60型熔融沉積FDM3D打印機(jī)設(shè)計(jì)（含CAD圖紙）
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60型熔融沉積FDM3D打印機(jī)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)綜述
摘 要：3D打印正在改變我們的世界，它正在加速我們創(chuàng)意的思考，打破產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的流程。它不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，僅利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上即可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件?，F(xiàn)在3D打印技術(shù)越來(lái)越普遍，不再是昂貴遙不可及的科技產(chǎn)品。從2008年開(kāi)始，許多3D打印專利技術(shù)逐漸到期，3D打印開(kāi)始出現(xiàn)許多桌上型及微型化的設(shè)計(jì)。價(jià)格變的親民，操作上也變得簡(jiǎn)單好用。熔融沉積成型技術(shù)（FDM）是3D打印成型技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的一類(lèi)技術(shù)，由于FDM的耗材保存容易、使用的地點(diǎn)與環(huán)境受限也不多，才逐漸成為目前市場(chǎng)上的主流。但是，熔融沉積成型技術(shù)也存在很多缺點(diǎn)，如：精度低、速度、表面粗糙、噴頭容易堵塞等。因此，熔融沉積成型技術(shù)（FDM）主要是用以作為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的概念模型或者形狀功能測(cè)試，難以直接制造出可應(yīng)用的“功能性零件”。
關(guān)鍵詞：FDM；3D打?。蝗廴诔练e
Abstract: 3D printing is changing our world, accelerating our creative thinking and breaking the process of product design. It doesn't need traditional tools, jigs and multiple machining processes, and can quickly and accurately manufacture parts with any complex shape on one device only by using three-dimensional design data. Nowadays, 3D printing technology is becoming more and more popular, and it is no longer an expensive and unreachable technology product. Since 2008, many patented technologies of 3D printing have gradually expired, and many desktop and miniaturized designs have appeared in 3D printing. The price becomes close to the people, and the operation becomes simple and easy to use. Fused deposition molding technology (FDM) is a widely used technology in 3D printing and molding technology. FDM has gradually become the mainstream in the current market because of its easy storage of consumables and limited use place and environment. However, the fusion deposition molding technology also has many shortcomings, such as low precision, speed, rough surface, easy blockage of nozzles and so on. Therefore, Fused Deposition Molding (FDM) is mainly used as a conceptual model or shape function test in the process of new product design and development, and it is difficult to directly manufacture applicable "functional parts".
Key words:FDM; 3D printing; Melt deposition
1. 3D打印機(jī)的發(fā)展
3D打印機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展簡(jiǎn)介
3D 打印機(jī)是通過(guò)增材制造過(guò)程，利用塑料或其他材料制作物件的一種機(jī)器。增材制造采用自下而上逐層堆積的方式制造物件。3D打印機(jī)簡(jiǎn)化并加快了制作原型和成品的過(guò)程，過(guò)程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、安裝的范圍十分廣泛。
