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1、山东理工大学本科生创新研究项目学生自主立项申请书申报学生姓 名宋发成学号1111052001学院专业年级机械工程学院机创1101指导教师牛国栋创新研究主要内容题目 一种基于FDM技术的增材制造机的设计与制作设计方案摘要：（详细设计方案请另附页）一、制作背景目的 增材制造机，其营销术语众所周知，即3D打印机，快速成型技术的一种，以其操作相对简单，可制作普通工艺无法制造的复杂结构而立足。其制造核心思想起源于19世纪末期的美国，并于上世纪80年代，最早一批3D打印机出现，80年代后期90年代，3D打印机被广泛用于工业，医疗，航空航天，飞机制造业。经过二三十年的发展，3D打印机进入快速发展期，其应用范
2、围也在逐渐扩大，Stratasys等大公司开始将其推向商业化，其中桌面级的各种机型渐渐走入家庭。也出现了些开源的桌面级3D打印机供爱好者开发，Reprap就是这类开源机器，此项目的目的便是基于reprap框架制作一台简单的开源的可以正常使用的3D打印机。二、制作使用基本原理及试验材料 原理梗概：计算机程序将设计好的3d模型进行数据分层，打印机控制部分将每层数据转化成运动，并配合打印头的材料熔化，粘合，逐层以极小间隔运动，直至成品成型。 成型原理：3D打印机的成型原理基本是这几种:激光粉末烧结法（SLS），熔积成型法（FDM）， 光固化成型法（SLA），三维印刷法（3DP）， 分层实体制造法（L
3、OM）。其中，SLS，SLA和LOM基本原理分别是激光烧结，激光照射凝固，和激光切割热粘压，这些工艺所需成本较高。而3DP工艺的实现需要用到铺粉辊，考虑到最终结构工艺的复杂性，难度，以及成本，最终选定FDM技术。该技术以丝状供料，采用材料熔化，固化，粘结的原理逐层成型，成本低，易于维护。 运动原理：为实现整个制造过程空间所需的自由度，欲采用三轴运动，打印头做Z轴，X轴的运动，而放置物品的加热板则做Y轴运动，这样，三个轴运动通过计算机程序进行有序组合配合运动。 所需试验打印材料的选择：熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PETG、PLA。以下是各自材料的优缺点及温度参
4、数。因对精度要求不高，主要考虑可操作性及经济性，选择ABS材料。三、机器基本组成及如何实现以下是Reprap i2 型的基本模型：此机型的组成大致分为三部分，即结构部分（整体框架），加热部分，以及控制部分结构部分包括原始框架，XYZ轴导轨框架，铝合金地板。加热部分包括加热板（加热床），挤出机（加热头）。控制部分包括，步进电机，步进电机驱动模块，控制板，电路板，同步轮同步带。组成各部分后然后布线链接。下面简要说明下各部分的实现。I.结构部分的选材与安装简明步骤A组装两侧的三角结构所需材料：M8-380mm螺杆*6，M8螺母、垫片若干，塑料件frame-vertex*2、bar-clamp*2。B
5、组装横向的连接杆和框架所需材料：M8-300mm螺杆*4，M8-450mm螺杆，M8螺母、垫片若干，608ZZ轴承*2M8大垫片*4（用来挡住同步带），塑料件z-motor-mount*2、ybrac-t*1、 bar-clamp*8。CY轴滑杆导轨安装所需材料：M8-405mm滑杆导轨*2。D铝合金底板安装所需材料：M3-20mm螺钉*8，220mm*220mm铝合金底板*1，塑料件y-bushing*4。EX轴滑杆导轨安装所需材料：M8-420mm滑杆导轨*2，L8UU直线导轨*3，塑料件x-end-idler*1、 x-end-motor*1。FZ轴滑杆导轨安装所需材料：M8-50mm螺
6、杆*1，塑料件belt-clamp*2。II加热部分的选材与安装A挤出机挤出机主要由两部分组成cold-end、hot-end。cold-end选择Gregs Hinged Extruder，hot-end选择j-head V1版本（这些都很容易买到）。首先将其跟一个用于控制的步进电机链接起来，如图。所需材料：进料绞丝螺钉*1，608ZZ轴承*2，M8螺母、垫片若干，j-head V1 挤出机*1，塑料件wade*1、wade-big*1、wade-small*1。B加热板打印机的热床主要由3部分组成，铝合金底板+PCB加热板+硼硅玻璃板。打印的过程中加热床加热，主要是配合ABS材料使用，打印
7、物体可以更好的黏在底板上面。所需材料：220mm*220mm铝合金底板，PCB加热板，硼硅玻璃板，M3-20mm螺钉、螺母和垫片若干，支持弹簧*4。加热头与热床:III控制部分A X轴电机、惰轮、X轴马车（马车即底座）安装所需材料：M8-300mm螺杆*2，M8螺母*4，5mm-8mm弹性联轴器*2，42步进电*1S2M同步轮&S2M同步带*1，M8螺母、垫片、大垫片*2。B Y轴步进电机安装所需材料：42步进电机*1，S2M同步轮&S2M同步带*1，塑料件belt-clamp*2。C 控制板Reprap i2型特定的avr atmega 2560，以ardurino为开源平台，以marvin
