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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
畢業(yè)生姓名
：
鄭開元
專業(yè)
：
機(jī)械電子工程
學(xué)號
：
180533029
指導(dǎo)教師
：
韓變枝
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇二〇年五月
摘 要
課題以FDM型3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要工作。通過對3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計，實現(xiàn)3D打印機(jī)在工作過程中所需要的機(jī)械運(yùn)動。實現(xiàn)3D打印機(jī)的機(jī)械運(yùn)動后，便可滿足3D打印機(jī)打印功能的基本要求。
在設(shè)計中，首先了解3D打印機(jī)的功能及工作原理，進(jìn)而分析3D打印機(jī)在工作過程中需要實現(xiàn)怎樣的機(jī)械運(yùn)動，從而思考怎樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)所需要的機(jī)械運(yùn)動。列出可以采用的幾種方案，論述所列方案的優(yōu)缺點、機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的難易程度及各個方案的機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性，在綜合考量各個方案后選出相對合理的提案，并進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
3D打印機(jī)在工作過程中，主要應(yīng)實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的機(jī)械運(yùn)動。因此，所設(shè)計的3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)達(dá)到X、Y、Z三個方向平動的要求。在設(shè)計過程中通過對3D打印機(jī)的觀看，結(jié)合其他機(jī)床實現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的方法，從而得出自己最終要選擇的設(shè)計方案。這次設(shè)計的3D打印機(jī)就要是當(dāng)前市場比較流行的，對它的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀，從查找的資料了解，設(shè)計3D打印機(jī)的構(gòu)型方案。根據(jù)設(shè)計方案，對電機(jī)、軸承、帶輪及其附屬機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型計算，并進(jìn)行應(yīng)力校核。
關(guān)鍵詞: 3D打印機(jī)；方案設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計
Design of Model 70FDM 3D Printer
Abstract
The topic of my graduated design is FDM 3D printers mechanical design. 3D object is achieved by the work of the analysis and design of the mechanical structure of the printer to achieve 3D printer during operation of the mechanical movement required. when achieved the mechanical movement, you can meet the basic requirements of 3D printer functions.
In the design of the course, I get the meaning of the function and operation principle 3D printer ,3D printer at first .Then analyzed in the work process to achieve what needs to mechanical motion, thus we need to think what mechanical structure about how to achieve the required mechanical movement. Then lists several options can be used and thinking the advantages and disadvantages are listed in the program and the degree of difficulty to achieve advantages and disadvantages of the various agencies and programs implemented in various programs after comprehensive consideration of the proposal to elect a relatively reasonable, and mechanical Design.
3D printers in the course of their work, mainly to be achieved three directions mechanical movement of X, Y, Z. Thus, the mechanical structure of the printer should be designed to achieve 3D X, Y, Z three movable parallel to the direction required. By watching in the design process a 3D printer, combined with other methods to achieve the mechanical movement of the machine, to get the final design.In this paper, the design content of working principle and development present situation of the research on 3 d printer, according to the survey results, which has been widely applied for the current is analyzed by 3 d printers, characteristic of each structure, design of a 3 d printer configuration scheme.According to the design scheme of bearing, pulley, selection of gear and its affiliates.
Keywords: 3D printer；scheme design；structure design
ii
山西工程技術(shù)學(xué)院----畢業(yè)設(shè)計說明書
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 3D打印機(jī)概述 1
1.1 什么是3D打印機(jī) 1
1.2 3D打印機(jī)的工作原理 1
1.3 3D打印機(jī)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2
