基于FDM成型工艺的桌面级3D打印机优化设计

摘要

熔融沉积成型(Fused Deposition Model(i)ng，FDM)的3D打印技术具有工艺简单、操作环境洁净安全、制造成本较低、材料环保、能直接加工模型等优点，现阶段依旧能够满足很多领域的需求。在熔融沉积成型过程中，3D打印设备的优劣对加工模型的成型质量产生很大影响，本文通过理论分析与实验研究相结合的研究方法，重点从FDM型桌面级3D打印设备性能入手，对其影响模型成型质量的主要因素进行分析研究，以提高打印模型成型质量为目的，提出了相应的优化设计方案。
　　首先从原理、成型工艺过程和后处理三个方面系统地介绍了影响FDM型3D打印模型成型质量的因素，对“台阶效应”误差、挤出丝材误差等作了理论分析;重点分析了FDM型桌面级3D打印设备性能的影响，确定了论文内容从Z轴传动、喷头组结构、温度控制三个方面展开。
　　其次以Z轴传动为研究对象，给出了梯形螺纹丝杠相关公式，通过理论计算和模型打印实验对其进行了分析研究;论文提出了使用滚珠丝杠进行Z轴传动优化设计的方案，通过理论计算对滚珠丝杠进行了选型。
　　再次以喷头组结构为研究对象，对喷头组铁氟龙管存在受热变形的问题，进行了基于ANSYS的仿真分析;针对弹簧夹紧结构存在出现进丝不稳的现象，论文推导出了挤丝摩擦力公式，并与实际应用状况相对比;论文提出了一种喷头组结构优化设计方案，并通过打印试验证明了优化的喷头组结构在保证进丝稳定方面具有的优势。
　　最后以温度控制方式为研究对象，根据基于Matlab拟合的温度“S”曲线图，温度系统的传递函数采用了一阶惯性滞后环节来近似处理，并通过温度采集实验证明了PID控制在恒温控制方面存在的缺陷;论文提出了采用模糊控制与PID控制相结合的温度控制优化方案，通过基于Matlab/Simul(i)nk仿真试验对模糊PID控制效果进行了分析，分析结果表明模糊PID控制抗温度干扰性更好，能够提高喷头组加热性能，实现恒温控制。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 3D打印技术的发展概况

1．2．1 3D打印技术基本原理与基本流程

1．2．2 3D打印机发展重要事记

1．2．3 3D打印技术应用领域

1．2．4 3D打印技术面临的主要问题

1．3 FDM成型工艺的3D打印技术发展概况

1．3．1 FDM型3D打印技术原理与技术特点

1．3．2 FDM型3D打印技术研究现状

1．4 研究目的、意义和主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究目的、意义

1．4．3 研究内容

第二章 FDM型3D打印模型成型质量的影响因素分析

2．1 引言

2．2 原理性误差

2．2．1 3D打印设备误差

2．2．2 三维CAD模型误差

2．2．3 切片产生的误差

2．3 打印过程误差

2．3．1 挤出丝材宽度引起的误差

2．3．2 材料收缩引起的误差

2．3．3 工艺参数引起的误差

2．4 后处理误差

2．5 影响成型质量的主要因素分析

2．5．1 模型“台阶效应”误差的分析

2．5．2 挤出丝材误差分析

2．6 FDM型桌面级3D打印机分析

2．6．1 FDM型桌面级3D打印机系统组成

2．6．2 z轴传动的影响

2．6．3 喷头组结构的影响

2．6．4 温度控制的影响

2．7 本草小结

第三章 Z轴传动分析与优化设计

3．2．1 梯形螺纹丝杠相关公式

3．2．2 梯形螺纹丝杠理论计算

3．3 Z轴传动实验分析

3．3．1 Z轴传动实验‘

3．3．2 实验结果分析

3．4 Z轴运动优化设计

3．4．1 优化原理与方法

3．4．2 滚珠丝杠的选择

3．4．3 滚珠丝杠选型计算

3．4．4 计算结果分析

3．5 本章小结

第四章 喷头组结构分析与优化设计

4．1 引言

4．2．1 喷头组结构组成

4．2．2 喷头组功能区组成

4．2．3 喷头组打印特性

4．3 喷头组铁氟龙管受热变形分析

4．3．1 ANSYS仿真软件简介

4．3．2 铁氟龙管受热变形分析

4．4 喷头组挤出机结构分析

4．4．1 挤出机进丝摩擦力公式推导

4．4．2 实际应用情况分析

4．5 喷头组结构的优化设计

4．5．1 优化原理与方法

4．5．2 喷头组结构设计方案

4．5．3 打印试验

4．5．4 试验结果分析

4．6 本章小结

第五章 温度控制分析与优化设计

5．1 引言

5．2 Arduino MEGA2560温度控制方式分析

5．2．1 Arduino MEGA2560介绍

5．2．2 Arduino MEGA2560的温度PID控制

5．3 基于Matlab／Simulmk的PID控制仿真分析

5．3．1 Matlab／Simulink软件简介

5．3．2 温度控制系统传递函数获取

5．3．3 基于Matlab／Simulink的温度仿真分析

5．4 温度测试实验

5．4．1 实验过程

5．4．2 数据拟合与结果分析

5．5 喷头组温度控制优化设计

5．5．1 优化原理与方法

5．5．2 基于Matlab／Simulink的模糊PID控制仿真试验

5．5．3 仿真结果比较

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 论文创新点

6．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况