【導(dǎo)讀】本文介紹了3D打印背景，包括3D打印的概念、起源及現(xiàn)狀、發(fā)展歷程和技術(shù)特。齒輪系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中舉足輕重，是極為重要的一環(huán)。對齒輪系統(tǒng)要求趨于精密化和個性化。3D打印機(jī)是3D打印技術(shù)的具體表現(xiàn)，3D打印機(jī)的種類繁多，參差不齊。產(chǎn)，而不是僅僅只能小批量生產(chǎn)。3D打印技術(shù)用于制作齒輪系統(tǒng)將具備廣闊的發(fā)展空。本論文以設(shè)計一個單級圓柱齒輪減速器為例，充分考慮減速器的工作情況，設(shè)計減。速器內(nèi)外部結(jié)構(gòu),繼而設(shè)計出符合要求的減速器。然后通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入，利用Pro/E軟件。采用3D打印機(jī)打印出高分子材料的減速器實(shí)物。

　　

【正文】 4V， 電流在 8A以上，整個打印機(jī)的最大消耗電源部件是擠出器和打印平臺。 3D 打印工作流程 在如圖 所示的控制結(jié)構(gòu)下， 3D 打印機(jī)的工作流程如圖 2 所示。 3D模型的構(gòu)建及模型的檢查與修改器由三維設(shè)計軟件來實(shí)現(xiàn)，模型的切片及計算刀具路徑由切片軟件來實(shí)現(xiàn)，控制底層固件打印由控制程序來實(shí)現(xiàn)。整個過程從 3D 模型開 始，它是 STL格式的，該模型須適應(yīng) 3D 打印機(jī)的尺寸?？刂瞥绦颢@取 3D 模型，并把它送給切片程序。切片器程序把 3 維模型切分成適合于 3D 打印的切片。這個過程生成告訴 3D 打印機(jī)把擠出器移動到哪、何時擠出、擠出多少的 G 代碼。這些 G 代碼被打印機(jī)控制軟件發(fā)送給微控制器上的固件，固件是裝載在微控制器的特殊的程序代碼，它負(fù)責(zé)解析從打印機(jī)控制程序發(fā)來的 G 代碼命令，控制所有的電器元件（包括步進(jìn)電機(jī)和加熱器）。固件根據(jù)從控制程序發(fā)來的指令來建造 3D 模型，并把溫度、位置和其他信息發(fā)送給控制程序。 圖 3D 打印工作流程及各部 件關(guān)系 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 3D 打印齒輪系統(tǒng)的制造過程 打印齒輪模型的前處理 （ 1） CAD 三維造型 三維實(shí)體造型是 CAD 模型的最好表示，也是快速原型制作必須的原始數(shù)據(jù)源。沒有CAD三維數(shù)字模型，就無法驅(qū)動模型的快速原型制作。 CAD 模型的三維造型可以在 UG、Pro/E、 Catia 等大型 CAD 軟件以及許多小型的 CAD軟件上實(shí)現(xiàn)，此次制作的齒輪系統(tǒng)模型就是運(yùn)用 Pro/E 軟件來建造數(shù)據(jù)模型的。 （ 2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是對產(chǎn)品 CAD模型的近似處理，主要是生成 STL 格式的數(shù)據(jù)文件。 STL 數(shù)據(jù)處理 實(shí)際上就是采用若干小三角形片來逼近模型的外表面。這一階段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的 CAD 三維設(shè)計軟件系統(tǒng)都有 STL 數(shù)據(jù)的輸出。其中 Pro/E 中當(dāng)然也有，只需要簡單的保存為 STL 格式的文件 就能輸入 3D 打印機(jī)里面完成相應(yīng)的打印。 （ 3）確定擺放方位 擺放方位的處理是十分重要的，不但影響著制作時間和效率，更影響著后續(xù)支撐的施加以及原型的表面質(zhì)量等，因此，擺放方位的確定需要綜合考慮上述各種因素。一般情況下，從縮短原型制作時間和提高制作效率來看，應(yīng)該選擇尺寸最小的方向作為疊層方向。但是，有時 為了提高原型制作質(zhì)量以及提高某些關(guān)鍵尺寸和形狀的精度，需要將最大的尺寸方向作為疊層方向擺放。有時為了減少支撐量，以節(jié)省材料及方便后處理，也經(jīng)常采用傾斜擺放。