d打印机项目报告书.pdf

'RepRap项目报告书成员：肖振10011098俞林军10011100周子桐10011104张玉山10011102指导老师：郑镁付雷杰日期：2013年12月 目录前言..................................................................................................................1一、项目背景与意义1.1项目背景.....................................................21.2项目意义.....................................................................................................2二、项目介绍2.1项目内容....................................................................................................22.2项目目标....................................................................................................3三、可行性分析3.1市场可行性分析.........................................................................................33.2技术可行性分析.........................................................................................33.3经济可行性分析...............................................4四、分工与进度安排4.1分工............................................................................................................44.2进度安排.....................................................4五、项目方案5.1技术解决方案一...........................................................................................55.1.1支撑机构............................................................................................55.1.2运动传递方式....................................................................................55.1.3关键零件分析....................................................................................65.1.4方案一概述........................................................................................65.1.5方案一设计计算................................................................................65.1.6方案一零件BOM表.........................................................................115.1.7方案一三维模型...............................................................................125.1.8方案评估..........................................................................................135.1.9方案改进..........................................................................................165.2项目方案二.................................................................................................165.2.1方案二技术解决方案.......................................................................165.2.2方案二设计计算...............................................................................175.2.3方案二的BOM表............................................................................175.2.4方案二结果......................................................................................195.3方案二与方案一的比较..............................................................................20六、零件CAE分析6.1壳体分析....................................................................................................206.1.1壳体受力分析：均匀载荷...............................................................216.1.2壳体受力分析：集中载荷...............................................................22 6.2有限元分析总结.........................................................................................23七、课程感悟和建议.....................................................................23八、参考资料................................................................................27 前言PBL是以问题为导向的教学方法，是基于现实世界的以学生为中心的教育方式。其基本要素如下：1．以问题为学习的起点；一切学习内容是以问题为主轴所架构的；2．问题必须是学生在其未来的专业领域可能遭遇的“真实世界”的非结构化的问题，没有固定的解决方法和过程；3．偏重小组合作学习和自主学习，较少讲述法的教学；学习者能通过社会交往发展能力和协作技巧；4．以学生为中心，学生必须担负起学习的责任；5．教师的角色是指导认知学习技巧的教练；6．在每一个问题完成和每个课程单元结束时要进行自我评价和小组评价；在PBL轻松、主动的学习氛围，我们可以学会查阅大量的文献资料，并积极消化理解，与其它同学交流沟通，大家同心协力得出最佳结论。这样的学习，花在前期准备工作上的时间精力多于普通的课堂学习，因此需要我们有主动学习的自觉性，否则很难达到预期的教学效果和目标。由于我们长期接受“填鸭式”教育，缺乏主动发现问题，解决问题的积极性和能力，因此，我们也应从自身出发，完成角色转换，从被动的学习者转变为学习的主人。我们从PBL中获益，首先，我们身处一个轻松的学习氛围，能够自主地、积极地畅所欲言，充分表达自己的看法，同时也可以十分容易地获得来自其他同学和老师的信息；其次，可使我们对有关知识的不足尽可能多地当场暴露，在讨论中可以加深理解，还可以发现新问题，进而解答新问题；第三，通过PBL，我们不仅提高了理论学习的能力，还增强了其他方面的能力，如查阅资料的能力，归纳总结、综合理解的能力，逻辑推理、口头表达的能力，主导学习、终身学习的能力等，这些都将对我们今后工作打下良好的基础。1 一、项目背景与意义1.1项目背景从20世纪末快速制造开始在制造业异军突起，在商品需求爆发的现在，技术革新已经成为必然的趋势。3D打印机作为一种新型的制造技术正掀起一股全球的制造旋风。全球3D打印市场规模从1993年至2012年的19年间，展现出良好的态势。3D打印产业包括上游的打印材料、中游的打印设备、相关外设及其设计软件，以及下游的打印终端产品和工业设计服务等。它与传统的平面打印机不同的是，它打印的都是立体的物件而不是平面的，它的打印原料使用的也不是普通的墨汁，而是abs塑料，聚已酸内酯等等。3D打印通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费；而且，它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器；另外，在具有良好设计概念和设计过程的情况下，三维打印技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。鉴于3D打印技术在可打印产品的多样性、成本及材料等方面还不够成熟，目前尚未迎来大规模商业应用。但不可否认的是，3D打印将是缔造新一轮产业革命的标杆性技术，政策的推动让业界亢奋，而其市场规模预期也在不断刷新。总体规模持续增长。WohlersAssociates的数据显示，2012年，全球3D打印产业的销售收入规模已达22.04亿美元，比去年增长28.6%，如果从1993年算起，年均复合增速为17.7%，最近两年同比增速升至25%的工作台。1.2项目意义RepRap项目作为一个开放源码项目，旨在鼓励演化，有许多衍生版本存在，并它们的设计师是自由的进行修改和替换。