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1、机械工程学院毕业设计题 目：基于3d打印技术的汽车前保险杠成型工艺开发 专 业： 车辆工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2016年5月28日 目 录绪论21 3D打印机机型设计要求52 3D打印机设计62.1Delta 型打印机工作原理62.2确认3D打印机整体尺寸72.3Rostock运动机构设计82.3.1确定连杆长度最值82.3.2连杆的强度校核92.4传动方案设计92.5挤出机构设计102.5.1挤出机装置选择102.5.2挤出喷头选择112.6电机的选择.122.7传感器的选择.132.7.1温度传感器132.7.2机械位置传感器143 运动学仿真143.1D
2、elta 型3D打印机结构设计的相关技术指标143.2三维模型预处理153.3 数学建模173.4 打印机工作空间的验证184 制作保险杠三维图184.1 制作三维图184.2 转换成stl格式195 打印保险杠成品195.1将文件进行切片处理195.2修改切片参数205.3 生成GCODE文件215.4 打印过程检查235.5 打印完后处理23总结：24参考文献24英文翻译24附图25基于3d打印技术的汽车前保险杠成型工艺开发摘要：20世纪80年代，3d打印技术得到快速的发展，对传统行业产生了冲击性影响。本文即是基于3d打印技术应用于汽车零部件上，对汽车前保险杠的成型工艺进行研究。利用碳纤维
3、的材料特性，对汽车保险杠的结构进行优化设计，为以后的汽车零部件的快速生产及生产验证提供可能性。同时利用catia软件对汽车前保险杠进行了造型设计。关键词：3d打印技术 汽车保险杠 碳纤维 绪论快速成形技术或快速原型技术简称3D打印技术（3D printing），又称三维打印技术，通过计算机辅助软件（CAD、PRO/E等）或者计算机动画软件（3Dmax、犀牛等）建立3维模型，采用分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来实现3D实体成型。3D打印技术最突出的优点是不需要机械加工或模具，就能直接从计算机数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的研制时间，提高生产率和降低生产成本。3D打印技术已经广
4、泛应用于航天、航海、国防、医疗、建筑等各个领域一3D打印技术原理3D打印技术目前可分为四类：熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling,FDM）、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus,SLA）、三维粉末粘接（3DP）、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering,SLS）。四类打印技术的详细介绍如下1.1熔融沉积快速成型在3D打印技术中，FDM机的使用是最常用的，机械结构也是最简单，设计是最容易的，制造成本和材料成本同样也是最低的，FDM技术的优点于成本廉价，制造简单，缺点是打印的材料的局限性较多，同时由于出料结构比
5、较简单，难以精确控制出料形态与成型效果，由于温度对于FDM成型效果影响同样也非常大，在桌面级FDM3D打印机通常都会缺乏恒温设备，因此基于FDM的3D打印机的成品精度通常为0.2mm-0.3mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但由于受温度影响非常大，成品效果还是不够稳定。FDM机示意图如下图0.1 FDM结构示意图1.2光固化成型光固化技术是在3D打印技术中最先发展起来的一种快速成型制造工艺，同样也是目前研究的最透彻、生产制造技术最成熟的、应用也为最广泛的快速成型技术之一。光固化技术，主要使用各种光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层实现光固化，最终得到完整的产品。光固
6、化成型示意图如下图0.2光固化成型示意图1.3粉末粘接技术三维粉末粘接的原料采用的是各种粉末材料，比如塑料粉末、陶瓷粉末、金属粉末等粉末类原料，粉末粘接技术工作原理是，先在底部平台上铺一层粉末，然后通过喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域中，让材料粉末自行粘接，形成零件截面，然后在截面平台上不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，一层一层叠加，获得最终打印出来的零件图0.3 3DP工艺原理1.4选择性激光烧结SLS的原理是利用粉末材料在激光照射下烧结，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，与3DP不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升到熔
