3D打印机报告书

燕山大学全日制本科生校内实践实习论文项目名称：多轴联动加工技术论文题目：四轴联动Delta结构3D打印机的制作和调试学生学号：学生姓名：所在院（系）：机械工程学院机械电子工程系指导教师：燕山大学2015年11月15日燕山大学全日制本科生校内实践实习论文摘要3D打印（3Dprinting）也称为“增材制造（AdditiveManufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。3D打印的思想萌芽和实验探索由来已久，但现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。CharlesHull（3DSystems公司的创始人）和ScottCrump（Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。1986年，CharlesHull发明了第一台3D打印机，之后成立了第一家3D打印公司3DSystems。1988年，3DSystems公司推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，它的面世标志着3D打印商业化的起步。ScottCrump研发了另一3D打印主流技术FDM，于1989年申请了美国专利并创立了Stratasys公司，1992年推出第一台基于FDM技术的“3DModeler”打印机。经过二十余年的发展，3D打印机在工业领域已经有一定的应用基础。随着计算能力、设计软件、新材料及互联网进步的不断推动，3D打印技术近年来发展迅速，应用领域不断拓宽，显示出巨大的发展潜力。3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。随着技术的不断进步，3D打印在铸造精度上已经可以与传统方式相媲美，但是在大规模生产上，3D打印目前仍无法获得规模经济，在成本上和效率上不具优势。因此，3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。3D打印技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。我们组装的打印机是实验室的K800型3D打印机，同组同学一起学习组装，将打印机的机械本体，控制系统的硬件搭建好后，进行软件编写调试，成功运行。关键词：3D打印机，组装，调试，硬件，软件燕山大学全日制本科生校内实践实习论文绪论3D打印（3Dprinting）也称为“增材制造（AdditiveManufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。3D打印的思想萌芽和实验探索由来已久，但现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。CharlesHull（3DSystems公司的创始人）和ScottCrump（Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。1986年，CharlesHull发明了第一台3D打印机，之后成立了第一家3D打印公司3DSystems。1988年，3DSystems公司推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，它的面世标志着3D打印商业化的起步。ScottCrump研发了另一3D打印主流技术FDM，于1989年申请了美国专利并创立了Stratasys公司，1992年推出第一台基于FDM技术的“3DModeler”打印机。经过二十余年的发展，3D打印机在工业领域已经有一定的应用基础。随着计算能力、设计软件、新材料及互联网进步的不断推动，3D打印技术近年来发展迅速，应用领域不断拓宽，显示出巨大的发展潜力。3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。随着技术的不断进步，3D打印在铸造精度上已经可以与传统方式相媲美，但是在大规模生产上，3D打印目前仍无法获得规模经济，在成本上和效率上不具优势。因此，3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。3D打印技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。我们组装的打印机是实验室的K800型3D打印机，同组同学一起学习组装，将打印机的机械本体，控制系统的硬件搭建好后，进行软件编写调试，成功运行。燕山大学全日制本科生校内实践实习论文第一章3D打印机的机械设计部分姓名：学号：主要工作：机械部分设计分析与安装导师：燕山大学全日制本科生校内实践实习论文1.1FDM三维打印机的原理三维打印技术：首先利用三维设计软件对零件进行三维CAD实体建模，并将得到的三维实体模型以一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高。FDM熔融层积成型技术是目前常用的3D打印技术之一。基于FDM三维打印机的工作原理如图2-1所示。计算机控制快速成型机的加热喷头，依据每一层截面数据作x-y平面运动。送丝机构将丝材送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出的打印材料粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每当其中一层截面打印完成后，工作台将下降前一次打印完成的高度，然后继续下一层的打印。如此循环重复，直到整个实体的造型完成。