微型FDM型3D打印机的研制毕业设计论文.doc
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1、1 毕业设计(论文)毕业设计(论文) 设计(论文)题目:微型设计(论文)题目:微型 FDMFDM 型型 3D3D 打印机的研制打印机的研制 2 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文) ,是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别 加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签
2、名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论 文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和 电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并 提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其 它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论 文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 3 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或
3、撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 4 注 意 事 项 1.设计(论
4、文)的内容包括: 1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作) 2)原创性声明 3)中文摘要(300 字左右) 、关键词 4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入) 6)论文主体部分:引言(或绪论) 、正文、结论 7)参考文献 8)致谢 9)附录(对论文支持必要时) 2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于 1 万字(不包括图纸、程序清单等) , 文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件) 。 4.文字、图表要求: 1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准 请他人代写 2)工程设计类
5、题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符 合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用 徒手画 3)毕业论文须用 A4 单面打印,论文 50 页以上的双面打印 4)图表应绘制于无格子的页面上 5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档 5.装订顺序 1)设计(论文) 2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订 5 摘要摘要 FDM 快速成型技术,是 3D 打印技术的一种,它利用热塑性材料受到挤 压成为半熔融状态的细丝,将熔融状态的细丝采用层层堆栈的方式,从 3D CAD 资料直接建构原型的技术。微型 FDM 型
6、3D 打印机是在 FDM 技 术的理论基础上,研制成的一种桌面级的3D 打印机,它为 特种加工 课程提供教学用具。本文在综合介绍FDM 型 3D 打印机基本内容的基础上, 重点介绍了打印原理及打印机的结构,并对其结构进行了详细的分析。自制 FDM 型 3D 打印机遵循了 3D 打印机开源的设计理念,同时让设计者在动手 实践中不断修改并优化设计方案,满足自身创新与创意的需要。 关键词:关键词:FDM 技术 快速成型 3D 打印机 特种加工 开源 6 Abstract FDM rapid prototyping techniques, a 3D printing technology, which
7、 uses a thermoplastic material extruded into filaments by a semi-molten state, the filaments molten state with the method of layer upon layer stack, constructing a prototype technology directly from 3D CAD data. FDM 3D printer is a miniature model based on the theory FDM technology,developed into a
8、desktop 3D printer, it provides teaching aids for the“special processing”courses.This paper describes a comprehensive FDM 3D printer basic content type,based on the principles and focuses on the structure of the printer to print, and its structure was analyzed in detail.Homemade FDM type 3D printer
