【正文】 制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進(jìn)行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層。用激光束在計算機(jī)的控制下有選擇地進(jìn)行燒結(jié)，被燒 結(jié)部分固化在一起構(gòu)成了零件的實心部分。 快速成型（ RP）技術(shù)的研究背景 自 美國 3D 公司 1988 年推出第一臺商品 SLA 快速成形機(jī)以來，已經(jīng)有十幾種不同的成形系統(tǒng)，其中比較成熟的有 UV、 SLA、 SLS、 LOM 和 FDM 等方法。 快速原型制造技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法，而基于“材料逐層堆積”的制造理念，將復(fù)雜的三維加工分解為簡單的材料二維添加的組合，它能在 CAD 模型的 直接驅(qū)動下，快速制造任意復(fù)雜形狀的三維實體，是一種全新的制造技術(shù)。 快速成形 （ Rapid Prototyping， RP） 技術(shù)基于離散 /堆積 原理， 采用多種直寫 （ Direct Writing）技術(shù)控制單元材料狀態(tài)，將傳統(tǒng)上相互獨立的材料制備和材料成形過程合，建立了零件成形信息及材料功能信息數(shù)字化到物理實現(xiàn)數(shù)字化之間的直接映射，實現(xiàn)了從材料和零件的設(shè)計思想到物理時間的一體化 [1]。 快速 成型（ RP）技術(shù)是 在 90 年代發(fā)展起來的一項 先進(jìn)制造技術(shù)， 是為制造業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)的一項關(guān)鍵共性技術(shù) , 對促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競爭力有積極的推動作用。 它于 20 世紀(jì) 80 年代后期產(chǎn)生 于美國，很快擴(kuò)展到日本及歐洲，比喻 20 世紀(jì) 90 年代初期引進(jìn)我國，是近 20 年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一項重大突破， 并由此產(chǎn)生一個新興的技術(shù)領(lǐng)域。 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，間接快速制模技術(shù)成為 RP 最重要的應(yīng)用領(lǐng)域；生物活性材料快速成形成為 RP 研究中一個新的熱點，快速成形的生物材料進(jìn)入細(xì)胞和大分子層次；RP 技術(shù)的研究重點逐步轉(zhuǎn)移到快速制造（ Rapid Manufacturing） ，主要是直接金屬件的制造 ，快速成形技術(shù)的概念也由快速原型向快速制造轉(zhuǎn)化 [2]。 快速成型（ RP）技術(shù)的特點 RP 技術(shù)將一個實體的復(fù)雜的三維加工離散成一系列層片的加工，大大降低了加工難度，具有如下特點： （ 1）成型全過程的快速性，適合現(xiàn)代激烈的產(chǎn)品市場； （ 2）可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實體； （ 3）用 CAD 模型直接驅(qū)動，實現(xiàn)設(shè)計與制造高度一體化，其直觀性和易改性為產(chǎn)品的完美設(shè)計提供了優(yōu)良的設(shè)計環(huán)境； （ 4）成型過程無需專用夾具、模具、刀具，既節(jié)省了費用，又縮短了制作周期。 本次畢設(shè)的任務(wù)就是基于各種快速成型技術(shù)中的 FDM 技術(shù)提出來的 快速成型技術(shù)的分類 目前快速成型技術(shù)在“分層制造”思想的基礎(chǔ)上，已出現(xiàn)了數(shù)十種工藝方法，并且新的工藝還在不斷涌現(xiàn)。一層完成后再進(jìn)行下一層，新的一層則與上一層牢固地結(jié)合在一起。一層固 化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再鋪上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。材料擠壓后堆積出一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法制造出來，并與前一個層面熔接在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。如下圖所示： 圖 4 Helisys 公司的 LOM 系統(tǒng)裝置原理圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 6 頁 共 36 頁 5） 其他工藝：還有許多快速成型工藝已經(jīng)投入商品化，如 三維噴涂粘結(jié)（ Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG）、焊接成型（ Welding Forming, WF）、光屏蔽工藝（ Photo— masking, SGC）、直接殼法（ Direct Shell Production Casting, DSPC）、直 接燒結(jié)技術(shù)、數(shù)碼累積成型、熱致聚合、全息干涉制造、模型熔、彈道微粒制造光束干涉固化等。 