3d打印机的机械设计(附件)【字数：5917】
摘 要 本文通过对3D打印机机械原理的深入理解，对整机进行精密的机械设计，从而对3D打印机各零部件的形状、大小、材料等进行分析、计算和校核，最后利用UG绘图软件进行整机装配、运动仿真。本文具体阐述了各机械零部件之间的关联，也对步进电机、滚珠丝杠、传动皮带和喷嘴等重要零部件的选型和设计进行了详细的介绍，在各组件确定完毕后，再转到内部整机装配，从而确定外框整体尺寸，并在此基础上加入适当的创新元素，力求在理论知识、加工手段、资金有限的条件下，制造出综合性能最优的打印机。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 熔融沉积式3D打印机的工作原理 1
1.2 3D打印机的机械设计原理 1
第二章 3D打印机的机械设计 2
2.1 步进电机种类的选取 2
2.2滚珠丝杠的选材及尺寸设计 3
2.3 传动皮带的选取 4
2.4 喷嘴的选材与设计 4
第三章 3D打印机的整机装配 6
3.1 3D打印机的组件装配 6
3.2 3D打印机的外框装配 6
第四章 3D打印机的外观设计与设想 8
4.1 3D打印机的整体外框设计 8
4.2 对自制3D打印机的设想与创新 8
第五章 自制3D打印机的不足与改进方案 10
结束语 11
致谢 12
参考文献 13
绪论
1.1 熔融沉积式3D打印机的工作原理
它是以热塑性丝材为原料，通过加热器加热至熔融状态，再由喷嘴挤压出来。在计算机的控制下，喷嘴与工作台配合工作，完成XY平面上的任意形状。粘稠状的熔丝迅速凝固，与前一层面熔结在一起。之后，喷嘴会沿Z轴正方向平移一个层的距离，开始下一层的打印工作，就这样反复叠加堆积，直至完成整个实体模型。
1.2 3D打印机的机械设计原理
机械包含机构和机器两个部分。机构的设计包含平面机构和空间机构的运动分析、受力分析及结构分析，所设计出的产品必须满足这些基本要求，以此来确定各零部件的材料、尺寸和形状，再根据设计者的不同性能追求，加以设计和改造。而机器主要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
是针对步进电机、散热器等用来变换能量的部件，根据设计需要，筛选出性价比高的型号和参数，以完成最终的机械设计。以自制3D打印机为例，整台机器的动力来源于步进电机，通过五台步进电机实现XYZ方向的运作和连续喷丝。而控制步进电机的手段可分为电脑控制和显示屏旋钮控制。电脑控制操作复杂，不宜进行微调节，但可以省去电脑，降低成本；旋钮控制操作简洁方便，但需要烧录切片等一系列前期准备，耗费时间。后者又可进一步划分为连续控制和间断控制。连续控制适合于行程较大的场合，速度快，但难以及时停止，不容易掌控；间断控制适合于微量调控，特别是在调节喷嘴与热床的初始距离时，此种方法尤为有效。
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图11 3D打印机的机械原理图
3D打印机的机械设计
2.1 步进电机种类的选取
根据转子的构造大体分为：由钣金爪极与圆筒线圈组成的定子和永磁铁氧体转子组成的PM型；转子不使用永久磁铁的VR型；转子由两个磁极中间加一个磁铁组成的HB型三种类型。其各自的特点如下：
（1）PM型：步距角通常为，转矩小，时间常数，但价格低廉；
（2）HB型：步距角较多，转矩大，时间常数小，但价格昂贵；
（3）VR型：步距角通常为，转矩，时间常数大，但价格昂贵。
自制3D打印机上有两种型号的步进电机，X轴Y轴以及挤出机步进电机都是42步进电机，而Z轴为T型丝杠步进电机。我在这里选取统一的42型步进电机，Z轴处选取联轴器联接电机轴端和丝杠，可提高互换性和降低不必要的成本。转矩大小通常根据所要带动零部件的扭力大小来确定。由于3D打印机对转矩和效率要求较高，且步距角越小精度越高，综上所述，初步选取HB型步进电机。这种类型的电机根据相数不同，又可进一步分为两相、三相和五相，但两相步进电机价格便宜，分辨率高以及转矩大，综合考虑利弊，最终确定电机类型为两相HB型步进电机。
