第一章 绪论
1.1 引言
本课题来源于 3D 打印服务企业，旨在解决 FDM 型 3D 打印机在打印过程中遇到线材续接的问题。3D 打印是一种快速成型制造技术，正是数字控制技术和传统制造业的有效结合，具有良好的发展潜力和广阔的应用前景。3D 打印也是绿色革命的关键技术，正在重新塑造产品的生产、分配、消费方式，对人们的生活产生重大影响。据《福布斯》杂志的报道，2017 年，全球有一半以上的制造业企业提高了在 3D打印技术上的投入，在 3D 打印行业中有 95%的从业者认为 3D 打印技术的是企业的核心竞争力。伴随着中国制造 2025、工业制造 4.0 的不断推进，该技术已广泛地被应用在生产制造领域[1][2]。
3D 打印又称为增材制造，是综合运用计算机软件、材料、机械等多个领域的知识而产生的新兴技术。它以粉末金属、陶瓷、聚合物和复合材料等为材料，选择性地黏结，逐层堆积生成三维实体。目前国际上最成熟的 6 种打印工艺分别是：熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结 (SLS) 、立体光刻（SLA）、选择性激光熔化 (SLM) 、叠层实体制造 (LOM) 、三维打印与胶粘（3DP）[3]。上述六种打印工艺原理上相似，但使用的范围和所使用的材料属性不一样，而且部分材料价格昂贵， 导致 3D 打印技术应用存在一定的局限性和发展的迟滞性[3]。
熔融沉积成型（FDM）是 3D 目前常用于桌面级打印，应用的材料主要是高分子聚合物类，例如常见的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）树脂和聚乳酸（PLA）两种材料。其中聚乳酸的应用范围最广，是一种生物可降解绿色环保材料，具有良好的抗拉强度和延展性。
塑料及其合成材料的连接方式主要有三种：机械固定、粘合剂连接和焊接。机械连接容易破坏原有零件的机械性能，适用于连接质量要求低的场合。粘合剂连接质量不稳定，操作费时，而且容易挥发有毒气体。塑料焊接方式因其连接性能接近母材、刚度强、时效时间长、易于实现自动化等优点，在塑料制作工业中应用广泛。
...........................
1.2 研究背景
FDM 3D 打印是一种快速成型制造技术，由于其成型速度快、成本低、成型过程无污染，适合办公环境使用等优点，已广泛地应用于产品设计、模具设计与制造、医学研究与应用、文化艺术等各个领域[4]。
FDM 打印机工作时，热塑性线材由供丝机构送至热熔喷头，被加热至熔融态，然后从喷嘴挤压出来，在计算机的控制下，根据产品的截面轮廓信息，有选择性地涂覆在工作台上，当一层截面成型完成后工作台下降一定的高度，再进行下一层的熔覆，循环累加，最终形成产品的 3D 模型。
当前全球 3D 打印行业的发展主要的材料有 PLA、ABS、Standard Resin 等。其应用最为广泛的是 PLA 材料，应用占比为 37.1％，其次为 ABS 材料占比为15.5％。PLA 是一种可降解、对环境友好的脂肪族聚酯类高分子材料，具有良好的化学惰性和生物相容性，用这种材料打印出的产品表面光滑、精度高，在 3D 打印产品原型制作、模具制造、生物医用材料制备、生物组织工程支架制造及 3D 打印机家庭化方面有着重要的应用[5]。
..........................
第二章 熔接机焊接工艺
2.1 设计背景与技术难点
2.1.1 设计背景
课题来源于校企合作项目，旨在解决 FDM 型 3D 打印机线材续接的问题。本课题拟采用非接触式激光焊接工艺，设计一种线材熔接机，适用于材料种类和颜色相同或相近，同径线材的焊接，最后得到一根加长的线材，避免 3D 打印过程中因耗材续接不及时而引起的产品质量缺陷，提高打印质量和效率，解决同种耗材多色打印的问题，减少耗材的浪费。
待熔接件为大长径比线材，易弯曲，常用材料为 PLA 和 ABS，本文针对 PLA线材开展研究，取其直径为 1.75/2.85mm。焊接形式为对接焊，
PLA 的主要物理性能参数如表 2.1 所示，改性 PLA 的机械性能如表 2.2 所示，本装置需要满足下述要求：焊缝外径不超过线材直径的 1.15 倍，外观无明显焊瘤，断裂强度不低于10MPa，装夹方便，焊接过程一键式启动，焊接周期不超过 10s，关键焊接参数可调。
研究表明，目前市场上使用的 FDM 型打印机用 PLA 线材拥有良好的热稳定性、流动性和较高的拉伸强度[20]。
...........................
