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机械设计视角下基于协同打印切片技术的FDM型3D打印机的设计与开发
时间:2020-08-18 08:12 | 栏目:机械论文 | 浏览:次
硕士论文网第2020-08-18期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇机械论文文章《机械设计视角下基于协同打印切片技术的FDM型3D打印机的设计与开发》，供大家在写论文时进行参考。
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本章主要设计了双喷头协同打印机的控制系统，首先对双喷头协同的算法进行了详细设计，保证双喷头工作过程中不会发生干涉。其次对控制硬件系统进行了设计，微控制器采用 Mega2560 作为核心处理器，工作稳定高效；驱动器采用 TB600，对电机的控制更为精准，保证打印质量；温度控制采用 pt100 温度传感器，可对打印温度进行实时监测与反馈。最后根据软件系统的要求，设计了软件系统的整体框图。
第一章 绪论
1.1 课题来源及类型
本课题来源于校企合作项目“基于协同打印切片技术的 FDM 型 3D 打印机的设计与研究”，研究类型为产品研发。
1.2 研究背景
随着经济全球化的快速发展，制造业的竞争愈演愈烈。各个国家为了保持制造业在国际市场的竞争力，对智能制造领域的发展十分重视，多个国家已经提出了二十余个发展智能制造的策略，其中我国提出了“中国制造 2025 ”、“互联网+”等科技强国战略。智能制造己经成为推进制造业快速发展的突破点和世界制造业的发展趋势和方向[1]。同时随着经济的发展，生活节奏的加快，人们对产品性能的要求也越来越高，想要成为市场竞争中的佼佼者，就需要快速、低成本推出满足用户各式需求的产品。顺应人们生活的需求，3D 打印技术成为智能制造领域的“宠儿”，引领着智能制造的发展浪潮，3D 打印技术近些年来发展迅速，3D 打印行业的产值也迅速增长。3D 打印技术将产品的三维模型利用切片软件转化为二维数据，在利用特殊材料将二维数据转化为三维实体，是一种“三维 二维 三维”的加工过程。 相较于传统的加工方式，3D 打印技术是一门综合技术，其中包含了计算机辅助技术、电子电工技术、化学与化工技术等各种先进技术，将传统制造模式中冗长的加工工艺转变为高效、便捷的材料堆积成型。就现代化制造理念而言，3D 打印技术有着独特优势。
（1）复杂结构可成型
随着社会的发展，百姓生活的质量也日益提高，产品性能的也日益丰富，自然产品结构也越来越复杂。传统的加工制造工艺对于结构复杂的产品，需要耗费大量的社会资源，与现代化制造理念背道而驰。3D 打印技术不需要模具、夹具等设备，以数字文件为基础可直接成形，省时、省力和省钱，无论产品的结构如何复杂，都可通过 3D 打印技术加工生产 ，而且还可以达到传统加工技术无法达到的工艺效果。
（2）生产周期短
传统的加工制造技术，从产品设计到成型，不仅需要完整的工艺流程而且还需耗费大量的时间。3D 打印技术融合了多个现代化技术，产品从设计到成型，只需很短的时间，利用产品的三维模型数据即可制造出实体，可更加直观形象的对产品各项性能进行评价，验证设计方案是否准确，节省资源，满足现代制造理念。
（3）定制个性化产品
百姓生活质量的提升，对产品功能的需求也是各式各样，传统的加工制造模式是利用流水线大批量生产，数量虽然多但并不能够满足各式各样功能的需求。3D 打印技术可以根据人们对产品的功能需求，进行个性化定制，单件小批量生产，所需成本也不会太高。步入经济新时代，百姓生活理念的转变结合 3D 打印技术所具有的特殊优势，使得目前 3D 打印技术受到各行各业的青睐，成为资本家眼中的一块“香饽饽”。顺应这一潮流， 3D 打印技术得到快速发展，在材料、生物医疗、儿童教育、食品加工等多个行业受到大规模使用，3D 打印技术在各领域所占比例如图 1.1 所示。美国材料与试验协会(ASTM)把快速制造技术分为七类，其中就包括熔融沉积成型技术(FDM) [2]。 FDM 技术具有工艺简单、绿色环保、适应多种工作环境等多个优势，在目前二十余种 3D 打印技术中鹤立鸡群，基于 FDM 技术所生产的 3D 打印机在市场份额中也是高居不下。
我国作为全球最大的制造业国家，3D 打印技术的发展受到国家政府机关的大力支持。在我国提出的多项有关推进先进制造技术的发展战略中明确提到 3D 打印技术将是未来制造业领域重点发展的技术[3]。但是，目前我国 3D 打印机的普及率还远远不足，整个 3D 打印市场仍有巨大的发展潜力。