1.3.1 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)國外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3.2 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.4 未來研究的意義 5
2 FDM型3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 7
2.1 FDM型3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)的方案選擇與確定 7
2.2 FDM型3D打印機(jī)Z軸方向運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析 8
2.3 FDM型3D打印機(jī)X軸方向運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析 9
2.4 FDM型3D打印機(jī)Y軸方向運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析 9
3 零件的選用 10
3.1 絲杠的設(shè)計和選擇 10
3.2 導(dǎo)柱的設(shè)計與選擇 11
3.3 同步帶輪及同步帶的選用 12
3.4 帶輪及齒帶的校核 14
3.5 軸承的選擇 15
3.5.1 軸承軸組件的一個重要組成部分 15
3.5.2 軸承特點 15
4 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)和送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計 17
4.1 擠出頭的選擇 17
4.2 送絲機(jī)構(gòu)的選擇 17
4.3 溫度傳感器的選擇 18
4.4 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)加熱裝置設(shè)計 20
4.5 加熱元件及其工作原理 21
4.6 電機(jī)的選擇 21
5 噴頭的選用 23
5.1 熔融擠出系統(tǒng)對噴頭系統(tǒng)的基本要求 23
5.2 打印速度 24
6 材料的選用 27
6.1 材料選用原則 27
6.2 材料收縮問題 27
6.3 材料斷絲、堵塞噴頭問題 27
6.4 其他問題 28
6.5 后處理 28
6.6 位移傳感器 30
7 熱床 33
參考文獻(xiàn) 34
外文文獻(xiàn) 36
中文翻譯 44
致 謝 50
３
山西工程技術(shù)學(xué)院----畢業(yè)設(shè)計說明書
1 3D打印機(jī)概述
1.1 什么是3D打印機(jī)
3D打印機(jī)（3D Printers）是一位名為恩里科·迪尼（Enrico Dini）的發(fā)明家設(shè)計的一種打印機(jī)，可以直接打印出立體物體。它源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，上世紀(jì)80年代已有雛形。通俗來講，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加制造技術(shù)中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價值應(yīng)用，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。
1.2 3D打印機(jī)的工作原理
3D打印并非是新鮮的技術(shù)，這個思想起源于19世紀(jì)末的美國，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣。3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加劑制造技術(shù)中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同。稱之為“打印機(jī)”是參照了其技術(shù)原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。
其工作步驟是：首先可使用CAD軟件來創(chuàng)建物品，然后把它拷貝到3D打印機(jī)中，進(jìn)行打印設(shè)置后，打印機(jī)將自動分析將要打印物體的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行分層打印。
每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。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。熔融沉積有時候又被稱為熔絲沉積，它將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融化，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來。噴頭可以沿X軸的方向進(jìn)行移動，工作臺則沿Y軸和Z軸方向移動（當(dāng)然不同的設(shè)備其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計也許不一樣），熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。FDM熔融沉積成型工藝,熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機(jī)噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機(jī)把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。
1.3 3D打印機(jī)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
1.3.1 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)國外發(fā)展現(xiàn)狀
FDM3D打印技術(shù)興起于二十世紀(jì)八十年代后期，后來逐步發(fā)展成為一項加工制 造技術(shù)，它的本質(zhì)就是快速成型技術(shù)，根據(jù)逐層堆積的加工方式，將固體絲材加熱熔融后重新疊加起來，從而打印出產(chǎn)品的三維模型。這種將工件進(jìn)行分層加工的思想，最早出現(xiàn)在十九世紀(jì)末期，此時的加工制造技術(shù)還沒有達(dá)到較高級水平。后來在 二十世紀(jì)末Charles Hull首先研制了第一臺用于商業(yè)的3D印刷機(jī)。隨后，1993年，美國麻省理工學(xué)院獲得3D印刷技術(shù)專利。隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對3D打印機(jī)以及相關(guān)打印材料的研究均有了極大的進(jìn)步，3D打印技術(shù)的發(fā)展速度也在快速增長山。它從最初的簡單打印逐步發(fā)展到多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印加工，不僅如此，其在打印的原材料上也在擴(kuò)增。發(fā)展至今，打印原材料有塑料絲材、鈦合金、鋁材料、尼龍、鍍金、橡膠，甚至還研究出食品材料作為原料進(jìn)行打印，由此可見3D打印技 術(shù)的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)超出最開始的發(fā)展范圍。
