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  • 【论文】 基于FDM技术的混色3D打印机喷头研究

    作者:陆亮亮 关键词:3D打印 ; FDM ; 混色喷头 ; 热力耦合 ; 优化设计 机构:杭州电子科技大学 ; 杭州电子科技大学 年份:2018
    摘要:为实现混色3D打印,解决打印过程中喷头结构和材料不合理、混色质量不高、打印精度差、喷头易堵塞等问题,分别对分支式和一体式三进一出混色喷头进行了对比分析研究。通过Solid Works三维建模软件,对混色喷头进行精细的三维建模,在Ansys有限元分析软件中,对混色喷头进行温度场和应力场仿真求解。对比求解结果,指出了该混色喷头的设计缺陷,然后对喷头进行优化设计,再次通过有限元分析验证了优化设计的合理性。最终进行打印试验,验证两款喷头的打印质量以及打印稳定性。本文以两种多挤出机单喷头作为研究对象,主要研究内容如下:1.分支式和一体式混色喷头模型的设计。使用三维建模软件设计了两种喷头模型,分支式喷头主要部件包括:散热器、喉管、加热管、热敏电阻、喷嘴,散热器为圆柱形片式,加热管放置于喷嘴中心位置,能够对喷嘴均匀加热。一体式喷头的主要部件相对分支式喷头增加了加热块,散热器则用了扇形散热器,提高散热效率;喉管采用钢制材料,以防止PLA膨胀或融化阻塞喷头;加热管对称放置,能够均匀加热。加热块中有材料混合腔有利于材料液体的混合。2.有限元热力耦合分析。对分支式和一体式喷头分别导入到有限元分析软件,再分别进行网格划分与优化。网格质量的好坏对有限元分析的结果影响很大,因此对比几种网格划分质量,分支式和一体式喷头都使用四面体主导划分网格。使用瞬态温度分析系统与结构静力学分析系统结合,把前者的求解结果作为后者的输入参数,对喷头进行热力耦合分析,根据求解结果找出两种喷头的优缺点,进行优化设计。分支式喷头结构设计较为合理,加热以及散热性能良好,但是熔融流道没有混合腔,不同色彩的耗材无法混合,导致混色打印效果不好。一体式喷头的结构设计较为复杂,熔融流道呈L型设计不太合理,喷头容易堵塞,但是它具有一定大小的混合腔,有利于耗材的混合,从而有利于提高混色打印效果。3.根据有限元求解结果,对两种混色喷头进行优化设计。针对分支式喷头设计一个混合腔室,使得耗材充分混合,提升混色打印效果。由于散热器设计不够合理,散热效果不够理想,因此改进散热器为一致直径。加热管露出喷嘴导致外部温度很高,一方面不利于热量的充分利用,另一方面也不利于散热,故缩小加热管尺寸。然后由于一体式加热块中流道呈现L型,不利于丝材进入,温度降低时易造成堵塞,故改进流道造型。热敏电阻温度比加热块的温度略低,不能反映整个加热块以及流道的温度分布,故将热敏电阻从加热块的圆柱侧面位置移至加热块上表面的中心位置。喉管与散热器接触的豁口位置温度依然较高,丝材经过此豁口易受热膨胀造成堵塞,故将喉管的豁口去除。对两款喷头的形变分析,由于温度的差异对喷头的形变的影响只有层厚的一半,对打印效果影响不大。4.通过对改进后的喷头进行有限元热力耦合分析,以及使用两种喷头进行打印试验验证优化的合理性。两种喷头的不足基本已经解决。使用改进后的混色喷头进行打印试验,均对混色打印的效果以及质量有所提升。本文主要对两种多挤出机单喷头打印进行了热力耦合场对比分析研究,对比求解结果,对其不足进行优化设计。基本解决打印过程中的喷头结构不合理、混色质量不高、打印精度差、喷头易堵塞等问题。本研究结果对基于FDM技术的混色3D打印机的喷头设计具有重要的参考价值。
  • 【论文】 FDM铋锡合金3D打印机结构设计及优化研究

