基于3d打印技術(shù)的汽車前保險杠成型工藝開發(fā)

1、機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計題 目：基于3d打印技術(shù)的汽車前保險杠成型工藝開發(fā) 專 業(yè)： 車輛工程 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2016年5月28日 目 錄緒論21 3D打印機(jī)機(jī)型設(shè)計要求52 3D打印機(jī)設(shè)計62.1Delta 型打印機(jī)工作原理62.2確認(rèn)3D打印機(jī)整體尺寸72.3Rostock運動機(jī)構(gòu)設(shè)計82.3.1確定連桿長度最值82.3.2連桿的強(qiáng)度校核92.4傳動方案設(shè)計92.5擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計102.5.1擠出機(jī)裝置選擇102.5.2擠出噴頭選擇112.6電機(jī)的選擇.122.7傳感器的選擇.132.7.1溫度傳感器132.7.2機(jī)械位置傳感器143 運動學(xué)仿真143.1D

2、elta 型3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)143.2三維模型預(yù)處理153.3 數(shù)學(xué)建模173.4 打印機(jī)工作空間的驗證184 制作保險杠三維圖184.1 制作三維圖184.2 轉(zhuǎn)換成stl格式195 打印保險杠成品195.1將文件進(jìn)行切片處理195.2修改切片參數(shù)205.3 生成GCODE文件215.4 打印過程檢查235.5 打印完后處理23總結(jié)：24參考文獻(xiàn)24英文翻譯24附圖25基于3d打印技術(shù)的汽車前保險杠成型工藝開發(fā)摘要：20世紀(jì)80年代，3d打印技術(shù)得到快速的發(fā)展，對傳統(tǒng)行業(yè)產(chǎn)生了沖擊性影響。本文即是基于3d打印技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件上，對汽車前保險杠的成型工藝進(jìn)行研究。利用碳纖維

3、的材料特性，對汽車保險杠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為以后的汽車零部件的快速生產(chǎn)及生產(chǎn)驗證提供可能性。同時利用catia軟件對汽車前保險杠進(jìn)行了造型設(shè)計。關(guān)鍵詞：3d打印技術(shù) 汽車保險杠 碳纖維 緒論快速成形技術(shù)或快速原型技術(shù)簡稱3D打印技術(shù)（3D printing），又稱三維打印技術(shù)，通過計算機(jī)輔助軟件（CAD、PRO/E等）或者計算機(jī)動畫軟件（3Dmax、犀牛等）建立3維模型，采用分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來實現(xiàn)3D實體成型。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是不需要機(jī)械加工或模具，就能直接從計算機(jī)數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制時間，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)已經(jīng)廣

4、泛應(yīng)用于航天、航海、國防、醫(yī)療、建筑等各個領(lǐng)域一3D打印技術(shù)原理3D打印技術(shù)目前可分為四類：熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling,FDM）、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus,SLA）、三維粉末粘接（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（Selecting Laser Sintering,SLS）。四類打印技術(shù)的詳細(xì)介紹如下1.1熔融沉積快速成型在3D打印技術(shù)中，F(xiàn)DM機(jī)的使用是最常用的，機(jī)械結(jié)構(gòu)也是最簡單，設(shè)計是最容易的，制造成本和材料成本同樣也是最低的，F(xiàn)DM技術(shù)的優(yōu)點于成本廉價，制造簡單，缺點是打印的材料的局限性較多，同時由于出料結(jié)構(gòu)比

5、較簡單，難以精確控制出料形態(tài)與成型效果，由于溫度對于FDM成型效果影響同樣也非常大，在桌面級FDM3D打印機(jī)通常都會缺乏恒溫設(shè)備，因此基于FDM的3D打印機(jī)的成品精度通常為0.2mm-0.3mm，少數(shù)高端機(jī)型能夠支持0.1mm層厚，但由于受溫度影響非常大，成品效果還是不夠穩(wěn)定。FDM機(jī)示意圖如下圖0.1 FDM結(jié)構(gòu)示意圖1.2光固化成型光固化技術(shù)是在3D打印技術(shù)中最先發(fā)展起來的一種快速成型制造工藝，同樣也是目前研究的最透徹、生產(chǎn)制造技術(shù)最成熟的、應(yīng)用也為最廣泛的快速成型技術(shù)之一。光固化技術(shù)，主要使用各種光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層實現(xiàn)光固化，最終得到完整的產(chǎn)品。光固

6、化成型示意圖如下圖0.2光固化成型示意圖1.3粉末粘接技術(shù)三維粉末粘接的原料采用的是各種粉末材料，比如塑料粉末、陶瓷粉末、金屬粉末等粉末類原料，粉末粘接技術(shù)工作原理是，先在底部平臺上鋪一層粉末，然后通過噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域中，讓材料粉末自行粘接，形成零件截面，然后在截面平臺上不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，一層一層疊加，獲得最終打印出來的零件圖0.3 3DP工藝原理1.4選擇性激光燒結(jié)SLS的原理是利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，與3DP不同的是，它首先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升到熔

