基于3D打印的錐齒輪系的設(shè)計(jì)與制作含4張CAD圖.zip,基于,打印,齒輪,設(shè)計(jì),制作,CAD 基于3D打印的錐齒輪系設(shè)計(jì)與制作 摘要：本課題是針對(duì)基于3D打印的錐齒輪系設(shè)計(jì)與制作，本文主要介紹了什么是3D打印，3D打印的發(fā)展歷程，它的不同的打印原理及3D打印相較于傳統(tǒng)打印的優(yōu)缺點(diǎn)。另外本文介紹了3D打印機(jī)的種類，不同種類打印機(jī)的工作原理和打印材料的選擇，并進(jìn)行錐齒輪系的設(shè)計(jì)和計(jì)算。 重點(diǎn)論述了錐齒輪系的下箱座和軸承零件的制作過程，主要包括，選擇3D打印工藝和3D打印機(jī)來確定打印方案，根據(jù)打印的精度要求不高，還有成本問題，因此我們確定采用FDM熔融沉積成型( Fused Deposition Modeling ) 工藝，也叫材料擠出成型，控制好材料的加工溫度以確保能很好的快速成型。 通過加熱能使材料處于熔融狀態(tài)，即半流動(dòng)狀態(tài)，然后通過小噴頭擠壓出很細(xì)小的材料，通過電機(jī)的伺服控制來控制小噴頭的移動(dòng)，從而在打印平臺(tái)上勾畫出二維平面模型，通過絲杠的軸向移動(dòng)，層層累加的方式完成真?zhèn)€打印過程。使用的打印材料為最普通的ABS材料。該技術(shù)的難點(diǎn)是要控制好打印的溫度以確保打印材料能處于一種半流動(dòng)狀態(tài)的熔融狀態(tài)。另外對(duì)噴頭也有很高的精度要求，從噴頭擠壓出的打印工程材料很薄，每層厚度不到一毫米，因此速度很慢，打印一個(gè)零部件要花很長(zhǎng)時(shí)間，該工藝運(yùn)行安全，系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡(jiǎn)單。選擇的打印機(jī)類型為I3， 這種打印機(jī)應(yīng)用最為普遍，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制作成本低，打印的成品效果能滿足一般的需求。當(dāng)打印工藝、打印材料、打印機(jī)選擇好之后，通過設(shè)計(jì)計(jì)算錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，，繪制二維的裝配圖和零件圖，并進(jìn)行錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)下箱體和軸承的三維建模，使用的是Solidworks建模軟件，建模結(jié)束后進(jìn)行裝配修正，最后打印成實(shí)物模型。 關(guān)鍵詞：3D打印，Solidworks，錐齒輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)，三維造型 Design and Fabrication of Bevel Gear System Based on 3D Printing Abstract: This design is for the design and manufacture of bevel gears based on 3D printing. The 3D printing process and 3D printer are used to determine the printing scheme. According to the requirements of printing accuracy and cost, we determine the use of FDM fused deposition. The Fused Deposition Modeling process, also known as material extrusion, controls the processing temperature of the material to ensure good rapid prototyping. By heating, the material can be in a molten state, that is, a semi-fluid state, and then a very small material is extruded through a small nozzle, and the movement of the small nozzle is controlled by the servo control of the motor, so that a two-dimensional planar model is outlined on the printing platform. Through the axial movement of the screw, the printing process is completed in layers. The printing material used is the most common ABS and PC material, so it can control the cost very well, but it also has a higher surface roughness of the printed product, a poor finish, and unevenness. The difficulty of this technology is to control the printing temperature so as to ensure that the printing material can be in a semi-flowing molten state. In addition to the nozzle has a very high precision requirements, the printing engineering material extruded from the nozzle is very thin, each layer thickness is less than a millimeter, so the speed is very slow, it takes a long time to print a part, the process is safe, The system construction principle and operation are simple, and the printed product does not require subsequent processing. The type of printer selected is I3. This type of printer is most commonly used because it is simple in structure and low in production cost, and the printed product can meet general requirements. The principle is that the print carrier platform moves on the Y-axis through a timing belt, and the nozzle moves on the X and Z axes, so that the nozzle can be anywhere in the entire space. The biggest advantage is that the structure is simple and each motor is responsible for one axis. The movement can be easily controlled and controlled through the control panel. When the printing process, printing materials and printers are selected, the bevel gear transmission system is designed and calculated, and the selection and verification of axes, bearings, and keys are performed. The two-dimensional assembly drawings and parts drawings are drawn, and the bevel gear transmission system is used. The three-dimensional modeling of the box and the bearing