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Prusa i3 3D打印機
Prusa i3型-3D打印機設(shè)計
摘 要
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代加工的需求，于是
一種全新的制造技術(shù)-3D打印技術(shù)應運而生。經(jīng)過3D打印技術(shù)制造完成的零部件，完全真實的再現(xiàn)三維造型，無論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實準確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備進行修復。
隨著3D打印技術(shù)在市場的應用越來越深入和廣泛，3D打印機的需求越來越大，因此，論文旨在設(shè)計一種桌面級3D打印機。
本次設(shè)計主要是對3D打印機的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計以及一些必要的設(shè)計計算，通過對打印噴頭以及x-y軸打印平臺的分析，選擇適當?shù)牟牧弦约皡?shù)，通過solidworks的繪圖對設(shè)計產(chǎn)品進行3D構(gòu)圖，最后完成裝配。最終要求3D打印機在打印過程中，運動和傳動平穩(wěn)，使其穩(wěn)定生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；x-y軸打印平臺；打印噴頭
ABSTRACT
With the development of industrial technology, traditional processing methods are hard to meet the needs of modern processing. A new manufacturing technology -3D printing technology came into being. The parts made by 3D printing technology are completely reproduced in three-dimensional modeling. No matter the surface of the surface or the shaped hole, it is true and accurate to complete the modeling, and no longer need to be repaired with the aid of the external equipment.
With the more and more in-depth and extensive application of 3D printing technology in the market, the demand for 3D printers is becoming more and more large. Therefore, the paper aims to design a desktop 3D printer.
The design is mainly designed for the mechanical structure of the 3D printer and some necessary design and calculation. Through the analysis of the printing nozzle and the X-Y axis printing platform, the appropriate materials and parameters are selected. The design of the product is made by the SolidWorks drawing, and the assembly is finished at the end. Ultimately, 3D printer needs to be stable in movement and transmission during printing.
Keywords: 3D printing technology; X-Y axis printing platform; Print nozzle
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
引 言 1
1.緒 論 2
2.總體設(shè)計方案選擇 6
3.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 12
4.傳感器選擇 24
結(jié)論 26
參考文獻 27
致謝 28
附錄1 外文譯文 29
附錄2 外文原文 34
54
引 言
3D打印機技術(shù)是機械制造中進行復雜原型或者零件制造的有效手段，3D打印帶來了全世界性制造業(yè)革命，它無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體。經(jīng)過快速成型制造完成的零部件，完全真實的再現(xiàn)三維造型，無論外表面的曲面還是異形孔，都可以真實準確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備進行修復。從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極大的降低了新品開發(fā)的成本及風險。
隨著智能制造，控制技術(shù)，材料技術(shù)，信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也被廣泛地綜合應用與制造工業(yè)， 3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趨勢。提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應用的又一個熱點。
3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造，拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應用。
1.緒 論
1.1研究背景及研究意義
1.1.1國內(nèi)外3D打印機研究現(xiàn)狀
3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀90年代中期，是利用光固化和紙層疊等方式實現(xiàn)快速成型的技術(shù)。打印機內(nèi)裝有粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，與電腦連接后，通過一層又一層的多層打印方式，最終把計算機上的藍圖變成實物。第一臺商用的3D打印機出現(xiàn)在1986年，但3D 打印技術(shù)的真正確立是以美國麻省理工大學的Scans E.M. 和Cima M.J.等人于1991 年申報的關(guān)于三維打印專利為標志的。
在國外，經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長足的進步，目前已經(jīng)能夠在 0.01mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi的精細分辨率。在歐美發(fā)達國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式，如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。
在國內(nèi)，自20世紀90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應用。但總體而言，國內(nèi)3D技術(shù)的研發(fā)水平還有較大差距。我國港臺地區(qū)很多高校和企業(yè)都有自己的3D打印設(shè)備，RP技術(shù)應用更為廣泛，但并非自主研發(fā)。國產(chǎn)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(shù)水平有待進一步提升。
1.1.2研究意義
3D打印技術(shù)應用廣泛，除了日常生活用品以外，3D打印技術(shù)還可以廣泛運用于建筑、醫(yī)學、藝術(shù)等領(lǐng)域。人們已經(jīng)使用該技術(shù)打印出了燈罩、身體器官、珠寶等，有些人甚至使用該技術(shù)制造出了機械設(shè)備。
傳統(tǒng)的產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)要經(jīng)過漫長的周期，一些很復雜的產(chǎn)品如汽車發(fā)動機、航空發(fā)動機、房子等需要耗費大量的時間對原料進行加工和建造。而3D打印技術(shù)集產(chǎn)品設(shè)計與打印制造于一身，短則幾小時，多則幾天就能把結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品生產(chǎn)出來。?