確定擺放方位以及后續(xù)的施加支撐和切片處理等都是在分層軟件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。對于上述的小扳手，由于其尺寸較小，為了保證軸部外徑尺寸以及軸部內(nèi)孔尺寸的精度，選擇直立擺放。同時考慮到盡可能減小支撐的批次，大端朝下擺放。 （ 4）施加支撐 擺放方位確定后，便可以進(jìn)行支撐的施加了。施加支撐是光固化快速原型制作前處理階段的重要工作。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型，支撐的施加是費(fèi)時而 精細(xì)的。支撐施加的好壞直接影響著原型制作的成功與否及制作的質(zhì)量。支撐施加可以手工進(jìn)行，也可以軟件自動實(shí)現(xiàn)。軟件自動實(shí)現(xiàn)的支撐施加一般都要經(jīng)過人工的核查，進(jìn)行必要的修改和刪減。為了便于在后續(xù)處理中支撐的去除及獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，目前，比較先進(jìn)的支南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 撐類型點(diǎn)支撐，即在支撐與需要支撐的模型面是點(diǎn)接觸。 支撐在快速成型制作中是與原型同時制作的，支撐結(jié)構(gòu)除了確保原型的每一結(jié)構(gòu)部分都能可靠固定之外，還有助于減少原型在制作過程中發(fā)生的翹曲變形。從圖 可見，在原型的底部也設(shè)計和制作了支撐結(jié)構(gòu)，這是為了成型完畢后能方便地從 工作臺上取下原型，而不會使原型損壞。成型過程完成后，應(yīng)小心地除去上述支撐結(jié)構(gòu)，從而得到最終所需的原型。 圖 支撐結(jié)構(gòu)示意圖 （ 5）切片分層 支撐施加完畢后，根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)定的分層厚度沿著高度方向進(jìn)行切片，生成 RP 系統(tǒng)需求的SLC 格式的層片數(shù)據(jù)文件，提供給光固化快速原型制作系統(tǒng)，進(jìn)行原型制作。 3D 打印齒輪模型原型制作 3D 打印過程是在專用的 3D 打印機(jī)上進(jìn)行。在原型制作前，需要提前啟動 3D 打印機(jī)系統(tǒng)，使得高分子材料的溫度 達(dá)到預(yù)設(shè)的合理溫度，激光器點(diǎn)燃后也需要一定的穩(wěn)定時間。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，啟動原型制作控制軟件，讀入前處理生成的層片數(shù)據(jù)文件。 在模型制作之前，要注意調(diào)整工作臺網(wǎng)板的零位與高分子材料的位置關(guān)系，以確保支撐與工作臺網(wǎng)板的穩(wěn)固連接。當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后，就可以啟動疊層制作了。整個疊層的光 3D 打印過程都是在軟件系統(tǒng)的控制下自動完成的，所有疊層制作完畢后，系統(tǒng)自動停止。界面顯示了激光能源的某些信息、激光掃描速度、原型幾何尺寸、總的疊層數(shù)、目前正在固化的疊層、工作臺升降速度等有關(guān)信息。 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 3D 打印齒輪模型后處理 在 3D 打印系統(tǒng)中原型疊層制作完畢后，需要進(jìn)行剝離等后續(xù)處理工作，以便去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)等。對于光固化成型方法成型的原型，還需要進(jìn)行后處理等，下面以某一 3D 打印原型為例給出其后續(xù)處理的步驟和過程。 （ 1）原型疊層制作結(jié)束后，工作臺升出液面，停留 5~10min，以晾干多余的高分子材料。 （ 2）將原型和工作臺一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液體中，攪動并刷掉殘留的氣泡。持續(xù) 45min 左右后放入水池中清洗工作臺約 5min。 （ 3）從外向內(nèi)從工作臺上取下原型，并去除支撐結(jié)構(gòu)。 （ 4）再次清洗后置于紫外烘箱中進(jìn)行 整體后固化。 