1緒論1.1課題的背景意義三維打印是它一種全新的生產制造的方式，它集合了有數字化、人工智能化、新型材料的應用等技術特點。在當今的三維打印領域之中，打印的技術類型呈現多樣化形式。與其他的技術相比，FDM型三維打印機操作環境簡單安全，打印零件過程中不產生有毒性氣體或化學性物質，適合在家庭和辦公室中使用，對打印材料的要求相對不高，打印材料具有成本低、利用率高、輸送快捷簡便等優勢。同時，對于一些結構復雜的產品，傳統的加工工藝在設計與加工過程中，往往會由于加工工藝本身無法達到制造要求而對零件的制造精度產生影響，造成有的結構不易成型。但是，FDM型三維打印機能夠很好地改善上述問題。本項目中所研發的FDM型三維打印成型設備，對打印機的機械結構進行了設計和改善，同時對控制系統進行了研究，實現了打印精度和打印速度的提高。為后期開發更先進的成型設備提供了基礎，同時也為后期能實現精確、快速的打印提供相關參考。綜上所述，設計一臺具有高精度、高打印速度的三維打印機變得更具有現實意義。1.2三維打印機的分類及其基本原理1.2.1三維打印機的分類三維打印技術的基木原理都是材料的疊加和累積，但是疊加的形式和打印材料的不同，導致不同的技術的原理有很大的差別在成型過程中。所以，成型零件所擁有的機械性能和成型速度也會有所不同，表1-1給出了上述五種較為典型的三維打印機的工作原理與主要成型特點對比結果。表1-1三維打印機成型技術的對比Tab1-1comparisonofformingTechnologyof3DPrinter三維打印技術成型原理打印材料成型特點熔融沉積成型(FDM)三維打印機的控制系統依據打印零件每一層的形狀控制噴頭在x-y平面運動，噴頭內的打印材料在經過加熱融化，離開噴頭后冷卻，與上一層粘結。噴頭每打印完一層，控制系統將噴頭向z軸方向移動一段距離。最終實現零件打印。低熔點樹脂，塑料等。如ABS，PLA。較低的打印成本，材料要求低，操作方便，成型速度快立體光固化成型(SLA)根據所要打印的外輪廓掃描出單層圖形，放置在工作臺上的光敏樹脂材料的外表面被具有較大光照強度的光波照射后產生固化，依據開始掃描出來的輪廓路徑進行打印成型m。光敏樹脂。成型速度快，表面精度高。三維打印成型(三維P)打印機的噴頭通過噴灑粘結劑將打印所需的金屬粉末粘結在一起，這些粘結劑的噴灑路徑是依據成型零件的外側截面輪廓進行的，鋪設完一層，噴頭移動一段距離，直到疊加完成零件。金屬粉末材料。不需要打印支撐結構，成型速度快，能打印彩色零件。激光燒結成型(SLS)通過控制激光束的照射使金屬粉末受到高溫熔化，然后再歷經同化，逐層鋪設，直到完成零件的打印。金屬粉末如銅粉，合金粉末等。能打印金屬材料，成型零件強度高。分層實體制造（LOM）通過計算機控制激光束，按照模型的每一層的內外輪廓線進行切割，得到該層的平面輪廓外形，然后逐層堆積成零件原型，堆積過程中，層與層之間以粘結劑粘牢，直至完成零件打印。薄片型材料，如紙、塑料薄膜、金屬箔等。無需加支撐、成型速度快，零件精度高。1.2.2FDM型三維打印機的工作原理FDM技術的基本原理是用三維建模軟件生成需要零件的模型，然后生成可以供給下一步應用的STL文件，在軟件中進行切割，得到每一層的切片圖案，將這些圖案的資料整合生成代碼，這些代碼是打印機可以識別并讀取的，讀取了這些代碼轉化為個不記得那的動力供給，使得加熱系統和動力系統開始按計劃工作。由噴頭一層接一層地擠出材料，與上一層粘連在一起，冷卻固話。便可以制造出想要得到的產品形狀。FDM型三維打印機的工作原理是有兩個摩擦輪相配合構成擠出機構，兩個論分為主動輪和從動輪，而噴頭處的電機連接主動輪，帶動主動輪旋轉將絲材通過主動輪轉動與擠壓產生的摩擦力將絲材送噴嘴下半部的加熱區。噴嘴處是利用電阻絲加熱然后通過加熱塊將溫度傳遞給打印材料，將打印絲材加熱到熔融狀態的溫度，在后續固態絲材的推動下形成柱塞擠出前端熔融狀的打印材料。擠出絲材量的大小由擠出電機的轉速直接影響控制，步進電機帶動噴頭的XY軸運動和平臺的Z軸運動完成整個輪廓的三維打印工作，最終打印出成品的工件。