7、化點，然后燒結(jié)形成粘接物，最后進(jìn)行層層截面的燒結(jié)，直至完成整個模型成型。圖0.4 SLS原理示意圖二.碳纖維材料成型碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維"外柔內(nèi)剛"，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵的，而且兼具耐腐蝕、高模量的特性，在國防和民用方面都是非常重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高

8、，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等圖0.5 奧迪A6全新碳纖維改造在3d打印技術(shù)中，材料的選擇對成型工藝技術(shù)產(chǎn)生了至關(guān)重要的作用。市場上流通的常見碳纖維分為兩類，一類是純碳纖維，此類材料打印出來的成品優(yōu)點是具有高強(qiáng)度性，抗腐蝕性等一些碳纖維材料的專屬特性，缺點是成型工藝難度較高，對溫度及噴嘴的要求極高。第二類即是20%的碳纖維材料，這種材料打印出來的成品優(yōu)點是成型工藝的條件沒有那么苛刻，缺點是成品的性能上與純正的碳纖維還是具有一定的差距。 0.6 3d打印新型碳纖維復(fù)合材料 0.7 3

9、d打印碳纖維樣品1 3D打印機(jī)機(jī)型設(shè)計要求Delta 型 3D 打印機(jī)是3d打印分類中的重要的一部，由于其占地少，速度快等特點，被現(xiàn)在的打印公司廣泛的應(yīng)用，采用并聯(lián)式運動機(jī)構(gòu)的 作用是牽引噴頭。為了使表面精度高，我們就要限制各個方向的自由度，為了達(dá)到這個要求，為其運動機(jī)構(gòu)有兩種設(shè)計方案，一種是工業(yè)并聯(lián)機(jī)械手臂如圖1.1所示,另外一種是rostock運動結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。與2維打印機(jī)相比，3D 打印機(jī)增加了 Z 軸的運動，可打印出來立體的實物。而噴頭要精準(zhǔn)穩(wěn)定地做 X、Y、Z 方向的運動，它必須要有精確平穩(wěn)的軌道承載，能否在這三方向是上自由地運動是我對其結(jié)構(gòu)研究的重要部分，而Delta 型3D

10、打印機(jī)要求的是在最小的空間里實現(xiàn)三個運動方向運動范圍的最大化 圖1.1 工業(yè)并聯(lián)機(jī)械手臂 圖1.2 rostock 運動結(jié)構(gòu)工業(yè)用并聯(lián)機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，機(jī)架的三條邊通過完全獨立的相同運動 鏈分別連接到動平臺上，每個運動鏈中有一個由四個胡克鉸和桿件組成的平行四邊形 閉環(huán)，此閉環(huán)和主動臂相連，驅(qū)動桿和機(jī)架間通過轉(zhuǎn)動副連接。三組平行四邊形的應(yīng)用使動平臺始終保持水平，消除了動平臺之間的轉(zhuǎn)動自由度從而保留了空間的平動自由度。由空間機(jī)構(gòu)學(xué)理論可知由空間機(jī)構(gòu)學(xué)理論可知對于一般的空間機(jī)構(gòu)，其自由度數(shù)目 F 均可利用公式計算獲得giF = 6(n - g -1) + å fi=1n 運動桿

11、數(shù)目g 運動副數(shù)fi運動副 i 具有的自由度數(shù) g在該空間機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動副有1個自由度，胡克鉸有2個自由度，以 n=8,g=9, å fi= 15 ,將以i =1上數(shù)據(jù)代入公式（1-1）得giF = 6(n - g -1) + å f = 6(8 - 9 -1) +15 = 3 i=1由此并聯(lián)機(jī)械臂連接副的關(guān)系可知，每條支鏈約束動平臺都有兩個轉(zhuǎn)動自由度，任意兩個 支鏈就可限制三個轉(zhuǎn)動自由度，所以本結(jié)構(gòu)形式的并聯(lián)機(jī)械手共有三個平動自由度，分別為沿 XYZ 向的平移自由度,因此可以用在3D打印機(jī)上。方案二：含 rostock運動機(jī)構(gòu)如圖1.2所示，由圖可知該機(jī)構(gòu)由三個平行四邊形閉環(huán)

12、組 成，通過平行四邊形閉環(huán)把立柱同動平臺相連接起來。和工業(yè)用并聯(lián)機(jī)械手臂相類似，三個平行四邊形閉環(huán)消除了該機(jī)構(gòu)的3個轉(zhuǎn)動自由度，該機(jī)構(gòu)也有3個平動自由度， 因此可以用在上3D打印機(jī)上。兩種方案對比如表1表1 運動結(jié)構(gòu)方案對比 結(jié)構(gòu)控制復(fù)雜程度噴頭運動平穩(wěn)性功能實現(xiàn)難以程度商業(yè)化程度方案一復(fù)雜較難差較難幾乎沒有方案二簡單較易好較易較成熟綜合考慮兩個方案的各個方面，本設(shè)計選擇方案二2 3D打印機(jī)設(shè)計2.1Delta 型打印機(jī)工作原理含 rostock 運動機(jī)構(gòu)的 Delta 型 3D 打印機(jī)的實物如圖2.1所示，3D打印機(jī)的整體框 架是一個由直徑12mm的不銹鋼搭建的三棱柱，三棱柱的三根側(cè)棱為滑軌

