王勇剛 吳學(xué)呈 高文杰 職山杰 黃雙君 高泰

（①蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325；②湖北美術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430060）

3D 打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造技術(shù)，出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代，是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)建立三維模型文件，使用微米級(jí)粉末金屬、光敏樹脂或熱熔線材等，逐層掃描快速打印出零件的技術(shù)[1-2]。其中，熔融沉積型（FDM）3D 打印技術(shù)是當(dāng)前最流行、最具生命力的3D 打印技術(shù)之一[3-12]，在工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而目前市場(chǎng)上基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)多數(shù)只能打印一種或兩種顏色的產(chǎn)品，若想打印彩色產(chǎn)品，則需要在3D 打印機(jī)非工作期間手動(dòng)更換不同顏色的耗材。近年來(lái)許多國(guó)內(nèi)外科研人員先后根據(jù)雙色混合原理[13]，三基色原理[14]和CMY-KW 調(diào)色原理[15]開發(fā)了不同類型的彩色打印機(jī)，常見的多顏色打印方案其共性是：每一種耗材均需要單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行擠出控制，為實(shí)現(xiàn)多種顏色的打印需要增加多個(gè)步進(jìn)電機(jī)。此外，多種顏色耗材的擠出意味著3D 打印機(jī)噴頭也需要增加，增加噴頭會(huì)導(dǎo)致3D 打印機(jī)運(yùn)動(dòng)部分的慣性顯著增大，無(wú)法進(jìn)行高速打印，且增加噴頭對(duì)組裝的要求極高，否則打印出來(lái)的模型很容易產(chǎn)生錯(cuò)層或者斷裂的情況。因此，當(dāng)前基于FDM 的3D打印機(jī)直接成型彩色產(chǎn)品存在成本高、效率低和實(shí)現(xiàn)難等缺點(diǎn)。

多色3D 打印技術(shù)是3D 打印未來(lái)的主要發(fā)展方向之一[16-17]。為了實(shí)現(xiàn)FDM 打印彩色模型的需求，本文通過(guò)分析雙噴頭打印機(jī)的工作流程，基于原有3D 打印控制策略，深入研究并自主設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)多色打印的模組。本款自主設(shè)計(jì)的模組，可以加裝在任意一臺(tái)支持雙擠出機(jī)的普通FDM 3D 打印機(jī)上，使它實(shí)現(xiàn)多種色彩、多種材料模型的高效高質(zhì)量打印。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案可以自動(dòng)切換多種顏色耗材，且具有較高的打印精度及穩(wěn)定性，為普通FDM 打印機(jī)實(shí)現(xiàn)多色打印提供了更加便捷的解決方案。

1 3D 打印機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體組成

目前市場(chǎng)上FDM 3D 打印機(jī)普遍使用的是支持兩個(gè)擠出步進(jìn)電機(jī)的3D 打印運(yùn)動(dòng)控制卡，通常只能支持2 種顏色打印[18-23]，本文基于普通雙噴頭雙擠出步進(jìn)電機(jī)雙色FDM 3D 打印機(jī)，將兩個(gè)擠出步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行功能上的重新規(guī)劃，對(duì)3D 打印運(yùn)動(dòng)控制卡的固件進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出了一款支持在任意雙噴頭3D 打印機(jī)上安裝使用的3D 打印機(jī)多色切換模組。本款3D 打印機(jī)多色切換模組以及相應(yīng)3D打印機(jī)的整體結(jié)構(gòu)主要由3D 打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡、切換系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及擠出系統(tǒng)組成，具體組成框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框架圖

2 3D 打印機(jī)多色切換模組設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本款3D 打印機(jī)多色切換模組主體使用3D 打印技術(shù)制作，模組外部尺寸為350 mm×110 mm×100 mm，可完成擠出、回抽和切換等動(dòng)作指令。將普通雙色3D 打印機(jī)中的2 個(gè)擠出步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行功能上的重新規(guī)劃，分為耗材擠出電機(jī)和耗材切換電機(jī)。耗材擠出電機(jī)主要用于耗材的擠出動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與5 mm 光軸相連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，驅(qū)動(dòng)在同一根軸上的5 個(gè)耗材送絲輪旋轉(zhuǎn)。耗材切換電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與T8 矩形絲杠相連接，使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M移托架沿光軸的直線移動(dòng)，懸浮壓緊軸承壓緊送絲壓力軸承，保證對(duì)應(yīng)耗材可以順利擠出。

