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一、選題依據(jù)
1．論文（設(shè)計(jì)）題目
Prusa i3 型 3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)
2．研究領(lǐng)域
機(jī)械設(shè)計(jì)
3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
3D 打印機(jī)技術(shù)是機(jī)械制造中進(jìn)行復(fù)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(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)準(zhǔn)確的完成造型，不再需要再借助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，極大的降低了新品開發(fā)的成本及風(fēng)險(xiǎn)。到目前為止，各類 3D 打印機(jī)設(shè)備上所使用的材料種類有很多，樹脂、尼龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末，基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)材料的機(jī)械性能需求。
3D 打印技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在醫(yī)療行業(yè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品原型、文物保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)、制造業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、汽車制造業(yè)和配飾制造等領(lǐng)域中，為這些領(lǐng)域帶來革命性的改變。在工業(yè)中，3D 打印機(jī)很難用于批量生產(chǎn)，因?yàn)閷?duì)比于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)還有一定的障礙，所以在工業(yè)中一般用于產(chǎn)品的開發(fā)研制，設(shè)計(jì)師可以把設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品用 3D 打印機(jī)很快地制造出來，然后根據(jù)實(shí)際需要來繼續(xù)下一步的研發(fā)，大大降低了研發(fā)的成本，還提升了研發(fā)速度。3D 打印機(jī)還可以用于藝術(shù)雕塑品的制作，有些工藝設(shè)計(jì)品難以用傳統(tǒng)工藝制造出來，而利用 3D 打印機(jī)，只需把作品的模型參數(shù)輸入電腦， 打印出來，而且還打破了材料的局限和工藝的限制，使得藝術(shù)品更具可觀性。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
第一臺(tái)商用的 3D 打印機(jī)出現(xiàn)在 1986 年，但 3D 打印技術(shù)的真正確立是以美國(guó)麻省理工大學(xué)的 Scans E.M. 和 Cima M.J.等人于 1991 年申報(bào)的關(guān)于三維打印專利為標(biāo)志的。目前，在 3D 打印領(lǐng)域比較著名的公司有 3D System、Z-Corporation、Object
Geometries 等。在國(guó)外，經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D 打印技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步， 目前已經(jīng)能夠在 0.01mm 的單層厚度上實(shí)現(xiàn) 600dpi 的精細(xì)分辨率。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(fèi)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(fù)雜而精細(xì)的造型。
在國(guó)內(nèi)，自 20 世紀(jì) 90 年代以來，國(guó)內(nèi)多所高校開展了 3D 打印技術(shù)的自主研發(fā)。中國(guó)科技大學(xué)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(yīng)用。但總體而言，國(guó)內(nèi) 3D 技術(shù)的研發(fā)水平還有較大差距。我國(guó)港臺(tái)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(yīng)用更為廣泛，但并非自主研發(fā)。國(guó)產(chǎn) 3D 打
10
印機(jī)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(jìn)一步提升。
3D 打印既是制造業(yè)，更是服務(wù)業(yè)。3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈涉及到很多環(huán)節(jié)，包括 3D 打印機(jī)設(shè)備制造商、3D 模型軟件供應(yīng)商、3D 打印機(jī)服務(wù)商和 3D 打印材料的供應(yīng)商。因此圍繞 3D 打印的產(chǎn)業(yè)鏈會(huì)產(chǎn)生很多機(jī)會(huì)。
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(yīng)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(shì)。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(xué)和物理性能， 以實(shí)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(fù)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(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)；3D 打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉， 操作更簡(jiǎn)便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實(shí)現(xiàn) CAD/CAPP/RP 的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造，拓展 3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。