8、 v1为固件。为简化电路，已开发专用整合电路板即Ramps1.4，将测温电路，限位开关电路，旋转编码开关电路，显示屏电路等电路整合到一起。IV布线将步进电机，热敏电阻，加热设备链接。步进电机和热敏电阻选择1007 26AWG导线，其他电源线尽量选粗的线。下面是布线原理图四调试及预期结果I预期结果 可用ABS塑料打印20mm box（20mm*20mm*10mm立方体），可能会粗糙，基本成型就可以。II调试过程所需软件：选择marvin 固件，PC机需要安装4个软件，arduino-0022（固件烧写）、Slic3r（stl模型切片软件）、pronterface（打印控制软件）、netfabbI
9、nstaller（stl模型查看工具）。过程A.烧写marvin固件用ardurino-0022编译固件并下载到atmega2560中，程序截图如下B上电调试1.看温度指示，正常后预热加热设备。 2.调试X Y Z各轴运动是否运动正常。3.调节E轴（也就是挤出机）。4.若挤出机正常，开始简单的打印测试。五应用价值1.可用于作为个人，家用桌面级3D打印机制作简单实物。2.可用于大学生实训项目，供其学习。3.最重要一点，可用于学校开源设计，为后续爱好者开动脑筋创新，提高其打印水平，对中国3D打印业相当重要的。六缺陷及可能将来会发展的创新点1.解决其不能断点续传的问题。2.优化程序设计，增加wifi
10、功能。3.优化结构，并联结构或其他结构的改造。4.优化喷头路径问题。 5.提高打印速度，通过改变XYZ轴各自动关系达到提速目的。七制作打印机所需的材料综合I五金件：M8螺杆20mm * 1根（用于卡住挤出机轴承） 滑杆导轨（M8）50mm * 1根（用于X轴同步带滚动轴） 350mm * 2根300mm * 6根 405mm * 2根380mm * 6根 420mm * 2根450mm * 3根螺母&垫片&螺钉 轴承M8螺母 * 100个 L8UU直线轴承 * 11个M8垫片 * 100个 608ZZ滚动轴承 * 6个M3螺母 * 100个M3垫片 * 100个 同步轮&同步带M3-10mm螺
11、钉 * 40个 S2M同步轮 * 2个（20齿）M3-20mm螺钉 * 40个 S2M同步带 * 2米M3-40mm螺钉 * 6个其它 塑料件压力弹簧*8个 Prusa Mendel（i2）塑料件5mm-8mm弹性联轴器*2个M8绞丝螺钉（用于挤出机进料） *1个II电子类：控制板 开关电源（12V 360W） * 1个arduino atmega2560 * 1片 100K热敏电阻 * 2个（热床和挤出机测温）Ramps1.4 * 1片 轻触开关 * 3个（x、y、z轴行程控制）步进电机驱动模块A4988 * 4片 导线一套五金件：步进电机大扭矩42步进电机*5个加热设备j-head加热头
12、* 1个加热床 * 1个（220mm*220mm铝合金底板 + PCB加热板 + 200mm*200mm硼硅玻璃板）M8螺杆20mm * 1根（用于卡住挤出机轴承）50mm * 1根（用于X轴同步带滚动轴）300mm * 6根（官方版为294mm）380mm * 6根（官方版为370mm）450mm * 3根（官方版为440mm）滑杆导轨（M8）350mm * 2根（官方版）405mm * 2根（官方版）420mm * 2根（官方版）螺母&垫片&螺钉M8螺母 * 100个M8垫片 * 100个M3螺母 * 100个M3垫片 * 100个M3-10mm螺钉 * 40个M3-20mm螺钉 * 40
13、个M3-40mm螺钉 * 6个轴承L8UU直线轴承 * 11个608ZZ滚动轴承 * 6个同步轮&同步带S2M同步轮 * 2个（20齿）S2M同步带 * 2米其它压力弹簧 * 8个5mm-8mm弹性联轴器 * 2个M8绞丝螺钉（用于挤出机进料） * 1个塑料件：Prusa Mendel（i2）塑料件 * 1套电子类：控制板arduino atmega2560 * 1片Ramps1.4 * 1片步进电机驱动模块A4988 * 4片步进电机大扭矩42步进电机*5个加热设备j-head加热头 * 1个加热床 * 1个（220mm*220mm铝合金底板 + PCB加热板 + 200mm*200mm硼硅玻璃板）开关电源开关电源（12V 360W） * 1个其它100K热敏电阻 * 2个（热床和挤出机测温）轻触开关 * 3个（x、y、z轴行程控制）导线一套所在实验室名称所在实验室名称参与人员 宋发成，葛汶龙实验要求主要设备、仪器耗材预计经费3d打印机，加工设备。五金件,电子类件（见上）2000指导教师意见项目指导教师签字： 年 月 日实验室意见负责人签字： 年 月 日学院专家组意见项目是否可行：补贴经费额度： 专家组组长签字（学院盖章）： 年 月 日教务处对立项及经费核算意见