2) 在快速模具上的應(yīng)用 由于現(xiàn)代社會產(chǎn)品競爭十分激烈 ,產(chǎn)品快速響應(yīng)市場往往是 競爭制勝的關(guān)鍵 ,所以模具快速制造顯得尤為重要。 在 RP 原型制造出來之后 ,以此原型作為基礎(chǔ) ,采用一次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換工藝 ,制造出實際的大批量生產(chǎn)中或產(chǎn)品試制中零件使用的模具 ,稱為間接模技術(shù) ,目前是 RP 技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。 FDM 工藝不使用激光器，其關(guān)鍵技術(shù)在于噴頭，其基本工作原理是：噴頭在計算機(jī)控制下作 XY 聯(lián)動掃描以及 Z 向運(yùn)動，制作材料在噴頭中被加熱并略高于熔點；噴頭在掃描運(yùn)動中噴出熔融的材料，快速冷卻形成一個加工層，并與上一層連接在一起；這樣層層掃描疊加便形成一個空間實體。近年來，美國 3D Systems 公司在 FDM 技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了多噴頭（ MultiJet Manufacture,MJM）技術(shù)，即使用多個噴頭同時造型， 從而提高了造型速度。該公司自 2020 年起在年 RP 設(shè)備銷售臺數(shù)上超過美國 3D System 公司，成為世界上最大的 RP 設(shè)備銷售商，目前 Stratasys 公司每年銷售的 RP 設(shè)備占到全球銷售總量的一半左右。此外，殷華公司近幾年推出了專門用于人體組織工程支架的快速成形設(shè)備Medtiss。 在 FDM 材料方面，熔絲線材料主要是 ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料。根據(jù) Stratasys 技術(shù)報告提供的數(shù)據(jù)，采用 PPSF 材料制造的注塑模具可生產(chǎn) 150 件 POM 零件或者 201 件 PA 零件 [4]。目前，該系統(tǒng)和 使用該系統(tǒng)的制件已經(jīng)制作出來，但是一些工藝參數(shù)（如顆粒度等）還需要進(jìn)一步優(yōu)化。 2020 年他們開發(fā)一種新的鐵 /尼龍的復(fù)合材料，該材料比其他用于快速制模的金屬 /塑料復(fù)合材料擁有更好的性能 [7]。 工藝實驗方面的研究 馬來西亞科學(xué)大學(xué)（ University Sains Malaysia）的 Lee Taguchi method 來獲得使用 FDM 工藝制作 pliant ABS 原型時的最優(yōu)加工參數(shù)。他們使用一個包含 22 個尺寸、幾何精度及表面粗糙度特征的測試件，采用一個具有最少試驗次數(shù)的正交試驗得到 27 個 FDM 原 型；通過使用三坐標(biāo)測量儀和表面粗糙度輪廓儀來測量原型件的各種特征，并使用 MATLAB 軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理，據(jù)此結(jié)果來評估 FDM原型件的質(zhì)量；取并進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化。目前，他們正在對這種新工藝，以及使用這種注塑模制作 出來的塑料件進(jìn)行研究 [12]。顏永年教授還于 2020 年正式提出生物制造工程的概念 [15]，目前他們的研究工在國際上處于領(lǐng)先水平。她們在設(shè)計了 用戶產(chǎn)品之后，使用 FDM 去制作原型，然后進(jìn)行討論。材料在噴頭中被加熱融化，噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出，噴頭沿零件界面輪廓和填充軌跡運(yùn)動是擠出材料，與前一層粘結(jié)并在大氣中迅速固化。一般和噴頭采用推拉相結(jié)合的方式，以保證進(jìn)絲穩(wěn)定可靠，避免斷絲或積瘤。 （ 4）加熱成型室。工作臺主要由臺面和泡沫墊板組成，每完成一層成型，工作臺便下降一層高度。 3)加熱后的熱塑性塑料細(xì)絲像擠牙膏一樣從噴嘴中擠出。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 11 頁 共 36 頁 工藝干凈、簡單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾。 可選用多種材料，如可染色的 ABS 和醫(yī)用 ABS、 PC、 PPSF 等。 FDM 快速成型機(jī) 的總體設(shè)計 圖 5 FDM 快速成型系統(tǒng)原理圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 12 頁 共 36 頁 FDM 快速成型機(jī) 的系統(tǒng)設(shè)計 FDM 控制系統(tǒng)主要由計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件、運(yùn)動控制系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及其機(jī)床開關(guān)量控制系統(tǒng) 5 部分組成。 Z 軸方向采用較小的運(yùn)動速度，保證 Z 軸的精確進(jìn)給， XY 軸空運(yùn)行時使用較高速，噴絲工作時使用較低速，保證工作時間的降低和運(yùn)動的精度 。它控制送絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，從而將實體材料和支撐材料分別送入實體噴頭和支撐噴頭進(jìn)行加熱熔化，并通過擠壓力將材料從噴頭中擠出。