目前FDM(Fused Deposition Modeling)3D打印技术正朝着精密化、智能化、通用化等方向发展,其高速、高精的发展趋势,对FDM 3D打印机结构设计提出了更高的要求,以保证FDM 3D打印机有良好的静动态特性。本文以K1000工业级FDM 3D打印机为研究对象,围绕以下关键问题展开理论与试验研究:1.开展FDM打印机刚柔耦合多体动力学仿真研究,分析关键部件变形、惯性以及喷头材料对打印机运动精度的影响。结果表明:高速、高加速打印过程中,部件的变形引起的运动误差不可忽略;惯性导致X、Y轴打印过程中存在打印误差;喷头材料不同会引起打印机的动态响应差异。2.进行FDM打印机静动态特性及影响因素分析。考虑滚动结合面的影响,建立打印机执行机构的有限元模型。利用模态分析方法得到3D打印机的固有频率和振型,通过谐响应分析得到打印机固有频率所对应的频响曲线,研究分析打印机的喷头位置和横梁材料属性对打印机静动态特性的影响。3.进行FDM打印机相关试验研究。通过锤击法模态试验获得了横梁系统的6阶模态参数,与有限元分析结果对比,验证有限元建模的合理性。通过加速度测试,获得几种典型工况下系统的加速度时域图和频域图,得到打印机的主要频率成分,验证了动力学模型的合理性。4.完成FDM打印机横梁的结构优化。首先通过拓扑优化方法获得横梁的初步优化结果,然后通过尺寸优化方法,获得具体的横梁尺寸参数。将优化后的模型和原模型进行对比,相比于原模型优化后的模型质量减轻6.1%,静动态特性也得到一定的改善,结果表明,取得了良好的优化效果。