基于CAE分析的簡易3D打印機設計

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1、圖書分類號：密 級：上單畢業(yè)設計(論文)基于CAE分析的簡易3D打印機設計THE DESIGN OF SIMPLE 3D PRINTER BASED ON CAE學生姓名班 級學院名稱專業(yè)名稱指導教師 畢業(yè)設計(論文)學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。論文作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權協議書本人完全了解關于收集、保存、

2、使用學位論文的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸所擁有。有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱?？梢怨紝W位論文的全部或部分內容，可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類數據庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。論文作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘要本文首先概括介紹了3D打印技術，包括3D打印技術的發(fā)展背景、現狀及種類。后面介紹了3D打印機的概述，并結合3D打印機發(fā)展中所遇到的機遇挑戰(zhàn)，提出設計一款簡易的3D打印機。本文根據相應的技術指標及參數在滿足

3、標準的情況下，對簡易3D打印機進行整體的結構設計，設計路線按照從下至上，從外至內的順序進行產品設計，具體是底座的設計、頂框的設計、支架的設計、送絲機構的設計以及打印機構的設計。其中在這些結構設計中，還包括底座的強度校核及材料選擇、軸的強度校核與選型、步進電機的選型等。因簡易的3D打印機的某些結構因受力可能變形，所以最后基于CAE技術還要對設計的簡易3D打印機的關鍵零部件進行有限元分析，結合數據，檢驗是否符合設計要求。本文研究設計的簡易3D打印機旨在將3D打印技術帶入家庭或辦公室，即使在一個小的工作空間中也可以完成3D模型的快速成型制造，所以要求它的結構簡單，操作方便，價格經濟，空間友好。設計中

4、主要使用了Auto-CAD、SolidWorks、Ansys等軟件，用SolidWorks制圖軟件三維建模，Auto-CAD制圖軟件畫出二維平面圖，應力分析方面主要通過Ansys有限元分析軟件對簡易3D打印機的關鍵部件進行應力分析。關鍵詞 簡易3D打印機；結構設計；SolidWorks三維制圖；CAE分析AbstractThis paper firstly introduces the 3D printing technology, the status quo and development background, including the type of 3D printing tech

5、nology. After the introduction of an overview of the 3D printer, and combined with the development of 3D printers Opportunities, Challenges encountered, proposed to design a simple 3D printer. In this paper ,the design is based on the relevant technical indexes and parameters which meet the standard

6、. The simple 3D printer for the design of the overall structure, route design is from the highest to the lowest, the sequence is from the outside to the inside of product design, specifically the design of the pedestal, a top frame design, support design, send wire feeding mechanism design and print

7、ing mechanism design. Which in the design of the structure, including the strength of the base check and materials, shaft strength checking and selection, stepper motor selection. For some simple 3D printer structure due to the stress deformation. so in the end,based on CAE technology, the design of

8、 simple 3D printers key parts were finite element analysis, analysis of data, test whether it meets the design requirements.In this paper, to design the simple 3D printer in order to take 3D printing technology into the home or office,even in a small working space the simple 3D printer can also comp

9、lete the 3D model of the rapid prototyping manufacturing, so it has the advantages of simple structure, convenient operation, economic price and friendly space. This design mainly used the CAD, Solidworks, ANSYS software, using Solidworks to 3D Modeling Software and motion simulation, using CAD to d

10、raw a planar graph, and Stress analysis focuses on the key components of a simple 3D printer was analyzed by Ansys finite element analysis software.Keywords Simple 3D printer The design of structure SolidWorks CAEII畢業(yè)設計(論文)目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 3D打印技術的發(fā)展背景及現狀11.2 3D打印技術的種類11.3 3D打印機及簡易3D打印機的概述21.

11、4 3D打印機的發(fā)展帶來的機遇和挑戰(zhàn)31.5 本次設計的主要工作31.5.1 簡易3D打印機指標31.5.2 主要的設計工作41.5.3 設計思路及主要問題42 簡易3D打印機的結構設計52.1 整體結構設計52.1.1 工作原理52.1.2 3D打印機的組成52.1.3 框架結構52.2 底座的設計62.2.1 底座角件的設計62.2.2 鋁型材的選擇62.2.3 底座整體結構72.3 支架的設計82.3.1 直線光軸許用彎曲應力的計算82.3.2 直線光軸材料的選擇92.4 頂框的設計102.4.1 頂框角件的設計102.4.2 鋁型材的選擇112.4.3 頂框整體結構112.5 送絲機構

12、設計112.5.1 擠出機座設計112.5.2 U型滾動軸承的選型122.5.3 快速接頭的選擇122.5.4 擠出機設計及相關部件選型122.5.5 送絲機構整體機構132.6 打印機構設計132.6.1 步進電機的選型132.6.2 同步輪的選型152.6.3 同步帶的選取162.6.4 深溝球軸承的選型162.6.5 直線軸承的選型182.6.6 滑動座的設計182.6.7 萬向節(jié)的設計192.6.8 中心平臺的設計192.6.9 推桿的設計202.6.10 噴頭座的設計222.6.11 散熱風扇的選型222.6.12 噴頭裝置的設計222.6.13 打印機構整體結構243 CAE結構分