計算機(jī)控制系統(tǒng)通過數(shù)字量輸出卡來控制 溫控器的啟停。 圖 6 FDM 快速成型機(jī)結(jié)構(gòu)圖 （字體重標(biāo)） 1) 擠壓噴頭 現(xiàn)在一般 都用雙噴頭獨立工作，一個主噴頭用來噴模型材料制作零件，另一個 副噴頭用來噴支撐材料制作支撐，兩種材料特性不同，制作完畢后去除支撐相當(dāng)容易。工作臺可以任意升降。原料絲直徑一般為 12mm,而噴嘴直徑只有 左 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 14 頁 共 36 頁 右，這個差別保證了噴頭內(nèi)一定的壓力和熔融后的原料能以一定的速度被擠出成型。 3 FDM 快速成型機(jī) X、 Y 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 本次畢業(yè)設(shè)計題目是 立 式加工中心設(shè)計（ X、 Z 方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計、床身設(shè)計），它是一種 數(shù)控加工 設(shè)備，隨著工業(yè)產(chǎn)品的 快速發(fā)展 ，該設(shè)備在機(jī)械行業(yè)中的使用越來越廣泛，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。如圖 31 所示： ⑴ 初算導(dǎo)程 hP (mm) 圖 31 浮動式內(nèi)循環(huán)示意圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 15 頁 共 36 頁 hP ≥ maxv / maxn = 3 ?? mm hP 要符合標(biāo)準(zhǔn)值 , 初選 hP =20mm maxv — 絲杠副最大移動速度， mm/min maxn — 絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速， r/min ⑵ 當(dāng)量載荷 mF (N) 當(dāng)載荷在 minF 和 maxF 之間周期性變化時，載荷按下式計算 F=31 （ 2 maxF + minF ） 絲杠的最大載荷為切削時的最大進(jìn)給力，最小載荷為摩擦力。 b1 絲杠螺紋左端到左軸承的距離 b1，取 60mm b2 絲杠螺紋右端到右軸承的距離 b2，取 40mm Le 余程 Le=40mm La 安全行程 La＝（ 1－ 2） Ph=20mm Lx 機(jī)械最大行程 Lx=1020mm Ln 螺母長度 Ln=84mm L1 絲杠螺紋長度 L1＝ 2Le+2La+Lx+Ln=1300mm Lu 有效行程 Lu＝ L1－ 2Le=1220mm L 左右端軸承之間的距離 Lz＝ L1+b1+b2=1440mm x 軸絲杠最少大于 1440mm,y 軸最少大于 980mm 注： b b2 按經(jīng)驗選取，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計需要的情況下，越短越好。mm/min） 0d maxn =402020=80000≤100000 r為了保證機(jī)床再加工中能夠保證足夠的剛性 以及補(bǔ)償熱膨脹 ，所以在這次的設(shè)計中傳動系統(tǒng)的絲杠采用 一 端軸向固定 ，一端游動 的結(jié)構(gòu)形式 ,見圖 32： 圖 32 滾珠絲杠軸端固定方式 固定端采用 60 度角接觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力 ， 游動端采用深溝球軸承， 安裝還要考慮軸承的預(yù)緊 ， 通過絲杠兩端的六角鎖緊螺母來實現(xiàn)滾珠絲杠的預(yù)緊 ， 防止絲杠發(fā)生軸向竄動。圖 33（ c）的滾珠絲杠 3 外伸端處切有外螺紋，螺母 2 可使 3 產(chǎn)生軸向位移來預(yù)緊。 對比幾種預(yù)緊形式的工作原理和使用場合我采用了六角鎖緊螺母預(yù)緊方式，這種方式的結(jié)構(gòu)特點為：結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛性好，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好。但其缺點是靜摩擦因數(shù)大，動摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度不高。 靜壓導(dǎo)軌因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要供油系統(tǒng)，造價高，維修困難，影響了其 廣泛使用。如工具磨床工作臺導(dǎo)軌、磨床的砂輪休整器導(dǎo)軌及儀器的導(dǎo)軌等。 ⑶ 滾針導(dǎo)軌 滾針導(dǎo)軌的滾針比滾柱的長徑比大，滾針導(dǎo)軌的特點是尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊。預(yù)加負(fù)載的優(yōu)點是提高導(dǎo)軌剛度。 綜合比較，我采用了滾珠導(dǎo) 軌形式。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步距角）。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出 現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中