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中國地質大學長城學院
本 科 畢 業(yè) 設 計
題目 3D打印機傳動系統設計
系 別 工程技術系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
學生姓名 邱 陵
學 號 05211601
指導教師 楊運強
職 稱 教授
2015 年 04 月 18 日
本科畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計）誠信承諾書
畢業(yè)論文
（設計）題目
3D打印機傳動系統設計
學生姓名
邱陵
專業(yè)
機制
學號
05211601
指導老師
楊運強
職稱
教授
所在系別
工程技術系
誠信承諾
本人慎重承諾和聲明：
我承諾在畢業(yè)論文（設計）活動中遵守學校有關規(guī)定，恪守學術規(guī)范，在本人的畢業(yè)論文中不剽竊、抄襲他人的學術觀點、思想和成果，不篡改研究數據，如有違規(guī)行為發(fā)生，我愿承擔一切責任，接受學校的處理。
學生（簽名）：
年 月 日
中國地質大學長城學院畢業(yè)設計（論文）任務書
學生姓名
邱陵
班級
機制6班
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
指導教師
楊運強
職稱
教授
單位
工程學院
畢業(yè)設計（論文）題目
3D打印機傳動系統設計
開題報告（闡述課題的目的、意義、研究現狀、研究內容、研究方案、進度安排、預期結果、參考文獻等）
畢業(yè)設計（論文）主要內容和要求：
3D打?。ㄈS打印 或3D printing），它是一種快速成形技術，一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。過去其常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造。
3D打印機主要技術指標如下：成型體積（長×寬×高）： 200mm×200mm×200mm；打印速度：300mm/s(建議使用速度150mm/s）；打印精度：XY軸：0.1mm（推薦42步進電機）；Z軸：0.05mm（42步進電機帶螺桿）；最大加熱溫度：300℃；噴嘴直徑：0.4mm；耗材直徑：1.75mm；噴頭數量：1。
設計該款3D打印機機械傳動部分，完成方案規(guī)劃，設計計算，圖紙繪制。畢業(yè)設計（論文）的工作量要求：(1)字數要求2.0萬左右； (2)外文資料翻譯不少于3千漢字(或2萬印刷符）；(3)折算圖紙工作量不少于1″圖3張（包括總體圖、部件裝配圖、零件圖等）。
畢業(yè)設計（論文）主要參考資料：
[1] 嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，2003.
[2] 機械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，2006.
[3] 王金娥等．機電一體化課程設計指導書[M]．北京大學出版社，2012．
畢業(yè)設計（論文）應完成的主要工作：
(5) 了解本課題研究意義，調研本課題國內外研究情況及存在問題；寫出調研報告。
(6) 進行課題方案規(guī)劃和詳細設計，完成全部設計。
(7) 撰寫設計計算說明書，字數不少于5000字，且打印輸出并裝訂、格式一律參照“中國地質大學畢業(yè)設計（論文）寫作規(guī)范”要求，提交畢業(yè)設計Word文檔電子版并打印；
(8) 提交AutoCAD圖紙電子版并打印圖紙。
指導教師意見：
指導教師簽名：
年 月 日
教研室意見：
審查結果： 同 意□ 不 同 意□
教研室主任簽名：
年 月 日
中國地質大學長城學院畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
邱陵
學號
05211601
專業(yè)班級
11級機制6班
指導教師
楊運強
職稱
教授
單 位
工程學院
課題性質
設計√ 論文□
課題來源
科研□ 教學√ 生產□ 其它□
畢業(yè)設計（論文）題目
3D打印機傳動系統設計
開題報告（闡述課題的目的、意義、研究現狀、研究內容、研究方案、進度安排、預期結果、參考文獻等）
一、課題的目的及意義
1、研究目的：
3D打印帶來了全世界性制造業(yè)革命，以前是部件設計完全依賴于生產工藝能否實現，而3D打印技術的出現，將會顛覆這一生產思路，任何復雜形狀的設計均可以通過3D打印技術來實現，它無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體， 從而極大地所縮短了產品的生產周期，提高了生產率。
2、研究意義：
本課題研究的3D打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印機則出現在上世紀90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。
二、研究現狀
在國外經過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術有了長足的進步，目前已經能夠在 0.01mm的單層厚度上實現600dpi的精細分辨率。目前國際上較先進的產品可以實現每小時25mm厚度的垂直速率，并可實現24位色彩的彩色打印。
在國內，自20世紀90年代以來，國內多所高校開展了3D打印技術的自主研發(fā)。近年來，國內企業(yè)已實現了3D打印機的整機生產和銷售，這些企業(yè)共同的特點是由海外歸國團隊建立，規(guī)模較小，產品技術與國外廠商同類產品相比尚處于低端。目前，國產3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術水平有待進一步提升。在服務領域，我國東部發(fā)達城市已普遍有企業(yè)應用進口3D打印設備開展了商業(yè)化的快速成型服務，其服務范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設計、文物復原等多個領域。
三、研究內容
本報告研究的3D打印機的傳動系統由輸人設備制定部分參數,從存儲設備或者直接從計算機中得到事先建好的三維模型,由單片機對模型進行分析,切片,建立 必要的支撐結構,再從單片機輸出控制指令,控制噴頭型材料融化,并通過一定的驅動電路驅動電機,帶動噴頭進行X、Y、Z三個方向的移動,并控制噴頭的噴出系統調節(jié)噴出材料的多少。每打好一層,從外 部設備讀取下一層的參數,再打印下一層,直到全部模型完成。完成模型的打印之后,還需要后期的材料回收工作。
四、研究方案
3D打印機主要技術指標如下：