is based on the Solidworks modeling software. After the modeling is completed, the assembly is corrected and finally printed into a physical model. Keywords: 3D printing, Solidworks, , 3D modeling, bevel gear system V 目錄 1 緒論 1 1.1 3D打印簡(jiǎn)介 1 1.2 3D打印的發(fā)展 1 1.3 3D打印的原理 1 1.4 3D打印的優(yōu)缺點(diǎn) 2 1.5 3D打印工藝 3 2 3D打印機(jī)概述 6 2.1 3D打印機(jī)工作原理 6 2.2 3D打印機(jī)的種類 7 2.3 3D打印材料的選擇 8 3 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3.1 傳動(dòng)方案的確定 9 3.2 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算 9 3.3 傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.3.1 高速級(jí)錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.3.2 低速級(jí)斜齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 13 3.4 齒輪上作用力的計(jì)算 17 3.4.1 高速級(jí)齒輪傳動(dòng)的作用力 17 3.4.2 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的作用力 18 3.5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.6 軸承壽命校核 19 3.7 鍵的選擇及校核 20 4 3D打印流程 22 4.1 打印材料和打印機(jī)的選擇 22 4.2 打印位置的確定 22 4.3 打印的零件 24 4.4.1 零件的三維建模 24 4.4.2 文件格式轉(zhuǎn)換 25 4.5 打印填充方式的選擇 26 4.6 切片處理 27 4.6.1 下箱體的切片處理 27 4.6.2 軸承的切片處理 29 4.7 下箱體和軸承的后期處理 29 4.8 軸承和下箱體成品 30 5 總結(jié) 33 參考文獻(xiàn) 34 致謝 35 1緒論 1.1 3D打印簡(jiǎn)介 3D打印技術(shù)也被稱為增材制造制造技術(shù)，它是相對(duì)于傳統(tǒng)的減材機(jī)械加工而言的。因?yàn)樵谡麄€(gè)零件產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中并沒有傳統(tǒng)的切削、打磨、鉆、鉸等過程，也不會(huì)產(chǎn)生切廢料。而是通過把原材料的形狀重新改變從而獲得想要的零部件形狀。3D打印技術(shù)有將近40年的發(fā)展歷程，通過不斷的發(fā)展，已經(jīng)形成了一門新興技術(shù)，憑借著其極快的發(fā)展速度，和材料科學(xué)的快速發(fā)展，兩者相結(jié)合，使3D打印技術(shù)突飛猛進(jìn)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)生了極大地促進(jìn)作用，并推動(dòng)了其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。3D打印漸漸成為各行各業(yè)的一種新型實(shí)用工具。3D打印技術(shù)需要通過三維建模軟件建模，需要把要打印的實(shí)物建模之后，根據(jù)建立的模型導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)，變成打印機(jī)可以識(shí)別的文件格式，從而能快速地把形狀復(fù)雜的三維模型制造出來。該技術(shù)融合了其他多門學(xué)科，它是從原來二維圖紙到三維實(shí)體模型的又一次突破和飛躍，它能相對(duì)準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)者的想法變成實(shí)物，并且使實(shí)物具備相應(yīng)的功能，可以直接打印出想要的技術(shù)零件，從而實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)加工的無縫對(duì)接，在生產(chǎn)打印的過程中如果發(fā)現(xiàn)零件存在設(shè)計(jì)缺陷，可以直接修改三維設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行修正，因此對(duì)于設(shè)計(jì)者來說是一件極好的設(shè)計(jì)工具，對(duì)整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)是一個(gè)創(chuàng)新和革命。目前，3D打印技術(shù)在材料學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)、數(shù)控機(jī)床、生物工程等領(lǐng)域還有待突破，因?yàn)槠鋵I(yè)領(lǐng)域跨度極大，所以每個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)突破都能給3D打印技術(shù)帶來進(jìn)步和發(fā)展。 1.2 3D打印的發(fā)展 目前, 3D 打印技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但其發(fā)展?jié)摿σ廊皇志薮蟆ｋS著其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步, 尤其是打印材料的發(fā)展，讓3D打印技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。從傳統(tǒng)石料到金屬，再到目前的高分子材料，3D打印機(jī)都能適用。打印速度因?yàn)橹笆苤朴诓牧系陌l(fā)展和數(shù)字控制技術(shù)，還有其本身的打印工藝的局限，因此打印速度一直不高，這也是3D打印的主要缺點(diǎn)，通常一各小型機(jī)械零部件的打印時(shí)間要花十幾個(gè)小時(shí)，但隨著打印材料的發(fā)展，高分子材料的使用和熔融技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的打印速度得到了提高。當(dāng)前和3D打印相關(guān)的其他技術(shù)，尤其是數(shù)控技術(shù)、材料研發(fā)技術(shù)、成型技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了整個(gè)3D打印技術(shù)的發(fā)展。在這個(gè)領(lǐng)域中，誕生了一批實(shí)力強(qiáng)大的企業(yè)，3D system 公司就是典型，技術(shù)最為先進(jìn)，產(chǎn)品也比較成熟，代表了目前 3D 打印技術(shù)最先進(jìn)的技術(shù)水平，也引領(lǐng)了未來3D打印的發(fā)展趨勢(shì)。 1.3 3D打印的原理 簡(jiǎn)單通俗地來說，3D打印技術(shù)的核心是通過對(duì)打印材料進(jìn)行融化或者凝固處理，然后通過層層累加或者下沉的方式從而打印出真實(shí)的立體實(shí)物，在整個(gè)打印的過程中，打印材料發(fā)生了變形，像瀝青一樣進(jìn)過熱化處理加工，變成可以隨意改變形狀填充的原材料，而3D打印技術(shù)只是通過伺服電機(jī)使得小噴頭的移動(dòng)位置更加精確，噴出的材料也非常細(xì)，通過小噴頭的移動(dòng)，在平面載體上畫二維圖形，然后再層層累加，每層累加的厚度非常小，以此來保證打印的質(zhì)量要求。也有通過激光固化處理，即像傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工一樣，只不過加工不是用刀具而是用精度更高的的激光，通過控制激光的掃射路線和激光的強(qiáng)度來加工打印材料，使得需要加工的地方被激光處理，打印材料被激光掃射之后會(huì)熔化脫落，后續(xù)進(jìn)行化學(xué)處理使得表面更加光潔。