1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1国内外现状分析

随着现代工业的不断发展，3d打印技术受到越来越多的关注，3d打印技术（threedimensions priting technology）是快速成型技术的一种，它是以计算机三维模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束，热熔喷嘴等方式将粉末状，液状或丝状金属，陶瓷，塑料，细胞组织等材料逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品的技术。该技术综合了数字建模技术，信息技术，机电控制技术，材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，是一种具有高科技含量的综合性应用技术。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容：

以Solidworks为开发平台，研究龙门3D打印机结构设计，并通过Ansys、等CAE软件完成装置相关有限元分析，最后实现对其机械结构优化。具体设计内容如下：

（1） 整体方案设计：桌面型家用3D打印机技术要求及特性，完成其机械结构的整体设计，并利用SolidWorks软件进行三维建模。

（2） 关键元器件选型：根据整体方案设计结果，通过对喷印相关参数的计算，选择合适的搭载平台、导轨、电机等关键元器件

（3） ANSYS有限元分析：应用有元分析软件ANSYS对装置进行静力学分析、模态分析和结构优化。其中静力学分析主要是研究装置在固定载荷的作用下的变形及应力状况，这对掌握其的机械特性有很大帮助

2.2设计目标

完成上述设计内容，设计出一套符合桌面型家用3D打印要求的3D打印机，并完成其力学仿真验证其结构的合理性。

2.3拟采用的技术方案及措施

在打印器件时，过程通常可以分解为图案解析、图案打印和工位移动三部分。根据不同3D打印工艺的特点，要求喷印模块带动喷嘴在空间内运动，完成空间内工件的轨迹，所以需要X、Y、Z三个平移自由度。此时喷印模块直接关联着喷印图案的精确程度，必须保证在X、Y、Z三个方向上精密运动。在进行打印时，整体的加速度和速度较大，如何进行动载荷的平衡和降低平台的振动是机构分析和选择的重点。运动机构的功能是驱动喷嘴在X轴和Y轴以及Z轴3个方向进行工件轨迹的移动，使喷嘴能够快速、准确的在指定位置喷射。

目前常用三自由度运动结构如图4所示，分别为龙门式结构和悬臂结构。如图4（b）所示的结构为悬臂式（或称关节式），各个运动副依次相连，为典型的串联机构。这种方式结构紧凑，能够以最小的体积实现最大的工作空间，但悬臂梁支撑导致该方式结构刚度差，当负载较大时容易导致支撑零件发生变形。该结构一般适用于悬臂短、负载较小的场合，在贴片机、点胶机等设备中得到了广泛应用；如图4（a）所示的结构为龙门式（或称桁架式），将悬臂式结构中的悬臂支撑改为两端支撑即可以得到这种结构。该方式结构刚度好，适用范围广，但在工作空间相同时占用的体积比前两种大。该结构的一个显著特点就是：某个运动方向，如图4（a）中的X向，由两个运动副组成。这两个运动副可为同时运动的主动副，也可以一个为主动副带动另一个从动副进行跟随运动。仔细分析柔性电子的大面积喷印制备工艺的要求和这两种结构方案的特点，不难发现龙门桁架式结构更适合用来构建X、Y方向行程超过1m的三自由度大面积喷印模块驱动装置。

综合比较上述各种三自由度机构的结构与直线运动的实现方式的优缺点，本课题最终确定了3D打印机设计方案：整体结构布局采用如图4（a）所示的龙门桁架式，X、Y两轴的直线运动采用直线电机来实现，Z轴的直线运动由伺服电机驱动滚珠丝杆螺旋副来实现。该概念设计方案深入考虑3D打印工艺对设备的要求（载荷、运动精度等各项指标），充分利用了结构与运动实现方式的优点，是一个十分合理的概念设计方案。

3. 研究计划与安排

第1-2周（2017.3.5）：查阅文献资料；

第3-4周（2017.3.19）：完成开题报告和英文翻译；

第5-6周（2017.4.2）完成整体方案设计；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 郭振华,王清君,郭应焕. 3d打印技术与社会制造[j]. 宝鸡文理学院学报（自然科学
版）,2013, 33(4):64-70.
[2] 郑友德,魏光禧.3d打印开源硬件许可问题探讨[j]. 华中科技大学学报（社会科学
版）,2014,(5):71-74.
[3] lvanova, williams, campbell. additive manufacturing(am) and nanotechnology:promises
and challenges[j]. rapid prototyping journal,2013,19(5).
[4] stephens, azimi, ei orch. ultrafine particle emissions from desktop 3dprinters[j].
atmospheric environment,2013,79.
[5] 赵萍,蒋华,周芝庭.熔融沉积快速成型工艺的原理及过程 [j].机械制造与自动 化,2003,05:17-18 23.
[6] 林一平,航天科技创新与3d打印技术[j].中国航天， 2014(6)
[7] 王修春,魏军,伊希斌,张晶,尚开,王黔.3d打印技术类型与打印材料适应性[j]. 信息技术与信息化，2014(4).
[8] dana goldberq. the history of 3d printing[j]. product design amp;development,2014

[9] 王瑞玲. 对 3d 打印机喷头 xyz 三个方向位置控制的优化设计探究[j]. 电子测试,2014,(02):1-2

[10] 曹汉阳,乐锐锋.3d打印：梦想与现实之间[m]. 北京:电子工业出版社,2014:1-15.
[11] 孙柏林.试析“3d打印技术”的优点与局限[j]. 自动化技术与应用,2013,32(6):1-6.
[12] 王雪莹. 3d打印技术与产业的发展及前景分析[j]. 中国高新技术企业,2012,(26):3-5.
[13] 张希,苏健强,高健.3d.打印技术及我国的发展现状[j].信息技术与标准化,2015,06:17-21.
[14] 刘利. 光固化快速成型制件的精度研究[d]. 大连:大连理工大学,2005.
[15] 史玉升,张李超等.3d打印技术的发展及其软件实现 [j].中国科学信息科学,2015,45(2):197-203