蔡子灝，朱冠華

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

基于改進(jìn)噴頭的FDM型彩色3D打印研究

蔡子灝，朱冠華

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

隨著FDM型3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對其打印色彩方面的需求不斷提高，但由于成本高、質(zhì)量低這一技術(shù)難點，使得當(dāng)前的FDM型3D打印機(jī)至今沒有實現(xiàn)彩色(混色)打印。針對時下家用FDM型3D打印機(jī)，通過調(diào)整打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)，改變現(xiàn)有的單色擠出噴頭設(shè)計，改進(jìn)g代碼切片的運(yùn)算控制，自行設(shè)計了一種通過改良的擠出噴頭進(jìn)行混色打印的新型3D打印裝置，通過精確調(diào)節(jié)進(jìn)料量和進(jìn)料時間運(yùn)算能顯著改善混色打印的質(zhì)量。

FDM型3D打印；彩色打??；混色方法；噴頭設(shè)計

目前流行的3D打印技術(shù)是一種在計算機(jī)中將三維stl代碼文件數(shù)字化切片處理后，利用編碼后逐層增材冷卻定型的技術(shù)直接制造出所需物品，從而擺脫傳統(tǒng)模具的約束實現(xiàn)快速而整體的成型，可以說是當(dāng)前智能制造領(lǐng)域非常有發(fā)展前景的一種熱門技術(shù)。當(dāng)前的3D打印技術(shù)按照材料的劃分主要分為:金屬材料打印，熔融冷卻的熱塑性材料打印，無機(jī)粉末材料打印，特殊材料(紙質(zhì)、硅膠等)。本文主要研究當(dāng)今市面上最流行的FDM型3D打印機(jī)，其基本的原理是:將熱塑性材料在打印噴頭的輸入管道內(nèi)按一定溫度加熱成熔融狀態(tài)，在送料機(jī)構(gòu)的作用下，熔融的熱塑性材料被從擠出噴嘴處擠壓出，打印噴嘴按G代碼切片中設(shè)定的三維路徑運(yùn)動，將可熔性熱塑性材料層層疊加并最終在室溫下冷卻，直接形成三維實體。

1 彩色3D打印的研究概況

彩色打印可以直接產(chǎn)生制品外觀色彩，比起單色打印更有優(yōu)勢，然而這也是FDM型3D打印機(jī)研究難點所在。現(xiàn)在市面上幾乎沒有能實現(xiàn)混色打印的3D打印機(jī)，主要有以下原因：第一，市場普遍無法接受高成本的彩色3D打印。第二，開源RepRap3D打印技術(shù)算法落后，不支持3D彩色打印。第三，單噴頭彩色打印的不穩(wěn)定性，色彩質(zhì)量無法精確控制。第四，人工上色仍然是最優(yōu)選擇。因此市面上的打印機(jī)大多都是單噴頭的單色層打印，無法進(jìn)行調(diào)色和混色，更難以打印漸變色物件。

對于彩色3D打印的研究，當(dāng)前比較典型的研究成果有：韓善靈等[1]提出TRIZ混色3D打印噴頭裝置的創(chuàng)新設(shè)計，并通過UG的有限元模塊進(jìn)行了溫度場模擬和驗證，為雙進(jìn)單出的擠出噴頭提供了理論依據(jù)；楊來俠等[2]提出了3D打印成型技術(shù)的色彩漸變插值法，這是一種基于三原色原理的混合色系統(tǒng)，使得實體內(nèi)部色彩漸變有了新的進(jìn)展；陸敬仁等[3]在其發(fā)明專利中，選用ABS感光材料，通過感光原理與3D打印同步進(jìn)行實現(xiàn)真彩色打印，但這種間接的思路也有其選材的局限性。工業(yè)級的3D打印機(jī)，例如:德國計算機(jī)圖形研究所的Alan Brunton紫外光固化體素打印機(jī)，可以通過墨水液滴滲透進(jìn)入粉末材料實現(xiàn)像素點形式的打印，是一種稱為半色調(diào)的二維技術(shù)的三維應(yīng)用。盡管這是一種突破，然而極高的成本和笨重的設(shè)備使其無法推廣。

