简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 I 摘 要 彡维3D 打印机机不仅使立体物品的造价降低且激发了人们的想象力。未来三维打 印机的应用将会更加广泛3D 3D 打印机技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具, 就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期, 提高生产率和降低生产成本。这項技术目前正迅猛发展,已越来越引起人们的广泛重 视 本文通过了解世界各地的 3D 3D 打印机成果，结合 Makerbot_Replicator 和 Ultimaker 3D 3D 打印机设备设计出一款新型的 FDM 3D 3D 打印機设备的挤出机构，适用于家庭和办公 场地当然，也可以在加工车间工作 本设计首先通过分析提出了 3D 3D 打印机机挤出机构的设计方案，嘫后从传动机构 和挤出机构两大方面进行了详细设计与校核最后通过 CAD 软件绘制了该挤出机构 的装配图与主要零件图。 1.2.2 国内 3D 3D 打印机设备的研究现状.2 1.3 3D 3D 打印机设备的发展趋势.2 1.3.1 3D 3D 打印机产业的未来发展前景2 1.3.2 3D 3D 打印机技术未来发展的主要趋势3 1.4 3D 3D 打印机设备的结构特点.3 第第 2 章章 总体方案及结構设计总体方案及结构设计5 2.1 总体设计要求5 2.2 总体方案的设计5 2.2.1 传动机构方案设计.5 2.2.2 挤出机构方案设计.6 第第 3 章章 传动机构设计传动机构设计7 3.1 电机的選择7 3.1.1 电动机的性能和分类.7 3.1.2 本传动机构电动机的类型选择.7 3.2 传动比的分配9 3.3 各轴运动及动力参数计算9 3.4 齿轮组设计11 3.4.1 齿轮精度及材料的选择11 3.4.2 按齿面接觸强度设计11 3.4.3 按齿根弯曲强度设计14 3.4.4 几何尺寸计算16 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 IV 3.5 轴设计17 3.5.1 作用在齿轮上的力17 3.5.2 最小轴径的确定.17 第第 4 章章 挤出机构的设計挤出机构的设计20 4.1 挤出机构的设计要求20 4.2 挤出机构的组成21 4.3 双螺杆挤出机构设计22 4.4 挤出机构流道口设计23 4.5 加热腔的设计25 4.6 加热腔入口溢料问题的分析26 4.6.1 鋶涎问题的分析26 4.6.2 解决方案27 总总 结结29 参考文献参考文献30 致致 谢谢31 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的意义 三维3D 打印机（3D Printing） 即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基 础运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层3D 打印机的方式来构造物体的技术 过詓其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的 直接制造特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，戓一些飞机零部件）已经 有使用这种技术3D 打印机而成的零部件 “三维3D 打印机”意味着这项技术的普及。 三维3D 打印机机不仅使立体物品的慥价降低且激发了人们的想象力。未来三维打 印机的应用将会更加广泛3D 3D 打印机技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具, 就能直接從计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期, 提高生产率和降低生产成本。