在21世紀(jì)初期，3D打印機(jī)技術(shù)仍然屬于快速成型技術(shù)，主要用于企業(yè)產(chǎn)品原型 的制造。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在3D打印機(jī)所加工的產(chǎn)品中產(chǎn)品原型占80%,終端產(chǎn) 品僅占20%。雖然該技術(shù)在21世紀(jì)初已經(jīng)取得很多進(jìn)步，如打印原材料種類的增多、 打印機(jī)成本的降低以及打印所需原材料價格的下降，但該技術(shù)從發(fā)展至今，仍然是一項年輕的加工制造技術(shù)，在沒有變得更加成熟和經(jīng)濟(jì)實用前，仍不會被企業(yè)大規(guī)模釆用。
3D打印技術(shù)最早由美國麻省理工學(xué)院提出，主要包括SLA、SLS、LOM、FDM 等成型技術(shù)。國外研究3D打印技術(shù)的公司主要有美國Stratasys、Z Crop,以色列Objet 以及德國Envisiontec等公司，而其打印技術(shù)發(fā)展已較為成熟。就國外的發(fā)展情況來 看，市場上已經(jīng)出現(xiàn)多種類型的3D打印機(jī)，其種類的多樣性使3D打印產(chǎn)業(yè)正逐步朝著更廣闊的市場發(fā)展，例如Makerbot雙噴頭成型機(jī)是FDM3D打印設(shè)備中近幾年 所推出的一款設(shè)備，該打印設(shè)備可以實現(xiàn)雙頭打印，其尺寸為320X467X381mm, 打印精度為0.1?0.2mm,層厚在0.1~0.4mm之間，Makerbot雙噴頭成型機(jī)整體外形結(jié) 構(gòu)如圖1-1所示。
圖1-1
設(shè)備的特點是實現(xiàn)雙噴頭的結(jié)構(gòu)，兩個噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)雙色打印，也能實現(xiàn)兩種材料的打印，例如可以實現(xiàn)ABS塑料絲材和可溶性絲材的打印，這樣可以使一個噴嘴打印輔助支撐，一個噴嘴打印工件。它既可以選擇單個噴嘴進(jìn)行打印，也可以選擇兩個噴嘴同時工作，可以說是方便了使用者的操作。
2011年7月，英國研究人員開發(fā)出世界上第一臺3D巧克力打印機(jī)。2011年月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。[9]2013年10月，全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。2013年11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”(SolidConcepts)設(shè)計制造出3D打印金屬手槍。2018年8月1日起，3D打印槍支將在美國合法，3D打印手槍的設(shè)計圖也將可以在互聯(lián)網(wǎng)上自由下載。2018年12月10日，俄羅斯宇航員利用國際空間站上的3D生物打印機(jī)，設(shè)法在零重力下打印出了實驗鼠的甲狀腺。
在近幾年中，美國科羅拉多州3D打印機(jī)制造商Aleph Objects公司宣布推出了一 款名為LulzBot TAZ 4的3D打印機(jī)，它改進(jìn)了 Y軸的基座，減少3D打印機(jī)工作時 間，使用者可以在半小時之內(nèi)完成機(jī)器設(shè)置，同時還增加了一個400瓦電源，讓使用 者自己為3D打印機(jī)增加功能配件冏。所設(shè)計的該種打印機(jī)打印精度為0.1所設(shè)計的該種打印機(jī)打印精度為0.1mm,打印 速度為30mm/s,并且可打印體積很大的工件，最大打印尺寸為298mm x275mmx250mm,解決了一些工件的打印問題，同時也能一起打印多個較小的工件。 在技術(shù)上，Aleph Objects公司為它設(shè)計了傳動桿系統(tǒng)，以此來提高打印質(zhì)量。與此同 時，TAZ4打印機(jī)還配有一個組裝好的電子電路主機(jī)箱，這樣使用者在以后就能很容 易對其進(jìn)行升級，從而使其具備多顏色或多材料的3D打印能力，如圖1-2所示為 LulzBot TAZ 4 3D 打印機(jī)。
圖1-2
1.3.2 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)3D打印技術(shù)發(fā)展相對較晚，自20世紀(jì)末期，我國對3D打印技術(shù)展開積極的探索與研發(fā)并取得一定的成果。其中以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)為主的各大高校對3D打印設(shè)備的打印技術(shù)、打印材料、3D打印軟件以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了不斷的探索和積極的研究，對3D打印技術(shù) 進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，其中部分新型技術(shù)已經(jīng)邁向世界，取得一定的成效。
在眾多3D打印技術(shù)中，3D激光金屬打印技術(shù)發(fā)展最為迅速，其加工技術(shù)基本滿足復(fù)雜零部件的性能要求，該技術(shù)的發(fā)展也為我國航天裝備的制造帶來了更為寬廣的加工條件。與此同時，3D打印技術(shù)在生物細(xì)胞方面的應(yīng)用也取得顯著突破性進(jìn)展, 目前我國3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠制造立體的仿真生物組織，推動了我國生物領(lǐng)域和醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。通過各大高校對3D打印技術(shù)的研究成果，目前已有多家3D 打印設(shè)備的生產(chǎn)加工公司，主要包括北京殷華、陜西恒通智能機(jī)器、湖北濱湖機(jī)電等。并且這些企業(yè)形成了穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，其中一些企業(yè)所生產(chǎn)的桌面3D打印機(jī)成功 地走向一些西方國家，因其成本較低具有良好競爭力。
如圖1-3所示為我國所生產(chǎn)的三角洲3D打印機(jī)，其組裝簡單易懂，運(yùn)動過程是 通過3個步進(jìn)電機(jī)來控制，保證執(zhí)行器中X、Y、Z三個軸的運(yùn)動。三角洲3D打印 機(jī)所使用的零部件多數(shù)釆用丙烯酸和鋁制材質(zhì)，更加方便裝配與拆卸。該款打印機(jī)最 大成型尺寸為180mm xl80mmx310mm,噴嘴直徑為0.4mm,工作時，其打印速度在 50mm/s左右，精度在0.1~0.4mm范圍內(nèi)，其最大的特點在于結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，方便于一些3D打印機(jī)愛好者自行組裝與研究。
圖1-3 圖1-4
樂彩3D打印機(jī)也是我國一款頗受歡迎的3D打印機(jī)，如圖1-4所示為樂彩3D打 印機(jī)，其主要是運(yùn)用ABS塑料為原料，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方 式來打印工件。該款3D打印機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)多種演顏色的打印,打印精度在0.2?0.4mm 之間，最大打印尺寸為150mm xl50mmx 150mm,平均打印速度在40mm/s左右。該設(shè)備具有體積小、制造成本低等特點。
