3D打印机的机械结构设计

Harbin Institute of Technology课程设计说明书课程名称:自动控制元件及线路设计题目：3D打印机的研究与设计方案院系: 航天学院自动化班级: 1104104设计者：学号:指导教师:设计时间：10.15—-12。

22哈尔滨工业大学摘要本次课程设计通过对2D打印机的了解和对电机传感器的认识，通过类比和分析来初步设计3D打印机。

本文主要内容为电机类型,型号选择及参数的测算，并且应用了PWM控制等数字信号在电机控制中进行驱动。

比较了不同种类传感器的优劣，选出了对比优化方案及元件。

利用控制理论实现了3维定位和实现打印功能，给出初步设计方案。

关键词：步进电机、传感器、3D、定位控制系统、数字信号处理器一、国内外在该方面的研究现状分析及研究的目的意义1、现状及研究意义:3D打印快速成型技术实质是“快速成型技术",也被称为“增量技术"、“增材技术”，是传统制造技术与新材料的完美结合，并且将带动工业设计、新材料、精益制造等多个领域颠覆性的改变。

3D打印技术作为目前最具有生命力的快速成型技术之一，适用于家用电器、办公室用品、建筑模型、医学模型等领域的新产品开发,已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，在国外，3D打印机已经商品化。

作为一种经济型快速成型技术,综合应用了CAD/CAM技术、激光技术，光化学以及材料科学等绪多方面的技术和知识，让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者，第一时间方便轻松的获得全彩色实物模型，便于重新修定CAD设计模型，从而节省了为错误设计制造工艺装备的费用，并节省了研制时间.它具有成本低、系统可靠性高，设备体积小、噪声小、成型速度快、产品材料与颜色可多样化等优点，与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下优势：通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费。

具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。

当下，我国的3D打印技术还处于起步阶段，3D打印技术基本由大学和一些小企业在做研究，尚未有成品出现，在软件和材料方面相对落后，但是，就在2012年10月17日，中国3D打印技术产业联盟已经成立，这就意味着中国开始越来越重视该技术。