成型體積（長×寬×高）： 200mm×200mm×200mm；打印速度：300mm/s(建議使用速度150mm/s）；打印精度：XY軸：0.1mm（推薦42步進電機）；Z軸：0.05mm（42步進電機帶螺桿）；最大加熱溫度：300℃；噴嘴直徑：0.4mm；耗材直徑：1.75mm；噴頭數量：1。
設計該款3D打印機機械傳動部分，完成方案規(guī)劃，設計計算，圖紙繪制。畢業(yè)設計（論文）的工作量要求：(1)字數要求2.0萬左右； (2)外文資料翻譯不少于3千漢字(或2萬印刷符）；(3)折算圖紙工作量不少于1″圖3張（包括總體圖、部件裝配圖、零件圖等）。
五、進度安排
2、2014-12-01至2015-01-07 編寫論文提綱，撰寫開題報告，進行開題。
3、2015-01-08至2015-01-20 實習期間進行一步查找資料，作社會調查。
4、2015-01-21至2015-02-20 撰寫論文，完成第一稿，并交指導教師。
5、2015-02-20至2015-04-15 完善論文并繪制圖紙。
10、2015-04-16至2015-04-30 專家評閱。
11、2015-05-01至2015-05-15 畢業(yè)論文答辯。
六、預期結果
1. 了解本課題研究意義，調研本課題國內外研究情況及存在問題；寫出調研報告。
2. 進行課題方案規(guī)劃和詳細設計，完成全部設計。
3. 撰寫設計計算說明書，字數不少于5000字，且打印輸出并裝訂、格式一律參照“中國地質大學畢業(yè)設計（論文）寫作規(guī)范”要求，提交畢業(yè)設計Word文檔電子版并打?。?
4. 提交AutoCAD圖紙電子版并打印圖紙。
七、參考文獻
[1] 嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，2003.
[2] 機械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，2006.
[3] 王金娥等．機電一體化課程設計指導書[M]．北京大學出版社，2012．
指導教師意見：
指導教師簽名：
年 月 日
教研室意見：
審查結果： 同 意□ 不 同 意□
教研室主任簽名：
年 月 日
中國地質大學長城學院
本科畢業(yè)設計文獻綜述
系 別： 工程技術系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
姓 名： 邱陵
學 號： 05211601
2015年 4月 1 日
3D打印機的發(fā)展前景
1、3D打印概念
3D打?。?D printing），即快速成型技術的一種，也稱為增材制造技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術”?？焖俪尚图夹g誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術。3D打印技術被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產工具”，早在20世紀90年代中期就已出現，但由于價格昂貴，技術不成熟，早期并沒有得到推廣普及。經過20多年的發(fā)展，該技術已更加嫻熟、精確，且價格有所降低。
2、3D打印機工作原理
“3D打印”層層印刷的原理和噴墨打印機類似，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制采用分層加工，疊加成型的方式來“造型”，會將設計產品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，一層一層疊加起來，最終在計算機上的藍圖變?yōu)閷嵨铩?
3D打印是一種直接數字化制造技術，是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。
每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散，然后是噴灑一層均勻的粉末。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用，加工過程僅需確定所需塑料、樹脂、金屬等物料，材料耗費僅相當于傳統制造的十分之一，而誤差可輕易控制到0.1mm之內。它無需生產線，亦可制造那些常規(guī)方法無法生產的奇形怪狀的零件。
三維打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。分步驟描述如下：
1、 三維建模
通過goSCAN之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的 DIY掃描設備獲取對象的三維數據，并且以數字化方式生成二維模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二維建模軟件從零開始建立三維數字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。
2、分層切割
由于描述方式的差異，3D打印機并不能直接操作3D模型。當3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機配備的專業(yè)軟件來進一步處理，即將模型切分成一層層的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規(guī)格決定。
3、打印噴涂
由打印機將打印耗材逐層噴涂或熔結到二維空間中，根據工作原理的不同，有多種實現方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復；或是通過高能激光融化合金材料，一層一層地熔結成模型。整個過程根據模型大小、復雜程度、打印材質和工藝耗時幾分鐘到數天不等。
4、后期處理
模型打印完成后一般都會有毛刺或是粗糙的截面。這時需要對模型進行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等等，才能最終完成所需要的模型的制作。
3、3D打印機的國內外現狀
在國外經過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術有了長足的進步，美國加州大學最新開發(fā)的“輪廓工藝”技術，在美國航天局的出資贊助下，可以在24小時以內打印一棟兩層樓的房子。澳洲一家石墨礦公司和一家3D打印公司合作已經可以用石墨烯打印電池，充放電速度比普通電池快1000倍。3D打印技術也已經到發(fā)展到生物打印，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的3D生物打印技術團隊利用肋骨的軟骨組織打印出新的耳朵。
