摘 要

自3D打印技术问世以来，虽然推出了各种不同的打印方式，但其一直面临着打印材料的问题限制，现如今，大多数的3D打印设备都是成型的塑料或者树脂类材料，塑料等非金属材料虽然也具备一定的强度和硬度，但其还是多用于实验模型或者对强度温度要求不高的地方，而有些场合必须要用金属材料，现今，虽然选择性激光烧结技术可以成型金属材料，但其成本过高，致使其无法大面积推广，尤其无法用于普通金属零件的打印。而基于粘结剂喷射技术的3D打印技术，则很好地解决了这一问题，其不仅是金属3D打印方式，同时其也将成本控制在了合理的范围内，更是具有良好的强度和精度，因此，其对工程制造业的意义不言而喻。现今基于粘结剂喷射技术的3D打印设备比较成熟的是美国Desktop Metal公司所生产的名为Production System 3D的打印设备，而该设备所采用的打印结构是往复型打印结构，本文致力于设计一种新的打印结构，以提高打印效率，降低打印成本。

关键词：快速成型技术；3D打印；粘结剂喷射技术；往复型结构；旋转型结构

Abstract

Since the advent of 3d printing, although has launched a variety of different ways of printing, but it has been facing the problem of limitations of the printing material. Nowadays, most of the 3d printing devices are molding plastic or resin materials, non-metallic materials such as plastic, although also have a certain strength and hardness, but its still more used to experimental model or the temperature requirements of strength is not high. Some of the places must be made of metal material. Nowadays, although the selective laser sintering technology can be forming metal materials. Its cost is too high to making them unable to large area promotion, especially not for ordinary metal parts to print. However, 3D printing technology based on binder Jetting technology solves this problem well. It is not only a 3D printing method of metal, but also controls the cost within a reasonable range, and has good strength and precision. Therefore, it is self-evident of significance to engineering manufacturing industry. Today's 3D printing equipment based on binder jetting technology is relatively mature, which is called Production System 3D printing equipment produced by American Desktop Metal company, and the printing structure adopted by this equipment is reciprocating type printing structure. This paper is committed to design a new printing structure to improve the printing efficiency and reduce the printing cost.

Key words：rapid prototyping technology；3D Printing；Binder Jetting；Reciprocating construction；Rotary construction

目录

第一章、绪论 1

1.1快速成型技术（RP）简介 1

1.2快速成型技术基本类型 2

1.3快速成型技术研究现状 2

1.3.1国内研究现状 2

1.3.2国外研究现状 3

第二章、粘结剂喷射技术 4

2.1简介 4

2.2研究现状 5

2.3研究意义 5

第三章、往复型黏结剂喷射技术的三维建模 6

3.1三维建模方案 6

3.2设备简介 7

3.3成型运动讲解 7

3.4打印后处理 9

3.5各部分零件结构详解 10

3.5.1成型箱体 10

3.5.2供粉箱 11

3.5.3余粉收集箱 11

3.5.4导轨 12

3.5.5 底板机构 13

3.5.6打印机构 13

3.6动画模拟 14

第四章、旋转型黏结剂喷射技术的三维建模 16

4.1设备研究 16

4.2 结构问题研究 17

4.2.1成型区域中心部分打印问题 17

4.2.2喷头内圈与外圈精度不同问题 18

4.2.3支撑板升降时机问题 19

4.2.4供粉箱、余粉收集箱等结构设计布置问题 19

4.3 成型运动讲解 19

4.4各部分零件结构详解 20

4.4.1成型箱体部分 20

4.4.2打印部分 21

第五章、往复型与旋转型3D打印设备的运动仿真 22

5.1运动仿真方案 22

5.2往复型3D打印设备的运动仿真 23

5.3旋转型3D打印设备的运动仿真 24

5.4经济性分析 24

第六章、总结与展望 25

参考文献 26

致谢 27

第一章、绪论

1.1快速成型技术（RP）简介

快速成型技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，是上世纪90年代左右发展起来的一项先进制造技术，自问世以来，就受到了各界的广泛关注，到了今天，经过30多年的的发展，快速成型技术越来越趋于成熟，应用也是越来越广泛。快速成型技术区别于传统加工成型方式，其采用的是堆积法成型。传统的加工成型方式，其采用的多是切削法成型，即在已经铸造好的坯料上，采用钳工或者用机床进行机加工的方式，切除多余的部分，来保证零件的尺寸和精度；但快速成型技术所采用的堆积法成型，则正好是其反过程，其是通过将成型材料（例如金属粉末），固定在一起形成一层物体，再将其一层一层堆积起来，形成一个三维立体，而这个三维立体就是我们所需要的零件。传统的零件加工过程，例如汽车外壳的加工，往往是通过冲压模冲压成型的，而想制作出一副冲压模，需要很长的生产周期，但通过快速成型技术，我们可以把这一制造时间缩短至几天，乃至几小时，这样就大大缩短了产品的研发周期，提高了研发效率^[1][2]。

现如今，快速成型技术已经广泛应用于社会的各行各业，尤其在航天、医疗、机械^[3]等行业有着突出贡献。例如，在医疗领域，应用快速成型技术可以打印出患者坏死的牙齿，因为快速成型技术非常适合于成型不规则物体，因此，可以完整还原患者原来牙齿的形状，便于之后植入等操作^[4][5]；此外，在脊柱外科手术中，通过快速成型技术，可以预先将手术部位打印出来，这样便于医生制定手术方案，降低手术风险^[6]；同时，快速成型技术在微创机器人领域也有一定的相关应用^[7]；在航天领域中，可以采用快速成型技术对叶片型芯进行制造，从而制造出航空航天发动机的叶片^[8]；在机械领域，有利用准分子激光微加工快速成型技术来加工三维凸轮系统^[9]，同时，快速成型技术也促进了快速模具制造技术的相关发展^[10][11]，例如蜡模制造等新型加工方法。