目前，雖已有幾家企業(yè)能自主制造3D打印設(shè)備，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量不足。例如在打印過程的穩(wěn)定性、成型工件的精度、支撐材料的處理等環(huán)節(jié)，均存在一定的缺陷和有待提高的地方，這些問題或多或少會影響工件的加工制造。與我國相比，國外一些3D打印產(chǎn)業(yè)的主要公司每年對3D打印技術(shù)研發(fā)方面的投入僅占整個銷售收入的10%左右。再者我國3D打印行業(yè)缺少統(tǒng)籌穩(wěn)定的發(fā)展，沒有一定 完善的供應(yīng)商、服務(wù)商體系和良好的市場平臺，缺乏完整的產(chǎn)業(yè)鏈或產(chǎn)業(yè)體系。由此可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的3D打印技術(shù)和企業(yè)缺乏主導(dǎo)性技術(shù)指標(biāo)，沒有確立良好的開發(fā)平臺，在技術(shù)研發(fā)和技術(shù)推廣上不夠成熟，仍有很大的上升穿間。
1.4 未來研究的意義
1)、向低成本方向發(fā)展。目前大多3D打印機(jī)造價仍比較昂貴，這給其進(jìn)入家庭帶來了困難?，F(xiàn)在已有一些小規(guī)模的3D打印機(jī)制造商推出較低價的3D打印機(jī)，一些愛好者參與改良3D打印機(jī)，共同促成低價3D打印機(jī)的誕生和普及。
2)、向材料多樣性方面發(fā)展。3D打印機(jī)的成型材料多采用化學(xué)聚合物，材料的安全性是一個很重要的參考因素。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)材料及其他方法難以制作的復(fù)合材料等，金屬材料、直接金屬成型技術(shù)將會成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點。
3)、向提高精度、速度和效率方面發(fā)展。改養(yǎng)3D打印系統(tǒng)的可靠性、生產(chǎn)效率和制作大件能力，提高3D打印的速度和效率。開拓并行、多材料制造的工藝方法，提高成型件的精度、表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以便能夠直接面向產(chǎn)品制造，許多新的成型方法與工藝會應(yīng)用于3D打印機(jī)。
4)、技術(shù)和研究方面。比如3D生物打印機(jī)的困難并不是制造器官本身，而是復(fù)制器官內(nèi)部錯綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)。這些血管起到了滋養(yǎng)器官。為器官提供氧氣的作用。有專家設(shè)想打印出一個器官最大的連接性血管，然后給那些大血管細(xì)胞留出充足的時間、空間和理想環(huán)境自造剩余血管，最終器官便可以被植入體內(nèi)，用病患自己的細(xì)胞打印出功能齊全的肝、腎或者心臟。世界各地醫(yī)藥、生物、化學(xué)、工程等領(lǐng)域的專家們正致力于研究這些機(jī)械位置傳感器的類型有很多種，這次設(shè)計選用壓力傳感器。壓力傳感器主要用于檢測打印機(jī)噴頭的顏料用量以及粘合劑的使用量，還有就是打印原料現(xiàn)在剩余情況檢測。當(dāng)打印機(jī)里面的材料不夠使用的時候，它能夠及時反饋并提醒用戶加入顏料、粘劑或原料。綜合設(shè)計各個方面因素，這次設(shè)計選用電位器來做測量，它能達(dá)到打印機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)品的精度。
2 FDM型3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)分析
2.1 FDM型3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)的方案選擇與確定
根據(jù)FDM型3D打印機(jī)打工作原理及工作方式，可以了解到，打印機(jī)在工作過程中要有上下的相對運(yùn)動，這樣才能實現(xiàn)FDM型3D打印機(jī)在工作過程中逐層打印的功能。同時打印每一“層”時，打印頭相對于托盤要有左右及前后的相對運(yùn)動。及FDM型3D打印機(jī)要實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的自由運(yùn)動。因此在設(shè)計FDM型3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)時，主要任務(wù)就是所設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)上述運(yùn)動。
據(jù)此可以根據(jù)上述結(jié)論，首先確定FDM型3D打印機(jī)整體的運(yùn)動方案。例如在Z軸（即上下）方向上的運(yùn)動，我們可以選擇由打印頭作上下運(yùn)動而托盤保持相對靜止，反之也可以是打印頭相對靜止而托盤做上下運(yùn)動。同時在X軸（即左右運(yùn)動）方向和Y軸（即前后）方向的運(yùn)動方式也可以由多種選擇。例如我們可以選擇某一軸與上下運(yùn)動實現(xiàn)聯(lián)動，也可以選擇各軸都獨立運(yùn)動。因此在選取方案前，應(yīng)仔細(xì)分析各個方案的優(yōu)缺點，并做出決定。
當(dāng)再次仔細(xì)分析3D打印機(jī)在進(jìn)行打印工作時，各個方向的運(yùn)動，可以發(fā)現(xiàn)，Z軸（即上下）方向的運(yùn)動是一種階段性的運(yùn)動。即是在每打印完“一層”時，才再做一次運(yùn)動，來打印下一層。而在打印每一層的過程中，打印頭相對于托盤在Z軸（即上下）方向上要保持相對靜止。如選擇Z軸（即上下）方向運(yùn)動的部件同時也作X軸或Y軸方向的運(yùn)動，這樣在保持Z軸方向上相對靜止時，還要同時做X軸或Y軸方向的運(yùn)動。這樣不利于精度保持。所以，最后確定，Z軸方向的運(yùn)動做獨立運(yùn)動，運(yùn)動部件與X軸或Y軸方向的運(yùn)動部件不關(guān)聯(lián)，使之相對于X軸或Y軸的運(yùn)動部件獨立。
但若選擇打印機(jī)噴頭做Z軸方向的運(yùn)動，那么若要使X軸或Y軸方向的運(yùn)動與之不關(guān)聯(lián)，唯有托盤做X軸或Y軸方向的運(yùn)動。但托盤的材料較多，重力較大，同時托盤上又要放置被打印物體，因此運(yùn)動過程中慣性較大，相對不容易實現(xiàn)打印過程中的運(yùn)動變化。所以相對而言，選擇托盤做Z軸方向上的運(yùn)動，而打印頭做X軸及Y軸方向上的運(yùn)動，相對合理。因此最后確定所要設(shè)計的FDM型3D打印機(jī)的整體運(yùn)動結(jié)構(gòu)為：由托盤實行Z軸方向的運(yùn)動，而由打印頭完成X軸及Y軸方向的運(yùn)動。
2.2 FDM型3D打印機(jī)Z軸方向運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析
如上論述，此次設(shè)計的FDM型3D打印機(jī)Z軸方向的運(yùn)動有托盤運(yùn)動實現(xiàn)。，經(jīng)多次設(shè)計修改，最后設(shè)計結(jié)構(gòu)由圖2-1和2-2所示。Z軸方向運(yùn)動的動力，由一臺步進(jìn)電機(jī)提供。該步進(jìn)電機(jī)被固定于打印機(jī)整體框架的最下層后方的橫梁上。托盤的左右兩邊各有兩根絲杠和兩根導(dǎo)柱。絲杠和導(dǎo)柱的滑塊被固定在安裝托盤的內(nèi)框架上。這樣當(dāng)絲杠接受步進(jìn)電機(jī)的動力轉(zhuǎn)動時，絲杠上的滑塊將做向上或向下運(yùn)動。同時便可帶動安裝托盤的內(nèi)框架與之同步運(yùn)動。這樣動力便傳遞到托盤上，使托盤能夠在Z軸方向上運(yùn)動。而被固定在安裝托盤的內(nèi)框架上的導(dǎo)柱滑塊也隨之沿著導(dǎo)柱在Z軸方向上運(yùn)動。這時導(dǎo)柱將起到導(dǎo)引及增加穩(wěn)定性的作用，增加托盤的平穩(wěn)性及精度，進(jìn)而增加整個機(jī)器的打印精度。
圖2-1 圖2-2
步進(jìn)電機(jī)的動力傳到絲杠上是由齒形帶和同步帶輪完成的。齒形帶由步進(jìn)電機(jī)上的帶輪引出，與四個固定在絲杠下端的帶輪相連，并且繞過四個固定在托盤下端與打印機(jī)外框相固定的型材上的滑輪。這樣做的目的是為齒帶提供一個預(yù)張力，可以增加齒帶傳遞的準(zhǔn)確性。
