激光三维打印机结构设计
激光三维打印机结构设计
本次设计的课题为激光三维打印机结构设计，主要是针对选择性激光烧结打印机设备进行设计。通过本次的设计的设计可以进一步了解三维打印，对其结构进行分析，以便于将来更好地运用此项技术。在本次设计中先通过查阅资料、询问老师来制定方案。利用三维制图软件SolidWorks来绘图，利用AutoCAD 进行辅助设计以及二维绘图。完成对选择性激光烧结打印机的铺粉装置、送粉装置、激光扫描装置、密封装置以及其他辅助装置的设计。最终完成对激光三维打印机的结构设计处理，完成工程图、装配图。在设计的过程中，通过不断优化其结构，完善现有工艺，提高成型零件的精度。
关键词 激光三维打印，结构设计，选择性激光烧结，铺粉送粉装置，激光部分
1 绪论1
1.1 概述1
1.2 选题背景及意义1
1.3 简单介绍激光打印机技术1
1.4 激光三维打印机技术的应用2
2 简单介绍激光打印的技术及选择性激光烧结技术3
2.1 简单介绍选择性激光烧结技术3
2.2 选择性激光打印机的基本组成4
2.4 选择性激光烧结打印机的特点4
3 目前的结构设计方案以及存在的问题5
3.1 目前的结构设计方案5
3.2 激光三维打印目前存在的问题5
3.3 设备总体工业设计要求6
3.4 设计的总体装配图6
4 选择性激光烧结打印机的送粉装置设计7
4.1 选择性激光烧结打印机的送粉装置对加工零件精度的影响7
4.2 采用步进电机作为驱动力8
4.3 采用滚珠丝杠作为传动机构8
4.4 活塞的设计12
5 铺粉结构的设计13
5.1 铺粉结构对成型零件的影响13
5.2 采用三缸结构优化设计14
5.3 采用同步带直线导轨滑台作为传动机构15
5.4 铺粉辊的设计16
5.5 粉末收集箱的设计17
5.6 机架的设计18
5.7 形成的缸体总设计图18
6 激光扫描部分的结构20
6.1 对激光振镜系统简介20
6.2 X-Y扫描系统的机械结构 21
6.3 激光器的选择21
6.4 光路系统的设计21
6.5 激光系统中的电机的选择与安装22
6.6 国内外现在的激光系统比较22
6.7 激光系统中的机械传动23
7 其他装置的设计23
7.1 密封装置的设计23
7.2 十字联轴器的设计25
7.3 其他辅助装置模块的设计25
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
现在发展的激光三维打印技术，是一种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的技术。它颠覆了传统的减法打印的工艺模式，而是采用加法工艺模式。对于它的起源要追溯到19世纪末的美国，并且在20世纪80年代得以发展和推广。
1.1 概述
三维打印（3D printing），即快速成形技术的一种，它过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。
1.2 选题背景及意义
在我国激光打印技术相对国外比较落后，开发时间不如国外长。利用毕业设计的一段时间，可以对此加深了解。同时，选择激光三维打印机结构设计这一课题可以结合大学所学的机械制造、机械原理、三维设计软件的应用等知识，培养自己的实践运用能力，学以致用。同时本课题结合选择性激光烧结技术来解决问题，培养自己的创新意识和实践能力。
1.3 简单介绍激光打印机技术
激光三维打印除了共同的“增材成形”原理之外，采用的是“同步送粉激光熔覆”的方式来堆积金属材料。激光打印机主要由控制系统、激光扫描系统、电子照相系统和走纸机构组成。当计算机输出信息时，控制系统通过接口接收来自计算机的印字信息；对其处理后，由激光扫描系统进行扫描，将需要输出的文字、图形和图像在硒鼓上形成静电潜像；然后用电子照相系统进行显像处理，即用带有电荷的增色剂对潜像进行着色，增色剂是带有与潜像极性相反电荷的微细墨粉，墨粉吸附在潜像上就形成了可见像；最后通过输纸机构将可见像转印到普通纸上，并将文字、图像等信息
加以固定（定影）后输出，从而完成了整个印字操作过程。现在市面上有十几中3D打印技术，包括SLA技术（立体光固化成型法）、SLS技术（选择性激光烧结技术）、LOM技术（分层实体制造法）、FDM技术（熔积成型法）等等。对于此次的设计是针选择性激光烧结SLS技术的,如图1-1。
图1-1 SLS从CAD建模到快速成型的大致示意流程图