在國內，多所高校開展了3D打印技術的自主研發(fā)。根據美國3D打印機行業(yè)研究機構WohlersAssociates公布的權威報告指出，中國華東科技大學已經獲得多項3D打印機研究成果，另外清華大學、西安交通大學等眾多大學也取得一些研發(fā)成果。近年來，國內一些企業(yè)已經實現了3D打印機的整機生產和銷售，浙江湘湖已經逐漸建立起了3D小鎮(zhèn)，整個3D產業(yè)園區(qū)為3D打印企業(yè)提供了一個很好的平臺，抱團發(fā)展。3D打印技術作為制造業(yè)領域的一次重大技術革命，我國已經廣泛應用到航空、航天等軍事領域和大型復雜構件的一次成型制造，我國的3D打印技術也正在蓬勃發(fā)展。
4、3D打印相關軟件
Blender、SketchUp、AutoCAD
在3D打印的制作過程中，用到軟件的方面應該是在3D打印的三維模型設計上（不包括其余過程中的常用的操作軟件）。模型的設計可以說是整個3D打印過程的核心部分，是3D打印產品的根本。在此介紹幾種建立三維數字化模型的建模軟件。
Blender：Blender是一個開源的多平臺輕量級全能三維動畫制作軟件，提供從建模，動畫，材質，渲染，到音頻處理，視頻剪輯的一系列動畫短片制作解決方案。blender以python為內建腳本，支持yafaray渲染器，同時還內建游戲引擎。
完整集成的創(chuàng)作套件，提供了全面的3D創(chuàng)作工具，包括建模（modeling）、uv映射（uv-mapping）、貼圖（texturing）、索鏈關連（rigging）、蒙皮（skinning）、動畫（animation）、粒子（particle）和其它系統的模擬、腳本控制（scripting）、渲染（rendering）、合成（compositing）、后期處理（post-production）和游戲制作；
SketchUp：Google Sketchup是一套直接面向設計方案創(chuàng)作過程的設計工具，其創(chuàng)作過程不僅能夠充分表達設計師的思想而且完全滿足與客戶即時交流的需要，它使得設計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構思，是三維建筑設計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。google?SketchUp軟件同3dmax等3維制作軟件同樣，有豐富的模型資源，在設計中可以直接調用、插入、復制等進行編輯任務。
AutoCAD：AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美國Autodesk公司首次于1982年開發(fā)的自動計算機輔助設計軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計?，F已經成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進行各種操作。它的多文檔設計環(huán)境，讓非計算機專業(yè)人員也能很快地學會使用。在不斷實踐的過程中更好地掌握它的各種應用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應性，它可以在各種操作系統支持的微型計算機和工作站上運行。
5、3D打印技術的優(yōu)缺點
5.1、優(yōu)點
一是最直接的好處就是節(jié)省材料，不用剔 除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產線而降低了 成本；二是能做到很高的精度和復雜程度，除了可以表 現出外形曲線上的設計；三是不再需要傳統的刀具、夾 具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生 成任何形狀的零件；四是它可以自動、快速、直接和精 確地將計算機中的設計轉化為模型，甚至直接制造零件 或模具，從而有效的縮短產品研發(fā)周期；五是3D打印 能在數小時內成形，它讓設計人員和開發(fā)人員實現了從 平面圖到實體的飛躍；六是它能打印出組裝好的產品， 因此它大大降低了組裝成本，它甚至可以挑戰(zhàn)大規(guī)模生 產方式。
5.2、缺點
任何一個產品都應該具有功能性，而如今 由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產品 在實用性上要打一個問號。①強度問題：房子、車子固 然能“打印”出來，但是否能抵擋得住風雨，是否能在 路上順利跑起來？②精度問題：由于分層制造存在 “臺階效應”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度 下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需 要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏 差；③材料的局限性：目前供3D打印機使用的材料非 常有限，無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等。 能夠應用于3D打印的材料還是很單一，以塑料為主， 并且打印機對單一材料也非常挑剔。
參考文獻
[1] 孫曉林. 3D打印技術的應用[J].[2013-07-13].
[2] 劉紅光,楊倩,劉桂鋒,劉瓊. 國內外3D打印快速成型技術的專利情報分析.[J][2013-06].
[3] 王忠宏,李揚帆,張曼茵.中國3D打印產業(yè)的現狀及發(fā)展思路.[J][2013-01-04]
[4] 李青.3D打印—一種新興的學習技術.[C][2013-05-15]
[5] Lam?C;MoX?Scaffold?development?using?3D?printing?with?a?starch-based?polymer2002(C20)
[6] Rowe?C?W?Multimechanism?oraldosage?forms?fabricated?by?three?dimensional?printing[外文期刊]?2000(01)
[7] 許廷濤．3D打印技術———產品設計新思維［J］．電腦與電信，2012,9 :5-7．
[8] 古麗萍． 蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展［J］． 數碼印刷．2011,10 :64-67．
[9] 蔡恩澤．3D打印顛覆傳統制造業(yè)［J］． 中國中小企業(yè)，2012,11 :46-47．
[10] 劉厚才,莫健華,等.三維打印快速成形技術及其應用 [ J]．機械科學與技術，2008，9:12-14．
[11] 劉厚才,莫健華,等.《三維打印快速成形技術及其應用》，機械科學與技術，2007,27(9):23-26.
[12] 陳步慶,林柳蘭,等.三維打印技術及系統研究 [J]．機電一體化，2005，（4）:31-32
[13] 胡發(fā)宗,趙毅,等.《三維立體打印機的成形技術》，上海交通大學,2012(8):16-18.