因此，針對最常見的熔融沉積型3D打印機(jī)，研究其色彩添加方法及實現(xiàn)設(shè)備，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。為此，本文擬圍繞此研究主題，研發(fā)一種可根據(jù)三原色調(diào)色原理實現(xiàn)彩色3D打印的熔融線材擠出噴頭，并將其應(yīng)用于開源熔融沉積型(FDM型)3D打印機(jī)，實現(xiàn)其熔融線材的整體混色。

2 基于三原色原理的FDM型3D打印機(jī)噴頭改進(jìn)

FDM型3D打印機(jī)噴頭是實現(xiàn)彩色3D打印的關(guān)鍵技術(shù)，也是影響彩色3D打印質(zhì)量的關(guān)鍵部件。

2.1 FDM型3D打印機(jī)噴頭改進(jìn)方案

根據(jù)相關(guān)資料[4]提出了一種多色混合的FDM型3D打印機(jī)噴頭設(shè)計方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該噴頭可以同時做到多色(4色)混色，包括中空的耗材混合腔，耗材混合腔的頂部設(shè)置有混合腔頂蓋，底部設(shè)置有打印噴嘴，耗材混合腔的底壁設(shè)置有加熱溫控器。所述耗材混合腔的腔壁開有4個進(jìn)料槽，每個進(jìn)料槽內(nèi)均設(shè)置有1根進(jìn)料管道，每根進(jìn)料管道的輸出端位于耗材混合腔內(nèi)，輸入端與1臺耗材送料器相連。

圖1 多色混色噴頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Multi-color mixing nozzle structure diagram

這種用于彩色3D打印機(jī)的打印噴頭，包括中空的耗材混合腔(8)，耗材混合腔(8)的頂部設(shè)置有混合腔頂蓋(3)，底部設(shè)置有打印噴嘴(7)，耗材混合腔(8)的底壁設(shè)置有加熱溫控器(6)。耗材混合腔(8)的腔壁開有4個進(jìn)料槽，每個進(jìn)料槽內(nèi)均設(shè)置有1根進(jìn)料管道(5)，每根進(jìn)料管道(5)的輸出端位于耗材混合腔(8)內(nèi)，輸入端與1臺耗材送料器(4)相連。

混合腔頂蓋(3)的頂部設(shè)置有1臺色彩比例配置精確送料控制器(2)，所有耗材送料器(4)均與色彩比例配置精確送料控制器(2)電連接?；旌锨豁斏w(3)的底部設(shè)置有1根混合螺桿(9)，混合螺桿(9)的一端穿過混合腔頂蓋(3)后與1臺傳動裝置(1)固定，另一端穿過耗材輸入腔(8a)、耗材融合管(8b)后，位于打印噴嘴(7)內(nèi)。

耗材混合腔(8)包括耗材輸入腔(8a)和耗材融合管(8b)，耗材融合管(8b)的輸出端與耗材輸入腔(8a)連通，輸入端與打印噴嘴(7)連通。

耗材輸入腔(8a)的橫截面為圓形，其半徑大于耗材融合管(8b)的管徑。4個進(jìn)料槽開于耗材輸入腔(8a)的腔壁，所述加熱溫控器(6)位于耗材融合管(8b)的外壁底部。

打印噴頭材料絲牽引裝置優(yōu)選為步進(jìn)電機(jī)，控制算法中設(shè)置兩個進(jìn)料口的步進(jìn)電機(jī)速度變化參數(shù)有助于進(jìn)料量的粗略控制。

2.2 用于實驗的簡化版雙進(jìn)單出噴頭設(shè)計方案

為了驗證上述設(shè)計方案的可行性，限于實驗成本，我們簡化了上述的噴頭設(shè)計方案，設(shè)計了一種只能做雙色混合的彩色3D打印機(jī)雙進(jìn)單出噴頭設(shè)計方案，如圖2所示。

圖2 用于實驗的雙進(jìn)單出噴頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the double inlet and outlet nozzle used in the experiment