13、析253.1 CAE技術253.2 CAE軟件253.3 CAE分析對象253.4 Ansys有限元分析過程253.4.1 前處理253.4.2 有限元分析293.4.3 后處理32結論36致謝37參考文獻38391 緒論1.1 3D打印技術的發(fā)展背景及現狀3D（Three Dimensions）打印技術是一種通過材料逐層添加形成三維物體的具有劃時代變革的技術。1目前3D打印技術在國內外還是一個比較新興的領域，具有非常大的市場前景。另外3D打印的迅速發(fā)展同時也為現代制造業(yè)帶來了一場新的科技革命，因為3D打印技術不像傳統的機加工生產需要依賴生產的工藝性，它可以傳統的生產工藝直接快速成型所需要的產

14、品模型。3D打印不需要任何傳統加工工具，能夠減少很多人力物力，所以3D打印似乎就是在替代一個人在制作產品。盡管3D打印有如此大的突出之處，但還不夠盡善盡美。3D打印技術作為第三次工業(yè)革命的代表性技術之一，越來越受到工業(yè)界和投資界的關注。2它作為一種新興的科學技術已經應用到很多領域范疇，比如現代制造業(yè)，醫(yī)療領域，航天航空領域，工程材料領域，還有化工技術領域等。在現代制造領域上，3D打印技術的推行使得現代制造業(yè)有了更多的革新，通過3D打印技術可以使產品制造效率不斷挺高，為現代制造業(yè)注入新鮮血液。在醫(yī)療領域上，已經有人通過3D打印技術實現了器官的打印，打印的器官可以直接植入人體，并且不會導致排斥。在

15、航天航空領域上，3D打印技術可以快速的打印出飛機的機翼以及一些結構復雜的發(fā)動機，而這些都是傳統制造所不能企及的。3D打印技術經過十多年的發(fā)展，目前3D打印機的精度可以到達0.001mm，這樣的技術幾乎可以打印出任何我們所能看得到的東西，可見3D打印技術已不復當年，現在的打印精度還是相當好的。目前國內很多家做3D打印的公司都相繼研制開發(fā)了屬于自己的3D打印機，雖然機器的生產和銷量還不能與國外大型做3D打印的公司相媲美，但還是取得了一些階段性的突破。另外國內生產的3D打印機在材料，框架結構和打印精度上還不能夠滿足消費者的需求，這也是現階段國內做3D打印公司遇到的阻力與挑戰(zhàn)。目前3D打印技術在西方國

16、家已經廣泛的應用到了商業(yè)、制造業(yè)。人們可以在家中完成自己的設計，通過Meshmier里的3D打印平臺服務將模型文件送到離家最近的3D打印服務公司，公司按照顧客的設計要求完成3D模型的打印，這如今在國外已經形成了一個商業(yè)鏈，目前國內還沒有發(fā)展，相信在不久的將來，國內的3D打印技術也會不斷占領市場的份額，到時候3D打印一定會成為現在制造業(yè)不可或缺的一部分。1.2 3D打印技術的種類（1）光敏液相固化技術光敏液相固化技術SLA（Stero-Lightgraphy Apparatus）又稱光刻成型、立體印刷、或光造型等，它的工作原理就是通過紫外線照射，將液態(tài)光敏樹脂固化成型，通過層層固化而完成整個三維

17、產品的制造，SLA成型工藝的特點是精度高，表面質量好，材料利用率高，能制造出結構復雜、外觀精細的零件產品，但是SLA成型工藝相應的制造成本也非常高，而且打印零件產品的規(guī)格也不能太大。3（2）選區(qū)片層粘結技術選區(qū)片層粘結技術LOM（Laminated Object Manufacturing）是利用背面帶有粘膠的箔材或紙材通過相互粘結而成形。在計算機的控制下，二氧化碳激光束對最上層箔材或紙材的二維截面進行掃描切割，再將輪廓外的廢料切割出方形小格，以后每粘結切割一個截面層，工作臺自動下降一個截面層，然后重復，直到整個三維零件。LOM快速成型技術特點是速度快，材料經濟實惠，尺寸和形狀精度穩(wěn)定，沒有相

18、變與熱應力，但成型后的廢料剝離時間較長，所以這種工藝更適用于汽車輪船、航空航天等行業(yè)中體積較大的產品零件成型。（3）選區(qū)激光燒結技術選區(qū)激光燒結技術SLS（Selctive Laser Sintering）是利用激光的光束能量，燒結粉末材料通過逐層添加成型的方式成型三維模型。SLS成型工藝方法的優(yōu)點是能生產較硬的模具；可以采用多種原料，包括工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等；零件的構建時間短，可達到1in/h速度；無需設計和構造支撐。（4）熔絲沉積成型技術熔絲沉積成型技術FDM（Fuse Deposition Molding）是通過噴頭擠出一束非常細的熱熔塑料絲，從打印平臺的最底層開始，按照切片軟件導

