摘 要

上世纪末出现的3D打印技术，凭借其具有的突出优势，获得了越来越多的关注。这项技术近年来发展迅猛，在工业领域已经获得了广泛的运用。由于基于FDM工艺的3D打印技术具有成型精度高、打印速度快、制造成本低的优点，在市面上非常普及。

本文对如何设计一款简单实用的FDM工艺3D打印机进行了探索，研究500×500×500mm大尺寸成型空间的3D打印机的框架结构和三轴运动系统应该如何设计、框架材料和喷头打印系统应该如何选择，以达到让3D打印机结构稳定、打印速度快、成型精度高的目的。最终选择了矩形盒式的机身结构。传动方案选择了X、Y复合在一个平面上运动，由同步带带动，Z轴单独运动，由滚珠丝杆带动打印平台升降，动力元件均选择步进电机的方案。并且验算了滚珠丝杆的强度和寿命，确保传动方案的可靠性。

在整体机身机构的设计方案初步完成后，利用Solidworks软件对零部件进行三维建模，随后根据装配和约束关系进行虚拟装配，建立整机的三维模型。接下来使用ANSYS Workbench软件，对重要的承载零部件，横杆和连接板进行有限元分析，验算结构强度和刚度，检验方案的可行性。

最后选择控制系统的主控制板、步进电机和驱动器，并将固件烧录到主控制板中，实现主板对各执行元件的控制。用上位机软件，完成3D打印机的调试。

本文对3D打印机的工程实际应用具有一定参考意义，对研发更高精度、更快打印速度的3D打印机进行了初步探索。

关键词：3D打印机技术；FDM工艺；结构设计

Abstract

3D printing technology appeared at the end of the last century, with its outstanding advantages, has gained more and more attention.This technology has developed rapidly in recent years and has been widely used in the industrial field.Because of the advantages of high forming accuracy, fast printing speed and low manufacturing cost, 3D printing technology based on FDM process is prevailing on the market.

This paper explores how to design a simple and practical FDM process 3D printer, and studies how to design the frame structure and triaxial motion system of 3D printer with large size forming space of 500x500x500mm, and how to select the frame material of printing system, in order to make the structure of 3D printer stable, printing speed fast and forming precision high.In the transmission scheme, X and Y are combined to move on a plane, driven by synchronization, Z axis is moved separately, and ball screw is used to drive the printing platform to rise and fall. Stepper motors are selected as the power components. The strength and life of the ball screw are checked to ensure the reliability of the transmission scheme.

After the preliminary design of the whole fuselage mechanism is completed, the parts are modeled by Solidworks software, then the virtual assembly is carried out according to the assembly and constraint relationship, and the three-dimensional model of the whole machine is established. Next, ANSYS Workbench software is used to carry out finite element analysis of important load-bearing parts, crossbars and connecting plates, to check the strength and stiffness of the structure and to verify the feasibility of the scheme.

Finally, the main control board, stepping motor and driver of the control system are selected, and the firmware is uploaded into the main control board to realize the control of the main board to the executing elements. The 3-D printer is debugged with PC software.

This paper has some reference significance for the practical application of 3D printer in engineering, and preliminarily explores the development of 3D printer with higher precision and faster printing speed.

Key Words：3D printing；FDM process；Structural design

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景和意义 1

1.2 快速成型技术概述 1

1.2.1 快速成型技术的分类 2

1.2.2 快速成型技术的应用 3

1.3 快速成型技术的国内外现状 4

1.3.1 国际发展现状 4

1.3.2 国内发展现状 4

1.4 课题研究的主要内容 5

第2章 3D打印机机械结构设计 6

2.1 FDM工艺3D打印机常见的结构类型对比 6

2.1.1 三角洲3D打印机 6

2.1.2 三角形结构3D打印机 6

2.1.3矩形盒式3D打印机 7

2.2 设计方案的确定 .7

2.3 打印机框架设计 8

2.4 传动机构的设计 9

2.4.1 三轴运动方式分析 9

2.4.2 3D打印机常用的传动方式 10

（1） 同步带传动 10

（2） 滚珠丝杠传动 11

2.4.3 传动机构方案设计 11

（1）X-Y平面复合运动设计 11

（2）Z轴方向传动设计 12

2.4.4 滚珠丝杆的设计计算 13

（1） 丝杆工作长度的计算 13

（2） 丝杆轴径的计算 13

（3） 寿命计算 14

（4） 滚珠丝杆的应力校核 15

2.5 打印平台的设计 15

2.6 喷头打印系统的设计 16

2.7 本章小结 17

第3章 机械系统的三维建模 18

3.1 CAD技术概述 18

3.2 主要部件的建模和装配 18

3.2.1 机身建模的步骤 18

3.2.2 框架支撑的三维建模 18

3.2.3 X-Y平面复合运动系统的三维建模 19

3.2.4 Z轴运动系统及打印平台框架支撑的建模 20

3.3 机械系统整体装配 20

3.4 本章小结 22

第4章 关键零部件的有限元分析 23

4.1 ANSYS Workbench软件介绍 23

4.2 横杆的有限元分析 23

4.2.1 横杆的载荷和约束 23

4.2.2 计算结果分析 24

4.3 打印平台框架连接板的有限元分析 25

4.3.1 连接板的载荷和约束 25

4.3.2 计算结果分析 26

4.4 本章小结 27

第5章 3D打印机执行部件的设计 28

5.1 3D打印机主板的选择 28

5.1.1 主控制板的介绍 28

5.1.2 扩展板的介绍 29

5.2 电机驱动部分设计 29

5.2.1 步进电机的选择 29

5.2.2 步进电机驱动器的选择 30

5.3 软件系统 30

5.3.1 烧录软件 31

5.3.2 切片软件 31

5.3.3 上位机软件 33

第6章 总结与展望 34

6.1 工作总结 34

6.2 展望 34

参考文献 35

附录 37

附录一 装配图 37

附录二 应力云图 38

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 选题的背景和意义

近年来，科技快速地发展，新兴制造技术的代表3D打印技术开始逐渐进入人们的视野^[1]，现代工业制造对加工的要求越来越高，3D打印作为一种特别的增材制造加工方式获得了许多青睐。选择加工方式时不仅要考虑时间和材料成本，还需要考虑这种加工方式的可加工性，这无疑限制了设计方案的多样性，使得难以加工的部分很少会出现在设计图纸里。传统的加工方式主要是通过从毛胚去除材料来进行加工，这类加工方式也称为减材制造。常用的方法是车、刨、磨、铣等，这类加工方式会造成原材料的大量浪费，而且加工效率很低，加工形状复杂的零件往往会耗费大量的时间精力，延长了产品的生产周期。想要避免原材料的浪费，可以选择增材制造的生产方式，而3D打印就是增材制造中的一种^[2]。

在现代产品设计过程中，计算机辅助技术起到了越来越重要的作用，通过计算机绘制模型进行可行性分析可以给设计带来巨大的便利。3D打印技术将CAD软件设计好产品的模型进行增材制造有效地避免了原材料的浪费，缩短了产品的生产周期，其独特的加工方式避免了由于产品形状复杂而难以加工的问题，使得设计方案不再被加工方式所拘束，让这项技术在工业生产中有用武之地。3D打印这项革命性技术还可以通过CAD软件实现一些个性化的设计，用户可以按照自己的要求设计3D打印产品，吸引消费。