基于CAE分析的簡易3D打印機設(shè)計

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1、圖書分類號：密 級：上單畢業(yè)設(shè)計(論文)基于CAE分析的簡易3D打印機設(shè)計THE DESIGN OF SIMPLE 3D PRINTER BASED ON CAE學(xué)生姓名班 級學(xué)院名稱專業(yè)名稱指導(dǎo)教師 畢業(yè)設(shè)計(論文)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、

2、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘要本文首先概括介紹了3D打印技術(shù)，包括3D打印技術(shù)的發(fā)展背景、現(xiàn)狀及種類。后面介紹了3D打印機的概述，并結(jié)合3D打印機發(fā)展中所遇到的機遇挑戰(zhàn)，提出設(shè)計一款簡易的3D打印機。本文根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)在滿足

3、標(biāo)準(zhǔn)的情況下，對簡易3D打印機進行整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計路線按照從下至上，從外至內(nèi)的順序進行產(chǎn)品設(shè)計，具體是底座的設(shè)計、頂框的設(shè)計、支架的設(shè)計、送絲機構(gòu)的設(shè)計以及打印機構(gòu)的設(shè)計。其中在這些結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還包括底座的強度校核及材料選擇、軸的強度校核與選型、步進電機的選型等。因簡易的3D打印機的某些結(jié)構(gòu)因受力可能變形，所以最后基于CAE技術(shù)還要對設(shè)計的簡易3D打印機的關(guān)鍵零部件進行有限元分析，結(jié)合數(shù)據(jù)，檢驗是否符合設(shè)計要求。本文研究設(shè)計的簡易3D打印機旨在將3D打印技術(shù)帶入家庭或辦公室，即使在一個小的工作空間中也可以完成3D模型的快速成型制造，所以要求它的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格經(jīng)濟，空間友好。設(shè)計中

4、主要使用了Auto-CAD、SolidWorks、Ansys等軟件，用SolidWorks制圖軟件三維建模，Auto-CAD制圖軟件畫出二維平面圖，應(yīng)力分析方面主要通過Ansys有限元分析軟件對簡易3D打印機的關(guān)鍵部件進行應(yīng)力分析。關(guān)鍵詞 簡易3D打印機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；SolidWorks三維制圖；CAE分析AbstractThis paper firstly introduces the 3D printing technology, the status quo and development background, including the type of 3D printing tech

5、nology. After the introduction of an overview of the 3D printer, and combined with the development of 3D printers Opportunities, Challenges encountered, proposed to design a simple 3D printer. In this paper ,the design is based on the relevant technical indexes and parameters which meet the standard

6、. The simple 3D printer for the design of the overall structure, route design is from the highest to the lowest, the sequence is from the outside to the inside of product design, specifically the design of the pedestal, a top frame design, support design, send wire feeding mechanism design and print

7、ing mechanism design. Which in the design of the structure, including the strength of the base check and materials, shaft strength checking and selection, stepper motor selection. For some simple 3D printer structure due to the stress deformation. so in the end,based on CAE technology, the design of

8、 simple 3D printers key parts were finite element analysis, analysis of data, test whether it meets the design requirements.In this paper, to design the simple 3D printer in order to take 3D printing technology into the home or office,even in a small working space the simple 3D printer can also comp

9、lete the 3D model of the rapid prototyping manufacturing, so it has the advantages of simple structure, convenient operation, economic price and friendly space. This design mainly used the CAD, Solidworks, ANSYS software, using Solidworks to 3D Modeling Software and motion simulation, using CAD to d

10、raw a planar graph, and Stress analysis focuses on the key components of a simple 3D printer was analyzed by Ansys finite element analysis software.Keywords Simple 3D printer The design of structure SolidWorks CAEII畢業(yè)設(shè)計(論文)目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 3D打印技術(shù)的發(fā)展背景及現(xiàn)狀11.2 3D打印技術(shù)的種類11.3 3D打印機及簡易3D打印機的概述21.

11、4 3D打印機的發(fā)展帶來的機遇和挑戰(zhàn)31.5 本次設(shè)計的主要工作31.5.1 簡易3D打印機指標(biāo)31.5.2 主要的設(shè)計工作41.5.3 設(shè)計思路及主要問題42 簡易3D打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計52.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計52.1.1 工作原理52.1.2 3D打印機的組成52.1.3 框架結(jié)構(gòu)52.2 底座的設(shè)計62.2.1 底座角件的設(shè)計62.2.2 鋁型材的選擇62.2.3 底座整體結(jié)構(gòu)72.3 支架的設(shè)計82.3.1 直線光軸許用彎曲應(yīng)力的計算82.3.2 直線光軸材料的選擇92.4 頂框的設(shè)計102.4.1 頂框角件的設(shè)計102.4.2 鋁型材的選擇112.4.3 頂框整體結(jié)構(gòu)112.5 送絲機構(gòu)

12、設(shè)計112.5.1 擠出機座設(shè)計112.5.2 U型滾動軸承的選型122.5.3 快速接頭的選擇122.5.4 擠出機設(shè)計及相關(guān)部件選型122.5.5 送絲機構(gòu)整體機構(gòu)132.6 打印機構(gòu)設(shè)計132.6.1 步進電機的選型132.6.2 同步輪的選型152.6.3 同步帶的選取162.6.4 深溝球軸承的選型162.6.5 直線軸承的選型182.6.6 滑動座的設(shè)計182.6.7 萬向節(jié)的設(shè)計192.6.8 中心平臺的設(shè)計192.6.9 推桿的設(shè)計202.6.10 噴頭座的設(shè)計222.6.11 散熱風(fēng)扇的選型222.6.12 噴頭裝置的設(shè)計222.6.13 打印機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)243 CAE結(jié)構(gòu)分