19、出的二維切片程序，一層一層逐層堆積打印，最后得到設定好的三維產品模型。FDM成型工藝的優(yōu)點是設備簡單，工作耗能低，打印尺寸精度好，成型表面質量高。缺點是打印需要支撐的材料，打印耗時較長。1.3 3D打印機及簡易3D打印機的概述3D打印機(3D Printer)還稱作快速成型機，它與二維打印機最大的差別就是能打印出三維立體模型，它的工作原理是通過將耗材融化，然后一層一層疊加，最終形成目標3D模型。它是3D領域的一種前瞻性產品，目前成為一種潮流正迅猛發(fā)展。43D打印機的操作十分便捷，首先通過電腦上的制圖軟件制作出你想要打印的3D模型，然后將3D模型導入進專業(yè)的切片軟件，再將切片程序導入進3D打印機

20、中就可以打印出你所設計的3D模型。隨著3D打印技術的不斷成長進步與普及發(fā)展，3D打印機不僅大量地出現在現代機械制造業(yè)，而且逐漸可以應用于工業(yè)設計領域，汽車輪船領域，航空航天領域等。但是到目前為止3D打印機的所使用材料還是具有一定的限制，所以要想打印出一個結構繁雜、材料多樣的3D模型，它的難度還是有非常之大的。當下市場上出現了越來越多的簡易式3D打印機，它跟一般的3D打印機最大的差別就在于它的便攜易于擺放，簡易3D打印機突破了一般3D打印機需要固定在一個空間工作的限制，這極大地提高了3D打印機的實用性和便捷性。不過要想實現3D打印機結構的簡易與便捷，必須要在其結構上多思考，需要考慮到打印結構的設

21、計，考慮所選材料的性能以及強度，要控制空間使其在最小的工作空間完成最大的打印空間。簡易3D打印機，它的結構簡單，操作方便，價格經濟，空間友好，即使在比較小的空間下也能夠實現3D模型的快速成型（即3D打印），這樣可以讓3D打印機更好地走向在家庭或者辦公室，將為3D打印技術的普及帶來巨大的意義。1.4 3D打印機的發(fā)展帶來的機遇和挑戰(zhàn)目前3D打印機想要占領的市場，還需要面對很多困難與挑戰(zhàn)。其中3D打印機的制造價格，打印的耗材，打印精度，結構設計等方面還需要很多研究突破的地方，所以說3D打印機的出現，既要面臨很多的困難與問題。第一，制造成本方面。3D打印機的制造成本比較高，從一臺3D打印機的結構設計

22、到材料購買，組裝，測試校核等步驟使得3D打印機的成本大大提高，為了普及3D打印機很多商家研制生產簡易的3D打印機，它的結構簡單，能夠完成基本的3D模型成型，制造成本低。第二，耗材方面。目前3D打印機的成型材料多為化學聚合物，打印出來的3D模型也大多是激光燒結后或者熔絲沉積后的化學聚合物，所以如果想要3D打印有著更多廣泛的應用，還需要開發(fā)不同的材料才行?？傊?，要想成功的普及3D打印機在材料上下功夫也是不容忽視的。第三，打印精度方面的問題。目前3D打印機多是FDM型的機器，它在成型的時候，精度上比不上SLA型等的3D打印機，但是精度高的機器它的制造成本往往也大大提高，這使得3D打印機在精度與價格上

23、出現了矛盾，所以對一些3D打印機打印精度的改良將會對3D打印技術有著重大意義。第四，研究開發(fā)方面。在3D打印機的發(fā)展越來越進步的同時，外界對其的要求也會越來越高。不僅僅是滿足目前打印幾個簡單的3D模型，更重要的是應用到實際的生產加工中，比如說面包房要打印出一些特殊的食物，醫(yī)院要打印出蛀牙患者的牙齒等，這些都要求非常高的技術。第五，市場。大家都知道開發(fā)一種產品除了要服務于大眾，還有一個很重要的目的是產生經濟效益。5要想產生大的經濟效益就要占領足夠的市場份額，目前3D打印機不像2D打印機那么普遍。或者說3D打印機很少人會用得上，這就需要研發(fā)者研發(fā)出更多實用簡易的3D打印機走進千家萬戶。本次的畢業(yè)設

24、計使用了CAD、SolidWorks、Ansys軟件對一款FDM型簡易3D打印機進行結構設計、制圖和受力分析，在指導老師的指導下完成本次畢業(yè)設計任務。1.5 本次設計的主要工作1.5.1 簡易3D打印機指標其中簡易3D打印機的主要技術指標有：打印的最大范圍：160mm160mm170mm 最大打印速度：120 mm/s打印量：20g/h標準型材的尺寸：20mm20 mm底座高度：47 mm1.5.2 主要的設計工作（1）底座設計；（2）頂框設計；（3）支架設計；（4）送絲機構設計；（5）打印機構設計。1.5.3 設計思路及主要問題本次簡易3D打印機的設計，先從簡易3D打印機的整體設計入手，從簡

25、易3D打印機的外部框架到支架，然后再送絲機構到內部核心打印機構的設計，從外至內，從下至上一步步的完成簡易3D打印機機械結構的設計。需要解決的主要問題：（1） 設計并確定簡易3D打印機的整體外部框架結構，以及選用的型材尺寸規(guī)格，底座零件的壓應力計算以及非標件材料的選擇。（2） 校核直線光軸的彎曲應力及彎矩，選擇合適的光軸材料。（3） 解決簡易3D打印機的送絲機構中擠出機以及擠出輔助非標件的設計和材料的選擇。（4） 解決簡易3D打印機的打印機構中傳動機構的設計及打印機構在X、Y、Z方向運動的實現，還有噴頭裝置的設計。（5） 基于CAE分析，分析簡易3D打印機中重要零件所受應力的情況并校核設計的是否