具體的工作原理如下：圖1-1FDM型三維打印機原理圖Fig1-1SchematicDiagramofFDM3DPrinterFDM技術和其它三維打印技術一樣，都是將材料一層一層堆疊粘連而成型的，但它還具備下面這些獨有的優點:(1)系統的構造以及成型的原理都十分簡單方便，它主要采用的是將絲材加熱熔融然后擠出的方式成型，運行幾乎不需要維護的費用，設備成本比起其他的打印技術要廉價許多；(2)使用材料沒有毒害，即使熔融后也對人體沒有傷害，適宜在普通百姓安裝使用；(3)可以在設計的時候通過控制產品的參數進而控制產品質量，因為他的設計過程和生產過程同時進行；(4)由于產品采用的材料問題，即使加熱到了使他熔融的高溫也不會產生有毒有害物質，且材料的變形小對產品的精度影響就會相對的變小；(5)原材料的利用率高，最大限度的減少浪費；(6)通過對絲材的轉變，選用彩色的材料可以打印出彩色的模型。當然，FDM的三維打印技術在有些地方也比不上其他打印技術:(1)臺階效應的產生，這個缺點也是大部分三維打印機所共有的缺點，這是由于打印機的堆疊原理造成的，對于一些曲面的零件臺階效果的表現會更加的明顯；(2)最終形成的產品在Z軸方向的強度會比XOY平面方向上的強度要低很多，這是由于打印時每一層之間的連接都是依靠材料間的粘性粘連而成，而反觀XOY層內的材料之間依靠分子間的相互作用力而結合在一起；(3)因為需要逐層打印，為了保證打印的質量每層的層厚亦不會太厚，所以展現出的打印速度就會比較慢，打印的效率會變得很低；(4)由于擁有重力原因，并且打印的絲材在剛出噴嘴時是熔融狀的，如果沒有支撐很容易走行甚至倒塌。所以對于一些懸臂、曲面等一些再設計之初并沒有支撐結構的懸空設計時就必須要設計相應的支撐結構；(5)打印需要使用特定的打印材料，且這些特定原材料由于產量的原因價格較高。1.3FDM技術國內外的研究現狀1.3.1國外的發展現狀國外在很早之前就對FDM型三維打印機開始了研究，隨著這么多年的逐步發展，在很多領域都擁有了顯著的突破和進展，打印技術日趨成熟在機械系統和控制系統方面的研究和改進主要體現在噴頭部分的研究，丹麥科技大學的一組學生團隊首先設計出了多噴頭三維打印機，很大程度上提高了，打印速度。印度理工學院研制出了一款新型打印機，使得噴頭可以繞著XY軸旋轉，提高打印頭的靈活度，并且無需在懸空的設計里設置支撐結構。美國的Stratasys公司首次將磁懸浮技術應用在打印技術上，利用磁懸浮噴頭使得打印速度得到了巨大的提升。打印材料的局限性也局限了打印技術的發展，世界各國對于打印材料的研究也是投入了很多的時間和金錢。當然之其中也取得了很大的進展例如：水溶性材料的研發使得打印可以更簡單的進行后處理以及更廣闊領域的應用、金屬材料的研發也可以使得三維打印技術可以打印出具有導電性的聚合物。在普通打印材料的優化上也有很大的進步。1.4.2國內的發展現狀我國在三維打印方面的研究是從20世紀90年代開始的，最初的研究是在各大高校中進行的，主要的成果也是首先在高校的實驗室里完成的。在理論逐漸成熟之后，三維打印技術逐漸走出了實驗室走向了市場，在市場中逐漸成熟。隨著市場和技術的發展成熟，各公司也逐漸成長起來。幾十年來，各大公司和高校在三維打印技術的各個方面做出了巨大貢獻。在機械結構方面張冰等人將半導體制冷的技術進行研究然后將他融入到三維打印的溫控系統中，解決了打印件因為散熱不及時而走形產生的誤差；司國斌的團隊利用新型的功能管對進料系統進行改造，他的改造使得打印精度得到了大幅的提升；燕大的李江濱團隊對三維打印機的并聯機構的運動學進行了深入的研究，為以后設計出更加精確的三維打印機打下了堅實的基礎。在切片算法方面國內的專家們也做出了巨大的貢獻。李占利團隊在經過了多次實驗和比較后基于全新提出的算法快速排序和分層開發出了新的分層軟件，為我國的自主三維打印技術提供了軟件基礎，上交的王天明團隊通過多次實驗和實踐解決了成型過程中產生的零件的翹邊變形，減少了打印的誤差和變形，對以后的高精度打印具有一定的幫助。