2.2 激光焊接理论
2.2.1 激光焊接基本原理
激光焊接塑料有两种方法：非接触激光焊接和激光透射焊接。非接触焊接就是利用激光作为热源使塑料加热、软化（形成熔池）然后切断热源，塑料开始冷却（塑料开始凝固、固化），在一定的预压力下实现激光的焊接。按焊接熔池的形成机理分，非接触激光焊接又可分为: 热传导焊接和深熔( 小孔) 焊接[21]。热传导焊接方式主要是考虑材料本身的热传导作用，从热量高的地方向材料内部热量低的地方扩散，材料受热融化产生熔池，这种方式不发生汽化现象，焊接速度低，常用于金属薄板和塑料的焊接。如图 2.4 所示。深熔焊由于热流密度大，材料受热急剧膨胀或汽化，焊接过程易产生大量等离子体，熔池中心容易出现小孔现象。这种焊接方式由于热流密度大，焊接速度快，能焊透工件，适用于金属焊接。
...............................
3.1 熔接机总体系统设计分析 .......................... 25
3.1.1 焊接功能需求分析 ..................... 25
3.1.2 工艺过程 ...................... 26
第四章 熔接机功能设计 .............................. 31
4.1 夹具子系统设计 .................... 31
4.1.1 夹具子系统结构设计 ......................... 31
4.1.2 夹具子系统电机选型 .................. 32
第五章 原理样机验证 ........................ 49
5.1 试验准备 ........................... 49
5.2 试验过程设计 ........................ 51
第五章 原理样机验证
5.1 试验准备
实验本实验所要用的线材熔接机已经安装调试完成，整机实物图如图 5.1 所示，基本参数见表 5.1 所示。
.........................
第六章 总结与展望
6.1 总结
本文针对 FDM 型打印机 PLA 线材的特点，以激光非接触式透射焊接技术为理论基础，设计了设计一台 FDM 型 3D 打印机线材激光熔接机，该装置适用于相同或相近热塑性、不同颜色、同线径线材焊接，最终得到一根加长的线材，用于满足快速成型的需要。本文主要工作如下：
（1）通过研究课题和塑料焊接背景，提出了塑料焊接的优势，研究分析了国内外塑料激光焊接工艺和设备研发现状。
（2）分析课题研究的背景与难点，提出了解决 PLA 线材熔接的方案，介绍激光透射焊接原理、常见的焊接方式及其优缺点，分析了影响塑料焊接质量的几个工艺参数，通过 ANSYS 软件对塑料激光焊接进行了温度场分析，仿真结果表明：当P<3W，则焊接的时间 T 就要增加，这不利于控制整机熔接的效率；如果 P>3W，则线材温度上升过快，容易造成大面积的材料热分解，焊接质量难控制；因此确定参数 P=3W 和 T=3s 为熔接机最主要的两个参数，此组参数作为熔接机设计、制造及在实际操作中的参考。
（3）根据非接触式激光透射焊接原理，对熔接机进行了总体方案系统设计，设计中采用分析方法，首先对设计需求进行功能分析，其次对线材焊接工艺过程进行分解，并依此划分了子系统，之后综合各个系统的解决方案，确定了熔接机的系统方案，结合第二章的内容，确定了熔接机的基本设计参数。
（4）设计了各个功能子系统，重点对夹具子系统、进给子系统、机架子系统部分进行结构设计，完成了光路子系统和控制子系统中激光发生器、单片机开发板、红外测温传感器、触摸屏等关键元器件的选型,并制作了一台原理样机。
参考文献（略）