金屬材料型3D打印機設(shè)計含三維圖

金屬材料型3D打印機設(shè)計含三維圖,金屬材料,打印機,設(shè)計,三維 金屬材料型3D打印機設(shè)計答辯人：張濤班級：機械四班學(xué)號：201106040401指導(dǎo)老師：劉念聰老師2015.5.29摘要在近幾年來，隨著制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，快速成型技術(shù)的研究和開發(fā)一直以來都受到全世界機械制造領(lǐng)域的高度重視，從目前社會對于快速成型技術(shù)最火熱的設(shè)備話題就是3D打印機，隨著這幾年3D打印機的不斷發(fā)展與完善，很多通過傳統(tǒng)加工難以甚至不能實現(xiàn)的加工零件在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上得到了實現(xiàn)。然而，縱觀現(xiàn)有的3D打印機，大多的都只能對某些合成材料進行3D打印，比如：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等，能對大多數(shù)金屬材料進行3D打印的設(shè)備極少，而在現(xiàn)代社會，不管是哪個領(lǐng)域?qū)饘俨牧隙加袠O大的需求，因此，研發(fā)一款能對金屬材料進行3D打印的設(shè)備顯得格外有意義。本文圍繞快速原型技術(shù)之一-選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）展開研究，以SLS技術(shù)為核心原理對打印機的結(jié)構(gòu)做出了設(shè)計。內(nèi)容包括金屬粉末激光燒結(jié)快速成型技術(shù)的工藝原理，工序流程。其次分析了SLS工藝的參數(shù)對打印制件的影響，包括激光的功率、掃描的速度、掃描方式和每一層的厚度等。最后對如何實現(xiàn)驅(qū)動3D打印機各軸的運動做了設(shè)計，其中包括定位系統(tǒng)步進電機的選擇計算和控制電路部分單片機的應(yīng)用做了介紹。目錄1、國內(nèi)外現(xiàn)狀2、快速成型技術(shù)原理3、幾種快速成型技術(shù)的對比4、打印機整體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計5、電路控制部分的設(shè)計6、結(jié)論7、致謝國內(nèi)外現(xiàn)狀國外：在技術(shù)研發(fā)方面，早在1989年美國的斯科特克倫普就對熔融沉積成型（FDM）成功申請了專利，這種技術(shù)成型精度和成型物的強度都很高，并且可以實現(xiàn)彩色成型。另一種方法是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）,這也是由美國人CarlDechard早在1989年研制成功的技術(shù)，并且在1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStation。幾種3D打印的金屬產(chǎn)品國內(nèi)方面在國內(nèi)，目前還沒有自主研發(fā)的能對金屬材料實現(xiàn)3D打印的設(shè)備，并且現(xiàn)有的3D打印機也都幾乎來自于進口，這些3D打印機針對的打印材料也大多都是：彈性塑料（EP）、聚乳酸（PLA）等非金屬材料。快速原型技術(shù)原理目前，分層疊加方法是快速成型技術(shù)的核心原理，通過CAD造型、生成STL文件和分層切片等步驟進行分層處理，借助于計算機控制成型設(shè)備實現(xiàn)原料的幾何結(jié)構(gòu)的制造。其原理圖如下圖所示：幾種快速成型技術(shù)的對比打印機整體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計金屬材料打印可行性的分析：當(dāng)高能激光器照射在金屬粉末材料上時，金屬粉末便會在高溫下融化，激光移走，融化的金屬液便會迅速降溫凝固，當(dāng)激光按一定的速度和路徑在一層金屬粉末材料上掃描過后，金屬粉末就會按激光掃描的路徑形成金屬塊兒。打印機結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理：通過計算機控制激光束按照所需成型模型的截面形狀信息在工作臺上鋪好的一層金屬粉末材料上進行掃描，掃描過程中，單個的金屬微粒就會在高能激光束的作用下熔化，激光掃過之后便迅速凝結(jié)，這樣當(dāng)激光束掃描過一段距離之后，金屬微粒便會按照掃描的路徑凝固成一片層實體。當(dāng)一層掃描結(jié)束后，計算機控制工作臺下降一層固定厚度（0.10.3mm）的高度，然后鋪粉小車再在工作臺上鋪上一層新的金屬粉末，重復(fù)上述掃描的過程，那么新的一次掃描就會在先凝固的一層上再凝固，如此過程反復(fù)進行，直至所需制造的三維實體的生成。等到工作室溫度降下來后取出打印的工件，去除包裹在成型件外部多余的金屬粉末，再按照設(shè)計的要求進行必要的后處理工序，比如去應(yīng)力退火、淬火和上漆等打印機整體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作臺的定位結(jié)構(gòu)設(shè)計-三軸定位結(jié)構(gòu)縱向精度監(jiān)測裝置：金屬打印過程中防止被氧化的辦法：1.