    作者:王兴迪 关键词:FDM ; 铋锡合金 ; 有限元分析 ; 结构设计 ; 3D打印 机构:西京学院 ; 西京学院 年份:2017
    摘要:随着我国的工业制造业的不断发展与进步,3D打印技术也得到了快速发展,同时针对3D打印机的研究与开发也成为各大高校和企业的重点研究项目。在目前研发的各类3D打印机中,以ABS、PLA作为材料的FDM技术设备发展已比较成熟,但是使用Bi-Sn合金作为打印材料的FDM设备尚未得到充分的研究。本文以企业实践项目为基础,在西京学院研究生创新基金的资助下,基于FDM技术,设计研发一种适用于Bi-Sn低熔点合金的3D打印机。本文主要针对FDM铋锡合金3D打印机的机械系统结构设计和优化进行全面的研究与开发。首先,通过国内外FDM设备机构上的比较分析,以及结合Bi-Sn低熔点合金的材料性能,提出一套完整的结构设计方案,利用三维建模软件CREO对结构设计方案中的各主要零部件进行参数化设计和虚拟装配,得到3D打印机的整机虚拟模型。然后,利用ANSYS有限元分析软件分别对机架进行结构静力学分析和整机的模态分析验证打印机几何结构的强度、刚度和稳定性等;喷头挤出结构的热分析验证结构的传热性能;当机械系统的各项性能指标均满足设计需求后,对机架结构进行轻量化的优化分析。
  • 【论文】 FDM型3D打印机用PLA线材激光熔接机设计

    作者:李勇兴 关键词:PLA ; 激光透射焊接 ; 有限元分析 ; 熔接机 机构:西京学院 ; 西京学院 年份:2019
    摘要:FDM型3D打印是一种快速成型制造技术,由于其成型速度快、成本低、成型过程无污染,适合办公环境使用等优点,已被广泛地应用于工业制造的各个领域。本文针对FDM型3D打印机在打印过程出现的线材接续问题,以PLA线材为例,研发了一台线材激光熔接机,该装置适用于材料种类和颜色相同或相近,同径线材的焊接,以满足快速成型的需要。首先,针对线材熔接所存在的对接装夹技术难点,提出了采用玻璃半轴装配来保证对接接头定位精度的方法,同时采用ANSYS软件对线材激光焊接的温度场进行有限元分析,获取了接头对接定位参数与激光焊接设计参数。然后,根据非接触式激光透射焊接原理,提出了熔接机的总体设计方案,通过对熔接机的功能分析,确定了夹具子系统、进给子系统、光路子系统、控制子系统和机架子系统等5个子系统,并最终确定熔接机的基本设计参数。在上述研究的基础上,对夹具子系统、进给子系统、机架子系统部分进行结构的详细设计,提出了光路子系统和控制子系统的设计方案,完成了激光发生器、单片机开发板、红外测温传感器、触摸屏等关键元器件的选型。最后,运用PLA线材激光熔接原理样机进行正交试验,结果表明焊接时间是影响PLA线材焊接强度的第一因素,其次是焊接功率,同时验证了激光熔接是一种可行的、效果较为理想的PLA塑料线材焊接方法。
  • 【论文】 3D打印机等层厚切片算法研究及软件实现