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 結(jié) 論 3D 打印技術(shù)當(dāng)前在國內(nèi)的市場極其火爆，學(xué)術(shù)界把它稱為“第三次工業(yè)革命”的開始。但目前的 3D 打印，特別是中國的 3D 打印技術(shù)相比于歐美發(fā)達(dá)國家相對滯后。本論文論述了 3D 打印的歷史及發(fā)展?fàn)顩r，并展望了其在機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展前景。 無論是在大型機(jī)械，還是在小家電中，齒輪系統(tǒng)都是必不可少的。他們在里面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。本文作者曾在一家外資吸塵器公司實(shí)習(xí)。在許多型號的吸塵器中，其核心工作部件與齒輪系統(tǒng)密不可分。尤其在機(jī)器人吸塵器和某些智能型吸塵器中，齒輪系統(tǒng)運(yùn)用更為廣泛。 打印在國內(nèi)還 尚未廣泛的商業(yè)化，很多人一聽 3D 打印都覺得屬于高端產(chǎn)品，其實(shí) 3D打印與普通的制造技術(shù)在相當(dāng)多的方面區(qū)別不大。盡管目前 3D 打印所制造出的零件可能沒有用鑄造模具做出來的零件那么可靠，值得人們信任。但 3D 打印的簡便性是它最大的特點(diǎn)，例如：一個零件可能出現(xiàn)設(shè)計上的不合理，如果用一般的鑄造技術(shù)的話 要先改圖紙 再通過該模具才能再生產(chǎn)運(yùn)用。而利用 3D 打印技術(shù)，你只要稍微修改圖紙，然后放到 3D 打印機(jī)上把它打出來即可，節(jié)省時間又節(jié)省原材料。然后就可以作為代替品運(yùn)用生產(chǎn)中。 2. 本文中所設(shè)計的齒輪系統(tǒng)，是在使用常規(guī)材料的前提下 設(shè)計的，但由于目前 3D打印技術(shù)的局限性，我們只能采用高分子材料打印，效果肯定和設(shè)計的略有出入。由于本文的齒輪系統(tǒng)只是作為實(shí)例，所以設(shè)計較為簡單，讓大家能夠很直觀的理解設(shè)計過程。 3D 打印現(xiàn)在還未真正的進(jìn)入鼎盛時期，但其的運(yùn)用已經(jīng)十分的廣泛了。我們可以預(yù)料到，再過 10 年， 20年 3D 打印會真正進(jìn)入我們?nèi)粘５纳钪小Ｄ菚r候 3D 我們可能就離不開 3D 打印了。 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 致 謝 在本論文即將完結(jié)之際，作者的內(nèi)心無法的平靜。 本文 的完成既是作者孜孜不倦努力的結(jié)果，也是導(dǎo)師于波老師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)的結(jié)果。在整個論文過程中，導(dǎo)師都給我了精心的指導(dǎo)，熱忱的鼓勵和支持。導(dǎo)師多次給我修改論文，并提出自己的看法與我討論，讓我看到了自己論文里面的不足。我也要感謝這四年來，教過我功課的老師們，沒有你們?yōu)槲掖蛳碌幕A(chǔ)，我也很難完成這篇論文。 感謝我的家人，在我的求學(xué)路上，是他們?yōu)榧彝サ哪冻龊蛯ξ业闹С?，使我得以全身心的追求學(xué)業(yè)的進(jìn)步。 時光匆匆過去了，大學(xué) 4年的學(xué)習(xí)生活也走到了盡頭。這四年來，同學(xué)一起經(jīng)歷了很多的酸甜苦辣。感謝他們在我人生道路上 給予我?guī)椭?，給我支持，在我遇到困難的時候幫我走出來。 最后，在此感謝南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院對于我的栽培！ 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 參考文獻(xiàn) [1] Yang S F， Julian R． A dry powder jet printer for dispensing andbinatorial research[J]． Powder Technology， 2020(142)： 219222． [2] 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