密封2.電路控制部分的設(shè)計：電機的選擇：電機的選用采用步進電機。步進電機是一種可以把數(shù)字信號輸入脈沖轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動或者直線運動的電磁執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個電流脈沖，步進電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一個大小為步距角的角度。輸入的脈沖數(shù)數(shù)量越多，步進電機回轉(zhuǎn)角的總量越大，脈沖的輸入頻率越快，步進電機的轉(zhuǎn)速就越快。Z軸方向步進電機選用的是型號：23HS8610（步距角1.8度）XY軸方向步進電機選用的是型號：28BYG2401（步距角0.9度）控制系統(tǒng)的選擇：常見的對于步進電機的控制一般有三種：一、基于電子電路的控制系統(tǒng)二、基于PLC的控制系統(tǒng)三、基于單片機的控制系統(tǒng)基于電子電路的控制系統(tǒng)如圖所示，這類系統(tǒng)主要是由基于電子電路的脈沖控制器而產(chǎn)生脈沖來控制信號，再用過環(huán)形分配器將脈沖分配后送到驅(qū)動電機內(nèi)將功率進行放大處理，從而便有足夠的功率來驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。基于PLC的控制系統(tǒng)如圖所示，PLC也被稱為可編程控制器，控制系統(tǒng)通過采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖，再通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖。因為PLC的掃描周期幾乎都在幾毫秒到幾十毫秒之間，因此頻率最高也只能到幾百MHz。然而步進電機不能在高頻條件下工作，高速條件不能實現(xiàn)精確控制，而且當(dāng)其速度較高時，受PLC控制系統(tǒng)掃描周期的影響，精度的控制也會大幅度降低基于單片機的控制系統(tǒng)如圖所示，本系統(tǒng)其實也就是通過把硬件和軟件相結(jié)合起來，環(huán)形分配器用軟件來代替，從而達到對步進電機的控制。系統(tǒng)中步進電機各相驅(qū)動線路通過采用片機接口線直接控制，由于單片機功能強大，還能根據(jù)實際需要來設(shè)計大量的外圍電路，比如用鍵盤就可控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能。基于單片機的控制系統(tǒng)還有以下優(yōu)點：通過使用單片機軟件編程的方法可以使原本十分復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制以及精確控制，能避免因失步和震蕩造成的精度誤差；環(huán)形分配器可用軟件來替代，只需通過對單片機進行設(shè)置，可以用同一種硬件電路結(jié)構(gòu)控制并驅(qū)動步進電機，這樣借口電路的靈活性和通用性就大大提高了；功能強大的單片機使復(fù)位電路、鍵盤電路等外部電路實現(xiàn)了有效結(jié)合，從而讓系統(tǒng)的交互性也大大提高了。結(jié)論本文主要對3D打印制造技術(shù)中的金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)的工藝過程和質(zhì)量控制措施以及電路控制設(shè)計進行了研究，總結(jié)如下：（1）綜合工藝參數(shù)對成型件的質(zhì)量與效率的影響，得出最優(yōu)的參數(shù)配置：激光功率30%，掃描速度2000mm/s，掃描方式先逐行掃描再分組變向，層厚0.2mm;當(dāng)制件具有大斜率面時,為改善表面質(zhì)量,層厚采用0.1mm。（2）從能量傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，給出了燒結(jié)金屬粉末之前先將粉末預(yù)熱到臨界溫度點和對制件去應(yīng)力退火以及強化淬火的后處理工藝的結(jié)論。（3）對打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，通過計算得出了在Z軸方向選用步進電機型號23HS8610；XY軸方向通過借鑒現(xiàn)有打印機和醫(yī)療器械等機械設(shè)備的經(jīng)驗選擇28BYG2401型步進電機。通過對單片機、PLC以及電子電路控制的優(yōu)劣勢對比后得出采用基于單片機的控制電路對驅(qū)動步進電機進行控制。致謝首先，感謝每一位機械專業(yè)的老師們。其次，感謝在本次畢業(yè)設(shè)計中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)。最后，感謝劉念聰老師的細心指導(dǎo)，您對學(xué)校和工作的一絲不茍，對自己的嚴格要求是我們組每一位同學(xué)終身學(xué)習(xí)的榜樣。