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2.6 打印机构设计 ................................................................................................................... 13 2.6.1 步进电机的选型 ....................................................................................................... 13 2.6.2 同步轮的选型 ........................................................................................................... 15 2.6.3 同步带的选取 ........................................................................................................... 16 2.6.4 深沟球轴承的选型 ................................................................................................... 16 2.6.5 直线轴承的选型 ....................................................................................................... 18 2.6.6 滑动座的设计 ........................................................................................................... 18 2.6.7 万向节的设计 ........................................................................................................... 19 2.6.8 中心平台的设计 ....................................................................................................... 19 2.6.9 推杆的设计 ............................................................................................................... 20 2.6.10 喷头座的设计 ......................................................................................................... 22 2.6.11 散热风扇的选型 ..................................................................................................... 22 2.6.12 喷头装置的设计 ..................................................................................................... 22 2.6.13 打印机构整体结构 ................................................................................................. 24 3 CAE结构分析 .......................................................................................................................... 25 3.1 CAE技术 .......................................................................................................................... 25 3.2 CAE软件 .......................................................................................................................... 25 3.3 CAE分析对象 ................................................................................................................... 25 3.4 Ansys有限元分析过程 .................................................................................................... 25 3.4.1 前处理 ....................................................................................................................... 25 3.4.2 有限元分析 ............................................................................................................... 29 3.4.3 后处理 ....................................................................................................................... 32 结论 ............................................................................................................................................... 36 致谢 ............................................................................................................................................... 37 参考文献 ....................................................................................................................................... 38
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1 绪论
1.1 3D打印技术的发展背景及现状
3D（Three Dimensions）打印技术是一种通过材料逐层添加形成三维物体的具有划时代变革的技术。[1]目前3D打印技术在国内外还是一个比较新兴的领域，具有非常大的市场前景。另外3D打印的迅速发展同时也为现代制造业带来了一场新的科技革命，因为3D打印技术不像传统的机加工生产需要依赖生产的工艺性，它可以传统的生产工艺直接快速成型所需要的产品模型。3D打印不需要任何传统加工工具，能够减少很多人力物力，所以3D打印似乎就是在替代一个人在制作产品。尽管3D打印有如此大的突出之处，但还不够尽善尽美。
