【文章內(nèi)容簡介】 溶材料。比如水溶材料，或者低于模型材料熔點(diǎn)的熱熔材料。熔積成型件的翹曲變形小，材料利用率高，但成型件的表面 有明顯的條紋，材料貴。 使用“激光燒結(jié)”的技術(shù)，其以粉末微粒作為打印介質(zhì)。 打印材料 被 均勻 撒在 工作平臺 上形成一層極薄的 材料 層， 然后 熔鑄成指定形狀， 最后通過 液態(tài)粘合劑進(jìn)行固化。 激光燒結(jié)成型過程中會有很多粉塵，這些粉塵會污染工作空間，所以一般使用激光燒結(jié)打印時需要一個獨(dú)立的工作空間。激光燒結(jié)的實(shí)體一般不能直接進(jìn)行裝配和性能檢驗(yàn)，成型件需要較長的一段時間來釋放內(nèi)應(yīng)力，表面質(zhì)量一般。能耗大、成本高。 利用真空中的電子流熔化粉末 材料 ， 如果出現(xiàn)了復(fù)雜的懸臂結(jié)構(gòu)或者孔時，打印過程終究需要添加支撐來填補(bǔ)空缺的空間 。這 部分粉末不會被熔鑄，最后只需用水或氣流沖洗掉支 撐物便可形成孔隙。 使用“熔絲制造”的方法，將直徑為 3mm的聚乳酸（ PLA）或者ABS 樹脂絲通過擠出機(jī)送入加熱噴頭熔化，隨著不斷的送絲，熔化的絲在噴頭出頭會被擠出，噴頭在一個平面移動時形成一條有厚度的線，噴頭不斷運(yùn)動，線會變?yōu)槊?，?dāng)打印完一層后噴頭太高一定高度繼續(xù)打印第二次，依此往復(fù)堆積形成一個實(shí)體。熔絲制造的材料成本較低，設(shè)備成本則有所需精度決定，實(shí)現(xiàn)起來較為容易，保養(yǎng)維護(hù)也很方便。 機(jī)械結(jié)構(gòu) 河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 4 3D 打印機(jī)的主流結(jié)構(gòu)有開源的 reprap 系列、 Ultimaker 、 printrbot 還有曾經(jīng)開源的 Makebot 系類。 reprap 系列基本上是三角形的，而 Ultimaker、 Makebot 系列是矩形盒狀， printrbot是矩形支架的。 從精度，裝備，價格等權(quán)衡，選取三角型結(jié)構(gòu)是比較好的，在三角形結(jié)構(gòu)中， reprap系列最為流行，而其分支眾多，主要有 mendel 、 huxley 和 Prusa 這三個分支。其結(jié)構(gòu)簡單、組裝維修等都很方便，對于光軸等切割的要求不高，需要的部件少。但其自作精度低，打印是物體隨熱床在 Y 軸方向移動。 圖 三角洲結(jié)構(gòu) 3D 打印機(jī) 圖 結(jié)構(gòu) 3D 打印機(jī) 目前市場上最為普及的機(jī)型是矩形盒式結(jié)構(gòu)，從 3D 打印機(jī)的發(fā)展來看，這種機(jī)械業(yè)是較為完整的。其打印精度高、打印速度快，安裝精度高。但其裝配較為復(fù)雜，維修困難，部件加工精度要求高，整機(jī)成本高。 河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 圖 矩形盒式打 3D 打印機(jī) 圖 矩形盒式 3D 打印機(jī) 此次設(shè)計中所用的是 delta 結(jié)構(gòu)，它有 3 個自由度，即 X 軸， Y 軸， Z 軸 3 個方向上 的位移，將噴頭作為動平臺。 河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 3 Kossel 3D 打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的功能分析與中總體方案設(shè)計 Kossel 3D 打印機(jī)的運(yùn)動過程分析 圖 運(yùn)動過程原理圖 Kossel 3D 打印機(jī)各部件的運(yùn)動方向如圖所示，當(dāng)紅色部件（ 即滑塊 ）同時分別運(yùn)動時，可以使藍(lán)色部件 ( 即打印頭 )在一定空間范圍內(nèi)達(dá)到任意位置。左邊滑塊1 向上或向下運(yùn)動打印頭 4 向運(yùn)動滑塊方向靠近同時上升或遠(yuǎn)離同時下降；左邊滑塊2 向上或向下運(yùn)動打印頭 4 向運(yùn)動滑塊方向靠近同時上升或遠(yuǎn)離同時下降；左邊滑塊3 向上或向 下運(yùn)動打印頭 4 向運(yùn)動滑塊方向靠近同時上升或遠(yuǎn)離同時下降。