激光3D打印机是在平面激光打印技术和LED打印技术的原理上开发出来的，使用一种全新的方式制造三维对象，将平面打印技术和工业熔铸技术合为一体，相比现有3D打印技术，可大幅提高打印速度（10~50cm/h）和打印精度（1200~4800dpi），并可以打印出现有3D打印机所不能打印的许多产品，实现一种全新的产品制造模式。只要通过电脑输入设计产品的3D数据，激光3D打印机就能运用激光添加层烧结技术，“打印”出设计者想要得到的任何形状复杂零部件。与模具制造等传统工艺相比，“激光3D打印机”制造的同类产品可减重65%、节材90%。
1.4 激光三维打印技术的应用
激光三维打印技术自从诞生以来，受到广泛的关注与发展。它的应用领域也随之增加，比如在医疗、教育、建筑、机械等等方面已经逐步应用，相信在未来的世界里，三维打印会走进千家万户的。激光三维技术在生活中也发挥了很大的作用。比如在医疗领域，实验中可以打印出真实的骨骼，经过实验的证明，可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并有效性的证明可以在老鼠和兔子的身上得到验证。在未来数年内，打印出质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医生进行修复，为人类造福。下图1-2为激光打印的人体骨骼示意图。
图1-2 激光打印的人体骨骼示意图
2 简单介绍激光打印的技术及选择性激光烧结技术
2.1 简单介绍选择性激光烧结技术
选择性激光烧结加工（SLS）过程是采用铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必像SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。SLS使用的激光器是二氧化碳激光器，使用的原料有蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、金属，以及一些发展中的材料等。 当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末快速上升至初始位置，将其取出，放置在后处理工作台上，用刷子刷去表面粉末，露出加工件，其余残留的粉末可用压缩空气去除，选择性激光烧结的原理图如图2-1。
图2-1 选择性激光烧结的原理图
2.2 选择性激光打印机的基本组成
SLS烧结设备，主要由扫描器、铺粉机构、激光源、预热装置和计算机控制系统等部分组成。它采用具有动态聚焦功能的振镜扫描结构，因此，其扫描速度较其它种类的快速成形系统有相当程度的提高，最高扫描速度由具体的动态扫描系统确定，一般烧结速度可达2m/s，因而效率比较高。SLS系统基本上采用开环的Z轴位置控制结构，即不必实时测量零件的实际高度。SLS系统采用了自动铺粉机构完成材料准备。另外，由于加工材料的要求，系统应具有对材料的预热功能，非接触式测量环境温度，通过温度传感器或者专门的测温仪检测温度。
2.3 选择性激光烧结打印机的特点
选择性激光烧结技术具有以下特点:
(1) 材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙、塑料、金属、陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS可根据不同的用途选择不同的材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型(或芯)，用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件；
(2) SLS技术不需特殊支撑、多余材料易于清理、适合原型及功能零件的制造等优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到100%；
(3) 工艺过程简单。与其它原型制作工艺(如SLA,LOM等)不同，SLS成形无须研究专门的废料清除工艺；
(4) 具有广阔的应用前景。SLS可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。
但是还有存在的不少劣势，如：原型结构疏松、多孔，且有内应力，制作易变性；
若是陶瓷粉末烧结，生成陶瓷、金属制件的后处理较难；需要预热和冷却；成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制；成型过程产生有毒气体及粉尘，污染环境等问题。
从目前国内外SLS技术的研究情况来看，覆膜砂、石蜡粉以及塑料粉这三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研究阶段，陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。
