毕业设计论文基于Solidworks的3D打印机设计.docx

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毕业设计论文基于Solidworks的3D打印机设计

摘要

3D打印是最近两年开始流行的一种快速成形技术。

它以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来构造物体。

我们日常生活中的打印机能打印一些平面纸张材料。

而3D打印机打印出的是立体产品。

本文章对3D打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，综述3D打印技术的基本概念、发展简史、打印过程原理、应用领域、广泛影响以及面临的问题等。

在介绍3D技术的发展历程、3D打印技术的工作原理流程及特点的基础上，分析了3D打印技术的创新点和存在的问题，展望了3D打印技术的未来发展趋势。

根据相应的指标、参数在满足标准化型材的前提下对3D打印机进行整体结构设计，对某些重要的零部件详细分析它的参数和原理作用。

3D打印机在工作过程中因受应力的影响可能会发生变形，所以接下来应用材料力学的知识对X方向运动的光杆进行受力分析校核，以确保三维打印机能打印出精度比较高的产品。

3D打印机工作的时候是三个方向一起运动，而打印机要精准稳定地做X、Y、Z方向的运动，必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三个方向上自由地运动是我对打印机研究的非常重要的部分，而3D打印机要求的是在最小的尺寸空间里实现三个运动方向运动范围的最大化。

设计中主要使用了Solidworks三维制图软件，受力方面结合材料力学力的知识对3D打印机的主要部件进行了受力分析。

关键词：

3D打印技术；结构设计；受力分析；Solidworks

Abstract

3Dprintingisthebeginningofthelasttwoyearsapopularrapidprototypingtechnology.Itisbasedonadigitalmodelfile,bythewayprintedlayerbylayerconstructobjects.Ourdailylivesprintercanprintsomepapermaterialplane.The3Dprintertoprintoutthethree-dimensionalproduct.Thisarticleisfor3Dprintingtechnologysystemanddomesticandforeignindustrydevelopmentstatus,developmenttrendmadeacomprehensivepresentation,reviewthebasicconceptsof3Dprintingtechnology,developmenthistory,theprintingprocessprinciples,applications,andtheproblemsfacedbyabroadimpactandsoon.Onthebasisofthedevelopmentprocessofintroductionof3Dtechnology,3Dprintingtechnologiesworkprocessesandcharacteristics,analyzestheinnovationof3Dprintingtechnologyandproblems,looktothefuturedevelopmenttrendof3Dprintingtechnology.

Accordingtorelevantindicators,parametersinmeetingthestandardizationof3Dprinterprofilespremiseoverallstructuraldesign,someimportantpartsofadetailedanalysisofitsparametersandprinciplesofaction.3Dprinterduetotheimpactofstressmaybedeformedinthecourseoftheirwork,sothenextapplicationofknowledgeofthemechanicalmovementofthelightpoleXdirectionstressanalysischecktomakesurethatthe3Dprintercanprintouthighprecisionproducts.

Whenthe3Dprintertoworktogetherisamotioninthreedirections,andtheprinteryouwanttodoaccurateandstablemovementX,Y,Zdirection,theremustbeastableorbitprecisebearing,canfreelymoveinthreedirectionsmyprinterisaveryimportantpartoftheresearch,and3Dprintersachievetherequiredrangeofmotioninthreedirectionsofmovementinthesmallestsizetomaximizespace.ThemainuseofSolidworksdesignthree-dimensionalmappingsoftware,bycombiningthemechanicalaspectsofknowledgeforcestrengthofthemaincomponentswerestressanalysis3Dprinter.

Keywords：

3Dprinting;design;stressanalysis;Solidworks

第一章绪论

1.13D打印的原理及其历史发展

1.1.13D打印的原理

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。

该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。

它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

这打印技术称为3D立体打印技术。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。

一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。

三角面越小其生成的表面分辨率越高。

PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。

一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex系列还有三维 Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。

而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。

打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。

用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。

而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而3D打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。

一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：

先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。

有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

1.1.23D打印的历史发展

1986年，CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机。

1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。

1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。

2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。

2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（SolidConcepts）设计制造出3D打印金属手枪。

3D打印技术目前是一种高新技术，3D打印技术作为一种高科技技术，目前应用到很多领域，如制造业，航空领域，医疗领域，化学技术，还有材料学科等方面。

3D打印技术的推广使得更多制造业有了相应的变革，打印技术可以使制造效率不断挺高，方便快捷。

而广泛应用的领域有医疗领域，建筑领域，和机械设计制造领域。

有些精密的制造业也可以通过3D打印技术完成。

在医疗领域上，3D打印机可以用人培养的细胞作为打印原材料打印器官，这就给病人提供了对自己不排斥的器官。

前段时间有个小孩因为天生没有鼻子，于是医院就通过3D打印机打印出了一个与他个人相匹配的鼻子，并且成功应用上去。

这些成功的例子无疑在说明3D打印技术已经越来越接近我们的生活，改变我们的生活。

建筑领域，3D打印技术可以快速的打印出一栋很建筑模型，可以省略很多传统的东西，某些工艺水平也是，传统工艺所不能企及的。

[1]