如何进行3D打印模型的支撑结构设计和移除3D打印技术的发展使得我们能够以更加快速和高效的方式制造各种复杂的模型。

然而，在3D打印过程中，我们经常会面临一个重要的问题，即如何设计并移除支撑结构。

这篇文章将介绍如何进行3D打印模型的支撑结构设计和移除。

首先，为了确保打印的模型能够成功实现，我们需要在打印过程中使用支撑结构。

支撑结构可以帮助打印模型稳定地固定在打印床上，并防止过度的位移和形变。

同时，支撑结构还可以预防悬挑部分的垮塌，确保打印模型的精度和质量。

在进行支撑结构设计时，第一步是确定支撑结构的密度和方向。

支撑结构的密度取决于模型的复杂性和打印机的特性。

一般来说，需打印模型越复杂，支撑结构的密度就需要越高。

例如，对于具有细小悬挑物体的模型，我们可能需要更加密集的支撑结构来确保模型的稳定性。

同时，支撑结构的方向应该与模型的曲面方向保持一致，以提供最佳的支撑效果。

接下来，我们需要选择适当的支撑结构类型。

常见的支撑结构类型包括框架支撑、网格支撑和线条支撑。

每种类型都有其适用的情况，选择合适的类型可以提高支撑结构的效果和易于移除。

框架支撑适用于大型模型和有稳定底座的模型，它提供了更好的稳定性和可靠性。

网格支撑适用于具有悬挑部分的模型，通过网格结构来支撑悬挑部分，可以减少印刷时间并提高空气流动性。

线条支撑适用于具有细小悬挑物体的模型，通过细小的线条来支撑细小物体，可以提高支撑结构的易用性和移除性。

设计好支撑结构后，我们需要将支撑结构添加到模型中。

这可以通过专业的3D建模软件或者打印机的预设支撑功能来实现。

在选择合适的支撑结构位置时，我们需要考虑模型的形状和需要支撑的区域。

一般来说，支撑结构应该尽可能与模型表面接触，并且避免与模型过于紧密连接，以免在移除支撑结构时对模型造成损坏。

一旦完成了打印模型，我们就可以进行支撑结构的移除。

为了轻松地移除支撑结构并减少对模型的损害，我们可以使用凿子、剪刀、钳子等工具来进行手动移除。

3D打印技术中常用的支撑结构设计方法随着3D打印技术的不断发展和应用，越来越多的行业开始采用该技术来制造物品。

然而，由于3D打印技术所特有的工作原理，很多物体在打印过程中会存在一定的悬空和悬垂部分，这就需要使用支撑结构来保证打印过程的稳定性和成功性。

本文将介绍几种常用的3D打印技术中的支撑结构设计方法。

首先，最常见的支撑结构设计方法之一是网状支撑结构。

网状支撑结构的原理是将一系列细小的横向和纵向支撑杆排列在需要支撑的区域上方，以增强打印部件的稳定性。

这种设计方法适用于较大的悬空部分，能够有效地支撑打印过程中的悬垂物体。

网状支撑结构的好处是它可以提供充足的支撑力，同时又能够方便地移除，减少对打印件的影响。

第二种常用的支撑结构设计方法是柱状支撑结构。

柱状支撑结构通常应用于较小或较细的悬空部分，它的原理是在需要支撑的区域下方打印一系列细长的柱子，使得悬垂部分能够在打印过程中得到支撑。

柱状支撑结构相对于网状结构而言更为坚固，但由于其设计的特殊性，移除起来可能相对困难一些。

第三种常用的支撑结构设计方法是梳状支撑结构。

梳状支撑结构的原理是在需要支撑的区域下方设计成一组相互连接的撑杆，形状类似梳子。

这种设计方法适用于需要支撑细长区域的打印件，比如细线或细管。

梳状支撑结构的好处是能够提供稳定的支撑，又能够较为轻松地移除。

除了上述的常用支撑结构设计方法外，还可以根据打印件的具体要求和形状，设计一些定制化的支撑结构。

例如，如果打印件的悬空部分形状复杂或有特殊要求，可以设计一些局部支撑或斜向支撑来保证打印过程的稳定性。

这种定制化的支撑结构设计需要根据实际情况进行调整和优化，以确保打印的成功和质量。

在设计支撑结构时，需要考虑几个关键因素。

首先是支撑结构的密度和间距。

密度和间距的选择直接影响着支撑结构的牢固度和打印时间。

通常来说，密度和间距要能够满足支撑结构的功能，但又不能过分浪费时间和材料。

其次是支撑结构与打印件的接触面。

陶瓷3D打印机喷头结构设计与仿真分析丁承君;吴畏;朱智辉【摘要】为了克服现有陶瓷打印喷头不能连续进料的缺点,根据陶瓷3D打印机高精度和连续上料的要求,对陶瓷3D打印机的喷头挤出系统进行结构设计,提出一种可连续进料、持续打印的陶瓷3D打印机喷头挤出系统,并利用流体力学相关理论知识以及ANSYS Fluent流体仿真软件对挤出过程进行数值模拟.仿真分析结果表明:喷头出口流速约为1.79 mm/s,能够满足较高精度的打印需求;流体内部压强分布合理;关键部件螺杆受力在许用范围内;流体流线场光顺无交叉,在螺杆螺槽处能够顺畅流动.%In order to overcome the shortcomings that the existing ceramic print heads can' t realize continuous feed, according to the requirement of ceramic 3D printer for the high accuracy and continuous feedstock, a new structure for the ceramic nozzle of 3D printers was proposed, and this new structure can realize continuous feed and print. The extruding process was simulated by using the ANSYS Fluent simulating software based on the theory of fluid mechanics. The simulation analysis results show that the exit speed of nozzle is 1.79 mm/s, can satisfy the needs of high precision printing; internal fluid pressure distributes reasonably; the screw stress is reasonable;the streamline field is smooth and has no cross, the fluid can flow smoothly in the groove of screw.【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】5页(P84-88)【关键词】3D打印;陶瓷打印;打印机喷头;挤出系统;结构设计;流体仿真【作者】丁承君;吴畏;朱智辉【作者单位】河北工业大学机械工程学院,天津 300401;河北工业大学机械工程学院,天津 300401;河北工业大学机械工程学院,天津 300401【正文语种】中文【中图分类】TP334.8;TH1223D打印技术作为一种新型的快速增材技术近几年发展极为迅猛，对于该技术在各种不同领域的探讨也逐渐增多.