我们可以在已有基础上，进行自己的改进与适应性设计。通过PBL的学习方式，让我们能够从现代产品设计的基本步骤出发，综合市场分析及应用前景，结合机械原理设计的一般要求，使用CAD、CAE、solidworks等辅助软件，进行一次完整意义上的产品设计制造和探索创新研究。本项目从经济向考虑，定位在家用型，所以力求简单经济，满足日常需求即可。属于桌面级，主要涉及一些大众消费品制造领域，我们设计此款小型家用3D打印机为了满足个人设计和制作兴趣，可打印眼镜框、样板房、自制零件和玩具等小型物件，精度控制在比较低的区间，能满足需要，预算价格在2000元左右。二、项目介绍2.1项目内容本项目针对的目标群是普通家庭客户，可以打印的对象限制在日常生活用品，比如塑料水杯，盒子等等，以及文化创意物品，外形复杂美观的装饰品。所以旨在设计出一款简便易用的桌面型3D打印机。3D打印机主要可分为三个部分：机械部分、控制部分、热挤压头。我们组承担此款打印机的机械部分的设计。机械部分是打印机基本框架，起支撑作用，并配合空间安排三轴（x/y/z）机械部2 分。可分为两个主要部分：○1.框架结构及传动方式○2.基本设计计算○3三维建模及模型改进2.2项目目标○1根据针对对象建立3D打印机的模型，一共分三部分来确定3d打印机的技术解决方案。机械部分由一组负责，设计3d打印机的支撑和传动结构。这一部分需要设计一定的机械结构支撑以及传动方案，使得工作台和挤压头能够实现空间x、y、z三个方向的相对运动，并以一定的精度完成对零件的层叠堆砌打印，并且固定其他电机等零件。○2机械结构具有一定的稳定性，并保证一定的精度，能够合理的满足其他小组的设计需求，并与整个大组的各部分配合良好。○3提升小组的合作能力，完成整个项目规划，初步认识并了解机械产品设计制造的一般步骤。三、可行性分析3.1市场可行性分析近年来，3D打印机被更多的企业接受。新的打印机、耗材、商业模式的推出，正在提升3D打印的性能，扩大3D打印的应用边界。这一方面进一步扩大了3D打印的市场规模，另一方面也使得龙头企业可以不断向更高附加值的产品和服务拓展，优化产品结构，使得收入和毛利率均有出色的表现。中国市场将被激活和快速增长。亚太地区是3D打印的洼地，尤其是中国的3D打印市场很可能被激活并快速增长。目前国内3D打印产业的现状是技术领先，产业化不足，高端金属耗材紧缺。但看好其发展前景，一是国内的技术基础扎实，随着关键技术瓶颈和成本高昂的难题逐渐解决，下游应用的性价比将逐渐改善；二是政府的大力支持前所未有，三是企业间合作逐渐加深，四是3D打印概念的热潮客观上为下游应用推广和资本支持提供强劲推动。随着互联网云制造、物联网的生态越来越成熟，3D打印分布式制造的商业模式可能会变成现实，大家可以通过网络进行3D打印方面的创业、融资以及设计程序的交易，物流也会把成品送到用户手中。商业模式的进一步创新将会使3D打印渗透率进一步提升。3.2技术可行性分析3D打印的技术原理可以用下图1来表示，实际上就是和传统的减材制造相反的一种过程，将一个零件按照某一个方向进行分层，通过逐层打印之后，将每一层都堆积起来即可。由于RepRap项目是一个开源的项目，我们可以通过查阅相关文献和网上查找得到很多技术上的资料，在消化吸收的基础上，进行改进和创新，同时借助CAD、CAE软件，建模分析等，所以该项目的技术方面是可以实现的。而且本项目是基于桌面级的家用型3D打印机，本身运行精度要求不是很高，作为提供动力的步进电动机满足要求。3 图1：3D打印机原理图另一方面，机械部分的结构有据可循。重点在于选择适合我们的框架结构及各轴的传动方式，然后建模分析并进行一定的CAE分析。3.3经济可行性分析3D打印机的价格如今已经不再高高在上，在网络上已经有3000-5000元价位的3D打印机。而业内人士预计，随着3D打印技术的应用越来越广泛，各种耗材、打印机的价格必将呈现下降趋势，未来3D打印机完全有可能像传统打印机一样，成为每家每户都买得起、用得上的设备。”普通家用型3D打印机的从几千元到几万不等，主要差异体现在打印精度、振动稳定性、配置的电板性能等的不同，我们此款打印机的支队目标在于普通工薪家庭或者个人爱好者满足日常生活用品或者工艺品的制造，所以会尽量控制成本预算。从经济角度来讲，该项目的设计初衷就是利用自身来打印自身的零件，所以理论上可以实现自我的复制，采用的都是比较常见的材料和零件，一部分可以通过外购，其他简单的可以通过加工制造或者自身复制做出来，所以该项目的预算不会过高。通过市场调研和网上查询，我们预期的成本在1500左右。这种价格对于学生还是现代的家庭都是可以接受的，所以如果技术成熟到一定的程度，可以有一定的市场竞争力。加上由于3D打印设备和耗材在终端制品的成本中占比相当大，未来设备、耗材成本的降低将逐步提升3D打印的经济性。四、分工与进度安排4.1分工分工可以有效的提高效率，按照每个人的专长和意愿，我们做出了以下的主要分工：项目技术分析及前期报告整理：周子桐；设计计算：俞林军；CAD模型及CAE分析：肖振；后期报告整理：张玉山。每个人的工作量百分比：肖振：30%；俞林军：30%；周子桐：20%；张玉山：20%。在这个整体分工的基础上，我们还要相互协作，共同完成这个项目。4.2进度安排根据课程的计划表，我们自己制定了项目的进度安排，这个在项目计划书里已经有比较详细的报告，根据计划书，我们画出了项目进度的甘特图，如图2所示：4 我们需要严格按照项目进度计划来完成每一阶段的任务，这样才能保证项目最终的顺利结束。