26、符合設計要求。2 簡易3D打印機的結構設計2.1 整體結構設計2.1.1 工作原理本論文設計的簡易3D打印機是DIY三角洲式的3D打印機，打印機一共4有個步進電機，其中3個步進電機通過同步帶分別控制3D打印X、Y、Z三個塔上的滑動座沿光軸運動，使3D打印機的打印機構可以在一個平行于打印臺的空間里運動。還有一個步進電機是用于送絲機構上的，作用是將絲材送進預熱的噴頭內，使絲材擠出成型。2.1.2 3D打印機的組成標準型材：20mm20mm，200mm9步進電機：4個同步輪：3個同步帶：3條黃銅擠出輪：1個直線光軸：6根深溝球軸承：6個直線軸承：6個M3六角螺栓+螺母：若干非標準件：包括角件底座、角

27、件頂框、滑動座、推桿、萬向節(jié)、中心平臺、擠出機座、噴頭座等。2.1.3 框架結構打印機的結構主要由大小20mm20mm的標準鋁型材構成，底座主要由6個20mm20mm鋁型材和3個角件底座組成，型材與角件通過M3的內六角螺釘和螺母連接，整個底座成三角形結構，這樣的底座穩(wěn)定性及牢固性都非常強，能夠保證3D打印機在工作時，工作平臺會很平穩(wěn)，提高3D打印機的打印精度。每個角件底座上都與2根光軸配合，光軸彼此間是平行安裝的。三角洲式3D打印機Z軸方向的傳動是通過打印機X、Y、Z三個塔的步進電機同步運行來完成的。3個套有同步輪的步進電機同時啟動，通過同步帶拉動滑動座同時上升或下降，在萬向節(jié)與推桿作用下打印

28、機構在Z軸方向運動。而打印機構在XOY平面上的運動則需要通過X、Y、Z三個塔步進電機的配合運動來完成。打印機的頂框主要由3根20mm20mm鋁型材和3個角件頂框組成，頂框結構與底座結構類似，成一個三角形結構，與光軸連接，形成一個穩(wěn)定牢固的框架。2.2 底座的設計2.2.1 底座角件的設計底座角件結構示意圖見圖2-1，該結構的主要作用是支撐工作平臺和連接鋁型材、直線光軸以及步進電機的。圖2-1 角件結構示意圖對于角件材料的選擇，由于底座角件主要承受3D打印機的重量，所以計算一下要計算底座角件的抗壓能力。3D打印機總質量M = 5Kg ，角件總底面積A= 31770 mm2，所受壓應力公式見式（2

29、.1）6 式（2.1）式中 代表壓應力；代表壓力；A代表底面截面面積。其中=Mg= 49 N 。得 = 92.28 Pa 。PLA材料的許用抗壓應力=40-60 MPa，這遠遠大于所需的壓應力要求，所以在底座角件材料的選擇上，我們可以選用PLA材料。而且PLA材料是一種聚乳酸，它的原料來自于植物，屬于生物可降解材料，綠色環(huán)保，同時也具有較強的硬度和剛度，并且PLA材料的零件可以通過FDM型3D打印機快速成型，極大地方便了底座角件結構的制造。2.2.2 鋁型材的選擇 根據底座角件的設計，選擇2020GW型鋁型材，鋁型材性能參數表、結構示意圖見表2-1、圖2-2。表2-1 鋁型材性能參數表材質及狀

30、態(tài)6063T5抗拉強度180MPa屈服強度127MPa彈性模量686600MPa硬度62HB表面處理陽極氧化處理，鍍層12以上泊松比0.330圖2-2 2020GW鋁型材結構示意圖2.2.3 底座整體結構底座是支撐打印平臺以及3D打印機整體的關鍵部件，綜合它的性能強度和剛度的要求，底座結構主要由PLA底座角件與2020鋁型材通過M3的內六角螺栓和螺母連接組成，成三角形結構。在每個角件上端面有兩個8的通孔用來裝配8的直線光軸，并通過3個夾緊孔來完成直線光軸的固定。角件的內側可以有4個3的限位孔，它們的作用是用于步進電機的固定，底座框架SolidWorks裝配圖見圖2-3。圖2-3 底座框架Sol

31、idWorks裝配圖2.3 支架的設計2.3.1 直線光軸許用彎曲應力的計算直線光軸是具有滑動軸承的引導作用，可使滑動軸承實行直線運動的產品。在3D打印機中，直線光軸需要引導滑動軸承使滑動座做直線運動，配合萬向節(jié)與推桿作用使打印機構在空間內平行于工作平臺運動，以實現3D打印的功能。由于本設計的簡易3D打印機所使用的直線光軸按軸的受載分類屬于固定心軸，工作時是固定不動的，只承受彎矩作用。在校核該軸強度的時候，可以按彎曲強度條件計算，實心軸的計算公式見式（2.2）。6 式（2.2）式中 d代表直線光軸直徑；M代表彎矩；許用彎曲應力。為了計算光軸所受的彎矩，要對光軸進行受力分析（見圖2-4）。因為在