從長(zhǎng)期來看，3D 打印技術(shù)其實(shí)就是顛覆性、破壞性的技術(shù)。盡管 3D 打印主要適用于小批量生產(chǎn)，但是其打印的產(chǎn)品可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品——更輕便、更堅(jiān)固、定制化、直接組裝成型。3D 打印的另一個(gè)顛覆性特征是：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)器能創(chuàng)建各種完全不同的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)制造方式需要改變流水線才能完成定制生產(chǎn)，其過程需要昂貴的設(shè)備投資和長(zhǎng)時(shí)間的工廠停機(jī)。不難想象，未來的工廠可以用同一個(gè)車間的 3D 打印機(jī)既制造茶杯，又制造汽車零部件和量身定制的醫(yī)療產(chǎn)品。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問題
（1）3D 打印機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
（2）3D 打印機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)計(jì)算
（3）3D 打印機(jī)擠出機(jī)噴頭設(shè)計(jì)
2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
通過設(shè)計(jì)計(jì)算，CAD/SOLIDWORKS 繪圖，查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，參考文獻(xiàn)等相關(guān)設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行 3D 打印快速模型制造設(shè)備的設(shè)計(jì)并最終完成 3D 打印機(jī)的零件圖、裝配圖、CAD 圖及相關(guān)設(shè)計(jì)說明書。
論文寫作大綱：
1．緒論
1.1 三維打印技術(shù)簡(jiǎn)介
1.2 3D 打印機(jī)概述
1.3 國(guó)內(nèi)外 3D 打印機(jī)技術(shù)水平及發(fā)展概況
1.4 3D 打印機(jī)工作原理及過程
1.5 設(shè)計(jì)思路及主要問題
2. 總體設(shè)計(jì)方案選擇
3. 3D 打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 總體框架設(shè)計(jì)
3.2 X、Y 軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
3.3 Z 軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
3.4 噴頭、擠出機(jī)設(shè)計(jì)
3.5 X、Y、Z 軸限位方式設(shè)計(jì)
4. 傳動(dòng)元件及傳感器選擇
4.1 絲杠選擇
4.2 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)對(duì)比選擇
4.3 限位傳感器選擇
4.4 溫度傳感器選擇
5. 總結(jié)
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
（1）3D 打印機(jī)總體設(shè)計(jì)方案
（2）3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
（3）3D 打印機(jī) CAD 圖紙
（4）3D 打印機(jī) SW 裝配建模
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
對(duì) 3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)合理的機(jī)構(gòu)并進(jìn)行計(jì)算，并選擇合理的傳動(dòng)方式，最終完成對(duì) 3D 打印機(jī)的研究。
2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第
1
周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解設(shè)計(jì)內(nèi)容；
第
2
周：初步方案設(shè)計(jì)；
第
3
周：總體方案設(shè)計(jì)；
第
4
周：撰寫并完善開題報(bào)告；
第
5~6
周：3D 打印機(jī)噴頭部分研究設(shè)計(jì)；
第
7~9
周：3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)各部分零部件設(shè)計(jì)計(jì)算；
第
10
周：3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)各部分零部件設(shè)計(jì)計(jì)算；
第 11~12 周：繪制相關(guān)圖紙； 第 13 周：撰寫設(shè)計(jì)說明書；
第 14 周：完善畢業(yè)設(shè)計(jì)各項(xiàng)內(nèi)容，準(zhǔn)備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
文獻(xiàn)綜述
目前，桌面化快速成型系統(tǒng)作為快速成型技術(shù)的兩大發(fā)展方向之一，已成為國(guó)內(nèi)外快速成型領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。3D 打印是對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的一種顛覆性變革，有人甚至將
3D 打印機(jī)看成是第三次工業(yè)革命的影子，與蒸汽機(jī)和電力相提并論。作為新出現(xiàn)的一種制造產(chǎn)業(yè)，三維打印技術(shù)( there dimensional pirnitng,3DP)具有成本低、體積小、產(chǎn)品可具有多種顏色、可選擇多種材料、噪聲小、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