本次设计的课题为激光三维打印机结构设计，主要是针对选择性激光烧结打印机设备进行设计。通过本次的设计的设计可以进一步了解三维打印，对其结构进行分析，以便于将来更好地运用此项技术。在本次设计中先通过查阅资料、询问老师来制定方案。利用三维制图软件SolidWorks来绘图，利用AutoCAD 进行辅助设计以及二维绘图。完成对选择性激光烧结打印机的铺粉装置、送粉装置、激光扫描装置、密封装置以及其他辅助装置的设计。最终完成对激光三维打印机的结构设计处理，完成工程图、装配图。在设计的过程中，通过不断优化其结构，完善现有工艺，提高成型零件的精度。
关键词 激光三维打印，结构设计，选择性激光烧结，铺粉送粉装置，激光部分
1 绪论1
1.1 概述1
1.2 选题背景及意义1
1.3 简单介绍激光打印机技术1
1.4 激光三维打印机技术的应用2
2 简单介绍激光打印的技术及选择性激光烧结技术3
2.1 简单介绍选择性激光烧结技术3
2.2 选择性激光打印机的基本组成4
2.4 选择性激光烧结打印机的特点4
3 目前的结构设计方案以及存在的问题5
3.1 目前的结构设计方案5
3.2 激光三维打印目前存在的问题5
3.3 设备总体工业设计要求6
3.4 设计的总体装配图6
4 选择性激光烧结打印机的送粉装置设计7
4.1 选择性激光烧结打印机的送粉装置对加工零件精度的影响7
4.2 采用步进电机作为驱动力8
4.3 采用滚珠丝杠作为传动机构8
4.4 活塞的设计12
5 铺粉结构的设计13
5.1 铺粉结构对成型零件的影响13
5.2 采用三缸结构优化设计14
5.3 采用同步带直线导轨滑台作为传动机构15
5.4 铺粉辊的设计16
5.5 粉末收集箱的设计17
5.6 机架的设计18
5.7 形成的缸体总设计图18
6 激光扫描部分的结构20
6.1 对激光振镜系统简介20
6.2 X-Y扫描系统的机械结构 21
6.3 激光器的选择21
6.4 光路系统的设计21
6.5 激光系统中的电机的选择与安装22
6.6 国内外现在的激光系统比较22
6.7 激光系统中的机械传动23
7 其他装置的设计23
7.1 密封装置的设计23
7.2 十字联轴器的设计25
7.3 其他辅助装置模块的设计25
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
现在发展的激光三维打印技术，是一种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的技术。它颠覆了传统的减法打印的工艺模式，而是采用加法工艺模式。对于它的起源要追溯到19世纪末的美国，并且在20世纪80年代得以发展和推广。
1.1 概述
三维打印（3D printing），即快速成形技术的一种，它过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。
1.2 选题背景及意义
在我国激光打印技术相对国外比较落后，开发时间不如国外长。利用毕业设计的一段时间，可以对此加深了解。同时，选择激光三维打印机结构设计这一课题可以结合大学所学的机械制造、机械原理、三维设计软件的应用等知识，培养自己的实践运用能力，学以致用。同时本课题结合选择性激光烧结技术来解决问题，培养自己的创新意识和实践能力。
1.3 简单介绍激光打印机技术
激光三维打印除了共同的“增材成形”原理之外，采用的是“同步送粉激光熔覆”的方式来堆积金属材料。激光打印机主要由控制系统、激光扫描系统、电子照相系统和走纸机构组成。当计算机输出信息时，控制系统通过接口接收来自计算机的印字信息；对其处理后，由激光扫描系统进行扫描，将需要输出的文字、图形和图像在硒鼓上形成静电潜像；然后用电子照相系统进行显像处理，即用带有电荷的增色剂对潜像进行着色，增色剂是带有与潜像极性相反电荷的微细墨粉，墨粉吸附在潜像上就形成了可见像；最后通过输纸机构将可见像转印到普通纸上，并将文字、图像等信息
加以固定（定影）后输出，从而完成了整个印字操作过程。现在市面上有十几中3D打印技术，包括SLA技术（立体光固化成型法）、SLS技术（选择性激光烧结技术）、LOM技术（分层实体制造法）、FDM技术（熔积成型法）等等。对于此次的设计是针选择性激光烧结SLS技术的,如图1-1。
图1-1 SLS从CAD建模到快速成型的大致示意流程图
激光3D打印机是在平面激光打印技术和LED打印技术的原理上开发出来的，使用一种全新的方式制造三维对象，将平面打印技术和工业熔铸技术合为一体，相比现有3D打印技术，可大幅提高打印速度（10~50cm/h）和打印精度（1200~4800dpi），并可以打印出现有3D打印机所不能打印的许多产品，实现一种全新的产品制造模式。只要通过电脑输入设计产品的3D数据，激光3D打印机就能运用激光添加层烧结技术，“打印”出设计者想要得到的任何形状复杂零部件。与模具制造等传统工艺相比，“激光3D打印机”制造的同类产品可减重65%、节材90%。
