矫形器快速成型的3D打印机设计与研究
发布时间：2022-12-05 21:44
进入二十一世纪以来,特别是近十年,3D打印技术得到了迅猛发展和广泛的应用。熔融沉积型3D打印技术由于其技术完善,成本较低,逐渐进入了大众的视野。随着经济社会的发展,人们对工业产品的需求呈现了多样化、个性化的特点。针对用户私人定制产品的需求越来越大,特别是在康复医疗器械的设计中,比如各种矫形器需要根据每个人的实际情况单独设计制造。在这种背景下,本文将3D打印技术应用到矫形器的数字化设计与制造中,降低了矫形器的生产成本,提升了矫形器的质量,而且能够针对个人提出个性化的设计。由于目前成本较低的普通桌面级的3D打印机成型空间有限,精度较低,无法满足工业制造的需求,本文根据工业制造的需求设计了一种能够满足脊柱矫形器成型的3D打印机。为了满足工业制造对高精度,大尺寸的需求,本文在研究了 FDM式熔融沉积型3D打印机的成型原理和几种常见的机械结构后,选择了龙门极坐标式的成型结构,对3D打印机的各个传动轴进行了三维建模和详细设计,对于跨度较大的横梁部分进行了Ansys仿真,验证了结构刚度。利用Adams进行了动力学仿真,计算分析了机身模态,验证了结构设计合理性。对于3D打印机的系统固件Marlin进行...
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景意义
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
1.2.2 国内发展状况
1.3 3D打印与脊柱矫形器
1.3.1 脊柱侧弯及其矫正
1.3.2 脊柱矫形器的传统成型方法
1.3.3 3D打印在矫形器制造中的应用
1.4 本文主要研究内容
1.4.1 满足矫形器成型的3D打印机结构设计
1.4.2 双喷头打印系统的设计
1.4.3 设计闭环系统
第二章 总体方案设计
2.1 FDM式3D打印机成型的原理及特点
2.2 3D打印脊柱矫形器流程规划
2.3 3D打印机的成型方式与结构方案的选择
2.3.1 极坐标结构的选择
2.3.2 龙门结构的选择
2.4 3D打印机的成型空间的确定
2.4.1 大尺寸的结构设计
2.4.2 基于人体尺寸百分位数设计的成型空间
2.5 成型平台与喷头系统
2.5.1 成型平台和驱动方式
2.5.2 喷头系统与挤出机
2.6 控制系统的选择方案
本章小结
第三章 龙门极坐标结构设计
3.1 龙门极坐标3D打印机旋转机构的设计
3.1.1 3D打印机旋转平台的设计
3.1.2 3D打印机旋转传动机构的设计
3.1.3 计算齿轮接触疲劳应力
3.1.4 齿轮模数计算
3.1.5 齿轮几何尺寸计算
3.2 3D打印机径向传动结构设计
3.2.1 径向传动机构的设计
3.2.2 滚珠丝杠的选用
3.2.3 滚珠丝杠副强度校核
3.2.4 滚珠丝杠副精度确定
3.2.5 径向传动机构步进电机选型
3.3 快速成型机升降传动机构的设计
3.3.1 滑动丝杠选型
3.3.2 滑动丝杠自锁与强度校核
3.3.3 螺杆精度的确定
3.4 双喷头设计
本章小结
第四章 3D打印机结构仿真与成型误差分析
4.1 关键部件的变形分析
4.2 径向机构的动力学仿真
4.3 模态分析
4.3.1 径向丝杠模态分析
4.3.2 整体机身模态分析
4.4 3D打印成型误差组成分析
本章小结
第五章 3D打印机固件的修改与研究
5.1 常用的几种3D打印机固件
5.2 开源固件Marlin整体架构
5.3 直角坐标Marlin固件的修改
5.3.1 数据来源与处理
5.3.2 坐标转换
5.3.3 坐标转换模块编写
5.4 Marlin固件速度规划
5.4.1 速度规划
5.4.2 Marlin固件中的预处理功能
5.5 配置文件参数修改
5.6 双喷头成型的速度优势
本章小结
第六章 闭环控制研究与样机验证
6.1 全闭环与半闭环控制
6.1.1 全闭环控制系统
6.1.2 半闭环控制系统
6.2 磁编码器与控制板
6.2.1 磁敏电阻式编码器
6.2.2 磁编码器
6.2.3 光电编码器
6.3 闭环控制系统的整体设计
6.3.1 步进电机
6.3.2 Nano Zero控制板与AS5047D磁传感器
6.4 磁编码器安装与闭环系统调试
6.4.1 Nano zero固件烧录
6.4.2 磁编码器安装与调试
本章小结
结论
参考文献