傳統(tǒng)的制造會浪費大量材料，在一些高新技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中一些廢棄角料無法回收利用，造成大量浪費，增加生產(chǎn)成本。而3D打印技術(shù)使用的材料主要是PLA、ABS或金屬材料，它幾乎沒有材料損耗，大大降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)增加利潤創(chuàng)造條件；傳統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程需要大量的人力、場地和設(shè)備，給企業(yè)增加了較大負擔。而使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品只需要幾個技術(shù)熟練的3D打印技術(shù)人員即可完成從設(shè)計到生產(chǎn)制造的全部過程。
從長期來看，3D打印技術(shù)是一種顛覆性的技術(shù)，在未來將會是實現(xiàn)高端制造業(yè)發(fā)展的重要手段之一。
1.2 3D打印機的發(fā)展趨勢
隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趨勢。3D打印機的發(fā)展目前主要是如何提升3D打印的速度、效率和精度，實現(xiàn)斷電斷點連續(xù)打印、大件打印、多材料打印，并提高成品的表面質(zhì)量、力學和物理性能，以實現(xiàn)強度高、表面質(zhì)量好的成品。
但受限于3D打印技術(shù)自身原因，無法應用于大量生產(chǎn)，它適合一些小規(guī)模制造，尤其是高端的定制化產(chǎn)品，比如汽車零部件制造。而且受材料的限制，3D打印機可以生產(chǎn)的其他產(chǎn)品也很少，現(xiàn)在所應用的主要材料還是塑料，但未來金屬材料肯定會被運用到3D打印中來，3D打印技術(shù)可應用的的范圍會越來越廣。未來在生物醫(yī)學、建筑、車輛、服裝等行業(yè)領(lǐng)域?qū)懈鄤?chuàng)造性應用。
1.3 3D打印機工作原理
1.3.1熔融沉積快速成型技術(shù)簡介
典型的快速成型技術(shù)有立體光固造型SLA、疊層實體制造LOM、選擇性激光燒結(jié)SLS、熔融沉積技術(shù)SLS。
其中熔融沉積的制造過程是通過對CAD模型進行快速切片，從而生成每一層的幾何形狀，將熱塑性材料加熱融化，通過計算機控制移動并擠出半流體材料，凝固成實際部分薄層，并在垂直提升系統(tǒng)下生成下一層，使兩層固化在一起。最后成為三維實體。
1.3.2基于熔積技術(shù)的3D打印機工作原理
圖1-1為3D打印機工作原理示意圖，打印噴頭首先將材料融化，通過打印噴頭將材料擠出。計算機已設(shè)計好所要打印的3D模型，由打印頭噴出零件底層截面的形狀三維打印技術(shù)是采用噴頭融化并擠出熱塑性材料。根據(jù)截面輪廓形狀信息并在計算機的控制下打印頭做x-y軸運動，最終打印出底層截面形狀。然后Z軸進行上下移動，繼續(xù)打印出下一層截面形狀。經(jīng)過一層一層的打印粘結(jié)最后形成所需要的模型。
Z軸移動的距離即每層的厚度由噴涂材料及打印機的結(jié)構(gòu)決定，為幾十毫米軸到幾百毫米不等，對于模型的層片分割由軟件來實現(xiàn)。
圖1-1 熔積式打印機工作原理圖
1.4 3D打印機工作流程
工作流程如下：
(1) 三維建模 應用CAD、Solidworks、Pro/E等三維建模軟件構(gòu)建三維模型，然后進行切片處理，也可對實體進行掃描獲得數(shù)據(jù)點，進行三維構(gòu)造。
(2) 三維模型的處理 在使用3D打印機加工前，由于模型上往往有一些不規(guī)則的曲面，加工前必須對其進行近似處理。處理后的模型文件為STL格式，一般三維建模軟件可直接轉(zhuǎn)為此文件格式。
(3) 三維模型切片處理 由于3D打印技術(shù)是一層層的加工，故必須對三維模型進行切片處理，即每隔一定間距分一層，已獲得輪廓形狀，為獲得光滑的實體表面，層片厚度應小于1mm。層片厚度越小表面越光滑，但加工時間越長。
(4) 截面加工 根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，噴頭由數(shù)控系統(tǒng)控制在x-y平面內(nèi)按截面輪廓進行掃描，并擠出材料凝固，得到一層層截面。
(5) 獲得三維實體 每層截面形成之后，下一層材料被送至已成形的層面上，與前一層面相粘結(jié)，從而將一層層的截面逐步疊合在一起，最終形成三維產(chǎn)品。
1.5本次設(shè)計主要內(nèi)容
1.5.1 主要設(shè)計方面
(1) Y軸（打印截面平面）運動機構(gòu)
(2) 軸（截面累積）運動機構(gòu)
(3) 擠出機（耗材擠出）機構(gòu)
(4) 框架設(shè)計
通過以上四個主要機械結(jié)構(gòu)，構(gòu)成3D打印機的基本運動結(jié)構(gòu)，可以初步實現(xiàn)3D打印的打印過程。
1.5.2 設(shè)計參數(shù)
成 型 空 間 ：210mm*210mm*220mm
最大移動速度：50mm/s
噴頭定位精度：0.05mm
最大成型質(zhì)量：500g
2.總體設(shè)計方案選擇
2.1機架部分設(shè)計
