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毕业论文网 > 文献综述 > 机械机电类 > 机械设计制造及其自动化 > 正文

基于机械臂结构的3D打印机虚拟样机设计及仿真文献综述

 2020-05-02 17:10:14  

1.目的及意义

3D打印技术又称增材制造,它是一种将材料自下而上逐层叠加的工艺。它将计算机内的CAD三维数据模型逐层切片,分别得到各层的轮廓数据,然后通过有选择地烧结粉末材料,或固化液态树脂,或喷涂粘合剂等打印出每层的轮廓,然后逐层叠加,形成最终设计的模型。美国Wohler协会在2013年分析指出,2012年3D打印设备与服务全球直接产值22.04亿美元,增长率28.6%[1]

与传统的车削铸造等制造形式相比,3D打印有以下突出优点: 1、突破了众多传统工艺的设计局限,设计空间无限。2、对于结构复杂的产品,它不会增加制造成本也不会花费更多时间。3、制造出的产品可一次性完成,无需组装,节约大量人力物力。4、时间可控,可按需生产,减少产品库存。5、相比传统制造,设计的产品多样化。6、对于工匠,无需太多操作技能和长期经验[2]。目前,3D打印技术主要有以下几种:立体光刻成型法(SL)[3]、熔融沉积成型法(FDM)[4]、选择性激光烧结成型法(SLS)[5]、立体喷墨打印法(3DP)[6]、激光选区熔化成型法(SLM)[7]等,其中,相比其他技术,FDM技术使用成本低,对环境限制较少,原材料易于更换和搬运,容易操作和维护,用户普及率最高,也是此次我们选择的方法。3D打印得材料有:1、金属材料——不锈钢、高温合金、镁铝合金、钛合金等,打印得产品有良好得力学性能和导电性能,但价格十分昂贵,1kg钛合金粉末大约200~400美金。2、聚合物——ABS、PLA、EP等,他们各项性能良好,价格也不高。3、陶瓷,可以用来制作精美得炊具。4、复合材料,性能优越,可用于航空航天,医疗和国防方面。[8]

3D打印技术的核心是成型装备。目前,美国、德国、日本在该方面技术比较成熟,在设备拥有量上,美国占全球38%,排名第一,中国占9%,继日本和德国排名第四。美国的3D systems公司生产的SLA设备在国际市场占有比例最大,其最新Viper Pro System型号的SLA设备,最大成型尺寸可达1500mm×750mm×550mm,日本的DENKEN工程公司和AUTOSTRADE公司用680nm左右波长的半导体激光器作为光源取代SLA设备使用的紫外光源,大大降低了SLA设备的成本。在SLS技术方面,德国EOS公司和美国3D Systems公司研制的设备成型精度已经可达0.1mm-0.2mm[9]。在3D打印技术方面,耗材是目前制约3D打印发展的主要因素,可适用特定场合的特定可打印材料的寻找是3D打印普遍存在的挑战之一,在这方面,以色列的Objet公司贡献卓越,该公司为Connex多材料系列打印机研制了39种新的“数字材料”,可供选择的基本材料多达107种,这些“数字材料”均由基本材料复合而成,在强度,硬度,韧性,刚度及质地方面,其性能各异,这使得工程师可以较准确模拟打印的产品的材料性能。此外,现在3D打印对于金属材料的寻找尤为迫切,如不锈钢,工具钢,钛合金等,这些技术目前尚未完全突破[10]。我国对于3D打印的研究始于20世纪90年代初期,成功研制了使用氨镉气体激光器的LPS系列和使用Nd:YVO4半导体泵浦紫外固体激光器的SPS系列SLA设备。2001年,又研制出HLPS250型高分辨率SLA设备,成型精度达0.01mm。2005年,华中科技大学研制出可应用于金属、陶瓷、高分子、覆膜砂等功能材料的3D打印设备,其成型台面可达500mm,性能接近国外先进水平。后来,武汉华科三维科技有限公司研制了世界最大工作台面的SLS设备,可达1000mm×1200mm×1400mm,为一些大型装备制件提供了技术支撑[9]。自20世纪中期机器人诞生以来,模块化的机械臂技术已日趋成熟,因为它的灵活性和精确性,使其完美运用于3D打印机上[11]。目前,3D打印机的主要形式有笛卡尔坐标系式,三角结构形式和机械臂式,机械臂式的主要优点在于它结构紧凑,动作灵活,定位精度高,速度快,而且,其工空间甚至可以超过其自身体积大小[12]。当然,3D打印还存在许多常见的故障和需要克服的问题,Bell在Maintaining and Troubleshooting Your3D Printer一书中详细介绍了设计制造一台3D打印机会面临的困难和问题和可供解决的方案[13]

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2. 研究的基本内容与方案

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基本内容

2.1结构的初步设计

2.1.1确定基本参数

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