图2：项目甘特图五、项目方案5.1技术解决方案一5.1.1支撑机构1)支撑机构的作用支撑机构是起支撑作用的构架，承受较大的力，也具有定位作用，使零件之间保持正确的位置。稳定，能够承受一定的冲击力以及震动。2)常用的支撑结构常用的支撑机构有三角形结构、四方形结构等。三角形结构在稳定性方面优异，稳定，能够承受一定的冲击力以及震动，体积小、结构紧凑，节省材料，可以用于确定竖直方向上的零部件的位置，也可以在平面方向上起支撑作用；而四方形结构由于稳定性上的不足，往往只用于平面方向上的支撑作用。3)结构选用分析采用三角形结构：体积小、结构紧凑，装配制造方便，节省材料，符合我们的要求。5.1.2运动传递方式1）运动传递机构的作用运动传递机构是用来传递电机的动力给工作台和热挤压头，以实现两者在空间的三维相对运动。2）常用方案常用的方案有：①工作台做z方向运动，热挤压头做x、y方向运动；②工作台做y、z方向运动，热挤压头做x方向运动;5 ③热挤压头做x、y、z方向运动,工作台不做运动；④工作台做x、y、z三个方向的运动，热挤压头不运动；⑤工作台做x或y方向的运动，热挤压头来完成剩余运动。3）分析以及选用在实际中，由单个的工作台或者热挤压头来完成3个方向的运动控制上虽然是对单个部件的控制，相对独立，比较方便，但是这样给机械结构的设计带来了压力。这样的结构设计起来比较麻烦，强度、稳定性等方面也难以保证。所以，通常都会通过热挤压头和工作台的配合来完成空间三个方向的运动。工作台相对笨重，不宜做复杂的运动，热挤压头比较轻巧，可以承担两个方向的复合运动。本身就是一款娱乐机器，为了保证精度，我们选择丝杠和皮带相结合的传动方式。通过分析，我们让挤压头做x、z方向的运动，工作台做y方向的运动。鉴于大组的讨论以及项目的具体情况，确定选用⑤号方案。5.1.3关键零件分析1）支撑杆：选用光杆和丝杆来搭建框架，具体半径和长度通过设计计算来确定。2）杆连接件：可以选择3D建模后用现有的设备打印。3）导轨:在z方向上的运动精度要求较高，选用步进电机带动丝杠传动；在x,y方向上的运动精度在皮带传动下就能满足，在考虑到结构整体设计和成本后，选用步进电机带动皮带传动，故选择光杆作为导轨。5.1.4方案一概述采用三角形的框架，搭建出一个三棱柱，来作为整个机器的骨架；框架由丝杆和光杆通过连接件与螺栓螺母连接在一起；运动的分解为工作台做y方向的运动，热挤压头做x和z（在z方向上添加x方向的运动）方向的运动；传动方式为z方向通过丝杆来传动，其余都采用带传动。5.1.5方案一设计计算（1）整体尺寸的设计设计需要满足的有效工作尺寸：200×200×200mm工作台尺寸：250×250×8（厚度）mm1）X轴方向：X轴有2丝杆组成，长度为lxxx1x为工作台的长度250mm；x为热挤压头运动的缓冲空间，取x=100mm11lxx=350mmx1"Llxx2x为电机和联轴器的安装空间（结构上对称），x=100mm。22"Lxxx=450mm12X轴方向整体安装时需要的裕量取3050mm6 所以L=450+(3050)480=500mm2）Y轴方向：Y轴有2个光杆导轨和1个丝杆组成，长度为l=yyy1y为工作台的宽度250mm；y为热挤压头运动的缓冲空间，取2y=100mm11l=yy=350mmy1"Wlyy2y为电机和联轴器的安装空间，y=100mm。22"Wyyy=450mm12Y轴方向整体安装时需要的裕量取100150mm所以W=450+(100150)550=600mm3）Z轴方向：Z轴有2个光杆导轨和1个丝杆组成，长度为lzzz1z为工作需要的高度200mm；z为热挤压头安装的预留空间和裕量，取1z=200mm，lzz=4001z1Zlzz2z为电机和联轴器的安装空间，z=100mm。22Zlz=500mmz2Z轴方向上基本不需要整体安装裕量空间。结论：打印机在三个方向所需要的尺寸空间约为：XYZ(550600)(480500)500mm（2）丝杆、光杆直径的强度检验及选择。1）分析选择受力较多的危险截面进行强度检验。⑴热挤压头所在处（2个光杆承重，丝杆不承重）7 设定的热挤压头质量为m1.5KG，则F=mg15N，单杆FF/2=7.5N。总总由于热挤压头作用在杆上面的力是均匀分布的，设定作用长度为l100mm0.1m，F7.5则受力密度q75Nm/。l0.1由材料力学对强度分析的只是易知，当作用力分布在杆中间时，杆处于最危险状态。受力分析如下图3：图3：杆危险截面受力图FFF3.75NAB2①在0~0.1m范围内的受力分析，如图4：图4：分段受力分析图QF3.75N1AMQx=3.75x118 ②在0.1~0.15m范围内的受力分析，如图5：图5：分段受力分析图QFq(x0.1)11.25qx2Ax0.1MQxqx(0.1)(0.1)2222qx(0.01)=Qx22③在0.15~0.2m范围内的受力分析：QFq(x0.1)11.25qx3Ax0.1MQxqx(0.1)(0.1)3322qx(0.01)=Qx32④在0.2~0.3m范围内的受力分析：QF0.1q3.75N4A0.20.1MQxq(0.20.1)(0.1)442=Qx0.015q4综合上述受力分析，得到杆的剪力弯矩图6，如下：9 图6：剪力弯矩图⑵选x0.1m和x0.15m两处为危险截面进行分析：①x0.15mQ0N0.15M0.47Nm0.1522选用第三强度理论，4r3b杆的材料选用304不锈钢，其205MPa，安全系数为2bM32M0.150.15=0.153Wdz00.1510 r30.15b632M205100.153d2640.47d30.0036m3.6mm620510②x0.1mQ3.75N0.1M0.375Nm0.1M32M0.10.1=0.13Wdz当d3.6mm时，4Q16Q0.10.1523A3d0.1=81.9MPa0.5MPa0.12222b4=81.940.5=81.9满足条件。