三維建模軟件完成圖形的繪制以后通過驅(qū)動(dòng)變成可以識(shí)別的文件格式，一般是STL格式，從而實(shí)現(xiàn)很多的數(shù)字切片，通過傳輸數(shù)據(jù)將這些切片信息傳送到3D打印機(jī)上，讓3D打印機(jī)來識(shí)別這些指令信息。而3D打印機(jī)會(huì)按照傳送來的指令，控制X軸、Y軸、Z軸方向上的伺服電機(jī)動(dòng)作，從而使3D打印噴頭能在空間運(yùn)動(dòng)到任何位置，把處于熔融狀態(tài)的打印材料疊加，直到形成想要的固態(tài)實(shí)物，在打印前要對(duì)打印的材料進(jìn)行處理，以使它們能更好地打印，這些打印材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗螅鼈兙筒皇瞧胀ㄒ饬x上的石膏、塑料、樹脂了，而是能夠打印的原材料。 1.4 3D打印的優(yōu)缺點(diǎn) （1）優(yōu)點(diǎn)：總的來說3D打印的優(yōu)勢(shì)非常多?？梢愿鶕?jù)用戶的需求獨(dú)立的為他加工他想要的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的機(jī)械加工生產(chǎn)因?yàn)槭谴笈看笠?guī)模標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)化生產(chǎn)，因此，相對(duì)來說其模具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本和總的加工成本并不高，且相對(duì)于3D打印來說成本還很低廉，但是隨著設(shè)計(jì)者的實(shí)物展示需求的增加和家庭普通愛好者的個(gè)性化3D打印需求的增加，以及3D成品的實(shí)物個(gè)性化多樣屬性，這對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化加工來說捉襟見肘，如果單純?yōu)榱松a(chǎn)一個(gè)零部件或者產(chǎn)品而設(shè)計(jì)制作模具、夾具、機(jī)床，顯然是不可取的，這樣成本太高。而3D打印不需要設(shè)計(jì)任何模具、夾具，只要改變?nèi)S模型，就可生產(chǎn)出所需要的零件，且可以邀請(qǐng)用戶參與設(shè)計(jì)過程，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和更改。因此無論是生產(chǎn)一個(gè)還是成批大量的生產(chǎn)都可以滿足需求，且成本基本維持不變。 3D打印可以打印多種材料，如金屬、工程塑料、高分子材料等等，同一個(gè)實(shí)物也可以被不同種類的打印材料所打印，這樣所打印出的實(shí)物可以滿足不同類型的需求，可以應(yīng)用于不同的工作環(huán)境和場(chǎng)合，比如在惡劣的工況環(huán)境下，以及對(duì)實(shí)物零件有很高的強(qiáng)度要求，這就需要使用強(qiáng)度、硬度、機(jī)械性能較高的打印材料，而如果僅僅是用來作為展示需要的實(shí)物，則可使用普通的工程塑料作為打印介質(zhì)，不僅能節(jié)約成本，也能縮短打印時(shí)間，加快打印速度，因此根據(jù)打印需要和使用場(chǎng)合，可以靈活地選擇材料。截止目前，可供3D打印的打印材料已經(jīng)多達(dá)七八十多種，適合于各種類型的場(chǎng)合，能滿足用戶廣泛的打印需求。不僅如此，還有以前傳統(tǒng)的加工方式所不能加工的制造的零部件，通過3D打印機(jī)卻能夠加工成型。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)的加工方式，它能加工更為復(fù)雜的零件，但是仍能保持很高的精度和表面光潔度。 打印成本相對(duì)較低。在整個(gè)3D打印過程中，打印材料成本占整個(gè)打印成本的較大比重，隨著越來越多的新材料被發(fā)現(xiàn)被使用，3D打印成本在不斷的下降，而且，目前更多的綠色環(huán)保可降解材料被應(yīng)用到了打印過程，比如用玉米粉制作成的工程塑料。另外，相對(duì)于傳統(tǒng)規(guī)模化大批量生產(chǎn)，對(duì)于個(gè)性化產(chǎn)品的定制來說，3D打印有著非常明顯的成本優(yōu)勢(shì)，因此，在今后3D打印進(jìn)將越來越多的用于日常的打印，3D打印機(jī)在家庭中也將越來越普遍。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式，3D打印屬于增材制造，需要打印多大實(shí)際體積的實(shí)物，就會(huì)按照理論供應(yīng)多少打印材料，而不會(huì)像傳統(tǒng)的加工方式那樣，做減法，把毛培不斷的切削、鉆、鉸、磨，浪費(fèi)材料，因此，極大地提高了材料的利用率。另外打印的過程不需要設(shè)計(jì)制作模具、夾具，無需機(jī)床、車間及固定集中的生產(chǎn)線，能在不同的場(chǎng)合加工。另外因外打印機(jī)具有高度的自動(dòng)化特性，因此，可以在任意時(shí)間進(jìn)行打印。具有分布式生產(chǎn)的特點(diǎn)。 （2）缺點(diǎn)：目前來說，3D打印技術(shù)因?yàn)榇蛴〔牧系脑蚝蛡€(gè)性化定制，打印比較昂貴。另外，打印材料的研發(fā)較困難，市場(chǎng)較小，使用量不高，而使打印材料的研發(fā)成本高，從而使打印成本也較高。3D打印技術(shù)目前在我國(guó)主要應(yīng)用于新產(chǎn)品研發(fā)過程中，實(shí)際的大規(guī)模生產(chǎn)還沒有普及。 從現(xiàn)在的3D打印技術(shù)條件和打印材料的發(fā)展來看，要使3D打印技術(shù)作為主流的工業(yè)生產(chǎn)加工方式還有待時(shí)日，因?yàn)槠浼庸こ杀竞图庸ば手苯又萍s了其大規(guī)模生產(chǎn)的可能性。另外一方面，3D打印技術(shù)因?yàn)槠浯蛴」に嚨脑?，不能生產(chǎn)復(fù)雜的具有多種材料組合而成的產(chǎn)品，因此，像生產(chǎn)自行車、汽車等復(fù)雜的混合材料產(chǎn)品，就不能直接打印出來，而需要更換打印材料，這就直接影響了打印的速度，并且一種材料與另一種材料之間的結(jié)合也存在著技術(shù)難題，難以保證精度要求，成品的強(qiáng)度要受材料粘結(jié)狀況的影響，增加了打印的難度。除此之外，像打印汽車這樣的復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品，要耗時(shí)幾個(gè)月，而傳統(tǒng)的機(jī)械生產(chǎn)加工裝配線卻能在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成裝配。 雖然目前3D打印材料的研發(fā)有了很大的進(jìn)步，有了更多的打印材料可供選擇，但是考慮到零件需要適應(yīng)不同條件，不同工況的復(fù)雜性和打印工藝對(duì)材料的限制，這就使得可供選擇的打印材料有限，并且還需要經(jīng)過處理才能適應(yīng)打印需求。 當(dāng)前的3D打印技術(shù)的準(zhǔn)確性還不能和傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相媲美，另外其打印出的成品的強(qiáng)度、剛度、耐疲勞性等物理性能及化學(xué)性能等和實(shí)際的工程需要還有一定的差距，從而不能使打印出的零件成為功能性零件來使用，因此，其實(shí)際應(yīng)用能力不足，無法滿足實(shí)際工程需要。 1.5 3D打印工藝 （1）熔融擠壓堆積成型 FDM打印工藝主要是通過打印噴頭來控制工程塑料等打印材料的加工溫度以確保能很好的快速成型。通過加熱使材料處于熔融狀態(tài)，即半流動(dòng)狀態(tài)，然后通過小噴頭擠壓出很細(xì)小的材料，通過電機(jī)的伺服控制來控制小噴頭的移動(dòng)，從而在打印平臺(tái)上勾畫出二維平面模型，通過絲杠的軸向移動(dòng)，層層累加的方式完成真?zhèn)€打印過程。使用的打印材料為最普通的ABS和PC材料，因此能很好的控制成本，但也因此打印成品的表面粗糙度較高，光潔度較差，不平整。該技術(shù)的難點(diǎn)是要控制好打印的溫度以確保打印材料能處于一種半流動(dòng)狀態(tài)的熔融狀態(tài)。另外對(duì)噴頭也有很高的精度要求，從噴頭擠壓出的打印工程材料很薄，每層厚度不到一毫米，因此速度很慢，打印一個(gè)零部件要花很長(zhǎng)時(shí)間，該工藝運(yùn)行安全，系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡(jiǎn)單，打印成品不需要后續(xù)處理。 （2）激光固化光敏樹脂成型 SLA激光固化這項(xiàng)技術(shù)使用的原材料為光敏樹脂，它是一種高分子材料，對(duì)光的敏感性較強(qiáng)，當(dāng)在紫外線的照射下，這種材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生變化，分子將會(huì)結(jié)合。外在表現(xiàn)為膠狀變成堅(jiān)硬。SLA的原理是控制透明色光敏樹脂的陰暗，通過底片來控制紫外線的照射，使需要加工的部分被紫外線透過，成為亮區(qū)，不需要加工的地方不被紫外線透過，成為暗區(qū)。亮區(qū)因?yàn)橛凶贤饩€的照射而發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，被紫外激光掃射過的區(qū)域的樹脂會(huì)發(fā)生光聚合反應(yīng)，從柔軟的液態(tài)樹脂變得堅(jiān)硬。通過控制激光的掃射軌跡，來加工零件。整個(gè)加工的過程是通過一層一層掃描完成額，當(dāng)一層被紫外激光掃面固化之后，就需要移動(dòng)打印平臺(tái)，在原來的固化好的表面再刷上一層膠狀的光敏樹脂，依次不斷掃描固化，因?yàn)楣饷魳渲旧硖厥獾奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)，在層與層之間雖然加工順序有時(shí)間差異，但是還是能很好的黏合，通過這樣的層層黏合來打印實(shí)物。這項(xiàng)工藝最早是由美國(guó)3DSYSTEMS 公司推出，這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)由于是層層由激光固化，因此，打印的成品精度和光潔度高，但是由于材料是光敏樹脂，由其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了打印出的成品剛度、硬度較差，整個(gè)結(jié)構(gòu)非常脆，另外，需要一層一層的涂抹膠狀的光敏樹脂，導(dǎo)致整個(gè)打印的成本太高，最后還要進(jìn)行復(fù)雜的后續(xù)處理，整個(gè)加工過程的難度較大，對(duì)加工人員提出了很高的要求。屬于一種打印精度較高的打印方式。其工作原理如圖1.1所示。 圖1.1 SLA3D打印機(jī)工作原理 當(dāng)激光發(fā)生器發(fā)出激光后，通過激光掃描系統(tǒng)，有選擇性地控制激光束的軌跡，從而固化打印材料。 （3）激光燒結(jié) SLS選擇性激光粉末燒結(jié)，該法采用的能源設(shè)備為二氧化碳激光發(fā)生器，當(dāng)前，使用的打印材料有塑料粉、尼龍粉、金屬粉等。打印流程為在打印平臺(tái)上均勻鋪上一層只有幾百微米的粉未材料。SLA技術(shù)相較于激光固化技術(shù)的特點(diǎn)是可打印金屬材料的零部件，可使用的材料范圍比較廣泛，制作工藝相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，無需支撐結(jié)構(gòu)，材料利用率高。其工作原理如圖1.2所示。 圖1.2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù) SLS技術(shù)算是一種精度極高的3D打印技術(shù)，相對(duì)于激光固化技術(shù)，只不過是把打印的材料從膠狀的液體材料換成了粉末狀材料，通過控制激光掃描軌跡來對(duì)打印的粉末狀材料進(jìn)行有選擇性的熔融處理，其實(shí)有點(diǎn)類似平面的激光打印機(jī)，但是它們的打印原理都是相似的。SLS的打印模式已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了金屬3D打印上了，對(duì)于打印高精度的材料來說，優(yōu)勢(shì)非常明顯。圖1.3為使用SLA技術(shù)打印的金屬材料。 圖1.3 采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印的金屬手槍 2 3D打印機(jī)概述 3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)(3DP)，是一種利用增材制造技術(shù)的打印設(shè)備，普通的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，硬件主要由打印材料、打印載體即打印平臺(tái)和小噴頭構(gòu)成，它是一種高度自動(dòng)化、專業(yè)化打印設(shè)備，其打印精度隨著打印材料的發(fā)展而得到不斷的提高。它是把計(jì)算機(jī)當(dāng)中已經(jīng)建好的三維模型轉(zhuǎn)換為一種數(shù)字模型，通常是STL格式的文件，通過數(shù)字切片的方式，逐層打印。其打印的材料非常豐富，有普通的工程塑料、光敏樹脂、金屬、陶瓷等。但這些材料都需要經(jīng)過后續(xù)的處理才能作為打印材料，不能直接使用。雖然3D打印工藝很多，千差萬別，但是它們基本的原理是相通的，都是把打印材料通過層層堆疊方式來打印實(shí)物。3D打印機(jī)作為一種打印設(shè)備，不僅僅可以被設(shè)計(jì)者當(dāng)做一種設(shè)計(jì)工具，并且隨著打印成本的不斷降低，3D打印機(jī)不斷地走進(jìn)普通家庭，成為普通打印愛好者打印個(gè)性化產(chǎn)品的一種工具，它會(huì)像之前的噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)一樣越來越普遍。 2.1 3D打印機(jī)工作原理 3D打印機(jī)與傳統(tǒng)平面打印機(jī)的打印原理其實(shí)是類似的，最大的不同之處在于它們使用的打印材料不同，傳統(tǒng)平面打印機(jī)的打印材料一般是墨水等顏料，而3D打印機(jī)的打印原料是實(shí)實(shí)在在的原材料，它是用來構(gòu)造實(shí)物的成分，因此3D打印機(jī)的原料是多種多樣的，根據(jù)打印物體所使用的場(chǎng)合和特性而選擇，這些打印介質(zhì)有工程塑料、光敏材料、金屬粉末等。和傳統(tǒng)的平面打印不同的是3D打印是通過打印材料的一層一層累加而成的，根據(jù)累加方式的不同也就有不同的打印工藝。 （1）有些3D打印機(jī)和傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)原理類似，即在噴頭處噴出打印材料，這種材料一般為極細(xì)小的膠狀或液態(tài)物質(zhì)，然后層層累疊，或者讓打印平臺(tái)隨著打印厚度的增加而自動(dòng)下降一段只有不到一毫米的距離，如果是工程塑料的話，會(huì)隨著溫度的降低而自動(dòng)固化，如果是光敏材料的話，還需要通過紫外激光照射處理，紫外激光照射之后，高分子材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，將從原來的膠狀變成固體狀，從而能更加有選擇性的處理打印材料。 （2）還有一些打印機(jī)使用的技術(shù)是激光選擇性燒結(jié)技術(shù)即SLS技術(shù)，這種技術(shù)是一種精度極高的打印技術(shù)，一般用來打印精度要求較高的儀器等物品，它使用的能源裝置是二氧化碳激光發(fā)生器，使用的打印材料為一些粉末狀物質(zhì)，如塑料、金屬等粉末。通過控制激光的發(fā)射路線來控制打印分層，即把粉末狀打印材料噴在打印平臺(tái)上，通過激光熔融成固定形狀，最后通過黏結(jié)劑把這些粉末狀的打印材料進(jìn)行粘結(jié)。 （3）另外一種打印工作原理是通過打印噴頭把材料擠出的一種成型技術(shù)，主要是控制好打印材料的加工溫度以確保能很好的快速成型。通過加熱能使材料處于熔融狀態(tài)，即半流動(dòng)狀態(tài)，然后通過小噴頭擠壓出很細(xì)小的材料，通過電機(jī)的伺服控制來控制小噴頭的移動(dòng)，從而在打印平臺(tái)上勾畫出二維平面模型，通過絲杠的軸向移動(dòng)，層層累加的方式完成真?zhèn)€打印過程。使用的打印材料為最普通的ABS和PC材料，因此能很好的控制成本，但也因此打印成品的表面粗糙度較高，光潔度較差，不平整。該技術(shù)的難點(diǎn)是要控制好打印的溫度以確保打印材料能處于一種半流動(dòng)狀態(tài)的熔融狀態(tài)。另外對(duì)噴頭也有很高的精度要求，從噴頭擠壓出的打印工程材料很薄，每層厚度不到一毫米，因此速度很慢，打印一個(gè)零部件要花很長(zhǎng)時(shí)間，該工藝運(yùn)行安全，系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡(jiǎn)單，打印成品不需要后續(xù)處理。 