课程论文报告-应用FDM型3D打印机制造曲轴的实验

论文题目：英文题目：3D printer

报告论文

应用FDM型3D打印机制造曲轴的实验 Experiment of manufacturing crankshaft with FDM

学院： 班级： 姓名： 学号： 指导老师：

摘要

本文记录了发动机曲轴模型从三维数字建模到做出实物的全过程，包括了曲轴的计算机辅助设计过程，三维模型的切片参数设置方法，FDM型3D打印机的操作以及打印出的实物的处理方法。本文还从实际角度出发，分析了FDM型3D打印方法的选择对曲轴使用性能的影响。

关键词：FDM型3D打印；三维建模；切片设置；曲轴 Keywords: FDM 3D printing；model building；crankshaft

前言

随着人们对产品设计以及使用性能的追求，越来越多的零部件需要特殊的结构，这些结构运用传统的建材制造加工难度大、投资成本高、生产周期长，这就带动了3D打印技术的发展。3D打印技术也称为增材制造技术，是相对于传统的机加工等减材制造技术而言的，是基于离散/堆积原理，通过材料的逐渐累积来实现制造的技术。现有的3D打印材料种类繁多，但常用的材料主要是PLA、ABS以及光敏树脂等，这些材料成本低，但是强度和精度较差，被普遍用于样式模型的制造。

但是3D打印制造技术的灵活性很强，现在常常被用于航空航天、汽车制造、医学、建筑、教育等领域，其中在汽车领域主要应用于模具制造、外观辅助设计等方面，能大大缩短设计生产周期，并能降低成本。本文从现在发展前景广阔的汽车制造领域研究3D打印的应用，以曲轴为例，分析其运用FDM型增材制造技术的要领。

熔融沉积制造技术的缩写为FDM，该方法利用电加法等热源熔化丝状材料，由三轴控制系统移动熔丝材料，逐层堆积成形。其特点是成本低、设备操作简单，但是其打印模型的精度欠缺，不适合制造精细的零部件。

1 三维模型的创建与导出

1.1 三维模型的创建

本实验用Autodesk公司旗下的Inventor Professional 2017为三维模型的创建软件。打开该软件，进入到零件创建模块，选择“开始创建二维草图”命令，在弹出来的三个基准平面上选择XY平面，进入二维绘图界面。如图1所示，选择命令栏中的“同心圆”命令，选坐标原点为圆心创建直径为19mm的圆。点击“完成草图”命令，回到三维设计空间。如图2所示，选择命令栏中的“拉伸”命令，输入拉伸长度为11mm，确定。

图1 图2

再以已创建的圆柱的一个平面为基准面创建二维草图，进入二维绘图界面。如图3所示，调用“同心圆”命令以原点为圆心画直径为26.5mm的圆，再调用“两点矩形”命令画一个26.5mm×20mm的矩形，运用“点重合”约束命令，是圆心和矩形长边的中点重合，最后调用“圆弧”命令，以矩形另一条长边的中点为圆心，13.25mm为半径画半圆弧以补齐图形。完成草图后用“拉伸”命令向反方向拉伸10mm求和，确定。应用类似的命令操作，可建出如图4所示的基本实体。

图3 图4

对于曲轴的带弧度的过渡面，则用“放样”进行布尔运算，对原来的实体求差。具体操作步骤如下：如图5所示，选择长圆形的平面为创建草图平面，进入二维绘图界面，通过调用“圆弧”、“直线”命令，再加以几何约束，构造出如图所示的面域，完成草图。再创建平行于上述平面的一个平面，通过“从平面偏移”命令实现，在这个平面上创建草图，调用“投影边”和“圆弧”命令，创建如图6所示的面域，完成草图。

图5 图6

回到三维界面后，选择“放样”命令，放样端面选择上述创建的两个平面里的面域，放样特征选用“求差”，即可切除多余的实体部分。曲轴的另一个圆弧面也可以用同样的方法创建，还可以用“从平面偏移”创建一个镜像平面，调用“镜像”命令，选择放样特征，即可得到。最后模型的大体建完了后，对模型倒圆角，选择“圆角”命令，根据实际在相应的边界线上倒合适的圆角。最终得到如图7所示的效果图。

图7

1.2 三维模型的导出

创建好三维数字模型后，点击Inventor软件左上角的“文件”，在弹出的下拉菜单中选择“另存为”，即会弹出二级子菜单，选择“保存副本为”，在弹出的保存界面里选择保存类型为“STL”格式的文件，并对文件署名即可保存到指定文件夹里。

2 切片文件的制作及导出

2.1 切片文件的制作

打开STUDE-CURA切片软件，设置机器类型为“0.4无热床”，设置切片基本参数如图8所示，为了保证曲轴表面有较好的平整度，层高设置不易过大，综合考虑用0.2mm的层高最适宜；对于填充密度的选择，充分考虑了曲轴的使用性能要求内部不能太空散，否则容易变形，又考虑到打印速度及其轻便性能，因此采用轻巧且受力好的30%填充密度。支撑类型选用“Touching

buildplate”是出于对零件使用性能的考虑，支撑能使零件在实际打印制造过程中不易塌陷变形，否则会影响结构特征，进而影响性能。平台附着类型选用“Raft”是为了防止零件翘边变形。

图8

在文件选项中选择“打开模型或Gcode文件”，从文件夹中选择上述导出的STL文件导入到STUDE-CURA中，调节模型的大小和方向。为了提高实物的表面精度，打印的尺寸不易过小，同时考虑到耗材及时间限制，尺寸也不易过大，综合考虑选择了如图9所示的尺寸大小。曲轴零件的摆放方向采用平躺式，原因是这个零件不论采用哪一种摆放方向，都会产生支撑，而采用平躺式支撑表面相对较少，对后续的清理而言更加方便；更重要的是考虑到FDM型3D的物体有各向异性，采用平躺式打印，打印实体的出丝走位是沿轴向方向的，而曲轴受力主要是切向应力，所以轴向纤维组织能够承受更大的切应力，曲轴的机械性能更好。

图9

2.1 切片文件的导出

参数设置完成后即可选择文件菜单中的“保存为Gcode文件”，即可导出打印机能够读取的切片数据文件。

3 打印实物

将Gcode文件拷贝到TF卡中，插入FDM型3D打印机，设置好3D打印机的参数即可开始打印。待打印结束后，用小刀等工具取下底板上的实体，去除支撑后再加以精加工，即可得到性能良好的发动机曲轴。如图10所示，为打印出的实物效果图。

图10

结论

通过对FDM型3D打印的全过程实际操作，得出了以下结论：

1）3D打印技术使得制造单个零部件，尤其是结构较为复杂的零部件变得简单，不仅大大节省了耗材、耗能，还节省了制造生产的时间，对提高生产效率和节省资源都有很大的帮助。

2）FDM型3D打印最重要的还是三维模型的创建，由于其技术具有一定的局限性，在创建模型考虑模型的外观的可赏性的同时，也需要适当考虑打印的效果，所以需要尽量避免产生难以去除的支撑以及不易打印的特征结构。

3）FDM型3D打印作品的效果受切片参数的设置影响也是很大的，在切片参数的设置的时候应充分考虑零部件的实际因素，包括零部件的精细度的要求、大小要求以及其使用性能要求，设置好切片参数不仅能减少后续二次加工工作量，还能使零部件更好用。