桌面级FDM-3D打印零件表面抛光机改良设计与研究

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随着我国“工业制造2025计划”的全面推进实施和新型工业化生产技术的不断革新,3D打印零件也得到了更加广泛的应用,但同时也对零件成型的尺寸精度和表面质量提出了更高的要求。当前国内外提高零件成型精度和表面质量的方法大多从打印设备的机械零件配合或CAD数据路径控制上入手,少有从打印零件的后处理方向进行深入。而本文所涉及的FDM(Fused Deposition Modeling)是在所有3D打印成型技术中因材料累加形成的台阶状纹理较为严重的一种,用户通常会面临更加繁重的零件后处理工作。FDM-3D打印零件表面抛光机通过将化学溶剂雾化对零件表面进行熏蒸的方式完成整个后处理工序,相对传统的机械式抛光更加高效且易操作。然而,由于缺乏统一的抛光质量评价机制,致使设备在参数设置上通常无法通过量化分析实现稳定的抛光效果;另一方面,当前市面同类产品由于缺乏在设备性能以及形态上的推进、结构优化速度慢、操作关系混乱,导致了产品仅局限于低端消费市场,未能普及应用。针对以上两点问题,笔者从打印零件后处理能力相对较弱桌面级FDM-3D打印设备用户入手,以桌面级FDM-3D打印零件表面抛光机作为研究对象,尝试从数字化技术应用和结构优化两个角度出发提升其系统专业性和性能,从而对原有架构进行了深入分析和全面的改良设计与研究,主要创新工作包括:(1)以对FDM-3D打印后处理技术和条件作为评判标准,将用户人群锁定到桌面级3D打印设备使用群体;然后,通过设计产品改良调查问卷,获取用户对设备性能以及形态上的期望,确定产品改良方向和项目优先级;将国内外四款具有代表性的同类产品作为分析样本,并结合3D打印相关各行业用户的具体使用体验和潜在诉求,整理出了数字化技术应用和形态优化的整体改良设计框架;(2)在数字化技术应用方面,提出了在设备原有架构中加入数据采集与处理功能来提高抛光参数正确性的全新思路。并基于三维激光扫描数据采集比对和粗糙度图像分析技术的研究成果,论证了利用双目视觉三维激光扫描系统对抛光零件进行粗糙度识别和形变监测的可行性;(3)在FDM-3D打印零件表面抛光机数字化改良方案中,利用双目三维激光扫描系统的数据采集分析优势,完成了FDM-3D打印零件表面抛光质量的自评价系统的基本架构和具体实施方法,并对这种方法的应用优势和实施流程进行了详细论述;(4)以凸12面体FDM-3D打印零件作为测试样本,置于不同雾化输出路径分布和数量的模拟测试装置内进行抛光测试,通过对抛光结果量化指标进行分析,发现在20℃的蒸汽舱温度下,以以横向输出辅以自下而上雾化输出路径进行抛光60分钟后,高度为2.5mm凸12面体能得到较好的抛光效果,对以改变蒸汽输出路径的方式优化设备性能具有指导性意义;(5)对作业区进行了分配,提升了操作关系的合理性和重点区域形态比例;然后分别对蒸汽舱和注料槽等重点区域的细部结构进行了设计,通过形态与功能性需求相结合,进一步完善了方案,有效改善了当前桌面级FDM-3D打印零件表面抛光机使用过程中,因功能分区或形态设定不合理导致的设备处理效果降低和用户操作流畅度差问题;(6)整体改良设计方案通过结合前期调研中用户对设备形态上的期望,以保持与相关设备造型一致性和提升造型科技感为目的,通过提取相关设备的设计DNA元素,以性能和形态优化研究成果为基础进行草图推导和设计调整,并在产品功能样机制作前进行了精细产品三维建模和设计调整;经过周期为90天的独立设计与制作,最终完成了名为“Smoobot”的桌面级FDM-3D打印零件表面抛光机改良设计功能样机并进行了展示。
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