2.2 3D打印機(jī)的種類 使用工程塑料作為打印材料的打印機(jī)在一般家庭中最為普遍。，因?yàn)槠浯蛴〔牧铣杀咀畹?，但能滿足基本的打印需求，另外，這種打印材料是綠色的，叫做ABS，是用一些糧食粉末作為主要原料，且能做成一卷一卷的細(xì)長(zhǎng)條，易于保存，可隨時(shí)隨地取出用來打印。其打印出的成品的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能雖然不能作為工程零件使用但能滿足普通的展示分析測(cè)試。因此，根據(jù)成本考慮和實(shí)際的需要，選擇使用ABS作為打印材料的3D打印機(jī)，使用這種打印材料的打印機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同有三種。這三種打印機(jī)的主要區(qū)別在它們的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式存在差異。而打印工藝原理是相通的，都是一種一層一層的累加、堆疊。 第一種打印機(jī)是I3，這種打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是打印平臺(tái)載體和打印的半成品在Y軸方向隨著導(dǎo)軌同步帶而隨著計(jì)算機(jī)指令配合打印噴頭動(dòng)作，而打印噴頭則在三維模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字切片指令之后，根據(jù)切片指令而在X軸和Y軸方向上動(dòng)作，以使小噴頭能在整個(gè)打印空間運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式非常簡(jiǎn)單，執(zhí)行動(dòng)作結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，三個(gè)電機(jī)分別負(fù)責(zé)X軸、Y軸和Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)故障或者打印精度降低時(shí)都可以很方便的進(jìn)行排除故障，對(duì)于，前期的調(diào)試工作，這種打印機(jī)的工作結(jié)構(gòu)也是易于調(diào)試的。 第二種打印機(jī)是三角洲，這種打印機(jī)的主要特點(diǎn)是，打印的平臺(tái)載體始終保持不動(dòng)，打印噴頭在X軸Y軸Z軸方向上靠三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這也是和I3打印機(jī)的主要區(qū)別，當(dāng)打印時(shí)，每個(gè)電機(jī)都在運(yùn)動(dòng)，只不過每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給量是不同的，這種運(yùn)動(dòng)方式相較與I3打印機(jī)來說，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，在打印的過程中，如果出現(xiàn)打印故障或者打印物體的精度較差，不能滿足事先的打印需求，需要調(diào)整打印的精度時(shí)，難以調(diào)試電機(jī)，因?yàn)檫@三個(gè)電機(jī)是聯(lián)動(dòng)的，難以確定到底是哪個(gè)方向的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給的量出現(xiàn)了偏差。這種打印機(jī)的打印平臺(tái)載體一般都不是很大，但是其縱向高度比較高，因此非常適合打印軸類等截面積小但是距離長(zhǎng)的物體，對(duì)于此次的錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的打印來說，三角洲打印機(jī)就并不具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于只有普通打印需求的用戶來說來說，這類型的打印機(jī)就不實(shí)用。 第三種打印機(jī)叫COREXY，這種打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方式其實(shí)和I3打印機(jī)是非常類似的，X軸Y軸Z軸方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分別由三臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制，只是和I3打印機(jī)不同之處在于空間運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了變化，打印噴頭不是在X軸和Z軸方向上動(dòng)作而是在X軸和Y軸方向上動(dòng)作，打印平臺(tái)載體不是在Y軸方向上動(dòng)作，而是在Z軸方向動(dòng)作，當(dāng)打印一層之后，打印平臺(tái)就得到計(jì)算機(jī)的動(dòng)作指令，在Z軸方向移動(dòng)，下降一段微小的距離，以供下次打印留下打印空間，通過不斷的下降來完成層層的累加堆疊，因?yàn)槊看卧赯軸方向上下降的距離都很微小，因此，打印的質(zhì)量和精度都非常高，相比于I3打印機(jī)，打印的效果稍微會(huì)好一點(diǎn)。但是，這種打印機(jī)結(jié)構(gòu)比I3復(fù)雜，綜合考慮其打印效果和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，I3打印機(jī)還是更加適合于這種錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的打印，并且，如果前期能做好I3打印機(jī)的調(diào)試工作，它的打印效果也不比COREXY打印機(jī)差。綜合考慮打印效果，打印機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及成本，打印材料的特殊性，我們選擇I3打印機(jī)。 2.3 3D打印材料的選擇 平面打印的載體是紙，用的打印材料是各種墨料，3D打印是要打印實(shí)物，即實(shí)物是由什么構(gòu)成的，實(shí)物的成分是什么，我們的打印材料就應(yīng)該是什么。3D打印的材料應(yīng)該是易于重塑便于加工的，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式的加工過程是在完整的原料上面進(jìn)行去材加工。因此，其打印原理就決定了3D打印的成品其剛度和強(qiáng)度相較于傳統(tǒng)的機(jī)械加工出的零件產(chǎn)品較差。 可以這么說，3D打印技術(shù)的發(fā)展是伴隨著3D打印材料的發(fā)展而發(fā)展的，3D打印材料的發(fā)展?fàn)顩r直接影響著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印的成本也很大一定程度上是由3D打印材料決定的。因此3D打印材料對(duì)于3D打印技術(shù)而言的重要性不言而喻。近些年來，越來越多的3D打印材料被研發(fā)出來，促進(jìn)了3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。當(dāng)前的3D打印材料大概有六七十多種，這些材料之間的性質(zhì)差異很大，應(yīng)用范圍也很廣，根據(jù)材料的不同屬性也催生了不同種類的3D打印工藝。下面來具體介紹幾種典型的3D打印材料。 （1）工程塑料：工程塑料的使用范圍很廣，因?yàn)槠涑杀鞠鄬?duì)于其他材料來說最低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。工程塑料另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是易于加工，因此，打印的時(shí)間會(huì)大幅度縮減，工程塑料的韌性較好，強(qiáng)度也能滿足一般的打印需要，在模型、電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 （2）光敏樹脂：SLA技術(shù)使用的主要打印原材料即為光敏樹脂，它是一種高分子材料，對(duì)光的敏感性較強(qiáng)，當(dāng)在紫外線的照射下，這種材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生變化，分子將會(huì)結(jié)合。外在表現(xiàn)為膠狀變成堅(jiān)硬。