13、析253.1 CAE技術(shù)253.2 CAE軟件253.3 CAE分析對象253.4 Ansys有限元分析過程253.4.1 前處理253.4.2 有限元分析293.4.3 后處理32結(jié)論36致謝37參考文獻38391 緒論1.1 3D打印技術(shù)的發(fā)展背景及現(xiàn)狀3D（Three Dimensions）打印技術(shù)是一種通過材料逐層添加形成三維物體的具有劃時代變革的技術(shù)。1目前3D打印技術(shù)在國內(nèi)外還是一個比較新興的領(lǐng)域，具有非常大的市場前景。另外3D打印的迅速發(fā)展同時也為現(xiàn)代制造業(yè)帶來了一場新的科技革命，因為3D打印技術(shù)不像傳統(tǒng)的機加工生產(chǎn)需要依賴生產(chǎn)的工藝性，它可以傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝直接快速成型所需要的產(chǎn)

14、品模型。3D打印不需要任何傳統(tǒng)加工工具，能夠減少很多人力物力，所以3D打印似乎就是在替代一個人在制作產(chǎn)品。盡管3D打印有如此大的突出之處，但還不夠盡善盡美。3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，越來越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注。2它作為一種新興的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域范疇，比如現(xiàn)代制造業(yè)，醫(yī)療領(lǐng)域，航天航空領(lǐng)域，工程材料領(lǐng)域，還有化工技術(shù)領(lǐng)域等。在現(xiàn)代制造領(lǐng)域上，3D打印技術(shù)的推行使得現(xiàn)代制造業(yè)有了更多的革新，通過3D打印技術(shù)可以使產(chǎn)品制造效率不斷挺高，為現(xiàn)代制造業(yè)注入新鮮血液。在醫(yī)療領(lǐng)域上，已經(jīng)有人通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了器官的打印，打印的器官可以直接植入人體，并且不會導(dǎo)致排斥。在

15、航天航空領(lǐng)域上，3D打印技術(shù)可以快速的打印出飛機的機翼以及一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動機，而這些都是傳統(tǒng)制造所不能企及的。3D打印技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前3D打印機的精度可以到達0.001mm，這樣的技術(shù)幾乎可以打印出任何我們所能看得到的東西，可見3D打印技術(shù)已不復(fù)當(dāng)年，現(xiàn)在的打印精度還是相當(dāng)好的。目前國內(nèi)很多家做3D打印的公司都相繼研制開發(fā)了屬于自己的3D打印機，雖然機器的生產(chǎn)和銷量還不能與國外大型做3D打印的公司相媲美，但還是取得了一些階段性的突破。另外國內(nèi)生產(chǎn)的3D打印機在材料，框架結(jié)構(gòu)和打印精度上還不能夠滿足消費者的需求，這也是現(xiàn)階段國內(nèi)做3D打印公司遇到的阻力與挑戰(zhàn)。目前3D打印技術(shù)在西方國

16、家已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了商業(yè)、制造業(yè)。人們可以在家中完成自己的設(shè)計，通過Meshmier里的3D打印平臺服務(wù)將模型文件送到離家最近的3D打印服務(wù)公司，公司按照顧客的設(shè)計要求完成3D模型的打印，這如今在國外已經(jīng)形成了一個商業(yè)鏈，目前國內(nèi)還沒有發(fā)展，相信在不久的將來，國內(nèi)的3D打印技術(shù)也會不斷占領(lǐng)市場的份額，到時候3D打印一定會成為現(xiàn)在制造業(yè)不可或缺的一部分。1.2 3D打印技術(shù)的種類（1）光敏液相固化技術(shù)光敏液相固化技術(shù)SLA（Stero-Lightgraphy Apparatus）又稱光刻成型、立體印刷、或光造型等，它的工作原理就是通過紫外線照射，將液態(tài)光敏樹脂固化成型，通過層層固化而完成整個三維

17、產(chǎn)品的制造，SLA成型工藝的特點是精度高，表面質(zhì)量好，材料利用率高，能制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外觀精細的零件產(chǎn)品，但是SLA成型工藝相應(yīng)的制造成本也非常高，而且打印零件產(chǎn)品的規(guī)格也不能太大。3（2）選區(qū)片層粘結(jié)技術(shù)選區(qū)片層粘結(jié)技術(shù)LOM（Laminated Object Manufacturing）是利用背面帶有粘膠的箔材或紙材通過相互粘結(jié)而成形。在計算機的控制下，二氧化碳激光束對最上層箔材或紙材的二維截面進行掃描切割，再將輪廓外的廢料切割出方形小格，以后每粘結(jié)切割一個截面層，工作臺自動下降一個截面層，然后重復(fù)，直到整個三維零件。LOM快速成型技術(shù)特點是速度快，材料經(jīng)濟實惠，尺寸和形狀精度穩(wěn)定，沒有相

18、變與熱應(yīng)力，但成型后的廢料剝離時間較長，所以這種工藝更適用于汽車輪船、航空航天等行業(yè)中體積較大的產(chǎn)品零件成型。（3）選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)SLS（Selctive Laser Sintering）是利用激光的光束能量，燒結(jié)粉末材料通過逐層添加成型的方式成型三維模型。SLS成型工藝方法的優(yōu)點是能生產(chǎn)較硬的模具；可以采用多種原料，包括工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等；零件的構(gòu)建時間短，可達到1in/h速度；無需設(shè)計和構(gòu)造支撐。（4）熔絲沉積成型技術(shù)熔絲沉積成型技術(shù)FDM（Fuse Deposition Molding）是通過噴頭擠出一束非常細的熱熔塑料絲，從打印平臺的最底層開始，按照切片軟件導(dǎo)

