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一、畢業(yè)設計（論文）的課題背景 3D打印技術，又被稱為快速成型（Rapid Prototyping，RP）、分層制造（Layered Manufacturing，LM）和實體自由制造（Solid Free Fabrication，SFF）等，目前已在很多行業(yè)開展研究。3D打印時直接通過計算機輔助設計實現(xiàn)三維設計，不需要任何特定零件工具或模具，集成的3D打印有助于人們在幾乎任何地方參與設計過程，且可促進本地化工程打破壁壘而上升到一種國際化的規(guī)模。比起傳統(tǒng)的加工工藝，3D打印的優(yōu)勢在于大多數(shù)行業(yè)都可應用這種加工工藝。建筑行業(yè)的3D打印技術具有非常好的應用前景。 本課題組與材料學院相關課題組開展建筑材料3D打印的研究已經(jīng)多年。雖然3D打印技術已在各種領域應用，但建筑行業(yè)的3D打印設備根據(jù)不同材料特性和打印條件有不同需求，仍然需要進行研究。本課題針對現(xiàn)有打印設備中打印頭易磨損和堵塞，以及打印條件改變引起的設備不適應，如水下打印密封等問題進行研究，對相關結構進行改進設計，對促進建筑材料的3D打印研究具有實用價值。 二、畢業(yè)設計（論文）的技術參數(shù)（研究內容） 本課題主要針對材料實驗室現(xiàn)有的并聯(lián)桿式3D打印機存在的問題進行研究，對打印頭進行改進設計，適應水下打印要求。 技術參數(shù)： 打印材料：混凝土砂漿 打印目標尺寸范圍：200*200*200mm 打印頭平面精度要求：1mm，暫定 打印速度：>=1mm/s，暫定 三、畢業(yè)設計（論文）應完成的具體工作 1、打印裝置三通閥的結構改進設計； 2、打印頭的防水密封結構設計； 3、打印頭的成型刮板設計； 4、完成設計說明書。 四、畢業(yè)設計（論文）進度安排 序 號 設計（論文）各階段名稱 時間安排（教學周） 1 調研，搜集資料，完成開題報告 3.5-3.16 2 方案設計，基本尺寸確定，元器件選型 3.19-3.30 3 三通閥改進設計 4.2-4.13 4 打印頭防水密封結構設計 4.16-5.11 5 打印頭刮板設計 5.14-6.8 6 整理論文，準備答辯 6.11-6.22 同組學生姓名：無 五、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 濮貴良，陳國定，吳立言. 機械設計[M]. 9版. 高等教育出版社,2013.5,(2):22-36. [2] 成大先. 機械設計手冊[M] 5版. 化學工業(yè)出版社,2018.5. [3] 潘強，朱美華，童建華. 工程材料[M]. 2版. 上?？茖W技術出版社.2005.9,(1):6-20. [4] 王運贛，王宜. 3D打印技術[M]. 1版. 華中科技大學出版社,2014.7(1):3-11. [5] [美]阿米特·班德亞帕德耶，薩斯米塔·博斯主編，王文先，葛亞瓊，崔澤琴等譯. 3D打印技術及其運用. [M]. 1版. 機械工業(yè)出版社，2017.9,(1):4-10. [6] 謝秀良.泵送混凝土堵管原因分析及處理[N] 吉林工程技術師范學院學報,2011.3. 27卷第3期， https://wenku.baidu.com/view/e1199cf9f78a6529657d53d0.html?from=search； [7] 3D打印機系統(tǒng)設計[J].哈爾濱工業(yè)大學航天學院自動化11級專業(yè)課程設計.(1)-(3) https://wenku.baidu.com/view/17a6a2e3bcd126fff7050bef.html?from=search； [8] 氣動三通閥[J].亞洲閥門，臺灣品質產(chǎn)品使用手冊.(1) https://wenku.baidu.com/view/1539969208a1284ac9504346.html?from=search； [9] Bargelis, A； Ausmanas, N. Consideration of Automate 3D Printing Technology in Future Manufacturing[J]. Mechanika, 2014, (1): 20-25 [10] Mai, Jingeng;Zhang, Lin;Ren, LeiTao, Fei;. Customized production based on distributed 3D printing services in cloud manufacturing[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, (4): 71-83 一、畢業(yè)設計（論文）課題背景（含文獻綜述） 1、 3D打印技術的概念及其發(fā)展歷程 3D打印是一種高速發(fā)展并被集成到制造業(yè)和我們日常生活中的技術，在商業(yè)領域中廣為人知，也被叫做不同的名稱，如快速成型（Rapid Prototyping，RP）、分層制造（Layered Manufacturing，LM）和實體自由制造（Solid Free Fabrication，SFF）等。