SLA的原理是控制透明色光敏樹脂的陰暗，通過底片來控制紫外線的照射，使需要加工的部分被紫外線透過，成為亮區(qū)，不需要加工的地方不被紫外線透過，成為暗區(qū)。亮區(qū)因?yàn)橛凶贤饩€的照射而發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，被紫外激光掃射過的區(qū)域的樹脂會(huì)發(fā)生光聚合反應(yīng)，從柔軟的液態(tài)樹脂變得堅(jiān)硬。這種材料主要用于電子產(chǎn)品、模具等專用材料的打印。 （3）金屬材料：金屬材料是SLS技術(shù)的主要原材料，通常在打印的開始階段為粉末狀，通過激光選擇性掃描之后，使金屬粉末處于熔融狀態(tài)。通過SLS技術(shù)處理之后的成品的綜合性能也比較優(yōu)異，因此這種材料多用于高精度的3D打印。 （4）陶瓷材料：陶瓷材料的綜合性能比較突出，強(qiáng)度和硬度較高，而另一方面其密度低，重量輕，能承受高溫，化學(xué)性質(zhì)也比較穩(wěn)定。用這種陶瓷材料可打印出廚房用具和儀器量器。 （5）復(fù)合型石膏粉末：這種材料打印出來的成品具有明顯的一條一條的紋路，視覺效果和其他的打印方式打印出來的成品有明顯的不同比。一般在室內(nèi)展示物中使用這種打印技術(shù)，如一些模型、人像雕塑、建筑物的模型等等。  3 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 傳動(dòng)方案的確定 圖3.1 傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖 3.2 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） 選擇電動(dòng)機(jī)類型 （2）選擇電動(dòng)機(jī)功率 （3）傳動(dòng)裝置的總效率 （4）電動(dòng)機(jī)輸出功率 （5）滾筒的工作轉(zhuǎn)速 （7） 傳動(dòng)比的計(jì)算及分配 （1） （2） 。 （3） 傳動(dòng)裝置動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算 （1） （2） （3） 3.3 傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 高速級(jí)錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）選擇材料、熱處理方式和公差等級(jí) 大小錐齒輪均選用45鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，大齒輪正火處理，齒面硬度為平均硬度為在30~50HBW之間。選用8級(jí)精度。 （2）初步計(jì)算傳動(dòng)的主要尺寸 ，初選載荷，取，。 （3）小齒輪與大齒輪的應(yīng)力循環(huán) （4） ，對(duì) ， （5）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （5）計(jì)算錐齒輪傳動(dòng)其他幾何尺寸 3.3.2 低速級(jí)斜齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）選擇材料、熱處理方式和公差等級(jí) （2） 初步計(jì)算傳動(dòng)的主要尺寸 ，，初選載荷系數(shù)，，， 軸向重合度為 ， （3）確定傳動(dòng)尺寸 查得使用系數(shù) （4）確定模數(shù) （5）計(jì)算傳動(dòng)尺寸和中心距 （6）端面重合度系數(shù)為 （7）軸向重合度為 由圖查得重合度系數(shù) 因 （8）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為 由圖查得 由圖查得重合度系數(shù)為 查得螺旋角系數(shù)為 許用彎曲應(yīng)力為 由圖查得彎曲疲勞極限應(yīng)力為 查得壽命系數(shù) （9）計(jì)算齒輪傳動(dòng)其他幾何尺寸 端面模數(shù) 齒頂高 齒根高 全齒高 頂隙 齒頂圓直徑為 齒根圓直徑為 3.4 齒輪上作用力的計(jì)算 3.4.1 高速級(jí)齒輪傳動(dòng)的作用力 已知條件高速軸的轉(zhuǎn)矩小齒輪大端分度圓直徑 （1）錐齒輪1的作用力圓周力為 ,其方向與力作用點(diǎn)圓周速度方向相反。 徑向力為，其方向?yàn)橛闪Φ淖饔命c(diǎn)指向齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。 軸向力為 其方向沿軸向從小錐齒輪的小端指向大端 法向力為 （2）錐齒輪2上的圓周力、徑向力和軸向力與錐齒輪1上的圓周力、軸向力和徑向力大小相等，作用方向相反。 3.4.2 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的作用力 已知中間軸的傳遞轉(zhuǎn)矩為 （1）齒輪3作用力為 圓周力為，其方向與力作用點(diǎn)圓周速度方向相反。徑向力為，其方向?yàn)橛闪Φ淖饔命c(diǎn)指向齒輪3的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。軸向力為 法向力為 （2）從動(dòng)齒輪4各個(gè)力與主動(dòng)齒輪3上相應(yīng)的力大小相等，作用方向相反。 3.5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 軸與帶輪連接，有一個(gè)鍵槽，軸徑應(yīng)增大3%~5%，軸端最細(xì)處直徑 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為方便軸承部件的裝拆，減速器的機(jī)體采用剖分式結(jié)構(gòu)，該減速器發(fā)熱小，軸不長(zhǎng)，故軸承采用兩端固定方式。按軸上零件的安裝順序，從最細(xì)處開始設(shè)計(jì)。 圓周力、徑向力及軸向力的方向如圖3.2所示。 圖3.2 高速軸的結(jié)構(gòu)與受力分析 前已選定軸的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），由表查得，故安全。中間軸和低速軸的設(shè)計(jì)計(jì)算同上。 3.6 軸承壽命校核 計(jì)算軸承的軸向力，查得30207軸,C=54200N,,。由表查得30207軸承內(nèi)部軸向力計(jì)算公式，則軸承1,2的內(nèi)部軸向力分別為 外部軸向力A=191N，，則兩軸承的軸向力分別為： 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 因?yàn)?，軸承1的當(dāng)量動(dòng)載荷為 因?yàn)?，軸承2的當(dāng)量動(dòng)載荷為,因查表得。對(duì)于減速器，查表得載荷系數(shù)為。 校核軸承的壽命 減速器預(yù)期壽命為 ，故軸承壽命足夠，中間軸軸承和低速軸軸承壽命校核計(jì)算同上，軸承壽命符合要求。 3.7 鍵的選擇及校核 該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度，載荷平穩(wěn) ，可選， 則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為： 故滿足要求。 該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為： 故滿足要求。中間軸鍵和輸出軸鍵的計(jì)算同上，滿足要求。 錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配圖裝配圖如圖3.8所示。 圖3.8 錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖 錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零件圖如圖3.9所示。 圖3.9 輸出軸上齒輪 圖3.10 輸出軸零件圖 4 3D打印流程 4.1 打印材料和打印機(jī)的選擇 跟傳統(tǒng)的打印方式不同的是，傳統(tǒng)的平面打印用的材料是墨料或者不使用原料直接在紙上打印，使紙張發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而打出字來。而3D打印就需要使用實(shí)實(shí)在在的材料來打印，它是用來構(gòu)成打印物體的成分，即打出來的成品的成分是什么，那么打印材料就應(yīng)該是什么。