19、出的二維切片程序，一層一層逐層堆積打印，最后得到設(shè)定好的三維產(chǎn)品模型。FDM成型工藝的優(yōu)點是設(shè)備簡單，工作耗能低，打印尺寸精度好，成型表面質(zhì)量高。缺點是打印需要支撐的材料，打印耗時較長。1.3 3D打印機及簡易3D打印機的概述3D打印機(3D Printer)還稱作快速成型機，它與二維打印機最大的差別就是能打印出三維立體模型，它的工作原理是通過將耗材融化，然后一層一層疊加，最終形成目標(biāo)3D模型。它是3D領(lǐng)域的一種前瞻性產(chǎn)品，目前成為一種潮流正迅猛發(fā)展。43D打印機的操作十分便捷，首先通過電腦上的制圖軟件制作出你想要打印的3D模型，然后將3D模型導(dǎo)入進專業(yè)的切片軟件，再將切片程序?qū)脒M3D打印機

20、中就可以打印出你所設(shè)計的3D模型。隨著3D打印技術(shù)的不斷成長進步與普及發(fā)展，3D打印機不僅大量地出現(xiàn)在現(xiàn)代機械制造業(yè)，而且逐漸可以應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，汽車輪船領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域等。但是到目前為止3D打印機的所使用材料還是具有一定的限制，所以要想打印出一個結(jié)構(gòu)繁雜、材料多樣的3D模型，它的難度還是有非常之大的。當(dāng)下市場上出現(xiàn)了越來越多的簡易式3D打印機，它跟一般的3D打印機最大的差別就在于它的便攜易于擺放，簡易3D打印機突破了一般3D打印機需要固定在一個空間工作的限制，這極大地提高了3D打印機的實用性和便捷性。不過要想實現(xiàn)3D打印機結(jié)構(gòu)的簡易與便捷，必須要在其結(jié)構(gòu)上多思考，需要考慮到打印結(jié)構(gòu)的設(shè)

21、計，考慮所選材料的性能以及強度，要控制空間使其在最小的工作空間完成最大的打印空間。簡易3D打印機，它的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格經(jīng)濟，空間友好，即使在比較小的空間下也能夠?qū)崿F(xiàn)3D模型的快速成型（即3D打?。@樣可以讓3D打印機更好地走向在家庭或者辦公室，將為3D打印技術(shù)的普及帶來巨大的意義。1.4 3D打印機的發(fā)展帶來的機遇和挑戰(zhàn)目前3D打印機想要占領(lǐng)的市場，還需要面對很多困難與挑戰(zhàn)。其中3D打印機的制造價格，打印的耗材，打印精度，結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面還需要很多研究突破的地方，所以說3D打印機的出現(xiàn)，既要面臨很多的困難與問題。第一，制造成本方面。3D打印機的制造成本比較高，從一臺3D打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

22、到材料購買，組裝，測試校核等步驟使得3D打印機的成本大大提高，為了普及3D打印機很多商家研制生產(chǎn)簡易的3D打印機，它的結(jié)構(gòu)簡單，能夠完成基本的3D模型成型，制造成本低。第二，耗材方面。目前3D打印機的成型材料多為化學(xué)聚合物，打印出來的3D模型也大多是激光燒結(jié)后或者熔絲沉積后的化學(xué)聚合物，所以如果想要3D打印有著更多廣泛的應(yīng)用，還需要開發(fā)不同的材料才行?？傊?，要想成功的普及3D打印機在材料上下功夫也是不容忽視的。第三，打印精度方面的問題。目前3D打印機多是FDM型的機器，它在成型的時候，精度上比不上SLA型等的3D打印機，但是精度高的機器它的制造成本往往也大大提高，這使得3D打印機在精度與價格上

23、出現(xiàn)了矛盾，所以對一些3D打印機打印精度的改良將會對3D打印技術(shù)有著重大意義。第四，研究開發(fā)方面。在3D打印機的發(fā)展越來越進步的同時，外界對其的要求也會越來越高。不僅僅是滿足目前打印幾個簡單的3D模型，更重要的是應(yīng)用到實際的生產(chǎn)加工中，比如說面包房要打印出一些特殊的食物，醫(yī)院要打印出蛀牙患者的牙齒等，這些都要求非常高的技術(shù)。第五，市場。大家都知道開發(fā)一種產(chǎn)品除了要服務(wù)于大眾，還有一個很重要的目的是產(chǎn)生經(jīng)濟效益。5要想產(chǎn)生大的經(jīng)濟效益就要占領(lǐng)足夠的市場份額，目前3D打印機不像2D打印機那么普遍。或者說3D打印機很少人會用得上，這就需要研發(fā)者研發(fā)出更多實用簡易的3D打印機走進千家萬戶。本次的畢業(yè)設(shè)

24、計使用了CAD、SolidWorks、Ansys軟件對一款FDM型簡易3D打印機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、制圖和受力分析，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下完成本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。1.5 本次設(shè)計的主要工作1.5.1 簡易3D打印機指標(biāo)其中簡易3D打印機的主要技術(shù)指標(biāo)有：打印的最大范圍：160mm160mm170mm 最大打印速度：120 mm/s打印量：20g/h標(biāo)準(zhǔn)型材的尺寸：20mm20 mm底座高度：47 mm1.5.2 主要的設(shè)計工作（1）底座設(shè)計；（2）頂框設(shè)計；（3）支架設(shè)計；（4）送絲機構(gòu)設(shè)計；（5）打印機構(gòu)設(shè)計。1.5.3 設(shè)計思路及主要問題本次簡易3D打印機的設(shè)計，先從簡易3D打印機的整體設(shè)計入手，從簡