但目前的研究主要集中在陶瓷浆料的制备技术和挤压成型工艺的开发方面：刘洪军等[1]针对挤压成型技术，在水基陶瓷浆料的制备工艺和挤出工艺等方面进行了大量研究；郭树国等[2]对单螺杆挤出系统进行了研究，运用CFX对新型螺杆元件的流场运动规律进行了数值模拟，分析了宏观压力场、耗能以及挤出量等基本规律，但并未将其应用在陶瓷打印机领域；美国康涅狄格大学Shaw团队[3]对基于浆料微挤压成型技术的可行性进行了充分的试验和论证；何明腾等[4]运用CFX对活塞式泥料挤出机进行了数值模拟，确定了定型段长度、进口压力、挤出锥角等主要因素，对上述因素进行试验与分析，得到最优影响因素的组合方式，但仍然局限于活塞式挤出形式；河北工业大学周婧等[5-6]对活塞式挤出系统进行仿真分析与研究，利用流体分析软件对挤出头出口截面的流速和内部压力场进行数值模拟，对挤出头内部流道的几何形状进行设计，找出了4种不同内部流道的压力场和出口流速分布规律，但该结构形式仍未解决连续进料和持续打印的问题.很少有人从喷头的结构形式上进行创新性的研究.而现阶段的喷头挤出系统最大的问题是不能实现持续供料，只能打印料筒内一定量的浆料，打印完后要重新对料筒进行灌料，费时费力，并且挤出速率难以控制.为解决该问题，本文对喷头结构进行重新设计，研发出一款能够实现持续进料、连续打印的喷头挤出系统，并对设计的可行性进行仿真分析，验证设计思想的正确性.该挤出系统采用分离式可调速的设计思想，其结构形式如图1所示.该结构主要包括料筒、喷嘴、喷嘴连接件、螺杆、料筒上盖、轴承以及端盖.分离式是指喷头的各个部分通过螺栓进行连接，可单独更换其中的某一个零件，多个零件组合在一起构成喷头整体.可调速是指螺杆的上端与转动电机进行连接，浆料由进料口通过气压压入料筒，通过螺杆的旋转将其挤出，可通过调整螺杆的转速控制浆料的挤出速率.在该结构中，进料口与外接浆料泵连接，通过泵将浆料持续压入料筒；与此同时，通过螺杆的旋转作用，将持续进入料筒的浆料不间断的挤出，从而实现持续供料、不间断打印的目的.料筒内的浆料是通过螺杆的旋转依靠螺槽将其挤出的，因此对螺槽充满度[7-9]的研究是非常有必要的.在浆料挤出的过程中，螺杆的旋转和浆料的进入两者之间是互相独立的操作，加上装配条件对整机的影响，故通常情况下螺杆的螺槽是非充满的，因此便存在着充满程度的问题，充满程度同样会对挤出效果产生影响.为了描述挤出机螺槽的充满程度，现引入螺槽充满度ε的概念[10-12]，其定义为：单位长度的部件上，物料占有的体积量与螺槽空腔的体积量之比或螺槽内被物料占有的面积与螺槽空腔时的面积之比，计算表达式为：式中：V1为单位长度部件螺槽中物料的体积（mm3）；V2为单位长度部件螺槽中自然空腔的体积（mm3）；A1为单位长度部件螺槽中物料的面积（mm2）；A2为单位长度部件螺槽中自然空腔的面积（mm2）.螺槽充满度还可用式（2）表示：式中：n为螺杆转速；V为螺槽体积；Q1为体积流率；Q2为质量流率；ρ1为物料密度.可见螺槽的充满度与螺杆转速、物料密度等有关，转速较低、密度较小更容易充满螺槽整个腔体，只有螺槽被完全充满，螺槽充满度才能等于1，一般情况下均小于1[13].取螺杆与浆料啮合区的任意一点进行运动分析，啮合区螺槽中的物料一共有3个方向的速度[14-15]：沿螺槽切线方向的运动速度、沿螺杆周向的运动速度以及沿螺杆轴线的运动速度.物料的运动速度描述如图2所示.则螺槽内物料各速度之间有如下关系：式中：为物料沿螺槽切线方向的运动速度；为物料沿螺杆周向的运动速度；为物料沿螺杆轴线的运动速度.其中各个速度有如下关系：式中：T为螺杆导程；D为螺杆平均直径Db为螺杆根径；Ds为螺杆直径；为螺纹平均螺旋升角，=arctan）.利用ANSYS Fluent软件模拟浆料在螺杆螺纹处流动的数学描述方法主要有2种：一种是拉格朗日描述，另一种是欧拉描述.拉格朗日描述[16]，也叫做随体描述，它侧重于流体质点，并将流体质点的物理量认为是随流体质点和时间变化的，即把流体质点的物理量表示为拉格朗日坐标和时间的函数.设拉格朗日坐标为（a，b，c），以该坐标表示流体质点的物理量如速度、压强、矢径等在任意时刻t的值，便可以写成a、b、c和t的函数.若以f表示流体质点的某一物理量，其拉格朗日描述的数学表达式为：例如：设时刻t流体质点的矢径即t时刻流体质点的位置以r表示，其拉格朗日描述为：欧拉描述[17]，也叫做空间描述，它侧重于空间点，认为流体的物理量随空间点和时间而变化，即把流体物理量表示为欧拉坐标及时间的函数.设欧拉坐标为（q1，q2，q3），用欧拉坐标表示的各空间点上的流体物理量如速度、压强等在任一时刻t的值，可写为q1、q2、q3及t的函数.从数学分析知道，当某时刻一个物理量在空间的分布一旦确定，该物理量在此空间形成一个场，因此，欧拉描述实际上描述了一个个物理量的场.若以f表示流体的一个物理量，其欧拉描述的数学表达式[18]为如流体速度的欧拉描述为：本文在ANSYS平台下，采用Fluent软件对挤出过程进行数值模拟.使用的陶瓷浆料是体积分数为50%的3 mol氧化钇稳定的氧化锆浆料，材料密度ρ=1 285kg/m3.流变模型选用幂律模型，挤出成型件的温度为室温，浆料进口处的流速设置为0.4 mm/s，出口为自由出口，螺杆转速设置为8 r/min，以1标准大气压为参考压力，以热力学温度0 K为参考温度，进行数值计算求解.出口处截面速度如图3所示.由图3可知，在出口截面处浆料的流速大约为1.79×10-3m/s，即1.79 mm/s，该数量级的浆料流速能够满足较精确的陶瓷打印的需求.流体压强如图4所示.由图4可知，压强在浆料进口处以及流体上方较大，在螺杆头部处的区域逐渐减小，再到喷嘴流道处压强又逐渐增大.由流体方面的知识可知，流速大的地方压强小，由于在螺杆头部即料筒头部的内腔呈漏斗式形状，浆料在此处会快速汇聚，流速增大，压强出现减小的情况.观察整个流体区域，整体呈现上方压强较大、下方压强较小的分布趋势.在流体区域上方，浆料由外部入口刚进入料筒，速度较小，进入料筒之后，由于螺杆的转动，浆料的速度逐渐增加，压强相应地会出现减小的情况，故整个流体区域呈现上方压强较大、流速较小，而下方压强较小、流速较大的趋势.通过该云图可知，在浆料进口处与外部浆料总储备区相连的连接件可能会容易出现松动，应该在该连接处采取防松或防滑的保护措施，并定时检查，以防止出现漏料等现象.螺杆的整体压强分布情况如图5所示.由图5可知，由于螺杆在料筒内与浆料流体紧密接触，其整体压强分布情况与流体区域大致一致.整个螺杆区域的压强分布为上方压强较大，下方压强较小.在螺杆上方，浆料从外部进口以较低的速度进入，压强较大；浆料进入料筒内后，通过螺杆的旋转作用进行加速，速度稍有增大,压强逐渐减小.由Fluent软件Reports后处理功能得到螺杆螺纹处的受力为0.015 N，校核计算，螺杆螺纹部分完全满足需求，并且有较大余量.流线场分析如图6所示.由图6可知，浆料由进口处进入之后，在螺杆的旋转作用下，能够沿螺杆的螺纹处顺滑地向下移动，并且无交叉重合现象，证明流体分析的正确性.针对陶瓷打印机连续挤出浆料的要求，对3D打印机的喷头进行重新设计，提出螺槽充满度的概念，对物料在螺槽处的速度进行分析，并结合ANSYS Fluent软件对挤出过程进行数值模拟.喷头浆料的挤出速度为1.79 mm/s，该出口流速级别能够满足高精度的陶瓷打印需求；对流体压强、流线图等进行分析，验证了方案的可行性，为后期针对该挤出系统控制方法的研究提供了理论依据.【相关文献】[1] 刘洪军，李冬健，刘佳.水基ZrB2膏体的挤出流变行为研究[J].中国陶瓷，2013，49（7）：24-27.LIU H J，LI D J，LIU J.The extrusion rheological behavior research of ZrB2past[J].The Chinese 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3D打印中常见的支撑结构设计方法在3D打印中，支撑结构的设计是非常重要的一步。

