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基于FDM技术3D打印机的设计与研究

张自强  
【摘要】:自3D打印技术问世以来,3D打印机便成为3D技术领域的前瞻性产品,并逐步成为一项新型的主流加工技术。3D打印机的发展不仅成为未来世界新的创造性科技,更是掀起了世界性制造业革命的热潮,不仅改变了多年来制造业的生产方式,也进入到我们的日常生活。3D打印机作为一种高科技设备,综合应用了CAD技术、CAM技术、激光学、光化学及材料科学等诸多方面的科学与技术。它使得产品设计、工业设计、建筑设计及医疗用品设计等领域的研发者,能够快捷方便地获得三维实物模型,方便后期的设计。目前3D打印机的发展和推广仍然有着广阔的空间,同时也面临着诸多困难和挑战,尤其在设备成本、成型材料、打印精度、打印速度和打印效率等方面需要进行更加深入的探索与研究。针对现有3D打印机效率低、精度差及原材料昂贵等不足,深入分析3D打印机的工作机理,设计新型基于熔丝沉积成型(FDM)技术3D打印机,提出三喷嘴挤出机构,改善现有3D打印机中的不足。根据各部分功能的不同对3D打印机的机械结构进行模块划分,分别对挤出机构、送丝机构、伺服系统以及温度控制系统等进行研究,并对核心结构进行仿真分析。对基于FDM技术3D打印机进行零部件的设计及整机装配,为3D打印机的仿真分析及进一步改进提供数模;针对3D打印机核心机构(挤出机构)及结构进行设计,研究出三喷嘴挤出机构、柱塞泵式挤出机构和滑片泵式挤出机构;对3D打印机承载零部件的强度及刚度等性能进行分析,检验所设计机械结构的可靠性;对挤出机构进行流体仿真分析,模拟3D打印机工作时机构内部流体的实际运动情况,验证三喷嘴挤出机构的可行性;对3D打印机的控制流程进行研究,分析3D打印机工作时挤出机构、送丝机构及伺服机构等分工协作流程,确保3D打印机工作的稳定性。通过对基于FDM技术3D打印机进行研究与设计,既提高其成型精度及成型速度,又改善丝材容易堵丝、溢流、断流以及设备昂贵等问题。通过打印样件对所研制3D打印机进行实验测试,经验证可知,基于FDM技术3D打印机达到了项目的设计要求,为开发具有自主知识产权的高精度、高效率且低成本的3D打印机提供理论依据。


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