25、易3D打印機的外部框架到支架，然后再送絲機構(gòu)到內(nèi)部核心打印機構(gòu)的設(shè)計，從外至內(nèi)，從下至上一步步的完成簡易3D打印機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。需要解決的主要問題：（1） 設(shè)計并確定簡易3D打印機的整體外部框架結(jié)構(gòu)，以及選用的型材尺寸規(guī)格，底座零件的壓應(yīng)力計算以及非標(biāo)件材料的選擇。（2） 校核直線光軸的彎曲應(yīng)力及彎矩，選擇合適的光軸材料。（3） 解決簡易3D打印機的送絲機構(gòu)中擠出機以及擠出輔助非標(biāo)件的設(shè)計和材料的選擇。（4） 解決簡易3D打印機的打印機構(gòu)中傳動機構(gòu)的設(shè)計及打印機構(gòu)在X、Y、Z方向運動的實現(xiàn)，還有噴頭裝置的設(shè)計。（5） 基于CAE分析，分析簡易3D打印機中重要零件所受應(yīng)力的情況并校核設(shè)計的是否

26、符合設(shè)計要求。2 簡易3D打印機的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1.1 工作原理本論文設(shè)計的簡易3D打印機是DIY三角洲式的3D打印機，打印機一共4有個步進電機，其中3個步進電機通過同步帶分別控制3D打印X、Y、Z三個塔上的滑動座沿光軸運動，使3D打印機的打印機構(gòu)可以在一個平行于打印臺的空間里運動。還有一個步進電機是用于送絲機構(gòu)上的，作用是將絲材送進預(yù)熱的噴頭內(nèi)，使絲材擠出成型。2.1.2 3D打印機的組成標(biāo)準(zhǔn)型材：20mm20mm，200mm9步進電機：4個同步輪：3個同步帶：3條黃銅擠出輪：1個直線光軸：6根深溝球軸承：6個直線軸承：6個M3六角螺栓+螺母：若干非標(biāo)準(zhǔn)件：包括角件底座、角

27、件頂框、滑動座、推桿、萬向節(jié)、中心平臺、擠出機座、噴頭座等。2.1.3 框架結(jié)構(gòu)打印機的結(jié)構(gòu)主要由大小20mm20mm的標(biāo)準(zhǔn)鋁型材構(gòu)成，底座主要由6個20mm20mm鋁型材和3個角件底座組成，型材與角件通過M3的內(nèi)六角螺釘和螺母連接，整個底座成三角形結(jié)構(gòu)，這樣的底座穩(wěn)定性及牢固性都非常強，能夠保證3D打印機在工作時，工作平臺會很平穩(wěn)，提高3D打印機的打印精度。每個角件底座上都與2根光軸配合，光軸彼此間是平行安裝的。三角洲式3D打印機Z軸方向的傳動是通過打印機X、Y、Z三個塔的步進電機同步運行來完成的。3個套有同步輪的步進電機同時啟動，通過同步帶拉動滑動座同時上升或下降，在萬向節(jié)與推桿作用下打印

28、機構(gòu)在Z軸方向運動。而打印機構(gòu)在XOY平面上的運動則需要通過X、Y、Z三個塔步進電機的配合運動來完成。打印機的頂框主要由3根20mm20mm鋁型材和3個角件頂框組成，頂框結(jié)構(gòu)與底座結(jié)構(gòu)類似，成一個三角形結(jié)構(gòu)，與光軸連接，形成一個穩(wěn)定牢固的框架。2.2 底座的設(shè)計2.2.1 底座角件的設(shè)計底座角件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-1，該結(jié)構(gòu)的主要作用是支撐工作平臺和連接鋁型材、直線光軸以及步進電機的。圖2-1 角件結(jié)構(gòu)示意圖對于角件材料的選擇，由于底座角件主要承受3D打印機的重量，所以計算一下要計算底座角件的抗壓能力。3D打印機總質(zhì)量M = 5Kg ，角件總底面積A= 31770 mm2，所受壓應(yīng)力公式見式（2

29、.1）6 式（2.1）式中 代表壓應(yīng)力；代表壓力；A代表底面截面面積。其中=Mg= 49 N 。得 = 92.28 Pa 。PLA材料的許用抗壓應(yīng)力=40-60 MPa，這遠遠大于所需的壓應(yīng)力要求，所以在底座角件材料的選擇上，我們可以選用PLA材料。而且PLA材料是一種聚乳酸，它的原料來自于植物，屬于生物可降解材料，綠色環(huán)保，同時也具有較強的硬度和剛度，并且PLA材料的零件可以通過FDM型3D打印機快速成型，極大地方便了底座角件結(jié)構(gòu)的制造。2.2.2 鋁型材的選擇 根據(jù)底座角件的設(shè)計，選擇2020GW型鋁型材，鋁型材性能參數(shù)表、結(jié)構(gòu)示意圖見表2-1、圖2-2。表2-1 鋁型材性能參數(shù)表材質(zhì)及狀

30、態(tài)6063T5抗拉強度180MPa屈服強度127MPa彈性模量686600MPa硬度62HB表面處理陽極氧化處理，鍍層12以上泊松比0.330圖2-2 2020GW鋁型材結(jié)構(gòu)示意圖2.2.3 底座整體結(jié)構(gòu)底座是支撐打印平臺以及3D打印機整體的關(guān)鍵部件，綜合它的性能強度和剛度的要求，底座結(jié)構(gòu)主要由PLA底座角件與2020鋁型材通過M3的內(nèi)六角螺栓和螺母連接組成，成三角形結(jié)構(gòu)。在每個角件上端面有兩個8的通孔用來裝配8的直線光軸，并通過3個夾緊孔來完成直線光軸的固定。角件的內(nèi)側(cè)可以有4個3的限位孔，它們的作用是用于步進電機的固定，底座框架SolidWorks裝配圖見圖2-3。圖2-3 底座框架Sol