附录A 龙门极坐标3D打印机工程图
附录B NANO ZERO控制板原理图
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国儿童青少年超重、肥胖流行现状调查[J]. 陈贻珊,张一民,孔振兴,于晶晶,孙婷婷,张瀚月. 中华疾病控制杂志. 2017(09)
[2]浅析3D打印技术在临床医学中的应用及前景展望[J]. 蒋铭杰. 临床医药文献电子杂志. 2017(69)
[3]3D打印干细胞技术用于组织器官重建的现状与思考[J]. 李金泰,蓝升,刘毅. 器官移植. 2017(04)
[4]3D打印技术在现代医学中的应用研究[J]. 王文军,叶青,乔锐. 医疗卫生装备. 2017(07)
[5]基于3D打印的定制脊柱侧弯矫形器设计制造与舒适度评价[J]. 张爱平,刘羲,刘志峰,时政,贺方鑫. 北京工业大学学报. 2017(04)
[6]3D打印技术在临床中的应用现状及展望[J]. 孙小磊,汪缨,张晖,何伟. 中国医疗设备. 2017(01)
[7]应用旋转磁场编码器实现角度测量[J]. 杨斌,张团善,王国庆,陈家鑫,何文莉. 西安工程大学学报. 2016(06)
[8]3D打印技术在临床医学中的应用[J]. 刘中正,梁岩,韩涛,曹志强,柳云恩,童雅兰,郑振东,谢晓冬,侯明晓. 解放军医药杂志. 2016(11)
[9]3D打印技术在艺术设计领域中的应用研究[J]. 杨晓红. 艺术科技. 2016(11)
[10]FDM技术原理特点及成型质量分析[J]. 郭宇鹏,李玉新. 科技视界. 2016(26)
博士论文
[1]特发性脊柱侧凸伴骨盆矢状位失衡有限元建模及三维矫形生物力学研究[D]. 林旻中.中南大学 2013
硕士论文
[1]FDM桌面型3D打印机的整体设计及成型工艺研究[D]. 郭宇鹏.中北大学 2017
[2]基于二硼化镁约瑟夫森结结构的研究[D]. 王星云.贵州大学 2016
[3]大型FDM双喷头3D打印机设计及工艺参数研究[D]. 徐佳.燕山大学 2016
[4]基于FDM技术的3D打印路径规划技术研究[D]. 晁艳艳.长春工业大学 2016
[5]熔融沉积3D打印数据处理算法与工艺参数优化研究[D]. 王益康.合肥工业大学 2016
[6]基于霍尔原理的绝对式磁编码器的研究[D]. 李斐然.哈尔滨工业大学 2015
[7]3D打印的兴起与我国制造业的发展研究[D]. 秦芳芳.河南师范大学 2015
[8]基于FDM工艺的双喷头设备开发及工艺参数研究[D]. 李成.南京师范大学 2014
[9]基于人体测量的吉利轿车座椅尺寸数据研究[D]. 赵高林.齐齐哈尔大学 2012
[10]极坐标数控机床的研究设计[D]. 李刚.兰州理工大学 2011
本文编号：3710407
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景意义
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
1.2.2 国内发展状况
1.3 3D打印与脊柱矫形器
1.3.1 脊柱侧弯及其矫正
1.3.2 脊柱矫形器的传统成型方法
1.3.3 3D打印在矫形器制造中的应用
1.4 本文主要研究内容
1.4.1 满足矫形器成型的3D打印机结构设计
1.4.2 双喷头打印系统的设计
1.4.3 设计闭环系统
第二章 总体方案设计
2.1 FDM式3D打印机成型的原理及特点
2.2 3D打印脊柱矫形器流程规划
2.3 3D打印机的成型方式与结构方案的选择
2.3.1 极坐标结构的选择
2.3.2 龙门结构的选择
2.4 3D打印机的成型空间的确定
2.4.1 大尺寸的结构设计
2.4.2 基于人体尺寸百分位数设计的成型空间
2.5 成型平台与喷头系统
2.5.1 成型平台和驱动方式
2.5.2 喷头系统与挤出机
2.6 控制系统的选择方案
本章小结
第三章 龙门极坐标结构设计
3.1 龙门极坐标3D打印机旋转机构的设计
3.1.1 3D打印机旋转平台的设计
3.1.2 3D打印机旋转传动机构的设计
3.1.3 计算齿轮接触疲劳应力
3.1.4 齿轮模数计算
3.1.5 齿轮几何尺寸计算
3.2 3D打印机径向传动结构设计
3.2.1 径向传动机构的设计
3.2.2 滚珠丝杠的选用
3.2.3 滚珠丝杠副强度校核
3.2.4 滚珠丝杠副精度确定
3.2.5 径向传动机构步进电机选型