本款3D 打印機(jī)多色切換模組整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖2 所示。在保證穩(wěn)定性的前提下，能有效降低設(shè)計(jì)和使用成本，便于組裝、維修，且兼容性好，便于操作人員在3D 打印設(shè)備工作時(shí)實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測(cè)。

圖2 3D 打印機(jī)多色切換模組零件爆炸視圖

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模組整體結(jié)構(gòu)包括耗材擠出電機(jī)、耗材切換電機(jī)、模組擺臂、模組主體、手柄、光軸、絲杠及橫移托架等。如圖3 所示。模組擺臂活動(dòng)連接在模組主體上，光軸、軸承及電機(jī)等零件固定連接在模組主體上。絲狀耗材的擠出控制主要依靠固定在5 mm光軸上的咬絲輪與絲狀耗材咬合來(lái)完成，耗材擠出電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)5 mm 光軸，控制咬絲輪旋轉(zhuǎn)，以此來(lái)擠出或回抽耗材。

圖3 3D 打印機(jī)多色切換模組三維圖

橫移托架為切換模組的核心部件，如圖4 所示，其上下兩端分別安裝直線軸承，可以沿著固定在模組主體上的光軸左右運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)的距離依靠耗材切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)矩形絲杠進(jìn)行控制，懸浮壓緊軸承座與橫移壓緊軸承可以移動(dòng)至任意工位。壓力彈簧提供壓力，使送絲壓力軸承與咬絲輪將耗材壓緊，配合耗材擠出電機(jī)，將所需耗材擠出，達(dá)到切換效果。

圖4 模組橫移托架爆炸視圖

切換模組的橫移托架上有4 根4 mm 光軸，使懸浮壓緊軸承座能夠沿著光軸移動(dòng)，如圖5 所示。在其后依靠強(qiáng)力壓力彈簧來(lái)提供擠出絲狀耗材必要的壓緊力，在懸浮壓緊軸承座的位置，提供了安裝強(qiáng)力壓力彈簧的定位圓柱。

圖5 橫移托架組件

2.3 多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

市面上大部分3D 打印機(jī)只支持單色或雙色打印，相對(duì)應(yīng)的噴頭模組也只支持單或雙送料管的接入[24-28]，因此對(duì)于本款多色切換模組的整體設(shè)計(jì)中，還需要一個(gè)可以將多種耗材送料管合并到一根耗材送料管中的轉(zhuǎn)換器。

圖6 所示為多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器，主要由PC4-M5快速接頭、聚四氟乙烯導(dǎo)料漏斗以及上下部分固定支架組成，其中上、下兩部分固定支架采用3D 打印工藝制作，PC4-M5 快速接頭通過(guò)螺紋安裝在固定支架上、下的安裝孔中，防止送料管的逆向運(yùn)動(dòng)。固定支架中部放置聚四氟乙烯導(dǎo)料漏斗，在固定支架的周圍每隔72°開孔，與送料管氣動(dòng)接頭相接，3D 打印耗材可以以一定角度導(dǎo)入導(dǎo)料漏斗中，并在漏斗中調(diào)整方向，匯聚到同一送料管中，多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器實(shí)物如圖7 所示。

圖6 多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器

圖7 多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖

打印時(shí)，打印機(jī)首先控制耗材擠出電機(jī)將被替換的耗材精準(zhǔn)向后回抽，使其在送絲輪之間，以備下一次使用，又不影響到其他耗材的擠出使用。精確位移量在軟件中設(shè)置。

3 耗材切換工作流程

3.1 3D 打印機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程

為了配合多色切換模組完成耗材的切換，打印多色模型。需要3D 打印機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在切換模組進(jìn)行耗材切換之前，完成一部分的準(zhǔn)備動(dòng)作，避免切換模組發(fā)生斷料、卡料等狀況從而導(dǎo)致切換失敗，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程如圖8 所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程