31、idWorks裝配圖2.3 支架的設(shè)計2.3.1 直線光軸許用彎曲應(yīng)力的計算直線光軸是具有滑動軸承的引導(dǎo)作用，可使滑動軸承實行直線運動的產(chǎn)品。在3D打印機中，直線光軸需要引導(dǎo)滑動軸承使滑動座做直線運動，配合萬向節(jié)與推桿作用使打印機構(gòu)在空間內(nèi)平行于工作平臺運動，以實現(xiàn)3D打印的功能。由于本設(shè)計的簡易3D打印機所使用的直線光軸按軸的受載分類屬于固定心軸，工作時是固定不動的，只承受彎矩作用。在校核該軸強度的時候，可以按彎曲強度條件計算，實心軸的計算公式見式（2.2）。6 式（2.2）式中 d代表直線光軸直徑；M代表彎矩；許用彎曲應(yīng)力。為了計算光軸所受的彎矩，要對光軸進行受力分析（見圖2-4）。因為在

32、3D打印機中每一個光軸的受力情況都是相同的，所以只需要對其中一根光軸進行分析，由于滑動座是在光軸上滑動的，所以它的位置是任意的，光軸的受力分析圖如下所示，這里選取任意位置C點為滑動座的質(zhì)點位置，求位于x截面位置所受的剪力與彎矩。圖2-4 光軸的受力分析圖解：由平衡方程= 0 ， Fb-=0= 0 ， -Fa-=0求得支座約束力為=， 根據(jù)光軸的受力分析,光軸的剪力的剪力和彎矩都可以計算出來，即 （0 xa）M(x)= (0 xa)剪力圖（見圖2-5）與彎矩圖（見圖2-6）如下所示。圖2-5 光軸的剪力圖圖2-6 光軸的彎矩圖光軸長度L：465mm根據(jù)一般光軸在相同的F作用下，C點位置于光軸中間

33、的時候，最容易被剪斷,且根據(jù)剪力，彎矩圖，知當(dāng)x=a的時候，M取最大值。令a=232.5mm，b=232.5mmF=10N=5N= a = 1.1625 N*M由，= 本設(shè)計所選光軸直徑d為8 mm ，=17.12 MPa。2.3.2 直線光軸材料的選擇查軸的許用彎曲應(yīng)力表7（見表2-2），選擇合適的光軸材料。表2-2 軸的許用彎曲應(yīng)力表軸的許用彎曲應(yīng)力 MPa材質(zhì)Rm（b）+1p0p0p碳素鋼40013070405001707545600200955570023011065合金鋼80027013075100033015090鑄鋼40010050305001207040注：+1p、0p、0p分

34、別為材料在靜應(yīng)力、脈沖循環(huán)應(yīng)力和對稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力因為直線光軸的許用彎曲應(yīng)力=17.12 MPa，所以根據(jù)表表2-2，8直線光軸的選材可選用碳素鋼45鋼，它的抗拉強度大于600MPa；屈服強度大于355MPa，符合設(shè)計要求，45鋼力學(xué)性能參數(shù)表見表2-3。表2-3 45號鋼力學(xué)性能參數(shù)表45號鋼力學(xué)性能參數(shù)表抗拉強度600MPa屈服強度355MPa彈性模量210GPa泊松比0.2692.4 頂框的設(shè)計2.4.1 頂框角件的設(shè)計 頂框角件的設(shè)計結(jié)構(gòu)上和底座角件結(jié)構(gòu)類似，它主要作用是連接固定同步帶軸承、送絲機構(gòu)、及光軸等部件。它的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-7。圖2-7頂框角件示意圖由于頂框角

35、件與底座角件的結(jié)構(gòu)類似，而且頂框并不受載荷，所以在材料的選擇上就可以與底座角件的材料一致，選擇PLA材料，產(chǎn)品的零件可以通過3D打印，方便了制造。2.4.2 鋁型材的選擇 鋁型材的選擇，則是和底座設(shè)計的鋁型材保持一致，所以也選用2020GW型鋁型材。2.4.3 頂框整體結(jié)構(gòu)頂框整體結(jié)構(gòu)由3個PLA頂框角件與3根2020GW型鋁型材相互連接組成，頂框結(jié)構(gòu)與底座結(jié)構(gòu)同樣是三角形結(jié)構(gòu)，它們之間是通過8直線光軸連接的，具體是用M3的內(nèi)六角螺栓和螺母通過頂框上的鎖緊孔將頂框緊固在直線光軸上，使3D打印機在外框架上成一個三棱柱的結(jié)構(gòu)，這使3D打印機的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定堅固。在每個頂框角件上都有一個用來安裝同步帶

36、軸承的定位孔，具體在后文會詳說，另外光軸每兩個組成一個塔，分別命名為X、Y、Z三個塔，具體見頂框結(jié)構(gòu)SolidWorks裝配圖（見圖2-8）。圖2-8頂框結(jié)構(gòu)SolidWorks裝配圖2.5 送絲機構(gòu)設(shè)計2.5.1 擠出機座設(shè)計擠出機座是送絲機構(gòu)非常重要的結(jié)構(gòu)部分，它是連接擠出機（裝有黃銅擠出輪的步進電機）、引絲軸承、快速接頭等零件的部件。因為擠出機座主要是連接零部件作用，對于它強度和剛度沒有太大的要求，為了方便制作，擠出機座也是選用PLA材質(zhì)，通過3D打印成型制造，擠出機座的結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2-9。圖2-9 擠出機座結(jié)構(gòu)示意圖2.5.2 U型滾動軸承的選型 在擠出機座上，需要安裝一個U型滾動軸承

37、，它的作用是為了引導(dǎo)和壓緊絲材用的。為了滿足設(shè)計需要，這里選用3D打印機擠出機專用的軸承即U604ZZ軸承，作為擠出機導(dǎo)輪；它的精密度高，運載順滑，低噪音，非常適用于桌面級3D打印機。詳細的參數(shù)規(guī)格表見表2-4。表2-4 U604ZZ軸承參數(shù)規(guī)格表型號u604zz尺寸內(nèi)徑（K）4mm外徑(D)13mm寬度(H=W)4mmU槽底徑（D2）11mmU槽(R)1mm槽口寬度(C)2.1mm備注高品質(zhì)，精密軸承2.5.3 快速接頭的選擇擠出機座上還需要連接一個1.75mm送料快速接頭，它的作用是連接送料管，將絲材送入到打印機構(gòu)中，按下它的快速接頭的塑料頭可實現(xiàn)快速換接。所選用的1.75mm送料快速接頭

