摘 要

在现在的社会正处于一个发展迅速的时代，各种成熟的技术在各个领域被人们广泛的使用着，而近几年发展最为迅速的则是3D打印技术，3D打印技术被应用在各种不同的领域。医学、航空航天、建筑等领域3D打印机技术都有涉及。本课题对3D打印机技术在国内外的发展现状和发张态势进行了总结，综合3D打印机打印过程原理、应用领域提出“便携式3D打印机”的概念，注重于质量轻，结构简单，便于携带和使用，制作成本低。

依据相应的指标、数据在符合标准件的前提下对3D打印机的整体结构进行设计，并对重要零部件的参数和运动原理进行详细的分析。3D打印机在使用过程中因受应变

力的影响会导致结构的变形，所以需要用到材料力学的只是来对支撑柱进行受力分析，以保证3D打印机产品的精确程度。

3D打印机在运行时是三个方向一起运动的，而打印机能否精确地在X、Y、Z三个方向运动，必须保证轨道的精确和稳定，本课题对打印机的重要研究部分是能否在这三个方向上自由移动，并确保在最小的尺寸空间内实现三个运动方向的最大运动范围。设计过程中主要用到Solidworks三维制图软件。

关键字：便携式3D打印机 受力分析 结构设计 Solidworks

Abstract

Today's society is in a rapidly developing time, a variety of mature technology has been widely used in various fields. But in recent years, the most rapid development is the 3D printing technology, 3D printing technology is applied in a variety of different of the field. 3D printer technology are involved in Medical, aerospace, construction and other fields. In this paper, the development of 3D printer technology at home and abroad to sum up the status quo, integrated 3D printer printing process principle, the application of "portable 3D printer" concept. It is focusing on light weight, simple structure, easy to carry and use, low production costs.

According to the corresponding indicators, the data in line with the standard parts under the premise of the overall structure of the 3D design, and the important parts of the parameters and the movement principle of a detailed analysis. The 3D printer is subject to strain during use. The impact of the force will lead to structural deformation, so we just use the material mechanics to support the column force analysis . So we can sure the accuracy of the 3D printer products.

The 3D printer is moving in three directions at run time, and whether the printer can move exactly in the three directions of X, Y, and Z. We must sure the accuracy and stability of the track. The important part of my printer study is it can move freely in these three directions. And ensure that the maximum range of motion for the three moving directions is achieved in the smallest size space. The design process mainly uses Solidworks three-dimensional drawing software.

Key words: Portable3D printer ;stress analysis ;design ;Solidworks

目 录

1 绪论 1

1.1 课题的背景与意义 1

1.2 国内外3D打印机研究现状 1

1.2.1 3D打印机国内的研究现状 1

1.2.2 3D打印机国外的研究现状 2

1.3 便携式3D打印机结构优势 2

2 总体方案的设计 3

2.1 系统总体框架 3

2.2 3D打印机的结构 3

2.3 电机的选择 5

2.4 打印喷头的选择 8

3 机构的设计 9

3.1 三轴并联式运动结构与原理 9

3.2 X轴运动方向的极限位置 10

4 3D打印机主要部件受力分析 12

4.1 X方向运动光杆的受力分析 12

4.2 丝杠的受力计算 14

4.3导轨的选型及计算 14

4.4 丝杠和螺母自锁校核计算 15

5 Solidworks设计3D打印机 16

5.1 Solidworks介绍 16

5.2 草图的设计 19

5.3 系列零件设计 20

5.4 皮带轮设计 20

5.5 运动滑块的设计 21

5.6喷头传动机构的设计 22

5.7 圆角和倒角 23

5.8系列零件设计表 25

5.9 零件模型外观色彩 26

结 论 29

致 谢 30

参考文献 31

1 绪论

1.1 课题的背景与意义

3D打印技术的制造核心思想在美国这个国家最早始于第十八世纪末和第十九世纪初。自20世纪50年代以来,已经有数百个3D打印机的专利。直到20世纪80年代中期,它已经发展了三十年,该技术便趋于成熟，并逐渐形成规模化体系，在当今的全球体系中，美国处于主导地位，欧洲地区是协同发展，我们国家则是后来者居上。特别是2012年，美国率先将3D打印机纳入发展工作计划之中，自此3D打印技术在全球范围内飞速发展。正因为这样2012年可称为“3D打印元年”^[1]。

在过去的20年,3D打印技术迅速在各个领域发展,主要用于医疗、科学研究、建筑设计等领域,取代传统以来的精细加工技术在这些领域。此外,该技术在鞋类、建筑、枪支、汽车、牙科和医疗行业、地理信息系统、工程与施工(AEC)、航空航天、教育、生物工程、土木工程等领域已经工作,从市场份额,3D打印技术应用在汽车领域和部分占37%,18.2%,消费品领域的应用在航天和国防军事工业占13.7%,11.2%,领域的商业机器领域的卫生保健(8.8%),8.6%的领域的科学研究^[2]。

1.2 国内外3D打印机研究现状

3D打印技术在原理上讲其实是一种迅速成型技术，它的基础是运用数字三维模型文件，通过使用粉末状材质或耐用性尼龙等可粘合材料^[3]，通过逐层叠加的方式来构造物体的技术。