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图21 HB型步进电机
2.2 滚珠丝杠的选材及尺寸设计
滚珠丝杠常用材料为GCr15和GCr15SiMn，这二者的耐磨性和耐热性都很好，但由于后者Si和Mn的含量更高，强度、硬度、韧性和塑性等力学性能优异，因此，产品的刚度和精度能够得到更好的保障。考虑到3D打印机更加注重精度，因此确定滚珠丝杠的材料为GCr15SiMn。滚珠丝杠的重要参数主要包括外径、导程、螺纹长度、精度四大要素。由于滚珠丝杠与步进电机相连接的联轴器配合，故外径大小根据联轴器内孔径选取，经测量选取M5的外径最为合适。导程即丝杠旋转一周螺母所运行的直线距离，常见的规格有1、2、4、5、6、8、10、16、20、25、32、40mm。通常来说，在转速一定的情况下，导程越大速度越快。而本次设计对Z轴方向的速度要求不高，以防速度过快难以控制，以致影响打印精度，故选取2的导程较为合适。至于螺纹长度，分为有效长度和螺纹全长。螺纹有效长度根据最大打印高度决定，设计为210mm；而螺纹全长等于有效长度加动力输入联接长度以及移动架长度，最终确定螺纹总长度为290mm。按照国外标准，精度分为，等级越高，打印精度也越高。一般来说，通用机械或普通数控机械选用C7或以下，高精度225数控机械常选用C5以上C3以下，光学或是检测机械选用C3以上。考虑到精度与价格关联性很大，这里选用C5较为合理。与之相关联的还有光杆和直线轴承的精度，在选型时需要选用较高精度，工作之前需要喷涂润滑油，尽可能降低摩擦力。
2.3 传动皮带的选取
根据传动皮带的不同用途，大致可以分为平带、三角带、齿形同步带、窄V带、多V带等。平带多用于转速较高，传动较平稳，但不要求精确传动比的场合；三角带多用于普通机械的减速传动，特别是传送较大动力的场合；齿形同步带传动比精确，特别适合与精度要求较高的场合；窄V 带和多V带多用于传递动力较大，但结构尺寸受限制的场合，多V带可适用于更高转速。综合比较上述几种类型的皮带，根据3D打印机特殊的工作要求，选取齿形同步带更为合适。此种皮带的材料常采用橡胶和纤维芯组成，拥有较强的韧性和耐磨性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 熔融沉积式3D打印机的工作原理 1
1.2 3D打印机的机械设计原理 1
第二章 3D打印机的机械设计 2
2.1 步进电机种类的选取 2
2.2滚珠丝杠的选材及尺寸设计 3
2.3 传动皮带的选取 4
2.4 喷嘴的选材与设计 4
第三章 3D打印机的整机装配 6
3.1 3D打印机的组件装配 6
3.2 3D打印机的外框装配 6
第四章 3D打印机的外观设计与设想 8
4.1 3D打印机的整体外框设计 8
4.2 对自制3D打印机的设想与创新 8
第五章 自制3D打印机的不足与改进方案 10
结束语 11
致谢 12
参考文献 13
绪论
1.1 熔融沉积式3D打印机的工作原理
它是以热塑性丝材为原料，通过加热器加热至熔融状态，再由喷嘴挤压出来。在计算机的控制下，喷嘴与工作台配合工作，完成XY平面上的任意形状。粘稠状的熔丝迅速凝固，与前一层面熔结在一起。之后，喷嘴会沿Z轴正方向平移一个层的距离，开始下一层的打印工作，就这样反复叠加堆积，直至完成整个实体模型。
1.2 3D打印机的机械设计原理
机械包含机构和机器两个部分。机构的设计包含平面机构和空间机构的运动分析、受力分析及结构分析，所设计出的产品必须满足这些基本要求，以此来确定各零部件的材料、尺寸和形状，再根据设计者的不同性能追求，加以设计和改造。而机器主要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