2FDM三維打印機機械結構設計2.1三維打印機結構選型設計目前市面上主流的三維打印機主要有兩種結構，一種是以Makerbot系列和Reprap系列為代表的笛卡爾型也叫XYZ型，另一種是以Kossel為代表的并聯臂型也叫三角洲型。2.1.1笛卡爾型Reprap系列Reprap系列的三維打印機擁有一個共同的特點，它的三個軸的運動原理及結構是這樣的，XY軸都是由皮帶輪和皮帶帶動，Y軸上連接打印平臺讓打印平臺主動延Y軸運動，X軸方向是連接在打印頭上沿X軸運動。Z軸則是由兩個絲杠帶動噴頭和X軸的整個動力系統上下移動。XYZ三軸運動都加入兩根光軸作為運動導軌，整體的結構和龍門型打印機一樣，所以他也有龍門型機械的缺點，比如他的X軸的打印范圍受龍門柱的限制。Makerbot系列MakerBot是一家來自美國的公司設計的主要系列產品。他的三個軸的運動原理和各個軸的原理，X軸與Y軸利用電機連接同步帶及其帶輪將動力傳給噴頭，利用精密的直線光軸導軌導向，形了成工字形結構，噴頭在XOY平面上做著復合運動；Z軸采用電機連接精密的滾珠絲杠來將動力傳給打印平臺，Z軸也是使用精密的直線光軸導軌導向，完成平臺的上下運動。2.1.2并聯臂型并聯臂型三維打印機在結構和原理上面與上面兩種打印機擁有本質上的不同。這種三維打印機是通過三根連桿將滑塊與噴頭相連接，將滑塊的直線運動轉化為噴頭在XOY平面上的掃描運動以及噴頭Z軸上的運動，從而將整個噴頭的運動控制下來。滑塊連桿的復合運動完成噴頭在同一平面內的所有位置的掃描打印，每完成一層的打印之后，三軸互相配合使噴頭向上提升一個層厚繼續下一層的打印，如此往復最終完成打印的整個過程。他擁有很明顯的優點點，并聯臂打印機的打印的體積更大、打印的速度更快。他的組裝十分簡便，它擁有精美的外形，和低廉的價格。但是同樣的它也擁有很多缺點，這款打印機占用的空間相對較大，平臺的尺寸不可能無限制放大縮小，這方面會受到連桿的長度限制，他的穩定性也因為連桿長度的關系變得比較差。2.1.3三種打印機的機械結構間的比較通過上述三種主流打印機的機械結構的講述，我們對三種打印機的結構優劣有了個很深如的了解，那么接下來我們就需要從幾個方面來分析比較這三種結構的優劣性，希望可以找到再適合這次設計的機械結構。打印體積由于我們本次設計的目的是設計出一款桌面型的三維打印機，他要面向的是普通的大眾消費群體，所以我們這款打印機的打印體積并不需要過大，以區別工業打印機的大成型空間，對于普通的消費者而言，過大的成型空間只會造成浪費，提高了打印成本。因此擁有一個合理的打印空間對于整體的設計和今后的使用都是很有必要的。三個軸的運動方式無論是笛卡爾型還是三角洲型三維打印機都是在電腦的控制下完成既定的路線來完成工件的打印，但在具體的運動表現上擁有很大的不同，這是他們三個軸結構不同所導致的。Makerbot系列和Reprap系列的打印機都是利用同步帶和帶輪完成XY軸的運動，然后再利用直線光軸進行導向，而三角洲型責任全部使用滑塊和連桿的組合來完成XY軸的掃描。后者的結構從客觀上來說相對簡單而且易于裝配，但后期的這種結構的調試難度會非常之巨大，稍有錯誤就必須要重新來開始調試，相較于前兩者而言，三角洲型的穩定性和他的打印精度也特別的差，因此最終的設計放棄以三角洲結構為最終的打印機結構設計。對比笛卡爾型打印機的兩種機械結構，其中Makerbot系列結構是采用將XY軸復合的傳動方式，由于噴頭的體積相對較小，在相同的打印體積下，大大減小了所使用的運動空間。打印精度上述三種打印結構的打印精度相差不大，而且打印精度不僅僅是機械結構造成的，他的產生有很多的影響因素，包括：打印時的溫度、打印層厚、打印速度以及文件的處理等都很大的程度上影響著打印精度和誤差。綜合上述方面的分析，我們最終選定Makerbot系列結構為我們打印機的最終結構，這種結構的打印體積，傳動方式，打印精度等方面均滿足我們設計的需求，符合設計需要。2.2運動結構的設計2.2.1三軸設計方案確定依照上文的選擇，選定Makerbot系列結構為我們打印機的最終結構。