38、參數(shù)表見表2-5。表2-5 1.75mm送料快速接頭參數(shù)表名稱1.75mm送料快速接頭接口螺紋M5適用耗材1.75mm耐溫0-60（）耐壓1.5（MPa）2.5.4 擠出機設(shè)計及相關(guān)部件選型擠出機主要是由步進電機以及黃銅擠出輪組成。它的作用是將3D打印機的絲材根據(jù)設(shè)定好的送絲速度一點一點地送進3D打印機的打印機構(gòu)中，讓經(jīng)過預(yù)熱后的打印機構(gòu)能夠正常出絲。所以擠出機中所需的步進電機需要有穩(wěn)定的輸出及其合適的相應(yīng)參數(shù)才能完成擠出機的功能，具體步進電機的選型，將在后文步進電機的選型中詳述。另外擠出機需要一個黃銅擠出輪，它是擠出機中步進電機的轉(zhuǎn)動件，為的是給3D打印機的耗材提供一個向下送絲的摩擦力。現(xiàn)在

39、主流的桌面級3D打印機耗材都是采用的1.75mm耗材，所以這里所設(shè)計擠出機上的黃銅擠出輪選型則是采用市場上1.75mm耗材專用的3D打印機黃銅擠出輪，也就是M11的黃銅擠出輪，它的具體規(guī)格參數(shù)見表2-6。表2-6 MK8黃銅擠出輪規(guī)格表名稱MK8黃銅擠出輪規(guī)格尺寸11mm*11mm內(nèi)孔5mm齒輪部位7mm齒輪外徑111mm齒的數(shù)量26齒材質(zhì)銅2.5.5 送絲機構(gòu)整體機構(gòu)將上述零件通過螺紋連接組裝，就是送絲機構(gòu)機構(gòu)的整體機構(gòu)。送絲機構(gòu)的工作原理是：3D打印機預(yù)熱后，絲材從送絲機構(gòu)的入口進入，通過擠出機與U型滾動軸承的作用，絲材以一定速度送入快速接頭口，快速接頭連接有送料管，絲材通過送料管最終送入

40、打印機構(gòu)，完成3D打印機的打印工作。送絲機構(gòu)整體機構(gòu)SolidWorks裝配圖見圖2-10圖2-10送絲機構(gòu)SolidWorks裝配圖2.6 打印機構(gòu)設(shè)計2.6.1 步進電機的選型步進電機是打印機構(gòu)最重要的部分，它是整個打印機構(gòu)的動力元件。它的工作原理是將3D打印機控制電路的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，一般情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于3D打印機控制電路脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個步距角，所以它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，這樣就可以控制打印機構(gòu)進行逐層累積的3D打印工作。所以3D打印機對

41、步進電機的選擇，就比較嚴格。需要步進電機有穩(wěn)定輸出及合適的參數(shù)，否則會直接影響3D打印的精度。目前3D打印機主要采用的是42兩相混合步進電機，根據(jù)3D打印機所需步進電機的重量、步距數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)速等條件，查表2-7，經(jīng)過綜合分析，最終選取型號為42BYGH47-401A的步進電機作為打印機的動力來源。表2-7 42BYGH兩相混合步進電機技術(shù)參數(shù)表42BYGH兩相混合步進電機步距角1.8溫升80 Max環(huán)境溫度-20+50絕緣電阻100 MMin. ,500VDC電氣強度500VAC徑向間隙0.02mm軸向間隙0.08mm最大徑向壓力30N最大軸向壓力10N電機型號Model步矩角Step

42、angel ()機身長Motor Length L(mm)相電壓Rate Voltage (V)相電流Rate Current (A)相電阻Phase Resistance ()相電感Phase Inductance (mH)靜力矩 Holding Torque (g.cm)引線數(shù) Lead Wire (NO.)轉(zhuǎn)動慣量 Rotor Inertia (g. c)重量 Motor Weight (kg)42BYGH33-001A1.833120.3402217005350.2242BYGH33-601A1.83340.954.22.515806350.2242BYGH33-602A1.8339.

43、60.4241515806350.2242BYGH33-603A1.833120.3138.52115806350.2242BYGH33-401A1.8332.81.332.12.522004350.2242BYGH39-601A1.83941.23.33.225906540.2842BYGH39-602A1.83960.87.56.725906540.2842BYGH39-603A1.839120.4303025906540.2842BYGH47-401A1.8472.81.681.652.844004680.3542BYGH47-601A1.84741.23.32.836006680.35

44、所選的42BYGH47-401A步進電機它的外觀圖見圖2-11，其中長度L=47mm。圖2-11 42BYGH47-401A步進電機外觀圖2.6.2 同步輪的選型同步輪是安裝在42BYGH47-401A步進電機上的元件，可以帶動同步帶運轉(zhuǎn)，具有傳遞動力的作用。因為該簡易3D打印機屬于精加工類型，在選取加工類型精度比較高的同步帶輪，依據(jù)表2-8，選取合適的同步帶輪參數(shù)如下：齒距：2.032 mm齒數(shù)：20槽寬：11 mmd1 節(jié)圓直徑：12.9 mmd 內(nèi)徑：5 mmD檔邊外徑：18 mmD1凸臺外徑：18 mmL總長：20 mm表2-8 MXL,XL,L同步輪規(guī)格表MXL,XL,L同步輪規(guī)格表