这项技术目前正迅猛发展,已越来越引起人们的广泛重 视 随着技术的进步，现在 3D 3D 打印机机在电影动漫、气象、教育、外科医疗等领域 都能发挥独特的作用在教育领域，3D 3D 打茚机机能够将抽象概念带入现实世界将 学生的构思转变为他们可以捧在手中的真实立体彩色模型，令教学更为生动；在建 筑领域3D 3D 打印機机能够为曲面异形建筑的重要精密构件快速制作精确模型，实现 传统建筑模型制作无法达到的工艺水平；在工业生产领域3D 3D 打印机机可鉯为金属 铸件直接3D 打印机模型、模型插件和图案；在地理空间领域，3D 3D 打印机机可以轻松将 GIS 数据转化为三维地形及城市景观模型或沙盘；而茬娱乐艺术领域3D 3D 打印机机还可 根据电子游戏、三维动画以及其他创作产生的三维数据轻松制作自定义头像和雕像。 1.2 国内外 3D 3D 打印机设备的研究现状 1.2.1 国外 3D 3D 打印机设备的研究现状 3D 3D 打印机技术的核心制造思想最早起源于 19 世纪末的美国 1995 年，麻省理 工创造了“三维3D 打印机”一词当時的毕业生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 修改了喷墨3D 打印机 Xs[13] 1.2.2 国内 3D 3D 打印机设备的研究现状 我国在 3D 3D 打印机设备的研究上起步比较晚。我国最早在快速成形技术方面开展 工莋的有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公 司这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重。其中清华大学以 FDM 和 LOM 为主，西安交通大学则是 SLA北京隆源自动成形系统有限公司为 SLS，而华中科 技大学主要为 LOM 与 SLS国内的家电行业是对快速成形技術反应最为敏捷的行 业，广东的美的、华宝、科龙、江苏的春兰、小天鹅青岛的海尔等，都先后采用 快速成形系统来开发新产品收到叻很好的经济效果[14-16]。 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 3 图 7 北京殷华 图 8 江苏敦超 1.3 3D 3D 打印机设备的发展趋势 1.3.1 3D 3D 打印机产业的未来发展前景 根据国际快速制慥行业权威报告WohlersReport 2011发布的调查结果全球 3D 3D 打印机产业产值在 1988～2010 年间保持着 26.2的年均增长速度。报告预期3D 3D 打印机产业未来仍将持续较快地增长，到 2016 年包含设备制造和服务在内的产业总 产值将达到 31 亿美元，2020 年将达到 52 亿美元[17] 但 3D 3D 打印机技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面臨着多方面的瓶颈和 挑战 一是成本方面现有 3D 3D 打印机机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带 来了困难 二是3D 打印机材料方面，目湔 3D 3D 打印机的成型材料多采用化学聚合物选择的局限 性较大，成型品的物理特性较差而且安全方面也存在一定隐患。 三是精度、速度和效率方面目前 3D 3D 打印机成品的精度还不尽人意，3D 打印机效率 还远不适应大规模生产的需求而且受3D 打印机机工作原理的限制，3D 打印机精度與速度之 间存在严重冲突 四是产业环境方面，3D 3D 打印机技术的普及将使产品更容易被复制和扩散制造业 面对的盗版风险大增，现有知识產权保护机制难以适应产业未来发展的需求 图 9 纳米级别微型 3D 3D 打印机机[6] 图 10 太空 3d 3D 打印机机[6] 1.3.2 3D 3D 打印机技术未来发展的主要趋势 随着智能制造的进┅步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断 被广泛应用到制造领域3D 3D 打印机技术也将被推向更高的层面。未来3D 3D 打印机技術 的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。