因?yàn)楸敬未蛴″F齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)只是用于展示需求，沒有把它作為工程零件來使用的需求，因此，本次打印的材料工藝選擇為熔融擠壓成型工藝，打印材料選擇為ABS樹脂，所有的打印零部件包括下箱體，軸承使用同一種材料，即ABS樹脂，這不僅降低了打印難度，也使得打印速度大大加快。本次使用的打印材料ABS樹脂是一種應(yīng)用范圍非常廣的打印材料，當(dāng)在打印噴頭控制溫度對(duì)它進(jìn)行加熱時(shí)，那么這種材料就會(huì)從固態(tài)變?yōu)橐环N熔融狀態(tài)，即膠狀物質(zhì)，它能隨著打印噴頭的極細(xì)小的噴口噴出，從而能勾勒出打印模型，這種材料比熱容也比較低，從固態(tài)到膠狀再到固態(tài)的時(shí)間變化很短，因此膠狀物質(zhì)噴出之后，隨著溫度的降低，它能迅速地冷卻，恢復(fù)原來的狀態(tài)。另外下箱體和軸承的打印材料選擇ABS樹脂，它是由三種不同成分的材料構(gòu)成的復(fù)合材料。它的優(yōu)勢(shì)除了上面提到的容易加工之外，它的韌性突出，在加工的過程中不容易折斷，另外，這種材料最終打印出來的成品表面光滑，很多室內(nèi)的展品雕塑都是使用的這種材料。 ABS為使用最廣泛的工程塑料之一。而此次采用的打印機(jī)為I3打印機(jī)，這種打印機(jī)適合FDM工藝。ABS樹脂工程塑料如圖4.1所示。 圖4.1 一般3d打印常用的“線料” 4.2 打印位置的確定 當(dāng)進(jìn)行打印時(shí)，需要選擇一個(gè)打印平臺(tái)，用來進(jìn)行X軸、Y軸和Z軸的移動(dòng)，并配合小噴頭的移動(dòng)，這和數(shù)控機(jī)床的加工操作類似，數(shù)控機(jī)床一般是，所要加工的零件不動(dòng)，刀具按照事先編制好的程序進(jìn)行動(dòng)作。而3D打印也是如此，承載零件的平臺(tái)載體能隨著小噴頭的動(dòng)作而動(dòng)作。因?yàn)橐话愦蛴〉墓に囀且M(jìn)行打印材料的熔融處理，當(dāng)材料熔融之后溫度較高，需要快速冷卻。因此，綜合考慮一般選用鋼板作為打印的載體，鋼板具有很好的導(dǎo)熱性能且能耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械性能較高。在鋼板下有導(dǎo)軌和同步帶用來使打印載體能夠在平面內(nèi)做X軸和Y軸的移動(dòng)。如圖4.2所示。 圖4.2 3D打印載體 由于本次使用的打印機(jī)為I3打印機(jī)，這種打印機(jī)的特點(diǎn)是打印平臺(tái)在Y軸上移動(dòng)，打印噴頭在X軸和Z軸方向上動(dòng)作，上面已經(jīng)提到了，打印平臺(tái)是通過同步帶導(dǎo)軌在Y軸上動(dòng)作，要使打印噴頭能在Z軸方向上下移動(dòng)，我們使用的是絲杠，如圖4.3所示。 圖4.3 Z軸方向移動(dòng)絲杠 當(dāng)打印噴頭通過同步帶可以在X軸方向上自由移動(dòng)后，通過絲杠的旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)打印噴頭的上下快速動(dòng)作，因此在選擇絲杠時(shí)，要注意絲杠的螺牙密度要和打印的每層厚度相適應(yīng)，帶動(dòng)絲杠動(dòng)作的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也要與之相匹配。要計(jì)算出伺服電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)絲杠移動(dòng)的距離，以此來確定每層的打印厚度是否滿足要求，如果，每層厚度過厚或是過薄，都會(huì)影響打印的精度。進(jìn)而影響最后打印出來物體的打印質(zhì)量。雖然打印噴頭不能在Y軸方向上移動(dòng)，但是打印平臺(tái)在導(dǎo)軌上的移動(dòng)使得打印噴頭可以在空間自由的移動(dòng)，因此可以打印任何復(fù)雜的平面基底，然后層層累疊。 當(dāng)我們?cè)诖蛴婎^的上方裝上ABS高分子材料之后，這種高分子復(fù)合材料具有很好的韌性，我們把它做成很細(xì)的條狀，這樣方便保存使用，也是打印機(jī)高度自動(dòng)化的要求，通常一個(gè)零件的打印時(shí)間要持續(xù)將近十個(gè)小時(shí)，打印材料做成這種形式，避免了人工上料，也能很好的和打印噴頭相互配合。另外，本次打印選擇的ABS高分子材料本身已經(jīng)著色了，不需要等打印結(jié)束之后再進(jìn)行后續(xù)處理上色。其打印的效果圖如圖4.4所示。 圖4.4 裝上ABS材料后的打印機(jī) 4.3 打印的零件 當(dāng)打印材料確定為ABS高分子材料，打印機(jī)也確定之后，就可以打印零件了。在打印之前已經(jīng)做好了硬件的準(zhǔn)備工作，那么就需要繪制零件的三維圖形，此次打印的零件為錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱體和高速軸的軸承，這兩種零件的形狀差別較大，在打印錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱座時(shí)，考慮可以直接把和軸承座配合地凹槽填補(bǔ)，和整體一起打印，這樣的話不僅降低了打印的難度，也大大縮短了打印的時(shí)間，當(dāng)最后打印結(jié)束之后，可以通過后續(xù)處理，把凹槽進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工，打磨。在打印軸承時(shí)，考慮到軸承的精度較高，整體打印的話，難度也較大，因此可以把軸承進(jìn)行分割，先打印深溝球軸承里面的球狀滾動(dòng)體，然后打印深溝球軸承的內(nèi)外圈和保持架，當(dāng)零部件都打印完成之后，再把球狀滾動(dòng)體裝配到內(nèi)外圈之間，這樣就大大降低了打印的難度，也縮短了打印的時(shí)間。通過Solidworks三維制圖軟件繪制錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱體和高速軸的軸承，并進(jìn)行一定比例的縮放，圖形繪制結(jié)束之后，要把它保存為打印機(jī)可以識(shí)別的文件格式，一般來說保存為常用的STL格式。 4.4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 4.4.1 零件的三維建模 打印材料和打印機(jī)準(zhǔn)備好了，打印位置也確定了，就需要用計(jì)算機(jī)三維軟件畫出想要打印物體的三維圖，即要把錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱體和軸承用計(jì)算機(jī)語言表示出來，用來給打印機(jī)來識(shí)別，即三維建模，畫出錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的三維圖形，目前主流的三維建模軟件有pro-e、Solidworks、犀牛、3dmax等。他們的基本原理是相通的，即畫出二維圖形然后再進(jìn)行相應(yīng)的拉伸。我們此次計(jì)算機(jī)三維建模使用的工具是Solidworks，這種三維建模軟件非常適合新手，很容易學(xué)會(huì)，另外系統(tǒng)庫(kù)里面提供了非常豐富的組件，可以供用戶使用，在繪制三維圖的過程中，可以借助這些組件，從而能快速繪制出想要的圖形，降低了繪圖的難度。我們這次繪制的三維模型是錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱體和軸承，軸承內(nèi)的滾動(dòng)體就屬于標(biāo)準(zhǔn)件，用Solidworks三維制圖軟件可以調(diào)出組件，方便繪制。另外，在繪制的過程中，可以隨時(shí)修改設(shè)計(jì)缺陷，相較于pro-e，利于錯(cuò)誤的修改，用Solidworks繪制的三維圖形如圖4.5所示。 圖4.5下箱體和軸承三維模型 4.4.2 文件格式轉(zhuǎn)換 軟件里面的切片數(shù)據(jù)的設(shè)置是在三維圖形導(dǎo)入后進(jìn)行的參數(shù)調(diào)整，目的是為了與實(shí)際打印情況適應(yīng)，確保打印的質(zhì)量。所涉及的參數(shù)有很多，要注意的通常有，打印材料的選擇是在工具欄一欄中將下拉菜單展開后進(jìn)行的，這時(shí)會(huì)有很多類型材質(zhì)彈出來，在根據(jù)所需點(diǎn)擊確認(rèn)。有一點(diǎn)在設(shè)置時(shí)需要了解的，不同耗材與參數(shù)之間是一種變量與因變量之間的變化關(guān)系，所以這點(diǎn)是值得關(guān)注的。