支撑结构可以保证打印出的物体在打印过程中保持稳定，并避免发生变形或倾斜。

本文将介绍一些常见的3D打印支撑结构设计方法，以帮助您更好地进行设计和打印。

一、树状支撑结构方法树状支撑结构是一种常见的支撑设计方法。

该方法依靠多个分支支撑物体，使得物体能够在打印过程中保持稳定。

这种支撑结构具有简单、易撤除的优点，适用于大多数3D打印机。

当打印完成后，只需要用剪刀或其他工具将支撑物体修剪或撕除即可。

为了设计树状支撑结构，您可以使用3D打印软件中的支撑生成工具。

在选择生成支撑结构的位置时，通常应选择物体的底部或悬空部分。

并且，您还可以调整支撑结构的密度和支撑物体的尺寸，以满足您的需求。

二、网状支撑结构方法另一种常见的支撑结构设计方法是网状支撑结构。

与树状支撑结构不同，网状支撑结构采用蜂窝状的形式，将支撑物体均匀分布在整个打印物体的表面上。

这样可以提供更好的支撑效果，避免物体在打印过程中发生倾斜或变形。

为了设计网状支撑结构，您可以使用3D打印软件中的网状支撑生成工具。

在生成支撑结构时，您可以选择网格的形状和大小，以及支撑物体的密度等参数。

这样可以根据物体的特性和打印机的要求进行调整，以获得最佳的打印效果。

三、自定义支撑结构方法除了树状和网状支撑结构外，还可以根据具体需要进行自定义支撑结构的设计。

这种方法通常适用于具有复杂形状或特殊要求的物体。

您可以使用3D建模软件或3D打印软件中的支撑结构定制工具来创建自定义的支撑结构。

在设计自定义支撑结构时，您可以根据物体的形状和支撑需求来决定支撑物体的形状、数量和位置等参数。

此外，还可以考虑打印的材料和打印机的特点，以确保设计的支撑结构能够满足需求。

综上所述，3D打印中常见的支撑结构设计方法包括树状支撑结构、网状支撑结构和自定义支撑结构。

这些方法能够在打印过程中提供稳定的支撑，避免物体变形或倾斜。

DIGITAL PRINTING Tol.208 No.5 2020.10数字印刷 2020年第5期（总第208期）ADDITIVE MANUFACTURING RESEARCH SPECIAL增材制造研究专题FDM型多喷头3D打印机设计与分析冯 韬，陈继飞，王 超，刘 斌，陈文刚（西南林业大学 机械与交通学院，昆明 650224）摘要 为解决现有FDM 型3D 打印机不能同时打印多种材料、多种颜色的问题，本研究在现有3D 打印机结构基础上，改进设计了一种多喷头3D 打印机。

基于UG 以及COMSOL 软件建立其三维模型并对其进行结构仿真分析、打印运动分析以及控制结构设计分析研究。

结果表明，该FDM 型多喷头3D 打印机具有高效率、低成本、可同时进行多材料和多颜色打印的优点，为今后多喷头3D 打印机研究提供一定思路。

关键词 FDM ；多喷头3D 打印机；结构设计；运动分析中图分类号 TH122 文献标识码 A 文章编号 2905-9540(2020)05-53-09DOI 10.19370/10-1304/ts.2020.05.007Design and Analysis of FDM Multi-nozzle 3D PrinterFENG Tao, CHEN Ji-fei, WANG Chao, LIU Bin, CHEN Wen-gang(College of Machinery and Transportation , Southwest Forestry University , Kunming 650224, China )Abstract To solve the problem that the existing FDM 3D printer cannot print multiple materials and multiple colors at the same time, based on the existing 3D printer structure, a FDM multi-nozzle 3D printer was designed. A 3D model was built by the software UG and COMSOL, and analyses of structural strength, movement mode and control mode were completed. The results showed that the designed FDM multi-nozzle 3D printer has the advantages of high efficiency, low cost and can print multiple materials and multiple colors at the same time. This research provides some ideas for the future research of 3D printer with multi-head.Key words FDM; Multi-nozzle 3D printer; Structure design; Motion analysis0 引言在日益全球化的今天，制造业正向数字化和智能化方向飞速发展，3D 打印技术作为数字化精确控制下的快速成型制造方式，引领着智能制造技术发展的浪潮[1-2]。

