3d蛋糕打印机设计

3d蛋糕打印机设计内容摘要：

2)光固化三维快速成型打印技术 此类技术原理同样基于微滴喷射技术，但由液态光敏树脂代替粉末材料作为成型材料，原理是将光敏树脂按照计算机所设计的轮廓逐层喷出，并通过紫外光迅速固化成型。 喷头沿平面运动的过程中，将喷射树脂材料和支撑材料同时喷出，形成所需要的截面，并通过紫外光固化。 按此过程不断重复，层层叠加。 该技术将喷射成形和光固化成形的优点结 合在一起，大大提高了模具成型精度，并降低了成本。 但此类技术由于需要去除支撑材料，最后还需要通过后处理过程去除多余的支撑材料。 此技术以 OBJETGeometries 公司及 3D Systems 公司等生产的各系列三维打印机为代表。 (3) 熔融材料三维快速成型打印技术 此类技术与光固化三维快速成型打印技术过程比较类似，所使用成型材料为熔融材料，通过加热材料熔融，使其按照所设计的轮廓从喷头喷出，并逐层堆积，同时喷出相应的支撑材料成型。 与光固化三维打印技术相比，只是少了紫外光固化过程，过程更简洁。 此技术以 Solidscape 公司的 T 系列三维成型机为代表， 3D systems 公司也相继推出了熔融蜡的 3DP 成型机和喷射热塑性塑料的 3DP 快速成型机。 3D 打印机是一种用于模具制造和快速成型的强大设备，刚开始，这种设备主要应用在地理勘察、侦测等专业领域，应用范围非常有限。 然而，随着计算机CAD, CAM 技术的飞速发展， 3D打印机应用领域越来越广泛，目前，在电影动漫、快速成型、工业制造、建筑设计、气象、教育、医疗等领域都能用彩色的3D 打印机制作需要的模型、沙盘、零件等。 更为重要的是， 3D 打印机不仅简单 地改变了快速成型工厂的的生产 方式，有效地给制造业带来了一场革命，未来，3D 打印机还将进入到我们每个人的办公室或者家庭等私人空间中，给我们的生活带来革命性的变化。 它将简单的二维打印变成了立体打印，给社会带来了极大地变革，也使得原本只能在工厂进行的模型打印可以搬入办公室。 根据三维快速成型技术种类的不同，所使用的成型设备略有不同，针对本研究，对粉末成型三维快速成型技术设备进行描述。 3DP 打印机外型上与普通的打印机区别不大，设备左面是供粉缸，粉末材料被放置在里面并通过铺粉馄均匀逐层分布到右边成型缸部分，是快速成型过程的起始位置，右面的成 型缸就是部件制作的地方。 在工作平台的里面是一个平整的金属盘，上面一层层微细的粉末由铺粉馄从供粉缸中移动过来并铺开，粉末平铺后，在制作过程中由打印头按轮廓逐层喷出液体粘结剂进行粘结。 三维打印机在普通打印机基础上多了垂直方向的运动，使得平面打印变成了立体打印，在电脑控制下中进行通过铺粉馄、打印头等组件的不断运行完成打印任务，主要打印过程在成型缸供粉缸只做提供每层的粉末所用，如图 1图 14 所示。 图 13 三维打印成型机实体 图 14 三维打印成型机的机械系统 本章小结 本章主要对 3D 快速 技术的现状和应用前景作了简单的介绍，并对 3D 蛋糕打印机的结构作了说明，引出了本论文的研究的主体内容 —— 3D 蛋糕打印机机构的设计与数字化建模。 通过方案的提出和比较，选择了最优方案，对其详细设计并建模。 第 2 章 3D 蛋糕打印机的方案设计 3D 蛋糕打印机机主要由 z 向进给系统、托盘、滚筒、喷胶系统、机架和机座等部件构成。 3D 蛋糕打印机主要起以下作用： Z 向的轴向进给运动； X 轴方向的运动； 3 蛋糕成品成型。 通过对国内外在 3D 蛋糕打印机 Z 向给给运动做的研究进行分析和总结，考虑到要实 现 Z 向的直线进给运动，通过筛选做出如下方案进行分析、研究和优化，以便确定最终方案。 方案提出 液压传动 液压传动的优点： （ 1）体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的 10%～ 20%。 因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （ 2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无级调速，且调速范围最大可达 1： 2020(一般为 1： 100）。 （ 3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （ 4）液压泵和液压马达之间 用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （ 5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用 寿命 长； （ 6）操纵控制简便，自动化程度高； （ 7）容易实现过载保护。 （ 8) 液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。 图 21 液压方案示意图 液压传动的基本原理： 液压系统 利用 液压泵 将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种 控制阀 和管路的传递，借助于液压执行元件 (液压缸 或 马达 )把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。 其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和 机械传动 中的皮带、链条和齿轮等传动 元件相类似。 气压传动 气压传动具有以下独特的优点： （ 1）以空气作为工作介质，取之不尽，处理方便，用过以后直接排入大气，会污染环境，且可少设置或不必设置回气管道。 （ 2）空气的黏度很小，只有液压油的万分之一，流动阻力小，所以便于集中供气，中、远距离输送。 （ 3）气动控制动作迅速，反应快；维护简单，工作介质清洁，不存在介质变质和更换等问题。 （ 4）工作环境适应性好。 无论是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中，气压传动系统工作安全可靠。 （ 5）气动元件结构简单，便于加工制造， 使用寿命长，可靠性高。 图 22 气压方案示意图 气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。 传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。 直线电动机传动 直线电动机装置具有如下优点： 直线电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。 快速响应。 用直线电动机驱动时，由于不存在中间传动 机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行。 