1、 3D 蛋糕打印机设计 摘要 快速成型 (Rapid Prototyping，简称 RP)技术是 20 世纪 80 年代末产生和发展起来的一种新型制造技术，是利用三维 CAD 数据，通过快速成型机，将材料一层层地堆积成实体原型的技术，可以自动、快速、直接、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或制造零件。 三维快速成型打印 (Three Dimensional Printing，简称 3DP)技术作为其中的一种快速成型技术，属于绿色的桌面快速成型设备，具有成本低、体积小、无污染等优点，而其中的粘接材料三维打 印成型技术的原理和工作过程是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将粉末材料粘结起来。由于设备
2、原料采用粉末材料，不需要制作支承，成本远远低于其它的快速成型技术，是其它快速成型技术的一半以上 ;它可以制作出具有石膏、塑料、橡胶、陶瓷等原料属性的产品模型。不仅可以制作概念模型，而且可以制作产品模型，广泛应用于成型工业、建筑设计、医用器械制备、汽车等方面。该技术所用原料国内尚无产品，因而开发研究该类原料具有较好的经济和社会效益。 关键词 三维打印；粉末成型材料 Abstract Rapid prototyping (RP) technology is a new manufacturing technology developed at the late 1980s. It uses the
3、 3D CAD data to bond the material layer by layer by rapid prototyping machine. It could make design ideas as prototype or parts with a certain function automatically, quickly, directly, precisely. As one of the rapid prototyping technology, the three dimensional printing(3DP) technology belongs to t
4、he green desktop rapid prototyping equipment. It has many advantages such as low cost, small size, environmental protection, etc. Bonding material 3DP technology is one of the 3DP technologies and is very useful. The principle is using the sprinklers to supply adhesive and bond the powder molding ma
5、terials selectively layer by layer. Because this technology does not require a supporting material, the cost is far lower than other rapid prototyping technologies. Kinds of materials can be used into this technology such as plaster, plastic, rubber, ceramics, etc. It could be used to make both conc
6、eptual model and product model and widely be used in many areas such as the molding industry, architectural design, medical equipment preparation, automobile, etc. At present, there are no these materials produced in China, so its very necessary to develop these materials. Key words: 3D printing; po
7、wder molding material 目录 摘要 . I Abstract . II 目录 . III 第 1 章 绪论 . 1 1.1 快速成型技术 . 1 1.2 成型技术综述 . 2 1.2.1 快速成型简介 . 2 1.2.2 快速成型材料 . 3 1.2.3 快速成型技术发展现状 . 4 1.3 3 D 快速成型打印技术 . 5 1.3.1 三维快速成型打印技术特点 . 5 1.3.2 三维快速成型打印技术成型原理 . 5 1.3.3 三维快速成型打印技术种类 . 7 1.4 本章小结 . 10 第 2 章 3D 蛋糕打印机的方案设计 . 11 2.1 方案提出 . 11 2.
8、1.1 液压传动 . 11 2.1.2 气压传动 . 12 2.1.3 直线电动机传动 . 13 2.1.4 电动推杆驱动 . 14 2.2 方案比较 . 15 2.3 本章小结 . 17 第 3 章 3D 蛋糕打印机的具体设计 . 18 3.1 电动推杆的设计与选择 . 18 3.2 电动机的选型 . 20 3.3 喷头型号的选择 . 22 3.4 箱体的具体设计方案 . 23 3.5 滚珠丝杠的选型 . 23 3.6 蛋糕打印机的三维建模 . 24 3.7 本章小 结 . 25 第 4 章 3D 打印技术的实际应用 . 26 4. 1 在快速模具制造上的应用 . 26 4. 2 在逆向工程