在底墊參數(shù)設(shè)置的界面中，有多個(gè)選項(xiàng)，一般有三個(gè)顯亮功能可選，分別為無底墊、底墊、防翹邊底墊三個(gè)選項(xiàng)，根據(jù)所需進(jìn)行勾選。選擇的支承結(jié)構(gòu)的依據(jù)一般為是否更易拆取。所以把所有的支承結(jié)構(gòu)一比對(duì)后，線性的優(yōu)勢(shì)凸顯出來，故選擇線性支承結(jié)構(gòu)。根據(jù)常識(shí)一般認(rèn)為，選擇質(zhì)量的要求高的話，打印的好，沒錯(cuò)，但是在時(shí)間上可能會(huì)久一點(diǎn)，也就是電要多用一點(diǎn)。所以選擇是要多角度的考慮，選擇性價(jià)比高的。打印出來質(zhì)量也是可以滿足需要的。系統(tǒng)里默認(rèn)的常規(guī)打印速度為是不高，不過打印時(shí)要根據(jù)實(shí)際打印物體的形狀難度進(jìn)行確定，雖然這次錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱體的體積比軸承大很多，用料也多，但是其結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比軸承簡(jiǎn)單，因此下箱體的打印速度進(jìn)行設(shè)定時(shí)就可以比軸承的快，而軸承的速度要降低，以此來保證打印出的實(shí)物能夠滿足質(zhì)量需要。 在打印文件格式轉(zhuǎn)換之前將所有的參數(shù)設(shè)定好了之后，要進(jìn)行一個(gè)必要的過程，就是模型分層切片的動(dòng)作。因?yàn)橛?D打印的特點(diǎn)決定的，一層一層的來。 在存貯方面，不管什么軟件，都有另存為STL格式的功能。所以在做完后，將其存為這種格式的話，3D打印機(jī)都可以識(shí)別。如圖4.6所示。 圖4.6 3d打印的常用格式STL 4.5 打印填充方式的選擇 在進(jìn)行切片處理處理之前，要先進(jìn)行切片引擎的選擇。一個(gè)好的切片引擎首先應(yīng)該使打印出的實(shí)體和計(jì)算機(jī)中繪制出的三維模型之間誤差要小，要盡可能地接近于三維模型圖。切片軟件在處理三維圖形中的細(xì)節(jié)部分時(shí)的優(yōu)劣直接由切片引擎的好壞所決定，因此，切片引擎對(duì)于打印質(zhì)量的高低至關(guān)重要。打印出的實(shí)物也結(jié)實(shí)，硬度高。 當(dāng)前主流的切片引擎主要有skeinforge和slic3r這兩種。決定一個(gè)切片引擎優(yōu)劣直接由打印實(shí)物是否能節(jié)省打印材料、打印時(shí)間的長(zhǎng)短和打印實(shí)物的機(jī)械強(qiáng)度決定。根據(jù)打印錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)零件的實(shí)際需求，其要求的打印精度并不是很高，只是用來作為展示需要。 因此可以選擇sli3r這種切片引擎，這種切片引擎是用計(jì)算機(jī)高級(jí)程序語言c++開發(fā)的，它比skeinfoege這種切片引擎更加復(fù)雜，能提供的打印形式豐富，打印的邊數(shù)可以設(shè)置。因此，非常適合于本次錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱體和軸承的打印，sli3r切片引擎的填充方式比較多樣。根據(jù)本次打印的物體形狀差異較大，選擇的填充方式也不同，下箱體的打印采用同心填充這種填充方式，這種填充方式的優(yōu)勢(shì)是能加快打印的速度，同時(shí)還能保證打印的精度要求。而軸承的填充方式，我們選擇的是同心填充，選擇這種填充方式的原因是軸承的特殊結(jié)構(gòu)所決定的，因?yàn)檩S承的滾動(dòng)體和上下支撐體是分開的，處于懸掛狀態(tài)，在打印的過程中為了方便打印，方便填充，我們采用這種填充方式。常見的幾種填充方式如圖4.7所示。 同心填充 蜂窩填充 線填充 圖4.7 常見的幾種填充方式 4.6 切片處理 切片處理在整個(gè)打印過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能把一個(gè)龐大復(fù)雜的三維模型轉(zhuǎn)化為一串串指令代碼，這些指令代碼就是G代碼，當(dāng)三維模型建好轉(zhuǎn)化為STL格式之后，就需要對(duì)該文件進(jìn)行切片操作，切片操作意識(shí)就是文件轉(zhuǎn)化為打印機(jī)所能識(shí)別的指令，這些指令通常為G代碼指令，通過這些指令來控制打印噴頭的動(dòng)作，當(dāng)執(zhí)行產(chǎn)生G指令命令時(shí)，軟件就開始對(duì)已經(jīng)建好的三維模型進(jìn)行切片，通過使用基座支持命令來選擇在打印的過程中是否在底部打印基座，這個(gè)基座在打印結(jié)束之后，可以從成品上剝離。另外一些打印材料通?？赡芎痛蛴∑脚_(tái)的黏結(jié)性不是很好，而通過打印基座能夠使打印成品能夠很好的固定在打印平臺(tái)上。當(dāng)選擇電氣自動(dòng)方式后，選項(xiàng)中會(huì)彈出修改填充形狀、層厚和打印速度等選項(xiàng)。當(dāng)點(diǎn)擊生成G代碼命令后，G代碼就能直接從計(jì)算機(jī)傳輸?shù)酱蛴C(jī)。在打印的過程中切片數(shù)據(jù)的傳輸可以人為的控制，可以停止打印或者打印其他物體。? 4.6.1 下箱體的切片處理 接下來就是把STL模式的文件導(dǎo)入到驅(qū)動(dòng)軟件中，進(jìn)行切片處理，把下箱體三維模型轉(zhuǎn)換為一串串的切片指令。從下圖中我們可以看出，總共的打印時(shí)間為11小時(shí)16分鐘，打印耗材為62.01克，控制面板上有一些控制按鈕，用來控制溫度以及打印過程中的一些狀態(tài)控制參數(shù)。如圖4.8所示。 圖4.8 PLA打印頁(yè)面控制參數(shù) 下箱體在切片處理過程中，選擇的填充方式為線填充，這種填充方式能縮短打印的時(shí)間，加快打印速度，打印出的物體密度合適，非常適合于打印物體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并不復(fù)雜情況。錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的下箱體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此采用這種填充方式。線填充算法的原理是先在打印平臺(tái)上勾勒出打印物體的投影輪廓，當(dāng)打印噴頭運(yùn)動(dòng)到輪廓面內(nèi)時(shí)，即表示在內(nèi)部，打印噴頭就噴出打印材料，當(dāng)打印噴頭運(yùn)動(dòng)到輪廓線外面時(shí)，即表示在外部，打印噴頭就不噴打印材料，通過這種線填充方式能夠讓打印噴頭迅速動(dòng)作，從而加快打印速度，同時(shí)這種填充方式能夠加快切片的速度，其填充方式模型如圖4.8所示。 ? 圖4.9 下箱座填充方式算法 從上圖中我們可以看出，畫兩條平行線穿過圖形，當(dāng)平行線與圖形邊界的交點(diǎn)為個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè)時(shí)，即為外部點(diǎn)，當(dāng)平行線與圖形邊界的交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)時(shí)，則為內(nèi)部的點(diǎn)。另外，當(dāng)平行線與圖形邊界的交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)時(shí)為當(dāng)掃描線與奇數(shù)邊相交時(shí)存在著特殊情況，如下圖這種特殊情況，我們就需要把兩側(cè)的點(diǎn)的數(shù)量減去一個(gè)，算作偶數(shù)個(gè)。如下圖4.10所示。? ? 圖4.10 特殊情況下的填充算法 另外，在下箱體填充的過程中，不能使掃描發(fā)出的線和物體打印邊界的線有重合，對(duì)于不同層的物體，在填充的時(shí)候需要調(diào)整方向，比如下箱體的加強(qiáng)筋有很多條，每個(gè)加強(qiáng)筋的處于的層次都不一樣，因此，在打印這些加強(qiáng)筋的時(shí)候，就需要調(diào)整打印的方向，填充的方向需要改變，這樣才能保證打印的質(zhì)量是符合要求的，打印出來的成品穩(wěn)定性效果更好。在填充的時(shí)候，前面的加強(qiáng)筋可以都在X軸方向上進(jìn)行填充，而后面的加強(qiáng)筋則可以考慮都在Y軸的方向上進(jìn)行填充，這樣就避免了相鄰層的部件填充方向相同的問題，下箱座采用這