3D打印時直接通過計算機輔助設計實現(xiàn)三維設計，并且不需要任何特定零件工具或模具的一種成型方法。集成的3D打印有助于人們在幾乎任何地方參與設計過程，且可促進本地化工程打破壁壘而上升到一種國際化的規(guī)模。正如互聯(lián)網(wǎng)賦予為我們從任何位置傳播和訪問信息的能力一樣，數(shù)字化設計和計算機輔助設計本質上使人們可以從任何地方開展、修改和評價設計，因此3D打印的設計可以從幾乎任何地方產(chǎn)生和測試，而且僅需要很少的時間。 3D打印技術發(fā)展與20世紀80年代。剛開始叫做立體光刻（Stereolithography，SLA）。隨著激光技術的進步以及所使用材料和工藝的創(chuàng)新，Chuck Hull讓這個概念成為了現(xiàn)實。并且在1986年創(chuàng)立了第一家開發(fā)和制造3D打印機的公司——3D Systems。自此，3D打印技術在世界各地引發(fā)了人們的極大興趣，并且開始飛速發(fā)展。但是在1990年之前，這些技術都是適用于聚合物材料，一直沒有加工其他諸如金屬或陶瓷等材料的能力。這些聚合物材料制作出的原型并不能投入實際使用，于是又有了更多的公司，更多的高校開始 進行探索。 由于歷史上這些眾多的技術和公司的出現(xiàn)，3D打印行業(yè)一直積極地不斷擴大、成長和與時俱進。眾多行業(yè)都意識到3D打印行業(yè)的豐厚利潤和前景，因而其市場發(fā)展更為迅速。從1988年第一臺3D打印機出現(xiàn)到2017年3D打印市場預計達到34.7億美元。我們有理由相信，隨著技術和可用性的持續(xù)增長，3D打印技術將繼續(xù)深入地集成到工業(yè)生產(chǎn)和我們的個人生活當中。 2、 3D打印的現(xiàn)狀及概述 現(xiàn)在3D打印技術已經(jīng)發(fā)展大奧一個準備實現(xiàn)工業(yè)化應用的狀態(tài)。比起傳統(tǒng)的加工工藝，它的優(yōu)勢在于大多數(shù)行業(yè)都對這種加工工藝感興趣，因為它有著其他工藝所不具備的來源于設備本身的巨大優(yōu)勢，3D打印設備可以通過逐層建造系統(tǒng)來創(chuàng)造復雜的幾何體，以往不能使用任何其他制造方法制造的零件，現(xiàn)在也能使用這種技術制造出來。目前3D打印技術在藝術，航空航天，醫(yī)療等領域都有應用，因為有很大的可能被整合到工業(yè)生產(chǎn)中，所以使得它成為一種有前途的新型加工工藝，也是我們去研究它的原因。 而且3D打印所具有的優(yōu)點是巨大的。包括前文中所說的隨時隨地，隨心所欲的設計；在制造業(yè)中的多功能性；可以增強材料的性能等等。 但3D打印技術要進一步擴展其產(chǎn)業(yè)應用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠不適應大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術的普及將使產(chǎn)品更容易被復制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權保護機制難以適應產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。 隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。 足以發(fā)現(xiàn)，3D打印前景十分被看好，是未來的主旋律，對于3D打印的了解和研究是我們的必修課。 3、 基于現(xiàn)有的3D打印機所面對的問題 目前混凝土材料實驗室3D打印機的工作原理：首先將要打印的零件或對象用CAD或者其他類型的計算機輔助設計軟件建好模型，將文件格式轉為STL格式，最后系統(tǒng)在計算機上將該零件在最易于加工的方向分割成多層的形式，通過不同的方法使材料沉積或凝固，逐層疊加，直到零件制作完成。 