在機械框架方面，采用主流的四邊形支撐架構(gòu)，這種架構(gòu)結(jié)實穩(wěn)定而且容易安裝其他零件，抗震能力也更為出色。本次設(shè)計的機架部分，主要由鋁型材進行拼裝組成，如圖2-1所示，這種架構(gòu)相對于亞克力板材質(zhì)，更為牢固、結(jié)實，使用過程中不易出現(xiàn)損壞。
圖2-1 機架
2.2傳動設(shè)計
2.2.1 XYZ軸傳動方式選擇
傳動方式上，常規(guī)的傳動方式主要有絲桿傳動和同步帶傳動，二者各有其優(yōu)缺點。絲桿螺母副傳動啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給，無側(cè)隙、剛性高；但是其速度較慢，而且價格昂貴。同步帶傳動傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊，維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低，但同步帶用久后會被拉長，需要經(jīng)常換皮帶。
(1) Z軸：由于Z軸方向需帶動X軸以及打印擠出頭，所受重力較大，而且Z軸位移較慢，所以采用絲桿傳動，既保證電機有足夠的力使其移動，又保證了進給的準確性。
絲杠螺母傳動形式采用螺桿轉(zhuǎn)動，螺母做直線運動，由電機驅(qū)動螺桿，螺母的移動為Z軸直線運動。圖2-2為傳動簡圖與螺桿載荷圖。
圖2-2 絲桿螺母傳動簡圖
(2) 在X軸和Y軸方面，要求傳動比準確，傳動效率高。X與Y軸由于沒有重力作用，所承受力較小，同步帶與絲杠螺母相比較而言，同步帶價格較低，體積小，空間占用率高，而且在使用過程中維修方便，而且在打印過程中為了保證有足夠的速度，故采用同步帶傳動，同步帶只會有輕微的變形，不會影響到精度。
故3D打印機機械傳動方式如表2-1所示。
表2-1 傳動方式表
X軸
同步帶輪機構(gòu)
Y軸
同步帶輪機構(gòu)
Z軸
光桿—絲杠機構(gòu)
2.2.2 電機選擇
3D打印機制作的產(chǎn)品精度高，所以對于電機的要求較高。在步進電機和伺服電機選擇，分析它們的性能如圖2-3所示：
圖2-3 步進電機伺服電機對比
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但伺服電機的成本遠高于步進電機。在考慮設(shè)計的經(jīng)濟性時，我們選擇步進電機作為運動源。
2.3打印平臺設(shè)計
打印平臺由加熱板和打印固定板通過螺栓螺母固定而成，如圖2-4所示，底層為固定板，上層為加熱板。兩層板由四角處的螺栓連接，之間放置彈簧，通過調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)平臺的高度。
打印平臺下部固定直線滑動軸承，再通過光軸與直線滑動軸承的配合完成Y軸打印平臺的運動。
圖2-4 打印平臺
2.4擠出機設(shè)計
2.4.1 電機選擇
擠出機擠出融化材料時需要運動平穩(wěn)，精度要求高，但是對轉(zhuǎn)速的要求不高，根據(jù)上節(jié)的電機選擇分析可選擇步進電機。
2.4.2 擠出機構(gòu)原理
耗材擠出機構(gòu)的基本要求是:將成型料絲送人液化器中,在其中及時而充分地熔化,由固態(tài)變?為熔融態(tài)。然后再進一步從更小直徑的噴嘴中以極細絲狀擠出,按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描速度相匹配,以保證均勻一致的材料堆積路徑。
擠出機的功能要求可以分解為以下幾點:
(1) 供應功能：將料絲從絲筒上拉出,提供成型材料。
(2) 熔絲功能：將送進的固態(tài)料絲及時且充分地熔化成為熔融狀態(tài)。
(3) 流道功能：固態(tài)料絲以及熔融狀態(tài)下的材料的運輸通道。
(4) 定徑功能：對擠出熔融態(tài)物料進行定徑,變?yōu)闈M足要求的細小直徑的絲材進行堆積。
(5) 出絲速度可控：在打印機工作起始以及Z軸向上移動時，出絲速度應隨之變化或者停止。
（6）散熱功能：3D打印機工作時，擠出的材料應該快速冷卻，以固定打印的實體，避免出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。
2.4.3 擠出機結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1) 供料機構(gòu)
供料機構(gòu)由步進電機作為動力源提供動力，工作原理是通過擠壓齒輪對線性材料進行擠壓，材料在內(nèi)凹型軸承內(nèi)滑動來完成供料。設(shè)計出的供料基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，軸承支架通過螺栓固定于步進電機上，同時可圍繞螺栓旋轉(zhuǎn)。齒輪連接在電機軸上，隨電機轉(zhuǎn)動。軸承支架另一端的彈簧使軸承對齒輪施加壓力，齒輪與軸承之間的線性材料便隨著齒輪的轉(zhuǎn)動被擠出。
圖2-5 供料機構(gòu)圖
當需要換料盤或者撤出線性材料時，需要按下軸承支架右端，使軸承遠離齒輪，此時便可以撤出材料。
(2) 融化出絲機構(gòu)
如圖2-6所示，融化出絲機構(gòu)完成了熔絲、通道、定徑功能。材料經(jīng)過喉管進行運輸，加熱棒和鋁塊將材料進行融化，最后經(jīng)由噴頭使融化的材料變?yōu)樾枰募毥z。