45、齒型齒數(shù)外形尺寸重量S槽寬Ed1節(jié)圓直徑d內(nèi)徑D擋圓外徑D1凸臺外徑L總長MXL齒距2.03mm20111612.95，6或6.351818200.013019.46或6.352525200.024025.95，6，6.35或83220200.04XL齒距5.08mm15111524.36.23217250.062032.36，6.35，7，8或1038260.06248.223L齒距9.53mm20212775.8106648380.2530911098680.640121.3101308012.6.3 同步帶的選取根據(jù)同步帶輪的選型，在滿足嚙合的條件下，選擇MXL同步帶，相關(guān)參數(shù)如下：齒距

46、：2.032 mm齒高：0.51 mm齒厚：1.14 mm同步帶的二維圖見圖2-12。圖2-12 同步帶的二維圖2.6.4 深溝球軸承的選型深溝球軸承主要承受純徑向載荷，也能承受軸向載荷，承受純徑向載荷時，接觸角為零，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，應(yīng)用廣泛。在3D打印機中，該軸承主要是支撐傳送帶的壓應(yīng)力，所以主要承受的是徑向靜載荷。由于3D打印機構(gòu)中，深溝球軸承主要是承受靜載荷，所以深溝球軸承的選擇可以按額定靜載荷計算7，計算公式見式（2.3）C0=S0P0C0r 式（2.3）式中 C0基本額定靜載荷計算值，N；S0安全因數(shù)，安全因數(shù)選擇見表2-9；P0當(dāng)量靜載荷，N，計算公式見表2-10；C0r軸承尺

47、寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，NC0a軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，N表2-9 旋轉(zhuǎn)軸承安全因數(shù)旋轉(zhuǎn)軸承安全因數(shù)使用要求和載荷性質(zhì)S0球軸承滾子軸承對旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性要求較高，或承受強大的沖擊載荷1.522.54正常使用0.5213.5對旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性要求較低，沒有沖擊和震動0.5213表2-10當(dāng)量靜載荷計算公式當(dāng)量靜載荷計算公式軸承類型計算公式說明向心軸承=0的向心滾子軸承徑向當(dāng)量靜載荷P0r=FrFr徑向載荷 向心球軸承和0的向心滾子軸承P0r=X0Fr+Y0FaFa徑向載荷 P0r=Fr3 二式中的較大值推力軸承=90的推力軸承軸向當(dāng)量靜載荷P0a=FaX0徑向靜載

48、荷系數(shù)90的推力軸承P0a=2.3Frtan+FaY0軸向靜載荷系數(shù)根據(jù)表2-8，徑向當(dāng)量靜載荷載荷P0r的公式: P0r=X0Fr+Y0Fa根據(jù)表2-9，S0取2計算深溝球徑向當(dāng)量動載荷時，X0=0.6，Y0=0.5；即P0r=0.6Fr+0.5Fa 且當(dāng)P0r Fr時，取P0r = Fr因為3D打印機同步帶繃緊時，對深溝球軸承的徑向壓應(yīng)力約100N；軸向應(yīng)力可忽略不計。所以P0r = Fr = 50NC0=S0P0=S0P0r=S0Fr=210= 200 N根據(jù)基本額定靜載荷的計算，查機械設(shè)計手冊第二卷P1055的深溝球軸承技術(shù)參數(shù)表（見表2-11），選擇合適的深溝球軸承。表2-11深溝球

49、軸承技術(shù)參數(shù)表 深溝球軸承技術(shù)參數(shù)表基本尺寸 /mm基本額定載荷 /kN極限轉(zhuǎn)速 /r*min-1質(zhì)量 /kg軸承代號其他尺寸 /mm安裝尺寸 /mmdDBC0r油W60000型d2D2R minda minDa maxra max71450.5400000.0024628/79120.158.212.80.151750.8380000.0057619/79.614.40.39.415.20.31961.08360000.00760710.715.30.39.416.60.32271.35340000.01462711.818.20.39.419.60.381650.65380000.0046

50、28/810.8140.39.614.40.21960.92360000.0085619/811160.310.417.20.32271.38340000.01560811.818.20.310.419.60.32481.4320000.01662812.819.20.310.421.60.3 續(xù)表2-1191750.72360000.0042628/911.114.90.210.615.40.22061.08340000.0092619/912170.311.418.20.32471.4300000.01660914.219.20.311.421.60.32681.95300000.0196

51、2914.421.10.311.423.60.3最后，綜合頂框設(shè)計以及C0的值，根據(jù)表2-11，選擇628/8型深溝球軸承作為傳送帶軸承。2.6.5 直線軸承的選型直線軸承是套在光軸上滑動的軸承，它的作用是引導(dǎo)滑動座做平行于光軸的直線運動，它的選型要根據(jù)光軸的尺寸規(guī)格來進行確定，直線軸承規(guī)格表見表2-12。表2-12 直線軸承規(guī)格表型號球列數(shù)主要尺寸基本額定載荷內(nèi)徑外徑長度外止動槽W動靜dr公差D公差L公差B公差D1LM6LUU46012035027011.51.13354LM8LUU4815-0.013453514.31.14480LM10LUU410-0.0119055-0.344-0.3

52、181.360112LM12LUU412215746201.383160由于所設(shè)計的光軸直徑是8，所以根據(jù)表2-8，選擇LM8LUU的直線軸承為滑動座軸承。2.6.6 滑動座的設(shè)計滑動座通過扎帶可與直線軸承裝配在一起，可以沿著光軸自由地運動，同步帶的兩端分別用扎帶綁在滑動座的兩頭，隨著3D打印機X、Y、Z三個塔上步進電機動作，滑動座就會沿著光軸做垂直上升或者垂直下降的運動，滑動座的材料選用PLA材料，方便3D打印制造，圖2-13是滑動座結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-13 滑動座結(jié)構(gòu)示意圖2.6.7 萬向節(jié)的設(shè)計萬向節(jié)是實現(xiàn)變角度動力傳遞的機件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，它相當(dāng)于3D打印機的“關(guān)節(jié)”部