r32所以x0.1m为危险界面。⑶确定直径大小。由于控制组重新选择了电机和设计了热挤压头，我们按照上述方法，代入新的参数，可以得到：F30F=30N，q300Nm/l0.1按照前面的计算方法，计算出危险界面的弯矩Q和扭矩M，再得到直径。d5.7mmd6mm考虑到安全可靠，选择M8的丝杆和光杆。5.1.6方案一零件BOM表通过以上的设计计算，我们列出了方案一的部分零件BOM表，如表1所示：表1：方案一部分零件BOM表RepRap项目BOM表零件名称规格及数量来源单价（元）总价（元）编号11 1支架M8*500mm淘宝3.7537.5丝杆2支架M8*780mm淘宝7.515丝杆3XM8*650mm淘宝7.5154YM8*530mm淘宝3.757.55ZM8*420mm淘宝3.757.56螺母M8100五金0.1店7底座4打印连接件8Z2打印5.1.7方案一结果按照设计计算结果和技术解决方案，我们通过solidworks软件建立了方案一的打印机3D模型，如图7所示。图7：方案一模型12 模型中没有画出热挤压头，这是因为热挤压头组的建模还没有完成。建模之后，我们对这种结构的打印机打印精度进行了分析。5.1.8方案评估（1）打印精度分析1）理论分析打印精度和很多因素相关，涉及到机械结构方面因素的主要是由于零件之间连接，在打印头和运动时是不是能够保持结构的紧固不松散，这主要是螺母等连接的防松处理，这种情况对打印精度的影响较大，但发生的几率比较小。在打印时，机器不可避免的发生振动，从而对打印精度产生影响，这种影响比较小，但长期存在。还是需要提高连接的强度。出丝速度、打印速度的配合是对精度影响最主要的因素。这主要是控制方面了。2）实验分析实际做实验时，主要在以下几个方面对打印结果会产生比较大的影响：（1）热挤压头的温度图8：热挤压头温度过高时，打印效果温度过低，喷出的丝粘度低，沾不到已经打印的零件上面，当然太高的话，对打印头的寿命等等都不好。（2）热床的温度温度过低，导致最底下一层，不能良好的黏到玻璃板上，在后面打印时，很容易就出现零件被挤压头带着跑，导致打印失败。（3）出丝速度速度过大，随热挤压头走过的丝不是直线，而是每隔一段就会出现环形圈，像蠕虫一样，这是多余出来的丝形成的。打印出来的东西轮廓很粗糙，表面也是13 图9：速度合适的时候打印结果图10：出丝速度较大时凹凸不平。14 速度过小，挤出的丝会很细，相互可能都不足以黏着在一起，打印的零件内图11：出丝速度较小时部会有很多缝隙以及没有完全填充的凹孔。（4）挤压头和零件最顶层的距离理论上这个距离应该是一层材料的厚度，但在实际操作中如果采取这个距离的话，除非最底层和玻璃板接触粘紧，否则常常发生零件粘在打印头上被带走。图12：打印出的质量较高的零件所以，适当的加大打印头到零件当前最顶层的距离，可以避免打印头和零件接触产生黏着，把零件带走，这个只需要把z轴的零点设置高一些，把限位开关往高装一点。这样子打印出来的零件每一层都是自然堆在下一层上的。（2）改善措施采取以下措施都可以在实验中提高打印精度：（1）选择合适的挤出丝速度和运动速度；15 （2）适当的提高挤压头温度和热床温度；（3）增加一点打印头到零件的z向距离。5.1.9方案改进鉴于以上三角形在打印精度和结构上、外观上存在的一些问题，我们在此基础上经过小组讨论，提出了新的方案：将三角形框架替换为四边形框架。进一步讨论，我们放弃了组合式结构，而是采用一体式的四方形壳体结构，这样进一步提高组件的强度，零件的装配固定也可以更加方便一点。图13：思路的转变过程5.2项目方案二采用四方体的支撑结构，用一体式的壳体代替了原来由很多杆组装而成的部件，有效的提高了利用率。5.2.1方案二技术解决方案方案二采用壳体零件，对震动等的抵抗有所提高。图14：四方形机构传动图示将三个轴的运动可以如下分解，工作台做z轴运动，热挤压头做x和y方向的运动。为了提高精度，同时充分利用壳体结构的优势，都采用丝杠传动。工作台往上运动时需要四根杆来导向，其中一组对角线用丝杆来传动，之所16 以这样，而不用四根丝杆来驱动，一是因为工作台以及打印物件本身的重量并不需要那么大的驱动力，而来两个电机对称分布，可以确保工作台的不会发生倾斜，保证其水平。方案二采用壳式一体机，减少了零件的数目，减轻了设计任务，提高了强度和刚度，机器的适应性等。运动分解为工作台只做z方向的运动，热挤压头做x、y两个方向的运动，传动都采用丝杆来传动，理论上，方案二的精度要比方案一有所提高。5.2.2方案二设计计算打印运动壳体规格行程尺寸200x200x200m确定各个方向保证各个零件m的杆长，预留其之间不会相互他零件的装配干涉、确定装空间配安装的位置等图15：方案二设计计算流程方案二的设计计算和方案一有很大一部分都是重叠的，计算的流程课用下图15来表示。