多噴頭自動切換式3d打印機機構設計緒論研究背景與意義在3D打印出現之前，很多零件的加工完全是靠機床通過毛胚的“減法”來實現，而3D打印出現之后，就多了一種新型加工方式，通過“加法”從零到有的過程實現零件的加工。如今很多工廠靠著3D打印和傳統的加工方法相結合來提高工作效率和減少制造成本。3D打印可以制造出很多不規則造型，傳統制造工藝上一些加工區域無法到達的地方，3D打印可以替其實現。3D打印可以打印金屬也能夠打印塑料，硅膠等材料，范圍很廣，因此其涉及的領域也相對更廣，例如醫學、教育、食品等。而此技術的普及對很多行業都有著不同程度的技術革新。醫學上醫生為患者提供精度更高的牙齒或者骨骼，尺寸形狀都可定制，讓每個患者都能更快地適應人造骨骼或牙齒。在學習上，學生有著很多天馬行空的創想，3D打印可以使他們更好地從構想到現實，而且可以使用更少的成本與時間。在食品上，我們可以打印很多像蛋糕餅干的模具，可以定制更多不同圖案的模具，甚至世界上已經出現一種添加食物原材料然后直接打印出相應的食品的3D打印技術。在企業里我們可以利用3D打印技術展示自己構想或者想驗證自己的設計的可行性，縮短設計周期。多噴頭打印機的應用：部分零件在打印需要較多的支撐，常規的打印機只能使用一種材料打印，但是多噴頭打印機可以用一個噴頭打印水溶性支撐，另外一個噴頭打印主體，使得后期處理的時候更加方便。多噴頭打印機在一次打印中實現零件的不同部位不同顏色，避免了后期再組裝的麻煩。生活中許多產品，如肖像、珠寶工藝品都希望通過彩色打印直接形成，因此多噴頭打印機具有一定的發展前景。但是現有普遍3d打印機打印出來的產品大多只是單一材料單一顏色，而多噴頭的3d打印機更多的只是工業級別的，昂貴的價格和體積巨大對于普通用戶和創客十分不友好。現階段的多噴頭打印機的解決方案比較常見的是將其集成在一個噴頭上，但這會導致噴頭質量過重，影響打印精度，速度也有影響。而且在不同材料的混合中往往伴隨著堵頭和出料不暢等問題。還有利用額外打印廢料柱來解決出料問題的，但用料卻是兩倍多，導致浪費。多噴頭打印機可以實現多材料打印與多色打印，分體式噴頭設計使得打印過程中不必拖著沉重的噴頭移動，使得打印速度和打印精度得以提高。無須打印多余的廢料柱，節約原料。不同材料的一體成型，使得一個零件里面，不同部位采用不同材料以達到實用需求。在一些復雜模型中，我們往往需要大量的支撐，使用不同材料來打印支撐，后期處理支撐的時候更加輕松的拆除，避免了模型損壞。該款打印機的零件采用標準設計，使得零件容易購買精度也有一定的保證。桌面級的多噴頭打印機具有，成本低，體積較小，節省用料等的優點。普通用戶也可以領略到多噴頭打印的魅力。國內外研究現狀在國外，3D打印機在公司和家庭甚至與科技極客里面已經很普及了，主要用于樣品評估、早教產品、科技創造。并且3D打印機的形態已經有各種各樣的變化與創新，網絡上也有很多科技博主的Diy教程，可以說是進一步地加快3D打印的普及。其次,在打印設備方面，FDM打印技術經歷了近30年的發展，技術逐漸成熟,打印設備不斷完善，目前，有關打印設備的研究主要集中在降低設備成本，提高打印精度和效率方面，采用FDM技術的3D打印設備價格由幾千元到幾十萬元不等，而價格與打印精度和效率成正比,只有在保證精度和效率的情況下降低成本，才能被更多人所接受[1]另外,為解決某些打印產品支撐材料去除困難甚至無法去除這一問題,使用了具有水溶性的材料,例如已經投入使用的聚乙烯醇(PVA)和試驗階段的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及聚氧化乙烯(PEO)等[2]在國內，雖然國內3D打印機普及程度沒有國外高，但是大多數3D打印機的配件都產自國內，而且十分容易購買，所以給我們Diy的空間是非常大的。