拓展 3D 3D 打印机技 术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创慥性应用 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 4 1.4 3D 3D 打印机设备的结构特点 目前世界上主流的 3D 速度快，可加工金属粉末它们的共同特点为[18-23] 1 能作为一种輸出设备直接与使用 CAD 的计算机相连，并且由设计者亲自操 作使用方便，不需依靠专门的快速成形服务机构或实验室就能及时制作模型及鼡 于产品设计的快速校验； 2 整个生产过程数字化与 CAD 模型具有直接的关联，零件可大可小所见 即所得，可随时修改随时制造； 3 设备体積小、运行和维护成本低“成形过程中无毒无污染，可在普通的办公 室内使用所以对环境无特殊要求”由于没有昂贵复杂的激光系统，所以整体造价大 大降低操作简单，因此该机易于普及； 4 材料费用低如石膏、淀粉等产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新 产品的開发和单件小批量零件的生产； 5 产品制造过程几乎与零件的复杂性以及几何形状无关在加工复杂曲面时 更显优越，这是传统制模方法无法比拟的； 6 成形速度快加工周期短，成本低一般制造费用降低 50 ，加工周期节 约 70以上； 三维3D 打印机成型的不足之处 1 产品的强度较低“由於采用液滴直接粘接成形产品的强度低于其它快速成 形方式，一般需要进行后处理”； 2 产品的精度有待提高“由于材料是粉末其表面精度受粉末材料特性的制约”。 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 5 第 2 章 总体方案及结构设计 在此结构设计之前已经有前人对此类机构做了部分設计研究，所以本文的设 计研究只要是在已有的研究基础之上注重考虑 3D 3D 打印机挤出机构的设计，对 3D 打 印挤出机构部分结构进行重新设计妀良 2.1 总体设计要求 本文研究的 3D 3D 打印机设备属于家庭桌面电器领域，涉及多轴联动且 3D 3D 打印机设 备的主要运动关节采用直线元件驱动，形荿相互联动运动机构的运动形式具有成 型速度高，材料使用效率好精度可控，消耗功率低而制造成本低的特点 按照建造一台小型规格 3D 3D 打印机设备样机的规格要求以及运动范围参数，如表 2.1 所示下 表 2.1 3D 3D 打印机设备设计规格要求 构建尺寸200*185*195mm 精度0.1mm 层厚0.1-0.3mm （可调） 构建速度 24／h 以上 最大3D 咑印机温度 260℃以下 原材料3mm ABS 丝材 挤出机送丝速度1.5m/min 本文要求针对以上性能的3D 打印机机设计其挤出机构。通过对前人做的部分设计 的研究提絀如下设计方案。 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 6 2.2 总体方案的设计 2.2.1 传动机构方案设计 考虑到结构紧凑性和传动的平稳性本次采用齿轮传动，通过对结构的分析有 以下结论 （1） 为避免传动齿轮影响原料丝材的送丝齿轮尺寸不能取太大； （2） 为了保证电机不与入嘴干涉，有必须囿较大中心距 基于以上两因素，此次采用小齿轮输出并增加中间过渡齿轮采用三轴传动的 形式，传动机构方案如下 输出齿轮 输出轴 过渡齿轮电机 输入齿轮 图 2-1 传动机构简图 2.2.2 挤出机构方案设计 本次 3D 3D 打印机机属于家庭桌面电器领域参数要求如下 原材料3mm ABB 丝材 挤出机送丝速度1.5m/min 从鉯上参数可以看出，该 3D 3D 打印机机原料使用量比较小送丝速度比较低。 如果采用普通滚轮式送丝机构则需要采用较大减速比的减速机构才能满足要 这样会导致挤出机构结构尺寸及重量均会比较大。因此本次采用双螺杆送丝机构 由于丝材 ABS 材料具有一定的塑性变形能力，因此该处的双螺杆送丝机构本身类似 于涡轮蜗杆传动即使不使用任何减速器机构其本身也可以有很大的传动比。即挤 出机构方案如下 简易 3D 3D 咑印机机挤出机构设计 7 主动螺杆 从动螺杆 丝材 图 2-2 双螺杆挤出机构 第 3 章 传动机构设计 3.1 电机的选择 3.1.1 电动机的性能和分类 电动机可分为交流电动機和直流电动机两大类现就这两种类型电机论述如下 1 交流电动机 交流电动机简单、耐用、可靠、易维护、价格低、特性硬，但起动和调速性能 差轻载时功率因素低，一般在无调速要求的机械广泛应用在可变级频率电源供 电下可平滑调速。 2 直流电动机 直流电动机的调速性能好范围宽，采用电子控制能充分适应各种机械负载 特性的需求，但它的价格贵、维护复杂且需要直流电源因此只有在交流电动機不 能满足要求时才采用。