一些同學。在我進行畢業(yè)設(shè)計的過程中，我曾向他們請教了很多問題，特別在使用畫圖軟件方面，為我提供了很大幫助?？傊兄x所有在本次畢業(yè)設(shè)計中幫助過我的人。