國內也逐漸有很多3D打印機廠商開始崛起，也打開了國外市場。設計內容和思路設計一個分體式噴頭式的多色3d打印機，具有體積小，成本低等特點。采用分體式噴頭的設計，使得噴頭的質量降低，使用普通的步進電機即可驅動噴頭，使得成本降低。更換噴頭時的定位設計，使用定位銷與通孔圓柱來定位，使其具有自動修正位置的功能，降低了更換噴頭后的誤差。Xyz軸采用模塊化設計，采用標準零件，容易購買，精度有保證。基于已有的3d打印機基本架構進行設計于改造。該多色打印機由噴頭切換裝置實現不同材料與不同顏色的自由切換，使得成品更具有實用價值和觀賞性。利用G代碼對機器進行控制。再軟件中設計工件的某一部分使用某一噴頭即可實現統一工件不同部位不同材料或顏色。再切換噴頭的過程中，原噴頭移動到相應位置，舵機將鎖定機構松開，噴頭被移至對應的倉內，，接著移到相應的倉位利用同樣的原理換取所需的噴頭。總體方案設計2.1成型方式對比與選擇在如今的3D打印領域里，存在著以下這幾種的主流成型方式：SLA激光光固化(StereolithographyApparatus)該技術以光敏樹脂為原料，新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復直到整個零件原型制造完畢。但是運作成本較高，后期處理工序多FDM熔融沉積成型(FusedDepositionModeling)擠出機擠出一定量的耗材，經過高溫的打印頭時變成熔融狀態，再進行層層堆疊最后形成一個完整的模型。FDM成型時間比較長，成型精度相對較低，但是材料便宜易購買，是比較適合個人diy的成型方式。SLS造擇性激光粉末燒結(Se1ectedLaserSintering)該成型方式采用CO2激光器坐能源，對各種粉末材料進行一層一層地燒結，最后形成模型，但是后續需要打磨和烘干等處理方法。3DP三維打印成型(3DimensionPrinter)熱爆式三維打印工藝的原理是將粉末由儲存桶送出一定分量，再以滾筒將送出之粉末在加工平臺上鋪上一層很薄的原料，打印頭會噴出一定量的粘結劑，尤其反復一層層地粘結形成模型。精度與光潔度較低。綜上所述對比各種成型方式我們選用FDM成型方式，FDM熔融沉積成型材料環保，價格較便宜易購買，打印機的結構設計資料較多。其他的成型方式現階段大多適用與工業級，材料難購買，后處理需要有一定的條件，對于桌面式打印機和家庭用戶來說是不友好的。2.2打印機結構方案分析與確定由表2-1可知根據不同結構可將FDM打印機分為五類：i3、并聯臂、UM、MB、CoreXY五種結構。圖2-1Prusai33D打印機如圖2-1，Prusai3打印機是國外一知名3D打印機品牌在最原始的I3結構打印機上進行了改裝，使其更加容易安裝與穩定。這種機型結構非常簡單，而且開源，采用的零部件都是容易找到的，所以價錢不貴，可以說是最便宜的3D打印機了，非常適合個人用戶DIY。圖2-2三角洲3D打印機如圖2-2，三角洲打印機的工作原理與普通的機器手類似，就是把機器手部分換成了打印頭，這種結構也相對較容易，尺寸也可以做得很大，由于他是三軸聯動的，所以只要有一軸校準不好都會導致打印失敗。