當(dāng)三個滑塊同時運(yùn)動相互配合時，可以使打印頭在水平平面內(nèi)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)一層一層的打印堆疊。 功能分解與基本實(shí)現(xiàn)方案 3D 打印機(jī)基本功能的方案選擇和實(shí)現(xiàn)方式如下。 打印頭的功能 本可以采用的是“熔絲成型”的方法原理在構(gòu)建這臺打印設(shè)備，故選擇使用電加熱型噴頭，配合熱熔絲使用。 1 2 3 4 河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 圖 加熱噴頭結(jié)構(gòu) 圖 加熱噴頭 打印頭用于將固體打印材料融化并通過噴嘴噴出形成線條，又由線構(gòu)成面。市場上現(xiàn)有噴嘴口徑有 ，可以用于打印不同精度的物體。 熱熔絲的選擇 熱熔絲相當(dāng)于傳統(tǒng)打印機(jī)中的墨水或者碳粉。目前最為常見的的熱熔絲材料有兩種，一種是 PLA（即生物降解塑料聚乳酸；別稱聚乳酸），另一種是 ABS 樹脂。 ABS樹脂是一種耐用的熱熔材料，可以打磨、上色、粘合，抗沖擊、耐熱，打印擠出溫度在 210℃左右。打印時需要熱床，熱床溫度為 110℃，若無熱床則打印件會出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。 ABS 是先出現(xiàn)的材料，現(xiàn)在更多的人選用了 PAL。 PAL 是一種生物材料，在一 定情況下可以降解。 PLA 更是一種環(huán)保材料，加熱時河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 不會像 ABS 那樣發(fā)出刺激氣味，它的熔點(diǎn)相對 ABS 低一些，在 180℃的既然頭中可以擠出，但冷卻后非常堅硬。 PLA 打印時可以不配熱床，如果想提高打印質(zhì)量可用熱床，溫度設(shè)置在 60℃， PLA 材料的冷卻時間很長，打印時需要在噴頭處配合一個供冷卻用的小風(fēng)扇。 熱熔絲直接一般為 和 3mm，最開始使用的標(biāo)準(zhǔn)為 3mm，但 逐漸被更多人使用。 本設(shè)計中，將使用 熱熔絲作為打印機(jī)的打印材料，目前市場上的 PLA材料在 68200 元 /盤不等，一盤一般 為 1kg，長約 400m。 圖 傳動方式的選擇 傳動裝置作為傳遞力和運(yùn)動的裝置，他的主要作用是能量分配、運(yùn)動傳動、運(yùn)動方式轉(zhuǎn)換、變速。本設(shè)計中主要運(yùn)動是滑塊的垂直運(yùn)動，考慮到的傳動方式主要為兩種，一種是滾珠絲杠螺母傳動，另一種是同步輪同步帶傳動。 （ 1） 滾珠絲杠螺母傳動 滾珠絲杠螺母傳動可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或者把直線運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。其機(jī)構(gòu)雖然復(fù)雜、制造成本高，但是其摩擦阻力小、傳動效率高，通常高達(dá) 92%98%，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛。 河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 （ 2） 同步輪同步帶傳動 同步輪同 步帶傳動可將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變?yōu)橥綆У闹本€運(yùn)動，帶內(nèi)側(cè)為齒狀，同步帶傳動時傳動比準(zhǔn)確，對軸的作用力小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、耐磨、耐油、抗老化、可低速運(yùn)轉(zhuǎn)。 對比兩種傳動方式，同步帶傳動成本相對較低，并可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)動精度，所以選擇同步帶傳動作為此設(shè)計的傳動方式。 滑塊的運(yùn)動與實(shí)現(xiàn) 圖 滑塊運(yùn)動原理 伺服電機(jī)軸上裝有齒輪，導(dǎo)桿上方也裝有齒輪，將同步帶的兩端固定在滑塊上，并將同步帶套在兩齒輪上。當(dāng)伺服電機(jī)工作時，電機(jī)上的齒輪旋轉(zhuǎn)同時帶動同步帶運(yùn)動，同步帶又帶動滑塊運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)滑塊在導(dǎo)桿上的上下 運(yùn)動。 