【文章內(nèi)容簡介】 2)光固化三維快速成型打印技術(shù) 此類技術(shù)原理同樣基于微滴噴射技術(shù)，但由液態(tài)光敏樹脂代替粉末材料作為成型材料，原理是將光敏樹脂按照計算機所設(shè)計的輪廓逐層噴出，并通過紫外光迅速固化成型。噴頭沿平面運動的過程中，將噴射樹脂材料和支撐材料同時噴出，形成所需要的截面，并通過紫外光固化。按此過程不斷重復(fù)，層層疊加。該技術(shù)將噴射成形和光固化成形的優(yōu)點結(jié) 合在一起，大大提高了模具成型精度，并降低了成本。但此類技術(shù)由于需要去除支撐材料，最后還需要通過后處理過程去除多余的支撐材料。此技術(shù)以 OBJETGeometries 公司及 3D Systems 公司等生產(chǎn)的各系列三維打印機為代表。 (3) 熔融材料三維快速成型打印技術(shù) 此類技術(shù)與光固化三維快速成型打印技術(shù)過程比較類似，所使用成型材料為熔融材料，通過加熱材料熔融，使其按照所設(shè)計的輪廓從噴頭噴出，并逐層堆積，同時噴出相應(yīng)的支撐材料成型。與光固化三維打印技術(shù)相比，只是少了紫外光固化過程，過程更簡潔。此技術(shù)以 Solidscape 公司的 T 系列三維成型機為代表， 3D systems 公司也相繼推出了熔融蠟的 3DP 成型機和噴射熱塑性塑料的 3DP 快速成型機。 3D 打印機是一種用于模具制造和快速成型的強大設(shè)備，剛開始，這種設(shè)備主要應(yīng)用在地理勘察、偵測等專業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍非常有限。然而，隨著計算機CAD, CAM 技術(shù)的飛速發(fā)展， 3D打印機應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，目前，在電影動漫、快速成型、工業(yè)制造、建筑設(shè)計、氣象、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域都能用彩色的3D 打印機制作需要的模型、沙盤、零件等。更為重要的是， 3D 打印機不僅簡單 地改變了快速成型工廠的的生產(chǎn) 方式，有效地給制造業(yè)帶來了一場革命，未來，3D 打印機還將進入到我們每個人的辦公室或者家庭等私人空間中，給我們的生活帶來革命性的變化。它將簡單的二維打印變成了立體打印，給社會帶來了極大地變革，也使得原本只能在工廠進行的模型打印可以搬入辦公室。 根據(jù)三維快速成型技術(shù)種類的不同，所使用的成型設(shè)備略有不同，針對本研究，對粉末成型三維快速成型技術(shù)設(shè)備進行描述。 3DP 打印機外型上與普通的打印機區(qū)別不大，設(shè)備左面是供粉缸，粉末材料被放置在里面并通過鋪粉餛均勻逐層分布到右邊成型缸部分，是快速成型過程的起始位置，右面的成 型缸就是部件制作的地方。在工作平臺的里面是一個平整的金屬盤，上面一層層微細的粉末由鋪粉餛從供粉缸中移動過來并鋪開，粉末平鋪后，在制作過程中由打印頭按輪廓逐層噴出液體粘結(jié)劑進行粘結(jié)。三維打印機在普通打印機基礎(chǔ)上多了垂直方向的運動，使得平面打印變成了立體打印，在電腦控制下中進行通過鋪粉餛、打印頭等組件的不斷運行完成打印任務(wù)，主要打印過程在成型缸供粉缸只做提供每層的粉末所用，如圖 1圖 14 所示。 圖 13 三維打印成型機實體 圖 14 三維打印成型機的機械系統(tǒng) 本章小結(jié) 本章主要對 3D 快速 技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景作了簡單的介紹，并對 3D 蛋糕打印機的結(jié)構(gòu)作了說明，引出了本論文的研究的主體內(nèi)容 —— 3D 蛋糕打印機機構(gòu)的設(shè)計與數(shù)字化建模。通過方案的提出和比較，選擇了最優(yōu)方案，對其詳細設(shè)計并建模。 第 2 章 3D 蛋糕打印機的方案設(shè)計 3D 蛋糕打印機機主要由 z 向進給系統(tǒng)、托盤、滾筒、噴膠系統(tǒng)、機架和機座等部件構(gòu)成。 3D 蛋糕打印機主要起以下作用： Z 向的軸向進給運動； X 軸方向的運動； 3 蛋糕成品成型。 通過對國內(nèi)外在 3D 蛋糕打印機 Z 向給給運動做的研究進行分析和總結(jié)，考慮到要實 現(xiàn) Z 向的直線進給運動，通過篩選做出如下方案進行分析、研究和優(yōu)化，以便確定最終方案。 方案提出 液壓傳動 液壓傳動的優(yōu)點： （ 1）體積小、重量輕，例如同功率液壓馬達的重量只有電動機的 10%～ 20%。因此慣性力較小，當(dāng)突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊； （ 2）能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)牽引速度，并可實現(xiàn)無級調(diào)速，且調(diào)速范圍最大可達 1： 2020(一般為 1： 100）。 （ 3）換向容易，在不改變電機旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實現(xiàn)工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運動的轉(zhuǎn)換； （ 4）液壓泵和液壓馬達之間 用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制； （ 5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用 壽命 長； （ 6）操縱控制簡便，自動化程度高； （ 7）容易實現(xiàn)過載保護。 （ 8) 液壓元件實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計、制造和使用。 圖 21 液壓方案示意圖 液壓傳動的基本原理： 液壓系統(tǒng) 利用 液壓泵 將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種 控制閥 和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件 (液壓缸 或 馬達 )把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和回轉(zhuǎn)運動。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和 機械傳動 中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動 元件相類似。 氣壓傳動 氣壓傳動具有以下獨特的優(yōu)點： （ 1）以空氣作為工作介質(zhì)，取之不盡，處理方便，用過以后直接排入大氣，會污染環(huán)境，且可少設(shè)置或不必設(shè)置回氣管道。 （ 2）空氣的黏度很小，只有液壓油的萬分之一，流動阻力小，所以便于集中供氣，中、遠距離輸送。 （ 3）氣動控制動作迅速，反應(yīng)快；維護簡單，工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)和更換等問題。 （ 4）工作環(huán)境適應(yīng)性好。無論是在易燃、易爆、多塵埃、輻射、強磁、振動、沖擊等惡劣的環(huán)境中，氣壓傳動系統(tǒng)工作安全可靠。 （ 5）氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造， 使用壽命長，可靠性高。 圖 22 氣壓方案示意圖 氣壓傳動以壓縮氣體為工作介質(zhì)，靠氣體的壓力傳遞動力或信息的流體傳動。傳遞動力的系統(tǒng)是將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制閥輸送給氣動執(zhí)行元件，把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能而作功；傳遞信息的系統(tǒng)是利用氣動邏輯元件或射流元件以實現(xiàn)邏輯運算等功能，亦稱氣動控制系統(tǒng)。 直線電動機傳動 直線電動機裝置具有如下優(yōu)點： 直線電動機由于不需要中間傳動機械，因而使整個機械得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪聲。 快速響應(yīng)。用直線電動機驅(qū)動時，由于不存在中間傳動 機構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時間短，可實現(xiàn)快速啟動和正反向運行。 儀表用的直線電動機，可以省去電刷和換向器等易損零件，提高可靠性，延長使用壽命。 直線電動機由于散熱面積大，容易冷卻，所以允許較高的電磁負荷，可提高電動機的容量定額。 裝配靈活性大，往往可將電動機和其它機構(gòu)合成一體。 圖 23 直線電機驅(qū)動示意圖 電動推桿驅(qū)動 電動推桿驅(qū)動的優(yōu)點： 1 設(shè)計新穎精致、體積小 ； 2 精度高 ； 3 能實現(xiàn) 完全同步 ； 4 具有非常好的 自鎖性能 ； 5 干凈、 衛(wèi)生， 非常適合食品加工； 6 電機 直接驅(qū)動，不需要管道的氣源、油路，現(xiàn)已大量用于生產(chǎn)線 ； 7 操作簡單，維修方便。 圖 24 電動推桿驅(qū)動示意圖 電動機經(jīng)齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，利用電動機正反轉(zhuǎn)完成推桿動作。如通過各種杠桿、搖桿或連桿等機構(gòu)可完成轉(zhuǎn)動、搖動等復(fù)雜動作。通過改變杠桿力臂長度，可以增大或加大行程。 行程控制裝置 經(jīng)電機齒輪上的渦桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，使渦輪內(nèi)的小絲桿作軸向移動，由連接板帶動限位桿相應(yīng)作軸向移動，至所需行程時，通過調(diào)節(jié)限位塊壓下行程開關(guān)斷電，電動機停止運轉(zhuǎn)（正反控制相同）。 方案比較 上一節(jié)中對托盤的直線進給系統(tǒng)給出了四種傳動方案，本節(jié)中將對上述四種方案做進一步的分析和研究，以便進行方案的比較，以求確定出最終方案，便于在下一節(jié)中進行方案的優(yōu)化，得出最優(yōu)方案。 方案一采用液動系統(tǒng)作為動力源實現(xiàn)壓印頭的直線進給運動，液動系統(tǒng)由控制、動力和執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成。本方案采用壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥實現(xiàn)控制，液動系統(tǒng)由電動機提供動力，液壓缸作為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復(fù)移動。