圖2-3Ultimaker3D打印機如圖2-3，Ultimaker3D打印機出自荷蘭著名3D打印機制造商，是目前世界上最先進的桌面級3D打印機之一，結構牢固，外形美觀，提高了空間的利用率和打印精度，但是也提高了成本和組裝難度。該打印機創新使用了6光軸來進行XY軸的傳動，但是其中的四根光軸既負責傳動也負責導向，所以在一定程度上減少了相應零件的壽命。圖2-4Makerbot3D打印機如圖2-4，MakerBot是美國3D打印巨頭，采用了其推出的Makerbot打印機結構因為其結構的穩定性與承載能力強，也是較早地裝配上了雙打印頭，其中也采用了六根光軸，其中四根光軸只負責導向，其余兩根只負責傳動，分工明確，零件的可靠性較高。圖2-5BLV3D打印機如圖2-5此款BLV打印機是根據CoreXY結構進行改造而來，Corexy結構用兩個電機帶動兩根皮帶傳動，該結構在運轉的時候是兩個電機相互作用，使得打印頭產生位移，該結構對皮帶的要求較高，多采用直線導軌來進行導向，組裝不好的話，打印模型會出現直角不直，圓形變弧形的現象。幾種打印機的優缺點見表2-1表2-1五種FDM打印機優缺點對比結構名稱優點缺點i3I3結構又稱為龍門結構，是最經典的3d打印機結構，也是FDM3D打印機開源鼻祖。結構簡單，成本較低。框架不穩定，打印速度慢并聯臂并聯臂3D打印機結構又叫三角洲，DELTA機器，這種結構早期研發用于抓取物體，廣泛運用在機器手、機器人等現代工業。打印高度大，占地面積小，速度快。精度較低，校準難UMUM結構主要體現在打印頭上面，采用十字軸結構。打印頭質量輕，空間利用率高，打印速度與精度較穩定。六根光軸組成，裝配維修難，成本較高MBMB3D打印機結構主要體現在擠出電機在噴頭旁，雙光軸承載噴頭與擠出電機，Y方向上帶著電機一起運動,近程擠出可以打印更多類型的材料。結構笨重，打印速度慢不穩定CoreXYCoreXY最特別的地方就是XY電機協同運作，根據同步帶輪的擺放位置同步帶有多種不一樣的纏繞方法,雙電機協同工作，扭矩大，有利于提升精度，速度也較快，組裝空間利用率高。所需的同步輪與軸承較多對比上述5種3D打印機的優缺點，最終選用第五種CoreXY結構，采用步進電機作為動力，XY軸選用精度較高的直線導軌，同步輪與同步帶傳動。即可保證精度的同時，速度也有一定的保證，空間利用率高，維修方便。2.33D打印機系統組成及工作原理基于FDM工藝的3D打印機主要分為機械系統與控制系統兩部分組成。如圖2-6為該3D打印機的整機系統簡圖圖2-63D打印機整機系統基于FDM技術3D打印機主要包括工作平臺、送絲機構、擠出機構、伺服系統和控制系統等。FDM技術成型過程的本質過程是將絲材料進行加熱，變成熔融態后再擠出實現工件的層層粘接最終形成完整的工件，成型過程主要包括：設計三維實體建立模型、CAD模型的近似處理、后處理等幾個步驟[3]多噴頭3D打印機由傳統的3D打印機上面進行改造，增加了噴頭切換裝置，目的是讓噴頭能與軌道結合，實現切換噴頭的目的，運作時，軌道移動到噴頭的位置，噴頭切換裝置與軌道結合實現再進行打印工作，當需要更換耗材的時候，軌道移動到一側噴頭切換裝置脫離噴頭與軌道的結合，再去結合另一個噴頭進行打印工作，如圖2-7所示為多噴頭打印機的工作原理簡圖。圖2-7工作原理簡圖2.4框架材料選擇目前市場上用作3D打印機框架主要有鈑金鋼板、亞克力、鋁型材三種材料。