喉管由螺旋副連接在支架上，材料經(jīng)過供料機構(gòu)被送入喉管內(nèi)，沿著喉管向下運動。由加熱鋁塊內(nèi)插入的加熱棒提供熱量，用于融化線性材料，使材料變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，融化徹底的材料經(jīng)過噴頭進行擠出，成為打印所需要的細絲。加熱鋁塊的作用是將加熱棒的熱量均勻的分布于喉管周圍，避免因為加熱不均勻而導致的融化不徹底。如果有未融化的材料進入噴頭，會使噴頭堵塞，打印機無法正常出料。
散熱片連接于喉管上，加速喉管的散熱。避免了加熱鋁塊的熱量沿著喉管向上傳導，是材料提前融化，無法向下運輸。
圖2-6 融化出絲機構(gòu)圖
(3) 散熱機構(gòu)
散熱機構(gòu)采用雙風扇結(jié)構(gòu)，一個風扇對打印的實體進行冷卻，另一個風扇對步進電機降溫，使其更好地工作。
3.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算
3.1步進電機的選擇
3.1.1 3D打印機使用步進電機的參數(shù)
(1)轉(zhuǎn)速要求：3D打印機其實對步進電機的轉(zhuǎn)速要求并不高，3D打印機除了對X.Y軸的電機轉(zhuǎn)速要求高一點外，像Z軸及擠出機部分電機的轉(zhuǎn)速都比較低。
(2)驅(qū)動電流的大?。耗壳?D打印機用的基本上都是1A或者2A的主板，也就是說驅(qū)動電流都在在2A以下。
(3)溫度的要求：很多3D打印機所使用的步進電機都是直接外露的，所以對電機表面溫度的要求就比較高，正常情況下步進電機的表面溫度在80度以下都是正常的，而3D打印機上的步進電機因為有直接外露的，所以要求電機的表面溫度不能太高，溫度在40度以下最好。相同驅(qū)動電流的情況下要讓步進電機的溫度降下來，步進電機的相電阻就必須不能太高，所以3D打印機用的步進電機的相電阻一般都在2歐以下，1.5歐左右最好。相同電流的情況下，步進電機相電阻越大力矩越大，而為了保證電機的表面溫度，就不得不犧牲步進電機本身的力矩。
3.1.2傳動電機的選擇
3D打印機傳動部分的電機為XYZ三軸的電機，設(shè)計對電機的要求較高，要求運動性能一致，故需選用同一種電機。在三軸之中，Z軸電機所需力矩最大，故只需計算Z軸來選擇電機。
Z軸電機帶動X軸及打印擠出頭套件上下移動，X軸運動部件和擠出頭套件總重約為1.6kg，移動速度為2m/min。
G = mg = 16N
V = 33mm/s
(1) 電機轉(zhuǎn)速
n電機 = VP
(3-1)
P為絲杠螺距，取P=4mm
n電機 = VP = 20.004 =500r/min
(2) 負載轉(zhuǎn)矩
TL=μgMP2πη=0.3×10×1.6×0.0042π×0.9=0.034N·m
(3-2)
其中：
μ: 摩擦系數(shù)，取0.3
M: 負載質(zhì)量，1.6Kg
P: 絲桿導程，0.004mm
η: 傳動效率，取0.9
(3) 負載慣量
上下垂直運動：
JLM=MP22π=1.6×0.00422π=4.07×10-6(kg·m2)
(3-3)
絲桿螺母慣量：
JB=π32ρLBDB4=π32×7.8×0.32×0.0084=10-9
(3-4)
JB=π32ρLBDB4=π32×7.8×0.32×0.0084=10-9
其中：
ρ為密度，取7.8
LB為絲桿長度，取0.32mm
DB為絲桿直徑，取0.008mm
總慣量 J=4.07×10-6(kg·m2)
(4) 電機轉(zhuǎn)矩
啟動轉(zhuǎn)矩：
TS=2πNM(JM+J)60=0.016
(3-5)
選取安全系數(shù)為3，故電機力矩為：
Ts=(0.016+0.034)×3=0.15 N·m
選用電機為飛凌廠家的42步進電機，圖3-1為電機型號參數(shù)。
圖3-1 步進電機參數(shù)
由上圖可知FL42BYG40力矩滿足要求，電機外形圖如下。
圖3-2 電機外形尺寸圖
外形尺寸42*42*40，軸徑輸出5mm。
3.2絲杠螺母設(shè)計計算
3.2.1螺紋基本參數(shù)
本次設(shè)計采用滑動螺旋，螺紋為矩形螺紋，矩形螺紋傳動效率較高，但強度較低。
3.2.2螺旋副材料選擇
滑動螺旋傳動的主要零件是螺桿和螺母，螺桿的材料應有足夠的強度和耐磨性，以及良好的加工性。對于精密的傳導螺紋要求熱處理后有較好的尺寸穩(wěn)定性。螺母材料以ZCuSn10Pb1最耐磨，但價格較貴，主要用于高精度的傳導螺旋。
下表3-1為螺桿的常用材料及熱處理。
表3-1 常用材料熱處理
精度等級是否淬硬
材料
熱處理
中等及中等以上精度
淬硬
合金工具鋼9Mn2V、
CrWMn
C56
氮化鋼38CrMoAlA
D0.5-900
不淬硬
高碳工具鋼T10
T215
中等以下精度
淬硬
合金鋼40Cr
G42
不淬硬
中碳鋼45
T235
易切削鋼Y40Mn
通過以上分析，螺桿材料可選擇9Mn2V，螺母材料選擇ZCuSn10Pb1。
3.2.3絲桿螺母校核計算
由上一章得絲桿的軸向載荷F=16N
(1)螺紋中徑的計算
梯形螺紋螺紋中徑d2：
d2≥0.8FφPp=0.8×1.6÷1.2×11=0.968mm
(3-6)
其中：
Pp--------螺紋副許用壓強，見表3-2
φ值取1.2
表3-2滑動螺旋傳動許用壓強
螺紋副材料
速度范圍
許用壓強
鋼對青銅
低速
~0.5
0.1~0.2
0.5~
18~25
11~18
7~10
1~2
鋼對耐磨鑄鐵
0.1~0.2
6~8
由d2可選取螺紋公稱直徑d為8mm，螺距P為4mm，線數(shù)X為1。
(2) 螺桿強度計算
Ff=μmg=0.2×16=3.2N