X軸與Y軸采用步進電機通過皮帶皮帶輪驅動，噴頭做XOY平面上的掃面復合運動，二Z軸完成平臺的上下運動，使打印機在滿足精度和穩定性的條件下更加精簡輕便、緊湊美觀。對于面向普通家庭辦公室等小型場所特別適用。整個設計需要設計的關鍵零件包括8根直線光軸導軌（XY軸各兩個，Z軸4個）、三組同步帶和帶輪（X軸一組，Y軸兩組）、兩根絲杠和聯軸器。噴頭固定在支架上，在直線導軌的導向下通過電機的轉動帶動皮帶運動完成XY軸向運動，與此同時，平臺整體安裝在一個固定架上，與地板垂直安裝有四根直線導軌以及兩根絲杠，固定架通過滑套連接在導軌上，通過螺母副連接在絲杠上，利用絲杠的轉動使平臺可以同步的上升或者下降，即完成Z軸向運動。2.2.2直線導軌的選型和設計由于選擇的是Makerbot系列結構，我們自然選擇直線光軸導軌，這種導軌擁有運行和定位精度高、運動阻力小、磨損小等特點，雖然相較于滾珠直線導軌來說光軸導軌的承載能力相對較弱，但是由于本次設計的也只是小型三維打印機本身重量也不重，不需要過大的承載能力。所以本次設計選取光軸直線導軌。依照成熟的打印機選型，并且為了降低成本消耗最終統一選定光軸的直徑為9mm,考慮最終的打印成型尺寸為310×220×220mm，所以選定的導軌長度分別為X軸600mm、Y軸400mm、Z軸350mm。2.2.2XY軸運動系統計算(1)電機的選型計算XY軸云感動的動力供給我選用步進電機，因為他有良好的跟隨性，轉速和負載無關只與驅動的脈沖信號的頻率有關，不會出現不穩定情況，提高打印的精度和工件的質量。計算電機的必要力矩，其中為電動機的負載力矩，C為安全系數取C=1.4。的計算：（2-1）式中D為同步帶輪節圓直徑為，m為負值重量取5kg，為帶輪的工作效率為0.98，i為減速比為1，所以計算得到的=4.6=0.46，所以電動機必要力矩T=0.46×1.4=0.64。查表選定86BYG250A型步進電機共三個，他的步距角為1.8°，靜扭矩為1.6，額定電流為4.5A，滿足使用要求。(2)同步帶帶長的計算綜合考慮選用GT圓弧齒同步帶，其節距p為2mm。同步輪選用GT鋁制同步輪，孔徑為8mm，其齒數Z選定為28。計算其同步輪節圓的直徑為：（2-2）為了保證電機轉動的安全，其轉速n必須在3r/s范圍之內，因此有必要計算所選的同步帶是否能滿足要求。一般打印機的打印速度V均值為50mm/s，換算成3m/min代入式（2.2）可計算出電機的轉速：（2-3）其電機轉速滿足使用要求。接下來計算同步帶的帶長L。由于上文估算的導軌長度為590×400mm，則可以估算出X軸的中心距為560mm，即Ax=560mm，Y軸的中心距為370mm,即Ay=370mm，同步帶總長度的計算為：（2-4）（2-5）（3）同步帶帶寬的計算（2-6）式中，Fu為周向力，即允許的拉伸載荷;P為齒面剪切強度，其值與同步帶齒型和轉速有關；Z為齒數;C為安全系數，輕載時C=1.4，中載時C=1.7，重載時C=2.0。由文獻可知圓周力的計算公式為：（2-7）式中，M為轉矩，D為同步輪的直徑。已知電機的轉矩為0.4N/m，式（2-2）計算得出的節圓直徑為18mm，可得出圓周力Fu約為56.59kN。查文獻該同步輪的齒面剪切強度為74.78N/cm，因為打印機運行屬于低載荷狀況，故其安全系數C選擇1.4，齒數Z為28，以上參數代入式（2-6）可計算得出帶寬d≈3.82mm，因此帶寬選取值為d=4.5mm。同步帶受力分析由上述的計算可以確定電機的功率：（2-8）式中n為電機的轉速（2-3）式以求得為0.058r/s即3.48r/min，式中T為電動機額定功率為1.6，代入上式求得電動機的功率為0.00058kW即0.58W。張緊力的計算：設為同步帶傳動時帶的張緊力，、、F分別為帶傳動時帶的緊邊拉力和松邊拉力以及有效拉力。緊邊拉力的增加量等于松邊拉力的減少量，即-=-或+=2、=0.5（+）（2-9）壓軸力的計算：壓軸力就是同步帶作用在軸上的力是緊邊拉力和松邊拉力的矢量和，壓軸力的計算如下：Q=(+)(2-10)式中的為矢量相加修正系數，由于兩同步輪的直徑完全相等，所以為1，式中緊邊拉力和松邊拉力由下式計算：（2-11）（2-12）式中為設計功率=P，為工況系數，查表取得1.2，P為額定功率由式（2-8）求得0.00058kW。