    作者:田明海 关键词:3D打印机 ; STL ; 切片算法 ; 填充算法 机构:沈阳工业大学 ; 沈阳工业大学 年份:2016
    摘要:3D打印机采用分层累积成型技术打印三维模型。目前,3D打印机已被广泛的应用于政府、国防、教育业、制造业、医疗设备等领域,并且成为重要的研究课题。在打印模型前,首先需要使用3D打印机切片软件将三维模型文件转化为层片格式,然后将转化后的文件输入到3D打印机。在整个过程中,3D打印机切片软件的好坏对3D打印机打印三维模型所需的时间和打印模型的精度起着至关重要的影响。本文的研究目标是将三维模型文件转化为层片格式供3D打印机使用,需要重点解决的问题包括模型冗余数据的去除、模型的切片、轮廓环的填充。为了去除模型中的冗余数据,首先需要将模型数据输入到标准模板库的SET容器中,然后利用SET容器中元素的唯一性实现冗余数据的去除。为了对模型进行切片,即转化三维模型文件为层片格式,需要使用分层切片算法,在研究和分析了几类常见的分层切片算法的基础上,提出以边为运算单元的切片算法,该算法使用二维数组结构存储层片信息中的边信息,使用链表结构存储层片信息中边的邻接拓扑关系,该算法的特点是利用模型中边之间的几何连续性,计算每个层片中的边信息,并且重复使用保存在链表结构中的已计算出的边之间的邻接拓扑关系,最后生成轮廓环,该过程有效的减少了对模型切片工作的运算量。为了填充轮廓环,采用扫描线填充算法,生成层片格式的三维模型信息。使用若干组三维模型对本文算法和用本文算法实现的3D打印机切片软件进行实验。实验结果表明,本文算法能够有效的对三维模型进行切片,用本文算法实现的3D打印机切片软件基本上实现了切片三维模型功能,用多视角观看三维模型信息、三维模型的切片信息以及模型中轮廓环填充物的信息等功能。该软件使用方便,能够满足日常使用3D打印机的实际需求。
  • 【论文】 基于FDM技术的双喷头3D打印机关键技术研究

    作者:孙君雨 关键词:FDM ; 双喷头 ; 3D打印机 ; 仿真分析 ; 嵌入式系统 机构:武汉理工大学 ; 武汉理工大学 年份:2016
    摘要:3D打印技术也被称为增材制造(AM)技术,是近三十年来发展起来的先进制造技术之一。熔融沉积(FDM)技术是3D打印技术中发展最快的技术种类之一,基于FDM技术开发的3D打印机具有成本低、设备轻便、工作环境要求低等特点,但也存在着系统工作稳定性差、打印精度低以及支撑后处理困难等不足,严重影响了基于FDM技术的3D打印机市场发展与推广。本文对FDM技术展开研究,设计了一款基于FDM技术的3D打印机,提出双喷头结构,改善现有不足。双喷头3D打印机的研发主要包括机械系统与控制系统两个部分,本文主要研究工作针对双喷头结构与双喷头控制系统展开,具体完成工作如下:(1)根据双喷头工作原理,确定了3D打印机双喷头结构方案,设计了活塞式喷头挤出结构及模型并对单喷头整体结构进行了温度场仿真分析,在单喷头基础上设计了双喷头结构总成,并基于简化后的双喷头模型进行了双喷头热影响仿真分析与实际工作温度场仿真分析,验证了设计方案的准确性和可行性。(2)根据双喷头3D打印机所需控制单元,设计了基于ARM的嵌入式控制系统方案,通过论述确定双喷头采用交替工作的控制方法,并改进了双喷头协调规划路径,基于控制单元对系统硬件电路进行了模块化单元电路设计,为实现双喷头协调控制进行了底层控制系统的顺序设计,并详细说明了控制底层关系与各个控制功能的具体实现,完成了3D打印控制系统的设计与研究。(3)在完成实验准备与双喷头切片设置后,进行了双喷头3D打印机打印尺寸精度测试,双色打印测试以及复杂模型打印测试三组实际打印测试,得到的精度测试结果与支撑去除效果较为理想,验证了双喷头3D打印机结构与系统工作的稳定性。通过对基于FDM技术的3D打印机的研究进而设计的双喷头3D打印机改善了系统工作的稳定性与打印精度,解决了支撑后处理困难等问题,达到了项目的设计要求,为开发高稳定性、高精度、低成本的桌面型多喷头3D打印机提供了依据与参考,具有较高的实际运用价值。
  • 【期刊】 基于Delta并联机械结构的3D打印机研究

