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2 简易3D打印机的结构设计
2.1 整体结构设计
2.1.1 工作原理
本论文设计的简易3D打印机是DIY三角洲式的3D打印机，打印机一共4有个步进电机，其中3个步进电机通过同步带分别控制3D打印X、Y、Z三个塔上的滑动座沿光轴运动，使3D打印机的打印机构可以在一个平行于打印台的空间里运动。还有一个步进电机是用于送丝机构上的，作用是将丝材送进预热的喷头内，使丝材挤出成型。
2.1.2 3D打印机的组成
标准型材：20mm×20mm，200mm×9 步进电机：4个 同步轮：3个 同步带：3条 黄铜挤出轮：1个 直线光轴：6根 深沟球轴承：6个 直线轴承：6个
M3六角螺栓+螺母：若干
非标准件：包括角件底座、角件顶框、滑动座、推杆、万向节、中心平台、挤出机座、喷头座等。
2.1.3 框架结构
打印机的结构主要由大小20mm×20mm的标准铝型材构成，底座主要由6个20mm×20mm铝型材和3个角件底座组成，型材与角件通过M3的内六角螺钉和螺母连接，整个底座成三角形结构，这样的底座稳定性及牢固性都非常强，能够保证3D打印机在工作时，工作平台会很平稳，提高3D打印机的打印精度。每个角件底座上都与2根光轴配合，光轴彼此间是平行安装的。三角洲式3D打印机Z轴方向的传动是通过打印机X、Y、Z三个塔的步进电机同步运行来完成的。3个套有同步轮的步进电机同时启动，通过同步带拉动滑动座同时上升或下降，在万向节与推杆作用下打印机构在Z轴方向运动。而打印机构在XOY平面上的运动则需要通过X、Y、Z三个塔步进电机的配合运动来完成。打印机的顶框主要由3根20mm×20mm铝型材和3个角件顶框组成，顶框结构与底座结构类似，成一个三角形结构，与光轴连接，形成一个稳定牢固的框架。
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2.2 底座的设计
2.2.1 底座角件的设计
底座角件结构示意图见图2-1，该结构的主要作用是支撑工作平台和连接铝型材、直线光轴以及步进电机的。
图2-1 角件结构示意图
对于角件材料的选择，由于底座角件主要承受3D打印机的重量，所以计算一下要计算底座角件的抗压能力。
3D打印机总质量M = 5Kg ，角件总底面积A= 3×1770 mm^2，所受压应力公式见式 （2.1）[6]
σ?FN 式（2.1） A式中 σ——代表压应力；
FN——代表压力； A——代表底面截面面积。 其中FN=Mg= 49 N 。 得 σ = 92.28 Pa 。
PLA材料的许用抗压应力[σ]=40-60 MPa，这远远大于所需的压应力要求，所以在底座角件材料的选择上，我们可以选用PLA材料。而且PLA材料是一种聚乳酸，它的原料来自于植物，属于生物可降解材料，绿色环保，同时也具有较强的硬度和刚度，并且PLA材料的零件可以通过FDM型3D打印机快速成型，极大地方便了底座角件结构的制造。
2.2.2 铝型材的选择
根据底座角件的设计，选择2020GW型铝型材，铝型材性能参数表、结构示意图见表2-1、图2-2。
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毕业设计(论文) 表2-1 铝型材性能参数表 材质及状态 抗拉强度 屈服强度 弹性模量 硬度 表面处理 泊松比 6063T5 180MPa 127MPa 686600MPa 62HB 阳极氧化处理，镀层12以上 0.330
图2-2 2020GW铝型材结构示意图
2.2.3 底座整体结构
底座是支撑打印平台以及3D打印机整体的关键部件，综合它的性能强度和刚度的要求，底座结构主要由PLA底座角件与2020铝型材通过M3的内六角螺栓和螺母连接组成，成三角形结构。在每个角件上端面有两个Φ8的通孔用来装配Φ8的直线光轴，并通过3个夹紧孔来完成直线光轴的固定。角件的内侧可以有4个Φ3的限位孔，它们的作用是用于步进电机的固定，底座框架SolidWorks装配图见图2-3。
图2-3 底座框架SolidWorks装配图
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2.3 支架的设计
2.3.1 直线光轴许用弯曲应力的计算
直线光轴是具有滑动轴承的引导作用，可使滑动轴承实行直线运动的产品。在3D打印机中，直线光轴需要引导滑动轴承使滑动座做直线运动，配合万向节与推杆作用使打印机构在空间内平行于工作平台运动，以实现3D打印的功能。
由于本设计的简易3D打印机所使用的直线光轴按轴的受载分类属于固定心轴，工作时是固定不动的，只承受弯矩作用。在校核该轴强度的时候，可以按弯曲强度条件计算，实心轴的计算公式见式（2.2）。[6]
3d?21.68式中 d——代表直线光轴直径；
M——代表弯矩；
M 式（2.2） σpσp——许用弯曲应力。
为了计算光轴所受的弯矩，要对光轴进行受力分析（见图2-4）。因为在3D打印机中每一个光轴的受力情况都是相同的，所以只需要对其中一根光轴进行分析，由于滑动座是在光轴上滑动的，所以它的位置是任意的，光轴的受力分析图如下所示，这里选取任意位置C点为滑动座的质点位置，求位于x截面位置所受的剪力与弯矩。
图2-4 光轴的受力分析图
解：由平衡方程 ΣMB= 0 ， Fb-FRAl=0 ΣMA= 0 ， FRBl-Fa-=0 求得支座约束力为
FaFb， FRB? FRA=
ll根据光轴的受力分析,光轴的剪力的剪力和弯矩都可以计算出来，即
FbFS(x)? （0
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M(x)=
Fbx (0≤x≤a) l剪力图（见图2-5）与弯矩图（见图2-6）如下所示。
图2-5 光轴的剪力图
图2-6 光轴的弯矩图
光轴长度L：465mm
根据一般光轴在相同的F作用下，C点位置于光轴中间的时候，最容易被剪断,且根据剪力，弯矩图，知当x=a的时候，M取最大值。
令a=232.5mm，b=232.5mm F=10N
Fb=5N lFC=FRA?MC=
Fba = 1.1625 N*M l3由d?21.6821.683M)/M 本设计所选光轴直径d为8 mm ， ，σp= (dσpσp=17.12 MPa。
2.3.2 直线光轴材料的选择
查轴的许用弯曲应力表[7]（见表2-2），选择合适的光轴材料。
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