摘 要

3D打印技术是21世纪机电一体化技术的重要组成部分，是近几年来开始流行的快速成型（rapid prototyping，简称RP）技术。本文将以3D打印技术的内容、国内外3D打印行业研究发展现状和行业发展方向进行综合分析，再介绍3D打印的成果、工作原理和流程以及特点的基础上，分析3D打印技术的创新之处。

主要从机械结构和电气及控制系统方面设计FDM三维打印机，以切合实际针对新型的生产工艺采取的实际设备的设计制造。

关键词：3D打印；新型设备；控制系统

Abstract

3D printing technology is an important part of mechanics technology in the 21st century. It is a popular rapid prototyping (RP) technology in recent years. This paper will make a comprehensive analysis of the content of 3D printing technology, the researchers and development status of 3D printing industry at home and abroad and the direction of industry development. Then it will introduce the achievements, working principle and process of 3D printing and analyze the innovation of 3D printing technology on the basis of its characteristics. This paper mainly introduces that FDM three-dimensional printer is designed by the aspects of mechanical structure, electrical and control system, in order to suit the actual design and manufacture of equipment for the new production process.

Key words: 3D printing; new equipment；control system

目 录

1 绪论 1

1.1 课题来源及研究目的和意义 1

1.2 本次设计的主要内容 1

1.3 国际和国内3D打印的基本情况 2

1.4 该设计FDM 三维打印机的特点和创新 2

1.5机械总体方案与布局 3

2 机械结构的设计 6

2.1 电机的选择 6

2.1.1 Z轴电机的选择 6

2.1.2 X轴和Y轴电机的选择 9

2.2 滚珠丝杠螺母的设计 11

2.2.1材料选用原则 11

2.2.2丝杠螺母的工作条件、失效形式和技术要求 12

2.2.3丝杠螺旋传动的类型、特点与应用 12

2.2.4滚珠丝杠螺母的设计计算 13

2.2.5滚珠丝杠螺母的支承方式的选择 20

2.2.6 滚珠丝杠螺母的润滑和防尘隔离 21

2.3 导向光杆和直线轴承的设计 23

2.3.1直线轴承的选择 23

2.3.2 直线轴承安装 25

2.3.3直线轴承润滑和防尘 26

2.3.4轴承的载荷和寿命 26

2.4联轴器的选择 27

2.5同步带轮设计 28

3 电气与控制系统的设计 33

3.1 电气系统设计 33

3.2 控制系统总体设计 33

3.3 USB接口设计 34

3.3.1 USB接口防静电处理 34

3.3.2 接口信号线缆设计 35

结 论 37

致 谢 38

参考文献 39

1 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

三维打印技术被看作是新工业革命的典型和突出代表。制造业领域越来越多的使用三维打印技术对零部件或者其他领域需要的如移植器官，建筑材料甚至成品进行生产。中国政府及工业与信息化部在本国工业发展规划中，从宏观和微观的角度上为我国发展自己的三维打印产业指引了发展方向，提出了具有中国特色的战略方针。自2013年以来，国内各界也开始密切关注三维打印技术发展及其应用前景，各级政府开始制定发展方针以确保三维打印生产技术的新旺和早日大规模投入使用，以带动GDP和其他产业的发展。

3D打印技术的原理是通过对需要生产的物品进行分层分析，获得分层数据并逐层打印。3D打印技术有选择性激光烧结成（SLS）型、选择性激光熔化成（SLM）型、立体光刻成（SLA）型、三维印刷成（3DP）型、熔融沉积制造成（FDM）型等多种成型方法，分类方式是依据制造技术的区别。

1.2 本次设计的主要内容

我设计的是FDM（Fused Deposition Modeling）三维打印机，是一种加热、熔化进而堆砌各种丝材成型方法。FDM工作原理是由计算机控制加热喷头，从喷头中挤出半液态的打印材料，按计算机或者外部存储设备规划好的轨迹涂抹到工作台上，快速冷却后形成一层产出层。就这样一层层地打印直到最终完成需要的物品的生产。

1.3 国际和国内3D打印的基本情况

在许多发达工业国家，三维打印技术被应用于诸多领域。例如，在工业方面，零部件等可以通过三维打印技术直接打印出来，节省铸模等时间，提高生产效率。在军事领域，可以通过三维打印直接生产出飞机整流罩等需要复杂机械才能够得到的物品。在建筑方面，小到螺丝钉，大到一座房子甚至一座桥梁都可以使用三维打印机进行制造。在医疗领域，已经有医院直接打印器官为患者进行治疗。三维打印已经进入人类生产生活的方方面面，并影响着人类的生产方式。

在过去的几年，中国的三维打印产业还只是处于实验阶段，三维打印技术基本只是由一些科研单位在进行研究，仅有数量不多的三维打印技术产品出现，同时在软件和硬件方面也相对落后。然而，中国科研人员并没有放弃继续研究三维打印技术，一直想掌握并运用这项颠覆性的制造技术。例如北京航空航天大学等高校同诸多研究所等单位，将生产和教学以及研究相结合，对大型飞机及航空航天发动机等重难点课题及国家重大军事战略需求，经过多年钻研和实验，在国际上首次突破钛合金以及超高难度材料等重难加工技术，使我国对大型整体金属材料的研制和生产提升到一个新的高度。开展三维打印机及其控制系统的研发，不管是对国家，企业，高校还是社会发展，具有重要的意义。

在三维设计以及制造领域，中国与国外机构有着很多不同的地方。国外企业更偏向于运用新材料和新理念，把握和引导市场导向，将三维打印产业的领先优势掌握在自己手中。同时中国更擅长三维扫描成型以及快速生产，节约生产时间，在更短的时间里生产出更多合格的零部件。

1.4 该设计FDM 三维打印机的特点和创新

(1)该选题的研究与设计在国内外处于新兴发展行业，市售的大多数产品主要针对桌面级别的消费市场。由于增材制造工艺自身属性有别于其他产品，导致了消费级的3D打印机存在诸多不合理设计之处。换句话说，三维打印机的创新设计在市面上仍处于初期发展阶段，因此多数厂商均着眼于三维打印技术本身，故很少从实际用户的角度出发机械设计和研究。

(2)现在有些三维打印机的生产厂家以及研发人员研究眼界不开阔，狭隘地关注三维打印机本身，对于机电产品的控制及人机交互的养发极度不够，其研究范围必定存在局限性。以三维打印机为本，结合增材制造及传统加工工艺进行三维打印机的设计。