【正文】 結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于未來(lái)3D打印機(jī)的展望，我認(rèn)為將來(lái)可以設(shè)計(jì)一種基于激光追蹤反饋閉環(huán)系統(tǒng)的3D打印機(jī)，這種打印機(jī)可以在打印過(guò)程中可以根據(jù)所讀取的模型信息與打印現(xiàn)實(shí)工況對(duì)打印機(jī)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)整，使3D打印機(jī)的精度再提高一成，得到更加精確完整的模型。（4）根據(jù)CAE分析所得到的45鋼Φ8直線(xiàn)光軸和2020GW6063T鋁型材的變形圖和應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)其所受的應(yīng)力和變形量都極小，結(jié)合他們材料的屬性得出設(shè)計(jì)符合要求。確定了PLA材料的非標(biāo)準(zhǔn)件，其中包括：底座角件、頂框角件、擠出機(jī)座、滑動(dòng)座、萬(wàn)向節(jié)、推桿、中心平臺(tái)、噴頭座等PLA非標(biāo)準(zhǔn)件。結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要完成了簡(jiǎn)易3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并且基于CAE技術(shù)完成了簡(jiǎn)易3D打印機(jī)重要結(jié)構(gòu)部件的有限元分析和參數(shù)校核，具體結(jié)論如下：（1） 確定了簡(jiǎn)易3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，打印機(jī)整體框架為三角洲型，完成了簡(jiǎn)易3D打印機(jī)底座的設(shè)計(jì)、頂框的設(shè)計(jì)、支架的設(shè)計(jì)、送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及打印機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。另外對(duì)2020GW鋁型材的應(yīng)力分析如下（2020GW鋁型材所受負(fù)載圖見(jiàn)圖312020GW鋁型材的應(yīng)力變形圖見(jiàn)圖312020GW鋁型材的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖319）：圖317 2020GW鋁型材所受負(fù)載圖圖318 2020GW鋁型材的應(yīng)力變形圖圖319 2020GW鋁型材的應(yīng)力云圖2020GW鋁型材的分析結(jié)果：根據(jù)圖31圖319可知，2020GW鋁型材的DMX=108 mm，SMN=104 MPa、SMX= MPa，108 mm，104 MPa， MPa。第三步:數(shù)據(jù)分析。選擇Contour PlotNodal Solu里的von Mises stress，得到Φ8直線(xiàn)光軸的應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖316）。圖315 Φ8直線(xiàn)光軸應(yīng)力形變圖根據(jù)圖315顯示，可以知道DHX=103 mm 。[10]第一步：觀察應(yīng)力形變圖。點(diǎn)擊Solve，選擇Current LS，單擊OK完成求解過(guò)程（見(jiàn)圖313，圖314）。圖311 應(yīng)力作用范圍圖312 設(shè)定壓應(yīng)力的值第三步：運(yùn)算求解。由于在3D打印機(jī)中Φ8直線(xiàn)光軸主要承受的是簡(jiǎn)易3D打印機(jī)打印機(jī)構(gòu)的動(dòng)載荷，不宜求解，所以簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成求解最易受折彎的地方的靜態(tài)壓應(yīng)力分析。圖38 選擇Φ8直線(xiàn)光軸一約束平面圖39 選擇Φ8直線(xiàn)光軸另一約束平面圖310 建立完全約束第二步：施加載荷。在求解器中設(shè)定模型的約束條件，由于直線(xiàn)光軸在簡(jiǎn)易3D打印機(jī)中兩端是固定的，所以在Ansys中Φ8直線(xiàn)光軸的兩個(gè)端面就是需要約束的對(duì)象。圖36對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格圖37 網(wǎng)格化的Φ8直線(xiàn)光軸模型 有限元分析有限元分析的過(guò)程在前處理之后，它主要是對(duì)有限元模型進(jìn)行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統(tǒng)求解和有限元結(jié)果生成，具體步驟如下。圖35定義材料屬性第六步：對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格。由于設(shè)計(jì)所選用的Φ8直線(xiàn)光軸的材料是優(yōu)質(zhì)碳素鋼45鋼，且根據(jù)表23可知45鋼的彈性模量為210000MPa。圖34設(shè)定單元類(lèi)型第五步：定義材料屬性。在預(yù)處理器中，設(shè)定單元類(lèi)型。點(diǎn)擊Preference，進(jìn)行優(yōu)選項(xiàng)的設(shè)置，由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只涉及力學(xué)結(jié)構(gòu)性能的分析，所以只選擇Structural選項(xiàng)即可（見(jiàn)圖33）。點(diǎn)擊File控件，修改PlotCtrl—Style—Solid Model Facet將Style Of Area And Volume Plots的屬性更改成Normal Faceting，再點(diǎn)擊Plot，選擇Volume，得到Φ8直線(xiàn)光軸的Ansys實(shí)體模型（見(jiàn)圖32）。先將已建好模型的SolidWorks文件導(dǎo)出為Ansys軟件能識(shí)別的文件格式，（見(jiàn)圖31）。 Ansys有限元分析過(guò)程有限元分析主要要經(jīng)過(guò)前處理、有限元分析、后處理這三大過(guò)程，本節(jié)主要以校核Φ8直線(xiàn)光軸所受的應(yīng)力和變形為例來(lái)介紹說(shuō)明Ansys分析的整個(gè)過(guò)程。它現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域。常用的CAE分析軟件如Ansys、Abaqus、Adina、MSC等，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所使用的CAE分析軟件就是Ansys有限元分析軟件。