13、，依靠不銹鋼側(cè)棱的加工精度保證滑軌的垂直度與剛度。圖 2.1 Delta 型 3D 打印機(jī)的實物圖導(dǎo)軌的上方安裝有三臺步進(jìn)電機(jī)如圖2.2所示，步進(jìn)電機(jī)通過同步帶輪帶動滑塊上的同步帶運動，從而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運動，并帶動滑塊在導(dǎo)軌上上下滑進(jìn)如圖2.3 所示?；瑝K依靠連桿與打印機(jī)的噴頭相連，當(dāng)滑塊在上下運動時，依靠連桿的剛度完成對噴頭的牽引作用，實現(xiàn)對打印頭位置的控制。打印所需的原料通過一根聚乙烯管從打印機(jī)的上方送入，送入條料所需的動力由一個步進(jìn)電機(jī)提供。工作平面位于打印機(jī)的底層，打印機(jī)整體采用了開放框架，方便打印機(jī)平臺的調(diào)平以及打印機(jī)的擴(kuò)展和維護(hù)。輔助系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)直接安裝在打印

14、機(jī)的框架之上實現(xiàn)對打印過程的在線監(jiān)測。 圖2.2 步進(jìn)電機(jī)的安裝位置 圖 2.3 同步帶的傳動2.2確認(rèn)3D打印機(jī)整體尺寸設(shè)計原始成形尺寸：直徑 200mm，高度 300mm。整體尺寸計算模型圖如圖2.4所示，等邊JHG 為圓 P 的外切圓，其中GKHJ， |PQ|=|PK|=|PL|=100mm , JQGH ，HLGJ, 可得：HG|=GJ=HJ=2HK=2|PK| tan 60° =346.41mm，所以正三棱柱底邊邊長的最小值346.41mm。正三棱柱的底邊邊長取 400mm，高度值取 800mm。圖 2.4 整體尺寸計算模型圖2.3Rostock運動機(jī)構(gòu)設(shè)計2.3.1確定連

15、桿長度最值Rostock運動機(jī)構(gòu)中6根連桿長度是相同的。確定連桿的最小長度值。保持打印機(jī)的正三棱柱的外形尺寸不變，當(dāng) rostock運動機(jī)構(gòu)中的6根桿共面時其處于極限位置時，連桿的長度取得最值,此時 rostock運動機(jī)構(gòu)的簡化模型如圖2.5。圖 2.5連桿取最小值時 rostock 運動機(jī)構(gòu)的簡化模型由工作原理可知，ABC 為等邊三角形，|AB|=|AC|=|BC|=400mm, CFAB, ADBC, BEAC,由等邊三角形的三線合一性質(zhì)可知, 點O為ABC的中心。所以|AO|=|BO|=|CO|=2/3|AD|= 2/3|AB|sin 60° =0.67x400xsin 60&

16、#176;=230.94mm 所以連桿直徑為6的不銹鋼桿長度的最小值為 230.94mm。保持打印機(jī)中的正三棱柱的外形尺寸不變，當(dāng)滑塊位于正三棱柱的最高處時，噴頭位于打印機(jī)底座平面時其處于另一極限位置，此時連桿的長度取得最大值，此時 rostock 運動機(jī)構(gòu)的簡化模型如圖2.6所示。圖 2.6 連桿取最大值時rostock 運動機(jī)構(gòu)的簡化模型圖中 b=800mm,a=230.94mm,由勾股定理可得a2 + b28002 + 230.942c = = 832.67.88mm所以連桿即6 的不銹鋼桿長度的最大值為832.67mm。綜上可得，連桿長度L的取值范圍為230.94mmL832.67mm

17、，考慮打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和安裝，取直徑為6mm的不銹鋼桿的長度為300mm.2.3.2連桿的強(qiáng)度校核在圖4.1和圖4.3中可知Rostock運動機(jī)構(gòu)的 Delta 型的打印機(jī)中除連桿外各個部件所承受的載荷都很小，所選用的材料的強(qiáng)度都滿足要求；而連桿由于在運動過程中可能會受到一定程度的拉伸，所以要校核連桿的強(qiáng)度。連桿選用直徑為 6mm的不銹鋼桿。打印機(jī)在工作過程中連桿和噴頭的質(zhì)量都很小，它們對連桿的強(qiáng)度影響可以忽略不計，而連桿兩端所受拉力大小相差不大，故連桿可等效為二力桿，此二力桿兩端所受力大小為 10N（相當(dāng)于 1.0kg 的力）。由材料力學(xué)的中的軸向拉伸與壓縮的強(qiáng)度計算公式得代入數(shù)據(jù)得經(jīng)查機(jī)械設(shè)計