整合（2-10）、（2-11）、（2-12）得到壓軸力：(2-13)（5）軸承的選型校核由于本次設計的同步帶輪的固定軸承主要承載的是徑向力，所以選用角接觸球軸承來作為同步帶輪的固定軸承。圖2-1軸承受力分布Fig2-1bearingstressdistribution初選軸承為GB/T292-94得7000C型號得角接觸球軸承，他的尺寸為D=14mm，d=6mm,B=4mm,C=5.3kN,=2.45kN,α=15°。上文計算得到軸所承受的外力只有一個軸向力為21N。根據圖2-1的受力分析得出軸承的軸向負載A=2.7N,徑向負載R=10N。因為A/=0.001,查表得到的插值可以確定為e=0.38。由A/R=0.27<e=0.38,所以X=1,Y=0。因為傳動無沖擊和震顫故=1，常溫下工作所以=1，軸承無力矩載荷故=1，可以算出軸承需哦承受的負載力矩為：=10N（2-14）由此可以計算軸承的使用壽命：（2-15）式中P=10N，C=5.3kN，=1，=3，n=3.48r/min。代入式(2-15)就可以得出L=7.13×h。經計算，軸承的使用年限幾乎為無限，絕對滿足使用的需求。2.2.3Z軸驅動系統的選擇與計算（1）系統的結構組成的選擇絲杠是可以將直線運動轉化為螺旋運動或者將螺旋運動轉化為直線運動的理想結構，符合設計需要所以在此Z軸的動力傳動需要應用到絲杠結構。目前絲杠分為兩大種類滾珠絲杠和梯形絲杠，他們是根據結構特點的不同來區分的。他們主要區別和不同如下表所示表2-1絲杠的區別Tab2-1Thedifferencebetweenthescrewandthescrew區別梯形絲杠滾珠絲杠結構結構簡單，主要是由螺桿和螺母組成。結構復雜，由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器、防塵器組成。原理依靠螺母與絲杠之間的油膜產生相對滑動完成直線運動。被動工件與螺母相連，螺母將絲杠旋轉運動轉化成直線運動，從而實現被動工件的直線運動。特點成本低、安裝簡單、結構不復雜、維修較為方便，但摩擦系數較大、精度達不到較高標準。摩擦系數小、動態響應快、易于控制、精度高。但也有價格較高、安裝要求高、維修成本高等特點。為了保證打印機的精度，決定選用精度相對較高的滾珠絲杠結構，用彈性聯軸器將滾珠絲杠與電機相連。對于電機的選擇，由于本次設計的方向是為了設計一款民用的小型三維打印機，所以為了經濟考慮選擇步進電機，而且步進電機的精度和控制也都滿足打印機的使用需求。（2）絲杠的尺寸計算由于Z軸的成型尺寸為220mm，外加絲杠螺母長度以及機械結構的設計，所以絲杠的總長度選定為300mm，其中螺紋段長度為285mm。絲杠半徑的計算如下式（2-16）為絲杠的靜摩擦力,L為絲杠長度300mm，為絲杠允許的最大軸向變形量，≤（1/4～1/5）定位精度=（1～1.25），選取=。整體帶入得到d=6.7mm。綜合上列計算我們選擇的絲杠的尺寸為長度300mm，直徑9mm，導程由于Z軸的位移較小選擇1mm的即可。電機的選擇計算本次設計的Z軸動力輸出選擇為步進電機。計算電機的必要力矩，其中為電動機的負載力矩，C為安全系數取C=1.4。的計算：（2-17）式中m取10kg,為絲杠的螺距為0.4cm，工作效率取0.9，i為減速比為1，所以計算得到的=1.41kgfm=0.141。所以電動機必要力矩T=0.141×1.4=0.2。可以選用XY軸的的步進電機86BYG250A型步進電機，他的步距角為1.8°，靜扭矩為1.6，額定電流為4.5A，滿足使用要求，選用一樣的步進電機可以降低制作成本和維護成本。2.3噴嘴送絲結構設計2.3.1擠出機構的選定現有兩種基礎機構是現如今的主流方式，分別為螺旋式擠出機構和柱塞式擠出機構，他們根據擠出方式的不同相互區分，他們的優缺點如下表2-1所示。