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表2-2 轴的许用弯曲应力表
轴的许用弯曲应力 MPa
材质 Rm（σb） 400 碳素钢 500 600 700 合金钢 铸钢 800 1000 400 σ+1p 130 170 200 230 270 330 100 σ0p 70 75 95 110 130 150 50 σ0p 40 45 55 65 75 90 30 500 120 70 40 注：σ+1p、σ0p、σ0p分别为材料在静应力、脉冲循环应力和对称循环应力状态下的许用弯曲应力
因为直线光轴的许用弯曲应力σp=17.12 MPa，所以根据表表2-2，Φ8直线光轴的选材可选用碳素钢45钢，它的抗拉强度大于600MPa；屈服强度大于355MPa，符合设计要求，45钢力学性能参数表见表2-3。
表2-3 45号钢力学性能参数表 45号钢力学性能参数表
抗拉强度 屈服强度 弹性模量 泊松比 600MPa 355MPa 210GPa 0.269 2.4 顶框的设计
2.4.1 顶框角件的设计
顶框角件的设计结构上和底座角件结构类似，它主要作用是连接固定同步带轴承、送丝机构、及光轴等部件。它的结构示意图见图2-7。
图2-7顶框角件示意图
由于顶框角件与底座角件的结构类似，而且顶框并不受载荷，所以在材料的选择上就可以与底座角件的材料一致，选择PLA材料，产品的零件可以通过3D打印，方便了制造。
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2.4.2 铝型材的选择
铝型材的选择，则是和底座设计的铝型材保持一致，所以也选用2020GW型铝型材。
2.4.3 顶框整体结构
顶框整体结构由3个PLA顶框角件与3根2020GW型铝型材相互连接组成，顶框结构与底座结构同样是三角形结构，它们之间是通过Φ8直线光轴连接的，具体是用M3的内六角螺栓和螺母通过顶框上的锁紧孔将顶框紧固在直线光轴上，使3D打印机在外框架上成一个三棱柱的结构，这使3D打印机的结构更加稳定坚固。在每个顶框角件上都有一个用来安装同步带轴承的定位孔，具体在后文会详说，另外光轴每两个组成一个塔，分别命名为X、Y、Z三个塔，具体见顶框结构SolidWorks装配图（见图2-8）。
图2-8顶框结构SolidWorks装配图
2.5 送丝机构设计
2.5.1 挤出机座设计
挤出机座是送丝机构非常重要的结构部分，它是连接挤出机（装有黄铜挤出轮的步进电机）、引丝轴承、快速接头等零件的部件。因为挤出机座主要是连接零部件作用，对于它强度和刚度没有太大的要求，为了方便制作，挤出机座也是选用PLA材质，通过3D打印成型制造，挤出机座的结构设计见图2-9。
图2-9 挤出机座结构示意图
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2.5.2 U型滚动轴承的选型
在挤出机座上，需要安装一个U型滚动轴承，它的作用是为了引导和压紧丝材用的。为了满足设计需要，这里选用3D打印机挤出机专用的轴承即U604ZZ轴承，作为挤出机导轮；它的精密度高，运载顺滑，低噪音，非常适用于桌面级3D打印机。详细的参数规格表见表2-4。
表2-4 U604ZZ轴承参数规格表 型号 u604zz 内径（K） 4 外径(D) 13 宽度(H=W) 4 尺寸 U槽底径（D2） 11 U槽(R) 1 槽口宽度(C) 备注 2.1 mm mm mm mm mm mm 高品质，精密轴承 2.5.3 快速接头的选择
挤出机座上还需要连接一个1.75mm送料快速接头，它的作用是连接送料管，将丝材送入到打印机构中，按下它的快速接头的塑料头可实现快速换接。所选用的1.75mm送料快速接头参数表见表2-5。
表2-5 1.75mm送料快速接头参数表 名称 1.75mm送料快速接头 接口螺纹 适用耗材 耐温 耐压 M5 1.75mm 0-60（℃） 1.5（MPa）
2.5.4 挤出机设计及相关部件选型
挤出机主要是由步进电机以及黄铜挤出轮组成。它的作用是将3D打印机的丝材根据设定好的送丝速度一点一点地送进3D打印机的打印机构中，让经过预热后的打印机构能够正常出丝。所以挤出机中所需的步进电机需要有稳定的输出及其合适的相应参数才能完成挤出机的功能，具体步进电机的选型，将在后文步进电机的选型中详述。
另外挤出机需要一个黄铜挤出轮，它是挤出机中步进电机的转动件，为的是给3D打印机的耗材提供一个向下送丝的摩擦力。现在主流的桌面级3D打印机耗材都是采用的