5.2.3方案二的BOM表如表2所示表2：方案二BOM清单序号物品名称参数数量来源预计价格西安中工电①X轴丝杆M8x370mm210子市场西安中工电②Y轴丝杆M8x380mm15子市场西安中工电③Y轴光杆M8x365mm210子市场17 西安中工电④Z轴丝杆M8x418mm210子市场西安中工电⑤Z轴光杆M8x403mm210子市场西安中工电⑥联轴器D5/8575子市场GB/T垫片、波形西安中工电⑦7246-19875010弹簧、垫圈子市场M4GB/T276-199深沟球轴西安中工电⑧4,1040承子市场628六角螺栓BGB/T27-1988西安中工电⑨508级M4子市场六角螺母CGB/T41-2000西安中工电⑩508级M4子市场日本美蓓亚⑪电机6淘宝9042步进电机X轴电机固⑫钢1数控50定件X轴连接件⑬塑料1注塑101X轴连接件⑭塑料1注塑102X轴轴承固⑮钢1铣、钻30定件Z轴电机固⑯钢1铣、钻50定件1Z轴电机固⑰钢1铣、钻50定件2Z轴轴承固⑱钢1铣、钻30定件1Z轴轴承固⑲钢1铣、钻30定件2⑳工作台塑料1切割100切割、焊接、21壳体钢1500打磨总计190113618 5.2.4方案二结果通过设计计算和技术解决方案二，我们用solidworks软件绘制了方案二的3D模型，以供后续的分析和展示，如图16、17所示。图16：方案二模型图17：方案二模型方案二采用四边形的结构，主要有一下优点：1外观好看，容易加上壳子，防止灰尘等落入2壳体一体化加工，强度较好，不易变形，抵抗震动的能力好，因而对精度会有很大的提高3不易变形，抵抗震动的能力好，因而对精度会有很大的提高4四边形组装制造都比较简单，结构也容易理解想象19 5零件的安装等可以拥有更多的空间和方便性5.3方案二与方案一的比较方案二和方案一再结构上有比较大的差别，各有优缺点，我们从九个方面对两个方案进行了评估和比较，结果如表3所示。表3：两种方案比较四边形一体化机架三角形组合机架性能使用方便，外形美观使用简单，外形比较粗糙可靠性结构牢固可靠需要经常调节连接件维修性维修方便零件多，维修较方便安全性有壳体保护开放暴露，存在不安全隐患适应性结构更好，适应性好一般耗费更多材料，零件加工，经济型零件简单，经济性好一般时间性可以批量装配生产不易于组装装配环保性与材料有关与材料有关六、零件CAE分析6.1壳体分析壳体起到支撑保护的作用，它是整个打印机的骨骼，所以有必要对它进行CAE分析。根据实际情况，在使用过程中，打印机顶部是难免受到一些冲击碰撞的，所以我们在此基础上建立了模型。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由20 许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）图18：壳体近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。常用的有限元分析软件有电机有限元分析软件NASTRAN等，还有三维结构设计方面的UG,CATIA,Proe等都是比较强大的，我们选择了solidworks软件，与我们前期的模型建立使用同一个软件，能够方便进行分析。6.1.1壳体受力分析：均匀载荷通常情况下，壳体顶部可能会受到向下的压力，为了分析我们的零件会不会在受压情况下失效，利用有限元分析软件对壳体受力情况进行了模拟。假设将100kg的载荷均匀的施加在壳体顶部，如下图19所示，在这个力的图19：壳体受力图21 作用下，壳体的内部应力分布如图20所示。根据软件的模拟结果，顶部面积S=0.172285m2，P=6000Pa，相当于在顶部施加100kg的载荷，最大应力为8.5MPa,小于材料的屈服强度620MPa，说明壳体能够承受100kg的均匀载荷。图20：壳体内部应力图6.1.2壳体受力分析：集中载荷在实际中，壳体受到的力会更多的集中在一个很小的区域内，简化的说可以图21：壳体受集中载荷的情况22 是一个点，也就是壳体受到集中载荷。为了分析这种情况，我们随机的在壳体顶部选择了一个点，将100kg的载荷的作用点放在其处，通过有限元分析来检验壳体的是否能够承受的住。具体过程不再赘述，软件模拟的结果如图21所示。通过软件分析可知，将100kg的载荷施加于一个处，得到最大应力为35MPa，依然小于620MPa，但明显大于均匀施加时的应力，这符合现实的情况，一定程度上说明了软件模拟的正确性。6.2有限元分析总结有限元分析是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。对于我们的这个项目，通过有限元分析可以使我们对自己设计的产品的可靠性和适应外界冲撞的能力做到心中有数，从而在之后的产品使用说明中可以给客户提供详细的指导和维护建议。另外，有限元分析对于检察零件是不是符合整个装配体的一致性要求也很重要，在实际设计中，应该尽量使同一装配体上的所有零件承受外界环境变化的能力达到一致，这样才不会浪费某些零件的性能。通过有限元分析，我们计算出了壳体零件在外界压力作用下的变形。如果变形较大，就应当考虑增加壳体的厚度，或者重新设计壳体的形状，由结果来看，我们给出的尺寸是合理的，壳体在外界较大的载荷下，仍然距离屈服强度有很大的余量。七、个人感悟与建议7.1个人感悟与建议——肖振PBL项目学习这门课程与我们以往的其他课程在学习方式上有很多不同之处。