根據(jù)3D打印機(jī)的成型技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、打印尺寸精度不同、打印材料不同，3D打印機(jī)大致分為三類(lèi)：FDM、SLA/DLP和SLS。目前市面上占有率最高的是FusedDepositionModeling（FDM）。FDM的每一層平面的堆疊就像是在擠牙膏一樣，將耗材加熱后，一條一條的擠出來(lái)，整齊的排列成一個(gè)平面；每完成一個(gè)平面，就在完成的平面上再擠上第二個(gè)平面反復(fù)的進(jìn)行到物體完成為止，而耗材部分以環(huán)保的PLA材質(zhì)最為熱門(mén)另外堅(jiān)硬的ABS、韌性極佳的尼龍、仿木紋金屬或軟Q的彈性材料也都是FDM可以使用的。由于FDM的耗材保存容易、打印范圍較大、使用地點(diǎn)與環(huán)境受限也不多才逐漸成為目前市場(chǎng)上的主流。
2. 3D打印機(jī)的原理
熔融沉積成型（FDM）3D打印技術(shù)的成型原理如圖所示：首先將絲狀熱塑性材料由送絲機(jī)構(gòu)送至FDM噴頭，F(xiàn)DM噴頭通過(guò)熱電偶將其中的絲材加熱至熔融態(tài)：計(jì)算機(jī)根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)控制FDM噴頭在X-Y平面內(nèi)作二維掃描運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)噴嘴將半流動(dòng)狀態(tài)的材料均勻地?cái)D出并鋪撒在工作平臺(tái)上，待其冷卻后沉積固化形成一層新的薄層截面；每打印完成一層截面，計(jì)算機(jī)控制Z軸電機(jī)使工作平臺(tái)降低一個(gè)層厚高度，開(kāi)始打印下一層截面；每一層新打印成型的截面都沉積并粘結(jié)在上一層面上，如此循環(huán)往復(fù)，直至整個(gè)零件模型打印完畢。
圖1 FDM3D打印機(jī)模型簡(jiǎn)圖
3. 3D打印機(jī)性能分析
FDM 3D 打印技術(shù)以其自身靈活性和多功能性而聞名。該技術(shù)本身具有很高的成本收益。無(wú)論是桌面機(jī)還是工業(yè)機(jī)，F(xiàn)DM技術(shù)都可以高度適應(yīng)各種設(shè)置，并且可以生產(chǎn)出從快速原型到最終使用的任何標(biāo)準(zhǔn)的零件。除了成本低廉之外，該技術(shù)的后期維護(hù)成本也非常經(jīng)濟(jì)。對(duì)于一般的保養(yǎng)和維護(hù)，零件和電機(jī)以及電力的修理和更換，都凸顯出FDM是迄今為止使用的最具成本效益的3D打印技術(shù)。FDM 3D 打印機(jī)可用各種常見(jiàn)材料。從可食用的食品到塑料和金屬，幾乎任何可以制成細(xì)絲的原材料都可以用于FDM 3D 打印機(jī)。任何技術(shù)都有它的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然也有它的劣勢(shì)。
FDM 3D 打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：
1. 操作簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全；
2. 成型材質(zhì)材料性能好，強(qiáng)度比較高；
3. 用蠟成型的零件原型可以直接用于熔模鑄造；
4. 原材料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化；
5. 使用多種材質(zhì)打印。
FDM 3D 打印機(jī)的缺點(diǎn)：
1. 成型件的表面有明顯的條紋，較粗糙，不適合高精度精細(xì)小零件的應(yīng)用；
2. 沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱；
3. 需要設(shè)計(jì)與制作支撐結(jié)構(gòu)；
4. 需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描涂覆，成型時(shí)間較長(zhǎng)；
5. 支撐去除相對(duì)麻煩。
4. 應(yīng)用和前景展望
三維打印機(jī)的工作原理類(lèi)似于傳統(tǒng)的打印技術(shù)，但在外接設(shè)備中，利用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)3D模型，完成數(shù)字分析，其原理類(lèi)似于醫(yī)學(xué)顯微鏡下觀察組織切片的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模型是所需的切片樣品，通過(guò)將設(shè)計(jì)模型以極小的薄片層層疊放，直至打印出與模型相同的產(chǎn)品，最終固體成型。眾所周知，傳統(tǒng)的印刷技術(shù)是通過(guò)噴墨技術(shù)將油墨涂在紙上，這也是印刷的起源，3D打印最大的不同之處在于，它所用的材料不是油墨，而是真正的特殊材料，當(dāng)然，由于當(dāng)前技術(shù)的限制，材料不能任意選擇，而是有一定類(lèi)型，但又有重大突破。本文主要介紹了3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域、道路交通領(lǐng)域、航天領(lǐng)域的應(yīng)用。
1.醫(yī)療