xyz线材喷头原型工作台线材供给图1-1FDM三维打印机工作原理图1.2基于并联机构的FDM三维打印机的系统组成根据FDM三维打印机的工作原理可知，这种三维打印设备涉及到机械、电气、控制、信息和材料等多个学科，是一种典型的多学科交叉和综合应用的复杂机械电子系统。本文设计的三维打印机的系统主要由软件控制系统、机械系统和硬件控制系统组成。1.3机械系统燕山大学全日制本科生校内实践实习论文FDM机械系统主要包括运动机构、热头、挤出机构、工作台四个部分(如图2-2所示)。送丝机构将低熔点丝状材料送给加热器，加热器通过挤压热头将丝材熔化成液体，喷头将熔化后的热塑材料丝挤出，挤压头按照零件的每一截面信息准确运动，半流动的热塑材料被挤出并沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每当一层完成成型，工作台便下降上一层打印的高度，喷头再进行扫描喷丝完成下一层截面成型，如此循环反复，直到完成最后一层成型，这样由底到顶逐层地堆积成一个实体模型或零件。加热融化膛给丝头支撑泡沫板工作台支撑材料丝盘制作材料盘图1-2FDM机械系统(1)基于Delta结构的运动系统部分本文设计的三维打印机框架结构是一种基于3-P[2-SS]的Delta运动结构。3-P[2-SS]并联机构的机械结构如图2-3所示，整个机械固定框架为静平台，静平台与动平台分别由三个相同的分支相连。每个分支由一个移动副和四个球副构成，在每个分支中与球副相连的四根杆构成一个平行四边形。动平台是一个正六边形，如图2-4所示，动平台的运动是由步进电机带动直线滑轨上的滑块完成的。3D打印机的性能主要由机构的工作空间决定，并联机构的工作空间又可以分为位置工作空间和姿态工作空间。本文中所采用3-P[2-SS]并联机构只有3个移动自由度，因而只具有位置工作空间。这里采用masory等的方法对工作空间进行分析。下面对约束条件分别进行介绍。a)球副的转角范围约束燕山大学全日制本科生校内实践实习论文3-P[2-SS]并联机构的每个分支中有4个球副，由于平行四边形的几何特点，4个球副的转角相同，此机构球铰的最大转角位/3。构成机构运动副的球铰由最大许可转角限制，如图2-5所示为普通球铰的结构简图。动平台静平台移动副球副图1-33-P[2-SS]并联机构结构图图1-43-P[2-SS]并联机构动平台如图2-6所示为关节(运动副)的转角约束的示意图。若分支向量在定坐标系中的表示为il，球副Bi轴线方向为上斜台斜面方向向量，在斜面动坐标系中的姿态向量用bin表示，由动坐标系向地面坐标系的转换矩阵为R，则球副Bi的转角约束的数学表达式为：BBmax()arccosibiiilRnl(2-1)YZXuBilinaiAibinBiAi图1-5球铰结构简图图1-6机构中的运动副简图b)移动副的运动范围限制移动副只能在导轨上运动，因此移动副的距离约束的数学表达式为：minmaxLLL(2-2)其中，minmax300LL=0、分别为移动副最小和最大移动距离，单位为毫米。c)连杆方向的约束燕山大学全日制本科生校内实践实习论文当移动副移动到某一位置时，连杆的方向向量不能与静平台平行，否则，将会失去对机构的控制。d)实际机构的限制由于移动副的滑轨的存在，使动平台不能与滑轨相干涉。由于并联机构的特殊性，即正解困难反解容易，因此多采用数值法通过反解模型来求解工作空间。数值法就是基于影响工作空间的各种因素，采用计算机搜索的方法求解。运用反解模型搜索工作空间[34]，方法容易且结果唯一，适合计算机运算。因此本文采用反解模型求解3-P[2-SS]并联机构样机的工作空间。3-P[2-SS]并联机构工作空间边界的搜索流程，如图2-7所示。开始确定约束条件及搜索空间设定初始的Z值用平面分割法搜索判断是否边界根据约束条件搜索工作空间边界增加Z值判断Z是否最大值存储存储结束YesNoNoYes图1-7搜索工作空间流程图根据以上分析，利用Matlab编程搜索机构工作空间。工作空间的搜索结果如图2-8所示。3-P[2-SS]并联机构作为3D打印机的有效工作空间为一个圆锥体和一个圆柱体组成，圆柱半径与圆锥体最大半径均为50mm，圆柱的高为400mm，圆锥体的高为50mm。保证了3D打印机在有效工作空间内的平稳运行，满足设计要求。xyz4504003503002502001501005001000-100-100-50050100(mm)图1-8有效工作空间的三维图燕山大学全日制本科生校内实践实习论文（2）热头部分本文所用的热头是采用英国E3DOnline设计小组开发的E3Dv6热头。该热头组件主要有铝合金散热器、铝合金加热块、黄铜喷嘴、不锈钢喉管、电加热棒、热敏电阻、PTFE铁氟龙远程送料管、送料管接头等元件组成。如图2-9所示：a)外视图b)剖视图图1-9热头部分示意图工作时，电加热棒和热敏电阻共同作用，使热头组件最前端的铝合金加热块保持在一定温度，会把塑料熔化成胶态。后头的塑料在挤出机的作用下持续往前推挤，就可以让胶态的塑料从喷孔连续挤出，形成可进行三维打印的热熔丝。（3）挤出机部分挤出机的工作是将厚重打印材料从3D打印机热头出来后挤压变成细细的料丝。本文设计的挤出机主要包括步进电机、挤出齿轮、U形轮、弹簧压紧机构组成。如图2-10所示。当打印机正常工作时，如图2-10中的挤出电机上的铜齿轮和弹簧的弹力使U形轮将耗材紧紧的夹住。当挤出电机正常转动时，电机轴上的铜齿轮通过摩擦力带动耗材前进。耗材在热头部分被加热融化成液体，挤出力通过耗材传递到喷头。当挤出力大于耗材在铜头管道流动中受到的阻力时，耗材才能从热头被挤出。如果铜头温度不够、铜头内有杂质、耗材没有得到充分熔化或过丝孔过小，就会造成阻力过大，会导致出丝不畅。燕山大学全日制本科生校内实践实习论文图1-10挤出机部分(4)工作平台本文采用的工作平台是铝合金电加热工作平台，可以适应不同材料的打