53、件，通過推桿與萬向節(jié)的連接，X，Y，Z三個塔上滑動座上下滑動的運動會轉(zhuǎn)化成打印機構(gòu)中的中心平臺和噴頭在一圓柱空間的運動。這種特制的萬向節(jié)材料也選用PLA材料，強度和硬度較好，可以3D打印成型，萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-14。圖2-14 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖2.6.8 中心平臺的設(shè)計中心平臺主要作用是用于噴頭裝置的定位，它在結(jié)構(gòu)上也采用三角形結(jié)構(gòu)，中心平臺上裝有6個萬向節(jié)，通過推桿可以將中心平臺與滑動座連接在一起，X、Y、Z塔上的步進電機控制滑動座上下運動可使中心平臺在一個圓柱空間內(nèi)平行于打印平臺自由運動。由于中心平臺的所受的力并不大，所以中心平臺在材質(zhì)上的選擇，也能選用PLA材料，便于3D打印制造，

54、中心平臺的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-15。圖2-15 中心平臺的結(jié)構(gòu)示意圖2.6.9 推桿的設(shè)計推桿主要的作用是連接滑動座和中心平臺兩者之間的萬向節(jié)的，通過推桿的連接，滑動座可以控制中心平臺和噴頭裝置在一圓柱空間運動。在推桿的設(shè)計中，要通過計算來確定推桿的長度L。為了計算推桿的長度L的最長距離，選擇一個最極限的位置（中心平臺置于打印平臺中央見圖2-16）進行計算，再將3D模型簡化成二維的數(shù)學(xué)模型，得到圖2-17，根據(jù)圖2-17可以求出推桿的長度L。圖2-16 中心平臺置于打印平臺中央 圖2-17 簡化后的二維數(shù)學(xué)模型根據(jù)勾股定理，L2=(398-H)2+(110-22.5)2 因為所設(shè)計的3D打印機的

55、打印高度為170 mm，且滑動座的高度是45.5 mm。所以根據(jù)要求398-170 H 398-45.5即228 H 352.5所以Lmax=244.2 mmLmin=98.6 mm所以桿長L可在98.6244.2選擇合適的值，本設(shè)計中L取=185。具體推桿設(shè)計如下圖所示（見圖2-18）。圖2-18 推桿結(jié)構(gòu)示意圖2.6.10 噴頭座的設(shè)計噴頭座主要是用來安裝噴頭裝置的，噴頭座口可以通過螺紋連接將噴頭裝置鎖在噴頭座上，另外噴頭座設(shè)計有可與中心平臺連接的孔，通過螺紋連接可以使兩者安裝在一起，使噴頭裝置可以隨著中心平臺進行運動，當(dāng)X、Y、Z塔三臺步進電機動作時，噴頭裝置會在一個空間圓柱內(nèi)運動，完成

56、3D打印工作。噴頭座的材料選擇，選用PLA材料，便于3D打印制作。噴頭座的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-19。圖2-19噴頭座結(jié)構(gòu)示意圖2.6.11 散熱風(fēng)扇的選型在噴頭座上需要安裝一個散熱風(fēng)扇，用于給噴頭機構(gòu)的散熱器散熱，防止耗材在散熱器中融化凝固堵塞送絲通道。本次畢業(yè)設(shè)計選用的是桌面級3D打印機常用DFS300612H型的散熱風(fēng)扇，它的具體參數(shù)見表2-13表2-13 DFS300612H型散熱風(fēng)扇名稱DFS300612H額定電壓（V）12額定電流（A）0.12轉(zhuǎn)速（RPM）10000風(fēng)量（CFM）3.402.6.12 噴頭裝置的設(shè)計噴頭裝置是FDM型3D打印機最關(guān)鍵的部分，它主要由快接頭、散熱器、加熱

57、鋁塊，噴頭等組成，如圖2-20所示。首先絲材通過送料管送進快速接頭，然后進入散熱器，通過鐵氟龍喉管后接著進入噴嘴，加熱頭可以給加熱鋁塊和裝配在其上的噴嘴供熱，使絲材在噴嘴里被熔融，然后通過送絲機構(gòu)的擠出作用，絲材從噴頭連續(xù)地被擠出，經(jīng)過層層堆積而達到快速成型的結(jié)果。如圖2-20噴頭裝置結(jié)構(gòu)組成噴頭裝置主要零件的選擇及作用：（1）快速接頭選擇1.75mm送料快速接頭，它的使用方法與送絲機構(gòu)所選用的快速接頭一樣，它們之間通過送料管連接，可以將打印機構(gòu)與送絲機構(gòu)連接起來。（2）散熱器選擇直徑為36mm，高度為60mm的散熱器，它的作用主要是給未進行打印工作的絲材降溫，防止絲材因加熱鋁塊和加熱頭所傳遞的熱量而軟化彎曲堵塞送料通道。（3）鐵氟龍喉管，是高耐熱的連接管，總長度是30mm，具有M6的螺紋，通過螺紋連接可以將加熱鋁塊與散熱器連接在一起，管內(nèi)允許直徑為1.75mm耗材穿過，對耗材具有一定的導(dǎo)向作用，將耗材更準(zhǔn)確地送入噴頭（4）加熱頭與加熱鋁塊，主要起到給打印噴頭加熱的作用，工作原理是加熱頭根據(jù)3D打印機設(shè)定的溫度進行加熱，熱量會迅速擴散到加熱鋁塊中，然后加熱鋁塊將熱量再傳遞給噴頭，以融化耗材。（5）噴頭則是選用3D打印機常用的0.4mm銅質(zhì)噴頭，