表2-2兩種機構對比Tab2-2comparisonbetweenthetwoinstitutions擠出類型有點缺點柱塞式擠出機構結構相對簡單，可以有效地減輕基礎結構的重量，隔熱簡單。用以造成堵塞螺旋式擠出機構出絲十分穩定，可以擁有較高的打印速度。結構較大，會增大噴頭質量，影響打印速度。通過對比，我們不難發現柱塞式基礎結構的體積相對較小，可以滿足本次設計的需要，所以本次設計我們將采用柱塞式的基礎結構。柱塞式機構里面包括散熱風扇、散熱片、加熱模塊、噴嘴以及主要的送絲結構。它的原理就是先將腔內的固體絲材加熱為熔融裝，在利用未融化的固體絲材作為柱塞向下擠出，使得熔融裝的絲材通過噴嘴擠出，我們本次設計的動力源是步進電機，然后利用摩擦力將步進電機的動力傳送給絲材完成進給。2.3.3噴嘴的結構設計打印的主要材料為ABS、PLA等絲狀塑料材料，當前市場上主流的打印絲為1.75mm所以噴嘴的直管段的直徑為φ1.75mm,漸變段的倒角為60度以確保證熔融的打印絲可以順利通過噴口，而噴口位置尺寸為φ0.3×0.5mm。關于外徑尺寸通過成熟的實驗研究得出，加熱腔內徑保持恒定的情況下，外部直徑尺寸越大的加熱腔噴嘴，絲材在內部的融化時間越長，融化段的長度越短。但是，加熱腔噴嘴直徑太小會導致加熱腔內壁與絲材的表面接觸部分的區域過小，這樣制造出來的加熱腔壁面結構過薄，在給絲材提供熱量時會不充足。最后選定噴頭外徑6mm。最終的噴嘴設計如下：圖2-2噴嘴結構圖Fig2-2Nozzlestructuredrawing2.3.2送絲機構的設計由于選用的是柱塞式擠出機構，利用摩擦輪來給絲材提供動力，一側為主動輪連接步進電機，另一次為從動輪，他們共同提供摩擦力從而使絲材前進完成送絲過程，如下圖：圖2-3摩擦輪送絲機構Fig2-3Frictionwheelwirefeedingmechanism為了保證打印質量，送絲機構需要提供足夠大且足夠穩定的驅動力，所以要考慮影響送絲驅動力的幾個方面，例如絲材不均勻性對驅動輪驅動力的影響、噴頭流道的阻力對打印精度的影響以及電機帶載能力對驅動力的影響。絲材的粗細的不均勻影響摩擦輪和絲材的摩擦，影響電動機功率的傳遞，所以絲材的選擇對產品的精度有非常大的影響。噴頭的流道阻力的影響問題是因為絲材都是低熔點的材料，它具有一定的粘度影響了進料的速度，熔體在流道內部的阻力主要取決于兩個方面，高聚物熔體本身的流變性質和噴頭內部流道的尺寸。電動機的輸出功率對于送絲能力的影響也是巨大的，步進電機的動力越大，送絲的驅動力也是越大，但送絲機構所需的驅動力應該小于不僅帶年紀的驅動力。所需的送絲驅動力和管徑結構有關，熔融段管道的結構如下：圖2-4熔融段結構圖Fig2-4Meltingsectionstructurediagram絲材所需的驅動力的計算公式如下：（2-18）其中=1.75mm，=0.3,=14mm,=1.26mm,=0.5mm。由于打印材料為非牛頓流體，所以n=。直徑系數=6,系數=200，他的進絲速度可以用出絲速度求，出絲速度就是他的打印速度為50mm/s,所以供絲速度可以計算為：V=50×=1.47mm/s（2-19）這些數據帶入（2-18）得出所需的驅動力為F=94.66N。摩擦輪的直徑設為4mm,則供能所需的步進電機的最小扭矩為0.2,而XYZ軸驅動的步進電機的扭矩為1.6，完全符合要求，為了降低成本和更換方便，我們也選用86BYG250A型步進電機。至此共應用了6個步進電機，為了經濟和方便考慮我們全都選用86BYG250A型步步進電機，經計算這款步進電機的參數也完全符合設計要求。2.4加熱散熱結構設計2.4.1加熱系統的結構設計加熱系統的設計和選擇主要包括加熱棒的選擇和加熱塊的設計。經過文獻的查詢我們知道，PLA材料的熔融溫度Q=190℃-220℃之間；ABS材料在200℃-240℃之間。所以我們的加熱系統只有能力將絲材加熱到210℃即可，而市場上的單頭加熱棒主要有兩種，一種高功率的加熱棒一般在12-25W/，而另一種功率稍低一些的功率為5-11W/,因為溫度只需要210℃，所以小功率的單頭加熱棒就已經滿足要求了。確定完加熱棒了，加熱快的選擇也是很關鍵的。