T=Ffd2×1000=0.011N·m
(3-7)
選取安全系數(shù)為3
T=0.011×3=0.033
d1=6.6mm
螺桿工作時承受軸向載荷F和扭矩T的作用，因此，校核螺紋強度時根據(jù)第四強度理論求出危險截面計算應力σca。
其強度條件為：
σca=σ2+3τ2=1AF2+3（4Td1）2≤[σ]
(3-8)
其中：
F------------軸向壓力，N
A------------危險截面面積,mm
d1-----------螺紋小徑，mm
T-------------螺桿所受扭矩，N·mm
求得：
σca=1π4×6.62162+3（4×336.6）2=1.12N/mm2
查表3-3得：
σ=σs5=1505=30MPa
故σca?σ，螺桿強度足夠。
表3-3 材料應力表
材料
許用拉應力
許用彎曲應力
許用剪應力
螺桿
鋼
σs5
——
——
螺母
青銅
耐磨鑄鐵
鑄鐵
鋼
——
——
——
——
40~60
50~60
45~55
——
30~40
40
40
——
(3) 螺紋強度計算
剪切強度τ：
τ=Fπd1bn
(3-9)
牙根部寬度b=0.5P=2mm
旋合圈數(shù)n=5
τ=16π×6.6×2×5=0.077N/mm2
查表3-3得：
τ?40N·mm-2
彎曲強度σ：
σb=3FH1πd1b2n
(3-10)
基本牙型高度H=0.5P=2mm
σb=3×16×2π×6.6×22×5=0.23N/mm2?σb
故螺紋強度足夠。
(4) 效率
由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動時
η=（0.95~0.99）×tanλtan?（λ±ρ）
(3-11)
（0.95~0.99）為軸承系數(shù)，決定與軸承形式，滑動軸承取最小值，軸向載荷與涌動方向相反時取+號。
其中：
λ=arctanSπd2=9
(3-12)
ρ=arctanfcosα2=5.7
(3-13)
f如表3-4取0.1。
表3-4 摩擦因數(shù)f值
螺桿和螺母材料
F值
淬火鋼和青銅
0.06~0.08
鋼和青銅
0.08~0.10
鋼和耐磨鑄鐵
0.10~0.12
η=（0.95~0.99）×tan9tan?（9±5.7）
故上升時效率為0.57、下降時效率為2.5。
3.3同步帶輪的設(shè)計計算
設(shè)定電機功率為0.2Kw，每天使用8小時，其工作系數(shù)KA為1.0。則計算功率為： P=0.2Kw。
(1) 計算同步帶輪轉(zhuǎn)速
n=v2πr=32π×60=75r/min
(3-14)
(2) 選取同步帶帶型
由于電機功率以及轉(zhuǎn)速不大，所以可選取MXL型號同步帶，為了滿足精度要求，選取梯形齒形同步帶，節(jié)距Pb=2mm，帶寬b=4.8mm。
(3) 選取同步帶齒數(shù)
查表3-5得同步帶輪最小齒數(shù)為10，本次設(shè)計取15。
表3-5 同步帶輪齒數(shù)表
(4) 同步帶輪節(jié)圓直徑
d=ZPbπ=2×1.5π=9.6mm
(3-15)
同步帶速確定
v=πdn60×1000=π×9.6×7560×1000=0.04m/s
(3-16)
(5) 同步帶長確定
軸間間距為410mm，故同步帶長為：
L0=2×410+π2×2d=850mm
(6) 基準額定功率計算
周節(jié)制：
P0=T-mv2v1000
(3-17)
其中：
T----------許用工作壓力
m----------單位長度質(zhì)量
查表3-6得：T=27N, m=0.007kg/m，最后算得：
P0=27-0.007×0.042×0.041000=0.001kw
表3-6 周節(jié)制帶的基準寬度、許用拉力T及質(zhì)量m
型號
MXL
XXL
L
基準寬度/mm
6.4
6.4
9.5
許用拉力T/N
27
31
50.17
帶的質(zhì)量/kg/m
0.007
0.01
0.022
(7) 作用于軸上的力
F=1000×P×dV=0.24N
3.4聯(lián)軸器的設(shè)計計算
聯(lián)軸器用于連接絲桿與電機輸出軸，用于傳遞扭矩。本次設(shè)計采用LMX型梅花聯(lián)軸器，具有緩沖減震、不需潤滑、維護方便的特點，具有補償兩軸相對偏移的能力。適用于載荷變化不大、工作平穩(wěn)、正反轉(zhuǎn)、中低速、頻繁啟動、中小功率的傳動。圖3.3為梅花聯(lián)軸器零件圖。
圖3-3梅花聯(lián)軸器
聯(lián)軸器承受轉(zhuǎn)矩：
TC=KaT=1.3×0.033=0.0429N·m<15N·m
表3-7技術(shù)參數(shù)表
規(guī)格
額定轉(zhuǎn)矩
N·m
最高轉(zhuǎn)速
r/min
主要尺寸/mm
d1、d2(mm)
D
D1
L
16
15
19000
5~16
30
25
50
3.5滾動直線導套副的壽命計算
滾動直線導套副由直線運動球軸承，圓形導軌軸組成。由于結(jié)構(gòu)原因，軸承只能在圓形導軌軸上做直線往復運動。
采用軸承代號為LBP81524，表3-8為尺寸表：
表3-8 LBP81524尺寸表
軸承代號
外形尺寸
LBP型
內(nèi)徑
外徑
長度
LBP 81524
8
15
24
設(shè)計中，工作臺與工件總重約為20N，共有兩根軸承載工作臺，每根軸上裝有兩套軸承，則每個導套所受載荷為5N。
由表3-9查得fT=1，由表3-10查得fc=0.81，由表3-11查得fw=1.2。滾動直線導套副的額定動載荷為80N。
