熔融沉积成型设备机械设计

熔融沉积成型设备机械设计

一、选题简介、意义

快速成型技术（Rapid Prototyping, RP）是二十世纪八十年代后期发展起的一项先进制造技术，其中熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）凭借着其成本低廉、柔性高、使用便捷等优点而得到飞速发展。

FDM的工艺过程为，将零件的三围模型通过轨迹规划软件进行分层切片处理以及自动编程，得到对应的数控程序，将数控程序输入FDM成型机进行加工。

FDM技术的成型精度以及材料缺陷等问题仍旧制约着其发展，其中成型误差来源于FDM工艺的多个方面。因此需要为FDM工艺设计专用的成形机床，提高FDM工艺的成型精度。

熔融沉积成型，有着快速、安全、廉价的特点。其容易操作，适合厂商、个人使用，是目前快速成型工艺中使用最为广泛的一种快速成型技术。当前FDM技术还存在许多问题：成型件的尺寸和形状误差较大，表面质量不高，成型加工耗时较长。而这些问题也正是当前FDM工艺的技术难点，涉及到材料、设备和工艺等多个方面。

快速成型技术作为一种先进制造技术，在国民经济中扮演着越来越重要的角色。在当前国际经济低靡，制造业发展受挫的大环境下，新技术对于经济的积极作用越来越受到重视。其中FDM技术作为快速成型技术中使用最为广泛的技术，其高度柔性以及成本低廉等特点使其应用广泛，有很大的发展潜力。在FDM领域，仍然存在许多技术难题，阻碍了FDM技术的不断发展，因此研究FDM技术对于制造业以及国民经济都有重要意义。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

（一）主要内容：

本课题是以现有的FDM快速成型机为设计依据，以机械设备结构、零部件模型文件为基础开发的设备。

（二）拟解决的主要问题：

1.设备整体结构设计；

2.优化误差；

3.轨迹设计。

（三）预期目标：

根据项目要求，必须实现制作产品的功能。

（四）研究步骤：

本课题的工作步骤分为三个阶段：

第一阶段：查阅文献，市场调研、收集资料、确定课题方案，完成开题报告；

第二阶段：完成系统构架，进行结构设计；

第三阶段：整理技术资料，完成毕业设计论文及答辩。

（五）工作方法及措施：

工作方法：本课题主要采用实验法。

措施：基于在机床设备使用所获得的实践经验，教师指导下，以小型机械设备为基础，设计开发FDM快速成型机。

第一部分绪论 2

1.1 快速成型技术概论 2

1.2 熔融沉积成型简介 3

1.3 本文主要研究内容 3

第二部分熔融沉积成型工艺误差分析 5

2.1 成型误差来源以及改善方法 5

2.2 对机床设备引起的误差的分析 6

2.3 翘曲变形改善方案 6

第三部分熔融沉积成型工艺的轨迹规划研究 8

3.1 熔融沉积成型轨迹规划简介 8

3.2 熔融沉积成型轨迹规划流程 8

3.3 不同轨迹的成型精度分析 8

第四部分熔融沉积成型设备的方案设计 13

4.1 机床结构总体设计 13

4.2 机床零部件设计与选型 14

4.3 控制系统硬件设计 19

第五部分总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 23

致谢 24

第一部分绪论

1.1 快速成型技术概论

随着社会经济的不断发展，制造业从品种单一、长周期、大批量，向着多品种、短周期、小批量的方向不断发展进步，传统的制造技术和手段已经不能适应各行各业的快速发展和现代市场的竞争需求。在这个背景下，只有兼顾技术创新与研发速度，国家和企业才能够不断发挥技术活力，推动制造业的良性发展。因此，快速成型技术(Rapid Prototyping, RP)应运而生，这是制造业的一次重大突破[1]。

快速成型技术自二十世纪八十年代出现以来，凭借着成型过程自由、制造过程快速、高度柔性、技术高度集成和应用领域广泛等优点，得到了快速发展[2]。快速成型技术主要采用堆积成型的原理，其过程为：通过三维软件对零件进行建模，并按照特定格式将模型文件导入路径规划软件，根据设定的工艺参数对模型进行分层以及扫描路径规划处理，生成对应的数控加工程序，最后通过成型机加工生成零件。快速成型技术的工艺过程中，主要是将三维零件的加工制造转变成对二维层片的加工堆叠，降低了制造难度，并且有着高度的柔性，为制造业提供了一种新型的加工方法[3]。

快速成型技术是一种分层堆积成型的技术，由于其工艺特性，快速成型技术有着独特的优势[4]：

（1）高度柔性：由于快速成型技术分层堆积制造的特性，大大降低了其加工制造过程的难度。通过对工艺参数以及辅助支撑的合理设置，理论上可以对任意形状的零件进行成型加工。高度的柔性使得快速成型技术的应用范围越发广泛。