以往的课都是以老师教学为主，我们原先想象的CAD/CAE/CAM也是这样的，通过这门课程我们能够熟练掌握Proe、Solidworks等类似的三维建模或者有限元分析软件，这门课中老师更多的让我们自己去设计、自己去学习，给了我们很大的自主空间，将总的任务——设计出一个能够制造出来的3D打印机——告诉我们，其他的需要什么知识，什么软件都要我们自己去主动学习，老师只是给我们思路上的一些指导，这样，让我们自己有了更多的实践机会，在项目中获取知识，同时，通过分组，也锻炼了我们互相协调合作的能力，特别是对于小组长而言，必须给每个人分配好任务，小组长的压力是上有老师相逼，下面组员积极性欠佳，所以对任务的划分就很重要。郑镁老师在这过程中，经常催逼我们，批评我们，当时可能会有一些厌烦，但是我们也知道，没有压力就没有动力，没有郑老师认真负责的监督和指正，我们就不可能做到现在这一步，所以对郑老师我们也很感谢。在这个课程中，特别感谢付雷杰老师对我们的帮助，在开始我们一筹莫展的时候，付雷杰老师通过很多案例，给我们讲解了如何去做设计，一切都从需求出发，在后期的很多过程中，他帮助我们否定了方案一，让我们摆开了束缚，能够大胆的按照自己的思路去设计，虽然这样带来了更多的问题，会更加费力，但也让我们学到了更多的经验。23 这个课程是学院新开的课程，经过一学期的学习，我个人觉得有一些值得改进的地方。最初我们都认为这个课程是要教我们学习三维设计、有限元分析和CAM软件，但是在学习中，老师只是给了我们任务，并没有几节课是教我们如何使用这些软件，在以前的课程中我们也没有学过，所以就等于是现学现卖了，自学是好的，但好多同学要考研、找工作等等，时间也是一个问题，所以以后，希望上课时，老师更够比较详细的培训一下跟课程有关的软件知识。其次，课程本来只有四周，四周以后，我们每两周都去答辩，实际上中间那周也是去曲江上课的，我觉得这个有点频繁了。有的任务可能两周就做不完。应该按照不同小组项目的具体情况来安排定期答辩的时间。此外，我觉得在项目进度规划中，有些地方是不合理的，比方说BOM表，在刚开始做的时候，老师就要求我们做出BOM表，我觉得这个应该等到方案确定以后才能做出，方案定下来以后，我们才能知道用到了什么零件，用了多少。这些建议都是我个人的一些想法，不一定合理，希望老师参考。在此，在此谢谢各位老师的指导监督！7.2个人感悟与建议——张玉山这是我第二次上应用PBL这种教学方法的课程，与前一次的课程相比，在这次的学习中我明显更适应了这种教学方法。而且较之于之前的项目内容是质量控制，要求我们编写一个质量控制的软件，这次3D打印无疑更贴近于我们所学的专业，而且更形象直观，更容易引起兴趣。3D打印是当前的热门话题，虽然并不是新概念了，但由于美国的大力吹捧，它被推到了一个更高的高度。作为机械专业的学生，对这个问题更是有着浓厚的兴趣，以至于在老师刚刚提出课程内容是关于3D打印机的，就吸引了我们。PBL这种教学方法是以问题为学习的起点，以问题为导向的，是基于现实世界的以学生为中心的教育方式，没有固定的解决方法和过程。在这次学习过程中，我们每个小组的成员自主学习和相互学习，共同完成老师要求的任务，大组内的每个小组互相合作，使我们的工作连成一个整体，而不是闷头各做各的，更具有现实意义。大组之间工作内容相同的则相互学习，互相提高。项目中教师的角色是指导认知学习技巧的教练，每个小组定期向老师汇报工作，老师指出我们工作中的错误，对我们的不足之处提出建议和改进方法，使我们的工作水平不断提高，工作内容向着最终的目标发展。在学习过程中，我们要去查阅大量的文献资料，并积极与其它同学交流沟通，大家同心协力得出最佳结论。这样的学习，花在前期准备工作上的时间精力多于普通的课堂学习，因此需要我们有主动学习的自觉性，否则很难达到预期的教学效果和目标。由于我们长期接受“填鸭式”教育，缺乏主动发现问题，解决问题的积极性和能力，因此，我们也应从自身出发，完成角色转换，从被动的学习者转变为学习的主人。我们从PBL中获益，首先，我们身处一个轻松的学习氛围，能够自主地、积极地畅所欲言，充分表达自己的看法，同时也可以十分容易地获得来自其他同学和老师的信息；其次，可使我们对有关知识的不足尽可能多地当场暴露，在讨论中可以加深理解，还可以发现新问题，进而解答新问题；第三，通过PBL，我们不仅提高了理论学习的能力，还增强了其他方面的能力，如查阅24 资料的能力，归纳总结、综合理解的能力，逻辑推理、口头表达的能力，主导学习、终身学习的能力等，这些都将对我们今后工作打下良好的基础。通过PBL学习，我们知道了实践的重要性，小组合作与分工，培养了团队合作精神，我们又加强了SolidWorks的学习和使用，通过从无到有，我们学会了如何去做一个项目，如何管理这个项目等。同时，在这过程中，有一些不足之处值得我注意：由于考研压力大，对项目中的内容参与相对较少，在学习过程中，我们刚开始遇到了不少困难，有些没有很好的解决，在团队合作过程中，也会出现分工的问题，部分没有事先协商好。感谢郑老师和三位指导老师，感谢你们提出高贵的意见和建议，同时也感谢我们小组每位成员，感谢你们努力的付出。也要感谢其他小组的同学，谢谢你们每次提出的宝贵建议。7.3课程感想——俞林军对于这门课，总的来说帮助我们学会了很多知识和技能。老师给定的题目是3D打印机，且分成了3个部分---机械部分，控制部分以及热挤压头部分，还安排了3个指导老师。