7、化点，然后烧结形成粘接物，最后进行层层截面的烧结，直至完成整个模型成型。图0.4 SLS原理示意图二.碳纤维材料成型碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维外柔内刚，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁的，而且兼具耐腐蚀、高模量的特性，在国防和民用方面都是非常重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，非氧化环境下耐超高温，
8、耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等图0.5 奥迪A6全新碳纤维改造在3d打印技术中，材料的选择对成型工艺技术产生了至关重要的作用。市场上流通的常见碳纤维分为两类，一类是纯碳纤维，此类材料打印出来的成品优点是具有高强度性，抗腐蚀性等一些碳纤维材料的专属特性，缺点是成型工艺难度较高，对温度及喷嘴的要求极高。第二类即是20%的碳纤维材料，这种材料打印出来的成品优点是成型工艺的条件没有那么苛刻，缺点是成品的性能上与纯正的碳纤维还是具有一定的差距。 0.6 3d打印新型碳纤维复合材料 0.7 3d打印碳纤维样品1 3D
9、打印机机型设计要求Delta 型 3D 打印机是3d打印分类中的重要的一部，由于其占地少，速度快等特点，被现在的打印公司广泛的应用，采用并联式运动机构的 作用是牵引喷头。为了使表面精度高，我们就要限制各个方向的自由度，为了达到这个要求，为其运动机构有两种设计方案，一种是工业并联机械手臂如图1.1所示,另外一种是rostock运动结构如图1.2所示。与2维打印机相比，3D 打印机增加了 Z 轴的运动，可打印出来立体的实物。而喷头要精准稳定地做 X、Y、Z 方向的运动，它必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三方向是上自由地运动是我对其结构研究的重要部分，而Delta 型3D打印机要求的是在最小的空
10、间里实现三个运动方向运动范围的最大化 图1.1 工业并联机械手臂 图1.2 rostock 运动结构工业用并联机械手臂的结构如图1.1所示，机架的三条边通过完全独立的相同运动 链分别连接到动平台上，每个运动链中有一个由四个胡克铰和杆件组成的平行四边形 闭环，此闭环和主动臂相连，驱动杆和机架间通过转动副连接。三组平行四边形的应用使动平台始终保持水平，消除了动平台之间的转动自由度从而保留了空间的平动自由度。由空间机构学理论可知由空间机构学理论可知对于一般的空间机构，其自由度数目 F 均可利用公式计算获得giF = 6(n - g -1) + fi=1n 运动杆数目g 运动副数fi运动副 i 具有的
11、自由度数 g在该空间机构中转动副有1个自由度，胡克铰有2个自由度，以 n=8,g=9, fi= 15 ,将以i =1上数据代入公式（1-1）得giF = 6(n - g -1) + f = 6(8 - 9 -1) +15 = 3 i=1由此并联机械臂连接副的关系可知，每条支链约束动平台都有两个转动自由度，任意两个 支链就可限制三个转动自由度，所以本结构形式的并联机械手共有三个平动自由度，分别为沿 XYZ 向的平移自由度,因此可以用在3D打印机上。方案二：含 rostock运动机构如图1.2所示，由图可知该机构由三个平行四边形闭环组 成，通过平行四边形闭环把立柱同动平台相连接起来。和工业用并联机
12、械手臂相类似，三个平行四边形闭环消除了该机构的3个转动自由度，该机构也有3个平动自由度， 因此可以用在上3D打印机上。两种方案对比如表1表1 运动结构方案对比 结构控制复杂程度喷头运动平稳性功能实现难以程度商业化程度方案一复杂较难差较难几乎没有方案二简单较易好较易较成熟综合考虑两个方案的各个方面，本设计选择方案二2 3D打印机设计2.1Delta 型打印机工作原理含 rostock 运动机构的 Delta 型 3D 打印机的实物如图2.1所示，3D打印机的整体框 架是一个由直径12mm的不锈钢搭建的三棱柱，三棱柱的三根侧棱为滑轨，依靠不锈钢侧棱的加工精度保证滑轨的垂直度与刚度。图 2.1 De
13、lta 型 3D 打印机的实物图导轨的上方安装有三台步进电机如图2.2所示，步进电机通过同步带轮带动滑块上的同步带运动，从而将电机的旋转运动转变为滑块的直线运动，并带动滑块在导轨上上下滑进如图2.3 所示。滑块依靠连杆与打印机的喷头相连，当滑块在上下运动时，依靠连杆的刚度完成对喷头的牵引作用，实现对打印头位置的控制。打印所需的原料通过一根聚乙烯管从打印机的上方送入，送入条料所需的动力由一个步进电机提供。工作平面位于打印机的底层，打印机整体采用了开放框架，方便打印机平台的调平以及打印机的扩展和维护。辅助系统和检测系统直接安装在打印机的框架之上实现对打印过程的在线监测。 图2.2 步进电机的安装位置 图 2.3 同步带的传动2.2确认3D打印机整体尺寸设计原始成形尺寸：直径 200mm，高度 300mm。整体尺寸计算模型图如图2.4所示，等边JHG 为圆 P 的外切圆，其中GKHJ， |PQ|=|PK|=|PL|=100mm , JQGH ，HLGJ, 可得：HG|=GJ=HJ=2HK=2|PK| tan 60 =346.41mm，所以正三棱柱底边边长的最小值346.41mm。正三棱柱的底边边长取 400mm，高度值取 800mm。图 2.4 整体尺寸计算模型图2.3Rostock运动机构设计2.