（2）非接触式加工：快速成型技术的机床设备不使用刀具，工作头采用非接触式的方式来加工零件，因此没有传统机床的刀具磨损等问题。同时，非接触式加工也使得快速成型技术几乎不存在加工作用力，因此快速成型机床通常快速响应性能较好，运行速度较快，加工效率较高。

（3）数字化和自动化：随着数控技术、电子技术和计算机技术的不断发展，快速成型机床也更加数字化和自动化。从对于零件的建模，到对零件模型加工的自动编程，再到快速成型机床自动加工的整个过程，都实现了数字化和自动化。

（4）材料的广泛性：快速成型制造工艺广泛，每一种工艺所采用的材料也不同，如金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡等[5]。随着对快速成型产品性能要求的不断提高，以及产品应用范围的扩大，对材料的机械性能也有较高的要求。

1.2 熔融沉积成型简介

熔融沉积成型，由美国学者Dr.Scott Crump于1988年率先提出。这种工艺采用热熔挤压头，整个成型系统结构简单，维护成本低，运行安全稳定，能够广泛应用于产品设计、测试与评估等方面。FDM工艺是将丝状的热塑性材料加热至熔融态，在一定的路径下，被专用的挤出机构挤出进行铺放，进而堆叠形成实体模型的工艺过程。

熔融沉积成型是快速成型技术的一种，主要通过层的堆叠来形成实体模型。挤出机构在一定的路径下，在当前层进行平面运动，按照一定的路径进行熔丝的铺放，使熔丝铺满当前层，随着每一层的堆叠，逐渐形成实体模型。目前，应用于熔融沉积成型工艺的材料主要是聚合物，一般为ABS和PLA；辅助支撑材料有两种类型：一种是剥离性支撑，采用同种材料来形成支撑结构，可以使用单喷头挤出机，在成型结束后将支撑结构进行剥离；另外一种是水溶性支撑，由于零件本体材料和支撑材料不同，需要采用多喷头系统的挤出机，支撑结构可以分解在碱性水溶液中，便于去除支撑结构[6-8]。

FDM工艺过程主要为：通过三维建模软件建立相应的零件模型，并且按照STL格式导出，将该STL格式的文件输入分层切片软件中进行自动编程，将生成的数控加工程序输入FDM成型机控制系统进行成型加工，最后去除辅助支撑得到对应的零件。

熔融沉积成型，有着快速、安全、廉价的特点。其容易操作，适合厂商、个人使用，是目前快速成型工艺中使用最为广泛的一种快速成型技术。当前FDM技术还存在许多问题：成型件的尺寸和形状误差较大，表面质量不高，成型加工耗时较长。而这些问题也正是当前FDM工艺的技术难点，涉及到材料、设备和工艺等多个方面[9]。

1.3 本文主要研究内容

本课题旨在通过对于FDM成型精度的分析，从扫描算法和工艺参数两方面对成型精度进行改善，设计并搭建一台FDM快速成型设备。当前对于FDM路径规划的研究有很多，各种扫描路径规划算法各有其优缺点，通过分析不同扫描路径的优缺点，提出一种复合扫描路径规划算法，改善成型质量。此外，工艺参数对于成型精度有很大的影响，工艺参数设置的合理与否直接影响FDM成型加工过程，因此工艺参数的优化对于提高FDM的成型精度也有重要意义。

参考文献

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[3]胡庆夕, 周克平. 快速制造技术的发展与应用[J]. 机电一体化, 2003(5): 6-11.

[4]史玉升, 黄输槐. 三维CAD模型直接切片技术及其在快速成型中的应用[J]. 计算机辅助设计与图形学报, 2002, 14(12): 1173-1177.

[5]张永忠, 石力开. 基于金属粉末的激光快速成型技术新进展[J]. 稀有金属材料与工程, 2000, 29(6): 361-365.

[6]荆慧. 快速成型技术原理及成型精度分析[J]. 机械研究与应用, 2013, 26(2): 183-187.

[7]曹炜, 曾忠. 快速成型技术及其发展趋势[J]. 机械设计与制造, 2006(5): 104-106.

[8]牛爱军, 党新安. 快速成型技术的发展现状及其研究动向[J]. 金属铸锻焊技术, 2008, 37(5): 116-118.

[9]唐通鸣, 张政. 基于FDM的3D打印技术研究现状与发展趋势[J]. 化工新型材料, 2015, 43(6): 228-230.

[10]刘斌, 赵春振. 熔融沉积成型水溶性支撑材料的研究与应用[J]. 工程塑料应用, 2008, 36(10): 86-89.

[11]刘斌, 谢毅. 熔融沉积快速成型系统喷头应用现状分析[J]. 工程塑料应用, 2009, 36(12): 68-71.