我们组选择的是机械部分。最开始大家都是查找文献和研读，了解3D打印机的历史、现状和发展前景。之后开始了各个小组的工作。机械组的工作是需要协调其他部分，所以是比较重要的。在组长的带领下，我们查找了机械结构的相关资料，以及通过实验室里的设备，先后选择了三角形结构和固定四方形结构，并进行了三维建模，最后确定了选用固定四方形结构。该结构的外壳是铸造一次成型的毛坯，在进行必要的打磨和打孔，这样既能满足结构的稳定性要求，又能使运动结构的设计的精度提高以及更美观，还能保护内部结构。内部结构只要是三个方向的运动，在我们的设计中，工作台主要负责Z轴方向的运动，由两个丝杆和两个光杆组成，光杆是为了运动的准确性；热挤压头负责X、Y轴方向的运动，X轴两个丝杆，Y轴一个丝杆和两个光杆，光杆作为导轨。在小组工作中，我主要参与了资料的查找和学习，结构的讨论，三角形结构的建模，固定四方形结构中丝杆、光杆的强度分析和直径的确定，确定BOM清单，以及最后相关零部件的工程图的绘制。在资料的查找和学习上，这是我们以前接触比较少的一个部分，以前主要就是百度文库，现在一直去知网和万方；此外，我用到了CAD、Soildworks（建模、CAE）等软件。在绘制工程图的时候，一开始总是会忘记一些虚线和尺寸的标注，比如一些小孔的定位尺寸，孔的中心线，还有壳体的厚度等，在一次次的检查和修改下，我在工程图的绘制上面有了较大的提高。建模的时候让我对Soildworks更加的熟悉了，从零件的建模，到装配体的配合上，以及装配体的运动仿真和爆炸视图。每一个工作对我们来说都是一次能力的提升。在付雷杰老师的指导下，让我们对机械机构上进行了很好的改进，同时在报告的表达形式上以及成果的暂时形式上都学会了很多。还有就是想谈谈自己对这门课的期望。我选这门课的初衷，是因为看到了有CAD/CAE/CAM等这些东西可以学习，当时以为是这方面教学（在计算机房上课），后来发现是老师布置下课题，然后是自己自学这些软件并进行应用。当然，这样25 的教学模式确实更有利于我们能力的提升，我们也确实学到了很多。但我还是有一个建议，我们大学前3年学习的只有CAD，CAE/CAM是大四同一时期学习的，在应用的时间上可能对不上，希望就是在开这门课之前把课程需要的基础课程都已经学完，这样在进行这门课程的时候能完成的更好。7.4个人感想——周子桐在这门课之前，想象过很多关于我们的任务，对于做3D打印机真的感到很诧异。之前认为它是很高端的一个东西，通过这学期的学习，现在对它有了比较深入的了解，这门课是这学期投入时间最多，作业压力也感觉最大的一门课。对于我，在这门课的收获最大的无疑有两点：一是对于3D打印机本身的正确认识与接受；二是在处理问题过程中的不会的挣扎与解决一个个问题的喜悦。在最开始学习中，对这门课没有一点认识，对于老师开始所讲的“我们自己来做reprap”也倍感疑惑，觉得这个东西虽然是机械构架，但应该是偏控制多一点，再后来通过学习开始慢慢明白，这是一个系统，作为机械学科，在大机械的学科背景下，我们应该有综合的软硬件学习能力。我开始慢慢正确认识到这门课的必要性。我们组负责的是机械部分的设计，主要有框架选择，传动方式的选择以及建模分析等部分。但是刚开始对这些完全没有概念，在课程结束后，我们首先开始了第一次的亲手搭建机械结构。这次实验使我们对reprap从感性认识到理性认识的升华，也让我们了解了实际做产品要考虑的各个细节，不应只是满足它的性能要求，还要做到力求稳定简洁、装拆方便。由于之前没有接触过PBL，一切只能从零开始，开始还不适应老师不在跟前自己主动去做，后来在老师一次一次的要求中开始掌握了节奏，开始主动的去寻找答案，通过书本、网络、同学，开始对reprap的机械结构、各坐标轴的传动选择以及整体的工作原理有了一定的认识，虽然很少，但是已经能够满足我们做项目的需要了，也慢慢建立了对做好这项工作的信心。随着对它的深入了解其实问题也会更多，你要考虑的更多更完善，这就需要我们组员之间的合作和讨论，锻炼了我们的团队合作能力。我们不断的改进我们的方案，每一次对原来错误或者不合理的发现，都给我们上升的空间。CAD这门课带给我的不仅仅是专业上的一些知识，还让我明白了当你必须要去做一些事情的时候，你就必须承担起自己的责任，勇敢的迈出第一步，所有的东西必然都要经过不会到会的过程，只要坚持做下去就一定会有所收获。值得一提的是，在之前的大学生涯里我从来没有上讲台做过PPT演讲，但是这门课程给我了机会，让我可以超越自己。让我有勇气展示我的成果，我所做的努力。还有就是在整个PBL中学会了团队合作，如何高效的跟成员之间进行交流和合作，整个项目不是一个人的项目，我们是一个整体，我们学会了做好个人的那部分，又相互帮助，尽我们所能完成到最好。总之，CAD这门课让我收获很多。最后，由于这学期在复习考研，可能没有承担应有的任务和责任，非常感谢组员的理解与帮助，同样谢谢老师的指导。26 八、参考资料[1]马山民，王玲.3D打印能够改变中国制造业未来.高科技与产业化季刊，203,38-43。[2]张继德.中国3D打印发展现状，问题和对策.会计之友，2013(04),56-58。[3]马亮.PBL项目报告书.2012。[4]王忠宏，李扬帆.中国3D打印产业现状及发展思路.经济纵横，2013(1),90-93。[5]常丰田，黄矗.3D打印技术对机械工程的影响.中国信息化，2013（14），33-34。27'