鋼板的重量較重，成本也比較高；亞克力承載能力比較差，容易形變；鋁型材重量輕，材質穩定，購買方便，但因為鋁型材與鋁型材之間裝配存在一定難度，因此選用鋁型材與鋁板作為框架的材料，鋁板上開好孔，再用螺柱連接上鋁型材，具體裝配示意圖如圖2-8所示圖2-8框架裝配圖根據要求需要在鋁型材頭尾兩端位置攻上螺紋孔，鋁板也需在相應的位置開好孔，上下兩塊鋁板用鋁型材與螺絲連接。2.5本章小結本章通過對現有的3D打印成型方式與3D打印機結構進行對比與選擇，分析了其中的優缺點，，根據實際需求與限制，我們最終選用FDM成型方式和COREXY的3D打印機結構。根據結構我們大概確定了框架設計與多頭打印機構的設計思路。多噴頭機構設計3.1多噴頭機構設計3.1.1多噴頭機構設計方案選擇1.集成式多噴頭將多個或者兩個噴頭集成在一起，如圖3-1所示為市面上一種常見的集成式多噴頭的打印頭組裝圖。但由于打印噴頭的物理運動，打印噴頭會表現出不同的行為特征：通過一條打印路徑的過程中可能會產生缺陷，這通常是由于當一個顏色的打印頭進入打印狀態時，另一個打印頭進入閑置狀態，但閑置狀態的打印頭經常發生絲材滲漏現象，當其越過打印件的上方時便會產生顏色污染，因此我們從打印路徑著手，通過為打印過程規劃更合理的路徑從而使閑置打印頭的運動路徑避過打印件。[4]現實中的打印效果如圖3-2所示，箭頭所指既是被污染區域。這樣的集成式打印頭由于把打印頭都集中在一起，這會導致加重運動系統的負擔，而且打印頭也有一定數量的控制，模型也有較大的機會被污染，導致打印失敗，加大打印成本。圖3-1集成式多噴頭機構圖3-2集成式多噴頭實際打印效果（箭頭所指為被污染區域）2.多進單出噴頭既是單個噴頭中擁有多個進料口，如圖3-3所示。這種噴頭也可以打出多彩的效果，但需要多個擠出機。當指令給到對應擠出機，開始送料給噴頭，新舊料會有一個匯合的過程，這個過程中可能出現缺料，串料，堵頭等情況，所以需要一個換料的步驟，所以為了解決這種情況，此類打印機在切換材料的時候會多打印一條換料柱，這會導致一定的材料浪費。如圖3-4所示。圖3-3多進單出噴頭機構圖3-4多進單出噴頭需打印換料柱（箭頭所指為換料柱）分體式多噴頭設計講多個噴頭模塊單獨分開放置，不同噴頭模塊負責打印不同的材料或者不同顏色的耗材，需要打印相應材料的時候取對應的噴頭，因為每個都是單獨工作，互不影響，這種結構有利于解決集成式多噴頭不同噴頭相互影響工作的問題，也可以很好地控制打印頭的重量，提高打印精度。能做到普通單噴頭的完美打印效果。3.1.2多噴頭機構設計分體式噴頭需要解決以下問題：定位問題：采用圓柱銷與圓孔的配合來實現定位切換問題，采用步進電機帶動圓柱銷來實現對應模塊的鎖定如圖3-5所示為分體式噴頭機構設計圖3-5分體式噴頭切換機構支撐座2.轉接板A3.圓柱銷4.打印頭5.加熱鋁塊散熱風扇7.噴頭連接座8.聯軸器9.轉接板B轉接板C11.28BYJ-48-5V步進電機12.通孔圓柱支撐座負責在B模塊空閑時將模塊固定在機架上；轉接板A、B、C負責A模塊與B模塊的連接與定位；圓柱銷通過螺紋連接固定在轉接板A上，與A模塊上的“12”圓柱孔配合實現定位功能；打印頭負責將耗材均勻擠出；加熱鋁塊負責將耗材加熱融化，從而便于擠出；散熱風扇連接在散熱鋁片上，使得噴頭上半部分溫度不會太高，有利于耗材可以準確擠出相應的體積與長度；噴頭連接座負責連接噴頭與支撐座；聯軸器連接在“11”28BYJ-48-5V步進電機上負責A模塊與B模塊的鎖定；工作原理詳解：共有4個B模塊（B1、B2、B3、B4）放置在3D打印機的機架上，支撐座上固定有有一塊磁石與兩個圓柱通孔，其作用就是用于機架與支撐座的連接，從而使得在B模塊不需要用的時候能固定在機架上，需要用的時候可以順利取出。