9、follows the design philosophy of open source, while allowing designers to continually modify and optimize the design of the hands-on practice, and innovative ideas to meet their own needs. Keywords: FDM technology Rapid prototyping 3D printer Special processing Open source 7 目目 录录 第第 1 1 章章 前言前言.4 1
10、.1 课题的背景和意义 .4 1.2 FDM 型 3D 打印机的国内外发展状况 .4 1.3 本课题主要设计内容 .5 第第 2 2 章章 FDMFDM 型型 3D3D 打印机打印原理及结构分析打印机打印原理及结构分析 .6 2.1 打印原理 6 2.2 结构分析 6 2.2.1 机械部分 6 2.2.2 电路部分 9 2.2.3 软件部分 .11 第第 3 3 章章 主要零部件选择、电路测试过程主要零部件选择、电路测试过程16 3.1 主要零部件选择 16 3.1.1 电机的选择 .16 3.1.2 挤出头的选择 .17 3.1.3 送丝机构的选择 .17 3.1.4 打印材料的选择 .18
11、 3.2 电路测试过程 .18 3.2.1 测试准备 .18 3.2.2 连接电路板及测试电路 19 第第 4 4 章章 打印机的组装及打印运行打印机的组装及打印运行.20 4.1 打印机的组装 .20 4.2 打印运行 .21 结论结论.22 谢辞谢辞.23 参考文献参考文献.24 8 第第 1 章章 前言前言 1 1. .1 1 课课题题的的背背景景和和意意义义 3D 打印机(3D Printers)是一位名为恩里科 迪尼(Enrico Dini)的 发明家设计的一种不同于普通打印机的机器,它是一种以数字模型文件为 基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合 材料,通过逐层 打印的方式来构造 物体
12、的技术。3D 打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料不 同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D 打印机内装有 金属、陶 瓷、塑料、砂等不同的 “打印材料” ,是实实在在的原材料, 打印机与电脑 连接后,通过电脑控制可以把 “打印材料”一层层叠加起来,最终把计算 机上的蓝图变成实物。 3D 打印带来了世界性制造业革命,以前是部件设计完全依赖于生产工艺 能否实现,而 3D 打印机的出现,将会颠覆这一生产思路,这使得企业在生 产部件的时候不再考虑生产工艺问题,任何复杂形状的设计均可以通过 3D 打印机来实现。它无需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中 生成任何形状的物体, 从而
13、极大地所缩短了产品的生产周期,提高了生产 率。 FDM 技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝,由沉积在层 层堆栈基础上的方式,从 3D CAD 资料直接建构原型。 FDM 技术的优势在 于机械结构简单, 设计容易,制造 成本、维护成本和材料成本低,对环境 无污染,因此 FDM 也是在家用的桌面级 3D 打印机中使用得最多的技术。 自制微型 FDM 型 3D 打印机,能够为 特种加工课程在课堂上提供教学 用具,为老师在课堂授课提供方便,也能使学生对FDM 型 3D 打印机的了 解更加深入。 1 1. .2 2 F FD DM M 型型 3 3D D 打打印印机机的的国国内内外外发发展展
14、状状况况 国外占据 3D 打印产业主导地位的美国 3D systems、stratasys 等公司, 每年都投入 1000 多万美元研发新技术,研发投入占销售收入的10%左右。 两家公司不仅研发设备、材料和软件,而且以签约开发、直接购买等方式, 获得大量来自企业外部的相关细分技术、专利,已掌握一批关键核心技术。 目前,世界主要发达国家纷纷开始布局,陆续出台了相关政策和投资发展计 划,大力发展 3D 打印产业,旨在占领新工业革命的前沿阵地。一方面,美 国总统奥巴马在 “国情咨文”中多次提及 3D 打印,并筹划建立 3D 打印国 家创新中心,旨在提升美国制造业的竞争力;另一方面,从欧美各国最新的
15、太空探索计划中,也可以看到对 3D 打印技术相关项目的巨额资助。 9 国内部分企业对 FDM 型 3D 打印机对外国的设计方案进行改进,不断 完善 3D 打印机。如闪铸公司基于 Makerbot 机型开发的产品 Creater。它改 进了挤出头中喉管的制作工艺,使耗材融化后能够顺利的流动,且凝固后不 易沉积。挤出头全新的挤出组件使塑料丝不易打滑,送丝精确。但是,国内 企业购置 3D 打印设备的数量非常有限,应用范围狭窄。在机械、材料、信 息技术等工程学科的教学课程体系中,缺乏与3D 打印相关的必修环节, 3D 打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面,综合来看,自制微型FDM 型 3D 打印机对促
16、进老师课堂教学以及学生对3D 打印机的深入了解具有十 分重要的意义。 1 1. .3 3 本本课课题题主主要要设设计计内内容容 根据收集的 FDM 型 3D 打印机的相关资料,了解 3D 打印机结构的具 体组成,包括机械部分、电路部分及软件部分。机械部分学习了解步进电机 的驱动与控制、机床的结构,重点研究打印头的结构,以及影响打印头打印 精度的因素,并将整理好的零部件组装,制作出一台完整的FDM 型 3D 打 印机实物;电路部分需要了解相关电路板的知识,并在网上购买电路板,组 装电路板;软件部分包括上位机软件和下位机软件,上位机软件,即运行 在电脑上的软件 ,分为 2 大部分,切片和控制;下位