電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過帶輪將動力傳遞到齒帶，齒帶在將動力傳遞到四個固定于絲杠底端的帶輪上。這樣絲杠轉(zhuǎn)動，使絲杠上的滑塊延沿絲杠滑動，帶動與之固定的內(nèi)框，固定在內(nèi)框上的托盤也就可以隨之運(yùn)動。同時四個導(dǎo)柱起到引導(dǎo)和增加穩(wěn)定的作用。這樣，打印機(jī)Z軸方向的運(yùn)動便可以實現(xiàn)了。
2.3 FDM型3D打印機(jī)X軸方向運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析
其運(yùn)動的動力由右上方的伺服電機(jī)提供。動力及運(yùn)動的傳遞是：首先，上圖中右上方的伺服電機(jī)軸上有一帶輪。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶輪隨之轉(zhuǎn)動。帶輪通過齒帶將運(yùn)動及動力傳遞到前面上方延Y軸方向的傳動軸上。該傳動軸的左端安裝固定有一帶輪，同過這個帶輪又通過左邊這個齒帶將動力傳遞到后面延X軸方向的傳動軸上。左右兩根齒帶的上帶各相對有一剛性連接的滑塊，滑塊同時套在齒帶上方的一個導(dǎo)柱上，該導(dǎo)柱承擔(dān)這個滑塊的重力。這兩個與齒帶剛性連接的滑塊通過兩根導(dǎo)柱延Y軸方向相連，并且導(dǎo)柱穿過固定有打印頭的滑塊即圖中中間的滑塊。
這樣，這臺3D打印機(jī)X軸方向的運(yùn)動即是：當(dāng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，電機(jī)軸上的帶輪隨之同步轉(zhuǎn)動，并帶動齒帶將運(yùn)動傳遞到前上方的通過齒帶相連的傳動軸上。該傳動軸有通過左端的帶輪和其上的齒帶將運(yùn)動及動力傳遞到后面延Y軸安裝的傳動軸。左右兩條齒帶在傳動時帶動與齒帶剛性相連的滑塊。同時兩個滑塊通過兩根導(dǎo)柱相連，并且導(dǎo)柱穿過安裝有打印頭的滑塊，這樣安裝有打印頭的滑塊將隨齒帶運(yùn)動，即實現(xiàn)了X軸方向的移動。
2.4 FDM型3D打印機(jī)Y軸方向運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析
動力及運(yùn)動的傳遞是：首先，上圖中左上方的傳動軸與伺服電機(jī)直聯(lián)。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動時左上方的傳動軸隨之同步轉(zhuǎn)動。傳動軸的兩端各固定有一個帶輪，帶輪通過齒帶將運(yùn)動及動力傳遞到右上方的傳動軸上。前后兩根齒帶的上帶各相對有一剛性連接的滑塊，滑塊同時套在齒帶上方的一個導(dǎo)柱上，該導(dǎo)柱承擔(dān)這個滑塊的重力。這前后兩個與齒帶剛性連接的滑塊通過兩根導(dǎo)柱延X軸方向相連，并且導(dǎo)柱穿過固定有打印頭的滑塊及圖中中間的滑塊。
這樣，這臺3D打印機(jī)Y方向的運(yùn)動即是。當(dāng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，與電機(jī)直聯(lián)的傳動軸隨之同步轉(zhuǎn)動，傳動軸上的前后兩個帶輪也隨之轉(zhuǎn)動，并帶動齒帶將運(yùn)動傳遞到右上方的通過齒帶相連的傳動軸上。前后兩條齒帶在傳動時帶動與齒帶剛性相連的滑塊。同時兩個滑塊通過兩根導(dǎo)柱相連，并且導(dǎo)柱穿過安裝有打印頭的滑塊，這樣安裝有打印頭的滑塊將隨齒帶運(yùn)動，即實現(xiàn)了X軸方向的移動。
3 零件的選用
3.1 絲杠的設(shè)計和選擇
絲杠的設(shè)計方法與主軸相似，其支承軸徑與絲杠的長徑比都與主軸相同，不同的是絲杠上：有一段螺紋，因此，還需考慮螺紋的牙形角、螺距、直徑、螺紋公差的設(shè)計。
1)、螺紋牙形的選擇精密絲杠螺母傳動，常用的螺紋有牙形角為60。的普通公制螺紋和牙形角為30。的梯形螺紋兩種。選擇哪種螺紋，取決于傳動精度、效率和制造工藝。當(dāng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的載荷不大，螺紋間的摩擦力對工作影響不大，而又要求小螺距時(螺距為0. 5～1 mm)．可采用公制基本螺紋和公制細(xì)牙螺紋。當(dāng)載荷較大，螺距也較大時，宜用梯形螺紋。梯形螺紋比三角形螺紋的傳動效率高、強(qiáng)度大、螺距大(最小直徑為 10 mm，最小螺距為2 mm)。螺距小時，制造困難，而且不耐磨，故不易得到高精度絲杠。
2) 、螺距選擇常用的梯形螺紋螺距有2、3、4、5、6 mm等。在精密儀器設(shè)備中，采用的公制螺紋螺距系列有0. 25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75 mm等，可根據(jù)傳動進(jìn)給的實際需要選取，或參考同類型設(shè)備，初選螺距，然后計算步進(jìn)機(jī)構(gòu)中間傳動速比i，若求得的速比i是合理的，則初選的f可最終確定為所選螺距。
3)絲杠直徑的確定
(1)、類比法參考同類型設(shè)備的絲杠直輕，并按所設(shè)計的設(shè)備具體情況確定。或者按結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，先確定絲杠總長度L，再按長徑比關(guān)系確定絲杠直徑矗，通常L/d<30。對于電子精密機(jī)械設(shè)備，一般移動距離較短，一般取1= (15～20)d。
(2)、計算法在沒有同類型設(shè)備可參考，或需要驗算初選的絲杠直徑時，可采用計算法。
絲杠計算通常包括耐磨性、剛度、穩(wěn)定性和強(qiáng)度四項。電子精密機(jī)械設(shè)備中的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，一般承受載荷不大，而精度要求較高，往往是由于磨損而失效，所以，可根據(jù)磨損條件來選擇材料，并確定絲杠副的尺寸。
由于螺母的材料一般比絲杠的材料軟，所以，磨損主要發(fā)生在螺母的螺紋表面。磨損的計算方法，通常是采用限制螺紋表面的壓強(qiáng)，就是使螺紋工作表面的壓強(qiáng)聲小于或等于其許用壓強(qiáng)[p]。計算時，將螺母的螺紋牙看成是盤旋繞在圓柱表面上的長條，展開后相當(dāng)于懸臂梁。
3.2 導(dǎo)柱的設(shè)計與選擇
導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用最普遍，主要零件是導(dǎo)柱和導(dǎo)套1、導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)形式。
如圖2-3所示，圖2-3為直形導(dǎo)柱：除安裝部分的凸肩外，長度的其余部分直徑相同；圖2-3b、c為階梯導(dǎo)柱：除安裝部分的凸肩外，安裝配合部分直徑比外伸的工作部分尺寸直徑大。導(dǎo)柱的導(dǎo)滑部分根據(jù)需要可加工出油槽。圖2-3c所示導(dǎo)柱用于固定板太薄的場合在固定板下面再加墊板固定，這種結(jié)構(gòu)不常用。
圖2-3
（1）、長度：導(dǎo)柱導(dǎo)向部分的長度應(yīng)比凸模端面的高度高出8到12mm，以避免出現(xiàn)導(dǎo)柱未入正方向而型芯先進(jìn)入型腔。
（2）、形狀：導(dǎo)柱前端應(yīng)做成錐臺形或半球形，以使導(dǎo)柱順利地進(jìn)入導(dǎo)向孔。
（3）、材料：導(dǎo)柱應(yīng)具有硬而耐磨的表面，堅韌而不易折斷的內(nèi)芯，因此多采用20鋼，經(jīng)滲碳淬火處理，或者T8、T10鋼，經(jīng)淬火處理，硬度為50~55HRC。導(dǎo)柱固定部分的表面粗糙度為Ra＝0.8μm，導(dǎo)向部分的表面粗糙度為Ra＝0.8~0.4μm。