在所有的金屬中金銀的導熱性是最好的但成本過高，而銅的導熱性僅次于金銀，但是他的硬度較高，不易于加工故不做選擇。而鋁和他的合金硬度和成本都很低，而且他們還都有很高的導熱性，因此選擇銅或者銅合金作為加熱快的材料。下表給出了銅及其合金的導熱性參數：=3\*ROMANIII表2-3鋁及其合金導熱性系數Tab2-3Thermalconductivityofaluminumanditsalloys合金材料銅含量導熱系數硬鋁4.5％Cu177鑄鋁4.5％Cu1631070鋁合金--2261050鋁合金--2096063鋁合金--2016061鋁合金--155由傳熱學理論可知，比熱容與質量成反比，因此選擇大比熱容的材料可以減輕鋁塊質量進而減輕整個噴頭的質量，噴頭更輕可以讓噴頭的運動更加輕松。根據上表所展示的，我們選擇1070鋁合金會更好一些，查閱設計手冊可知1070鋁合金的密度為2.81×10kg/m，為了方便加工，加熱快的外形設計為20mm×20mm×10mm,總體積為4×10mm,此部分的重量為11.24克。2.4.2散熱片的結構設計加熱系統設計完畢，但是當噴頭加熱的溫度過高時，溫度會沿著絲材傳導到噴頭尾部，從而使摩擦輪位置的絲材提前如軟化，這樣一來送絲機構將會缺失了動力，沒辦法繼續有效的送絲，所以在加熱系統的后面加一個散熱系統是很有必要的。風扇和散熱片同樣具有散熱功能，然而風扇的增加會使打印噴頭的整體重量上升，從而降低噴頭的靈活性。所以最終我們選用散熱片為我們的散熱系統。散熱片的主要參數有橫向半徑R，散熱片厚度D，相鄰散熱片間的空氣層厚度d,散熱片個數A，散熱片單側外伸寬度L，以及散熱片的材料。根據設計的需要，我們將橫向半徑設為R=8mm。根據已有的較權威的文獻我們可以知道，隨著散熱片的片數A增多，散熱片的體積會增大，散熱后的溫度會減少，根據我們打印的需要選擇A=6即可。隨著散熱片的厚度增加，散熱片的體積會增大，散熱后的溫度會減少，根據需求選擇散熱片的厚度D=1mm，隨著散熱片間空氣層厚度的增加，散熱片的體積會增大，散熱后的溫度會減少，根據需求選擇散熱片間距d=1.5mm，隨著散熱片單側外伸寬度的增加，散熱片的體積會逐漸減少，然后會逐漸增大，溫度也是如此變化，根據需求選擇單側外審寬度L=5mm。最終形成的散熱片結構圖如下：圖2-5散熱片結構圖Fig2-5Meltingsectionstructurediagram3控制系統的研究設計3.1控制系統的總體設計為了實現三維打印機的正常打印功能，僅僅依靠打印機的機械結構是不夠的，我們好需要設計出控制系統來統籌整個打印機。而作為整個打印機的核心，系統的設計至關重要，本次設計主要設計的是針對伺服控制系統和溫度系統控制的設計,伺服控制系統控制動力，溫控系統控制溫度。三維打印機的正常工作流程如下圖3-1，打印之前需要對三維模型的軟件進行切片處理，當然是應用切片軟件來進行，而不是精湛的刀工，切片后產生打印過程中的溫度、速度、層厚和支撐等多樣重要數據。然后啟動設備各單元進入初始化，而后溫度控制單元需要進行預熱，使溫度達標以便之后的打印過程。溫度達標之后，運動系統在控制系統的指揮下發生三周的位移，逐層完成打印動作最終完成產品的打印。在接到結束的命令后各軸回到零點整個系統結束，打印完成。圖3-1工作流程圖Fig3-1Workflowdiagram3.2伺服控制系統的設計3.2.1步進電機及其工作原理步進電機是為整個機械系統提供動力的機械元件。它可以使位置控制，速度控制變得更加精確。步進電機是將電信號轉化為扭矩和轉速，所以控制輸出電信號給步進電機就可以控制步進電機的運轉。比較元件速度或者位置他主要靠脈沖信號來進行伺服，電機每接受一個脈沖信號電機的轉子便會轉動一個相應的角度，以此來提供動力，而步進電機每轉東一個角度也會釋放一個信號，這樣系統釋放了多少個信號，而又收回了多少信號，一對比出差值就可以精確的判斷步進電機的運轉是否精確，然后系統輸出的信號就向差值減少的方向調整，最終將誤差降到最低。伺服控制系統的控制方塊圖如下圖3-2。