17、机软件 ,即运行在 3D 打印机主板上的软件 ,主要做电机控制,软件算法和通信 ,在 3D 打印 机中为 Marlin 固件。 本课题组共两人,作者主要负责对FDM 型 3D 打印机的研制。 10 第第 2 章章 FDM 型型 3D 打印机打印原理及结构分析打印机打印原理及结构分析 2 2. .1 1 打打印印原原理理 FDM(Fused Deposition Modeling,熔融沉积成型 工艺)是目前比较成 熟的快速成型工艺中的一种技术,它是 继 LOM(分成物体制造) 工艺和 SLA(激光快速成型) 工艺之后发展起来的一种 3D 打印技术。FDM 工艺 的基本原理为 FDM INSIGH
18、T 软件自动将 3D 数模(由 CATIA 或 UG、PRO-E 等三维设计软件得到)分层,自动生成每层的模型成型路径和 必要的支撑路径。热融头将丝状热熔性材料加热融化,通过带有一个微细喷 嘴的喷头挤喷出来,由于成型室保持 一定的温度 ,该温度下熔融的材料既 可以有一定的流动性又能保证很好的精度。一层成型完成后,机器工作台下 降一个高度(即分层厚度)再成型下一层 ,如此直到工件完成。 FDM 快速成型技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝, 由沉积在层层堆栈基础上的方式,从3D CAD 资料直接建构原型 。FDM 可 采用的成型材料很多,如改性后的石蜡、 (丙烯腈丁二烯苯乙烯 )共聚
19、物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料,以及多相混合材料,如金属粉末、陶 瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低 的收缩率,打印模型更容易塑形,以及可生物降解等优点,现今大多数桌面 FDM 型 3D 打印机均采用这种材料。 2 2. .2 2 结结构构分分析析 2.2.2.2.1 1 机械部分机械部分 FDM 型 3D 打印机的机械部分最为复杂,涉及到的零部件也比较多,如 图 2-1,为 3D 打印机完整结构图,制作一台完整的FDM 型 3D 打印 图 2-1 11 机,简单来说,首先需要制作 3D 打印机的外部基本框架结构,在此框架上 才能安装搭建其它零部件。 3D
20、 打印机可以采用激光切割后的实木板或者铝 型材作为机器的框架,如图 2-2、图 2-3 中所示,这里,作者采用实验室已 有的材料铝型材搭建打印机的框架。 图 2-2 铝型材框架 图 2-3 木制框架 框架组装完成后,接着需要在框架上搭建一个三轴联动的平台,即控制 打印头在 X、Y 方向的运动,打印台在 Z 方向的运动, X、Y 轴分别采用 两个步进电机驱动,步进电机与同步带相连,图2-4 中,滑块一端固定在 图 2-5 中的同步带上,通过光杆的导向作用,同步带带动滑块运动,进而带 动打印头在 X、Y 轴的运动。 图2-4 滑块 图2-5 同步带 同样,Z 轴采用步进电机驱动,如图 2-6,步进
21、电机与丝杆相连,带动 丝杆在 Z 轴运动,同时 Z 轴需要安装两根光杆,起导向作用,通过这些结 构,带动打印台在 Z 方向运动。图 2-7 中所示,由于实验室另外有多余的 XY 轴的运动平台,只需固定其中一个方向,让另一个方向在Z 方向运动, 由此替代丝杆的传动。 12 图 2-6 Z 轴丝杆传动 图 2-7 实验室 Z 平台 对于 3D 打印机而言,挤出头是其核心的部件,就市面上比较有名的 FDM 型 3D 打印机而言,大多数采用加热棒对铝块进行加热。图2-8 中, 塑料丝通过挤出机将丝从进口端挤入,通过喉管导向,到达铝块,经过熔化, 进入喷嘴,最后由喷嘴挤出。由于喉管内径比塑料丝直径稍大,
22、故融化后的 塑料丝在进端进丝压力作用下较易从喷嘴挤出。铝块内部装有热敏电阻来读 取温度进而由主控板来控制温度,保证温度在塑料丝的熔融温度之上。 图 2-8 挤出头 打印头中的喉管由不锈钢制造,是为了降低其导热性能,不锈钢喉管有些内 部还衬有铁氟龙,由于挤出头 长期加热打印致使吼管内部温度升高,导致管 内料也处在熔融状态,当停止打印冷却后, 材料就黏结在管内 ,下次重新 开机打印时,管内黏着料不能马上融化,使喉管出现堵料现象 ,喉管内部 衬铁氟龙,使 喉管内料都不会熔融黏着 ,能大大改善堵头问题。同时作者 在挤出头外加散热片和风扇,主要也是为了降低喉管上部的温度,防止堵头 问题,也可以为挤出机散
23、热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上,如 果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象,作者可以将打印 13 台做成加热床,床内有热敏电阻与电路板相连,来控制加热床的温度,为了 节约制作成本,作者就不使用加热床了。 2.2.2.2.2 2 电路部分电路部分 3D 打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、 完整的运行。 FDM 型 3D 打印机电路部分主要包括 Arduino mega 2560 主 控板,Ramps 1.4 拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作 用,作如下介绍。 a) Arduino Mega 25602560 主控板主控板 图 2
24、-9 Arduino Mega 2560 主控板 Arduino Mega 2560 主控板的微控制器为 atmega2560,工作电压为 5V,数字 I/O 引脚为 54 个,模拟输入引脚为 16 个,每个 I/O 引脚的直流 电流为 50 毫安,主控板是 3D 打印机的大脑,负责控制整个打印机来完成 特定的动作,如打印特定的文件等。这里需要说明,拓展版给主控板供电的 二级管不焊接,也就是需要单独给mega 2560 主控板供电,直接使用 USB 5V 或通过电源接头供电。 Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台, 包含硬件 (各种型号的 Arduino 板)和软件( A
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