現(xiàn)有機器所面臨的問題：一是打印材料為砂漿，三通閥易磨損；二是三通閥易堵塞；三是在水下打印時，閥體沒有良好的密封，會進水；四是噴頭為圓柱體，打印出來的產(chǎn)品也是圓柱體的疊加而不能得到長方體磚塊狀，不美觀，需要邊打印，邊切削。 目前這些問題都亟待解決，因此選擇此課題具有很重要的現(xiàn)實意義。 二、畢業(yè)設計（論文）方案介紹（主要內容） 1、 對于現(xiàn)有3D打印機的工作原理及存在問題分析 現(xiàn)有的3D打印機是運用在建筑上的，所用材料是砂漿，經(jīng)過管道與三通閥和打印噴頭連接進行打印。由于材料和機構的原因，目前存在許多問題： ①材料為砂漿因此閥體的內部容易磨損，針對于此，在不提高太多預算的前提下，考慮選用更耐磨的材料； ②三通閥內部的凹槽部分在換向的時候容易堵塞，針對于此，考慮對內部結構進行改進設計或另外選型； ③在水下打印的時候，三通閥沒有良好的密封，換向時閥體易進水，針對于此，在基于原有的打印機結構基礎上，考慮增加一個密封機構； ④噴頭是圓柱體，打印出來的結構會產(chǎn)生圓柱狀的凸起而得不到想要的長方體形狀，因此基于原有打印機機構基礎上，增加一個刮板機構。 2、 基于水下打印的打印頭結構改進設計 ①、三通閥的改型設計 對三通閥進行受力分析，材料所需性能分析，選用更合理的三通閥。 ②、打印頭的密封設計 基于現(xiàn)有的打印機結構，確定所需密封裝置的尺寸范圍，基于尺寸確定密封裝置的結構以及所需要的強度，再基于裝置的材料和尺寸進行強度校核。 ③、打印成型刮板設計 現(xiàn)有的打印機對刮板裝置留有充足的余量，首先確定尺寸范圍，確定裝置的結構，再基于所設計裝置的材料和尺寸進行強度校核 三、畢業(yè)設計（論文）的主要參考文獻 [1] 濮貴良，陳國定，吳立言. 機械設計[M]. 9版. 高等教育出版社,2013.5,(2):22-36. [2] 成大先. 機械設計手冊[M] 5版. 化學工業(yè)出版社,2018.5. [3] 潘強，朱美華，童建華. 工程材料[M]. 2版. 上?？茖W技術出版社.2005.9,(1):6-20. [4] 王運贛，王宜. 3D打印技術[M]. 1版. 華中科技大學出版社,2014.7(1):3-11. [5] [美]阿米特·班德亞帕德耶，薩斯米塔·博斯主編，王文先，葛亞瓊，崔澤琴等譯. 3D打印技術及其運用. [M]. 1版. 機械工業(yè)出版社，2017.9,(1):4-10. [6] 謝秀良.泵送混凝土堵管原因分析及處理[N] 吉林工程技術師范學院學報,2011.3. 27卷第3期， https://wenku.baidu.com/view/e1199cf9f78a6529657d53d0.html?from=search； [7] 3D打印機系統(tǒng)設計[J].哈爾濱工業(yè)大學航天學院自動化11級專業(yè)課程設計.(1)-(3) https://wenku.baidu.com/view/17a6a2e3bcd126fff7050bef.html?from=search； [8] 氣動三通閥[J].亞洲閥門，臺灣品質產(chǎn)品使用手冊.(1) https://wenku.baidu.com/view/1539969208a1284ac9504346.html?from=search； [9] Bargelis, A； Ausmanas, N. Consideration of Automate 3D Printing Technology in Future Manufacturing[J]. Mechanika, 2014, (1): 20-25 [10] Mai, Jingeng;Zhang, Lin;Ren, LeiTao, Fei;. Customized production based on distributed 3D printing services in cloud manufacturing[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, (4): 71-83 四、審核意見 指導教師審核意見：（針對選題的價值及可行性作出具體評價） 本課題組與材料學院相關課題組開展建筑材料3D打印的研究已經(jīng)多年。雖然3D打印技術已在各種領域應用，但建筑行業(yè)的3D打印設備根據(jù)不同材料特性和打印條件有不同需求，仍然需要進行研究。本課題針對現(xiàn)有打印設備中打印頭易磨損和堵塞，以及打印條件改變引起的設備不適應等問題進行研究，對相關結構進行改進設計，對促進建筑材料的3D打印研究具有實用價值。 研究內容充實，研究方案合理，同意開題。 指導教師簽名 年 月 日