18、手冊得：304不銹鋼的抗拉剛度b520Mpa .所以所選直徑為6mm的304不銹鋼絲桿滿足要求。2.4傳動方案設(shè)計由打印機(jī)的整體尺寸和工作原理可知，該處的傳動屬于遠(yuǎn)距離直線傳動，可選用 的傳動方案有螺桿傳動和皮帶傳動，兩種傳動的優(yōu)缺點比較如下表所示。表2螺桿傳動與皮帶傳動的比較過載能力結(jié)構(gòu)工作速度傳動效率制作安裝精度緩沖減振能力螺桿傳動無復(fù)雜較低較低較高無皮帶傳動較好簡單較高較高較低較好綜合考慮打印機(jī)的各個方面情況，本設(shè)計的傳動方案選擇皮帶傳動。皮帶傳動又分為普通 V 帶傳動和同步帶傳動，兩種傳動的比較如表 3 所示項目方案相對滑動傳動效率節(jié)能效果結(jié)構(gòu)工作環(huán)境要求外廓尺寸V 帶有低差復(fù)雜較高較

19、大同步帶無高好簡單較低較小 表3 V帶與同步帶的比較傳動的平穩(wěn)性和精準(zhǔn)性對于打印機(jī)的工作精度和速度都是至關(guān)重要的，從表3可知，同步帶與V帶相比傳動更加平穩(wěn)和準(zhǔn)確，所以本設(shè)計選用同步帶傳動，由機(jī)械設(shè)計手冊選取 MXL 型同步帶和 MXL型同步帶輪。2.5擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計2.5.1擠出機(jī)裝置選擇擠出裝置由擠出機(jī)和擠出噴頭組成，送料裝置負(fù)責(zé)條料的送給。3D打印機(jī)的擠出機(jī)主要有直接擠絲、齒輪擠絲、液體擠出三種類型。本設(shè)計的擠出裝置的設(shè)計主要考慮以下兩個方面：一方面為了提高打印機(jī)的工作精度，應(yīng)可能減輕噴頭的重量，需要將擠出機(jī)裝于3D打印機(jī)的頂部，故屬于遠(yuǎn)程擠絲。另一方面本設(shè)計所選用的打印原料為熔點在245左

20、右的復(fù)合碳纖維材料，故基于以上兩個方面的考慮在本設(shè)計中選擇齒輪的方案，擠出機(jī)有以下三種設(shè)計方案：（1）通過電機(jī)帶動齒輪，齒輪與皮帶連接，通過電機(jī)帶動螺桿轉(zhuǎn)動從而控制材料的 進(jìn)退。此結(jié)構(gòu)裝置比較復(fù)雜，而且螺桿上會容易有顆粒狀材料殘留。（2）采用輸出軸為圓柱形步進(jìn)電機(jī)，用小螺栓將絲輪固定在輸出軸上，用一個裝有滾軸的裝置來擠壓打印材料，材料在送絲輪和滾軸之間，使打印材料兩側(cè)受到壓力產(chǎn)生擠壓，迫使材料在電機(jī)帶動下前進(jìn)和倒退。此裝置的的好處在于對于步進(jìn)電機(jī)的電流和參數(shù)要求不太高，同時利用齒輪減速加力，因此擠絲力會較好。缺點就是這種裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)起來相對來說有點麻煩。（3）通過步進(jìn)電機(jī)的輸出軸帶

21、動軟軸，用軟軸控制兩邊齒輪，用一對齒輪夾緊材料，可完成打印材料的前進(jìn)和倒退。但此結(jié)構(gòu)裝置較復(fù)雜，成本較高并且只能對應(yīng)一種直徑的打印材料，更換其他直徑的打印材料就必須重新設(shè)計一個軟軸。從結(jié)構(gòu)和實用兩個方面考慮，本設(shè)計選用第二種設(shè)計方案。本方案的實物圖如圖2.7所示，送料機(jī)構(gòu)由齒輪、軸承、步進(jìn)電機(jī)組成。圖2.8 送料裝置原理圖 圖2.7 擠出裝置實物圖送料裝置原理圖如圖2.8所示。采用送料齒輪輪和軸承相互配合，依靠輪齒的抓緊力鉗住條料向前動作，從而達(dá)到條料的進(jìn)給。送料輪齒為主動輪，負(fù)責(zé)提供條料的進(jìn)給所需動力，軸承起定位的作用，同時 可以有效減小條料的進(jìn)給阻力。軸承與送料齒輪之間的間隙應(yīng)該略小于條料

22、的直徑，條料進(jìn)入軸承與送料齒輪之間的縫隙時會受到兩輪的擠壓而產(chǎn)生摩擦力，使之沿圖2.8箭頭所示方向運動，可以利用其自身的彈性力確保送料齒輪有一定的抓緊力，送料的精確性可通過對步進(jìn)角度的控制得到保證。 要做到條料送進(jìn)不失步，步進(jìn)電機(jī)需要提供足夠的扭矩。2.5.2擠出噴頭選擇擠出噴頭的選擇對于熔融沉積成型技術(shù)尤為重要，本文采用的碳纖維的材料極其容易磨壞噴嘴，成型工藝對噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點:（1) 熔絲功能和料絲送進(jìn)功能:將送進(jìn)的固態(tài)料年能及時充分地熔化成為熔融狀態(tài)并從噴嘴擠出;（2) 流道功能:為熔融態(tài)材料提供穩(wěn)定流動的通道;（3) 定徑功能:對擠出熔融物料進(jìn)行可控定徑,使得細(xì)小直

