FDM制造过程原则:熔融沉积快速成型工艺在原型制作时同时需要制作支撑,为了节省材料成本,提高沉积效率,新的FDM设备采用双喷嘴。一个喷嘴用于沉积模型材料,一个喷嘴用于沉积支撑材料。一般来说,模型材料丝成本高、沉积效率很低。但是支撑材料丝很粗且成本更低、沉积效率比模型材料丝高。双喷嘴除了沉积过程具有较高的沉积效率,并降低生产成本以外,还可以灵活地选择具有特殊的性能支撑材料,方便支撑材料的处理,如水溶性材料、低于模型材料熔点低的热熔材料。
1.4熔融沉积3D打印机国内外现有技术水平
目前,快速成型技术的软件还有早期的典型特征,可以完成数据处理和控制的形成过程,因为每个公司的软件都是自己开发、自成体系,所以相对封闭,没有统一的数据接口和统一的软件模块划分标准,严重阻碍了二次开发和该技术的推广应用、不同工艺的集成。因为CAD和RP&M的接口软件开发的难度高和独立性,外国出现了作为CAD
和RP&M系统之间桥梁作用的第三方软件,软件开发人员一般为个人或公司,软 件功能很少。比较著名软件有很多，比如CIDES、Brigeworks,STL等等。
国内RP&M软件的开发也进行了大量的工作,清华大学激光快速成型中心已经开发出具有自主知识产权的适应性快速RP数据处理系统LARK,该系统主要分为三个部分,即基于STL模型三维工艺规划子系统,基于CLI模型2 D工艺规划子系统和工艺规则制定和信息管理子系统。华中科技大学在POWERSHAPE直接切片研究、直接切片研究、直接切片在RP&M中的应用,RP&M数据处理软件一些技术问题等,进行了卓有成效的研究,开发出一系列实用的软件。西安市交通大学开发的LPS数据管理系统和数据处理系统,有STL模型显示控制、参数设置、分层处理、支撑添加等功能,并在其独立开发的LPS和CPS系列应用于快速成型机。
1.5熔融沉积3D打印机应用领域
制造各种模具,模型;代替熔模精密铸造蜡模,一般主要用于原型设计验证。塑料零件、铸造蜡模,样件或模型。快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。主要用于专业领域、桌面级项目还有待观察。高端制造业领域,样品功能测试、试验和装配仿真模拟等。
1.6本次设计的主要工作
1.6.1主要设计工作
（1）丝杠设计；
（2）导轨设计； （3）框架设计； （4）喷头设计；
（5）部分机械辅助控制的设计。 1.6.2设计参数
喷头最大运行速度：80mms 最大成型件重量：约为10kg Z向定位精度：0.01mm
加热板、丝杠以及直线导轨轴等的总重量：约10kg 喷头定位精度：0.005mm 成型空间：400*400*300mm 1.6.3设计思路及主要问题
使用分块设计的理念,机械结构分为X--Y扫描系统,Z方向移动系统两个部分。 （1）x-y扫描系统的机械结构
打印机扫描系统采用精度高x - y工作台,它驱动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。步进电机驱动滚珠丝杠带动扫描头作x - y平面运动,扫描范围是400 x400mm,重复定位精度为0。005 mm。为降低质量,提高响应速度,选择铝材进行设计,选择高转矩电动机。
扫描系统结构由计算机、X - Y扫描头、聚焦透镜,圆柱滚动直线导轨,滚珠丝杠、步进电机等组成。因为混合步进电机体积小、大转矩和良好的低频特性,运行的时候噪声小,失去电力自锁等优点,X,Y、Z方向都采用这种步进电机。为了减少X方向负载的质量、连接板和电机采用铝材。
（2）Z轴升降系统
它能完成零件支撑和在Z轴方向运动的功能,驱动丝杠上的喷头上下移动。每个固化一层。Z轴带动喷头上升一层的厚度，这个过程实现零件的堆积,确保定位精度。定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度和表面光洁度,和层与层之间的粘结性能。采用步进电机驱动、精密滚珠丝杠传动和精密导轨导向。驱动电机采用混合式步进电机,配合细分驱动电路,直接连接滚珠丝杠来实现高分辨率驱动,消除中间齿轮传动,既减少了尺寸和减少传输误差。
成形零件时,Z轴经常做下降,上升运动,为了减少运动时产生较大的误差,方便从加热板上取下成型零件,加热板必须加工成表面光滑的加热板的大小要合理。
2传动部分的设计
2.1设计任务
机械部分的设计主要包括机械结构传动装置和熔融沉积3D打印机的整体布局设计。
2.1.1设计目的
设计熔融沉积3D打印机的整体部分和其它的设计。主要用于单件小批量零件和功能模型的快速成型制造
