密级：FDM型3D打印机机械结构设计 Design of Mechanical Structure for FDM-type 3D Printer 学 院： 专 业 班 级： 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： II 摘 要课题以FDM型3D打印机机械结构设计为主要工作。通过对3D打印机机械结构分析及设计，实现3D打印机在工作过程中所需要的机械运动。实现3D打印机的机械运动后，便可满足3D打印机打印功能的基本要求。在设计中，首先了解3D打印机的功能及工作原理，进而分析3D打印机在工作过程中需要实现怎样的机械运动，从而思考怎样的机械结构能实现所需要的机械运动。列出可以采用的几种方案，论述所列方案的优缺点、机构实现的难易程度及各个方案的机械结构的合理性，在综合考量各个方案后选出相对合理的提案，并进行机械结构的设计。3D打印机在工作过程中，主要应实现X、Y、Z三个方向的机械运动。因此，所设计的3D打印机的机械结构应达到X、Y、Z三个方向平动的要求。在设计过程中通过对3D打印机的观看，结合其他机床实现机械运动的方法，从而得出自己最终要选择的设计方案。设计过程中首先列出几种传动方案，如齿轮传动，齿条传动，齿形带传动及丝杠等。通过对各种机构实现传动的特点进行分析、所设计3D打印机外形尺寸的考虑及各个方面的参考后，本次3D打印机的设计，最终选择通过丝杠、导轨及导柱等实现3D打印机的机械运动。动力传动选择伺服电机通过联轴器与导轨直连实现。关键词：FDM；3D打印机；齿型带传动AbstractThe topic of my graduated design is FDM 3D printers mechanical design. 3D object is achieved by the work of the analysis and design of the mechanical structure of the printer to achieve 3D printer during operation of the mechanical movement required. when achieved the mechanical movement, you can meet the basic requirements of 3D printer functions. In the design of the course, I get the meaning of the function and operation principle 3D printer ,3D printer at first .Then analyzed in the work process to achieve what needs to mechanical motion, thus we need to think what mechanical structure about how to achieve the required mechanical movement. Then lists several options can be used and thinking the advantages and disadvantages are listed in the program and the degree of difficulty to achieve advantages and disadvantages of the various agencies and programs implemented in various programs after comprehensive consideration of the proposal to elect a relatively reasonable, and mechanical Design.3D printers in the course of their work, mainly to be achieved three directions mechanical movement of X, Y, Z. Thus, the mechanical structure of the printer should be designed to achieve 3D X, Y, Z three movable parallel to the direction required. By watching in the design process a 3D printer, combined with other methods to achieve the mechanical movement of the machine, to get the final design.Several design process is listed first transmission scheme, such as gears, rack drive, belt drive and screw and so on. Consider and refer to various aspects of the 3D printer dimensions achieved through a variety of agencies to analyze the characteristics of the transmission, the design, the design of this 3D printer, 3D printer to achieve the final selection by the screw, guide rails and columns, and other mechanical movement. Select the servo motor power transmission and rail directly connected via coupling to achieve.Keywords: FDM; 3D printer; The teeth type belt drive目 录摘 要IAbstractII第一章3D打印机概述11.1什么是3D打印机11.2 3D打印机的工作原理11.3 3D打印机特点及优势21.4 3D打印机的工作范围21.5 3D打印机在国外的发展现状31.6 3D打印机在国内的发展现状41.7 3D打印机未来发展趋势4第二章 FDM型3D打印机的工作原理及结构分析62.1 FDM型3D打印机的结构确定与分析62.1.1 FDM型3D打印机整体结构的方案选择与确定62.1.2 FDM型3D打印机Z轴方向运动结构分析72.1.4 FDM型3D打印机X轴方向运动结构分析92.1.3 FDM型3D打印机Y轴方向运动结构分析10第三章 部件的选择123.1电机的选择123.1.1伺服电机和步进电机对比123.1.2直流交流伺服电机对比123.2.同步带轮及同步带的选用123.3丝杠的设计和选择143.4导柱的设计与选择15第四章部分零件的校核184.1带轮及齿带的校核184.2丝杠的校核19第五章总结20参 考 文 献21致 谢22III 第一章 3D打印机概述1.1什么是3D打印机3D打印机（3D Printers）是一位名为恩里科迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种打印机，可以直接打印出立体物体。它源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形。通俗来讲，即快速成形技术的一种机器，它是一种以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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。1 3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。过去其常在模具制造、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，已经有使用这种技术打印而成的零部件。1.2 3D打印机的工作原理3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似2。其工作步骤是：首先可使用CAD软件来创建物品，然后把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机将自动分析将要打印物体的结构，然后进行分层打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。1.3 3D打印机特点及优势3D打印机是一种用于快速原型和模具制造的强大工具，相对于其他的添加制造技术而言，无须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，能够在各个零部件的构造复杂性和重量轻型化两者之间找到最佳平衡点。3D打印机具有打印精度高。速度快、价格便宜、高效易用性等特点，可以极大地缩短产品研制周期，降低了生产成本，提高生产效率。这种打印机比常规建筑方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一，更重要的是几乎不会产生任何废弃物，有利于对资源的节约和环境的保护。1.4 3D打印机的工作范围3D打印机作为一种全新的技术，对制造业产生了重要的影响。随着技术的成熟和进一步的发展，3D打印机凭借其特殊的优势逐渐发展到生产生活的各个领域。理论上，3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。目前3D打印机主要应用的领域有：2010年9月美国医疗行业生产模型公司用3D打印机“打印”出拥有完美功能的假肢。2010年11月，美国与加拿大两家公司研制成功全球首辆利用3D打印枝术制造的Urbee双座汽车。2010年12月，美国康奈尔大学科研人员研制出3D食物打印机，只要把“食物墨水”预先放进一组注射器内，再下载食谱软件“FabApp”，机器便会根据电子设计图，结合计算机辅助设计软件，令各种“墨水”按照指令准确落墨，逐行逐层“打印”出立体食物。2011年1月，美国公司开发出“Thing-O-Matic” 3D塑料打印机，能在几分钟内用塑料打造出结构简单的塑料物品。如浴缸、塑料瓶、镜框、支架垫、螺帽等，以及任何几何形状物休。2011年1月，麻省理工学院媒体实验室的研究人员使用了一台Objec公司生产的Connex500成功“打印”出了一只长笛。2011年7月，英国伦敦皇家艺术学院设计专业学生设计山“太阳能烧结”3D打印机。能在全自动的情况下将阳光和沙子转化成玻璃制品。 2011年7月，英国埃克塞特大学的研究人员开发出世界第一款使用液态巧克力作为“油墨”的 “3D巧克力打印机”。可以打印出既有实用功效又不乏食用价值的巧克力日用品和服装。2011年7月，美国明尼苏达州厂商开发出S