23、徑的絲材能夠進(jìn)行堆積;（4) 出絲速度匹配與出絲起?？刂乒δ?出絲速度實行可控,能夠根據(jù)噴頭掃描速度進(jìn)行調(diào)整, 能實現(xiàn)速度互相匹配。出絲應(yīng)該能根據(jù)路徑掃描要求及時起停,以保證高質(zhì)量的成型路徑, 尤其是在路徑起始和停止處。擠出噴頭裝置將擠出機(jī)送來的打印條料采用電阻式加熱融化后，由擠出噴嘴擠出。擠出噴頭設(shè)備主要由進(jìn)料管、加熱管、散熱片、噴嘴、監(jiān)測裝置、散熱風(fēng)扇、組成。擠出噴頭的原理如圖2.9所示。 圖 2.9 擠出噴嘴原理圖擠出噴嘴原理是由送料裝置送進(jìn)的條料經(jīng)過進(jìn)料管流進(jìn)加熱管，在加熱管內(nèi)迅速加熱至245全熔化。當(dāng)后續(xù)的材料進(jìn)入加熱管后，借助未熔的活塞作用將熔融材料擠入嘴,擠出的條料在打印面上固化

24、形成打印件。 在擠出裝置的前端，假如過早地融化，會因材料的熱膨脹產(chǎn)生的逆向壓力將液態(tài)的材料擠出到下端凝固，引起進(jìn)料管的堵塞。為阻止這種情況的發(fā)生，在進(jìn)料管上加入散熱片和散熱風(fēng)扇對進(jìn)料管進(jìn)行冷卻與降溫。進(jìn)料管為貫通整個擠出裝置，上端接入喉管插頭，下端和噴嘴相連。進(jìn)料管的上半部分被數(shù)根散熱片包裹，下半部分被加熱管包裹。在擠出機(jī)構(gòu)中噴嘴是比較重要的部件，因為打印產(chǎn)品的表面質(zhì)量取決于噴嘴的大小，考慮到 Delta 型 3D 打印機(jī)的機(jī)械軸向負(fù)載能力較弱是為了提高打印精度，本設(shè)計采用重量較輕的J-head 型噴嘴，這樣能控制機(jī)器的穩(wěn)定性，該噴嘴的實物圖如圖2.10所示。圖2.10 J-head 型噴嘴2

25、.6電機(jī)的選擇電機(jī)控制系統(tǒng)按照運動過程的需要分為驅(qū)動伺服和驅(qū)動步進(jìn)兩大類，它們優(yōu)缺點的分別比較如表4所示. 綜合考慮控制使用要求、成本要求以及3D打印機(jī)的實際工作情況，3D印機(jī)的電機(jī)選擇了步進(jìn)電機(jī)，其作用是為滑塊提供足夠的動力，即通過帶動同步帶使得滑塊在導(dǎo)軌 上做直線運動。 表4 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的比較伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制類型閉環(huán)控制開環(huán)控制 控制精度是步距為1.80 步進(jìn)電機(jī)脈 沖當(dāng)量的 1/655。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角 一般為1.80 、0.90 ，兩相混合式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 步 距 角 一 般 為 0.720 、 0.360 。低頻特性交流伺服電機(jī)運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也

26、不會出 現(xiàn)振動現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻 振動現(xiàn)象。頻率特性交流伺服電機(jī)為恒力矩輸 出，其 額 定 轉(zhuǎn) 速 一 般 為 2000r/min3000r/min在該范圍內(nèi)電機(jī)都能輸出額定扭矩，在額定轉(zhuǎn)速以上 為恒功率輸出。步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高 而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般為 300 r/min600 r/min。選擇步進(jìn)電機(jī)需要考慮的因素如下：（1）最小轉(zhuǎn)速：要使得打印噴頭的最大移動速度可達(dá)到60 mm/s，步進(jìn)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速可達(dá)到250r/min。（2）額定扭矩：3D 打印機(jī)中電機(jī)的扭矩涉及以下三個方面：一、滑塊在運動時在自身重力和連桿壓力的作用下，使得其

27、最大阻力為0.2 N ，電機(jī)軸的輸出力要克服阻力從而帶動同步帶運動；二、在行進(jìn)停止時步進(jìn)電機(jī)時可以保持的最大靜扭矩要能有效防止滑塊在自身重力作用下滑軌下滑；三、為保證擠出機(jī)在送料時不失步，步進(jìn)電機(jī)需要提供足夠的扭矩。 通過拉力測定可得，材料在送進(jìn)的過程中，步進(jìn)電機(jī)在運動時的扭矩需保持在 0.5 N·m 左右。 基于以上三個方面的考慮，查機(jī)械設(shè)計手冊選取 42HB48-174 型步進(jìn)電機(jī)，其部分參數(shù)如表5：表5 42HB48-174 型步進(jìn)電機(jī)的部分參數(shù)額定扭矩保持扭矩步距角步距精度0.27 N·m 0.40N·m1.8°±5%2.7傳感器的選擇