計算：
L=(fHfTfCfW×cPc)3×50=1×1×0.811.2×8053×50=62986Km
(3-18)
Lh=8.3Lln=8.3×629860.4×50=26139h
預計使用年限為 26139/（8*300）=11.9a。
表3-9 溫度系數(shù)fT
工作溫度
fT
~100
1.00
100~150
0.90
150~200
0.73
200~250
0.6
表3-10 接觸系數(shù)fc
每根導軌上的滑塊數(shù)量或每根軸上花鍵套個數(shù)
fc
1
1.00
2
0.81
3
0.72
4
0.66
5
0.61
表3-11 載荷系數(shù)fw
工作條件
fw
無外部沖擊或震動的低速運動場合，速度小于15m/min
1~1.5
無明顯沖擊或震動的中速運動場合，速度小于60m/min
1.5~2
有外部沖擊或震動的高速運動場合，速度大于60m/min
2~3.5
3.6導向光軸的校核
本設(shè)計中對XYZ進給精度要求高，而且軸的跨度較大。比較XYZ軸所受載荷的大小，YZ軸是豎直安裝的，所以其受的載荷相對X軸的工作臺要小些。故選取x軸進行校核。
3.6.1軸徑計算
軸的材料均采用45鋼，為加強其性能，采用調(diào)質(zhì)處理。
查得σb=640MPa，A0=110。由公式得
d≥110×320011×1000= 6.68mm
取軸直徑d=8mm。
3.6.2軸的剛度校核
軸兩端有固定支撐，簡化為A、B兩個鉸支點，作用力作用在中點上。處于中點時，軸的撓度最大，設(shè)所受力為8N。
(1) 變形計算
絲桿軸橫截面的慣性矩為：
I=πd464=π×8464=201mm4
作用力所引起的撓度為：
wc=-Fl348EI=-8×240348EI=-0.054mm
(2) 剛度校驗
由于X軸進給精度為0.01mm，所以wc<[w]
故剛度滿足要求。
4.傳感器選擇
4.1溫度傳感器選擇
溫度傳感器分為接觸式和非接觸式傳感器，非接觸式傳感器結(jié)構(gòu)復雜、體積大、價格昂貴，故選用接觸式溫度傳感器。?接觸式溫度傳感器適合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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉。下表4-1為幾種接觸式溫度傳感器：
表4-1 接觸式溫度傳感器對比
傳感器類型
測溫范圍
精度（%）
特點
常用熱電阻
-260～＋850℃
0.05
可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。
管纜熱電阻
-20～＋500℃
0.5
最高上限為1000℃
陶瓷熱電阻
–200～+500℃
0.3、0.15
超低溫熱電阻
–268.8～253℃-272.9～272.99℃
0.5
熱敏電阻器
-50～300℃
0.3~0.5
體積小，重量輕，靈敏度高。
綜上所述，熱敏電阻器測溫范圍在-50～300℃，精度在0.3~0.5%，標準度高，使用性能好，在本次設(shè)計中，打印溫度為200℃左右，所以使用熱敏電阻適合做溫度傳感器。
4.2限位開關(guān)選擇
限位開關(guān)用于確定XYZ三軸起始位置，3D打印機每一次打印運行前，都需要確定起始位置，找到XYZ軸的零點，保證打印的準確。本次設(shè)計采用微動式接觸式限位開關(guān)。
圖4-1為微動式限位開關(guān)外形及結(jié)構(gòu)圖。
圖4-1 限位開關(guān)外形結(jié)構(gòu)圖
結(jié)論
本次設(shè)計完成了對3D打印機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，本設(shè)計總體由鋁型材構(gòu)造而成，完成了對三D打印機XYZ三坐標進給系統(tǒng)設(shè)計，擠出裝置設(shè)計，設(shè)計的3D打印機可以完成制作精度為0.05mm的實體打印。
(1) X軸由步進電機驅(qū)動，通過同步帶進行傳動，同步帶帶動打印擠出機進行X軸的移動，最大移動距離為220mm。
(2) Y軸由步進電機驅(qū)動，通過同步帶進行傳動，同步帶帶動打印平臺進行Y軸的移動，最大移動距離為220mm。
(3) Z軸由步進電機驅(qū)動，通過絲杠螺母進行傳動，絲杠通過聯(lián)軸器連接步進電機輸出軸，帶動整個X軸進行Y軸的移動，最大移動距離為230mm。
(4) 耗材擠出裝置主要由擠壓齒輪進行摩擦擠壓，將耗材送入喉管，最后經(jīng)由噴頭加熱融化擠出成為所需要的細絲。
本設(shè)計與市場上較為成熟的3D打印機相比較，打印精度較低，零件中有一部分為塑料件，質(zhì)量較差，但可以通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改善。
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致謝
經(jīng)過了幾個月的努力，我最后完成了論文的寫作。從開始接到論文題目到系統(tǒng)的實現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學期間獨立完成的最大的項目。在這段時間里，我學到了很多知識也有很多感受，從一無所知，我開始了獨立的學習和試驗，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己十分稚嫩作品一步步完善起來，每一次改善都是我學習的收獲，每一次試驗的成功都會讓我興奮好一段時間。