3D打印機傳動系統設計
摘 要
打印機發(fā)出指令，這樣3D打印機打印出來的的切片就會逐漸累積復制模型.文章對3D打印技術、3D打印機國內外的研究現狀、3D打印機的優(yōu)勢極其面臨問題等做了綜合介紹,綜述了3D打印機工作原理和特點及其發(fā)展趨勢并展望了3D打印機未來的發(fā)展和突破,闡述了本文3D打印機的總體方案與結構設計、機械結構和電機與傳感器的選擇.
關鍵詞:3D打印機;未來發(fā)展;發(fā)展突破;方案設計
ABSTRACT
printer?instructions,?this?section?will be?the?3D printer to print out the cumulative?replication?model.?The article on the 3D?3D printer?printing technology,?the domestic and foreign research,?the advantage of?3D printerproblems faced?to do a comprehensive?introduction,?summarized the?working principle and characteristics of?3D printer?and its development trend?and prospect of?3D printer?the future development?and
breakthrough,?expounds the?overall scheme and structure?design,?the 3D printer?mechanical structure and?motor and?sensor selection.
Key words：3D printer;?future development;?development?breakthrough;scheme design
目 錄
引言 1
1緒論 2
1.1 國內外3D打印機的研究現狀 2
1.1.1 國外3D打印機的研究現狀 2
1.1.2國內3D打印機的研究現狀 2
1.2 3D打印機的發(fā)展趨勢 2
1.2.1 3D打印產業(yè)的未來發(fā)展前景 2
1.2.2 3D打印技術未來發(fā)展的主要趨勢 3
1.3 3D打印機的工作原理及特點 3
1.3.1 3D打印的工作原理 3
1.3.2 3D打印的特點 4
1.4 發(fā)展創(chuàng)新與突破 4
1.4.1 3D打印應用領域拓展延伸 5
1.4.2 3D打印速度尺寸及技術日新月異 5
1.4.3 設計平臺革新 5
2 總體方案及結構設計 5
2.1 引言 5
2.2 總體框架的設計 6
2.3 溫度控制回路的設計 6
2.4 XYZ三方向控制電機的設計 6
2.5 噴頭移動及噴出量調節(jié)的設計 7
3 機械結構 7
3.1 傳動方式的選擇 7
3.2 轉動慣量的計算 8
3.3 噴頭的選擇 8
4 電機的選擇 9
4.1 伺服電機和步進電機的對比 9
4.2 直流交流伺服電機對比 10
4.3負載轉矩的計算 11
4.4 打印速度的初步估計 11
4.5加速和減速運動的控制 11
4.6 振動和噪音 12
5 傳感器 12
5.1 溫度傳感器對比 12
5.2 機械位置傳感器 14
5.3 壓力傳感器 15
6 3D打印機的優(yōu)點及面臨問題 17
6.1 3D打印機的優(yōu)點 17
6.2 3D打印技術面臨的問題 17
參考文獻 18
致謝 19
中國地質大學長城學院2015屆畢業(yè)設計
引 言
隨著時代的進步，我們的生活水平不斷提高，與此同時，人口的增長形成了鮮明的對比，我們需要更多的商品來滿足物質生活的條件。這肯定會引起我們對商品的需求也將越來越高，做工精細，獨特的貨物生產將流行在人民群眾之中?，F在，我們有先進的技術—3D打印，我們可以通過三維打印機打印出所有的東西，我們需要的和想要的。三維打印技術廣泛應用，它可以應用在醫(yī)療行業(yè)，科研，產品模型，架構設計，制造和食品等，前景廣闊。
3D打印技術,數字模型文件是基于使用金屬或塑料粉材料通過一層一層地印刷技術來構造對象。3 D打印機出現在1990年代中期,光固化快速成型設備和紙張紋理技術的使用。它基本上也是作為一個普通的打印機,打印機由液體或粉“印度材料”與電腦連接,電腦控制印刷材料層復合在一起,最終成為藍圖的電腦。今天,這項技術已經應用在許多領域,人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜點。
0
1 緒論
1.1 國內外3D打印機的研究現狀
1.1.1 國外3D打印機的研究現狀
經過十年的探索和發(fā)展,3D打印技術在國外已經取得了很大的進步,加州大學的新開發(fā)的“等值過程”技術,在美國國家航空航天局(NASA)的贊助下,您可以打印在不到24小時內設置兩層的房子。澳大利亞石墨礦公司的3 d印刷公司已經可以打印石墨烯電池,充電和放電速度快1000倍，比普通電池。3 d打印技術已經發(fā)展的生物打印，瑞士聯邦理工學院蘇黎世3D打印技術團隊使用肋軟骨打印新的耳朵。
