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需求背景

目前，制造业已面临全新改造升级，智能制造已经成为这个时代的大趋势。3D 打印技术在这种时代背景之下，俨然成为一颗闪耀的新星。3D打印技术基于“离散”思想，采用自下而上的逐层累积的方式，实现零件成型，这种技术属于增材制造。而传统的制造加工技术，大部分都是车、铣、刨、磨等工艺，传统工艺工序流程多，加工周期长，且无法加工较复杂的曲面零件。

目前，3D打印设备仍没有得到普及，主要是在高校、科研机构以及一些企业内使用。3D打印技术发展受到很多限制，其中一个主要原因就是材料问题。3D打印材料根据化学组分大体上可以分为有机高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料，其种类少、质量有差距，产值规模小。因此，加强 3D 打印材料的研究，是3D 打印技术突破的一个十分重要的方向。

需解决的主要技术难题

为克服3D打印材料根据化学组分大体上可以分为有机高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料，其种类少、质量有差距，产值规模小等问题，现需解決的主要技术难题：

1、对高分子金属复合材料 3D 打印设备进行结构的初步设计，将整套设备分成机身、传动机构、挤出系统三大模块，并分别就其展开分析设计。机身设计主要是确定机身的结构框架与尺寸；传动机构针对传动方式、运动方式进行设计；而挤出系统主要就挤出方式、送丝机构及其温度控制装置进行分析设计；

2、对 3D 打印设备的关键零部件进行计算校核，并确定其使用型号。然后通过ANSYS Workbench 分析软件对 3D 打印设备进行有限元分析，主要包括静力学分析与动力学分析。静力学分析主要分析其关键零部件的应变应力，得到应变及等效应力云图。动力学分析先对该设备进行模态分析，然后在模态分析的基础上进行谐响应分析，研究该设备在激励响应下的动力学特性；

3、对 3D 打印设备的控制系统进行设计。主要分为硬件电路设计和控制算法设计。首先确定硬件电路的设计方案以及元件型号，采用模块化的思路，将整个硬件电路分为几个子模块，并分别就其分析设计。控制算法则重点研究温度控制与电机速度控制，将温度控制设计成 PID 控制，而步进电机的速度控制采用直线与指数曲线相结合的方法；

4、对 3D 打印设备进行优化设计并实验调试。根据前文对 3D 打印设备的有限元分析结果，对 3D 打印设备的关键零部件进行轻量化设计。针对传统的 PID 控制，加入了模糊控制，采用模糊 PID 控制，提高温度控制精度。最后对 3D 打印设备进行安装调试，并采用不同的参数研究该设备的打印精度，还尝试打印一些结构较为复杂的零部件，验证该打印设备的工作效果。 

期望实现的主要技术目标

1、所开发的高分子金属复合材料3D打印设备，设备的固态频率为 0-60Hz，而谐响应分析得到的位移-频率曲线表明，该设备在外界干扰下，位移变化量较小，最大也就mm；

2、所开发的高分子金属复合材料3D打印设备，质量由320.54kg减轻为248.87kg，减重22.3%。而温度控制采用模糊PID控制，加热到230℃为40s，超调量为2.3%，稳态时间为130s；

3、挤出喷嘴温度为 225℃、分层厚度为 0.1mm、填充线宽 0.6mm、打印速率为 30mm/s 时，制品成型精度较好。

需求解析

解析单位：江苏省徐州市 解析时间：2022-10-26

阎恒

江苏创导光电新能源有限公司

研发部部长兼技术经理人

综合评价

通过描述，在对 3D 打印设备的关键零部件进行计算校核，并确定其使用型号。然后通过ANSYS Workbench 分析软件对 3D 打印设备进行有限元分析，主要包括静力学分析与动力学分析。静力学分析主要分析其关键零部件的应变应力，得到应变及等效应力云图。动力学分析先对该设备进行模态分析，然后在模态分析的基础上进行谐响应分析，研究该设备在激励响应下的动力学特性方面，这些技术市面上已经可以达到，可以直接使用现实的技术。其他方面需求通过推荐行业专家来进行解决。 该需求没有明确企业是想购买需求还是想要合作购买产品，此方面没有明确，我给出的建议是让企业购买专家技术咨询，这样让公司的工作人员结合专家的指示来做比较节省成本，大概需要十万元左右。 最后，该需求要实现的目的还是非常好的，可以有效的节省成本，对比传统工艺技术，提升了质量和性能，带来的各方进步可以促使产品带来更好的升级，进一步增加营收，带来经济税收的进一步发展，有益于社会。

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