3D打印技术中的支撑结构设计方法随着3D打印技术的快速发展和广泛应用，对于打印品质和打印速度的要求也越来越高。

而支撑结构的设计是影响3D打印品质的重要因素之一。

在3D打印过程中，支撑结构的作用是固定和支撑打印物，并防止其变形或坍塌。

因此，合理设计的支撑结构能够提高3D打印的成功率和打印品质。

合适的支撑结构设计能够解决打印物可能面临的各种挑战，如悬空部分、细小结构、过度悬臂等。

下面将介绍几种常见的支撑结构设计方法。

首先是网格支撑结构。

这种结构将支撑物和打印物以网格形式相连接，形状类似于蜂窝结构。

网格支撑结构能够提供均衡的力学支撑，避免了对打印物造成额外压力或变形。

此外，网格支撑结构的开放性能够使打印物在打印过程中能够更好地散热，避免因过热而导致的变形。

其次是树状支撑结构。

这种结构与网格支撑结构类似，但与其不同的是，树状支撑结构是一种分级的结构。

树枝状的支撑物可以根据需要进行适当加厚或加细，以提供更精确的支撑和更好的打印品质。

树状支撑结构的优点在于能够减少支撑物的数量和使用的材料，同时提供足够的支撑。

另外，还有平面支撑结构。

平面支撑结构常用于打印物的底部，以稳定和平衡打印物。

平面支撑结构使用一个平面接触打印底部，避免了打印物与打印板直接接触，减少了对打印底部造成的损坏。

平面支撑结构的优势在于简单且易于施工。

此外，在特殊情况下，还可以使用块状支撑结构。

块状支撑结构将一小块或多个小块的支撑物放置在打印物的不平衡部分，以提供额外的支撑。

块状支撑结构适用于打印物与打印平台之间的高度差较大的情况，能够解决因高度差导致的打印物倾斜或坍塌的问题。

除了以上所述的常见支撑结构设计方法外，还有一些先进的支撑结构设计方法。

例如，基于物理力学模型的自动支撑生成算法可以通过计算模型来优化支撑结构的设计，并根据特定的打印任务生成最佳的支撑结构。

这种方法结合了计算模型和人工智能的优势，能够提高支撑结构的设计效率和准确性。

总的来说，支撑结构的设计是3D打印技术中的重要环节。

一种H-bot极坐标3D打印机的结构设计 梁辉; 孔祥旭; 高云涛; 张广兴; 汪传生 【期刊名称】《《机械与电子》》 【年(卷),期】2019(037)011 【总页数】6页(P15-20) 【关键词】3D打印; H-bot; FDM; 极坐标 【作 者】梁辉; 孔祥旭; 高云涛; 张广兴; 汪传生 【作者单位】青岛科技大学机电工程学院 山东青岛266061; 山东省高分子材料先进制造技术重点实验室 山东青岛266061