1.1.2 國內3D打印機的研究現狀
在國內，已經有多所高校開展了3D打印技術的自主研發(fā)。根據美國3D打印機行業(yè)研究機構公布的權威報告指出，中國華東科技大學已經獲得多項3D打印機研究成果，另外包括清華大學、西安交通大學等眾多大學也取得一些研發(fā)成果。近年來，國內已經有一些企業(yè)開始研發(fā)和生產3D打印機，比較突出的是浙江已經逐漸建立起了3D小鎮(zhèn)，建立起一個3D打印產業(yè)區(qū)，為眾多生產商提供了一個聚集生產3D打印機的平臺。3D打印技術作為制造業(yè)領域的一次重大技術革命，我國在航空、航天等眾多領域已經開始廣泛使用大型復雜構件的一次成型制造，可以看出，我國的3D打印產業(yè)也在同世界看齊。
1.2 3D打印機的發(fā)展趨勢
1.2.1 3D打印產業(yè)的未來發(fā)展前景
根據3D產業(yè)權威報告《Wohlers Report 2014》發(fā)布的調查結果，全球3D打印產業(yè)產值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增長速度。近幾年更是增長迅速，預計在2016年，3D打印設備制造和服務的產業(yè)總產值將增加到30億美元，預計在2020年將達到51億美元。中國3D打印產業(yè)近兩年開始迅猛發(fā)展，我國已經有幾家年銷售額過億的3D打印企業(yè)，并且隨著EOS,Formlabs，3D Systems等國外知名的3D打印企業(yè)在國內大幅拓展中國市場，對我國的3D打印技術有著促進作用。但是現在研制生產銷售的設備大多都是ABS和PLA材料，能提供金屬粉末和陶瓷等材料的企業(yè)還是只有幾家，所以材料問題是未來3D打印產業(yè)不得不解決的問題。隨著金屬粉末設備的迅速發(fā)展，未來對金屬粉末的需求會大大增加，所以國內對于金屬粉末的投資力度也越來越大。
1.2.2 3D打印技術未來發(fā)展的主要趨勢
最初的3D打印技術是用來驗證工業(yè)的設計方案，再生成模型，對于創(chuàng)新為核心的3D打印技術，在未來的發(fā)展中一定會進入到更多的領域里，這是3D打印的高效率和低成本優(yōu)勢。傳統工業(yè)都是采用減法工藝，通過車、銑、刨、摩、鉆等切削工藝對材料進行加工，這種工藝對材料有很大的浪費，復雜的工序也需要很長的制作周期。而3D打印機就很好的解決了這樣的問題，加法制造可以節(jié)省大量的原材料，制作周期也大大的減少。
1.3 3D打印機的工作原理及特點
1.3.1 3D打印的工作原理
三維打印技術是使用噴頭噴出粘結劑,進行熔融沉淀造型(Fused deposition modeling，之后簡稱FDM).FDM是目前使用最為廣泛的3D打印工藝，通過加熱頭把熱熔性材料(如ABD樹脂、尼龍等)加熱到半流體狀態(tài)，然后加熱頭會在電腦軟件指定的軌跡運動，同時噴頭將半流體狀態(tài)下的材料擠壓出來，材料瞬時凝固形成有輪廓的薄層。
圖1是3D打印機的簡易示意圖. 這個過程是首先鋪粉輥從左到右移動,將粉杠里的粉末在成型缸槽均勻覆蓋著一層。然后依據計算機模型，由打印頭設計粉末噴射截面的第一層，在該形狀的底部上，然后形成筒平臺從一層粉末向下移動一定的距離, 再由鋪粉輥從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結劑，層層遞進，最后得到的零件整體是由各個橫截面層層重疊起來的。
圖1 三維快速打印技術工作原理示意圖
3D打印的主要工作流程如圖1所示, 首先要在電腦軟件上進行3D建模，3D建模質量越好3D打印出來的質量就越好. 現在CADPro/e等矢量建模軟件都可以實現建模. 3首先是將模型分割成一片片薄片，每個薄片厚度由材料決定。然后再進行分割，最后像噴墨打印中將成型材料那樣逐層打印到打印面板上面。
1.3.2 3D打印的特點
與傳統的工業(yè)制作相比，3D打印技術有很多優(yōu)勢，主要優(yōu)勢如下:
1． 精度高。 一開始的3D打印精度并不高，但是隨著技術的不斷成熟與突破，如今的3D打印精度已經可以達到制作需求。
2． 周期短。 3D打印不像傳統的制作那樣，先要設計模具然后再休整之后進行制作，需要的周期很長，有時需要數周，直接建模之后增量生產，短時間之內就能將一個模型制作出來。
3． 個性化制作。 以前訂做模型往往需要花費巨大的資金成本，但是對于3D打印而言，制作模型的數量是隨意的，都可以輕松制作出來，且成本都是一樣的。
4． 材料的多樣性。 3D打印材料的更新速度也是非?？欤缃窠饘偈细叻肿硬牧隙伎梢詰糜?D打印。
1.4 發(fā)展創(chuàng)新與突破
3D打印已經逐漸被人所熟知，進入了世界各大期刊雜志，普遍認為它將會改變我們的世界，可以看到人們已經開始關注并且對它感興趣。3D打印的飛速發(fā)展，主要表現在以下方面。
1.4.1 3D打印應用領域擴展延伸
3D打印已經逐步走向生物領域，這是3D打印對于醫(yī)學的重大貢獻，包括之前的打印出耳朵組織，打印心臟的成功，標志著3D打印在生物領域的不斷成熟，也是眾多病人的福音。3D打印不僅是在現有的領域有出眾的潛力，相信還會有更多的領域等待著它去突破。
