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基于协同打印切片技术的FDM型3D打印机的设计与开发

苏鹏升  
【摘要】:3D打印技术属于快速成型技术的一种,是一种以数字文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。FDM(Fused Deposition Modeling)技术即熔融沉积成型技术是目前3D打印技术中发展最快,应用最广泛的技术。基于FDM技术的打印机,将具有热塑性的丝状材料在打印喷头熔腔内加热至熔融态,并由喷头挤出冷却,自上而下逐层叠加制成打印产品。这种打印机成本低、生产周期短、可适应多种工作环境,己成为目前市场使用最广泛的3D打印机。打印效率是FDM技术的一项重要考量指标。传统的FDM 3D打印机,大部分只具有一个打印喷头。为了进一步提高打印效率,开始出现了一些具有两个以上喷头的FDM 3D打印机,但绝大多数都是通过分时交替的工作方式进行打印,主要解决去除支撑的问题以及实现多色彩、多材料的打印,打印效率并没有真正的提高。本文通过对国内外FDM型3D打印机的研究,设计了一款能够借助特殊设定的切片模型数据分析与处理规划,实现连续两切片间交替同步打印的FDM型3D打印机。双喷头协同打印的FDM型3D打印机开发主要包括机械结构设计和控制系统的设计。首先,根据双喷头协同打印的工作原理,设计了对称双悬臂式机械结构,对打印机重要的传动结构进行了详细设计和三维建模,对悬臂结构进行了应力分析,验证了结构刚度。对整个机身进行了模态分析,保证打印机工作的稳定性。其次,根据双喷头协同打印机控制系统的需求,以Mega2560作为打印机控制系统核心,对双喷头协同打印的路径进行了规划。基于控制单元对温度控制模块、电机驱动模块进行了模块化单元电路设计并设计了软件系统框架图。最后,完成实验准备后。在相同工况下,打印两组不同的模型。通过与现有市场的3D打印机对比,双喷头协同打印效率可提高30%以上。本课题所设计的双喷头协同打印的FDM型3D打印机对打印大型制件更具优势,也为日后双喷头乃至多喷头打印设备的开发提供一定的参考依据。


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