9、上的应用 . 27 4. 3 在医学上的应用 . 27 第 5 章 结论 . 29 参考文献 . 32 致谢 . 34 附件 1 . 35 附件 2 .错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 1.1 快速成型技术 制造业是社会物质财富的主要来 源，是人类赖以生存和发展的基础，反映出一个国家或地区的科技发展水平、经济实力、生活质量及国防能力等，而随着现代科技的迅速发展以及社会对效率的越来越重视，一种更适应社会发展的新的成型技术一一快速成型技术带来了兼具快速与高效的革命。 快速成型技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFT)、材料去除成型 (MPR)或材料增加成型 (MAP
10、)技术以及它们的集成。简单地说，快速成型技术就是充分结合三维 CAD 数据，通过快速成型机的运作，将材料一层层地堆积成实体原型。该技术借助精密传动、激光、计 算机、数控等一系列现代化手段，将计算机辅助设计 (CAD)和计算机辅助制造 (CAM)集成一体，可以自动、直接、精确、快速地把想要设计的物体从思想模型转化为具有一定功能的实体原型或模具，从而可以对产品进行快速准确的修改、分析和评价，大大缩短了制造周期。该技术不但己经广泛应用于工艺设计、家电制造、船舶、航空航天、汽车、医疗、建筑等领域，而且越来越多的艺术领域工作者也开始青睐这一技术。 在各类快速成型技术中，三维快速成型打印技术被誉为其中最有
11、生命力的技术，具有设备和操作简单、材料类型广泛、材料便宜、成型 过程中无污染、成型精度高、成形速度快等优点，该技术成本低廉，运行及维护费用低，可靠性高，而且不需要专门的支撑材料。三维快速成型打印技术的粉末成型材料类型很广，可以是陶瓷、塑料、石膏、金属或者一些复合材料。其中，石膏粉末具有成型硬化速度快、成形精度高、强度好、价格低廉、无毒环保、适合模型验证等优点，因此本研究选用石膏粉末作为基材，通过对其进行改性并加入一定比例的其他粉末及添加剂。三维快速成型打印技术能够普及性地改变传统的零件设计模式，传统的零件设计软件一般都是二维的三视图，以至于即使这些设计软件能给设计者带来 很好的立体效果，但是仍
12、然没有真正意义上的三维模型实体，而此种技术将使三维实体设计成为可能。通过计算机软件的简单设计，再利用三维立体打印机成型，在很短时间内便可实现从计算机设计模型到三维实物的转变，减少了不必要的浪费，可以加快产品的开发速度，使开发过程更为直观精确，在设计阶段的分析过程尤为重要，迅速占领市场。遗憾的是，虽然此技术在国外风行并占有了很大的市场，但是在国内目前还没有相应的设备和原料研究和生产，打印设备和原料均需进口，价格非常昂贵，因此，此产品有很大发展潜力和市场价值。 1.2 成型技术综述 1.2.1 快速成型简介 快速成型技术通过离散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积材料叠加起来形成三维实体，与计算机
13、系统结合，以提高快速成型效率和精度，与传统的去除成型形成鲜明的对照，其工艺工程主要包括三维模型构造、近似处理、切片处理、截面加工、截面叠加、后处理等。 该技术原理是先在计算机上用 CAD 等软件设计所需要的模型，然后对一些不规则自由曲面进行近似处理，并对少量错误进行局部修改，加工前，必须从三维模型上沿成型高度方向每隔一定的间距进行切片处理，以便提取截面的轮廓，间隔越小，精度越高，根据切片处理的截面轮廓，在计 算机控制下使成型头按截面轮廓进行扫描，得到一层层截面，每层截面叠加起来最终形成三维产品，然后取出成型件，进行打磨、涂挂或放进高温炉中烧结等后处理，提高成型强度。 根据成型方法，快速成型技术
14、可分为两类 :基于激光及其他光源的成型技术(Laser Technology )，如 :光固化成型 (SLA)、选择激光粉末烧结 (SLS)、分层实体制造 (LOM)、形状沉积成型 (CSDM)等 ;基于喷射的成型技术熔融沉积成型(FDM )、三维印刷 (3DP)、多相喷射沉积 (Jetting Technology)，如 (MJD)等。 1、 SLA (Stereolithogrphy Apparatus)工艺。是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，其工作原理是液槽中盛满的液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，在液态表面上扫描，由计算机控制扫描的轨迹及光线的强弱有无，光点照到的地方，液体就固化
15、。 SLA 方法是目前快速成型技术领域最成熟的方法，研究应用最广泛，其成型精度较高，原材料利用率高。但是存在需要支撑、树脂收缩导致精度下降、有一定毒性等缺陷。 2、 SLS C Selective Laser Sintering)工艺。利用粉状 材料成型，将材料粉末铺洒在己成型零件的上表面并刮平，用高强度的 CO 激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，继续有选择地烧结下层截面。重复过程，烧结完成后进行后处理得到零件。 3、 LOM C Laminated Object M
16、anufacturing)工艺。采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用 CO 激光 器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。完成之后，工作台带动己成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面切割粘结完。最后，去除多余部分，得到实体零件。 4、 FDM C Fused Depositio