A模塊固定在打印機的滑軌上，當有指令的時候，A模塊在同步帶的帶動下運動到相應的B模塊前，A模塊緩緩靠近B模塊，“3”圓柱銷與“12”的圓柱孔接合，兩者接合完后，“11”28BYJ-48-5V步進電機旋轉帶動“8”聯軸器，聯軸器上的圓柱銷旋轉到一定角度時，A模塊與B模塊鎖定，然后A模塊帶動B模塊離開倉位實行打印任務。3.2噴頭切換機構排布噴頭機構的布局影響著噴頭的數量與切換噴頭的難易程度與路線規劃。因此，從靈活性以及程序簡潔性的角度進行考慮，采用一字型排布有利于空間的利用，也可以對不同模塊的區域進行區分，如圖3-6所示為噴頭模塊的布局。圖3-6噴頭模塊的排布3.3本章小結本章對現有的3D打印機多噴頭設計方案與打印效果進行對比，制定了多噴頭的設計方案，采用導向銷與分體式噴頭進行噴頭切換的設計，對機構運行思路進行了描述。并針對換頭路徑的簡化對噴頭切換裝置進行了機構排布。傳動機構設計4.1傳動機構運動方式對比選擇方案一：光軸+直線軸承+同步帶傳動如圖4-1所示，X軸方向有兩根直線光軸，Y軸左右兩邊各一根，光軸上裝有直線軸承連接著XY兩軸，使得其可以聯動。左右兩邊的步進電機連接著同步輪，當兩個步進電機運轉時同步輪帶動同步帶從而使打印頭產生平面運動。但是這種結構也有一定的缺點就是空間利用率不高，并不適合我們多噴頭模塊的布局，且多噴頭模塊具有一定的重量。圖4-1光軸+直線軸承傳動方案二：直線導軌+滑塊+同步帶傳動如圖4-2所示，由于模塊具有一定重量，承受相對較大得負載，所以我們對XY軸進行了一定的改進，采用直線導軌進行傳動，代替上面的直線軸承與光軸。同時，直線導軌具有更高的運動精度與定位精度。直線導軌也具有滑動阻力小因此我們選擇方案二進行設計。作為精密傳動部件，承載能力大、導向精度高、剛度高、耐磨性能好、調速范圍寬，滾動摩擦系數為0.002～0.003mm，避免了爬行現象，脂潤滑。直線滾動導軌的承載元件及運動傳遞元件既有用滾珠的，也有用滾柱[6] 同步帶傳動的原理是通過步進電機帶動同步齒輪進行轉動，同步齒輪將力傳遞給同步皮帶，從而實現將電機的軸向位移轉換為運動部件的線性位移。同步帶的結構簡單，傳動效率可達到98%，傳動平穩順滑，尤其在微小距離的傳動定位精度較好，因此在3D打印機傳動系統中應用廣泛。[5]該種傳動方式的原理是電機帶動同步帶輪轉動，同步帶輪帶動同步帶，同步帶與滑塊連接，，從而實現把電機的轉動轉化為打印頭的線性運動。圖4-2直線導軌傳動4.2同步帶輪選型一般情況下，為了獲得最好的性能，在任何時間同步帶與同步帶輪需要至少有6個齒嚙合。這樣可以使同步帶打滑的幾率降到最小，并且有助于減少回時產生的反沖，因此，所使用的每個同步帶輪最少需要12個齒，一般應保持在15齒以上。[7]如表4-1所示為常見的2GT同步帶輪參數。根據齒數與內孔直徑選擇，步進電機的電機軸大多為5mm，因此初步選用2GT*16，配套使用的同步帶也為GT2齒形的同步帶。表4-1常見的2GT同步帶輪參數規格內孔直徑帶寬總高齒距齒面直徑GT2*16561429.6GT2*20561621251019.5212861621281019.52124.3直線導軌選型直線導軌對滑塊的起到導向作用，所以直線導軌的精度也影響著平臺的運動精度，滑塊內部裝有滾珠，滾珠在滑塊與導軌之間運動，輔以潤滑脂，使得直線導軌運動起來聲音小，精度高。