總體方案設(shè)計 通過上述分析與綜合，并閱讀參考文獻(xiàn)，得出以下兩種總體方案。 第一種為雙導(dǎo)桿滑塊方案，通常采用的是滑動軸承，即采用兩根圓柱形導(dǎo)桿來配合一個滑塊，這種方案的導(dǎo)桿的加工精度低，使得打印精度也低，導(dǎo)桿安裝精度要求高，需要保證兩桿的平行度；但平穩(wěn)性較好，成本低。 第二種為單導(dǎo)桿滑塊方案，即采用直線導(dǎo)軌來配合一個滑塊，導(dǎo)桿采用現(xiàn)成直線河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 導(dǎo)軌配合鋁合金型材構(gòu)成，這種方案的有點(diǎn)：導(dǎo)桿的安裝精度高，零件加工裝配簡單，同時總體結(jié)構(gòu)簡化；但成本高。 總體方案確定 兩種方案相比較，第一種方案雖然精度 不夠高，第二種方案精度更高一些，并且其結(jié)構(gòu)更為簡單可滿足拆解方便、結(jié)構(gòu)小巧的要求，同時調(diào)整維護(hù)更為方便，成本較相差不大。 故綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)選擇方案二。 4 Kossel 3D 打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計 標(biāo)準(zhǔn)件（外購件）選型 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或直線位移的一種執(zhí)行元件。每輸入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)一個固定角度連續(xù)發(fā)送脈沖轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)輸出量角位移與輸入量電脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，即控制了脈沖個數(shù)、頻率和定子通電方式，就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移、轉(zhuǎn) 速、轉(zhuǎn)向。 步進(jìn)電機(jī)具有如下幾個特點(diǎn) : (1)快速啟停；（ 2）精度高；（ 3）能夠直接接收數(shù)字信號；（ 4）不需要位移傳感器就可以較為精確的定位。（ 5）控制性能好，在啟停、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”。 另外步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不容易受到各種干擾因素的影響，比如電源電壓波動、電流大小與波形變化、溫度等，只要在這些因素未引起步進(jìn)電機(jī)“丟步”，其就可以正常工作。步進(jìn)電機(jī)的步距角會存在誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)后悔出現(xiàn)誤差的累積，不過當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，累積誤差會消失。因而將步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于開環(huán)控制機(jī)電一體化系統(tǒng)中是很好的，不僅簡化了系統(tǒng)， 還能獲得較高的位置精度。 步進(jìn)電機(jī)的選擇計算： 已知：直線平臺垂直方向上運(yùn)動，見圖 ,重復(fù)定位誤差 ≦ ，平臺運(yùn)動河北 工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 質(zhì)量為 M=260g=。 （ 1） 運(yùn)動學(xué)計算 平均速度 V=30mm/s=設(shè)加速度時間為 （步進(jìn)電機(jī)一般取加速度時間為 ），則加減速時間一共為； 平臺向上運(yùn)動加速度： ）（上 gtv ????a ==178。 平臺向下運(yùn)動加速度： ）（下 gtv ????a =+=178。 （ 2） 運(yùn)動學(xué)計算 垂直運(yùn)動導(dǎo)軌滑塊摩擦力 f=0 同步帶上需要的拉力： 上上 aMF ? +f== 下下 aMF ? +f== 慣性力： 上上 a1