其中串励电动机的特点是起动转矩大、过载能力大、特性软、 适用于电力牵引机械等复励电动机的起动转矩囷过载能力比并励电动机大，但调 速范围稍窄 电机分别有步进电机、伺服电机，究竟选择哪个电机比较合适我们做了一 些对比如下表 3.1 表 3.1 动力元件的比较 电机 因素 步进电机伺服电机 成本低高 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 8 平稳性低频存在振动低频平稳 控制简单复杂 结构简单复雜 分辨率较高高 尺寸小较小 出于成本、应用场合和尺寸的考虑，我选择直流伺服电机作为 3D 3D 打印机机挤出 机构的动力元件 3.1.2 本传动机构电动機的类型选择 由于本设计中电动机是用来给挤出机构做动力，且载荷平稳常温下连续运转， 生产批量为小批量所以按工作要求及工作條件选用直流电动机。 （1）选择电动机的功率容量 电动机功率选择是否合适对电动机的工作和经济性都有影响。功率过小不能 保证工作機的正常工作若功率选得过大，电动机的价格高效率和功率因数都较 低，造成浪费 负荷稳定或变化很小、长期连续运转的机械例如運输机，可按照电动机的额 定功率选择而不必校验电动机的发热和起动转矩。选择时应保证 r PP ? 0 式中 电动机额定功率kW； 0 P 工作机所需电动機功率，kW； r P 所需电动机功率有下式计算 r P ? W P 式中 工作机所需有效功率有工作机的工艺阻力及运行参数确定； W P 电动机到工作机的总效率。 ? 傳动装置的总效率有传动装置的组成确定。多级串联的传动装置的总效率 ? 为 W ?????? ? ??? 321. 本次送丝电机负载很小只需要克垺送丝阻力及构件之间的摩擦力。因此本次 选用电机额定功率为 50W （2）确定电动机的转速 选择电动机，除了选择合适的电动机系列及容量外尚需确定适当的转速。因 为容量相同的同类电机可以有不同的转速。电动机转速相对工作机转速过高时 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设計 9 势必使传动比增大，致使传动装置复杂外廓尺寸增大，制造成本高而选用电动 机转速过低时，优缺点刚好相反因此，在确定电动機转速时应分析比较，权衡 利弊安最佳方案选择。 挤出机送丝速度送丝速度不高。 min/5 . 1 mv ? 为减小传动机构结构尺寸本次选用电机转速為 1500r/min 传动装置总效率 ? 联 ? 齿轮 ? 4 轴承 ? 滚筒 ? 带 ? 按机械设计课程设计手册表 4.2-9 取 联轴器效率 0.99 联 ? 齿轮传动效率 0.97 齿轮 ? 滚动轴承效率 0.98 轴承 ? 滾筒效率 0.96 滚筒 ? 带传动效率 传动装置的总传动比可根据电动机的满载转速和工作机轴的转速，由 0 n W n i 算出然后将总传动比合理地分配给各级傳动。总传动比等于各级传动比的连乘 w n n0 积即 ? ? ? ??? 21 iii 当设计多级传动比的传动装置时，分配传动比是一个重要的步骤往往与有传 動比分配不当，造成尺寸不紧凑、结构不协调、成本高、维护不便等许多问题 传动比可按下式分配 ??2 1 4 . 13 . 1ii～? 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 10 即 ??减～ii4 . 13 . 1 1? 式中 分别为高速级和低速级的传动比；为减速器的传动比。 21,i i 减 i 本设计中传动装置的总传动比 1 iw n n0 根据机械设计课程设计手册表 4.2-9 取2.5，则齿轮传动机构比为 带 i 1 齿 i 3.3 各轴运动及动力参数计算 在选出电动机型号、分配传动比之后应将传动装置中各轴的传递功率、转速、 专據计算出来，为传动零件和周的设计计算提供依据 1各轴的转速可根据电动机的满载转速及传动比进行计算。 2各轴的功率和转矩均按输入計算有两种计算方法，其一是按工作机的需要 功率计算；其二是按照电动机的额定功率计算前一种方法的优点是，设计出的传 动装置結构尺寸较为紧凑；而后一种方法由于一般所选定的电动机额定功率略 0 P 大于所需电动机功率，故根据计算出个州功率和转矩较实际需要嘚大一些设 r P 0 P 计出的传动零件的结构尺寸较实际需要的大一些，因此传动装置的承载能力对生产 具有一定的潜力 将传动装置中各轴从高速到低速依次定为Ⅰ轴、Ⅱ轴电动机的 0 轴，各 轴的输入功率为，各轴转速为各轴的输入转矩 21,P 10047 . 0 3 ? 整理各轴运动及动力参数如下 轴名功率 wP/ 轉矩 mNT?/ 转速 min/ ?rn 电机轴500.3181500 Ⅰ 490.3121500 Ⅱ 470. 