本文初選SMGH12H直線導軌，其參數見圖4-3圖4-3直線導軌尺寸參數根據工作平臺220x220，，根據設計Y軸方向兩根直線導軌承托著X軸方向的一根導軌及其上面的噴頭模塊，負荷估算為靜態安全系數由直線運動系統的負荷能力（基本額定靜負荷）為施加于直線運動系統上實際負荷的多少倍來表示。根據設計一根導軌只有一個滑塊所以根據圖4-4可知，圖4-4接觸系數（）參考圖4-5，根據3d打印機的一般工作情況屬于普通運行情況（施加普通負荷，而軸的撓曲也小），靜態安全系數的參考值為1.0~4.0，所以在參考值范圍內。圖4-5靜態安全系數的參考值壽命計算：直線運動系統的額定壽命（L）可根據基本額定動負荷（C）和負荷荷重（P），按下式計算硬度系數查資料可知，直線導購的材料為軸承鋼，硬度約為HRC50根據圖4-6可知圖4-6硬度系數溫度系數根據打印機的工作環境在40~50℃之間，根據圖4-4可知溫度系數在120℃之后趨勢趨于平穩，因此可以估算出圖4-6溫度系數負荷系數：通常作往復運動的機械在運轉重大都伴隨著振動或沖擊。3D打印機工作低速時有小振動，根據圖4-7可知圖4-7負荷系數（）基本額定動負荷（C）根據表4-2可知，C=3750N在多數情況下，計算施加到直線運動系統上的負荷時十分困難的，在實際使用重，直線運動系統在運動中大多伴隨振動和沖擊，因此作用負荷不斷變化。此外，滾動面的硬度和直線運動系統的溫度也對使用壽命產生極大影響。實際使用壽命（L）的計算公式如下：當使用直線導軌時，需要添加一定的潤滑劑，不然會造成噪音大，磨損快與增大阻力的現象。潤滑劑特點：油膜強度高；摩擦小；耐磨損；熱穩定性好；沒有腐蝕性；具有防銹性能；粉塵與水分含量低；4.4電機選型4.4.1負載估算在Solidworks軟件里我們先設置好各個零部件的材料Y軸負載通過Solidworks里的質量評估可以估算出，由于考慮到軟件計算有誤差所以我們在測得的數據上加上一定值。XY軸電機負載：A模塊重量約為200g,如圖4-8圖4-8A模塊重量估算B模塊重量約為150g,如圖4-9所示圖4-9B模塊重量估算直線導軌+滑塊（3套）：900g軸承（8個）：80gX軸鋁板:120g總計：1450g估算：1800gZ軸電機負載我們先選用螺桿與電機一體化的絲桿步進電機，此種電機不需要聯軸器，電機軸就是絲桿。因此Z軸電機的負載則是Z軸模塊，由Solidworks里的評估功能可以算出采用6061鋁材料的Z軸模塊重量約為700g，如圖4-10所示。圖4-10Z軸模塊重量4.4.2XY軸步進電機選型通常所說的步進電機一般是指機電一體化設備包括步進電機及其驅動器,當步進電機驅動器接受到一個脈沖之后就驅動步進電機轉動一個固定的角度即步距角。[8]因此其具有以下幾點優點電機停轉的時候具有最大轉矩，對打印工作的過程中很好地控制打印精度；沒有電刷，可靠性比較高，電機壽命也較高；有很好的起轉和反轉響應；有較寬的轉速范圍，所以可以很好地控制工作中的打印速度，適合不同的工作場景。但是也以下的缺點：超過負載時會破壞同步，高速運轉時容易丟步；體積和重量上不占優勢；安裝不當負載過大容易引起共振。3d打印機的電機常用42HB40-401A詳細參數見圖4-11圖4-11電機參數首先計算所選電機是否滿足打印要求。同步帶連接在同步輪與滑塊上作為驅動方式。已知直線導軌的摩擦系數，，由上文可知計算最大的負載為2kg,則其所需克服的摩擦阻力約為：已知電機的保持轉矩為，電機軸上固定同步輪，直徑約為10mm。