3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注。[2]它作为一种新兴的科学技术已经应用到很多领域范畴，比如现代制造业，医疗领域，航天航空领域，工程材料领域，还有化工技术领域等。在现代制造领域上，3D打印技术的推行使得现代制造业有了更多的革新，通过3D打印技术可以使产品制造效率不断挺高，为现代制造业注入新鲜血液。在医疗领域上，已经有人通过3D打印技术实现了器官的打印，打印的器官可以直接植入人体，并且不会导致排斥。在航天航空领域上，3D打印技术可以快速的打印出飞机的机翼以及一些结构复杂的发动机，而这些都是传统制造所不能企及的。
3D打印技术经过十多年的发展，目前3D打印机的精度可以到达0.001mm，这样的技术几乎可以打印出任何我们所能看得到的东西，可见3D打印技术已不复当年，现在的打印精度还是相当好的。目前国内很多家做3D打印的公司都相继研制开发了属于自己的3D打印机，虽然机器的生产和销量还不能与国外大型做3D打印的公司相媲美，但还是取得了一些阶段性的突破。另外国内生产的3D打印机在材料，框架结构和打印精度上还不能够满足消费者的需求，这也是现阶段国内做3D打印公司遇到的阻力与挑战。
目前3D打印技术在西方国家已经广泛的应用到了商业、制造业。人们可以在家中完成自己的设计，通过Meshmier里的3D打印平台服务将模型文件送到离家最近的3D打印服务公司，公司按照顾客的设计要求完成3D模型的打印，这如今在国外已经形成了一个商业链，目前国内还没有发展，相信在不久的将来，国内的3D打印技术也会不断占领市场的份额，到时候3D打印一定会成为现在制造业不可或缺的一部分。
1.2 3D打印技术的种类
（1）光敏液相固化技术
光敏液相固化技术SLA（Stero-Lightgraphy Apparatus）又称光刻成型、立体印刷、或光造型等，它的工作原理就是通过紫外线照射，将液态光敏树脂固化成型，通过层层固化
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而完成整个三维产品的制造，SLA成型工艺的特点是精度高，表面质量好，材料利用率高，能制造出结构复杂、外观精细的零件产品，但是SLA成型工艺相应的制造成本也非常高，而且打印零件产品的规格也不能太大。[3]
（2）选区片层粘结技术
选区片层粘结技术LOM（Laminated Object Manufacturing）是利用背面带有粘胶的箔材或纸材通过相互粘结而成形。在计算机的控制下，二氧化碳激光束对最上层箔材或纸材的二维截面进行扫描切割，再将轮廓外的废料切割出方形小格，以后每粘结切割一个截面层，工作台自动下降一个截面层，然后重复，直到整个三维零件。LOM快速成型技术特点是速度快，材料经济实惠，尺寸和形状精度稳定，没有相变与热应力，但成型后的废料剥离时间较长，所以这种工艺更适用于汽车轮船、航空航天等行业中体积较大的产品零件成型。
（3）选区激光烧结技术
选区激光烧结技术SLS（Selctive Laser Sintering）是利用激光的光束能量，烧结粉末材料通过逐层添加成型的方式成型三维模型。SLS成型工艺方法的优点是能生产较硬的模具；可以采用多种原料，包括工程塑料、蜡、金属、陶瓷等；零件的构建时间短，可达到1in/h速度；无需设计和构造支撑。
（4）熔丝沉积成型技术
熔丝沉积成型技术FDM（Fuse Deposition Molding）是通过喷头挤出一束非常细的热熔塑料丝，从打印平台的最底层开始，按照切片软件导出的二维切片程序，一层一层逐层堆积打印，最后得到设定好的三维产品模型。FDM成型工艺的优点是设备简单，工作耗能低，打印尺寸精度好，成型表面质量高。缺点是打印需要支撑的材料，打印耗时较长。
1.3 3D打印机及简易3D打印机的概述
3D打印机(3D Printer)还称作快速成型机，它与二维打印机最大的差别就是能打印出三维立体模型，它的工作原理是通过将耗材融化，然后一层一层叠加，最终形成目标3D模型。它是3D领域的一种前瞻性产品，目前成为一种潮流正迅猛发展。[4]3D打印机的操作十分便捷，首先通过电脑上的制图软件制作出你想要打印的3D模型，然后将3D模型导入进专业的切片软件，再将切片程序导入进3D打印机中就可以打印出你所设计的3D模型。随着3D打印技术的不断成长进步与普及发展，3D打印机不仅大量地出现在现代机械制造业，而且逐渐可以应用于工业设计领域，汽车轮船领域，航空航天领域等。但是到目前为止3D打印机的所使用材料还是具有一定的限制，所以要想打印出一个结构繁杂、材料多样的3D模型，它的难度还是有非常之大的。当下市场上出现了越来越多的简易式3D打印机，它跟一般的3D打印机最大的差别就在于它的便携易于摆放，简易3D打印机突破了一般3D打印机需要固定在一个空间工作的限制，这极大地提高了3D打印机的实用性和便捷
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性。不过要想实现3D打印机结构的简易与便捷，必须要在其结构上多思考，需要考虑到打印结构的设计，考虑所选材料的性能以及强度，要控制空间使其在最小的工作空间完成最大的打印空间。
简易3D打印机，它的结构简单，操作方便，价格经济，空间友好，即使在比较小的空间下也能够实现3D模型的快速成型（即3D打印），这样可以让3D打印机更好地走向在家庭或者办公室，将为3D打印技术的普及带来巨大的意义。
1.4 3D打印机的发展带来的机遇和挑战
目前3D打印机想要占领的市场，还需要面对很多困难与挑战。其中3D打印机的制造价格，打印的耗材，打印精度，结构设计等方面还需要很多研究突破的地方，所以说3D打印机的出现，既要面临很多的困难与问题。第一，制造成本方面。3D打印机的制造成本比较高，从一台3D打印机的结构设计到材料购买，组装，测试校核等步骤使得3D打印机的成本大大提高，为了普及3D打印机很多商家研制生产简易的3D打印机，它的结构简单，能够完成基本的3D模型成型，制造成本低。第二，耗材方面。目前3D打印机的成型材料多为化学聚合物，打印出来的3D模型也大多是激光烧结后或者熔丝沉积后的化学聚合物，所以如果想要3D打印有着更多广泛的应用，还需要开发不同的材料才行。总之，要想成功的普及3D打印机在材料上下功夫也是不容忽视的。第三，打印精度方面的问题。目前3D打印机多是FDM型的机器，它在成型的时候，精度上比不上SLA型等的3D打印机，但是精度高的机器它的制造成本往往也大大提高，这使得3D打印机在精度与价格上出现了矛盾，所以对一些3D打印机打印精度的改良将会对3D打印技术有着重大意义。第四，研究开发方面。在3D打印机的发展越来越进步的同时，外界对其的要求也会越来越高。不仅仅是满足目前打印几个简单的3D模型，更重要的是应用到实际的生产加工中，比如说面包房要打印出一些特殊的食物，医院要打印出蛀牙患者的牙齿等，这些都要求非常高的技术。第五，市场。大家都知道开发一种产品除了要服务于大众，还有一个很重要的目的是产生经济效益。[5]要想产生大的经济效益就要占领足够的市场份额，目前3D打印机不像2D打印机那么普遍。或者说3D打印机很少人会用得上，这就需要研发者研发出更多实用简易的3D打印机走进千家万户。
本次的毕业设计使用了CAD、SolidWorks、Ansys软件对一款FDM型简易3D打印机进行结构设计、制图和受力分析，在指导老师的指导下完成本次毕业设计任务。
1.5 本次设计的主要工作
1.5.1 简易3D打印机指标
其中简易3D打印机的主要技术指标有： 打印的最大范围：160mm×160mm×170mm
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最大打印速度：120 mm/s 打印量：20g/h
标准型材的尺寸：20mm×20 mm 底座高度：47 mm
1.5.2 主要的设计工作
（1）底座设计； （2）顶框设计； （3）支架设计； （4）送丝机构设计； （5）打印机构设计。
1.5.3 设计思路及主要问题
本次简易3D打印机的设计，先从简易3D打印机的整体设计入手，从简易3D打印机的外部框架到支架，然后再送丝机构到内部核心打印机构的设计，从外至内，从下至上一步步的完成简易3D打印机机械结构的设计。
需要解决的主要问题：
（1）设计并确定简易3D打印机的整体外部框架结构，以及选用的型材尺寸规格，底座零件的压应力计算以及非标件材料的选择。
（2）校核直线光轴的弯曲应力及弯矩，选择合适的光轴材料。
（3）解决简易3D打印机的送丝机构中挤出机以及挤出辅助非标件的设计和材料的选择。
（4）解决简易3D打印机的打印机构中传动机构的设计及打印机构在X、Y、Z方向运动的实现，还有喷头装置的设计。
（5）基于CAE分析，分析简易3D打印机中重要零件所受应力的情况并校核设计的是否符合设计要求。
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