3DP 技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院 Emanual Sachs 等人研制的。3DP 技術(shù)改變了傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)模式, 真正實(shí)現(xiàn)了由概念設(shè)計(jì)向模型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。近幾年來,3DP 技術(shù)在國(guó)外得到了迅猛的發(fā)展。美國(guó) Z Corp 公司與日本 Riken Institute 于 2000 年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能夠作出彩色原型件的三維打印機(jī)。該公司生產(chǎn)的 Z400、Z406 以及 Z4810 打印機(jī)是采用 MT 發(fā)明的基于噴射粘結(jié)劑粘結(jié)粉末工藝的 3DP 設(shè)備。2000 年底以色列的 Object Geometries 公司推出了基于結(jié)合 3D Ink-Jet 與光固化工藝的三維打印機(jī) Qaudra。美國(guó) 3D Systems、荷 TNO 以及德國(guó) BMT 公司等都生產(chǎn)出自己研制的 3DP 設(shè)備。目前清華大學(xué)、西安交大、上海大學(xué)等國(guó)內(nèi)科研院所也在積極研發(fā)此類設(shè)備。3DP 技術(shù)在國(guó)外的家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域已得到了較為廣泛的應(yīng)用, 但在國(guó)內(nèi)尚處于研究階段。
目前，已實(shí)現(xiàn)商品化的 3D 打印機(jī)共涵蓋了七類工藝，其中以 SLA、SLS、FDM 和
3D 打印等為主。
光固化打印( SLA) 是采用紫外光在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行掃描，每次生成一定厚度的薄層，從底部逐層生成物體。其優(yōu)點(diǎn)是原材料的利用率將 100%，尺寸精度高(±
0.1 mm)，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型; 缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，可用材料種類有限，制成品在光照下會(huì)逐漸解體。
選擇性激光燒結(jié)打印( SLS) 是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結(jié)在一起形成零件。SLS 工藝的優(yōu)點(diǎn)是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等，打印時(shí)無需支撐，打印的零件機(jī)械性能好、強(qiáng)度高; 缺點(diǎn)是材料粉末比較松散，燒結(jié)后成型精度不高，且高功率的激光器價(jià)格昂貴。
熔融沉積打印( FDM) 是采用熱融噴頭，使塑性纖維材料經(jīng)熔化后從噴頭內(nèi)擠壓而出，并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、體積小、生成操作難度相對(duì)較小; 缺點(diǎn)是成型件的表面有較明顯的條紋，產(chǎn)品層間的結(jié)合強(qiáng)度低、打印速度慢。
3D 打印是采用類似噴墨打印機(jī)噴頭的工作方式，這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十分類似，只是將激光燒結(jié)過程改為噴頭粘結(jié)，光柵掃描器改為粘結(jié)劑噴射頭。其優(yōu)點(diǎn)是打印速度快、價(jià)格低; 缺點(diǎn)是打印出來的產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度不高。
隨著 3D 打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，“大批量的個(gè)性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D 打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式， 創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。3D 打印技術(shù)發(fā)展帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的進(jìn)步使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的能力，特別是形成適應(yīng)全球市場(chǎng)上豐富多樣的客戶群，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計(jì)、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，使生產(chǎn)模式、商業(yè)模式等多個(gè)方面發(fā)生根本性的變化。
同立體印刷、疊層實(shí)體制造和選擇性激光燒結(jié)快速成形技術(shù)相比, 3DP 不需要昂貴的激光系統(tǒng), 具有設(shè)備價(jià)格便宜、運(yùn)行和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。與熔融沉積快速成形技術(shù)相比,3DP 可以在常溫下操作,具有運(yùn)行可靠,成形材料種類多和價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。此外, 與其它 RP 系統(tǒng)相比,3DP 還有操作簡(jiǎn)單、成形速度快、制件精度高、成形過程無污染, 適合辦公室環(huán)境使用等優(yōu)點(diǎn)。因此, 3DP 被認(rèn)為是 RP 行業(yè)中最有生命力的新技
術(shù)之一, 具有良好的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。