[8]隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的推廣和進(jìn)步，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有著極大地提高，各種基于數(shù)字三維建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并現(xiàn)已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要環(huán)節(jié)。綜上，簡(jiǎn)易3D打印機(jī)的全部機(jī)械結(jié)構(gòu)就已全部設(shè)計(jì)完畢，如下所示是簡(jiǎn)易3D打印機(jī)的整體裝配圖（見(jiàn)圖223）。圖222噴頭裝置的SolidWorks三維裝配圖 打印機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)打印機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、同步輪、同步帶、滑動(dòng)座、萬(wàn)向節(jié)、中心平臺(tái)等構(gòu)成的傳動(dòng)裝置和由快速接頭、散熱器、加熱鋁塊、噴頭構(gòu)成的噴頭裝置兩大部分組成。（5），導(dǎo)熱性能好，可以在短時(shí)間內(nèi)將熱量傳遞給耗材，將耗材融化，進(jìn)行3D打印，銅質(zhì)噴頭的零件圖（見(jiàn)圖221）如下所示。（2）散熱器選擇直徑為36mm，高度為60mm的散熱器，它的作用主要是給未進(jìn)行打印工作的絲材降溫，防止絲材因加熱鋁塊和加熱頭所傳遞的熱量而軟化彎曲堵塞送料通道。首先絲材通過(guò)送料管送進(jìn)快速接頭，然后進(jìn)入散熱器，通過(guò)鐵氟龍喉管后接著進(jìn)入噴嘴，加熱頭可以給加熱鋁塊和裝配在其上的噴嘴供熱，使絲材在噴嘴里被熔融，然后通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)的擠出作用，絲材從噴頭連續(xù)地被擠出，經(jīng)過(guò)層層堆積而達(dá)到快速成型的結(jié)果。圖219噴頭座結(jié)構(gòu)示意圖 散熱風(fēng)扇的選型在噴頭座上需要安裝一個(gè)散熱風(fēng)扇，用于給噴頭機(jī)構(gòu)的散熱器散熱，防止耗材在散熱器中融化凝固堵塞送絲通道。噴頭座的材料選擇，選用PLA材料，便于3D打印制作。具體推桿設(shè)計(jì)如下圖所示（見(jiàn)圖218）。圖216 中心平臺(tái)置于打印平臺(tái)中央 圖217 簡(jiǎn)化后的二維數(shù)學(xué)模型根據(jù)勾股定理，L2=(398H)2+()2 因?yàn)樗O(shè)計(jì)的3D打印機(jī)的打印高度為170 mm， mm。在推桿的設(shè)計(jì)中，要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定推桿的長(zhǎng)度L。由于中心平臺(tái)的所受的力并不大，所以中心平臺(tái)在材質(zhì)上的選擇，也能選用PLA材料，便于3D打印制造，中心平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖215。這種特制的萬(wàn)向節(jié)材料也選用PLA材料，強(qiáng)度和硬度較好，可以3D打印成型，萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖214。 滑動(dòng)座的設(shè)計(jì)滑動(dòng)座通過(guò)扎帶可與直線(xiàn)軸承裝配在一起，可以沿著光軸自由地運(yùn)動(dòng)，同步帶的兩端分別用扎帶綁在滑動(dòng)座的兩頭，隨著3D打印機(jī)X、Y、Z三個(gè)塔上步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，滑動(dòng)座就會(huì)沿著光軸做垂直上升或者垂直下降的運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)座的材料選用PLA材料，方便3D打印制造，圖213是滑動(dòng)座結(jié)構(gòu)示意圖。 直線(xiàn)軸承的選型直線(xiàn)軸承是套在光軸上滑動(dòng)的軸承，它的作用是引導(dǎo)滑動(dòng)座做平行于光軸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，它的選型要根據(jù)光軸的尺寸規(guī)格來(lái)進(jìn)行確定，直線(xiàn)軸承規(guī)格表見(jiàn)表212。所以P0r = Fr = 50NC0=S0P0=S0P0r=S0Fr=210= 200 N根據(jù)基本額定靜載荷的計(jì)算，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二卷P1055的深溝球軸承技術(shù)參數(shù)表（見(jiàn)表211），選擇合適的深溝球軸承。的推力軸承軸向當(dāng)量靜載荷P0a=FaX0——徑向靜載荷系數(shù)α≠90176。在3D打印機(jī)中，該軸承主要是支撐傳送帶的壓應(yīng)力，所以主要承受的是徑向靜載荷。因?yàn)樵摵?jiǎn)易3D打印機(jī)屬于精加工類(lèi)型，在選取加工類(lèi)型精度比較高的同步帶輪，依據(jù)表28，選取合適的同步帶輪參數(shù)如下：齒距： mm齒數(shù)：20槽寬：11 mmd1 節(jié)圓直徑： mmd 內(nèi)徑：5 mmD檔邊外徑：18 mmD1凸臺(tái)外徑：18 mmL總長(zhǎng)：20 mm表28 MXL,XL,L同步輪規(guī)格表MXL,XL,L同步輪規(guī)格表齒型齒數(shù)外形尺寸重量S槽寬Ed1節(jié)圓直徑d內(nèi)徑D擋圓外徑D1凸臺(tái)外徑L總長(zhǎng)MXL2011165，18182030252520405，6，322020XL151115321725206，7，8或10382624232021271066483830911098684010130801 同步帶的選取根據(jù)同步帶輪的選型，在滿(mǎn)足嚙合的條件下，選擇MXL同步帶，相關(guān)參數(shù)如下：齒距： mm齒高： mm齒厚： mm同步帶的二維圖見(jiàn)圖212。)機(jī)身長(zhǎng)Motor Length L(mm)相電壓Rate Voltage (V)相電流Rate Current (A)相電阻Phase Resistance (Ω)相電感Phase Inductance (mH)靜力矩 Holding Torque ()引線(xiàn)數(shù) Lead Wire (NO.)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Rotor Inertia (g. c㎡)重量 Motor Weight (kg)