數(shù)量及布置：導(dǎo)柱應(yīng)合理均布在模具分型面的四周，導(dǎo)柱中心至模具邊緣應(yīng)有足夠的距離，以保證模具強(qiáng)度（導(dǎo)柱中心到模具邊緣距離通常為導(dǎo)柱直徑的1~1.5倍）。為確保合模時只能按一個方向合模，導(dǎo)柱的布置可采用等直徑導(dǎo)柱不對稱布置或不等直徑導(dǎo)柱對稱布置，如圖2-4所示。
配合精度：導(dǎo)柱固定端與模板之間一般采用H7／m6或H7／k6的過渡配合；導(dǎo)柱的導(dǎo)向部分通常采用H7／f7或H8／f7的間隙配合。
圖2-4
3.3 同步帶輪及同步帶的選用
我國現(xiàn)在選用最多的仍然是T型齒同步帶，這種帶稱為“節(jié)距制”帶，即以帶齒間的間距為規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)，其帶的外形與截形如圖3-1和3-2所示。
、
圖3-1 圖3-2
這種帶的齒形為梯形，大多數(shù)齒形的夾角為40度，帶的齒高（梯形的高度）、節(jié)距（兩齒間的距離）及厚度可以從產(chǎn)品樣本中查到（如：型號為L的T型齒同步帶，其節(jié)距Pb為9.525mm 齒高h(yuǎn)t為0.51mm 帶厚hs為1.14mm）。實質(zhì)上，這種節(jié)距制傳動帶是一種英制的標(biāo)準(zhǔn)，一英寸等于25.4毫米，每英寸含8英分，即一英分等于3.175毫米，三英分就是9.524毫米，四英分是12.7毫米（在英制度量中以1/8” 1/4” 3/8” 1/2”等方式表述）。
其實，同步帶在傳動時，梯形齒的兩側(cè)只能用來和同步帶輪的輪齒貼合，以便能夠傳遞帶和帶輪之間的轉(zhuǎn)動力矩，當(dāng)轉(zhuǎn)動力矩傳遞到同步帶上之后，就要依靠同步帶本身來傳遞產(chǎn)生力矩的拉力，也就是說此時同步帶的作用與平皮帶完全一樣了。
從帶的截形圖看，如果同步帶只用單一材料制作，上述拉力只能夠由連接兩帶齒之間那一薄層來承受，這對于制作同步帶的基底材料聚氨酯橡膠而言是不可能的。所以同步帶還需要做成一種復(fù)合型的結(jié)構(gòu)——在同步帶聚氨酯橡膠基底材料中加入尼龍繩、錦綸繩或鋼絲繩作為“承載繩”，這些承載繩安置就在“薄層”的位置（見圖3-3），它們和同步帶基底材料緊密結(jié)合，帶齒受到的傳動力直接傳遞到承載繩上，完成拉力的傳遞。
在帶傳動中，傳動帶本身一定是有彈性、會出現(xiàn)“緊邊”“松邊”、緊邊長度被拉長、松邊長度相對較短的問題，而同步帶內(nèi)的承載繩就不容易被拉力“拉長”，所以同步帶就能夠?qū)崿F(xiàn)恒定速比的傳動，由此可見所謂“恒定速比”不僅是指宏觀上兩根軸之間的轉(zhuǎn)速比值，而且也應(yīng)該包含每一個傳動時刻兩根軸之間的角速度比值。
有了以上的基礎(chǔ)，理解傳動時同步帶輪與同步帶的位置關(guān)系就比較容易了（見圖3-4）。從圖3-3中可以看出，雖然傳動時同步帶輪的齒頂圓只能與同步帶齒凸起的底部相貼合，但是實際上同步帶長度不變的位置仍然在承載繩處，因此在傳動中同步帶輪的作用直徑（計算速比的直徑）卻在同步帶輪齒頂?shù)摹吧厦妗?，此直徑可從相關(guān)的表格中查到、計算出來。
圖3-3 圖3-4
大多數(shù)情況下，為使結(jié)構(gòu)的體積盡可能緊湊，同步帶輪的直徑總是希望小一些為好，一般情況下只要結(jié)構(gòu)尺寸比較合理，受力校核不會不合格的。
由于T型同步帶是英制的，所以所有計算得到的尺寸必然不是整數(shù)，在關(guān)于同步帶齒形及相關(guān)尺寸設(shè)計計算中不需要把所得到的尺寸進(jìn)行圓整。
參考以上資料，本次設(shè)計最終選擇T型齒同步帶及同步帶輪。
3.4 帶輪及齒帶的校核
1)、定計算功率
根據(jù)已知工作條件查表，去 則
2)、選定帶型和節(jié)距
根據(jù)
確定帶型為T型，對應(yīng)節(jié)距
3)、選帶輪直徑d
帶輪節(jié)圓直徑
4)、核帶速
帶速符合要求
5)、確定中心距及帶長
初定中心距：
定
選擇標(biāo)準(zhǔn)帶長：由設(shè)計帶長
6)、計算嚙合齒數(shù)
=8
7)、定帶寬
8)、 計算軸上的壓力
3.5 軸承的選擇
3.5.1 軸承軸組件的一個重要組成部分
它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、準(zhǔn)確性、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻是直接影響軸組件的性能。常用的軸承滾動軸承和滑動軸承。
滾動軸承摩擦阻力不大,可以嚴(yán)格控制,潤滑維護(hù)很簡單,可以在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化范圍下工作。滾動軸承在專業(yè)化工廠生產(chǎn)過程、維修方便選購,開始使用于各個領(lǐng)域。滾動軸承的噪聲,輥有限公司,剛度是可變的,輕微的程度,但總的來說,移動平臺軸組件的情況下,嘗試使用滾動軸承,滾動軸承潤滑脂可以用于一些垂直結(jié)構(gòu),避免漏油。由于滾動軸承有很多優(yōu)勢,再加上加工精度的提高,因此,通常移動平臺應(yīng)該盡可能使用滾動軸承,只請求處理表面粗糙度值和小時與滑動軸承,滾柱軸承根據(jù)輥的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三類。徑向軸承和推力軸承。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承,推力軸承和徑向和角色?？梢赃x擇軸軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、角接觸球軸承。
3.5.2 軸承特點
軸承的精度，分為P2，P4，P5，P6，P0級，P2級最高，P0級普通精度水平。軸軸承為主P4。高精度軸可用P2階段。需要較低的軸或P5級三個輔助支承軸的支持。P6和P0一般不用。另外創(chuàng)建兩個輔助精密級SP(特殊精密水平儀)和(超精密級)。由于加工精度主要取決于軸承的旋轉(zhuǎn)精度,盒體孔和軸頸是根據(jù)特定的要求間隙和干擾的匹配。軸承內(nèi)外徑公差，因此，即使一些更廣泛也不影響工作精度，但降低了成本。
平臺與不同級別的準(zhǔn)確度和精密度的軸承可以選擇參考表。移動平臺，可以根據(jù)精度水平或精度高的水平。
1)、專業(yè)化
軸承零件加工中，大量采用軸承專用設(shè)備。如鋼球加工采用磨球機(jī)、研磨機(jī)等設(shè)備。專業(yè)化的特點還體現(xiàn)在軸承零件的生產(chǎn)上，如專業(yè)生產(chǎn)鋼球的鋼球公司、專業(yè)生產(chǎn)微型軸承的微型軸承廠等。
2)、先進(jìn)性
由于軸承生產(chǎn)的大批量規(guī)模要求，使得其使用先進(jìn)的機(jī)床、工裝和工藝成為可能。如數(shù)控機(jī)床、三爪浮動卡盤及保護(hù)氣氛熱處理等。
3)、自動化
軸承生產(chǎn)的專業(yè)化為其生產(chǎn)自動化提供了條件。在生產(chǎn)中大量采用全自動、半自動化專用和非專用機(jī)床，且生產(chǎn)自動線逐步推廣應(yīng)用。如熱處理自動線及裝配自動線等。
(1)、節(jié)能顯著。由于滾動軸承自身運(yùn)動的特點，使其摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動軸承，可減少消耗在摩擦阻力的功耗，因此節(jié)能效果顯著。從理論分析及生產(chǎn)實踐中，主軸承采用滾動軸承的一般小型球磨機(jī)節(jié)電達(dá)30%~35%，中型球磨機(jī)節(jié)電達(dá)15%~20%，大型球磨機(jī)節(jié)電可達(dá)10%~20%。由于球磨機(jī)本身是生產(chǎn)中的耗能大戶，這將意味著可節(jié)約一筆及其可觀的費用。
(2)、維修方便，質(zhì)量可靠。采用滾動軸承可以省去巴氏合金材料的熔煉、澆鑄及刮瓦等一系列復(fù)雜其技術(shù)要求甚高的維修工藝過程以及供油、供水冷卻系統(tǒng)，因此維修量大大減少。而且滾動軸承由于是由專業(yè)生產(chǎn)廠家制造，質(zhì)量往往得到保證。也給球磨機(jī)使用廠家?guī)砹朔奖恪?