本設(shè)計在劉安生老師的悉心指導和嚴格要求下完成，從課題選取、方案論證到具體設(shè)計和調(diào)試，無不凝聚著劉安生老師的心血和汗水，在四年的本科學習和生活期間，也始終感受著老師的精心指導和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向劉安生老師表示深深的感謝和崇高的敬意。
不積跬步何以至千里，本設(shè)計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫忙和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向大連大學，機械工程學院的全體老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。
附錄1 外文譯文
入門級3D打印機的PLA材料性能測試
摘要
一臺入門級的3D打印機，the MakerBot Replicator 2x，使用平均價格、通用品牌的PLA材料(類似一個家庭用戶可以購買的燈絲)打印標本進行拉伸，彎曲和疲勞測試。試樣在0°、45°、90°的光柵方向上打印，以測試方向?qū)Σ糠謴姸鹊挠绊?。PLA細絲也受拉伸試驗。
對3d打印試樣的拉伸試驗表明，45°的光柵方向角使試樣的最大抗拉強度為64 MPa。在58 MPa和54 MPa的情況下，采用三點彎曲夾具對印刷試樣進行彎曲試驗，0°和90°的光柵方向不太明顯。對于這種類型的測試，0°的光柵方向產(chǎn)生了最強烈的部分，最終的彎曲應力為102 MPa。45°和90°光柵方向類似的結(jié)果在90 MPa和86 MPa。疲勞測試沒有明確的最佳選擇，但顯然有一個糟糕的選擇，90°光柵取向，這個方向明顯比其他兩個光柵方向的疲勞壽命要低。另外兩個光柵方向，0°和45°非常相似。PLA細絲測試采用bollard式夾頭，表明PLA燈絲顯示的力學性能與印刷樣品相似-當測試在較高的應變率時，損傷沒有發(fā)揮重要的作用。這可能會導致回收失敗的3d打印作業(yè)，并將其轉(zhuǎn)化為可重復使用的細絲。
引言
3d打印機已經(jīng)成為家庭用戶的必備。事實上，有許多高質(zhì)量的3d打印機，售價在3000美元以下，包括雙擠出機。許多這樣的消費者級3d打印機正以打印機的形式出售，這些打印機使用的是PLA，而不是更傳統(tǒng)的，更難以印刷的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)材料。PLA比ABS結(jié)實，但更脆。PLA有一個較低的熱膨脹系數(shù)，它減少了翹曲的影響，不附著在印刷表面上，并且在印刷時出現(xiàn)了很大的部分開裂。但PLA的最明顯的缺點是較低的載荷撓度溫度(50到140°C)，這將導致印刷部件變形時暴露在溫暖的環(huán)境中。一公斤的材料大約是50美元(在2014年初)?？紤]到這一切，很容易理解為什么許多3d打印機制造商正在生產(chǎn)和支持3d打印機，這些打印機只使用PLA。
現(xiàn)在很多人都是這樣，而且很快就會有更多的人用自己的3d打印機在自己家里打印。僅MakerBot公司在過去的5年里就售出了15000多臺3d打印機。ABS的材料特性和特性已經(jīng)得到了很好的研究，包括許多對打印方向的研究。這些研究大多是在“專業(yè)”模型機器上進行的。消費者機器的打印質(zhì)量基本上未被測試，而描述3d打印的PLA材料特性的文獻是找不到的。本研究旨在從消費者3d打印機上開始了解3d打印PLA的行為。對試件進行了拉伸強度、抗彎強度和疲勞性能的研究，并進行了拉伸試驗。默認情況下，如果3d打印機的MakerBot系列使用的MakerWare軟件被告知要在100%填充的情況下打印一個樣本/對象，那么切片軟件就會在交替的光柵方向上打印，層層疊加。一種自定義的印刷資料，是為了將標本完全印在單個光柵方向上，以檢查印刷方向，因為它與材料各向異性有關(guān)。
實驗步驟
在PLA細絲上進行了幾種類型的力學性能測試，并使用PLA進行3d打印。所有標本都印在消費者3d打印機上，即MakerBot Replicator 2x。自定義打印配置文件用于控制切片/打印軟件，該軟件允許在單個指定的光柵方向上打印整個樣品。每個標本都單獨打印在打印床的中心，以便盡可能地生產(chǎn)出所有的標本。對于所有的標本，在標本的周長上使用了兩個“外殼”，在標本的內(nèi)部用100%填充指定的光柵朝向。PLA材料擠壓在230°C、100毫米/秒的速度與加熱床面在65°C。所有的標本都是用同一品牌的PLA長絲，購買兩個1公斤的線軸。
每個標本在測試部分的幾個位置分別測量厚度和寬度。根據(jù)ASTMs，采用最小的橫截面面積(或梁中心的橫截面面積進行彎曲試驗)來確定合適的應力值。采用MTS通用加載機進行拉伸和疲勞試驗。對3d打印試樣進行拉伸試驗，并進行了MTS 858加載框架MTS 25kN加載單元的所有疲勞試驗。在一個5kN負載單元的MTS Insight加載框架上進行了PLA纖維的拉伸試驗和彎曲試驗。在兩臺機器上，都使用LVDTs來測量位移，而MTS擴展器(型號634.31F-24)的長度為20mm，用于測量3d打印試樣的拉力測試。所有測試都是在室溫下進行的(大約20°C)。