利用3DP 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的概念原型件制造是建立從概念信息到物理實(shí)現(xiàn)的最直接方式。概念原件可以用于展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體概念、立體形態(tài)和布局安排, 進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià),如在建筑設(shè)計(jì)上, 利用 3DP 技術(shù)制作的大樓或橋梁等建筑物模型, 可以幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行評(píng)價(jià)和確定最終方案。醫(yī)學(xué)上根據(jù) CT 或 MRI 的數(shù)據(jù), 應(yīng)用3DP 技術(shù)可以快速精確地制造人體的骨骼和軟組織等器官模型, 可以幫助醫(yī)生進(jìn)行病情診斷、術(shù)前討論和最終治療方案的確定。概念原型件還可作為產(chǎn)品的展示模型, 進(jìn)行產(chǎn)品的招投標(biāo)和新產(chǎn)品上市前的宣傳使用。利用 3DP 技術(shù)制造的功能原型件可以用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查.裝配干涉檢驗(yàn), 靜、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、物理和機(jī)械性能試驗(yàn)、人機(jī)工程試驗(yàn)等, 為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過 3DP 技術(shù)快速制造出產(chǎn)的功能原型件, 可以盡早地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試、檢查和評(píng)估, 縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)反饋的周期, 提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率, 大大降低產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本。
顯然，3D 打印技術(shù)給人類帶來新奇和進(jìn)步，但畢竟還是起步階段，有的還在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)之中，想要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)，并形成龐大的產(chǎn)業(yè)，還面臨巨大的挑戰(zhàn)。
首先，3D 打印需要 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）支撐。對(duì)于一般用戶來說，要學(xué)會(huì) CAD 等制作工具并非想像中那么簡(jiǎn)單。CAD 是指利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行與圖形編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。3D 打印制造神奇，CAD 是基礎(chǔ)。就像指揮官指揮戰(zhàn)爭(zhēng)一樣，一份標(biāo)示準(zhǔn)確的地圖往往決定戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)。CAD 是 3D 打印的基礎(chǔ)工程?；?3D 的 CAD 更加復(fù)雜精細(xì)，需要具有高超編程技術(shù)的專業(yè)人士操作。這樣的人才并非一般技術(shù)人員所能擔(dān)當(dāng)。
其次，知識(shí)產(chǎn)權(quán)將成為較大糾結(jié)。人們的想象力有多大，3D 打印的用途就有多廣。遺憾的是，打印對(duì)象副本，即使只是復(fù)制個(gè)人設(shè)計(jì)，這類行為仍然會(huì)產(chǎn)生知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。3D 打印被視作一門新興技術(shù)，雖然法律對(duì)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題尚未作出明確界定，而完全復(fù)制他人創(chuàng)意的做法還是不可取的。當(dāng) 3D 打印機(jī)組合一個(gè) 3D 掃描儀時(shí)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題將更為突出。掃描儀不僅可以復(fù)制外形，而且可以復(fù)制更為復(fù)雜的細(xì)節(jié)。這種行為要比抄襲專利或版權(quán)嚴(yán)重得多。犯罪分子可以用 3D 打印機(jī)設(shè)計(jì) ATM 提款卡、鑰匙、武器或其他危險(xiǎn)物品。
再次，價(jià)格優(yōu)勢(shì)還不明顯。在某些情況下，3D 打印產(chǎn)品最終耗費(fèi)的成本和零售店產(chǎn)品的價(jià)格差不多，目前條件下，3D 打印還不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)尚不明顯。所以對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品來說，不管你是打印多少件，價(jià)格都相差無幾。但是， 相信隨著 3D 技術(shù)的逐漸成熟，價(jià)格會(huì)慢慢降下來。
采用 3DP 系統(tǒng)制造的概念原型, 主要在于形狀、色彩等外觀表達(dá)功能, 而對(duì)材料的性能要求較低。可用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試或裝配, 可作為產(chǎn)品的展示模型、投標(biāo)模型等使用。由于 3DP 工藝能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和同時(shí)處理多種材料, 因此在特殊材料的成型和功能梯度成型方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì), 在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和微細(xì)加工領(lǐng)域等特殊成型場(chǎng)合。隨著快速成型技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展, 3DP 必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。