現(xiàn)有醫(yī)療技術(shù)已經(jīng)能夠支持人工器官的正常工作，但是人工器官成本高、壽命短、易感染，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，利用鈦合金作為原料，通過(guò)1∶1比例的真實(shí)器官還原，可以最大程度地模擬人體自身器官的形狀和功能，當(dāng)然，模型的設(shè)計(jì)也非常復(fù)雜，需要大量的精密計(jì)算，討論具體操作的可實(shí)施性，最后才能實(shí)現(xiàn)器官的替代；眾所周知，3D打印可以在分子水平上還原“物質(zhì)”，而膠囊類(lèi)或固體顆粒類(lèi)的藥物都是由分子組成，因此可以采用這種技術(shù)打印藥物，這樣既節(jié)省了時(shí)間，又節(jié)省了臨床上還處于試驗(yàn)階段的藥物，既能保存藥物的資料，又能根據(jù)臨床反應(yīng)調(diào)整分子結(jié)構(gòu)，這種方法不僅能縮短研制周期，又能節(jié)省人力物力。
2.公路運(yùn)輸。
在國(guó)外，3D打印技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用已被實(shí)踐證明是可行的，采用3D打印技術(shù)直接打印高速公路，只需在輔助設(shè)計(jì)軟件中設(shè)計(jì)好的公路模型，增加原材料，這種打印機(jī)雖然在大型機(jī)械上使用，但工作原理相同；此外，在公路維修中，使用3D打印技術(shù)更為方便快捷；現(xiàn)有的施工技術(shù)都是現(xiàn)場(chǎng)施工，這種方法耗時(shí)費(fèi)力，且受地形、天氣等外部因素的影響，如果采用3D打印技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)在外地施工，如橋梁、路基等，產(chǎn)品成型后直接裝車(chē)到現(xiàn)場(chǎng)拼裝，可以說(shuō)操作更簡(jiǎn)單，更安全，更靈活。
3.航空航天
3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域起到了很大的作用，眾所周知，飛行器零件都是非常精密的，理論上不會(huì)有任何誤差，但在流水線式的生產(chǎn)過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)不符合要求的情況。
使用3D打印技術(shù)可以最大程度地避免這種情況，原材料在噴頭內(nèi)溶解，通過(guò)3D模型生成專用軟件將模型生成并傳送到打印機(jī)的接收設(shè)備，噴頭按照預(yù)定的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，堆疊，鋪蓋，最終形成符合要求的部件，通過(guò)配合使用大型3D打印機(jī)，可實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，即節(jié)省資源，又高效。
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)印刷行業(yè)仍然依賴傳統(tǒng)印刷，3D打印技術(shù)還沒(méi)有形成規(guī)模，更別提產(chǎn)業(yè)鏈了，但是未來(lái)3D打印將會(huì)取代傳統(tǒng)印刷，3D打印的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣，上述應(yīng)用領(lǐng)域只是其中一個(gè)很有代表性的方面，其他行業(yè)如藝術(shù)品設(shè)計(jì)、建筑沙盤(pán)設(shè)計(jì)、制造零件生產(chǎn)等，3D打印滲透到各行各業(yè)，可以說(shuō)是大勢(shì)所趨，它與我們的生產(chǎn)生活緊密相連，不可分割，甚至可以實(shí)現(xiàn)全民化，這使得使用3D打印技術(shù)的人群越來(lái)越多，而隨著使用程度的不斷加深，也會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)應(yīng)用其中，形成反面，不斷提高整個(gè)行業(yè)的水平，最終形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈。但是當(dāng)前的3D打印技術(shù)還存在很多問(wèn)題，3D打印材料的選擇性不強(qiáng)，只有特定的材料才能做到高溫溶解、還原，模型的可伸縮性、可塑性等一系列性能的表現(xiàn)會(huì)受到一定的影響，而且由于材料的局限性，計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的限制，打印某些復(fù)雜、精密的模型，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能繪制，在現(xiàn)有技術(shù)下，不斷研究合適的新材料，對(duì)打印技術(shù)的創(chuàng)新，總之，不斷提高用戶的體驗(yàn)感，技術(shù)人員可以從這兩個(gè)方面對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、研究。
5. 總結(jié)
三維打印技術(shù)的出現(xiàn)填補(bǔ)了印刷業(yè)的空白，也對(duì)傳統(tǒng)印刷產(chǎn)生了沖擊，3D打印技術(shù)憑借其操作性強(qiáng)，方便實(shí)用，節(jié)省資源等優(yōu)點(diǎn)而占據(jù)著不可撼動(dòng)的地位，真正實(shí)現(xiàn)了跨行業(yè)、多學(xué)科的交叉滲透，可以想象，在未來(lái)的生活中，3D打印將遍及生活的每一個(gè)角落，但在當(dāng)下，提升用戶的體驗(yàn)感，最大限度地改善現(xiàn)有的技術(shù)壁壘，這些都是需要技術(shù)人員解決的問(wèn)題。
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