比較元件速度或者位置步進電機控制器給定信號步進電機控制器給定信號反饋的脈沖信號反饋的脈沖信號圖3-2伺服控制系統方塊圖Fig3-2Blockdiagramofservocontrolsystem3.2.2步進電機的計算步進電機在工作的時候具有輕微的噪音和震動，這些會降低成品的質量和精度，我們可以通過減小步距角的方式來降低震動，在系統設置中我們將驅動設置為十六分之一，步進電機本身的步距角為1.8°。因此每旋轉一周所需要的沒充個數為：360÷1.8=200，經過系統的細分后步進電機的步距角為：1.8°÷16=0.1125°。因此玄珠那一周所需要的脈沖個數為200×16=3200個。雖然所有的電機的選擇都是同一款步進電機，但是每個部位的運轉速度都不盡相同。其中XY軸的三個步進電機需要的速度為0.058r/s，所以需要的脈沖頻率為0.058×3200=185.6Hz。而Z軸的步進電機需要的是每次轉動的旋轉周數，Z軸絲杠的導程為1mm,而我們需要的沒次轉動需要的位移為0.2mm，所以每次位移的步進電機所釋放的脈沖個數為3200÷1×0.3=960個。而噴頭部分的步進電機經過直徑為4mm摩擦輪將動力傳給絲材，所以這個步進電機的轉速為:n=1.47mm/s÷4mm/r=0.117r/s.則系統需要給這個步進電機的脈沖信號頻率為0.117r/s×3200=374Hz。3.3溫度控制單元的選型設計溫度控制系統的是一個很典型的閉環控制系統，由主控系統向控制系統輸入一個給定的信號，然后經過放大器等調節器將預定電壓輸入供熱單元中，系統由供熱單元向噴頭系統供給熱量，然后測溫單元測定噴頭處溫度將信息反饋給比較元件，比較元件經比較后將信號向溫差減小方向調整，最終將溫度控制在最初設定的溫度。3.3.1溫控單元的選型在之前的噴頭設計中我們已經選擇了低功率的單頭加熱棒它由熱電阻絲、絕緣子、引出棒、填充材料、金屬保護套等幾部分組成，他的加熱功率為5~11W/。加熱快選用了1070鋁合金來制作，他的導熱系數為226，最終制作出了20mm×20mm×10mm的加熱快，用來將加熱棒釋放的熱量傳遞到噴嘴內的絲材內，將材料變成熔融狀態，使材料可以以特定的形狀從噴嘴中擠出。供熱單元需要將絲材的溫度提升到210℃，因為絲材的選擇就是材料為ABS、PLA等絲狀塑料材料，他們所需要的熔融溫度在210攝氏度左右。對噴頭的的加熱由許多，例如外界因素、噴嘴移動速度以及因為高溫引起的絲材的相變等等，這些都有可能對噴頭溫度具有影響。所以為了使溫度在預定的范圍內，一個良好的溫控系統是至關重要的。溫度測控單元的作用主要就是輔助測定噴頭的溫度，然后調節溫度使他維持在而定的溫度范圍內。溫度測控單元的主要組成包括用來測溫的熱敏電阻以及紙板上的測溫模塊。將熱敏電阻固定在噴頭上，熱敏電阻的阻值會隨著溫度的變化而變化，進而引起所在電路電勢的改變，而系統測得電勢的大小進而就得到了噴頭處溫度的大小。熱敏電阻最終選用型號為EPCOS型，他25攝氏度時的標準阻值為100k,他的測控溫度的范圍在-40℃—300℃，他的誤差在百分之±1以內。完全符合設計的需求。4打印機部分關鍵零件的有限元分析打印機本身承載著各種電機、導軌等結構，很容易產生形變，而三維打印技術最重要的就是精度，這些形變就會使精度降低從而影響整個打印機的質量。所以需要對各軸進行靜力學分析，以判斷各軸是否符合設計要求。4.1XY軸導軌的靜力學分析XY軸上添加負載，方向向下，大小應該為噴頭、擠出機構、光軸以及固定支架的重量，大小約為15N。為了使研究方便將這個力加在送絲機構的固定板上，導軌的材料為45號鋼，導軌固定板和噴頭固定架的材料為HT200，將這些材料的屬性參數輸入，最終得到的位移云圖如下：圖4-1XY軸位移云圖Fig4-1XY-axisdisplacementcloudpicture從整體的位移云圖可以看出，應力最大位置為擠出機構的位置，而位移變化最大的位置是兩X光軸導軌與導套的接觸位置，他的位移變化不大，不影響整體的打印設計，符合設計要求。4.2Z軸導軌的靜力學分析Z軸的負載也是各部件的重力方向向下，主