摘 要

随着当今市场竞争越来越强烈，制造业逐步趋向于全球化和市场化，各国先后提出智能制造重大战略举措，我国提出“中国制造2025”战略。3D打印作为智能制造中的一种重要技术，并且由于其成本低，生产快捷方便，3D打印越来越受到了人们的重视。

基于当前3D打印机打印材料价格高，废旧塑料瓶回收利用不理想的现状，本课题结合机械设计的相关知识，将两者进行结合，在对废旧PET塑料瓶利用添加成核剂进行改性之后，将其作为打印机的打印丝材；并基于丝材的扁平原因，对打印喷头进行了重新设计，设计了新的挤料螺杆以及成核剂添加装置；为了保证驱动螺杆电机的工作，设计了隔热系统，隔绝加热端温度的传递。

本文利用SolidWorks构建打印喷头的三维虚拟样机。同时，为了验证喷头加热端的设计以及隔热系统的设计的合理及可靠性，本文通过使用ANSYS Workbench对喷头加热端以及整体进行了热力学分析，其结果满足预期设计要求。

关键词：3D打印机;新型环保;PET;热力学;废旧塑料瓶

Abstract

With today's increasingly competitive market, manufacturing is increasingly globalized and market-oriented, major strategic measures of intelligent manufacturing have been put forward by various countries and our coutry proposes the "made in China 2025" strategy.As an important technology in intelligent manufacturing, 3D printing has attracted more and more attention due to its low cost, fast and convenient production.

Based on the current situation of high price of 3D printer printing materials and unsatisfactory recycling of waste plastic bottles,combined with the knowledge of mechanical design, this topic combines the two. After modifying the waste PET plastic bottles by adding nucleating agent, it is used as the printing wire of the printer.Based on the flattening of the wire, the printhead is redesigned, and a new extrusion screw and nucleating agent addition device are designed. In order to ensure the work of the drive screw motor, the heat insulation system is designed to isolate the transfer of temperature at the heating end.

This paper uses SolidWorks to build 3d virtual prototype of printing nozzle. At the same time, in order to verify the rationality and reliability of the design of nozzle heating end and the design of thermal insulation system, this paper conducted a thermodynamic analysis of nozzle heating end and the whole system by using ANSYS Workbench, and the results met the expected design requirements.

Keywords: 3d printer, New type of environmental protection,PET, thermodynamics, Used plastic bottles

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究的目的和意义 1

1.1.1 课题研究背景 1

1.1.2 课题研究目的及意义 2

1.2 国内外研究进展 3

1.2.1 增材制造技术研究现状 3

1.2.2 3D打印的主要制造技术 4

1.2.3 3D打印技术的应用 7

1.2.4 基于FDM的快速成型技术研究现状 8

1.2.5 3D打印材料研究现状 9

1.3 本文研究内容 11

第2章 成型材料研究设计 13

2.1 基于FDM常见打印材料性能分析 13

2.2 PET材料改性研究 14

2.2.1 PET结构及其性能特点 14

2.2.2 PET改性主要方法 15

2.2.3 成核剂对PET改性的影响 16

2.2.4 成核剂添加配比研究 17

第3章 新型3D打印机的机械结构设计 20

3.1 新型3D打印机机械系统构成 20

3.2 新型3D打印机机身设计 21

3.2.1 3D打印机机型结构的确定 21

3.2.2 运动系统三轴运动方式分析 24

3.3 新型3D打印机打印喷头设计 25

3.3.1 成核剂输送机构 26

3.3.2 螺杆挤出机构 27

3.3.3 加热及隔热机构 28

第4章 新型3D打印机喷头热力学及实验分析验证 33

4.1 打印喷头热力学分析 33

4.1.1 理论基础 33

4.1.2 喷头加热端的热分析 36

4.1.3 喷头系统的热分析 37

4.2 实验及分析验证 41

4.2.1 打印机工作性能测试 41

4.2.2 实物打印 42

第5章 经济性和环保性分析 44

5.1 经济性分析 44

5.1.1 与现有打印耗材比较 44

5.1.2 与现有废旧塑料瓶处理工艺比较 44

5.2 环保性分析 44

第6章 总结与展望 45

6.1 总结 45

6.2 展望 46

参考文献 47

致 谢 49

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题研究背景

当今的市场出现的竞争越来越激烈，制造业趋于全球化和市场化。在2009年，美国发布了同时添加了智能制造技术发展的相关技术图；随后，“先进制造伙伴关系计划”于2011年在美国出台；对于欧洲的一些技术人员来说，他们也将智能制造技术当做当前科技中的一种重要的技术；而对于我国来说，我国积极推动着3D打印技术进行一定的相关的产业化，同时，我国也在进行关于3D打印这项技术的中长期的发展，一些对于我国的科技有着巨大帮助的战略计划已经被提出来，在这其中就包括“中国制造2025”^[1]。同时，随着制造产业内竞争力的加大，产品的基本功能已然不能满足人们的需求，人们对产品的个性化、特殊化有了越来越高的要求，这使得加快产品生产，在短时间见内快速推出大众所需要的产品成为了占据市场、赢得产品竞争的关键步骤所在。

3D打印技术其基本工作原理类似材料的叠加，在我们把模型一层层地切成片，再进行分层处理之后，我们将三维模型转化成为了一维以及二维的模型，最后便可以由打印机进行产品制造，从而完成零件的制造。3D打印技术相对于其他制造技术有着以下特点优势^[2]：

（1）快速研发制造