液動系統(tǒng)具有發(fā)力大、便于控制的優(yōu)點，是適合壓印的，但結(jié)構(gòu)比氣動機構(gòu)還小，故不便于采用；同時考慮到液 動裝置具有以下缺點： （ 1）使用液壓傳動對維護的要求高，工作油要始終保持清潔； （ 2）對液壓元件制造精度要求高，工藝復(fù)雜，成本較高； （ 3）液壓元件維修較復(fù)雜，且需有較高的技術(shù)水平； （ 4）液壓傳動對油溫變化較敏感，這會影響它的工作穩(wěn)定性。因此液壓傳動不宜在很高 圖 25 液壓缸 或很低的溫度下工作，一般工作溫度在 15℃~60℃ 范圍內(nèi)較合適。 （ 5）液壓傳動在能量轉(zhuǎn)化的過程中，特別是在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，其壓力大，流量損失大，故系統(tǒng)效率較低。 （ 6）由于液壓傳動中的泄漏和液體的可壓縮 性使這種傳動無法保證嚴(yán)格的傳動比。 由于 3D 蛋糕打印對工作環(huán)境有一定的要求，因此我們必須嚴(yán)格控制機器設(shè)計中出現(xiàn)污染源，液動傳動系統(tǒng)運動速度不是很穩(wěn)定，且容易出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象，因此該方案也不適合本次 3D 蛋糕打印機的設(shè)計要求，綜合考慮以上各方面的因素，最終淘汰了本方案。 方案二采用氣動系統(tǒng)作為動力源 實現(xiàn)托盤的直線進給運動，單就運動形式可以滿足運動要求，且氣動裝置安全、可靠、成本低，使用維修方便，是一個不錯的設(shè)計方案。但考慮到氣壓傳動的一下缺點：（ 1）空氣可壓縮性大 ,載荷變化時 ,傳遞運動不夠平穩(wěn)、均勻； (2)工作 壓力不能過高 ,傳動效率低 ,不易獲得很大的力或力矩 。(3)有較大的排氣噪聲。 綜合考慮以上各方面的因素，在本次設(shè)計中淘汰了氣動系統(tǒng)方案。 方案三采用直線電動機系統(tǒng)，直線電動機與托盤連接，直接實現(xiàn) Z 向的進給運動，省掉了中間的傳動機構(gòu)，提高了機構(gòu)的工作效率，能夠完全滿足精度要求，同時直線電動機具有良好的加減速特性，減少了上升過程中不必要的沖擊，保護了蛋糕結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。從這幾方面可以看出直線電動機是一個很不錯的選擇。但蛋糕打印機對傳動系統(tǒng)的要求不是非常高，由普通的進給系統(tǒng)就能滿足設(shè)計的 要求，同時直線電動機昂貴 ，在精度要求不是非常高時，盡可能的不去選擇該系統(tǒng)。 方案四采用電動推桿系統(tǒng)， 電動推桿是一種將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運動的電力驅(qū)動裝置?？捎糜诟鞣N簡單或復(fù)雜的工藝流程中做為執(zhí)行機械使用，以實現(xiàn)遠距離控制、集中控制或自動控制。 綜合考慮經(jīng)濟性，穩(wěn)定性，精度要求我們最終選擇該方案作為最終的方案。 本章小結(jié) 本章詳細論述了在設(shè)計過程中擬定的四種設(shè)計方案，以及它們的優(yōu)缺點及使用范圍。通過對各種方案的比較，綜合考慮經(jīng)濟性，可行性等因素，最終決定采用電動推桿驅(qū)動的傳動方案。 第 3 章 3D 蛋糕打印機的具體設(shè)計 電動推桿的設(shè)計與選擇 DTZ 系列電動推桿，主要用于風(fēng)擋、漏斗開閉、亦可在送料、提升、間隙送進料、夾緊、翻轉(zhuǎn)等各種場合使用，其結(jié)構(gòu)是電機、（減速機）、推桿采用平行形式邊接，其功能屬于占空間小實用型 電動推桿 。 電動機 小齒輪 大齒輪 滑座 安全開關(guān) 撥桿 螺桿 螺母 彈簧 導(dǎo)套 1導(dǎo)軌 1推桿 1軸頭 圖 31 電動推桿結(jié)構(gòu)圖 圖 32 電動推桿安裝尺寸 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求我們選擇 DIA100 的電筒推桿，詳細參數(shù)： 最小推力（ ） : 100 速度范圍（ mm/s）： 42 標(biāo)準(zhǔn)行程（ mm） : 500 功率（ kw）： (mm): 690 880 A:207 A1:120 A2:135 A3:78 B。109 B1： 71 C:20 D。34 D1:57 D2:112 D3:34 D4:10 D5:25 E:30 E1： 16 E2:42 DIZ100 型電動推桿支撐架安裝尺寸 L： 130 L1： H： 210 h1： 248 b： 75 b1： 130 4Ф ： 9 圖 34 電動推桿樣桿 電動機的選型 直線 結(jié)構(gòu)簡單 ， 管型直線電機不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運動，使結(jié)構(gòu)大大簡化，運動慣量減少，動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高；同時也提高了可靠性，節(jié)約了成本，使制造和維護更加簡便 。我們決定采用直線電機作為滾筒的動力源。選型過程如下： 有設(shè)計任務(wù)書可以得到以下參考數(shù)據(jù)： 質(zhì)量 1000g 工作行程 1200mm 滾筒工作面積 1200mm 500mm 進給速度 600mm/min 計算負載 NmgF ???? （ 31） 計算電動機的輸出功率 將進給速度換算為國際單位： smsm /????? ?