    刊名:制造技术与机床 作者:蔡团团 ; 易继军 ; 吴康雄 关键词:3D打印机 ; 低成本 ; 远程控制 ; 3D printer 机构:长沙理工大学汽车与机械工程学院 ; 长沙理工大学汽车与机械工程学院 年份:2017
    摘要:基于Delta并联机械结构相比于笛卡尔坐标系机械结构的优势,并将其用于3D打印机的研发与设计,提出了一种基于Delta机构、低成本、网络化3D打印机设计方案.相比使用更加广泛的笛卡尔坐标系3D打印机,Delta式3D打印机允许更大的打印体积和更快的打印速度.该打印机以STM32单片机作为核心控制器,以步进电动机作为驱动元件,驱动同步带转动,利用滑块控制打印头按照预定的轨迹行进.为减轻打印头的重量,提高打印速度,采用远程送料机构,并通过步进电动机送料,进行数字温控,配合打印头完成打印作业.为加快3D打印机推广及使用,提出互联网3D打印方案,通过配备WiFi模块实现数据的无线传输与远程控制,并增加了自动调平、断电续打、断丝检测等功能,极大地增强了3D打印机使用的便利性.实践表明该打印机具有运动平稳、高速、高精度、成本低、易于控制等优点.
  • 【论文】 基于ARM的激光烧结型3D打印机控制系统研究

    作者:刘波 关键词:选择性激光烧结 ; ARM ; 步进电机控制 ; 模糊控制 ; PCB ; Delphi 机构:山东理工大学 ; 山东理工大学 年份:2018
    摘要:目前国内的3D打印机主要集中在桌面级,工业级的3D打印机一般都依靠进口国外的先进设备,但是价格比较昂贵。本文针对国内工业级3D打印机存在打印速度慢、打印精度低、兼容性差等缺点研发基于ARM(Advanced RISC Machines)微控制器的选择性激光烧结型3D打印机工业应用级的控制系统,此系统具有打印速度快、打印精度高、操作方便、兼容性强等优点。国内外普遍运用PC+控制板或者电气控制柜作为选择性激光烧结型3D打印机的控制系统硬件平台,导致设备成本比较高、控制系统的兼容性差等。本文通过对国内外3D打印技术的研究与分析提出了PC作为上位机、ARM作为下位机的整体控制方案。本论文主要完成工作为:第一,本文首先对选择性激光烧结3D打印机的机械结构进行了深入研究,设计了一套应用于本课题的机械结构方案,为控制方案确定了硬件环境。第二,综合考虑打印成本、版本兼容性以及开发周期等因素,同时伴随着RAM微控制器处理速度和外设性能的不断优化,基于STM32ARM控制芯片对选择性激光烧结型3D打印机控制系统的主控电路、步进电机驱动电路、温度控制电路、行程开关电路、串口通讯电路进行了设计,设计完成后经过反复的修正,并进行了PCB控制板的制作与焊接。第三,最后根据本课题控制系统的硬件环境进行了下位机控制板控制程序的软件编写,本文针对步进电机加减速控制方案、直线插补运动算法、下位机串口通讯方式以及显示模块和上位机串口通讯模块的编写,上位机与下位机的双向实时通讯,达到了打印数据传输与打印状态的实时监测。
  • 【论文】 基于用户体验的桌面级3D打印机设计研究

    作者:沈彬 关键词:用户体验 ; 桌面级 ; 3D打印 ; 新制造技术 ; 人机交互 机构:北京理工大学 ; 北京理工大学 年份:2015
    摘要:当今社会正处在一个快速发展的时代,随着一系列新技术的成熟和应用,人们的生活方式产生了快速而多样化的改变。而近年来对人们影响最深远的核心技术群可以概括为新能源技术、新互联网技术以及新制造技术。在新制造技术中,最令人瞩目的3D打印技术,被认为是颠覆制造业体系的革命性技术。3D打印技术已发展数十年,虽然在工业级领域已取得非常深入的发展,并取得了一定的成就。但近些年来,由于软件技术和互联网的飞速发展,桌面级3D打印机开始走进大众视野,并以一种高姿态高科技挺进市场,希望能够走进千家万户用以展现其科技价值,改变普通大众的生活形态。但受限于各方面的因素,诸如材料技术、打印技术等,桌面级3D打印机一直处于不温不火的状态,如今仍然在不断的研发设计之中,但在这个过程中,工程师们更多把它当做一种打印工具,因而关注更多的是其技术方面的突破,而殊不知桌面级3D打印机是一种是实实在在与人交互的产品,更应该在技术发展的同时关注其良好的用户体验。本论文的目的就是希望在桌面级3D打印机发展的这个特殊阶段,在人们普遍关注其技术突破的同时,唤起人们对桌面级3D打印机良好用户体验的重视。当然,作为身处变革时代的设计师,从用户体验的角度来看待桌面级3D打印机这个可能具有划时代意义的高科技产品,显得尤为重要,肯定会对未来桌面级3D打印机的发展起到一定的促进作用与借鉴意义。
  • 【论文】 基于FDM工艺的3D打印机机械系统设计制造研究