是针对步进电机、散热器等用来变换能量的部件，根据设计需要，筛选出性价比高的型号和参数，以完成最终的机械设计。以自制3D打印机为例，整台机器的动力来源于步进电机，通过五台步进电机实现XYZ方向的运作和连续喷丝。而控制步进电机的手段可分为电脑控制和显示屏旋钮控制。电脑控制操作复杂，不宜进行微调节，但可以省去电脑，降低成本；旋钮控制操作简洁方便，但需要烧录切片等一系列前期准备，耗费时间。后者又可进一步划分为连续控制和间断控制。连续控制适合于行程较大的场合，速度快，但难以及时停止，不容易掌控；间断控制适合于微量调控，特别是在调节喷嘴与热床的初始距离时，此种方法尤为有效。
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图11 3D打印机的机械原理图
3D打印机的机械设计
2.1 步进电机种类的选取
根据转子的构造大体分为：由钣金爪极与圆筒线圈组成的定子和永磁铁氧体转子组成的PM型；转子不使用永久磁铁的VR型；转子由两个磁极中间加一个磁铁组成的HB型三种类型。其各自的特点如下：
（1）PM型：步距角通常为，转矩小，时间常数，但价格低廉；
（2）HB型：步距角较多，转矩大，时间常数小，但价格昂贵；
（3）VR型：步距角通常为，转矩，时间常数大，但价格昂贵。
自制3D打印机上有两种型号的步进电机，X轴Y轴以及挤出机步进电机都是42步进电机，而Z轴为T型丝杠步进电机。我在这里选取统一的42型步进电机，Z轴处选取联轴器联接电机轴端和丝杠，可提高互换性和降低不必要的成本。转矩大小通常根据所要带动零部件的扭力大小来确定。由于3D打印机对转矩和效率要求较高，且步距角越小精度越高，综上所述，初步选取HB型步进电机。这种类型的电机根据相数不同，又可进一步分为两相、三相和五相，但两相步进电机价格便宜，分辨率高以及转矩大，综合考虑利弊，最终确定电机类型为两相HB型步进电机。
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图21 HB型步进电机
2.2 滚珠丝杠的选材及尺寸设计
滚珠丝杠常用材料为GCr15和GCr15SiMn，这二者的耐磨性和耐热性都很好，但由于后者Si和Mn的含量更高，强度、硬度、韧性和塑性等力学性能优异，因此，产品的刚度和精度能够得到更好的保障。考虑到3D打印机更加注重精度，因此确定滚珠丝杠的材料为GCr15SiMn。滚珠丝杠的重要参数主要包括外径、导程、螺纹长度、精度四大要素。由于滚珠丝杠与步进电机相连接的联轴器配合，故外径大小根据联轴器内孔径选取，经测量选取M5的外径最为合适。导程即丝杠旋转一周螺母所运行的直线距离，常见的规格有1、2、4、5、6、8、10、16、20、25、32、40mm。通常来说，在转速一定的情况下，导程越大速度越快。而本次设计对Z轴方向的速度要求不高，以防速度过快难以控制，以致影响打印精度，故选取2的导程较为合适。至于螺纹长度，分为有效长度和螺纹全长。螺纹有效长度根据最大打印高度决定，设计为210mm；而螺纹全长等于有效长度加动力输入联接长度以及移动架长度，最终确定螺纹总长度为290mm。按照国外标准，精度分为，等级越高，打印精度也越高。一般来说，通用机械或普通数控机械选用C7或以下，高精度225数控机械常选用C5以上C3以下，光学或是检测机械选用C3以上。考虑到精度与价格关联性很大，这里选用C5较为合理。与之相关联的还有光杆和直线轴承的精度，在选型时需要选用较高精度，工作之前需要喷涂润滑油，尽可能降低摩擦力。
2.3 传动皮带的选取
根据传动皮带的不同用途，大致可以分为平带、三角带、齿形同步带、窄V带、多V带等。平带多用于转速较高，传动较平稳，但不要求精确传动比的场合；三角带多用于普通机械的减速传动，特别是传送较大动力的场合；齿形同步带传动比精确，特别适合与精度要求较高的场合；窄V 带和多V带多用于传递动力较大，但结构尺寸受限制的场合，多V带可适用于更高转速。综合比较上述几种类型的皮带，根据3D打印机特殊的工作要求，选取齿形同步带更为合适。此种皮带的材料常采用橡胶和纤维芯组成，拥有较强的韧性和耐磨性。
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