32、3D打印機中每一個光軸的受力情況都是相同的，所以只需要對其中一根光軸進行分析，由于滑動座是在光軸上滑動的，所以它的位置是任意的，光軸的受力分析圖如下所示，這里選取任意位置C點為滑動座的質點位置，求位于x截面位置所受的剪力與彎矩。圖2-4 光軸的受力分析圖解：由平衡方程= 0 ， Fb-=0= 0 ， -Fa-=0求得支座約束力為=， 根據光軸的受力分析,光軸的剪力的剪力和彎矩都可以計算出來，即 （0 xa）M(x)= (0 xa)剪力圖（見圖2-5）與彎矩圖（見圖2-6）如下所示。圖2-5 光軸的剪力圖圖2-6 光軸的彎矩圖光軸長度L：465mm根據一般光軸在相同的F作用下，C點位置于光軸中間

33、的時候，最容易被剪斷,且根據剪力，彎矩圖，知當x=a的時候，M取最大值。令a=232.5mm，b=232.5mmF=10N=5N= a = 1.1625 N*M由，= 本設計所選光軸直徑d為8 mm ，=17.12 MPa。2.3.2 直線光軸材料的選擇查軸的許用彎曲應力表7（見表2-2），選擇合適的光軸材料。表2-2 軸的許用彎曲應力表軸的許用彎曲應力 MPa材質Rm（b）+1p0p0p碳素鋼40013070405001707545600200955570023011065合金鋼80027013075100033015090鑄鋼40010050305001207040注：+1p、0p、0p分

34、別為材料在靜應力、脈沖循環(huán)應力和對稱循環(huán)應力狀態(tài)下的許用彎曲應力因為直線光軸的許用彎曲應力=17.12 MPa，所以根據表表2-2，8直線光軸的選材可選用碳素鋼45鋼，它的抗拉強度大于600MPa；屈服強度大于355MPa，符合設計要求，45鋼力學性能參數表見表2-3。表2-3 45號鋼力學性能參數表45號鋼力學性能參數表抗拉強度600MPa屈服強度355MPa彈性模量210GPa泊松比0.2692.4 頂框的設計2.4.1 頂框角件的設計 頂框角件的設計結構上和底座角件結構類似，它主要作用是連接固定同步帶軸承、送絲機構、及光軸等部件。它的結構示意圖見圖2-7。圖2-7頂框角件示意圖由于頂框角

35、件與底座角件的結構類似，而且頂框并不受載荷，所以在材料的選擇上就可以與底座角件的材料一致，選擇PLA材料，產品的零件可以通過3D打印，方便了制造。2.4.2 鋁型材的選擇 鋁型材的選擇，則是和底座設計的鋁型材保持一致，所以也選用2020GW型鋁型材。2.4.3 頂框整體結構頂框整體結構由3個PLA頂框角件與3根2020GW型鋁型材相互連接組成，頂框結構與底座結構同樣是三角形結構，它們之間是通過8直線光軸連接的，具體是用M3的內六角螺栓和螺母通過頂框上的鎖緊孔將頂框緊固在直線光軸上，使3D打印機在外框架上成一個三棱柱的結構，這使3D打印機的結構更加穩(wěn)定堅固。在每個頂框角件上都有一個用來安裝同步帶

36、軸承的定位孔，具體在后文會詳說，另外光軸每兩個組成一個塔，分別命名為X、Y、Z三個塔，具體見頂框結構SolidWorks裝配圖（見圖2-8）。圖2-8頂框結構SolidWorks裝配圖2.5 送絲機構設計2.5.1 擠出機座設計擠出機座是送絲機構非常重要的結構部分，它是連接擠出機（裝有黃銅擠出輪的步進電機）、引絲軸承、快速接頭等零件的部件。因為擠出機座主要是連接零部件作用，對于它強度和剛度沒有太大的要求，為了方便制作，擠出機座也是選用PLA材質，通過3D打印成型制造，擠出機座的結構設計見圖2-9。圖2-9 擠出機座結構示意圖2.5.2 U型滾動軸承的選型 在擠出機座上，需要安裝一個U型滾動軸承

37、，它的作用是為了引導和壓緊絲材用的。為了滿足設計需要，這里選用3D打印機擠出機專用的軸承即U604ZZ軸承，作為擠出機導輪；它的精密度高，運載順滑，低噪音，非常適用于桌面級3D打印機。詳細的參數規(guī)格表見表2-4。表2-4 U604ZZ軸承參數規(guī)格表型號u604zz尺寸內徑（K）4mm外徑(D)13mm寬度(H=W)4mmU槽底徑（D2）11mmU槽(R)1mm槽口寬度(C)2.1mm備注高品質，精密軸承2.5.3 快速接頭的選擇擠出機座上還需要連接一個1.75mm送料快速接頭，它的作用是連接送料管，將絲材送入到打印機構中，按下它的快速接頭的塑料頭可實現快速換接。所選用的1.75mm送料快速接頭