17、n Modeling)工艺。其成型材料一般是热塑性材料，丝状供料，材料在喷头 内被加热溶化，喷头沿零件形状和轮廓轨迹运动，同时将融化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。 5、 3DP (Three Dimension Printing)工艺。采用三维立体成型，如陶瓷粉末、金属粉末、石膏粉末等粉末材料及一些热熔或者光固化树脂等。通过喷头用粘结剂将零件的截面打印在材料粉末上面，或者将成型树脂一层一层喷出，分别固化粘结成型，其成型过程是将各个二维截面重叠粘结成为一个三维实体。具有速度快，适合制造复杂形状的零件，可用于制造复合材料或非均匀材料的零件，可制造小批量零件，也可制造复杂形状 零件，
18、无污染。 3DP 是目前快速成形技术研究的热点之一，应用前景十分看好。 1.2.2 快速成型材料 不同的快速成型方法需要有不同要求的成型材料，其种类繁多，有各种分类方式，可按物理状态、化学性能、材料成型方法等角度分类，常用的快速成型材料如表 1-1 所示 : 不同的快速成型技术对成型材料有不同的要求，但是均要有利于快速精确的成型，成型材料决定了快速成型技术的成败，因此需要花大量心思进行研究开发，以求各方面达到性能所需。 表 1-1 常用快速成型材料的分类 形态 液态 固态粉末 固态片材 固态丝材 非金属 金属 名称 光固化树脂 蜡粉 塑料粉 覆膜陶瓷粉 覆膜砂 金属粉 覆膜金属粉 纸 塑料 +
19、粘结剂 陶瓷箔 +粘结剂 金属箔 +粘结剂等 蜡丝 ABS 丝 等 成型方法 SLA SLS 3DP LOM FDM 1.2.3 快速成型技术发展现状 美国、欧洲和日本等发达国家和地区较早开始了快速成型技术的研究工作。20 世纪 80 年代，美国和日本的企业分别提出了用选择性逐层固化光敏聚合物制造三维物体的快速成型概念，随后美国组建了 3D System 公司，推出了第一套SLA 设备。日本、新加坡、挪威等国外其他机构也纷纷投入该技术研究，目前己开发出各种类型成熟的快速成型技术。我国也于 20 世纪 90 年代开始了快速成型技术的研究，取得了部分成果，北京隆源自动成型系统有限公司、清华大学、上
20、海交通大学、西安交通大学、华北工学院等在成型理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究、开发工作。如北京隆源公司开发的 AFS-300激光快速成型机、清华大学研制的多功能快速造型系统 MRPMS、上海交通大学开发的具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统等，均己 商业化。但是，虽然研究成果比较丰硕，仍基本处于跟踪国外先进技术和工艺的初级阶段。 1.3 3D 快速成型打印技术 1.3.1 三维快速成型打印技术特点 三维快速成型打印技术具有很多优点，主要如下所述 : 1、成本低，体积小。由于 3DP 技术不需要复杂的激光系统，使得整体造价大大降低，喷射结构高度集成化，整个设备
21、系统简单，结构紧凑，可以将以往只能在工厂进行的成型过程搬到普通的办公室中。 2、材料类型选择广泛。 3DP 技术成型材料可以是热塑性材料、光敏材料、也可以是一些具备特殊性能的无机粉末，如陶瓷、金属、淀粉、石膏及其 他各种复合材料，还可以是成型复杂的梯度材料。 3、打印过程无污染。打印过程中不会产生大量的热量，也不会产生 VOC，无毒无污染，是环境友好型技术。 4、成型速度快。打印头一般具有多个喷嘴，成型速度比采用单个激光头逐点扫描要快得多。单个打印喷头的的移动速度十分迅速，且成型之后的干燥硬化速度很快。 5、运行维护费用低、可靠性高。打印喷头和设备维护简单，只需要简单地定期清理，每次使用的成型
22、材料少，剩余材料可以继续重复使用，可靠性高，运行费用和维护费用低。 6、高度柔性。这种成型方式不受所打印模具的形状和结构的任何约 束，理论上可打印任何形状的模型，可用于复杂模型的直接制造。 但是，三维快速成型打印技术也存在制件强度和制件精度不够高等不足之处。由于该技术采用分层打印黏结成形，制件强度较其他快速成型方式稍低。因此，一般需要加入一些后处理程序 (如干燥、涂胶等 )以增强最终强度，延长所成型模具的使用寿命。虽然该技术己具备一定的成型精度，但是比起其他的快速成型技术，精度还有待提高，特别是液滴茹结粉末的三维快速成形打印技术，其表面精度受粉末成型材料特性和成型设备的约束比较明显。 1.3.
23、2 三维快速成型打印技术成型原理 由于 3DP 技术 有多种种类，而每种技术使用的成型设备不尽相同，而本项目研究主要针对粘接材料三维快速成型打印技术进行，故重点对该类技术的成型原理进行描述和分析。 粉末成型三维快速成型打印技术的原理及工艺过程是使用喷头喷出粘结剂，按计算机设计选择性地将粉末材料逐层粘结起来。可以使用的成型材料有石膏粉、淀粉、陶瓷粉、金属粉、热塑材料等。图 1-1 为 3DP 技术成型的工艺图，通过撒布第一层粉末，喷洒粘结剂，下降平台，继续打印，周而复始。图 1-2 所示为 3DP 的成型原理示意图。先由铺粉馄从左往右移动，将供粉缸里的粉末均匀地在成型缸上铺上一 层，然后按照设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件最下一层截面的形状，然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉馄从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的。这种技术的好处是不但可以制作出内部空心的零件，而且还能制作出各种形状复杂、要求精细的零件模型，将原本只能在成型车间才能进行的工艺搬到了普通办公室，增加了设计应用面。 图 1-1 3DP 技术工艺图