3.3 快速成型机升降传动机构的设计
3.3.1 滑动丝杠选型
3.3.2 滑动丝杠自锁与强度校核
3.3.3 螺杆精度的确定
3.4 双喷头设计
本章小结
第四章 3D打印机结构仿真与成型误差分析
4.1 关键部件的变形分析
4.2 径向机构的动力学仿真
4.3 模态分析
4.3.1 径向丝杠模态分析
4.3.2 整体机身模态分析
4.4 3D打印成型误差组成分析
本章小结
第五章 3D打印机固件的修改与研究
5.1 常用的几种3D打印机固件
5.2 开源固件Marlin整体架构
5.3 直角坐标Marlin固件的修改
5.3.1 数据来源与处理
5.3.2 坐标转换
5.3.3 坐标转换模块编写
5.4 Marlin固件速度规划
5.4.1 速度规划
5.4.2 Marlin固件中的预处理功能
5.5 配置文件参数修改
5.6 双喷头成型的速度优势
本章小结
第六章 闭环控制研究与样机验证
6.1 全闭环与半闭环控制
6.1.1 全闭环控制系统
6.1.2 半闭环控制系统
6.2 磁编码器与控制板
6.2.1 磁敏电阻式编码器
6.2.2 磁编码器
6.2.3 光电编码器
6.3 闭环控制系统的整体设计
6.3.1 步进电机
6.3.2 Nano Zero控制板与AS5047D磁传感器
6.4 磁编码器安装与闭环系统调试
6.4.1 Nano zero固件烧录
6.4.2 磁编码器安装与调试
本章小结
结论
参考文献
附录A 龙门极坐标3D打印机工程图
附录B NANO ZERO控制板原理图
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国儿童青少年超重、肥胖流行现状调查[J]. 陈贻珊,张一民,孔振兴,于晶晶,孙婷婷,张瀚月. 中华疾病控制杂志. 2017(09)
[2]浅析3D打印技术在临床医学中的应用及前景展望[J]. 蒋铭杰. 临床医药文献电子杂志. 2017(69)
[3]3D打印干细胞技术用于组织器官重建的现状与思考[J]. 李金泰,蓝升,刘毅. 器官移植. 2017(04)
[4]3D打印技术在现代医学中的应用研究[J]. 王文军,叶青,乔锐. 医疗卫生装备. 2017(07)
[5]基于3D打印的定制脊柱侧弯矫形器设计制造与舒适度评价[J]. 张爱平,刘羲,刘志峰,时政,贺方鑫. 北京工业大学学报. 2017(04)
[6]3D打印技术在临床中的应用现状及展望[J]. 孙小磊,汪缨,张晖,何伟. 中国医疗设备. 2017(01)
[7]应用旋转磁场编码器实现角度测量[J]. 杨斌,张团善,王国庆,陈家鑫,何文莉. 西安工程大学学报. 2016(06)
[8]3D打印技术在临床医学中的应用[J]. 刘中正,梁岩,韩涛,曹志强,柳云恩,童雅兰,郑振东,谢晓冬,侯明晓. 解放军医药杂志. 2016(11)
[9]3D打印技术在艺术设计领域中的应用研究[J]. 杨晓红. 艺术科技. 2016(11)
[10]FDM技术原理特点及成型质量分析[J]. 郭宇鹏,李玉新. 科技视界. 2016(26)
博士论文
[1]特发性脊柱侧凸伴骨盆矢状位失衡有限元建模及三维矫形生物力学研究[D]. 林旻中.中南大学 2013
硕士论文
[1]FDM桌面型3D打印机的整体设计及成型工艺研究[D]. 郭宇鹏.中北大学 2017
[2]基于二硼化镁约瑟夫森结结构的研究[D]. 王星云.贵州大学 2016
[3]大型FDM双喷头3D打印机设计及工艺参数研究[D]. 徐佳.燕山大学 2016
[4]基于FDM技术的3D打印路径规划技术研究[D]. 晁艳艳.长春工业大学 2016
[5]熔融沉积3D打印数据处理算法与工艺参数优化研究[D]. 王益康.合肥工业大学 2016
[6]基于霍尔原理的绝对式磁编码器的研究[D]. 李斐然.哈尔滨工业大学 2015
[7]3D打印的兴起与我国制造业的发展研究[D]. 秦芳芳.河南师范大学 2015
[8]基于FDM工艺的双喷头设备开发及工艺参数研究[D]. 李成.南京师范大学 2014
[9]基于人体测量的吉利轿车座椅尺寸数据研究[D]. 赵高林.齐齐哈尔大学 2012
[10]极坐标数控机床的研究设计[D]. 李刚.兰州理工大学 2011
本文编号：3710407
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/3710407.html