28、2.7.1溫度傳感器在此 3D 打印機(jī)中的傳感器包括溫度傳感器與機(jī)械位置傳感器。在溫度傳感器中，主要有接觸式與非接觸式兩種，具體的差別如表6表6 接觸式和非接觸傳感器比較溫度傳感器按工作原理分為接觸式和非接觸式。由上表分析，接觸式溫度傳感器的特別適合 1200以下，無腐蝕性、熱容大傳感器的連續(xù)在線測溫，并且接觸式測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠、維護(hù)方便、價格低廉、體積小，并且可以方便的組成多路集中測量與控制系統(tǒng)；非接觸時傳感器對于 1000 攝氏度以下誤差相對來說較大，故采用接觸式的溫度傳感器。其中熱敏電阻的鎳的有效溫度測量范圍在-150-300，精度在 0.2%-0.5%之間，標(biāo)準(zhǔn)化程度非常高高，精

29、度及靈敏度都較好，對于本設(shè)計來講鎳更加適合作為溫度傳感器2.7.2機(jī)械位置傳感器機(jī)械位置傳感器選用壓力傳感器，它用于檢測噴頭的三原色顏料用量和粘劑的用 量，還有打印原料當(dāng)前使用情況檢測。但物量不夠的時候，反饋并提醒用戶加入顏料、粘劑或原料。綜合考慮各個方面因素，選用電位器來做測量，且能達(dá)到比較高的精度。 3 運動學(xué)仿真3.1Delta 型3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)運動學(xué)仿真的目的在于驗證所設(shè)計的打印機(jī)的結(jié)構(gòu)是否滿足任務(wù)書給定的運動 學(xué)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。任務(wù)書給定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)有：（1）打印機(jī)的工作區(qū)域：直徑 200mm, 高 300mm 的圓柱體；（2）噴嘴的運動精度：0.2mm，打印厚度：

30、0.2mm；（3）噴嘴 運動的最大速度：60mm/s。3.2三維模型預(yù)處理在Solidworks中建好三維模型后將其導(dǎo)進(jìn) adams中進(jìn)行運動學(xué)仿真，為了便于仿真應(yīng)對模型進(jìn)行預(yù)處理。為方便在adams中對模型進(jìn)行處理應(yīng)在Solidworks中將三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化就是去掉與運動無關(guān)的零部件。另外，為保證三維模型在 Solidworks和 adams中所處的坐標(biāo)系一致以便于處理，在Solidworks 應(yīng)該將模型的坐標(biāo)原點與系統(tǒng)的坐標(biāo)原點重合。Solidworks中處理好的三維模型如圖3.1。將簡化后的模型導(dǎo) 入 adams 中后要再次進(jìn)行處理。首先對底座、頂座和立柱，滑塊和套筒，噴頭支架和噴嘴

31、間進(jìn)行布爾加運算。然后在底座與大地間添加固定約束,套筒和立柱間添加移動副約束，連桿兩端與相關(guān)零件分別添加球面副約束。圖 3.1 Solidworks中處理好的三維模型圖3.2 帶輪主要參數(shù)設(shè)置圖3.3 同步帶的主要參數(shù)設(shè)置圖3.4 同步帶系統(tǒng)激勵主要參數(shù)設(shè)置最后添加同步帶運動系統(tǒng)。為使其便于帶輪準(zhǔn)確定位，應(yīng)當(dāng)先在帶輪中心處添加 maker， 其坐標(biāo)分別為（0，217.58，-42.5）、（0，217.58，-829）、（188.43，-108.79，-42.5）、（188.43，-108.79，-829）、（-188.43，-108.79，-42.5）、（-188.43，-108.79，-82

32、9）。三個同步帶運動系統(tǒng)的帶輪、同步帶、激勵的主要參數(shù)設(shè)置分別如圖 3.2、3.3、3.4所 示。預(yù)處理完后的模型如圖5.5,激勵的方向應(yīng)和帶輪的旋轉(zhuǎn)方向一致。圖3.5 預(yù)處理完后的模型3.3 數(shù)學(xué)建模由于Delta 型3D打印機(jī)的連桿長度為定值，利用這一條件結(jié)合空間幾何的相關(guān)知可以建立滑塊質(zhì)心的位置坐標(biāo)與噴嘴中心的位置坐標(biāo)的關(guān)系。建立數(shù)學(xué)模型的作用有兩個方面：一方面：由滑塊的最小位移確定噴嘴的運動精度，從而驗證所選的步進(jìn)電機(jī)的步距角是否滿足要求，另一方面：驗證連桿長度和立柱長度是否合理即輸入任何一組在作業(yè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，噴嘴的位置是唯一確定的。數(shù)學(xué)建模前要對有關(guān)部件進(jìn)行模型簡化得到可以用以計算