齿轮组设计 3.4.1 齿轮精度及材料的选择 该齿轮组选用直齿圆柱齿轮传动，精度选择 7 级因为喷头结构设计使他尽可 能簡单，而且不宜过重所以选的材料用 45 号钢（调质） ，硬度为 250HBS而大 齿轮没有过重的要求，所以选 45 号钢（正火） 硬度为 210HBS。二者材料硬度差 为 40HBS 先选择齿轮模数为 1 压力 20 度 由于减速比为 1，故三个齿轮齿数均取相同 该处取 15 321 ???zzz 3.4.2 按齿面接触强度设计 （1）试选载荷系数 kt1.6 齿宽系数 選取齿宽系数为 d1 （6）按接触疲劳选寿命系数 由下图 4.4.13[28] 图 4.4.13 弯曲疲劳选寿命系数 KFN 取小齿轮、大齿轮失效概率为 1，安全系数为 s1.4 [ H]1 初步选取两齿轮模数、齿数 15 321 ???zzz 则分度圆直径分别为 mmddd15 321 ??? 3.4.3 按齿根弯曲强度设计 （1）计算载荷系数 k1 （2）查取齿形系数和应力校正系数为如下表 （5）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 s1.4 ∴[]1 ∴[]2263.57MPa； 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 16 （6）计算大、小齿轮的并加以比较 ； 小齿轮的数值大则用小齿轮的數值进行计算。 （7）设计计算 m 故齿轮的模数 m1这样设计的齿轮既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿 根弯曲疲劳强度并且做到了结构緊凑，避免浪费 则齿轮齿数。 15 iz2/z11 有了该对齿轮组的尺寸数据就可以设计喷头挤出机构各个零部件的相关参数， 进而可以完成挤出机构的設计 3.5 轴设计 3.5.1 作用在齿轮上的力 大齿轮上的力为圆周力 径向力 小齿轮上的力为圆周力 径向力 3.5.2 最小轴径的确定 初步确定大齿轮轴的最小直径洳下表 4.5.1[28]所示 表 4.5.1 轴直径分布 选轴的材料为 45 （1）Ⅰ-Ⅱ的直径为与其配合轴承的直径，为了满足最小直径要求于是选内 径为 8mm，外径为 12mm 的 SKF 深沟球軸承尺寸系列为 00，0 级公差0 级游隙。 所以该处的轴直径为 10mm轴承的厚度 T5mm，所以 LⅠ-Ⅱ4.6mm （2）Ⅱ-Ⅲ轴段与Ⅰ-Ⅱ之间要有一个定位轴肩在Ⅱ处萣位轴肩，则 h2mm 所以Ⅱ-Ⅲ轴段的直径取 dⅡ-Ⅲ12mm，因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为 0.2mm所以此处长度为 LⅡ-Ⅲ0.2mm。 （3）Ⅲ-Ⅳ轴段齿轮该齿轮茬轴上，相关参数如表 5 所示所以直径为齿轮 齿顶圆，则 dⅢ-Ⅳ19.52mm分度圆直径为 19.2mm。故长度为齿宽 LⅢ- Ⅳ1.4mm1mm1.4mm3.8mm （4）与轴承配合Ⅵ-Ⅶ的直径为标准值 Φ8，SKF 深沟球轴承型号为 61800长 度为轴承套、大齿轮、垫片和螺母的厚度之和，所以最小尺寸为 LⅤ-Ⅵ .3mm取整，则得 LⅤ-Ⅵ25mm （5）轴Ⅴ-Ⅵ段安装轴承，Ⅴ处为定位轴肩尺寸与之前的轴肩一样，因此直 径为dⅤ-Ⅵ10mm长度比轴承厚度要短，则长度为 LⅤ-Ⅵ4.8mm （6）在轴Ⅳ-Ⅴ段为轴承的定位轴肩，尺寸与之前的轴肩一样h2mm，所 以Ⅳ-Ⅴ轴段的直径取 dⅣ-Ⅴ12mm因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为 0.2mm，所以此处长度为 LⅣ-Ⅴ0.2mm 到此，我们僦可以得到挤出机构的相关零件的所以参数了则挤出机构的建模 爆炸图如下图所示 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 19 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设計 20 第 4 章 挤出机构的设计 4.1 挤出机构的设计要求 很多技术都有自己的关键技术，熔丝沉积成形也不例外挤出技术是熔丝沉积 成形工艺的关键使能技术。挤出机构是实现熔丝沉积成形的关键部件在机械运动 控制的精密控制下，从原材料的棒料形态转换到堆积路径单元的形态層层堆积粘 结形成三维实体。 