3 基于改進(jìn)噴頭的彩色3D打印實驗

根據(jù)上述提出的簡化版雙進(jìn)單出噴頭設(shè)計方案，我們對單色3D打印機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)及彩色3D打印實驗，具體實驗方案如下。

3.1 實驗設(shè)備及組件參數(shù)

實驗主要以Glitar系列3D打印機(jī)為主要實驗設(shè)備，運(yùn)用簡化版的雙進(jìn)單出實驗噴頭進(jìn)行實際打印，Glitar系列與三角形開源3D打印機(jī)不同是有更復(fù)雜的組成：鈑金框架、18套支架、雙擠出滑塊、雙擠出擠出塊、X軸固定皮帶、電路板、XYZ三軸電機(jī)、4塊中央滑塊、從動輪固定裝置、限位器、擠出噴頭組件、軸直線導(dǎo)軌、顯示屏、溫控系統(tǒng)組成。熱床移動是沿Z軸移動的，物體定在熱床上不會有XY軸方向的移動，XY軸移動由擠出噴頭完成，比起開源三角形打印機(jī)，不必?fù)?dān)心物體的滑移。而且由于只需對噴頭做XY軸移動，減輕噴頭移動慣性就可以調(diào)節(jié)打印精度。

Glitar系列3D打印機(jī)相關(guān)組件的參數(shù)如下：

a.光桿：Z向光桿650mm D=15mm；X向光桿580mm D=0.8mm

b.螺桿：Z向650mm M18

c.熱敏電阻：考慮到常用的材料PLA打印溫度(220℃)，ABS打印溫度(230℃)。

d.熱敏電阻選擇AYN-MF59-104-3950FB-1.8,頭部尺寸1.8mm。

e.熱床：實驗時為防止打印PLA、ABS原料時產(chǎn)生翹邊，選擇加熱溫度范圍在120℃之內(nèi)即可。因此選用成本較低且符合要求的MK2A熱床。

f.電源：洪鉻S-360-2A 110/220v AC 50-60HZ

g.限位器：1A 125V AC

h.步進(jìn)電機(jī)選擇：LD MK8 Extnider(positive) 2mm

3.2 3D打印模型切片及加工代碼

Glitar系列3D打印機(jī)運(yùn)用的三維軟件是Repetier-Host，因內(nèi)置Slic3R切片軟件不兼容雙色混色打印，因此選擇CuraEngine作為切片軟件將準(zhǔn)備好的stl三維文件生成G代碼開始自動切片(如圖3所示)，最終編碼goced文件，我們可以逐層觀察切片，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)出料噴頭實現(xiàn)雙色打印。但目前簡單雙色打印還不能將一個模型混色打印，因為一個模型只能定義一個打印頭。若需要打印出多色效果，必須將一個模型分割成幾個部分，再堆疊起來，定義不同的打印頭才可以打印。

圖3 切片效果圖Fig.3 Section effect chart

3.3 雙混色簡化版彩色3D打印的參數(shù)設(shè)定

以常用的PLA、ABS線材為3D打印實驗材料，通過多次調(diào)試，我們得出了如下雙混色簡化版彩色3D打印的相關(guān)參數(shù)。

a.層厚：影響打印精度?；焐蛴r需作混色精度與打印時間的矛盾分析：層厚大，打印速度快，精度低，顏色混合不均，產(chǎn)品質(zhì)量粗糙；層厚小打印速度慢，精度高，混色均勻。多次實驗后我們選擇0.1為最佳層厚。

b.回退抽絲：可防止拉絲漏絲現(xiàn)象，通常選擇打開。

c.填充密度設(shè)定：根據(jù)打印的時間要求折中設(shè)置為30%，數(shù)值越大，填充越密。

d.打印速度：因打印簡單機(jī)件，切片路徑簡單，可稍微提高打印速率，引起的送料不足需加溫補(bǔ)償。

e.打印溫度：材料熔融至理想混色黏度所使用的溫度，PLA溫度設(shè)定為220℃(提速補(bǔ)償后)，ABS溫度則設(shè)定為240℃(提速補(bǔ)償后)。

f.熱床溫度：可防止ABS樹脂翹邊，PLA溫度設(shè)定為50℃，ABS設(shè)定為110℃。

完成上述參數(shù)設(shè)定后，我們就可以進(jìn)行PLA、ABS線材預(yù)熱(PLA預(yù)熱至230℃，ABS預(yù)熱至250℃)，開始雙混色3D打印。