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1.75mm耗材，所以这里所设计挤出机上的黄铜挤出轮选型则是采用市场上1.75mm耗材专用的3D打印机黄铜挤出轮，也就是M11的黄铜挤出轮，它的具体规格参数见表2-6。
表2-6 MK8黄铜挤出轮规格表 名称 规格尺寸 内孔 齿轮部位 齿轮外径1 齿的数量 材质 MK8黄铜挤出轮 11mm*11mm 5mm 7mm 11mm 26齿 铜 2.5.5 送丝机构整体机构
将上述零件通过螺纹连接组装，就是送丝机构机构的整体机构。送丝机构的工作原理是：3D打印机预热后，丝材从送丝机构的入口进入，通过挤出机与U型滚动轴承的作用，丝材以一定速度送入快速接头口，快速接头连接有送料管，丝材通过送料管最终送入打印机构，完成3D打印机的打印工作。送丝机构整体机构SolidWorks装配图见图2-10
图2-10送丝机构SolidWorks装配图
2.6 打印机构设计
2.6.1 步进电机的选型
步进电机是打印机构最重要的部分，它是整个打印机构的动力元件。它的工作原理是将3D打印机控制电路的电脉冲信号转变为角位移或线位移，一般情况下，步进电机的转速、停止的位置取决于3D打印机控制电路脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个步距角，所以它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，这样就可以控制打印机构进行逐层累
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积的3D打印工作。
所以3D打印机对步进电机的选择，就比较严格。需要步进电机有稳定输出及合适的参数，否则会直接影响3D打印的精度。目前3D打印机主要采用的是42两相混合步进电机，根据3D打印机所需步进电机的重量、步距数、转动惯量、转速等条件，查表2-7，经过综合分析，最终选取型号为42BYGH47-401A的步进电机作为打印机的动力来源。
表2-7 42BYGH两相混合步进电机技术参数表 42BYGH两相混合步进电机 1.8° 步距角 80℃ Max 温升 -20℃~+50℃ 环境温度 100 MΩMin. ,500VDC 绝缘电阻 500VAC 电气强度 0.02mm 径向间隙 0.08mm 轴向间隙 30N 最大径向压力 10N 最大轴向压力 静力相电相电矩 引线转动惯重量 步矩角 机身长 相电压 流 相电阻 感 量 Holdin数 Step Motor Rate Rate Phase Phase Motor g Lead Rotor angel Length Voltage CurrResistanInductWeight TorquWire Inertia (°) L(mm) (V) ent ce (Ω) ance (kg) e (NO.) (g. c㎡) (A) (mH) (g.cm) 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 33 33 33 33 33 39 39 39 47 47 12 4 9.6 12 2.8 4 6 12 2.8 4 0.3 40 0.95 4.2 0.4 24 0.31 38.5 1.33 2.1 1.2 3.3 0.8 7.5 0.4 30 1.68 1.65 1.2 3.3 22 2.5 15 21 2.5 3.2 6.7 30 2.8 2.8 1700 1580 1580 1580 2200 2590 2590 2590 4400 3600 5 6 6 6 4 6 6 6 4 6 35 35 35 35 35 54 54 54 68 68 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.28 0.28 0.28 0.35 0.35 电机型号 Model 42BYGH33-001A 42BYGH33-601A 42BYGH33-602A 42BYGH33-603A 42BYGH33-401A 42BYGH39-601A 42BYGH39-602A 42BYGH39-603A 42BYGH47-401A 42BYGH47-601A 所选的42BYGH47-401A步进电机它的外观图见图2-11，其中长度L=47mm。
图2-11 42BYGH47-401A步进电机外观图
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