樣品經(jīng)ASTM D638標準試驗方法測定塑料的拉伸性能。MTS楔形鉗以5mm /min的速度移動，數(shù)據(jù)(力、抓地力和應變)在100hz處收集。MTS型號634.31F-24伸長計(20毫米長度)用于測量應變。在本研究中測試的三個光柵方向上分別測試了5個樣本。
根據(jù)ASTM D790 -標準試驗方法對未加筋和增強塑料和電氣絕緣材料的彎曲性能進行了測試。采用MTS三點式彎曲試驗臺。使用了5.1 cm的支撐跨度。握桿以10毫米/分鐘的速度移動，造成撓曲。標本的制作時間超過了必要的長度，以保證在試樣偏轉(zhuǎn)時，支撐足夠的長度。
3d打印試件單軸疲勞試驗
根據(jù)ASTM D7791 -標準試驗方法對塑料的單軸疲勞性能進行了MTS 858加載框架的疲勞試驗。用聚氯乙烯補償法對試件進行了持續(xù)的應力測試，以保證試件從未超載。根據(jù)ASTM，測試可以在20赫茲的速率下進行。因此，在這個實驗中，試件在2赫茲，1000個周期時使用正弦加載波形，然后是5赫茲，10,000個周期，然后是20hz直到失敗。失敗被認為是一個完全斷裂的標本。本實驗的疲勞疲勞極限為100萬次。如果標本沒有突破一百萬圈，測試就停止了。所有測試進行的應力比=?1。
PLA纖維拉伸試驗
PLA的長絲單獨進行了測試。在MTS Insight加載框架中，用Bollard風格夾鉗夾住了200mm的樣品。采用幾種置換率(500mm /min, 200mm /min, 50mm /min, 5 mm/min)來測試燈絲。
結(jié)論
3D打印的試樣拉伸試驗
每個光柵方向角測試5個樣品，在PLA的例子中，45的光柵方向產(chǎn)生了最強的樣本。
3D打印的樣品彎曲測試
在每個光柵方向上打印并測試了5個彎曲試件。在這次試驗中，失敗被認為是一個完全斷裂的標本。然而，標本往往沒有完全斷裂。在沒有完全斷裂的標本中，有些標本破裂了，但外殼卻保持在一起，而其余的標本則足夠堅韌，不能斷裂。最終，測試停止了，因為試件接觸到了測試夾具。
PLA印刷樣品，斷裂前0°光柵定位印刷樣品最高極限應力為102.203 MPa。
3D打印試樣疲勞測試
疲勞試樣被打印出來，然后加載，直到試件完全破裂(或達到疲勞極限)。最后，對于大多數(shù)0°光柵取向標本，標本的外部“鏈”，在標距長度區(qū),與主體分離的標本。據(jù)觀察，這片標本沒有提供任何支撐，因為它已經(jīng)達到疲勞極限了，而且這條鏈最終會脫離標本。在每一個試樣失敗后，測量并減去用于計算他所需要的載荷的區(qū)域，以引起指定的交變應力。利用調(diào)整后的橫截面面積對試件施加的荷載進行了“調(diào)整”應力值的計算。
與所有疲勞試驗一樣，結(jié)果是隨機的，盡管確定值的系數(shù)相當高?？梢钥闯?，90的光柵方向試樣明顯具有最低的疲勞能力。調(diào)整后0°標本占“鏈”的斷裂在測試過程中，不加載任何負載，圖中可以看出，0°標本疲勞強度比45°標本高35 MPa以上。在35 MPa以下，45個標本具有最佳的疲勞壽命。這些趨勢應該用更多的樣本進行更深度的研究，并且應該在更大的壓力水平上進行測試，以證實或否認這些發(fā)現(xiàn)。
這項研究認為疲勞極限是100萬次。在這項研究中，三個光柵取向的耐力極限測試為5 MPa(0°標本),10 MPa(45°標本),0.5 MPa(90°標本)。
細絲拉伸試驗
在不經(jīng)過印刷工藝擠壓的情況下，對細絲也進行了測試。用幾中應變速率來測試細絲。
對于兩種最快的應變速率(500mm /min和200mm /min)，極限應力與彈性模量相似。兩種較慢的應變速率(50mm /min和5 mm/min)具有較低的極限強度，但在失效前有較長的最大延伸率——可能受到較長的測試時間的蠕變影響。
盡管在試樣中PLA塑料被加熱并擠出了一段時間，但它的最終應力(不受蠕變影響)與印刷標本的結(jié)果相似。這一發(fā)現(xiàn)可能是有用的，可以考慮是否從3d打印的浪費PLA材料可以回收到新的燈絲，用于未來的印刷。
顯微鏡評估
用Keyence VHX-600顯微鏡對試樣的幾個小特征進行了視覺評價。通過這一評價，指出了印刷質(zhì)量存在的幾個問題。最值得注意的是在0°光柵取向，3d打印機在試件的半徑部分和整個試樣的一側(cè)都留有間隙。
在高應力(低循環(huán))疲勞試驗過程中，印件與試件主體之間的間隙非常明顯。用顯微鏡測量了幾個樣品之間的間隙。平均縫隙厚度為181.47 m。在這些高應力疲勞試驗中，注意到試件的外殼與試件主體完全分離，并沒有對試件的剛度造成影響，當載荷被循環(huán)時，試件留下的“松散的鏈”振動。這條松散的鏈看起來是在循環(huán)疲勞開始后幾乎立即彎曲，在屈曲開始后很快就釋放了。由于試件在沒有峰值/谷機位移變化的情況下仍保持了完整的疲勞載荷，因此確定松散的斷鏈對試件的負載沒有貢獻，因此松散的鏈斷裂不應構(gòu)成試件的失效。
與0°的光柵方向角顯示的問題相比，45°和90°的方向沒有在試件半徑附近或任何地方的任何間隙問題。由于標本切片和分層的問題，所有的空間都可以填補。
結(jié)論
本文測試了PLA纖維和PLA打印試樣的力學性能。拉伸試驗中，45°光柵取向標本強度是最高的。在疲勞測試，90°標本顯然是最不耐疲勞載荷。45°標本和0°標本的疲勞壽命非常相似，應進一步研究。然而，這45°樣本的疲勞強度極限是最高的。燈絲測試(在更高的應變率下，蠕變不是一個因素)顯示了類似的結(jié)果印刷。標本的結(jié)果可能有助于確定打印作業(yè)失敗是否可以回收再重新打印，顯微鏡的評價有助于確定印刷過程中標本留下的縫隙尺寸。
附錄2 外文原文