力矩為:則拉力為：所提供的加速度為：根據一般的打印機運動速度30~80mm/s假設打印頭的運動速度為根據計算滑塊從速度0.05m/s到0的過程中的位移量：由此可知電機的制動距離為0.025mm根據市面上在售的3D打印機的打印精度為±0.1mm,，可知傳動速度和傳動精度滿足設備打印要求。4.4.3Z軸步進電機選型對Z軸電機選型我們需要考慮到電機的工作環境，由于我們選擇的時FDM層層堆疊的成型方式，Z軸運動不需要很快，在普通的打印過程中，Z軸下降的速度取決與打印物體的截面積，打印面積越大Z軸下降的速度就越慢，打完一層Z軸往下移動0.1~0.4mm。在這種工作環境下我們需要電機在某個時間點能保持靜止，這樣才不會影響打印效果，這就需要步進的電機的保持轉矩高于負載值，而步進電機的保持轉矩指的是步進電機在通電而沒有轉動的時候，定子鎖住轉子的力矩。而從上文電機參數可得知保持轉矩，而電機軸為T8絲桿，所以力矩為從上文已經得知Z軸模塊約為700g,因此Z軸負載為：所以保持力為：所以Z軸絲桿電機滿足設計要求由于成型體積需要Z方向有200mm的尺寸所以Z軸絲桿電機的絲桿長應為2倍的Z軸模塊的高度加上成型高度：根據上述各種零件的選型確定3D打印機的基本參數：成型空間：220x220x200耗材類型：PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)精度要求：±0.1mm噴頭口徑：0.4mm打印速度：40~80mm/s4.5本章小結本章是對傳動機構進行設計，XY軸采用直線導軌作為導向機構，步進電機連接同步輪與同步帶進行傳動。Z軸采用直線導軌作為導向機構，絲桿步進電機進行傳動。對電機負載采用Solidworks軟件里的質量評估功能進行負載的計算，校準了步進電機的設計參數，對直線導軌進行選型。初步確定打印機的精度與打印尺寸。關鍵零件的有限元分析5.1機身靜力學分析我們使用SOLIDWORKSSimulation模塊對裝配體進行力學分析，機身框架強度對機器的穩定性起著決定性作用，強度足夠的機器可以減少運轉時的共振，提高精度，提高打印速度。而本文設計的機器，上基板承載著XY模塊的重量，因此我們對其進行靜力學分析。機身框架的3D模型如圖5-1（a）所示網格劃分直接影響這結果的運算精度，但是過高的網格劃分對設備的要求很高，所以我們采用中等網格劃分，如圖5-1（b）所示。（a）機身框架3D模型（b）網格劃分圖5-1機身框架上基板和底板我們選用6061鋁板，5根鋁型材的材質為市面上常用的標準6063鋁材料，將機身的5根鋁型材與底板作為支撐，上基板受10N的外部載荷，進行靜應力分析求解，運行算例之后，機身各處應力分布如圖5-2，機身的形變位移如圖5-3，可以看到應力分布比較均勻，位移量主要集中在上基板中部位置，因為這部分沒有鋁型材的支撐，但是我們可以看到計算結果位移量小于0.1mm，因此上基板符合設計要求。圖5-2機身應力分布圖圖5-3機身形變位移量5.2Z軸模塊靜力學分析FDM技術是靠層層堆疊的方式來實現物體成型，而Z軸的穩定型對成型效果起著決定性作用，現實上也有很多例子因為Z軸的不穩定導致打印失敗，所以對Z軸模塊進行力學分析是很有必要的。Z軸模塊的三個零件均采用6061鋁材，設定材料。以Z軸支架作為支撐點，Z軸支架是連接Z軸模塊與機身的連接件，Z軸模塊裝配體3D視圖如圖5-4（a）所示，這里采用中等的網格劃分，如圖5-4（b）。