1.4.2 3D打印速度尺寸及技術日新月異
3D打印的速度已經逐漸加快，如今最快的3D打印機已經可以每秒送絲超過400mm，在不同行業(yè)里，已經有多鐘3D打印機的誕生不斷的刷新著打印速度的記錄，相信在不久的將來，3D打印機的打印速度會達到甚至遠遠超過1000mm每秒的夢想。
1.4.3 設計平臺革新
3D打印未來民用化已是大勢所趨，如何使其簡單化也是重點，現在已經有部分企業(yè)著重于推出簡單成熟的3D設計平臺，并且大力開發(fā)3D打印應用，從而讓所有人都能進去3D打印的世界。
2 總體方案及結構設計
2.1 引言
3 D打印機,從推出至今，已經逐漸走向我們的身邊。它的推出被人推崇為第三次工業(yè)革命，代表著時代的進步以及科技的革新，為未來的工業(yè)帶來了更加廣闊的未來。
本文是針對3D打印機的結構設計,對各個原件的選擇是考慮到整體的合理性以及經濟性，經過分析后進行的選擇。
3 D打印機可以運用種類繁多的材料進行打印,運用計算機建模,例如一輛汽車模型也可能是一個器官模型,之后通過3 D打印機使用不同的材料進行打印。打印的原料已經不再單調，如今已經從以前的幾種單一的打印材料增加到現在的上百種材料。
2.2總計框架的設計
2.2.1系統概述
部分參數都是由系統輸入設備制定的，從儲蓄設備或者計算機中獲得事先建立好的三維模型，有單片機對模型進行先進行分析和切片，然后再建立需要的支撐結構，噴頭接收單片機的指令對材料進行融化并發(fā)動電機，從而控制噴頭在X，Y，Z三個方向的移動，同時噴出系統調節(jié)材料的噴出量，逐層打印，直到全部模型完全打印出來，最后再進行后期的修整和材料回收。
2.2.2系統框架
輸入設備，存儲外設，上位機，傳感器系統—單片機分析—溫度控制系統，X，Y，Z方向控制系統，噴出量控制系統。
2.3溫度控制回路設計
2.3.1打印耗材的選用
一方面需要熔點低，并且要很好的粘滯性，另一方面還需要快速成型?；谝陨暇C合考慮，最終選擇了PLA/ABS耗材。
2.3.2設計思路概況
ABS/PLA耗材的熔點大約為230℃，分解溫度大約在260℃以上，因此可以初步確定成型溫度約在250℃以下?？刂苹芈愤\用溫度傳感器來返回當前溫度，控制回路返回當前溫度保證了溫度的恒定，而控制器統一使用了單片機來傳達命令。
控制回路的順序如下：
設置空氣溫度—單片機—D/A轉換器—加熱電路—當前溫度—溫度傳感器—A/D轉換器—單片機。
2.4 X Y Z三方向控制電機設計
把二維打印與一維打印結合成三維打印。就是在Z方向使用步進電機，將步進電機固定的量算出需要的步進角，控制噴頭豎直方向的速度，再把X,Y方向也使用電機帶動，就像噴墨打印機的原理，這樣結合就使得每一個平面的二維打印進而實現三維打印。
2.5噴頭移動及噴出量調節(jié)的設計
2.5.1噴頭系統的功能要求
熔融擠出系統：把成型材料放入液化器中，材料在液化器充分融化變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后經過內徑極小的噴嘴以直徑很小的絲狀噴出，經過單片機的命令在與掃描速度相匹配的送絲速度堆積成型，以此來保證它的均勻和一致。
2.5.2噴頭實現方法設計
本3D打印機選擇的是PLA/ABS型打印材料，采用熔融沉積成型技術，每一片的參數控制噴頭的的路徑以及噴出量，使打印材料均勻鋪在打印面板上。
液化器中電熱絲在系統控制的熱量范圍使材料熔融，并在設定溫度值之后盡量保證恒溫，不能產生較大的擾動，不然就會影響成型的質量，所以我們必須加入合適的溫度控制回路來控制液化器的溫度。
3機械結構
3.1傳動方式的選擇
支持直線運動的傳動方式主要是螺桿，和皮帶兩種，螺桿精度高，載荷大，速度低。3D打印機打印頭基本不受力，沒有載荷要求，打印機X,Y軸方向需要的速度較高，在Z軸方向上需要精度較高，對于速度的要求不高。3D打印機的傳動設計一般都是在水平方向使用帶傳動,垂直方向用螺桿。
滾珠絲杠和滑動絲杠的選擇：滾珠絲杠效率高，傳動速度高；滑動絲杠有自鎖性，價格低。
滾珠絲杠是如今精密器械最常用的傳動元件，傳動效率可達90%以上，是將旋轉運動轉化為線性運動，傳動效率可達90%以上。
①與滑動絲桿相比驅動力矩為1/3
因為滾珠絲杠副的絲杠軸和絲母之間有很多在做滾動運動的滾珠，所以運動效率比較高，跟滑動絲杠副相比，驅動力矩在1/3以下，效率可以達到滑動絲杠副的三倍，節(jié)省電力。
②無間隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加入一定的與壓力，可以讓軸向間隙為負值，提高剛性。
③使用壽命高
滾珠絲杠副所受損傷比滑動絲杠副所受損傷小很多，只要清潔和潤滑達到要求，滾珠絲杠副的使用壽命可以高很多。
④價格差異不大
如今的自動化設備逐漸增多，滾珠絲杠副的產量也越來越大，因此現在的滾珠絲杠副已經和滑動絲杠副的價格差異越來越小。
3.2轉動慣量的計算
滾珠絲杠依采用JB/T9893—1999，長度=1m，公稱直徑=12mm，公稱導程mmPh40.
