基于cae分析的简易3d打印机设计-毕业论文.doc
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1、图书分类号:密 级:上单毕业设计(论文)基于CAE分析的简易3D打印机设计THE DESIGN OF SIMPLE 3D PRINTER BASED ON CAE学生姓名班 级学院名称专业名称指导教师 毕业设计(论文)学位论文原创性声明本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、
2、使用学位论文的规定,即:本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝,允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容,可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日I摘要本文首先概括介绍了3D打印技术,包括3D打印技术的发展背景、现状及种类。后面介绍了3D打印机的概述,并结合3D打印机发展中所遇到的机遇挑战,提出设计一款简易的3D打印机。本文根据相应的技术指标及参数在满足
3、标准的情况下,对简易3D打印机进行整体的结构设计,设计路线按照从下至上,从外至内的顺序进行产品设计,具体是底座的设计、顶框的设计、支架的设计、送丝机构的设计以及打印机构的设计。其中在这些结构设计中,还包括底座的强度校核及材料选择、轴的强度校核与选型、步进电机的选型等。因简易的3D打印机的某些结构因受力可能变形,所以最后基于CAE技术还要对设计的简易3D打印机的关键零部件进行有限元分析,结合数据,检验是否符合设计要求。本文研究设计的简易3D打印机旨在将3D打印技术带入家庭或办公室,即使在一个小的工作空间中也可以完成3D模型的快速成型制造,所以要求它的结构简单,操作方便,价格经济,空间友好。设计中
4、主要使用了Auto-CAD、SolidWorks、Ansys等软件,用SolidWorks制图软件三维建模,Auto-CAD制图软件画出二维平面图,应力分析方面主要通过Ansys有限元分析软件对简易3D打印机的关键部件进行应力分析。关键词 简易3D打印机;结构设计;SolidWorks三维制图;CAE分析AbstractThis paper firstly introduces the 3D printing technology, the status quo and development background, including the type of 3D printing tech
5、nology. After the introduction of an overview of the 3D printer, and combined with the development of 3D printers Opportunities, Challenges encountered, proposed to design a simple 3D printer. In this paper ,the design is based on the relevant technical indexes and parameters which meet the standard
6、. The simple 3D printer for the design of the overall structure, route design is from the highest to the lowest, the sequence is from the outside to the inside of product design, specifically the design of the pedestal, a top frame design, support design, send wire feeding mechanism design and print
7、ing mechanism design. Which in the design of the structure, including the strength of the base check and materials, shaft strength checking and selection, stepper motor selection. For some simple 3D printer structure due to the stress deformation. so in the end,based on CAE technology, the design of
8、 simple 3D printers key parts were finite element analysis, analysis of data, test whether it meets the design requirements.In this paper, to design the simple 3D printer in order to take 3D printing technology into the home or office,even in a small working space the simple 3D printer can also comp
9、lete the 3D model of the rapid prototyping manufacturing, so it has the advantages of simple structure, convenient operation, economic price and friendly space. This design mainly used the CAD, Solidworks, ANSYS software, using Solidworks to 3D Modeling Software and motion simulation, using CAD to d
10、raw a planar graph, and Stress analysis focuses on the key components of a simple 3D printer was analyzed by Ansys finite element analysis software.Keywords Simple 3D printer The design of structure SolidWorks CAEII毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 3D打印技术的发展背景及现状11.2 3D打印技术的种类11.3 3D打印机及简易3D打印机的概述21.