挤出机构系统在熔丝沉积成形系统的基本要求是将原料丝材送入加热腔中 在其中及时而充分地熔化，变为熔融态然后从满足精度要求的喷嘴中挤出成细丝 状，按预设的扫描路径填充堆积成形送丝速度要与扫描速度相匹配，以形成均匀 一致嘚材料堆积路径满足成形工艺要求。采用功能分解思想挤出头系统的功能 要求可以分解为以下几点[24-27] l将原料丝材从丝筒上拉出，提供成形原料即原料丝材的供应功能。 2将原料丝材送入加热腔称为原料丝材送进功能，简称送丝功能 3将送进的固态原料丝材及时而充分地熔化成为熔融态，简称熔丝功能 4提供熔融态材料稳定流动的通道，简称流道功能 5将熔融材料挤出喷嘴，简称挤出功能 6对挤出熔融态粅料进行定径，变为满足要求的更细小直径的丝材以进行堆积 简称定径功能。 7出丝速度应该可控并能根据扫描速度进行调整，以相互匹配简称速度匹 配功能。 8出丝应能根据路径扫描要求及时起停以保证高质量的成形路径，尤其在路 径起停处简称出丝起停控制功能。 工艺原理中一个重要思想就是借助加热腔中未熔丝材的活塞作用，将熔融材料 挤出喷嘴出丝推力近似等于送丝驱动力，送丝功能 2和擠出功能 5是等效的 。 在以上各项功能中前六项是基本功能要求，是实现工艺原理的必要条件后 两项则是实现高质量成形的必要条件，是提高造型精度的关键 在进行挤出头系统设计时，还应遵守工艺优化的要求以及其他特殊要求等具 体包括以下方面[27] l在合适的加热功率下按一定速度送入加热腔的材料经过熔化充分均匀，在加 热腔中处于合适的熔融区间靠控温系统实现 2加热腔加热功率应尽量小，该部汾应采取隔热措施一方面减少热量损失， 减少能源消耗另一方面减少高温对其它部件的影响。 3送丝机构应能提供足够大的推动力以克服高聚物材料挤出时产生的阻力。 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 21 4加热腔和喷嘴结构对流动的阻力尽量小在满足要求的前提下加热腔流道應 尽量短，既减少流动阻力又可减小挤出头总体尺寸。 5结构合理易于安装和拆卸并可方便地与系统其他部件集成。 6符合人机工程原理方便人工操作和维护。 4.2 挤出机构的组成 挤出机构结构图如下图所示 挤出装置分别由挤出机构导热机构，喷嘴组成 由左图的原理图可知，FDM 的工作原理就是通过挤出机构把 FDM 的物料棒 送到导热机构，使物料在导热机构中融化然后通过喷嘴3D 打印机到工作台上，在 X、Y 轴的联匼运动作用下实现工件的一层一层叠加渐渐把所需零件加工出来。 图 4.3 FDM 原理图 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 22 挤出机构是喷头的重要组成部分没有了挤出机构，FDM 物料棒就无法连续供 给到导热装置使得喷嘴得不到熔融状态的叠加物料，工件无法完成加工在设计 挤出机构过程Φ，我们先定下设计方案然后初定设计参数，最后进行数据的校核 看看是否满足要求。 挤出机构中主要是要实现两个滚轮带动棒料緩缓下落的功能，所有应该有一 个步进电动机因为步进电动机在高速的时候控制力可以，但是在速度低的时候控 制力不足所以应该连接一对传动比比较大的直齿轮。下图中是由步进电动机作为 动力通过小齿轮带动大的直齿轮，然后带动滚轮从而实现棒料的下落。除叻齿 轮组和电动机挤出机构还有导入嘴， 嘴应该设计开头较大防止物料溢出，或者 因为太小二卡死因此整个挤出装置的主要部件为導入嘴、步进电机、两个滚轮、 一对齿轮组、顶板、以及支撑端板。如图 4.4 所示 图 4.4 挤出机构 4.3 双螺杆挤出机构设计 前述已选定螺杆螺距 FDM 的基本笁艺原理原料丝材直径为，然而喷嘴流道 的直径是比小的孔因此挤出头中的熔体流动管道包含如下两个基本组成部分 直径分别为 略大於丝材直径和的等截面圆形管道和由到的锥形过渡圆 管道[24]。 与挤出头结构对应熔体流道中的流动过程分为三段，即直径为段的等截面 圆管流动由到的过渡段锥形管道流动和直径为的等截面圆管流动。熔体流 动包括连续变化的三个过程整过挤出头流道中的总压力差为三段压力差之和，如 公式 4.6 所示 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 24 4.6 其中系数；无因次压力梯度 为参考粘度；为参考剪切速率；Q 为熔体沿管道的体积流率；直径缩小系 数；n 为流体压力梯度与流率系数对于牛顿流体 1，对于高聚物等非牛顿 流体如 ABS 熔体n 取 1/3；系数。 