38、參數表見表2-5。表2-5 1.75mm送料快速接頭參數表名稱1.75mm送料快速接頭接口螺紋M5適用耗材1.75mm耐溫0-60（）耐壓1.5（MPa）2.5.4 擠出機設計及相關部件選型擠出機主要是由步進電機以及黃銅擠出輪組成。它的作用是將3D打印機的絲材根據設定好的送絲速度一點一點地送進3D打印機的打印機構中，讓經過預熱后的打印機構能夠正常出絲。所以擠出機中所需的步進電機需要有穩(wěn)定的輸出及其合適的相應參數才能完成擠出機的功能，具體步進電機的選型，將在后文步進電機的選型中詳述。另外擠出機需要一個黃銅擠出輪，它是擠出機中步進電機的轉動件，為的是給3D打印機的耗材提供一個向下送絲的摩擦力?，F在

39、主流的桌面級3D打印機耗材都是采用的1.75mm耗材，所以這里所設計擠出機上的黃銅擠出輪選型則是采用市場上1.75mm耗材專用的3D打印機黃銅擠出輪，也就是M11的黃銅擠出輪，它的具體規(guī)格參數見表2-6。表2-6 MK8黃銅擠出輪規(guī)格表名稱MK8黃銅擠出輪規(guī)格尺寸11mm*11mm內孔5mm齒輪部位7mm齒輪外徑111mm齒的數量26齒材質銅2.5.5 送絲機構整體機構將上述零件通過螺紋連接組裝，就是送絲機構機構的整體機構。送絲機構的工作原理是：3D打印機預熱后，絲材從送絲機構的入口進入，通過擠出機與U型滾動軸承的作用，絲材以一定速度送入快速接頭口，快速接頭連接有送料管，絲材通過送料管最終送入

40、打印機構，完成3D打印機的打印工作。送絲機構整體機構SolidWorks裝配圖見圖2-10圖2-10送絲機構SolidWorks裝配圖2.6 打印機構設計2.6.1 步進電機的選型步進電機是打印機構最重要的部分，它是整個打印機構的動力元件。它的工作原理是將3D打印機控制電路的電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，一般情況下，步進電機的轉速、停止的位置取決于3D打印機控制電路脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個步距角，所以它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，這樣就可以控制打印機構進行逐層累積的3D打印工作。所以3D打印機對

41、步進電機的選擇，就比較嚴格。需要步進電機有穩(wěn)定輸出及合適的參數，否則會直接影響3D打印的精度。目前3D打印機主要采用的是42兩相混合步進電機，根據3D打印機所需步進電機的重量、步距數、轉動慣量、轉速等條件，查表2-7，經過綜合分析，最終選取型號為42BYGH47-401A的步進電機作為打印機的動力來源。表2-7 42BYGH兩相混合步進電機技術參數表42BYGH兩相混合步進電機步距角1.8溫升80 Max環(huán)境溫度-20+50絕緣電阻100 MMin. ,500VDC電氣強度500VAC徑向間隙0.02mm軸向間隙0.08mm最大徑向壓力30N最大軸向壓力10N電機型號Model步矩角Step

42、angel ()機身長Motor Length L(mm)相電壓Rate Voltage (V)相電流Rate Current (A)相電阻Phase Resistance ()相電感Phase Inductance (mH)靜力矩 Holding Torque (g.cm)引線數 Lead Wire (NO.)轉動慣量 Rotor Inertia (g. c)重量 Motor Weight (kg)42BYGH33-001A1.833120.3402217005350.2242BYGH33-601A1.83340.954.22.515806350.2242BYGH33-602A1.8339.

43、60.4241515806350.2242BYGH33-603A1.833120.3138.52115806350.2242BYGH33-401A1.8332.81.332.12.522004350.2242BYGH39-601A1.83941.23.33.225906540.2842BYGH39-602A1.83960.87.56.725906540.2842BYGH39-603A1.839120.4303025906540.2842BYGH47-401A1.8472.81.681.652.844004680.3542BYGH47-601A1.84741.23.32.836006680.35

44、所選的42BYGH47-401A步進電機它的外觀圖見圖2-11，其中長度L=47mm。圖2-11 42BYGH47-401A步進電機外觀圖2.6.2 同步輪的選型同步輪是安裝在42BYGH47-401A步進電機上的元件，可以帶動同步帶運轉，具有傳遞動力的作用。因為該簡易3D打印機屬于精加工類型，在選取加工類型精度比較高的同步帶輪，依據表2-8，選取合適的同步帶輪參數如下：齒距：2.032 mm齒數：20槽寬：11 mmd1 節(jié)圓直徑：12.9 mmd 內徑：5 mmD檔邊外徑：18 mmD1凸臺外徑：18 mmL總長：20 mm表2-8 MXL,XL,L同步輪規(guī)格表MXL,XL,L同步輪規(guī)格表