33、的數(shù)學(xué)模型?；诟鱾€相關(guān)零件的尺寸，模型簡化如下：將滑塊簡化為位置在其質(zhì)心處的質(zhì)點，噴頭支架、噴嘴簡化為位于連桿交點處的質(zhì)點。為使簡化模型與實際相符，連桿長度取等效桿長，考慮到噴頭支架的直徑對等效桿長的影響，等效桿長取為 L=370mm設(shè)噴頭中心析坐標(biāo)為 PC(188.43, 108.79, Z3)，滑塊中心的坐標(biāo)分別為A（0，217.58，Z1）、 B(188.43,108.79,Z2)、C(188.43,108.79,Z3)模型簡化后連桿長度為 L=370mm 即|PA|=|PB|=|PC|=L,則由空間幾何知識得數(shù)學(xué)模型為x0+ (y0- 217.58)+ (z0 - z1 ) = L(

34、x0 -188.43) + ( y0 +108.79) + (z0 - z2 ) = L (x0 +188.43) + ( y0 +108.79) + (z0 - z3 ) = L當(dāng)已知滑塊質(zhì)心的坐標(biāo)即 z1、z2、z3的值由式（5）-（7）便可分別確定出噴嘴中心坐標(biāo)即 x0、y0、z0 的值。用 MATLABL軟件解上述方程組的程序如下：syms x0 y0 z0 z1 z2 z3 %z1 、z2 、z3 為三個滑塊質(zhì)心的縱坐eq1 = x02+(y0-217.58)2+(z0-z1)2-3702 % x0 、y0、z0為噴嘴中心坐標(biāo)eq2 = (x0+188.43)2+(y0+108.79

35、)2+(z0-z2)2-3702;eq3 = (x0-188.43)2+(y0+108.79)2+(z0-z3)2-3702;x0,y0,z0=solve(eq1,eq2,eq3,x0,y0,z0)z1=-247.57;z2=-247.57;z3=-306.05;subs(x0) subs(y0) subs(z0)3.4 打印機(jī)工作空間的驗證打印機(jī)工作空間的驗證任務(wù)書要求的工作空間為底面直徑 200mm,高 300mm 的圓柱區(qū)域，這里把所驗 證的工作空間取為底面直徑 300mm,高300mm 的圓柱區(qū)域，所以有-150X0150,-150Y0150, -750Z0-30,-750Z1-30,

36、-750Z2-30, -750Z2-30.現(xiàn)取噴嘴處于所選的驗證工作區(qū)域的邊界位置時 Z1、Z2、Z3 的值 由附錄中數(shù) 學(xué)模型解的表達(dá)式計算得到 X0,Y0,Z0 的值如表 8 所示表 8 方程的解(Z1,Z2,Z3)X0Y0Z0(-247.57,-406.05,-247.57)-118.52-68.43-44.96(-406.05,-247.575,-247.57)0.00136.00-44.00(-247.575,-247.57,-406.05)118.52-68.43-44.96(-547.575,-547.57,-706.05)118.52-68.43-344.96(-706.05,

37、-547.575,-547.57)0.00136.86-344.96(-547.575,-706.05,-547.57)-118.52-68.43-344.96由上表可知 X0，Y0，Z0 值均符合要求，所選桿長完全合理。4 制作保險杠三維圖在3d打印技術(shù)中，就是將三維圖轉(zhuǎn)換成切片文件，在打印機(jī)制作完成之后就是制作三維cad圖，將cad格式轉(zhuǎn)換成stl格式，之后才進(jìn)行切片操作。4.1 制作三維圖本文的保險杠設(shè)計是基于catia軟件制作，保險杠的模型是參考雷克薩斯混合動力車gs450h，利用caita軟件的凸臺、倒圓角、建立平面、拔模等相關(guān)操作進(jìn)行實體造型設(shè)計。下圖即是利用catia制作的保險杠

38、三維圖圖4.1 保險杠的三維圖4.2 轉(zhuǎn)換成stl格式Stl格式是FDM機(jī)中最常見的3d格式，用于表示三角形網(wǎng)格的一種3d數(shù)字形式，俗稱點云格式。STL只能用來表示封閉的面或者體。將stl格式經(jīng)過切片軟件進(jìn)行切片，常見的切片軟件有cura 、systerm3d等。進(jìn)過切片操作，生成GCODE文件。5 打印保險杠成品將stl格式文件導(dǎo)入切片軟件，進(jìn)行切片操作，切片操作分為以下幾步，（1）進(jìn)行平臺設(shè)置，設(shè)置適合的平臺參數(shù)（2）進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，包括噴頭直徑，線料直徑，層高，及打印溫度（3）對高級參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括外圈打印溫度，內(nèi)圈打印溫度，外圈打印速度，填充速度等（4）專家參數(shù)設(shè)計，對參數(shù)的支撐參數(shù)，