11、4 3D打印机的发展带来的机遇和挑战31.5 本次设计的主要工作31.5.1 简易3D打印机指标31.5.2 主要的设计工作41.5.3 设计思路及主要问题42 简易3D打印机的结构设计52.1 整体结构设计52.1.1 工作原理52.1.2 3D打印机的组成52.1.3 框架结构52.2 底座的设计62.2.1 底座角件的设计62.2.2 铝型材的选择62.2.3 底座整体结构72.3 支架的设计82.3.1 直线光轴许用弯曲应力的计算82.3.2 直线光轴材料的选择92.4 顶框的设计102.4.1 顶框角件的设计102.4.2 铝型材的选择112.4.3 顶框整体结构112.5 送丝机构
12、设计112.5.1 挤出机座设计112.5.2 U型滚动轴承的选型122.5.3 快速接头的选择122.5.4 挤出机设计及相关部件选型122.5.5 送丝机构整体机构132.6 打印机构设计132.6.1 步进电机的选型132.6.2 同步轮的选型152.6.3 同步带的选取162.6.4 深沟球轴承的选型162.6.5 直线轴承的选型182.6.6 滑动座的设计182.6.7 万向节的设计192.6.8 中心平台的设计192.6.9 推杆的设计202.6.10 喷头座的设计222.6.11 散热风扇的选型222.6.12 喷头装置的设计222.6.13 打印机构整体结构243 CAE结构分
13、析253.1 CAE技术253.2 CAE软件253.3 CAE分析对象253.4 Ansys有限元分析过程253.4.1 前处理253.4.2 有限元分析293.4.3 后处理32结论36致谢37参考文献38221 绪论1.1 3D打印技术的发展背景及现状3D(Three Dimensions)打印技术是一种通过材料逐层添加形成三维物体的具有划时代变革的技术。1目前3D打印技术在国内外还是一个比较新兴的领域,具有非常大的市场前景。另外3D打印的迅速发展同时也为现代制造业带来了一场新的科技革命,因为3D打印技术不像传统的机加工生产需要依赖生产的工艺性,它可以传统的生产工艺直接快速成型所需要的产
14、品模型。3D打印不需要任何传统加工工具,能够减少很多人力物力,所以3D打印似乎就是在替代一个人在制作产品。尽管3D打印有如此大的突出之处,但还不够尽善尽美。3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一,越来越受到工业界和投资界的关注。2它作为一种新兴的科学技术已经应用到很多领域范畴,比如现代制造业,医疗领域,航天航空领域,工程材料领域,还有化工技术领域等。在现代制造领域上,3D打印技术的推行使得现代制造业有了更多的革新,通过3D打印技术可以使产品制造效率不断挺高,为现代制造业注入新鲜血液。在医疗领域上,已经有人通过3D打印技术实现了器官的打印,打印的器官可以直接植入人体,并且不会导致排斥。在
15、航天航空领域上,3D打印技术可以快速的打印出飞机的机翼以及一些结构复杂的发动机,而这些都是传统制造所不能企及的。3D打印技术经过十多年的发展,目前3D打印机的精度可以到达0.001mm,这样的技术几乎可以打印出任何我们所能看得到的东西,可见3D打印技术已不复当年,现在的打印精度还是相当好的。目前国内很多家做3D打印的公司都相继研制开发了属于自己的3D打印机,虽然机器的生产和销量还不能与国外大型做3D打印的公司相媲美,但还是取得了一些阶段性的突破。另外国内生产的3D打印机在材料,框架结构和打印精度上还不能够满足消费者的需求,这也是现阶段国内做3D打印公司遇到的阻力与挑战。目前3D打印技术在西方国
16、家已经广泛的应用到了商业、制造业。人们可以在家中完成自己的设计,通过Meshmier里的3D打印平台服务将模型文件送到离家最近的3D打印服务公司,公司按照顾客的设计要求完成3D模型的打印,这如今在国外已经形成了一个商业链,目前国内还没有发展,相信在不久的将来,国内的3D打印技术也会不断占领市场的份额,到时候3D打印一定会成为现在制造业不可或缺的一部分。1.2 3D打印技术的种类(1)光敏液相固化技术光敏液相固化技术SLA(Stero-Lightgraphy Apparatus)又称光刻成型、立体印刷、或光造型等,它的工作原理就是通过紫外线照射,将液态光敏树脂固化成型,通过层层固化而完成整个三维
17、产品的制造,SLA成型工艺的特点是精度高,表面质量好,材料利用率高,能制造出结构复杂、外观精细的零件产品,但是SLA成型工艺相应的制造成本也非常高,而且打印零件产品的规格也不能太大。3(2)选区片层粘结技术选区片层粘结技术LOM(Laminated Object Manufacturing)是利用背面带有粘胶的箔材或纸材通过相互粘结而成形。在计算机的控制下,二氧化碳激光束对最上层箔材或纸材的二维截面进行扫描切割,再将轮廓外的废料切割出方形小格,以后每粘结切割一个截面层,工作台自动下降一个截面层,然后重复,直到整个三维零件。LOM快速成型技术特点是速度快,材料经济实惠,尺寸和形状精度稳定,没有相
18、变与热应力,但成型后的废料剥离时间较长,所以这种工艺更适用于汽车轮船、航空航天等行业中体积较大的产品零件成型。(3)选区激光烧结技术选区激光烧结技术SLS(Selctive Laser Sintering)是利用激光的光束能量,烧结粉末材料通过逐层添加成型的方式成型三维模型。SLS成型工艺方法的优点是能生产较硬的模具;可以采用多种原料,包括工程塑料、蜡、金属、陶瓷等;零件的构建时间短,可达到1in/h速度;无需设计和构造支撑。(4)熔丝沉积成型技术熔丝沉积成型技术FDM(Fuse Deposition Molding)是通过喷头挤出一束非常细的热熔塑料丝,从打印平台的最底层开始,按照切片软件导
19、出的二维切片程序,一层一层逐层堆积打印,最后得到设定好的三维产品模型。FDM成型工艺的优点是设备简单,工作耗能低,打印尺寸精度好,成型表面质量高。缺点是打印需要支撑的材料,打印耗时较长。1.3 3D打印机及简易3D打印机的概述3D打印机(3D Printer)还称作快速成型机,它与二维打印机最大的差别就是能打印出三维立体模型,它的工作原理是通过将耗材融化,然后一层一层叠加,最终形成目标3D模型。它是3D领域的一种前瞻性产品,目前成为一种潮流正迅猛发展。43D打印机的操作十分便捷,首先通过电脑上的制图软件制作出你想要打印的3D模型,然后将3D模型导入进专业的切片软件,再将切片程序导入进3D打印机
20、中就可以打印出你所设计的3D模型。随着3D打印技术的不断成长进步与普及发展,3D打印机不仅大量地出现在现代机械制造业,而且逐渐可以应用于工业设计领域,汽车轮船领域,航空航天领域等。但是到目前为止3D打印机的所使用材料还是具有一定的限制,所以要想打印出一个结构繁杂、材料多样的3D模型,它的难度还是有非常之大的。当下市场上出现了越来越多的简易式3D打印机,它跟一般的3D打印机最大的差别就在于它的便携易于摆放,简易3D打印机突破了一般3D打印机需要固定在一个空间工作的限制,这极大地提高了3D打印机的实用性和便捷性。不过要想实现3D打印机结构的简易与便捷,必须要在其结构上多思考,需要考虑到打印结构的设
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