【正文语种】中 文 【中图分类】TP334.8

0 引言 3D打印技术起源于快速成型技术[1-3]，通过现代数字建模，数字控制技术，通过增加材料的方式来构造物体，其基本原理是以数字三维模型文件为基础，利用适当的打印材料(一般为各种如ABS和聚乳酸等的工程塑料，粉末金属等)，通过逐层的叠加堆积或烧结的方法来完成零件的加工[4]。近年来，3D打印在众多领域均得到了广泛的应用[5-8]，其常被用于机械原型机，模具等的试制，也被用于制作工业设计和艺术相关模型，另有各种大型的3D打印机，已经可以用于制造飞机蒙皮，发动机涡扇等具有复杂曲面形状的关键零件[9-10]。目前国内外市场上的桌面级3D打印机主要有Makerbot机型、Reprap机型和三角洲机型等，这几类打印机在打印过程中存在着机械结构复杂、体积较大、维护不便等问题。为此，设计了一种H-bot极坐标3D打印机，相较传统的3D打印机机型，简化了机械结构，减小了3D打印机体积和单台电机承受的载荷。 1 H-bot极坐标3D打印机结构设计 1.1 常见3D打印机机型结构分析 目前国内外市场上常见的3D打印机以笛卡尔坐标型为主，其中比较有代表性的有Makerbot型和Reprap型，另外还有使用并联机构的三角洲型[11-13]和各种极坐标3D打印机，然而，这几类3D打印机在工作时都存在着一些问题和不足。 笛卡尔坐标机型一般使用3台控制电机分别驱动打印头在X轴，Y轴和Z轴3个方向的运动，无需过多的坐标转换算法，但电机常随运动构件运动，打印头高速运动时惯性较大。以Makerbot为代表的机型常有封闭的六面体框架，打印平台可沿Z轴升降，每打印一层，打印平台向下移动一个层高。这类机型因有较稳固的机架，打印过程平稳，在较大型3D打印机中也有应用；但六面体框架也带来结构封闭，维护不便等问题，操作者很难对模型实时手动调整，且外框架占整机质量比重大，打印机较笨重。Reprap机型机械结构简单且开放性较好，其特征为打印平台两侧设立柱，运动梁可沿立柱升降，打印头沿运动梁做X轴方向运动，打印平台沿Y轴方向移动；但由于要保证打印平台行程，其水平方向尺寸大，且常需额外增加一台电机来平衡运动梁两侧力矩。 三角洲机型是基于并联机构的一种新机型，其利用底座的3台控制电机协同控制打印头在X轴、Y轴和Z轴3个方向的运动，运动构件质量轻，制造成本较低。当使用丝杠螺母机构时，该机型常因故障造成运动机构卡死，严重时造成三组丝杠螺母机构的同时损坏，因此三角洲机型常采用同步带机构。这类机型的主要问题是：并联机构本身具有过大的非有效工作空间，增加了机器高度。 1.2 H-bot极坐标3D打印机结构原理 针对所提到的各类3D打印机机型存在的问题，采用一种H-bot同步带机构，以Reprap机型为基础设计了一种差动型极坐标3D打印机。相较传统的Reprap型3D打印机，打印平台沿Y轴的移动替换为打印平台的旋转运动，舍弃了底座上复杂的丝杠螺母机构，使打印机结构更加紧凑，减小了整机体积和重量，控制电机不再随运动构件运动，改善了机器的高速打印性能；打印头在分别进行X轴方向和Y轴方向运动时，都由底座上的2台电机同时驱动，减小了单台电机所承受的载荷，且无需像Reprap机型一样增加额外的一台电机来平衡运动衡量所受力矩。H-bot极坐标打印机结构如图1所示。 图1 H-bot极坐标打印机结构 该3D打印机的主要运动为打印头在XOZ面上的平面运动和打印平台在XOY面上的旋转运动，主要机械结构为竖直放置的H-bot同步带机构和水平放置的打印平台转盘。打印头在自身X方向运动与转盘旋转运动的配合下完成模型每一切层的绘制，利用Z方向的运动完成模型各切层的堆叠。整机分为运动横梁、控制电机组件、打印平台、打印头组件等模块，便于拆装与维护。试验样机如图2所示。 图2 试验样机 打印头在XOZ面上的运动采用一种H-bot同步带传动方式，利用2台步进电机的协同配合来同时实现Z轴和X轴方向的运动，其结构如图3所示。 设每台步进电机顺时针转动方向为正方向。由于同步带与带轮之间为齿槽啮合，相互之间无相对滑动，因此，在一侧同步带长度减少，则在另一侧同步带的尺寸一定会增加相同的长度。根据3D打印机的运动要求，Z轴方向和X方向的运动相对独立，除在每层打印结束后准备打印下一层时的准备运动外，不会有X轴和Z轴方向同时运动的情况。 图3 H-bot同步带结构 当2步进电机转动的方向和角速度都相同，即ΔA=ΔB时，横梁位置不发生变化，即ΔZ不发生变化，打印头只有ΔX方向的运动，即