4 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)和送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計
由于成堆積過程中,絲材不斷擠出,因此需要設(shè)計一種送絲機(jī)構(gòu)對擠絲機(jī)構(gòu)不斷送絲,分析現(xiàn)有基于FDM打印機(jī)打印過程,送絲機(jī)構(gòu)工作時對絲材的輸送速度可以精準(zhǔn)控制通過程序,保證穩(wěn)定擠出量。
4.1 擠出頭的選擇
圖3-2 單擠頭 圖3-3 雙擠頭
單擠頭相比較，雙擠頭采用兩個擠出頭并列排列，并將相對位置固定，由于有兩個噴頭，雙擠頭的打印速度更快，打印效率也更高，雙擠頭安裝在滑塊上，由滑塊與導(dǎo)軌連接，由于其質(zhì)量更大，運(yùn)行時產(chǎn)生的慣性更大，對導(dǎo)軌的剛度要求也更高，這樣會降低打印的精度。位于擠出頭最下端噴頭的噴嘴直徑有四種類型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市場上應(yīng)用最廣的是0.4mm的噴嘴，當(dāng)然根據(jù)實際需要可以購買不同直徑的噴嘴，這里值得提出注意的是，選定好噴嘴直徑后，也要在打印時軟件中設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，如切片軟件中的打印層高、打印速度等，使打印的質(zhì)量和精度更高。為簡便制作，作者購買的是圖3-2所示的單擠頭，噴嘴直徑為0.4mm。
4.2 送絲機(jī)構(gòu)的選擇
3D打印機(jī)的送絲機(jī)構(gòu)有遠(yuǎn)端送絲與近端送絲兩種，圖4-3為近端送絲，近端送絲就是將擠出機(jī)安裝在打印頭上，材料由擠出機(jī)直接擠入喉管，在鋁塊中融化由噴嘴噴出打印。這種安裝方式由于擠出機(jī)與打印頭一起運(yùn)動，打印頭質(zhì)量大，打印時慣性也大，容易使打印不精確，采用近端送絲對導(dǎo)軌的剛度要求也比較高。圖4-4為遠(yuǎn)端送絲，遠(yuǎn)端送絲是將擠出機(jī)安裝在離擠出頭較遠(yuǎn)位置，一般安裝在打印機(jī)框架上，而不是安裝在擠出頭上，與近端送絲相比較，遠(yuǎn)端送絲需要較大扭矩，才能將材料擠入打印頭中，它減輕了打印噴頭重量，提高了打印速度和精度，但是由于擠出機(jī)離打印頭位置較遠(yuǎn)，一般需要安裝減速部件與增大扭矩的部件。經(jīng)過考慮，采用較為簡單的近端送絲機(jī)構(gòu)。
圖4-3 近端送絲 圖4-4遠(yuǎn)端送絲
1.噴嘴；2.測溫電偶；3.驅(qū)動電機(jī)；4.送絲摩擦輪；5.絲材；6.輔助摩擦輪
4.3 溫度傳感器的選擇
表4-1 接觸式和非接觸傳感器比較
接觸的方式
接觸式
非接觸式
工作條件
要求溫度傳感器測溫元件和被測量的物體有比較好的接觸：被測量的物體不能對元件產(chǎn)生破壞，同時，被測量物體的溫度不能超過元器件承受范圍，以及元機(jī)器的加入不影響物體本來的溫度。
元器件不予被測量物體接觸，但是要求能夠準(zhǔn)確知道被測物體輻射量，而且輻射量能被元器件充分接受。
測量范圍
從上面的描述可以知道，溫度適合在1200℃之下，當(dāng)溫度大于1300攝氏度時就不好測量。
理論上來說，能夠測量的范圍很大，從較低溫度到較大的溫度都可以，但是當(dāng)溫度低于1000攝氏度以下的時候，測量誤差較大。
測量的精度
查詢工業(yè)上的用表可以知道精度等級有：0.1、0.2/1.0和1.5
一般是1.0、1.5和2.5級
響應(yīng)快慢
較慢，一般是幾十秒到幾分鐘
較快，一般二到三秒
額外特征
零件體積小，系統(tǒng)簡單，維修簡單，間隔不高，測量的溫度真實
體積較大，系統(tǒng)復(fù)雜，價格高，測量溫度是物體表面的，維修麻煩
通過列表對比我們可以知道，要求傳感器有很好的工作特性，體積小，維修方便，測量的溫度要真實，這樣系統(tǒng)才能更好的工作。溫度傳感器測溫元件和被測量的物體有比較好的接觸：被測量的物體不能對元件產(chǎn)生破壞。
同時，被測量物體的溫度不能超過元器件承受范圍，以及元機(jī)器的加入不影響物體本來的溫度。溫度傳感器具有比較大的優(yōu)點，打印機(jī)的設(shè)計當(dāng)中，我們選擇溫度傳感器具有很多優(yōu)點，比較適合本次設(shè)計選用。
為了選擇更加的合理和科學(xué)性，我們對選擇再次進(jìn)行列表格比較，主要比較的內(nèi)容是傳感器的測量范圍和測量時候的精度以及測量有什么優(yōu)缺點，會得到更加合理的選擇。溫度傳感器用于測定加工平面溫度是否達(dá)到材料所需溫度，溫度傳感器應(yīng)安裝于加工平面底部。
工作原理：熱電偶或熱電阻傳感器將被測溫度轉(zhuǎn)換成電信號，再將該信號送入變送器的輸入網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包含調(diào)零和熱電偶補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)電路。經(jīng)調(diào)零后的信號輸入 到運(yùn)算放大器進(jìn)行信號放大，放大的信號一路經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換器計算處理后以4－20mA直流電流輸出；另一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器處理后到表頭顯示。變送器的線性化電路有兩種，均采用反饋方式。對熱電阻傳感器，用正反饋方式校正，對熱電偶傳感器，用多段折線逼近法進(jìn)行校正。一體化數(shù)字顯示溫度變送器有兩種顯示方式。LCD顯示的溫度變送器用兩線制方式輸出，LED顯示的溫度變送器用三線制方式輸出。
最終選擇溫度傳感器如下：
產(chǎn)品型號:CRZ2005-1000性能和參數(shù)解釋如下
1)、鉑電阻元件的溫度系數(shù)TCR
TCR=R100-R0/ R0×100
其中，R100為在100℃時的電阻值，R0為在0℃時的電阻值
2)、鉑電阻元件的溫度-電阻特性
RT=R0[1+aT-bT2-cT3 (T-100)]
RT--在溫度T時的電阻值，R0--在零度時的電阻值
a b c系數(shù)，TCR=0.003851時的系數(shù)如表1：
表4-2
溫度
a
b
c
T＜0
3.90802×10-3
5.80195×10-7
4.27351×10-12
T≥0
3.90802×10-3
5.80195×10-7
0
3)、鉑電阻元件的誤差表
表4-3
級 別
零度時阻值誤差（%）
溫 度 誤 差（℃）
溫度系數(shù)TCR誤差(ohm/ohm/℃)
1/3DIN
±0.04
±(0.10+0.0017|T|)
0.003851±0.000004
A
±0.06
±(0.15+0.002|T|)
0.003851±0.000005
B
±0.12
±(0.30+0.005|T|)
0.003851±0.000012
2B
±0.25
±(0.60+0.01|T|)
0.003851±0.000024
4)、鉑電阻元件的穩(wěn)定性
鉑電阻元件有良好的長期穩(wěn)定性。例如CRZ-1632在400℃時持續(xù)300小時，0℃時的最大溫度漂移僅為0.02℃。
4.4 基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)加熱裝置設(shè)計
