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矫形器快速成型的3D打印机设计与研究

韩朔  
【摘要】:进入二十一世纪以来,特别是近十年,3D打印技术得到了迅猛发展和广泛的应用。熔融沉积型3D打印技术由于其技术完善,成本较低,逐渐进入了大众的视野。随着经济社会的发展,人们对工业产品的需求呈现了多样化、个性化的特点。针对用户私人定制产品的需求越来越大,特别是在康复医疗器械的设计中,比如各种矫形器需要根据每个人的实际情况单独设计制造。在这种背景下,本文将3D打印技术应用到矫形器的数字化设计与制造中,降低了矫形器的生产成本,提升了矫形器的质量,而且能够针对个人提出个性化的设计。由于目前成本较低的普通桌面级的3D打印机成型空间有限,精度较低,无法满足工业制造的需求,本文根据工业制造的需求设计了一种能够满足脊柱矫形器成型的3D打印机。为了满足工业制造对高精度,大尺寸的需求,本文在研究了 FDM式熔融沉积型3D打印机的成型原理和几种常见的机械结构后,选择了龙门极坐标式的成型结构,对3D打印机的各个传动轴进行了三维建模和详细设计,对于跨度较大的横梁部分进行了Ansys仿真,验证了结构刚度。利用Adams进行了动力学仿真,计算分析了机身模态,验证了结构设计合理性。对于3D打印机的系统固件Marlin进行了深入的研究,分析了速度规划的原理,并针对Marlin固件编写了坐标转换模块,将直角坐标系下的坐标转换为极坐标系的坐标。利用Matlab软件对双喷头和单喷头的成型时间进行了对比分析。在闭环控制方面,对比选择了磁编码器对喷头进行半闭环控制,解决了步进电机的失步问题,并针对闭环控制系统制作了实物样机,验证了闭环控制系统的有效性。


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