對本體系來說，絲杠傳動折算到馬達軸上的總慣量為：Jt=Z1+1/i2[Z2+JS+JW](kg.m2)
其中i是兩齒輪的傳動比，設i=Z1/Z2=1
其他符號說明如下：
Z1——齒輪l?及其軸的轉動慣量；J1=0.0018kg. m2?；
Z2——齒輪2?的轉動慣量，取J2=0.0018kg. m2?；
Js——絲杠轉動慣量，kg. m2?；
Jw----為工作臺折算到絲杠上的動慣量；?
W——工作臺重量，工作臺輕，取6kg；?
S——絲杠螺距，4mm；??
g——重力加速度，9.8m/ s2；?
圓柱體轉動慣量：J=1/8MD2?；
M----圓柱體質量；???D----圓柱體直徑；?
選用絲杠的密度（類于鐵）：7.8g/m3；
滾珠絲杠的轉動慣量為：
JS=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 )
Jw=6*0.0042/(9.8*4π2)=2.48*10-7( kg.m2 )
因此 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。
從上述計算公式可以看出，Jt很小，主要是由兩個齒輪的轉動慣量來決定的，這樣對電機的功率輸出要求不那么過于嚴厲，在功率不高的情況下，可是完成高轉速。制動性能和反應都比較好。
這類電機的最高轉速達到了3000r/min左右，假如最高轉速在3000，按照360dpi的分辨率來思考，則每英寸25.4mm對應360個色點，每兩個色點之間的距離是25.4/360=0.07mm,加上打印所使用的噴頭為雙排，因此打印噴頭的周期移動距離d=0.07×2=0.14mm，噴墨和噴粘劑各一次，兩個噴頭同步噴出。
假設機械精度為0.005mm，所對應的脈沖當量為：i=1是，求得絲杠轉一圈，噴頭前進4mm，則機械精度所對應的絲杠轉一周，上位機所發(fā)出的脈沖指令時4mm/0.005mm=800(個)，對應的轉速為3000，上位機脈沖的能力在800×3000/60=40000r/s，對應的6000轉速，上位機脈沖能力為80000r/s，電齒輪不變。
CMX?：電子齒輪比的分子是電機編碼器反饋脈沖。?
CDV?：電子齒輪比的分母是上位機的給定脈沖（指令脈沖）。?
電子齒輪比=CMX/CDV=（131072×100）/?80000=6553600/200000=32.8。??
上述計算電子齒輪比方便控制中心按給定指令要求控制伺服轉動定位，所以，通過上位機的脈沖能力計算，等對比實現的可能性，知道我們方案的合理性。
3.3噴頭的選擇
選用3DA-001B型號，寬度和分辨率都達到規(guī)定要求。
4電機的選擇
4.1伺服電機和步進電機的對比
控制電機的選取和比較：電機控制系統依據運動過程的需要可分為驅動伺服和驅動步進兩大類，而伺服又有速度控制盒位置控制模式。
伺服電機
步進電機
控制類型
控制精度
低頻特性
矩頻特性
過載能力
運行性能
速度響應性能
閉環(huán)控制
兩種混合式步進電機步距角一般是1.8°，0.9°，五相混合式步進電機步距角是0.72°，0.36°。
步進電機在低速時容易出現低頻振動現象。
步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，并且在較高轉速時會急劇下降，所以最高工作轉速在300—600r/min。
為了克服這種慣性力矩，在選取轉矩的電機的時候，機器在正常工作期間又需要大的轉矩，就會出現力矩浪費。
交流伺服驅動系統是閉環(huán)控制，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，通常情況下不會出現步進電機的丟步或過載現象。
交流伺服系統的加速性能較好，一般把它用在需要快速開啟快速停止的控制場合。
開環(huán)控制
帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收131072個脈沖電機轉一圈，其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即便在低速時也不會出現振動現象。
交流伺服電機為恒力矩輸出，其額定轉速一般在2000r/min—3000r/min,所以它可以輸出額定轉矩。
步進電機因為一般不具有過載能力，所以通常需要選取較大轉矩的電機來克服慣性力矩，但是機器只需要較小的轉矩就可以正常工作，所以會出現力矩浪費。
在選型時一般選擇更大轉矩的電機來克服慣性力矩但是機器只需要較小的轉矩就可以正常工作，所以會出現力矩浪費。
步進電機到工作轉速所需時間非常短，一般在200—400毫秒。
4.2交流直流伺服電機對比?
伺服電機可以考慮直流和交流兩種：直流電機因為自身的缺點，需要經常維護。與直流電動機相比，相同體積的交流電動機要比直流電動機提高20﹪～70﹪的輸出功率。?