    作者:赵冲 关键词:FDM ; 3D打印 ; 结构设计 机构:华北电力大学 ; 华北电力大学 年份:2017
    摘要:3D打印技术做为一项新兴的制造技术,最近几年发展迅猛,已经广泛应用于制造业的各个领域。在不同技术的3D打印设备中,FDM(Fused Deposition Modeling,熔融沉积)工艺3D打印机一般具有构造简单、设计简洁、结构明了的特点,并且该种设备制造成本、维护成本和成型材料成本在各项技术中也是最低的。因此在目前市场中的桌面级3D打印机,该技术应用最为广泛。目前市场中常见的桌面级FDM工艺3D打印机有Maker Bot公司的Thing-Matic、Replicator系列打印机、3Dsystems公司的Cube打印机及其衍生产品。目前市场中的FDM工艺3D打印机多为小型桌面化设备,成型尺寸较小。在打印尺寸较大的零件时,以往的方法往往是分段打印然后拼接,这样强度明显达不到要求。因此,研发较大成型尺寸的FDM工艺3D打印机且使其产业化、市场化将具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。本课题旨在探索一种结构稳定、控制简单、可实现高速打印、成型空间达500×500×500mm的大尺寸FDM工艺3D打印机。本文研究内容主要有3D打印机的机械系统结构设计同时涉及控制电路搭建与调试、控制软件的选择,以及打印实验验证。首先,分析主流FDM工艺3D打印机的结构特点、技术原理、工艺过程、技术特点,比较各种结构的优缺点,总结出完整的机械系统设计方案。利用三维建模软件PROE对结构设计方案中的各主要零部件进行数字化设计和虚拟装配,得到整机机械系统的三维装配模型。然后,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,对机械系统中主要的承力部件进行有限元分析验证结构的可行性。在所设计的机械系统结构基础上,完成3D打印机控制电路的选型和搭建。对主控制板进行固件程序烧录,实现主控制板对3D打印机各执行模块的控制。进行打印实验,通过电路硬件调试与切片软件参数设置,实现打印功能。本文具有一定的工程实际应用意义,对于FDM工艺3D打印机结构的设计和结构优化有重要参考价值。
  • 【论文】 工业级FDM 3D打印机动态特性分析及结构优化

    作者:郭小强 关键词:FDM打印机 ; 动态特性 ; 刚柔耦合 ; 结构优化 机构:东南大学 ; 东南大学 年份:2018
    摘要:目前FDM(Fused Deposition Modeling)3D打印技术正朝着精密化、智能化、通用化等方向发展,其高速、高精的发展趋势,对FDM 3D打印机结构设计提出了更高的要求,以保证FDM 3D打印机有良好的静动态特性。本文以K1000工业级FDM 3D打印机为研究对象,围绕以下关键问题展开理论与试验研究:1.开展FDM打印机刚柔耦合多体动力学仿真研究,分析关键部件变形、惯性以及喷头材料对打印机运动精度的影响。结果表明:高速、高加速打印过程中,部件的变形引起的运动误差不可忽略;惯性导致X、Y轴打印过程中存在打印误差;喷头材料不同会引起打印机的动态响应差异。2.进行FDM打印机静动态特性及影响因素分析。考虑滚动结合面的影响,建立打印机执行机构的有限元模型。利用模态分析方法得到3D打印机的固有频率和振型,通过谐响应分析得到打印机固有频率所对应的频响曲线,研究分析打印机的喷头位置和横梁材料属性对打印机静动态特性的影响。3.进行FDM打印机相关试验研究。通过锤击法模态试验获得了横梁系统的6阶模态参数,与有限元分析结果对比,验证有限元建模的合理性。通过加速度测试,获得几种典型工况下系统的加速度时域图和频域图,得到打印机的主要频率成分,验证了动力学模型的合理性。4.完成FDM打印机横梁的结构优化。首先通过拓扑优化方法获得横梁的初步优化结果,然后通过尺寸优化方法,获得具体的横梁尺寸参数。将优化后的模型和原模型进行对比,相比于原模型优化后的模型质量减轻6.1%,静动态特性也得到一定的改善,结果表明,取得了良好的优化效果。
  • 【论文】 基于Unity3D的生物3D打印机虚拟仿真系统的开发