（a）Z軸模塊裝配圖（b）Z軸模塊網格劃分圖5-4Z軸模塊對Z軸平臺施加5N的外部載荷，運行靜應力分析求解。得出結果，應力圖如圖5-5所示，位移量如圖5-6所示，可以看到模塊的位移量主要集中在Z軸平臺的外側，我們以位移量為判斷標準可以得知，位移量小于0.1mm，滿足設備要求。而應力主要集中在Z軸平臺支架的內側，內側折彎處有一定圓角，一定程度上分散應力。圖5-5Z軸模塊應力分析圖5-6Z軸模塊形變位移量5.3Y軸支架靜力學分析Y軸支架上主要承載著Y軸模塊的重量，由于設計Y軸支架兩邊連接著滑塊，中間無任何支撐，所以需要對其進行力學分析，我們采用和上基板一樣的6061鋁材料和厚度，這樣在機加工過程中可以一起加工，節省用料。Y軸支架3D模型如圖5-7（a）所示，網格劃分采用中等網格如圖5-7（b）所示。（a）Y軸支軸3D模型（b）Y軸支架網格劃分圖5-7Y軸支架以兩邊與滑塊作連接的四個孔為支撐，對Z軸支架施加2N的外部載荷計算結果，Y軸支架的應力如圖5-8所示，位移量如圖5-9所示。可以看到Y軸支架的應力分布比較均勻，而位移量主要集中在中部區域，此部分也正是沒有支撐的部分，但是結算結果位移量小于0.1mm,因此滿足設計要求。圖5-8Y軸支架應力分析圖圖5-9Y軸支架形變位移量5.4B模塊支撐座靜力學分析B模塊支撐座連接在機身框架上，在運轉的時候靠兩根圓柱銷承載著B模塊的重量，如果有較大的位移量的話，很有可能會導致A模塊與B模塊接合失敗。支撐座的3D模型如圖5-10（a）,網格劃分我們采用中等網格劃分，如圖5-10（b）所示。（a）支撐座3D模型（b）支撐座網格劃分圖5-10B模塊支撐座在導向銷部分我們采用市面上常用的不銹鋼材料，以連接在上基板上的兩個孔為支撐，在導向銷上施加2N的外部載荷，計算結果，應力分析結果如圖5-11所示，位移量如圖5-12所示，可以看到導向銷上的應力分布比較均勻，而位移量主要集中在導向銷的尾部，位移量少于0.1mm，因此滿足設計要求。圖5-11支撐座應力分析圖5-12支撐座形變位移量5.5本章小結本章通過Solidworkssimulation功能對設計的多噴頭打印機的機身框架與Z軸模塊等受力較大的重要零件進行了靜力學分析，分析了零件的應力分布與形變位移量，可以得知機身框架與、Z軸模塊Y軸支架強度符合要求，不會因為零件的強度不足而影響打印精度與打印速度。對零件的結構進行優化設計起到一定作用。結論本文通過研究對3D打印的研究和發展現狀，最終選擇了FDM成型方式，該種成型方式比較適合設計桌面級打印機，很好地控制機身尺寸，對國內外的3D打印機框架設計進行研究，最終選用了CoreXY結構進行設計。得出以下結論：FDM成型方式比較適合我們普通用戶去采用，對比國內外3D打印，FDM打印占主要份額，所以在我們找資料與找設計參考的時候十分方便，而中國是大多3D打印機廠商采購配件的地方，我們可以在淘寶上搜尋相關標準件，運用在我們的設計上。正是因為有著相關的標準件，我們可以很好地控制裝配精度。FDM成型技術使用的PLA耗材正是環保材料，無毒無異味，所以在我們打印結束后，不需要做過多的后期處理就直接可以使用，也正是因為這樣我們的打印機可以做成開放式設計，不怕有氣味擴散，節省成本。不需要做過多的后期處理就直接可以使用，也正是因為這樣我們的打印機可以做成開放式設計，不怕有氣味擴散，節省成本。在設計多噴頭方案的時候，市面上已經存在好幾種不同的設計方案，但是大多