4 實驗結(jié)果與討論

根據(jù)上述基于簡化版雙進(jìn)單出噴頭的簡化版彩色3D打印實驗方案，我們可打印PLA、ABS等常用的耗材，打印結(jié)果如圖4所示(圖中，外圈為深綠色，里面圖案為淺藍(lán)色)。進(jìn)行雙混色3D打印時，必須通過CuraEngline打印設(shè)置調(diào)節(jié)進(jìn)料口1和進(jìn)料口2的進(jìn)料速度，才能完成漸變色打印。

圖4 雙混色3D打印的浮雕Fig.4 Double-color mixture 3D printing relief

通過多次實驗，我們發(fā)現(xiàn)這種基于多進(jìn)單出噴頭的彩色3D打印機(jī)不足之處：無法解決色彩精度與均勻度的矛盾；增加色彩精度意味著需要縮小中空混合腔體積，但微體積的中空混合腔無法混合均勻(如圖5所示)，仍會有色塊滯留存在且工作效率低；增大中空混合腔會導(dǎo)致色彩與色彩之間部分界限模糊漸變，只適用于色彩界限不分明的打印物。

圖5 混色不均勻示意圖Fig.5 Uneven color mixing diagram

當(dāng)中空混合腔體積減小時，會出現(xiàn)混色不均的現(xiàn)象，可以通過降低打印速度或通過內(nèi)置螺桿高速攪拌、略微升高噴頭溫度等解決。但這會大大提高打印的成本和時間，而這也是多進(jìn)單出混色打印的矛盾之一。

5 結(jié)語

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印機(jī)逐漸取代傳統(tǒng)模具工業(yè)也是大勢所趨，而改進(jìn)當(dāng)前最為實用的FDM型3D打印機(jī)，將其升級為3D彩色打印更是當(dāng)前研究的難點及熱點。實驗表明，基于雙進(jìn)單出噴頭的彩色3D打印機(jī)可以完成產(chǎn)品的部分混色工作，但在色彩添加質(zhì)量及其穩(wěn)定性方面，仍然存在不少有待解決的問題。在未來會對中空混合腔做更多的改進(jìn)，以解決縮小混合腔體積造成的打印混色精度與混合均勻程度之間的矛盾。

[1] 韓善靈，李志勇，肖宇，等.熔融沉積成型3D打印機(jī)混色裝置的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2015，(11):116-118.

[2] 楊來俠，池雄飛，張寧芳. 三維打印快速成型技術(shù)的色彩漸變插值方法[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2009，(02): 214-218.

[3] 陸敬仁.使ABS料3D打印件表面生成與模型相同的色彩的一種方案[P].201310236686.X.

[4] 羅文.一種用于彩色3D打印機(jī)的打印噴頭[P]. ZQ152-0228.

Research on FDM-type 3D printing based on the improved nozzle

CAI Zi-hao, ZHU Guan-hua

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

With the rapid development of FDM-type 3D printing technology, people′s demand for color printing has been increasing. However, the current FDM-type 3D printer has not realized color (blending) print due to its high cost and low quality. By modifying the overall structure of the printer, changing the existing monochrome extrusion nozzle design and improving the g code slice computing control, it has designed a new type of 3D printing through the improved extrusion nozzle printing device, which can significantly improve the quality of mixed-color printing by precisely adjusting the feed-in amount and feed-in time.

FDM-type 3D printing; Color printing; Color mixing method; Nozzle design

2016-10-11

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(攀登計劃)資金項目(pdjh2016b0333)

蔡子灝(1995-)，男，在讀本科生。

朱冠華(1979-)，男，碩士，高級工程師。

TP334.8

B

1674-8646(2016)22-0016-04