基于FDM技术的快速成型机设计.doc

1绪论
1.1课题的背景和意义
快速成型这门技术，始于20世纪末，一经出现就在当时掀起了一股风暴。这毕竟是技术领域的重大突破。这门技术，综合了好几门学科的知识，例如材料、电力、自控等，它可以将一种材料在短时间内制造成三维实体。因此，这门技术对现有的制造方式起到了一定的影响。
FDM技术是一种利用热塑性材料熔化成半熔融状态然后挤成细丝,它是通过构建三维CAD在堆叠层上沉积的。并且此技术有很多的优点，比如它的设计比较简单、成本也比较低廉。所以,这门技术应用的非常多。
HYPERLINK\l"_Toc107201702"1.2国内外FDM型3D打印机的发展
当3D打印这门技术在生活中使用的变多起来,从而衍生出很多新生的产业。因此我们可以利用这门技术来设计产品。人们为保持这个技术的地位,美国等一些国家就把它用在了航空上。在2002年,美国的宇航局开发了这种机器来建造金属部件。在2012年的7月份，美国航天的有关部门透露,美国的宇航局方面正在测试新的3D打印技术产品,用来制造设备还有一些部件,然后让它们在地球的周围飞行,然后把它们发到Mars。
在上个世纪末，许多高校成型技术的研制获得了很大进步。而我国在技术材料的添加和制造上获得了重大的发展。它的主要部分就是低成本的制备和设备的上面的应用、金属的零部件在制造技术的使用还有在材料的基础上去加生物材料还有生物结构上的制造技术。
HYPERLINK\l"_Toc107201703"1.3FDM型3D打印机打印原理
FDM是缩写形式,即熔融沉积模型。这种3D打印技术是由美国学者ScottCrump于1988发明的。FDM在高温下将材料熔化成液体,并且通过挤压,最终,形成三维物体。在熔融沉积的这个过程所使用的材料分可以为两个方面:一个是成型材料,另一个就是支撑材料。低熔点的丝状型的原料可以经高温把他熔为液态形式,令这个熔融状态下的原料可以经由喷头挤压出,挤压头可以沿着零件的每一个轮廓来移动，并且非常精准，同时挤压半流道。NG热塑性材料被固化成一个精确的实际构件薄层,在1/10s的范围内快速成型,每当结束一次,台面就低一层高度,然后在喷嘴的后一部分扫描,这样往复。ED逐层沉积,直至最后一层,使层由底部向实体模型或部分从底部到顶部。在FDM成形过程中,各个层都堆叠在顶层上面,上层有定位与支撑的效果。然而当高度越来越高时,它的面积还有形状会改变。如果这个形状改变较大的话，上面的轮廓不可能再给前一层定位还有支撑。所以要一定的支撑。现在,两个头部经常会被分开进行加热,一个头部用于喷涂模型的材料，用来专门制造零部件，另外一种则是喷涂支撑的材料，专门用做支撑。这两种喷涂模型材料的特性是不大相同的。因此制作完后支撑是很容易进行拆卸的。

2FDM工艺设备机械系统设计
由FDM的形成原理可以知道，在形成期间时，机器的运动有：挤出头X-Y运动、台面竖直方位运动还有挤出运动。FDM型机的系统统构成图如图2.1所示。

图2.1FDM机器组成框图
本文采取直线部件来运动，从而构成彼此联动的运动方式。按照一台小型规格的FDM型机床规格要求以及运动范围参数来设计，如表2.1所示下：
2.1XYZ轴运动方式设计
2.1.1XYZ轴运动方式的分析

分析如何将XYZ三个方向的运动分配到喷头和工作台，它的运动结构简图如图2.2所示：

图2.2三轴运动方式简图

2.1.2XY轴的导轨和同步带的结构设计
本文X轴采纳的是直线导轨，Y轴用直线轴承导轨，具体结构设计如下[6]：
1）X轴方向的运动：喷头沿着X轴的直线导轨左右移动，而电机带动同步齿形带轮转动，以此拖动与同步齿形带相连的喷头沿着导轨做X方向上的移动。
2）Y轴方向上的运动：Y轴的电机设置在同X轴相平衡的架子上，通过装置在光杆上的同步齿形带轮以及与它相配合的同步齿形带拖动喷头沿着导轨做Y方向上的移动。

图2.3同步带选型图
计算齿数
本机在X、Y轴方向是等速运动，所以它们带轮尺寸相等。思量到装配和带速的问题，结果选择齿数为20的MXL的同步带轮。
外径计算：（2.2）
标准外径计算：（2.3）
t—轮齿节线深度，查表得t=0.25。
带速验证
（2.4）
Vmax最大带速，对于MXL型，Vmax=50m/s。
带长和轴间距
（2.5）
L带长，可以根据X、Y方向最大成形决定，X方向是200mm，喷头取40mm，轴段两头余量各10mm,则轴间距为260mm。
基本额定功率
（2.6）
选择带宽B
皮带速度：
（2.7）
齿形带离心力：（2.8）
式中—齿形带单元宽度重量
齿形带每单位长度的传动功率
Prs=0.5135×10-6×d1×n×(Ta-Tc)（2.9）
根据以上数据选择宽带公称宽度B=6.3mm。
通过运