    作者:苏士超 关键词:Unity3D ; 生物3D打印机 ; 虚拟仿真 ; 系统开发 机构:大连交通大学 ; 大连交通大学 年份:2017
    摘要:随着计算机技术的飞速发展,虚拟仿真系统以其成本投入低、开发周期短、仿真效果逼真等优势,被广泛的应用于工业仿真、教学演示、军事模拟、虚拟医疗等众多领域。本文以大连市科技计划项目:“纳米复合生物材料3D成型关键技术研究”(项目编号:2015F11GH099)为技术依托,基于Unity3D这一开放式的虚拟仿真系统开发引擎,将虚拟仿真技术应用于生物3D打印机的仿真模拟中,根据生物3D打印机的结构特点以及生物材料的凝胶特性,以“3D Bioplotter”为研究对象,对其机构组成、工作流程、机械运动组成、打印过程运动原理、生物材料成型原理等进行分析,完成了基于Unity3D的生物3D打印机虚拟仿真系统的开发,在虚拟仿真场景中模拟生物3D打印机的工作环境、机械运动、打印过程运动以及生物材料成型等,有效的解决了生物3D打印技术在实验和培训等方面的不足,在一定程度上促进了该技术的市场化进程。本文所研究的生物3D打印机虚拟仿真系统,主要包括以下几个部分:首先,本文总结了生物3D打印系统的组成及其通用的结构形式,选取3D Bioplotter为仿真原型,对其系统特性和工作流程进行了介绍,在此基础上,完成了仿真系统操作对象几何模型的建立及处理。而后,解决了系统开发过程中的核心技术问题,完成了过程仿真模块的开发,在Unity3D引擎中,以任意制件的虚拟打印为目标,实现了对生物3D打印机工作全过程的仿真模拟。然后,以生物3D打印机的实际工作环境为基础,完成了该仿真系统场景的搭建,实现了系统辅助教学模块的设计,该模块不仅详细介绍了3D Bioplotter的系统特性、机构组成、运动形式、成型原理、软件界面等,还实现了鼠标拖动物体、场景漫游等辅助性功能。最后,通过UGUI技术,完成了系统交互界面的设计,并对系统资源进行整合和发布。本文最终以任意制件打印成型模拟的方式对系统的整个操作进行测试,根据测试结果,本课题所开发的生物3D打印机虚拟仿真系统,需求完整、功能正确、运行流畅,实现了预定的功能及需求。
  • 【期刊】 基于Cortex-M3和树莓派的FDM双色3D打印机设计

    刊名:电子制作 作者:张晶 ; 王阳萍 关键词:Cortex-M3 ; 树莓派 ; 3D打印机 ; 双色打印 机构:兰州交通大学计算机科学与技术实验教学中心 ; 兰州交通大学计算机科学与技术实验教学中心 年份:2017
    摘要:随着3D打印技术的普及,人们对于能够打印模型色彩多样化及对打印机方便实时监控有了极大的需求。本文介绍了一种基于Cortex-M3核心控制板的FDM双色3D打印机设计方案,在单色3D打印机基础上并行接入打印头,通过温度控制模块将采集温度值传给控制板进行温度控制,同时在断电检测、断料续打等功能的辅助下,减少材料和时间的浪费,保证模型打印成功。实验表明,该3D打印机性能稳定,能够较好地完成打印任务。
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