第二章 FDM 型 3D 打印机系统方案设计
2.1 基于 FDM 技术 3D 打印原理
FDM 型 3D 打印机基本原理是：将热熔性材料如（PLA）在喷头内加热至熔融状态，喷头由计算机控制，沿着切片模型轮廓轨迹进行移动，将喷头内加热至熔融状态材料用微细喷嘴挤喷出来，自下而上层层叠加完成模型的打印[10]。FDM 技术工艺如图 2.1 所示，相较于其它 3D 打印工艺技术，FDM 技术工艺干净、操作简单、成本低、适用于各种工作环境。
2.2 协同打印的工作原理
如图 2.2 所示，基于协同打印切片技术的 FDM 型 3D 打印机，有两个喷头单元，分别具有独立的 X、Y、Z 三轴运动机构，可以借助特殊设定的切片模型数据分析与处理规则，协同两个喷头的打印工作机制，实现连续两切片间的交替同步打印，即当一个喷头打印第 N 个切片的某个特定区域时，另一个喷头就开始打印第 N+1 层切片，可以有效的缩短连续两个切片之间的打印间隔时间，提高打印机的工作效率。
第三章 FDM 型 3D 打印机机械结构设计
3.1 FDM 型 3D 打印机三轴运动结构设计
3.2 FDM 型 3D 打印机支撑框架设计
3.3 机械系统的三维建模与虚拟装配
3.4 打印机结构的仿真
3.5 原理样机制作
3.6 本章小结
第四章 FDM 型 3D 打印机控制系统设计
4.1 双喷头的协同
4.2 硬件系统设计
4.3 硬件设计
4.4 软件系统的设计
4.5 本章小结
第五章 双喷头协同 3D 打印机实验测试
5.1 实验目的与设计
5.2 切片软件中打印参数设置
5.3 实验结果分析
第六章 总结与展望
6.1 总结
本文研究了市场现有 FDM 型 3D 打印机的工作特点，旨在解决目前 FDM 型 3D打印机打印效率低下的问题，设计了一款能够借助特殊设定的切片模型数据分析，实现双喷头协同打印的 FDM 型 3D 打印机，重点设计了打印机的机械结构，并对打印机控制系统重要的三个模块进行了设计，制作出原理样机。总结如下:
（1）首先介绍了 FDM 型 3D 打印机的工作原理和双喷头协同打印原理，然后根据 双喷头协同打印的技术特点，对打印机的机身结构、运动方式、传动方式进行了设计。机身结构采用对称式双悬臂机构，成型空间大且结构简单；运动方式采用打印平台不动，喷头独自坐 X、Y、Z 三个方向的运动，保证产品的成型质量；传动方式采用 X 和 Y 轴用同步带传动，提高打印机性能，Z 轴采用滚珠丝杠传动保证打印精度。
（2）完成了双喷头协同 3D 打印机主要机械结构的设计，首先对 X、Y、Z 三轴的位移组件进行了详细说明，对其中重要的传动原件同步带以及滚珠丝杠进行了计算以及选型，并对滚珠丝杠进行了强度校核，满足设计要求。然后对整体支撑框架进行了设计，采用标准的工业铝合金型材进行搭建，性价比高 。利用 Silidworks软件对整体的机械结构进行了三维建模以及虚拟装配，并对整个机身进行了静力学分析和模态分析，完全满足设计要求。最后完成了原理样机的制作。
（3）设计了双喷头协同打印机的控制系统，首先对双喷头协同的算法进行了详细设计，保证双喷头工作过程中不会发生干涉。其次对控制硬件系统进行了设计，微控制器采用 Mega2560 作为核心处理器，工作稳定高效；驱动器采用 TB600，对电机的控制更为精准，保证打印质量；温度控制采用 pt100 温度传感器，可对打印温度进行实时监测与反馈。最后根据软件系统的要求，设计了软件系统的整体框图。
（4）完成了双喷头协同 3D 打印机的实验测试，在相同工作环境中，利用ideaMaker 切片软件设置相同打印工艺参数，分别打印了两组不同的模型，通过与现有市场的打印机对比，双喷头协同打印的效率可提高 30%以上，满足预期的目标.
6.2 后期展望
本文所设计的双喷头协同 3D 打印机，已完成原理样机的制作，通过实验测试，双喷头协同工作良好，但仍有许多方面需要继续优化改进。
（1）由于工作量的问题，只完成了原理样机的制作，像一个半成品，可设计一个外形框，保证打印机更加美观、协调。
（1）由于工作量的问题，只完成了原理样机的制作，像一个半成品，可设计一个外形框，保证打印机更加美观、协调。
（2）打印机的机械结构虽符合要求，但有些部分还是不够简单紧凑，可在本文的设计基础上，对打印机的结构继续优化改进。
（3）本文所设计的打印机效率虽然 有显著提升，但打印精度一般。可在保持打印效率的前提下，对提升打印精度做进一步的研究。
（4）本文所设计的双喷头协同 3D 打印机，可为以后双喷头打印机的开发提供一定的参考依据。
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