39、支撐類型等進(jìn)行設(shè)置。5.1將文件進(jìn)行切片處理下圖即是將保險杠的stl格式導(dǎo)入切片軟件中，進(jìn)行切片操作。如圖5.1圖5.1 導(dǎo)入保險杠示意圖5.2修改切片參數(shù)在打印過程中，基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)定尤為重要。但是如果說實際打印過程當(dāng)中如果發(fā)現(xiàn)第一層不能很好地粘接在打印平板上面或者是粘結(jié)平板太過于牢靠了以至于很難摘除模型，前者就需要重新調(diào)節(jié)打印平板使平板與噴嘴之間的距離更近，后者只要增加這個Initial layer thickness值（經(jīng)驗是0.05mm地遞增）。這里需要注意的是根據(jù)使用經(jīng)驗和調(diào)平結(jié)果來說，其實噴嘴距離打印平板比較近的可能性遠(yuǎn)大于距離比較遠(yuǎn)。而且這個參數(shù)其實經(jīng)驗豐富的用戶還可以通過修改這個

40、值去控制第一層與平板的距離，然后既可以保證打印件比較牢靠地粘結(jié)在平板上也能保證很容易被鏟子撬起。所以有的時候這個參數(shù)還是有必要的而且很重要的。 圖5.2 初級參數(shù)設(shè)置在基礎(chǔ)的參數(shù)設(shè)置中，層高顯示出每層的厚度，直接影響表面的精細(xì)度，表面精細(xì)度直接受層高和噴頭的直徑有關(guān)。填充的多少直接影響質(zhì)量，也會影響成品的硬度，填充越多，硬度越大，在保險杠的設(shè)計中，使用的是實心，填充率為100%。線料的直徑也限制著表面粗糙度，在線料越細(xì)的情況下，表面的精細(xì)度也就越高，先打印保險杠的過程中，使用的1.75mm的線料，在碳纖維的使用中，碳纖維的含量為20%。打印溫度為245。層高為0.3.使得打印速度更快。圖4.3

41、 高級參數(shù)設(shè)置在圖4.3上述參數(shù)中，噴頭的直徑直接影響到表面粗糙度，在打印的過程中，回抽的速度及長度影響的是表面的拉絲現(xiàn)象，在回抽速度與長度，在和打印速度恰當(dāng)?shù)臅r候，會使得拉絲很少，提高表面的精細(xì)度。5.3 生成GCODE文件一般的數(shù)控機(jī)床都只能識別簡單的機(jī)器代碼，3D打印機(jī)也不例外，它只能識別Gcode代碼，所以在打印前得利用切片軟件根據(jù)STL模型文件生成Gcode代碼。下面即是在打印保險杠的過程中生成的GCODE文件M109 S195.000000 ;Sliced at: Wed 11-05-2016 13:17:33;Basic settings: Layer height: 0.3 W

42、alls: 1 Fill: 10;Print time: 86 hours 28 minutes;Filament used: 857.529m 1237.0g;Filament cost: None;M190 S0 ;Uncomment to add your own bed temperature line;M109 S195 ;Uncomment to add your own temperature lineG21 ;metric valuesG90 ;absolute positioningM82 ;set extruder to absolute modeM107 ;start w

43、ith the fan offG28 X0 Y0 ;move X/Y to min endstopsG28 Z0 ;move Z to min endstopsG1 Z15.0 F2400 ;move the platform down 15mmG92 E0 ;zero the extruded lengthG1 F200 E3 ;extrude 3mm of feed stockG92 E0 ;zero the extruded length againG1 F2400;Put printing message on LCD screenM117 Printing.;Layer count:

44、 1111;LAYER:0M107G0 F2400 X147.423 Y143.601 Z0.300G0 X147.423 Y143.793注：G21公制輸入 G90絕對尺寸 M82是主軸制動器開 M83是主軸制動器關(guān) G28 參考點返回 G01 直線切削 G902-預(yù)制坐標(biāo) X: x坐標(biāo) Y：y坐標(biāo) Z：z坐標(biāo)E：擠出量 F：打印速度5.4 打印過程檢查在打印過程中，由于FDM機(jī)器的局限性，可能會收到其他外界的影響，例如溫度，濕度等的影響，所以定時檢查打印過程也是顯得尤為重要，圖5.4、5.5即是在打印過程檢查 5.4 打印過程檢查 5.5 打印基本完成5.5 打印完后處理 由于FDM機(jī)噴頭的原因，使得成品相對比較粗糙?？梢酝ㄟ^后處理，使得表面達(dá)到比較光滑的效果，后期可以通過打磨，補(bǔ)膩子，烤漆等操作達(dá)到幾乎與出廠機(jī)型無差別的外觀效果。圖5.6、5.7即為后期處理效果圖 圖5.6 后期上膩子工序 圖5.7 后期打磨工序 在后期處理中，打磨是最為關(guān)鍵的一步，由于3D打印機(jī)打印的堆積原理，層紋線是暫時無法避免的，這些都是可以后期處理解決的，所以后期處理同樣也是3D打印工藝中很重要的一部分。小結(jié)：在3d打印的汽車前保險杠成