45、齒型齒數外形尺寸重量S槽寬Ed1節(jié)圓直徑d內徑D擋圓外徑D1凸臺外徑L總長MXL齒距2.03mm20111612.95，6或6.351818200.013019.46或6.352525200.024025.95，6，6.35或83220200.04XL齒距5.08mm15111524.36.23217250.062032.36，6.35，7，8或1038260.06248.223L齒距9.53mm20212775.8106648380.2530911098680.640121.3101308012.6.3 同步帶的選取根據同步帶輪的選型，在滿足嚙合的條件下，選擇MXL同步帶，相關參數如下：齒距

46、：2.032 mm齒高：0.51 mm齒厚：1.14 mm同步帶的二維圖見圖2-12。圖2-12 同步帶的二維圖2.6.4 深溝球軸承的選型深溝球軸承主要承受純徑向載荷，也能承受軸向載荷，承受純徑向載荷時，接觸角為零，結構簡單，使用方便，應用廣泛。在3D打印機中，該軸承主要是支撐傳送帶的壓應力，所以主要承受的是徑向靜載荷。由于3D打印機構中，深溝球軸承主要是承受靜載荷，所以深溝球軸承的選擇可以按額定靜載荷計算7，計算公式見式（2.3）C0=S0P0C0r 式（2.3）式中 C0基本額定靜載荷計算值，N；S0安全因數，安全因數選擇見表2-9；P0當量靜載荷，N，計算公式見表2-10；C0r軸承尺

47、寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，NC0a軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，N表2-9 旋轉軸承安全因數旋轉軸承安全因數使用要求和載荷性質S0球軸承滾子軸承對旋轉精度及平穩(wěn)性要求較高，或承受強大的沖擊載荷1.522.54正常使用0.5213.5對旋轉精度及平穩(wěn)性要求較低，沒有沖擊和震動0.5213表2-10當量靜載荷計算公式當量靜載荷計算公式軸承類型計算公式說明向心軸承=0的向心滾子軸承徑向當量靜載荷P0r=FrFr徑向載荷 向心球軸承和0的向心滾子軸承P0r=X0Fr+Y0FaFa徑向載荷 P0r=Fr3 二式中的較大值推力軸承=90的推力軸承軸向當量靜載荷P0a=FaX0徑向靜載

48、荷系數90的推力軸承P0a=2.3Frtan+FaY0軸向靜載荷系數根據表2-8，徑向當量靜載荷載荷P0r的公式: P0r=X0Fr+Y0Fa根據表2-9，S0取2計算深溝球徑向當量動載荷時，X0=0.6，Y0=0.5；即P0r=0.6Fr+0.5Fa 且當P0r Fr時，取P0r = Fr因為3D打印機同步帶繃緊時，對深溝球軸承的徑向壓應力約100N；軸向應力可忽略不計。所以P0r = Fr = 50NC0=S0P0=S0P0r=S0Fr=210= 200 N根據基本額定靜載荷的計算，查機械設計手冊第二卷P1055的深溝球軸承技術參數表（見表2-11），選擇合適的深溝球軸承。表2-11深溝球

49、軸承技術參數表 深溝球軸承技術參數表基本尺寸 /mm基本額定載荷 /kN極限轉速 /r*min-1質量 /kg軸承代號其他尺寸 /mm安裝尺寸 /mmdDBC0r油W60000型d2D2R minda minDa maxra max71450.5400000.0024628/79120.158.212.80.151750.8380000.0057619/79.614.40.39.415.20.31961.08360000.00760710.715.30.39.416.60.32271.35340000.01462711.818.20.39.419.60.381650.65380000.0046

50、28/810.8140.39.614.40.21960.92360000.0085619/811160.310.417.20.32271.38340000.01560811.818.20.310.419.60.32481.4320000.01662812.819.20.310.421.60.3 續(xù)表2-1191750.72360000.0042628/911.114.90.210.615.40.22061.08340000.0092619/912170.311.418.20.32471.4300000.01660914.219.20.311.421.60.32681.95300000.0196

51、2914.421.10.311.423.60.3最后，綜合頂框設計以及C0的值，根據表2-11，選擇628/8型深溝球軸承作為傳送帶軸承。2.6.5 直線軸承的選型直線軸承是套在光軸上滑動的軸承，它的作用是引導滑動座做平行于光軸的直線運動，它的選型要根據光軸的尺寸規(guī)格來進行確定，直線軸承規(guī)格表見表2-12。表2-12 直線軸承規(guī)格表型號球列數主要尺寸基本額定載荷內徑外徑長度外止動槽W動靜dr公差D公差L公差B公差D1LM6LUU46012035027011.51.13354LM8LUU4815-0.013453514.31.14480LM10LUU410-0.0119055-0.344-0.3

52、181.360112LM12LUU412215746201.383160由于所設計的光軸直徑是8，所以根據表2-8，選擇LM8LUU的直線軸承為滑動座軸承。2.6.6 滑動座的設計滑動座通過扎帶可與直線軸承裝配在一起，可以沿著光軸自由地運動，同步帶的兩端分別用扎帶綁在滑動座的兩頭，隨著3D打印機X、Y、Z三個塔上步進電機動作，滑動座就會沿著光軸做垂直上升或者垂直下降的運動，滑動座的材料選用PLA材料，方便3D打印制造，圖2-13是滑動座結構示意圖。圖2-13 滑動座結構示意圖2.6.7 萬向節(jié)的設計萬向節(jié)是實現變角度動力傳遞的機件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，它相當于3D打印機的“關節(jié)”部