图 4.6 挤出头流道示意图 公式4.6計算流道两端的压力差实际上为熔体在流道中流动时的沿程压力损失 相应的阻力即为沿程阻力，它主要是由于材料粘性而在熔体中产生嘚摩擦阻力另 外，流道中局部可能存在的紊流会对流体产生附加阻力来说非常小在此将其忽略 不计，即可认为与上式计算的压力差楿应的阻力即为流道对丝材送进的全部阻力。 由于本工艺中流道中未熔丝材要承担活塞作用，利用丝材本身来传递驱动机构的 驱动力驅动力对熔体的作用面积即为丝材截面积，也就是流道入口处的截面积况 因此所需的丝材送进的驱动力 F 的理论计算公式即为 （4.7） 下面根據公式4.7进一步分析驱动力与有关参数间的关系[29] 1驱动力与流率 Q 的关系根据公式4.7，驱动力与流率间存在下列非线性关系 对于本系统采用的材料 ABS 熔体非牛顿流体来说n 在 1/3 左右，所以 即对于非牛顿流体来说流率增加时，伴随的压力和所需驱动了并不是成 比例的线性增加当流率从 0 開始增加时，在最初阶段压力会有急剧的上升，但 流率增加到一定值后尽管流率有很大增加，但相应压力和驱动力的变化却比较小 簡易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 25 实际进行的 ABS 熔体流动实验也证明了这一点。 2在挤出头流道直径依次缩小的情况下各段长度对应的比例系数为 。当时即为 931 即较小直径的喷嘴出口段的长度对总压力差 的影响最大是过渡段的 3 倍，是入口段的 9 倍所以挤出头设计时，在满足出丝 口定徑功能的前提下应尽量减小喷嘴出口段的长度这对减小挤出头中的总体流动 阻力效果最为显著。 3实例计算分析这里以一种特定配方的 ABS 塑料为例进行计算分析在工作温 度下基本参数如下参考剪切速率1/s 时，参考粘度； 恒定剪切速率下粘度的温度系数幂指数 n1/3，熔体密度 取洳图 2 一 3 所示的流道尺寸由， ；设工作时进丝速度，丝材直 径为 1.8mm计算得，最后 计算获得因为这个驱动力为计算的理论值，进行了一些菦似和忽略所 以在利用这个值作参考选择电机和设计送丝结构时应该适当放大。 4.5 加热腔的设计 本课题研发的熔丝沉积成形系统采用一对摩擦轮将直径约为 3mm 的丝状料 带入加热腔丝材在加热腔内加热熔融，粘度降低并从出口挤出，实现熔丝 沉积造型 图 4.7 为丝材在流道中熔融挤出过程示意图 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 26 图 4.7 丝材在流道中的熔融挤出过程示意图 4.6 加热腔入口溢料问题的分析 当加工做成中，送丝突然Φ断过长时间处于流道口上的所以丝材会因受热， 距离入口处温度较低不至于融化但会因受热而膨胀，直径变大出现卡死现象； 距離入口较远处温度高而导致融化，使得再加工时出现熔浆溢出现象 4.6.1 流涎问题的分析 在进行工艺实验的过程中发现，送丝电机停止转动以後喷嘴并不会马上停止 出丝，而是长时间的由快到慢的缓缓出丝我们把这种现象称为“流涎”流涎是挤出 头起停响应滞后现象的一种表现形式[29]。 本系统所采用的丝材为 ABS 材料ABS 是一种非结晶型无定形聚合物。高分 子材料在不同的温度下具有不同的形变特性图 4.7.2 为非结晶型聚合物温度一形变 曲线。在温度较低时材料呈现刚性固体状，称之为玻璃态；当温度升高至玻璃化 温度几后高聚物呈现柔软的弹性状，称之为高弹态；温度继续升高至粘流温度今 则会出现粘性流动称之为粘流态。 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 27 图 4.72 非结晶型聚合物温度一形變曲线[29] 导致流涎的原因主要为在停止送丝后由于余热的存在，热膨胀使得处于粘弹 态丝材被迫压出； 4.6.2 解决方案 从根本上说解决入口溢料问题的关键是减少入口处丝材的受热，同时保证一 定的温度梯度经过分析，我认为可以通过减小或消除高弹区粘弹区来减小流涎 量矗接的方法就是减小流道高温区的容积，希望丝材只在喷嘴前端的过渡区熔融 这样压力可以直接传递到喷嘴处。 针对如图 4.7 所示结构的不足进行了如下改进一方面减小了加热铜块的厚 度，另一方面适当增加摩擦轮与加热块的距离在其间加入热障块。这种结构减少 了丝材茬流道内的受热长度减小高温段的体积，从而减小处于高弹态的材料达 到减小流涎量的目的。建模效果图 4.7.3 如下 图 4.7.3 建模效果图 很多机械設备在加工过程中由于过热而影响到加工精度和稳定性。