通過查閱相關(guān)資料，ABS材料熔融溫度為220°C, PVA材料熔融溫度為240°C。 根據(jù)ABS材料特性，當(dāng)加熱溫度達(dá)到240笆時，繼續(xù)升溫，會造成ABS材料熱降解， 熔融黏度增大，不利于材料擠出泵抽送，并且制件的機(jī)械性能也會有所下降。此外，ABS塑料中含有丁二烯，當(dāng)溫度較高時，一些塑料顆粒會粘附在加熱腔流道內(nèi)不便于清理，當(dāng)處于持續(xù)高溫的環(huán)境下時粘附的ABS固體顆粒會降解或者碳化，最終將會變成黃色或褐色的焦化的顆粒，隨著流動的絲材粘附到所打印的工件上，而且不方便后期進(jìn)行處理。故為了保證成型質(zhì)量，ABS絲材的加熱溫度將控制在23OC左右， PVA絲材的加熱溫度穩(wěn)定在240°C左右。
外部管身采用PEEK（聚醚醚酮）耐熱塑料制成。喉管采用不銹鋼內(nèi)襯PTFE（特氟龍）制成，耐高溫且耗材不易粘結(jié)。噴嘴一般采用黃銅加工制成，分為可拆卸式和與加熱塊一體式，孔徑通常從0.2-0.8不等。加熱棒一般采用24V、30V。
基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，其加熱部分主要位于擠出機(jī)構(gòu)以及加熱平臺上，起到加熱固態(tài)絲材以及保溫的作用。其中加熱工作主要由加熱棒及熱床完成，溫度控制則通過控溫器和熱電偶進(jìn)行控制。
4.5 加熱元件及其工作原理
3D打印機(jī)的加熱棒，即單端電熱管、彈筒電熱管（Cartridge Heaters）,是電熱管（管狀電熱元件）的一種。單頭電熱管典型結(jié)構(gòu)（最大眾化的結(jié)構(gòu)）和電熱管是一樣 的，一般由7個部分組成：絕緣子、封口材料、引岀棒、填充料、電熱絲、金屬護(hù)套 管、接線端。螺旋電熱絲與引出棒位于金屬護(hù)套管的中央，它的制造工藝是將螺旋型 電熱絲穿入無縫鋼管、銅管或者鋁管內(nèi)，其間隙處通過多管填充機(jī)均勻地填充絕緣且 導(dǎo)熱的氧化介質(zhì)，如結(jié)晶氧化鎂粉（也可用氧化鋁或潔凈石英砂等），然后用縮管機(jī) 將管徑縮細(xì)，使氧化物介質(zhì)密實（密度達(dá)到3.3xlO5kg/m3以上），保證電熱絲與空氣 隔絕，中心位置不因發(fā)生偏移而碰及管壁。這樣，單位面積發(fā)熱量就可增加十幾倍， 使用壽命也可以相應(yīng)的提高至10年以上。與同熱量的電熱兀件相比而言，管狀電熱 管熱效率可達(dá)到90%以上，能夠節(jié)約5%左右的電熱材料。所釆用的加熱棒如圖6-6所示，不銹鋼電加熱管是以金屬管為外殼，管內(nèi)分布有 均勻的電熱金屬絲，一般由鐐銘、鐵銘合金組成。管口和兩端由絕緣絕熱的硅膠構(gòu)成, 中間空隙部分填充有絕緣導(dǎo)熱的氧化鎂砂〔44］。依據(jù)加熱能力，選用中、低功率密度的 加熱棒，其發(fā)熱區(qū)電熱管外表面積功率5-llW/cm2,工作溫度W300°C。
4.6 電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)性能比較
步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動裝置，它與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著極為緊密的聯(lián)系,在目前步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛,隨著全球數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服系統(tǒng)為適應(yīng)發(fā)展趨勢，運(yùn)動控制打都采用步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)，兩者雖然在控制方式都有脈沖串和方向信號控制，但在使用場合和性能上卻存在著比較大的差異，現(xiàn)在對二者的使用性能進(jìn)行比較。
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。
1)、控制的方式不同
步進(jìn)電機(jī)：通過控制脈沖的個數(shù)控制轉(zhuǎn)動角度的，一個脈沖對應(yīng)一個步距角。伺服電機(jī)：通過控制脈沖時間的長短控制轉(zhuǎn)動角度。
2)、工作流程不同
步進(jìn)電機(jī)：工作流程為步進(jìn)電機(jī)工作一般需要兩個脈沖：信號脈沖和方向脈沖。伺服電機(jī)：其工作流程就是一個電源連接開關(guān)，再連接伺服電機(jī)。
3)、低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)：在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。伺服電機(jī)：運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。
4)、矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)：輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300～600r/min。伺服電機(jī)：為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為 2000 或 3000 r/min）以內(nèi)，輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
5)、過載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般是不具有過載能力的,而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力，以松下伺服位列，它具有速度過載與轉(zhuǎn)矩過載能力,其最大轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩速度的三倍，能夠用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間較大的慣性力矩，步進(jìn)電機(jī)由于不具備這種過載能力，因此在選型時往往會選取較大轉(zhuǎn)矩的發(fā)動機(jī)，但機(jī)器在正常工作期間又不需要如此大的力矩，就出現(xiàn)力矩浪費的現(xiàn)象。
現(xiàn)在，從控制系統(tǒng)的角度簡述步進(jìn)電機(jī)作為伺服系統(tǒng)源動機(jī)的原因。
選用步進(jìn)電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的源動機(jī)，其優(yōu)勢在于：
⑴電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍；
⑵由于電機(jī)轉(zhuǎn)動受脈沖信號控制，因此具有良好的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；
⑶步進(jìn)電機(jī)過載性好，負(fù)載的大小不會影響步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而普通電機(jī)，加大 載荷時就會出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，步進(jìn)電機(jī)使用時對轉(zhuǎn)速和位置都有嚴(yán)格要求;
⑷控制方便。由于步進(jìn)電機(jī)采用“步”作為單位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，數(shù)字特征比較明顯, 因此便于控制；
所以選擇步進(jìn)電機(jī)為動力源電機(jī)，伺服電機(jī)為擠出機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)。
5 噴頭的選用
5.1 熔融擠出系統(tǒng)對噴頭系統(tǒng)的基本要求
將成型料絲送人液化器中,在其中及時而充分地熔