仪表用的直线电动机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命。 直线电动机由于散热面积大，容易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电动机的容量定额。 装配灵活性大，往往可将电动机和其它机构合成一体。 图 23 直线电机驱动示意图 电动推杆驱动 电动推杆驱动的优点： 1 设计新颖精致、体积小 ； 2 精度高 ； 3 能实现 完全同步 ； 4 具有非常好的 自锁性能 ； 5 干净、 卫生， 非常适合食品加工； 6 电机 直接驱动，不需要管道的气源、油路，现已大量用于生产线 ； 7 操作简单，维修方便。 图 24 电动推杆驱动示意图 电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。 把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作。 如通过各种杠杆、摇杆或连杆等机构可完成转动、摇动等复杂动作。 通过改变杠杆力臂长度，可以增大或加大行程。 行程控制装置 经电机齿轮上的涡杆带动涡轮转动，使涡轮内的小丝杆作轴向移动，由连接板带动限位杆相应作轴向移动，至所需行程时，通过调节限位块压下行程开关断电，电动机停止运转（正反控制相同）。 方案比较 上一节中对托盘的直线进给系统给出了四种传动方案，本节中将对上述四种方案做进一步的分析和研究，以便进行方案的比较，以求确定出最终方案，便于在下一节中进行方案的优化，得出最优方案。 方案一采用液动系统作为动力源实现压印头的直线进给运动，液动系统由控制、动力和执行机构三大部分组成。 本方案采用压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀实现控制，液动系统由电动机提供动力，液压缸作为执行机构，实现直线往复移动。 液动系统具有发力大、便于控制的优点，是适合压印的，但结构比气动机构还小，故不便于采用；同时考虑到液 动装置具有以下缺点： （ 1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁； （ 2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高； （ 3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平； （ 4）液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。 因此液压传动不宜在很高 图 25 液压缸 或很低的温度下工作，一般工作温度在 15℃~60℃ 范围内较合适。 （ 5）液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低。 （ 6）由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩 性使这种传动无法保证严格的传动比。 由于 3D 蛋糕打印对工作环境有一定的要求，因此我们必须严格控制机器设计中出现污染源，液动传动系统运动速度不是很稳定，且容易出现漏油的现象，因此该方案也不适合本次 3D 蛋糕打印机的设计要求，综合考虑以上各方面的因素，最终淘汰了本方案。 方案二采用气动系统作为动力源 实现托盘的直线进给运动，单就运动形式可以满足运动要求，且气动装置安全、可靠、成本低，使用维修方便，是一个不错的设计方案。 但考虑到气压传动的一下缺点：（ 1）空气可压缩性大 ,载荷变化时 ,传递运动不够平稳、均匀； (2)工作 压力不能过高 ,传动效率低 ,不易获得很大的力或力矩。 (3)有较大的排气噪声。 综合考虑以上各方面的因素，在本次设计中淘汰了气动系统方案。 方案三采用直线电动机系统，直线电动机与托盘连接，直接实现 Z 向的进给运动，省掉了中间的传动机构，提高了机构的工作效率，能够完全满足精度要求，同时直线电动机具有良好的加减速特性，减少了上升过程中不必要的冲击，保护了蛋糕结构的稳定。 从这几方面可以看出直线电动机是一个很不错的选择。 但蛋糕打印机对传动系统的要求不是非常高，由普通的进给系统就能满足设计的 要求，同时直线电动机昂贵 ，在精度要求不是非常高时，尽可能的不去选择该系统。 方案四采用电动推杆系统， 电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。 可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用，以实现远距离控制、集中控制或自动控制。 综合考虑经济性，稳定性，精度要求我们最终选择该方案作为最终的方案。 本章小结 本章详细论述了在设计过程中拟定的四种设计方案，以及它们的优缺点及使用范围。 通过对各种方案的比较，综合考虑经济性，可行性等因素，最终决定采用电动推杆驱动的传动方案。 第 3 章 3D 蛋糕打印机的具体设计 电动推杆的设计与选择 DTZ 系列电动推杆，主要用于风挡、漏斗开闭、亦可在送料、提升、间隙送进料、夹紧、翻转等各种场合使用，其结构是电机、（减速机）、推杆采用平行形式边接，其功能属于占空间小实用型 电动推杆。 电动机 小齿轮 大齿轮 滑座 安全开关 拨杆 螺杆 螺母 弹簧 导套 1导轨 1推杆 1轴头 图 31 电动推杆结构图 图 32 电动推杆安装尺寸 根据设计任务书的要求我们选择 DIA100 的电筒推杆，详细参数： 最小推力（ ） : 100 速度范围（ mm/s）： 42 标准行程（ mm） : 500 功率（ kw）： (mm): 690 880 A:207 A1:120 A2:135 A3:78 B。 109 B1： 71 C:20 D。 34 D1:57 D2:112 D3:34 D4:10 D5:25 E:30 E1： 16 E2:42 DIZ100 型电动推杆支撑架安装尺寸 L： 130 L1： H： 210 h1： 248 b： 75 b1： 130 4Ф ： 9 图 34 电动推杆样杆 电动机的选型 直线 结构简单 ， 管型直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。 我们决定采用直线电机作为滚筒的动力源。 选型过程如下： 有设计任务书可以得到以下参考数据： 质量 1000g 工作行程 1200mm 滚筒工作面积 1200mm 500mm 进给速度 600mm/min 计算负载 NmgF  （ 31） 计算电动机的输出功率 将进给速度换算为国际单位： smsm / 。