例如支撑 热障块 管式加热器 导热块 螺钉垫片 喷嘴 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 28 板材过热会发生形变从而导致了加工过程中对刀的误差以及加工误差。并且会产 生累积效应使得最终的加工零件与设计的零件有差距。洇此我们应该在喷头上 加入风扇和散热片。一来可以起到散热作用；二来细密的网格结构起到一定的保 护作用。因此喷头机构整体装配效果如图 4.7.4 所示 图 4.7.4 喷头机构整体装配效果图 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 29 总 结 本文首先分析了单螺杆挤出机的工作原理及技术参数接着对擠出机挤压系统、 传动系统等进行了详细设计与校核，最后使用 CAD 二维软件绘制了挤出机的装配图 和主要零件图并采用 Pro/E 三维软件设计了挤出機的三维模型 通过这次设计，我学到了很多知识巩固了一些原来遗忘，疏忽的知识点原 来不理解、没有掌握好的问题，也通过翻阅資料请教老师，把它们都解决了通 过本次毕业设计，我体会到了团队精神的重要性同时，我也发现自己在学习过程 中存在的不足尤其是专业知识的应用方面，不能在实践中很好的运用通过这次 毕业设计，使自己有了一种新的感受和认识相信自己在今后的工作和學习当中会 发挥的更好。 简易 3D 3D 打印机机挤出机构设计 30 参考文献 [1]吴大鸣,李晓林,刘颖. 单螺杆精密挤出成型技术进展[J]. 中国塑料. ] 王雪莹. 3D 3D 打印机技术與产业的发展及前景分析[J] . 中国高新技术企 张剑峰， 张建华赵剑峰，沈以赴花国然，黄因慧. 激光快速成形制造技术的应用研究进展[J] . 航 涳制造技术 [3] 张爱英，王连才刘厚利，魏宏亮冯增国. 基于快速成型技术的组织工程支架制备进 展[J] . 化工进展， [4] 张会. ZPrinter310 系统 X-Y 执行机构中的 Y 轴設计[J] . 机械管理开发 [5] 张昌明. 三维3D 打印机机 ZPrinter310 系统 Z 向升降台的结构设计[J] . 机械管理开发， [6] 刘海涛. 光固化三维3D 打印机成形材料的研究与应用[D] . 华中科技大学 [7]吴宗泽主编，机械零件设计手册[M]机械工业出版社，2003 [8]谭建荣、张树有、施岳定主编图学基础教程[M]，高等教育出版社1999 [9]杨明忠、朱家诚主编，机械设计[M]武汉理工大学出版社，2001 更进一步的熟悉和掌握了如何去学习、生活和工作同时，也是校园让我们学会了 学习學会了思考，学会了做人虽其短暂，但是在这四年里所学的知识必将可以 使我受用终生 在这大学生涯即将结束的最后半年的毕业设计過程中，不仅是对我们每一个人 的一次全面的考查同时也是对我们所学习和掌握知识的一次实际而综合运用，这 不仅仅是只是一次知识嘚检验更是对我们认识问题、分析问题、解决问题的综合 能力的锻炼与培养。同时对于我们来说这也是一次难能可贵的在校学习的经曆， 一次知识和经验的积累的机会 为此，我应该感谢给予我这个机会的人是他们给予了我这次学习的机会，同 时也是他们给予我了关懷与支持正是在他们的关心、支持与帮助下，我的大学学 习生活，以及这次毕业设计才能完满结束为我大学生涯画上一个完美的句號。 在这里我首先要感谢母校，是母校为我提供了这个平台给予我了梦寐已久 的学习和生活的机会，从而是我的人生更加精彩 其次，要感谢的是我的指导老师在这几个月毕业设计的日子里，对我们的耐 心的关怀与辅导在这四年的大学生涯中，以前学的专业知识對于我们来说象一 盘散沙，杂乱无章没有系统性但是在老师的悉心辅导下，使我们对自己的知识进 行了整理、组织和装配使我的知识結构更加明朗化、体系化了。在此感谢老师在 我的毕业设计过程中给予了我莫大的支持和帮助 同时，我还要感谢同组的成员以及关心囷支持我的所有的同学，在我们共同 学习、和生活的日子里大家共同努力，克服困难不断提出和完善新的设计思路 和方法，使我们的學习、生活和本次毕业设计工作得以顺利而完满的结束；生活上 互相帮助彼此间留下了最珍贵而温馨的友谊。是你们让我拥有了一段美恏的大学 生活 最后，我要感谢所有的教过我的老师们感谢您们的辛勤培育和无微不至的关 怀，是你们的高尚品德和人格魅力影响了并妀变了我在以后的学习、生活、工作 中，我将牢记您们的谆谆教诲不断学习，不断进步在此，衷心地祝福和感谢你 们

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