了解3D打印技术中的支撑结构设计3D打印技术在近年来得到了广泛的应用和发展，成为了许多行业的重要工具。

而在3D打印过程中，支撑结构设计是一个关键的环节，它能够保证打印出来的模型在制造过程中不会出现失真、倾斜或者断裂的情况。

因此，了解3D打印技术中的支撑结构设计非常重要。

支撑结构设计是指在3D打印过程中，为了支撑模型的形状和结构，在打印前或者打印过程中增加的一些阻抗物，以保证模型能够准确地打印出来。

这些支撑结构可以帮助模型在3D打印过程中保持稳定，防止出现因重力或者材料流动导致的变形、坍塌或者断裂。

在选择支撑结构设计时，需要根据打印物的几何形状、大小、材料和打印方式等因素进行综合考虑。

以下是一些常见的支撑结构设计方法：1.点阵支撑结构：在模型的底部或者需要支撑的部位，使用一系列的细小柱子或者立方体的点阵结构来提供支撑。

这种结构设计方式可以简单快捷，并且在打印完成后容易去除。

2.悬空支撑结构：在需要打印出悬空部分的模型中，使用悬空支撑结构来增加连接支撑，防止材料下垂。

这种结构设计可以通过在悬空部分下方添加连杆或者桥梁的方式来实现，以增加稳定性。

3.树状支撑结构：适用于复杂的模型，如具有突出部分、扭曲结构或者细长结构的模型。

树状支撑结构以模型为中心，分支延伸，提供全方位的支撑。

这种结构设计可以确保模型在打印过程中的稳定性和完整性。

4.网状支撑结构：适用于需要打印出密集或者具有复杂内部结构的模型。

网状支撑结构可以提供均匀的支撑，并且具有良好的通风性，有利于材料的流动和固化。

在进行支撑结构设计时，需要注意以下几点：1.支撑结构的密度和形状需要根据模型的特性进行合理选择。

过于密集的支撑结构可能会导致打印时间增加和废料增加，而过于稀疏的支撑结构可能无法保证模型的稳定性。

2.支撑结构的设计需要尽可能地减少对模型表面的影响。

过于粗糙的支撑结构可能会导致模型表面产生痕迹或者不平整，影响模型的美观度和使用性能。

3.支撑结构在打印完成后需要容易去除，不会对模型造成损坏或者残留物，同时不会对环境产生污染。

3D打印机实验指导书二一、实验目的本实验旨在进一步掌握3D打印技术，了解3D打印工艺，提高实际操作能力，探索3D打印在实际生产中的应用。

二、实验原理3D打印是一种基于数字模型文件的快速成型技术，通过逐层堆叠材料来制造三维实体。

其基本原理是：首先通过计算机建模软件构建三维模型，然后使用3D打印机将模型分解为一系列薄层，并按照这些薄层的形状逐层堆叠材料，最终形成三维实体。

三、实验步骤1、准备阶段：收集相关资料，了解3D打印机的种类、特点及应用范围；熟悉3D打印的工艺流程；准备实验所需的材料和工具。

2、建模阶段：使用计算机建模软件（如Sketchup、Solidworks等）创建所需的三维模型。

注意模型精度和细节处理。

3、切片阶段：将建模软件中的三维模型转换为3D打印机可识别的切片文件。

设置打印参数，如层高、填充密度、打印速度等。

4、打印阶段：将切片文件导入3D打印机，按照设定的参数进行打印。

注意观察打印过程，防止出现堵丝、漏墨等问题。

5、后处理阶段：打印完成后，对成品进行清理、打磨及上色等处理，以提高美观度和实用性。

四、实验结果及分析在本次实验中，我们成功地使用3D打印机打印出了一件小型物品。

从结果来看，打印精度较高，表面光滑度也得到了较好的控制。

但在细节处理方面还有待提高，如部分细小结构出现了塌陷现象。

通过这次实验，我们进一步熟悉了3D打印的工艺流程和操作技巧，同时也发现了许多可以改进的地方。

五、结论与建议通过本次实验，我们深入了解了3D打印技术的原理及实际应用，并成功地使用3D打印机打印出了一件小型物品。

实验结果表明，3D打印技术具有广泛的应用前景，尤其在原型制作、定制化生产等领域具有明显优势。

为了进一步提高实验效果，我们建议在今后的实验中加强细节处理，优化打印参数，同时加强与实际生产的，以便更好地掌握3D打印技术。

六、参考文献[此处列出相关的参考文献]便携式3D打印机设计首先，确定主题——便携式3D打印机设计。

基于DLP原理的3D打印机设计与实现周璇;王志明【摘要】在DLP成型技术研究的基础上,研制了一种新型的3D打印机.提出了基于DLP原理的3D打印机机械结构设计方案,设计了基于ARM Cortex-A8内核的嵌入式控制系统,介绍了适用于DLP3D打印机的405 nm近紫外光波段可固化新型光敏树脂的制备方法;在美国TI公司DLP技术基础上,通过软件优化,研制了DLP 打印设备专用高分辨率光学引擎,实现WXGA(1280×800)级的分辨率;基于LED光源和DMD技术研制了长寿命光学投影系统,解决在近紫外光环境下HTPS-LCD和LCOS的寿命问题,提升了光固化效率;设计了可实现间隔式分离或多米诺骨牌式分离的新型模型剥离装置,提高了剥离效率和模型的完整性.基于DLP原理的3D打印机因为去除了昂贵的激光发生器和激光振镜,具有极高的性价比.%Based on the forming technology of Digital Light Processing (DLP),this paper develops a new kind of 3D printer which is extremely cost-effective since the expensive laser generator and laser mirror is removed.The design scheme and the mechanical structure of the 3D printer are proposed,the embedded control system according to the RM Cortex-A8 is designed,and preparation method which is used to solidify Photosensitive Resin for the DLP 3D printer near 405 nm ultraviolet band is introduced.Optical engine with special high resolution for DLP printing equipment is developed to realized the resolution for WXGA (1280×800) through the software optimization.Long life optical projection system is developed to solve the life problem of HTPS-LCD and LCOS near to ultraviolet light environment with the help the DLP technology of TI Company which is a good way toimprove the photo curing efficiency based on the LED light source and DMD technology.New model stripping device is designed which can realize the separation of interval or dominos to improve the efficiency of stripping and the integrity of the model.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】4页(P37-40)【关键词】3D打印技术;光学投影系统;光敏树脂;模型剥离装置【作者】周璇;王志明【作者单位】金华职业技术学院,浙江金华321017;金华职业技术学院,浙江金华321017【正文语种】中文【中图分类】TH1223D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2019年第03期·53·文章编号：2095－6835（2019）03－0053－02一种便捷式3D 打印机的结构设计曲凯，徐波，李辉宇（山东省临沂大学机械与车辆工程学院，山东临沂276005）摘要：针对个性化3D 打印的需求，以便捷、实用、成本低为目的，设计一款便捷式3D 打印机的机械结构部分，包含整体框架、打印喷头行走机构、工作台行走机构，并对机械结构部分进行三维建模。

关键词：3D 打印机；结构设计；智能制造；三维模型中图分类号：TP334.8文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2019.03.0533D 打印成为了设计领域的一种潮流，它引领了新型制造技术的发展，给传统制造业带来了挑战，软件技术和互联网的发展更加提升了3D 打印技术在智能制造中的应用价值。

为了使3D 打印走进千家万户，本文设计了一种便捷式3D 打印机，主要对打印机的机械结构部分进行了优化设计，保证了3D 打印机具有结构简单、成本低廉、强度可靠、使用方便的特点。