1.4 激光三维打印技术的应用
激光三维打印技术自从诞生以来，受到广泛的关注与发展。它的应用领域也随之增加，比如在医疗、教育、建筑、机械等等方面已经逐步应用，相信在未来的世界里，三维打印会走进千家万户的。激光三维技术在生活中也发挥了很大的作用。比如在医疗领域，实验中可以打印出真实的骨骼，经过实验的证明，可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并有效性的证明可以在老鼠和兔子的身上得到验证。在未来数年内，打印出质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医生进行修复，为人类造福。下图1-2为激光打印的人体骨骼示意图。
图1-2 激光打印的人体骨骼示意图
2 简单介绍激光打印的技术及选择性激光烧结技术
2.1 简单介绍选择性激光烧结技术
选择性激光烧结加工（SLS）过程是采用铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必像SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。SLS使用的激光器是二氧化碳激光器，使用的原料有蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、金属，以及一些发展中的材料等。 当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末快速上升至初始位置，将其取出，放置在后处理工作台上，用刷子刷去表面粉末，露出加工件，其余残留的粉末可用压缩空气去除，选择性激光烧结的原理图如图2-1。
图2-1 选择性激光烧结的原理图
2.2 选择性激光打印机的基本组成
SLS烧结设备，主要由扫描器、铺粉机构、激光源、预热装置和计算机控制系统等部分组成。它采用具有动态聚焦功能的振镜扫描结构，因此，其扫描速度较其它种类的快速成形系统有相当程度的提高，最高扫描速度由具体的动态扫描系统确定，一般烧结速度可达2m/s，因而效率比较高。SLS系统基本上采用开环的Z轴位置控制结构，即不必实时测量零件的实际高度。SLS系统采用了自动铺粉机构完成材料准备。另外，由于加工材料的要求，系统应具有对材料的预热功能，非接触式测量环境温度，通过温度传感器或者专门的测温仪检测温度。
2.3 选择性激光烧结打印机的特点
选择性激光烧结技术具有以下特点:
(1) 材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙、塑料、金属、陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS可根据不同的用途选择不同的材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型(或芯)，用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件；
(2) SLS技术不需特殊支撑、多余材料易于清理、适合原型及功能零件的制造等优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到100%；
(3) 工艺过程简单。与其它原型制作工艺(如SLA,LOM等)不同，SLS成形无须研究专门的废料清除工艺；
(4) 具有广阔的应用前景。SLS可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。
但是还有存在的不少劣势，如：原型结构疏松、多孔，且有内应力，制作易变性；
若是陶瓷粉末烧结，生成陶瓷、金属制件的后处理较难；需要预热和冷却；成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制；成型过程产生有毒气体及粉尘，污染环境等问题。
从目前国内外SLS技术的研究情况来看，覆膜砂、石蜡粉以及塑料粉这三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研究阶段，陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。
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