4.3 負載的分類
（1）Tf力矩負載：
Tf = G·r
G 重物重量 r 半徑
（2）TJ慣性負載：
J = M（R12+R22）/ 32 （Kg·cm）
M：質量
R1：外徑
R2：內徑
TJ = J·dw/dt dw/dt 為角加速度
4.4 力矩曲線圖的說明
步進電機的輸出特性可以用力矩曲線圖表現，下面對力矩曲線圖的關鍵詞做出說明。
說明：
1. 工作頻率點：步進電機在該點的轉速值。單位：Hz
n=Θ*Hz / （360*D）
n 轉/秒
Hz 該點的頻率值
D 電路的細分值，
Θ 步進電機的步距角
4.5 加速和減速運動的控制
系統在力矩曲線圖區(qū)域之內工作，需要在最短的時間內進行加減速。步進電機的動態(tài)力矩在高速時很低，但是在低速卻很平穩(wěn)。
4.5.1 直線加速度運動
電機負載為TL，要從F0 在最短時間tr內加速到F1，求tr 和 加速脈頻率F（t）
A．確定TJ，一般TJ =70% Tm。
B．tr = 1.8*10-5*J*Θ*（F1-F0）/ （TJ-TL）
C.Ｆ（ｔ）＝（Ｆ１－Ｆ０）＊ｔ／ｔｒ＋Ｆ０ ， 0 < t < tr
4.5.2 指數加速運動
電機負載為TL，要從F0 在最短時間tr內加速到F1，求tr 和 加速脈頻率F（t）
A.確定TJ０，ＴＪ１一般TJ０ =70% Tm０,TJ１ =70% Tm１,TL=60%Tm1
B．tr = F4*ln[(TJ0-TL)/(TJ1-TL)]
C.Ｆ（ｔ）＝F2*[1-e^(-t/F4)]＋Ｆ０ ， 0 < t < tr
其中，F2=(TL-TJ0)*(F1-F0)/(TJ1-TJ0)
F4=1.8*10-5*J*Θ*F2 /( TJ0-TL)
4.6 振動和噪音
步進電機空載時，在200pp振動最為嚴重，還可能出現失步現象。一般解決的辦法是避開振動區(qū)，使電機的工作頻率不在這個范圍內。
5 傳感器
5.1 溫度傳感器對比
?′溫度傳感器的接觸式特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，并且接觸式測溫系統結構簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉，并且可以可方便地組成多路集中測量與控制系統。a
從以上兩個表可以看出，溫度在1000℃以下的誤差較大，所以選擇接觸式傳感器。本設計選用溫度范圍為-50℃～150℃的銅材料熱敏電阻，精度以及靈敏度都符合本設計所需要的傳感器。
5.2 機械位置傳感器
X,Y軸傳動使用帶傳動，Z軸使用的是滾珠絲杠。傳感器的位置在傳動路線終點。
5.3 壓力傳感器
用壓力傳感器檢測噴頭的噴出量以及粉末使用量，在分量不夠或者超過的時候進行反饋和提示。
6 3D打印機的優(yōu)點及面臨問題
6.1 3D打印機的優(yōu)點
3D打印技術主要有以下優(yōu)點：
1.3D打印技術可以有效的加工工程中任何復雜的零部件結構，提高企業(yè)的研發(fā)效率。
2.CAD/CAM技術的集成，快速成型技術集成CAD.CAM激光技術.數控技術.化工材料工程等多項技術,使得設計制造一體化的概念完美實現。
3.作為增材制造，對材料的使用率高，基本上可以做到無消耗。
4.材料種類多，推出新材料的速度也越來越快，可以選擇不同的材料制作個性化的產品。
5. 節(jié)省勞動成本，利用3D打印技術，工廠可以快速設計制造模具，從而批量生產。
6.2 3D打印技術面臨的問題
現在3D打印機還需要解決很多問題，3D打印機價格偏高，材料價格虛高，外購3D打印機和打印耗材的稅收也是相當高，所以還沒有實現普及。
3D打印機的速度也需要大幅度提升才能進行真正意義上的大規(guī)模批量生產。
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致 謝
時光匆匆，四年的大學生涯即將畫上句號。大學四年感謝孜孜不倦的老師，還有善良可愛同學們，中國地質大學長城學院陪伴了我四年，不但教會了我知識，更是讓我懂得了成長需要的責任與擔當，成熟與穩(wěn)重。
畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在中國地質大學長城學院的四年學習生活既將結束?；赝^去，四年的大學生涯，讓我在眾多老師的指導下，學習了我未來所需的知識，也讓我在離家數千公里的保定有了另一個家，這里的老師和同學們就像我的家人一樣，那么的親切可愛。
在這里，首先我要感謝我的導師楊運強教授。感謝老師的悉心指導我才能順利完成我的論文。在選題之前我對3D打印機特別感興趣，感謝老師對本選題的重視，從提綱、完成初稿、修改再到定稿都一一過問，花費了大量心血。導師對學生論文一絲不茍的精神深深促動了我，也鼓勵我要成為這樣的人，不只是在對待畢業(yè)設計還是未來的路，都要認真踏實的對待。
其次，我必須感謝父母對我學業(yè)的支持，雖然離家較遠，但是父母的關心無時不在，讓我備受感動。
然后，我要感謝大學所有的老師和同學們，謝謝你們的關心和鼓勵，謝謝你們的幫助與支持，讓我度過了一個有意義有陽光的大學。
感謝在做畢業(yè)設計的時候所有給我?guī)椭娜?，謝謝你們幫我戰(zhàn)勝困難，堅持到最后完成此次畢業(yè)設計。感謝我的母校--中國地質大學長城學院。
?最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，和參與本人論文答辯的各位老師表示真誠的感謝，謝謝。
邱陵
2015年4月20日
18
中國地質大學長城學院
本科畢業(yè)設計外文資料翻譯
系 別： 工程技術系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
姓 名： 邱陵
學 號： 05211601
2015年 4 月 1 日
3D打印機
3D打印技術（英語：3Dprinting），即快速成形技術的一種，它是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。過去其常