13D 打印的基本原理常见的3D 打印是以三维数字软件模型为基础，使用可熔化的塑料线材为原料，采用熔融挤压堆积成型（FDM ）技术制作产品的方法。

其基本工作原理是逐层打印，先将打印头加热，塑料线材软化，再根据三维模型的分层信息逐层烧结，固化堆积成型。

FDM 打印工作原理如图1所示。

图1FDM 打印工作原理23D 打印机机体结构创新设计为了促进3D 打印机使用领域家庭化、平民化，要求3D 打印机的机体结构简单、微型、便携。

因此，对传统的3D 打印机进行了结构上的创新设计，该打印机主要分为机体框架、打印喷头行走机构、工作台行走机构、原料驱动机构四大部分。

具体三维结构如图2所示。

3D 打印机机体框架采用铝型材制造，铝型材质量轻、硬度韧性好、价格便宜，不用进行二次加工。

基于FDM技术的3D打印机喷头结构设计作者：庞飞鹰玉贵升周远畅刘湘东来源：《科教导刊·电子版》2018年第22期摘要本研究针对熔融层积成型技术（FDM）， 3D打印机打印过程中喷头吐丝不顺畅和喷头堵塞所造成的打印精度下降的问题，分别对送丝部分、加热系统和打印头三个部分进行分析和优化设计，以提高3D打印机的的打印精度。

关键词熔融层积成型技术（FDM）喷头优化设计中图分类号：TP391.73 文献标识码：A0前言熔融层积成型（FDM）技术是将丝状热熔性材料加热融化，通过微细喷嘴将丝材喷出，沉积在前一层已固化的材料上，通过材料的层层堆积形成最终成品。

喷头是3D打印机打印零件的关键部件，现有的3D打印机打印过程中喷头吐丝不顺畅和喷头堵塞所造成的产品质量精度问题。

针对该问题，FDM工艺3D打印机的喷头部分仍需进一步优化。

1送丝部分设计目前大部分送丝结构为单驱动轮驱动，驱动轮和从动轮的间距固定，但在实际使用中发现，该结构更换打印材料时不方便，单驱动一旦受到阻力过大喷头内部丝材移动受阻，喷头即会堵住。

本设计采用浮动，双驱轮结构送丝；如图1所示，主动轮的表面采用压花，从动轮使用V型槽的结构，增加其摩擦力从而提高驱动力；且该部分添加弹簧预紧装置，便于自动适应直径变化较小的丝状材料。

丝材进入喷头结构的入口增加一个小喇叭式开口，避免材料弯曲角度大或是不能正常进入加热通道。

使用双驱动轮是为了获得更多的有效的动力，同时选用相同规格的驱动轮，也保证了丝料受力相对均匀，开V型槽可增大摩擦力。

2加热部分设计加热装置分为加热棒和陶瓷加热装置两种，加热棒加热装置主要由不锈钢外壳、阻丝、绝缘的氧化镁以及引线等组成，氧化镁对电阻丝可以起到固定和防止其导电的作用。

加热棒装置可以耐高温、而且体积小不占空间。

陶瓷加热装置从内到外分别是发热电阻丝、耐高温陶瓷、保温棉以及不锈钢外壳。

陶瓷加热装置外壳有隔热效果，可以抗高温，防腐耐磨。

综合两种加热方式且考虑成本因素，最终选择加热棒装置。

毕业设计（论文）设计（论文）题目：微型FDM型3D打印机的研制毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

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明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3D打印模型的中空结构设计技巧3D打印技术的快速发展使得制造业发生了翻天覆地的变化。

在过去，制造一个复杂的模型或零件需要耗费大量的时间和资源，而现在，借助于3D打印技术，我们可以轻松地将设计想法转化为实体。

然而，要想获得高质量、高效率的3D打印模型，中空结构设计技巧是至关重要的。

为什么中空结构如此重要呢？首先，中空结构可以显著降低打印成本。

相比于实心结构，中空结构可以节省大量的材料，从而减少了成本。

此外，中空结构还可以提高打印速度，因为打印机只需要填充模型的外部轮廓，而不需要填充整个内部空间。

那么，如何设计一个有效的中空结构呢？首先，我们需要考虑模型的功能和用途。

如果模型需要承受较大的力量或压力，那么中空结构的设计需要更加谨慎。

在这种情况下，我们可以采用一些加强结构，如加强筋或蜂窝结构，以增加模型的强度和稳定性。

其次，我们需要考虑打印过程中的支撑材料。

在3D打印过程中，为了保证模型的稳定性，通常需要添加支撑材料。

然而，支撑材料在打印完成后需要清除，这可能会增加后期处理的复杂性。

因此，我们可以通过设计中空结构来减少支撑材料的使用，从而简化后期处理的过程。

另外，我们还可以利用中空结构来实现模型的轻量化。

在一些应用中，模型的重量是一个重要的考虑因素，比如航空航天领域。

通过设计中空结构，我们可以大大减轻模型的重量，从而提高其性能和效率。

此外，中空结构还可以提供更多的设计自由度。

相比于实心结构，中空结构可以更容易地实现复杂的形状和内部结构。

这为设计师提供了更多的创作空间，使得他们能够实现更加独特和创新的设计。

在设计中空结构时，我们还需要考虑模型的稳定性和耐久性。

一些模型可能需要经受长时间的使用和环境的考验，因此中空结构的设计需要考虑到这些因素。

我们可以通过增加壁厚或者在关键部位增加支撑结构来提高模型的稳定性和耐久性。

最后，我们需要注意中空结构对模型表面质量的影响。

由于中空结构的存在，模型的表面可能会出现一些不平整或凹凸不平的情况。