3D打印技术已经有了十多年的发展，目前分辨率可以达到6000pi，厚度精确到0.001毫米，这样的技术几乎可以打印出你肉眼能看得出来的东西，可见这精度已经非常高了。

当然我们可以应用3D打印技术高精确性，打印出更多纯制造业很难完成的任务。

[3]

目前国内很多家公司相继完成了他们的3D打印机的生产和销售，虽然他们的公司大小不能与国外大型公司相媲美，而且所做的产品的整体质量也没有国外的那么好，但在中国的市场还是非常不错的。

国内生产的3D打印机在材料，模型结构，打印精准度方面还不能很好的满足消费者的需求。

而在第三产业领域在国内某些发达城市有很多企业引进了国外先进的3D打印设备，在此基础上不断学习借鉴，并且有了技术上的提高。

总之国内的3D打印技术还不够成熟，还需进一步的发展技术。

[3]

目前在西方国家，3D打印技术已经大范围的应用到了商业。

比如在某些汽车制造业和电子制造厂商。

3D打印技术的优势可以体现在高效率的基础上打印出廉价的部件。

纽约有一家公司手机了很多客户所实际需要的模型，或者产品，收集之后用3D打印技术把收集来的方案打印成他们所需的实物，并且获得了较好的成果。

[5]

目前，在全球3D打印机行业，美国3DSystems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。

此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。

3DSystems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。

于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者ZCorporation公司之后，3DSystems奠定了在3D打印领域的龙头地位。

Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。

继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。

当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。

目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。

如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。

另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。

如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。

1.23D打印的发展前景

从历史发展中，我们可以发现，3D打印机要想成功的占领市场还需要面临很多挑战和困难。

其中打印机的生产价格，打印的材料，打印精准性，结构设计等方面还有很多需要研究的地方，所以3D打印机的问世，既是一种机遇也是一种挑战。

第一，生产成本方面。

3D打印机的生产成本比较高，从刚开始设计一台3D打印机到买材料，组装，测试校核等程序使得打印机的成本大大提高，为了普及3D打印机很多商家生产出比较廉价的打印机，并且邀请那些对此比较有兴趣的人共同开发，降低生产成本。

第二，材料方面。

目前3D打印机的成型材料多为化学聚合物，打印出来的物体也大多是激光烧结后的化学聚合物。

然而作为3D打印机材料的多样性直接决定了生产多样性，可以见其的作用在整个打印机中占的比例很大。

总之要想成功的普及3D打印机在材料上下功夫是不容忽视的。

第三，打印精度方面。

当前3D打印机的整体体积相对来说不是很大，这就限制了打印物体的体积大小。

很多人认为3D打印机想打印什么就打印什么，其实还有很多因素要考虑，比如说打印的体积大小，和精度。

3D打印技术的精度相对于现在的高精度制造业来说，还是有很大差距的。

第四，研究开发方面。

3D打印机的发展越来越进步的同时，外界对其的要求也会越来越高。

不仅仅是满足目前打印几个简单的3D模型，更重要的是应用到实际的生产生活中，比如说医院要打印出病人的某些器官，这些要求的技术室非常高的。

研究人员需要花很大的时间去学习这些领域，也要相互合作才能达到目的。

3D打印机的应用也不仅仅是医疗，生物，制造，工程等都可应用到。

第五，市场。

大家都知道开发一种产品除了其能服务大众，还有一个很重要的目的是产生经济效益。

要想产生大的经济效益就要占领足够的市场份额，目前3D打印机不像二维打印机那么普遍。

或者说3D打印机很少人会用得上，这就需要研发者研发出更多实用的打印机走进千家万户。

[1]

根据国际快速制造行业权威报告《WohlersReport2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。

报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。

[1]

但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：

一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。

二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。

三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。

四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：

3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。

Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。

在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。

总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。

因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。

如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。

未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

第二章设计软件的选择

本次3D打印机的设计主要选择了Solidworks三维制图软件进行绘图制作，下面就简单介绍一下Solidworks这款软件和选择这款制图软件的好处。

2.1Solidworks软件介绍

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。

良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。

该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。

至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。

由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。

终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。

公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。

并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业中高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。

由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。

资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。

在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。

据世界上著名的人才网站检索，与其它3DCAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。

据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。

在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、中山大学、中南大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。

Solidworks软件功能强大，组件繁多。

Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。

SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上可以用SolidWorks来搞设计。

SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。

SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。

使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。

美国著名咨询公司Daratech所评论：

“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者”。

在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

SolidWorks提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。

“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。

崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。

属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。

用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。

SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。

特征模板为标准件和标准特征，提供了良好的环境。

用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。

SolidWorks提供的Au