通过毕业设计,锻炼我们在生产应用知识去解决实际问题,能够独立或与同学合作产品设计的一些实际应用,为了提高我们的设计能力。毕业设计同时也为自己在五年内最后检验一遍大学的知识。
提高应用手册的能力和编写文件信息的能力 2.1.2机械结构传动装置设计
事实证明,整个机器传动装置占了很大的比例。因此,传动装置的设计好坏是机械设计的关键。
本次的设计从电机到执行部分采取几种解决方案:齿轮传动,普通V带,同步带传动、链传动、丝杠螺母副等。下面将上述几个传输方案比较。
齿轮传动的承载能力和速度范围比较大,传动比恒定,外轮廓尺寸小,运行可靠,效率高,寿命长,制造安装精度要求高,噪音大,成本较高。齿轮齿条传动通常用于行程较大的机床,可以得很大的传动比,容易得到高速直线运动,刚度和机械效率高,传输不够平稳,传输精度不高。
普通三角皮带传动的承载能力小,传递相同的转矩时结构尺寸比其他形式大,但稳定,可以缓冲振动、噪音低、良好的经济性能。
同步带传动确保准确的同步带传动比,传动的优点是速度范围广,传动比大,效率高(高达98%),预紧力小,轴和轴承负荷小,单位长度质量很小,因此它允许线速度高,但制造和安装精度较高,必须按要求严格中心距。
链传动属于有中间挠性件啮合传动。只能用两个平行轴方向进行回转和传动,不能保证恒定的瞬时传动比;磨损后容易发生跳齿;工作时有噪音;不应该在负载变化大和快速反向传动中应用。
丝杠螺母副传动,滚珠丝杆螺母副是滚动摩擦,摩擦损失小,传动效率高,可达到0.90至0.96;丝杠和螺母预紧后,可以完全消除两者之间的间隙,提高传动刚度,摩擦阻
力小,几乎与速度无关。能保证平稳的运动,不容易在低速中爬行;不能自锁,可逆性强。
综合比较几种传动方案最后选择同步带传动适合并能满足步进电机和丝杠之间的连接需要，因此传动装置选择同步带传动
熔融沉积3 D打印机总体布局设计根据设计要求加工尺寸最大、重量、形状、和传动关系, 速度、位移、加速度、时间等一系列的参数设计,最后得到一个可以满足设计要求同时满足各部分之间的相对位置关系。主框架的机械结构：铝合金框架,,喷头、X-Y方向的传动装置(螺丝、导轨)和辅助装置。
2.2步进电机的选择设计任务
2.2.1步进电机的简介
步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器和电极的一步。步进控制器由缓冲器、环形分配器、控制逻辑及方向控制。功率放大器的作用是控制环形脉冲放大,驱动步进电机旋转。其控制系统如图1：
图1步进电机的控制系统 脉冲信号的产生
CPU、单片机产生的脉冲信号,一般脉冲信号的占空比约为0.3至0.4,电机转速越高,工作周期越大。
在步进电机控制软件制作中要解决的一个重要问题,是产生周期性的脉冲序列,如下图所示。从下图可以看出,脉冲是使用周期时间,脉冲高度,打开和关闭电源来表示的。脉冲高度取决于使用数字元件电平来决定,如普通TTL 电平为0 - 5 v,COMS电平为0-10v等。常用的接口电路,可用0到5 v打开和关闭电源的办法来控制。相应的数据为例,当步进电机数字线送高电平(连接),步进电机开始一步一步的运动。但是由于步进电机“一步”是需要一定的时间,所以在发送高脉冲应该延长一段时间,使步进电机在指定的位置。因此,使用计算机控制步进电机实际上是一系列的脉冲波由计算机生成的。
用软件的方法实现脉冲波是先输出高电平,然后用软件延迟一段时间,然后输出低电平时间延迟。延迟时间的长度决定于由步进电机的工作频率。
上面是一个步进电机控制命令和控制模型,如果在相反的顺序控制,步进电机相反的方向转动。因此,所谓的步进电机的方向控制,实际上是在一个特定的方式控制(根据需要选择)中指定的顺序发送脉冲序列,可以达到控制步进电机的目标方向。
图2脉冲信号的产生 功率放大
功率放大器是驱动系统中最重要的部分。步进电机在一定的速度转矩取决于平均动态电流而非静态电流(当前示例是静态电流)。电动机转矩的平均电流越大,需要克电机的反电势平均电流越大。在不同场合采取不同的方式,到目前为止,驱动模式通常有以下几种:恒压和恒压串联电阻,高、低压驱动,恒流和细分数。
步进电机一旦定型,其性能取决于电机驱动电源。步进电机速度越高,转矩,电动机电流的需求越大,驱动电源电压就越大。用于步进电机步距角不满足条件下,利用细分驱动程序来驱动步进电机，细分驱动的原理是通过改变相邻(A,B)的大小,改变合成磁场的角度来控制步进电机运行。驱动电源如图3所示：
图3 步进电机驱动电源
细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。细分驱动的原理如图10：