53、件，通過推桿與萬向節(jié)的連接，X，Y，Z三個塔上滑動座上下滑動的運動會轉化成打印機構中的中心平臺和噴頭在一圓柱空間的運動。這種特制的萬向節(jié)材料也選用PLA材料，強度和硬度較好，可以3D打印成型，萬向節(jié)結構示意圖如圖2-14。圖2-14 萬向節(jié)結構示意圖2.6.8 中心平臺的設計中心平臺主要作用是用于噴頭裝置的定位，它在結構上也采用三角形結構，中心平臺上裝有6個萬向節(jié)，通過推桿可以將中心平臺與滑動座連接在一起，X、Y、Z塔上的步進電機控制滑動座上下運動可使中心平臺在一個圓柱空間內平行于打印平臺自由運動。由于中心平臺的所受的力并不大，所以中心平臺在材質上的選擇，也能選用PLA材料，便于3D打印制造，

54、中心平臺的結構示意圖見圖2-15。圖2-15 中心平臺的結構示意圖2.6.9 推桿的設計推桿主要的作用是連接滑動座和中心平臺兩者之間的萬向節(jié)的，通過推桿的連接，滑動座可以控制中心平臺和噴頭裝置在一圓柱空間運動。在推桿的設計中，要通過計算來確定推桿的長度L。為了計算推桿的長度L的最長距離，選擇一個最極限的位置（中心平臺置于打印平臺中央見圖2-16）進行計算，再將3D模型簡化成二維的數學模型，得到圖2-17，根據圖2-17可以求出推桿的長度L。圖2-16 中心平臺置于打印平臺中央 圖2-17 簡化后的二維數學模型根據勾股定理，L2=(398-H)2+(110-22.5)2 因為所設計的3D打印機的

55、打印高度為170 mm，且滑動座的高度是45.5 mm。所以根據要求398-170 H 398-45.5即228 H 352.5所以Lmax=244.2 mmLmin=98.6 mm所以桿長L可在98.6244.2選擇合適的值，本設計中L取=185。具體推桿設計如下圖所示（見圖2-18）。圖2-18 推桿結構示意圖2.6.10 噴頭座的設計噴頭座主要是用來安裝噴頭裝置的，噴頭座口可以通過螺紋連接將噴頭裝置鎖在噴頭座上，另外噴頭座設計有可與中心平臺連接的孔，通過螺紋連接可以使兩者安裝在一起，使噴頭裝置可以隨著中心平臺進行運動，當X、Y、Z塔三臺步進電機動作時，噴頭裝置會在一個空間圓柱內運動，完成

56、3D打印工作。噴頭座的材料選擇，選用PLA材料，便于3D打印制作。噴頭座的結構示意圖見圖2-19。圖2-19噴頭座結構示意圖2.6.11 散熱風扇的選型在噴頭座上需要安裝一個散熱風扇，用于給噴頭機構的散熱器散熱，防止耗材在散熱器中融化凝固堵塞送絲通道。本次畢業(yè)設計選用的是桌面級3D打印機常用DFS300612H型的散熱風扇，它的具體參數見表2-13表2-13 DFS300612H型散熱風扇名稱DFS300612H額定電壓（V）12額定電流（A）0.12轉速（RPM）10000風量（CFM）3.402.6.12 噴頭裝置的設計噴頭裝置是FDM型3D打印機最關鍵的部分，它主要由快接頭、散熱器、加熱

57、鋁塊，噴頭等組成，如圖2-20所示。首先絲材通過送料管送進快速接頭，然后進入散熱器，通過鐵氟龍喉管后接著進入噴嘴，加熱頭可以給加熱鋁塊和裝配在其上的噴嘴供熱，使絲材在噴嘴里被熔融，然后通過送絲機構的擠出作用，絲材從噴頭連續(xù)地被擠出，經過層層堆積而達到快速成型的結果。如圖2-20噴頭裝置結構組成噴頭裝置主要零件的選擇及作用：（1）快速接頭選擇1.75mm送料快速接頭，它的使用方法與送絲機構所選用的快速接頭一樣，它們之間通過送料管連接，可以將打印機構與送絲機構連接起來。（2）散熱器選擇直徑為36mm，高度為60mm的散熱器，它的作用主要是給未進行打印工作的絲材降溫，防止絲材因加熱鋁塊和加熱頭所傳遞的熱量而軟化彎曲堵塞送料通道。（3）鐵氟龍喉管，是高耐熱的連接管，總長度是30mm，具有M6的螺紋，通過螺紋連接可以將加熱鋁塊與散熱器連接在一起，管內允許直徑為1.75mm耗材穿過，對耗材具有一定的導向作用，將耗材更準確地送入噴頭（4）加熱頭與加熱鋁塊，主要起到給打印噴頭加熱的作用，工作原理是加熱頭根據3D打印機設定的溫度進行加熱，熱量會迅速擴散到加熱鋁塊中，然后加熱鋁塊將熱量再傳遞給噴頭，以融化耗材。（5）噴頭則是選用3D打印機常用的0.4mm銅質噴頭，