基于FDM工艺的3D打印机机械系统设计制造研究

摘要

3D打印技术做为一项新兴的制造技术，最近几年发展迅猛，已经广泛应用于制造业的各个领域。在不同技术的3D打印设备中，FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积）工艺3D打印机一般具有构造简单、设计简洁、结构明了的特点，并且该种设备制造成本、维护成本和成型材料成本在各项技术中也是最低的。因此在目前市场中的桌面级3D打印机，该技术应用最为广泛。目前市场中常见的桌面级FDM工艺3D打印机有MakerBot公司的Thing-Matic、Replicator系列打印机、3Dsystems公司的Cube打印机及其衍生产品。目前市场中的FDM工艺3D打印机多为小型桌面化设备，成型尺寸较小。在打印尺寸较大的零件时，以往的方法往往是分段打印然后拼接，这样强度明显达不到要求。因此，研发较大成型尺寸的FDM工艺3D打印机且使其产业化、市场化将具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。本课题旨在探索一种结构稳定、控制简单、可实现高速打印、成型空间达500×500×500mm的大尺寸FDM工艺3D打印机。本文研究内容主要有3D打印机的机械系统结构设计同时涉及控制电路搭建与调试、控制软件的选择，以及打印实验验证。
　　本研究主要内容包括：⑴分析主流FDM工艺3D打印机的结构特点、技术原理、工艺过程、技术特点，比较各种结构的优缺点，总结出完整的机械系统设计方案。利用三维建模软件PROE对结构设计方案中的各主要零部件进行数字化设计和虚拟装配，得到整机机械系统的三维装配模型。⑵运用ANSYS Workbench有限元分析软件，对机械系统中主要的承力部件进行有限元分析验证结构的可行性。在所设计的机械系统结构基础上，完成3D打印机控制电路的选型和搭建。对主控制板进行固件程序烧录，实现主控制板对3D打印机各执行模块的控制。进行打印实验，通过电路硬件调试与切片软件参数设置，实现打印功能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 快速成型技术概述

1.3 国内外FDM工艺3 D打印机发展现状

1.4 课题研究的主要内容

第2章 基于FDM工艺的3 D打印机机械结构设计

2.1 FDM3 D打印机机械系统组成及工作原理

2.2 主流FDM工艺3 D打印机机身结构对比

2.3 打印机机身结构确定

2.4 打印机框架选材

2.5 三轴运动系统设计

2.6 FDM工艺3 D打印机工作平台设计

2.7 FDM工艺3 D打印机喷头打印系统设计

2.8 本章小结

第3章 机械系统的三维建模和虚拟装配

3.1 现代CAD技术概述

3.2 3D打印机主要部件的三维建模与装配

3.3 整机的虚拟装配

第4章 关键部件的有限元分析

4.1 ANSYS Workbench 软件的介绍

4.2 FDM工艺3 D打印机零部件有限元模型的建立

4.3 本章小结

第5章 3D打印机控制系统研究及实验

5.1 硬件系统执行部件选择

5.2 软件系统的选择

5.3 实验验证

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