3.2 多色切換模組工作流程

3D 打印機(jī)多色切換模組主要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使橫移托架左右移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)耗材切換。當(dāng)打印機(jī)需要進(jìn)行耗材切換時(shí)，為了使耗材能夠正?；爻?，打印機(jī)平臺(tái)先下降，下降到位后耗材擠出電機(jī)對(duì)當(dāng)前耗材進(jìn)行回抽動(dòng)作，使其從多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器中的聚四氟乙烯導(dǎo)料漏斗中抽出，回抽到位后，多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器中無(wú)耗材。打印機(jī)控制耗材切換電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠使橫移托架運(yùn)動(dòng)至對(duì)應(yīng)耗材位置處，橫移托架的壓力彈簧提供按壓力，橫移壓緊軸承向模組擺臂施加壓力，使送絲壓力軸承壓緊耗材，通過(guò)送絲輪的旋轉(zhuǎn)將耗材被擠出或回抽。當(dāng)橫移托架移動(dòng)到位后，耗材擠出電機(jī)向前擠出，使耗材穿過(guò)多進(jìn)一出轉(zhuǎn)換器中的聚四氟乙烯導(dǎo)料漏斗，進(jìn)入噴頭模組。完成擠出動(dòng)作后，打印機(jī)即可正常工作。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本款3D 打印機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要采用Hbot 機(jī)械結(jié)構(gòu)，外框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為正四邊體結(jié)構(gòu)，整體框架采用鋁合金型材進(jìn)行搭建，平臺(tái)采用高硼硅玻璃板，設(shè)備外部尺寸為 750 mm× 750 mm × 950 mm，有效打印面積為500 mm×500 mm。通過(guò)鑄鋁角碼與L/T 型不銹鋼板連接成四邊形框架。導(dǎo)軌處預(yù)埋T 型螺母，通過(guò)對(duì)應(yīng)螺絲固定在鋁型材表面，因此設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備能夠滿足打印精度和效率的要求。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖9 所示。

圖9 整機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

4.2 實(shí)物打印測(cè)試

在完成3D 打印機(jī)多色切換模組的運(yùn)動(dòng)及控制邏輯設(shè)計(jì)后，使用Unigraphics NX 三維建模軟件繪制3D 打印機(jī)多色切換模組整體模型。根據(jù)模型圖紙制作了 3D 打印機(jī)多色切換模組硬件實(shí)物，如圖10所示。將3D 打印機(jī)多色切換模組進(jìn)行安裝，對(duì)安裝多色切換模組的3D 打印機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完成后進(jìn)行多色打印測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其主要技術(shù)參數(shù)如圖11 所示。

圖10 3D 打印機(jī)多色切換模組實(shí)物圖

圖11 3D 打印機(jī)參數(shù)

使用Simplify3D 切片軟件進(jìn)行打印參數(shù)設(shè)置，擠出頭1、2、3、4、5 分別對(duì)應(yīng)灰色、紅色、黃色、藍(lán)色和綠色5 種耗材，模型設(shè)計(jì)高度為80 mm，如圖12 所示。打印實(shí)物如圖13 所示，經(jīng)過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量，打印的模型實(shí)際高度為80.2 mm，尺寸誤差較小，打印精度高、表面較為光潔，且打印速度快，約為30 min。由此看來(lái)，使用多色切換模組方案的3D 打印機(jī)可以高效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)高精度多色模型三維實(shí)體快速成型。

圖12 多色模型切片模擬打印示意圖

圖13 多色模型打印實(shí)物圖

4.3 打印試樣粗糙度值測(cè)試

為了探究打印溫度、打印速度對(duì)打印產(chǎn)品質(zhì)量的影響。使用該多色打印模組制備了尺寸為15 mm×5 mm×15 mm 的長(zhǎng)方體試樣，如圖14 所示。在打印時(shí)，長(zhǎng)方體試樣高度方向0～7.5 mm 處使用1 號(hào)紅色耗材打印，長(zhǎng)方體試樣高度方向7.5～15 mm 處使用2 號(hào)綠色耗材打印，從而使試樣在7.5 mm 處產(chǎn)生顏色分層。使用基恩士（KEYENCE)VK-X250K 型激光共聚焦顯微鏡對(duì)長(zhǎng)方體試樣進(jìn)行粗糙度值測(cè)量。

圖14 長(zhǎng)方體試樣

選擇打印溫度為：180 ℃、200 ℃和220 ℃（PLA 材料打印溫度范圍在180～220 ℃）；在保持打印溫度不變的情況下，選擇打印速度分別為：50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s 和200 mm/s，因 此長(zhǎng)方體試樣分為3×4=12 組，為了保證測(cè)試結(jié)果的普遍性，每組分別打印3 個(gè)試樣，共36 個(gè)試樣。

分別在試樣的綠色平面部分以及紅綠換料分界部分進(jìn)行粗糙度值測(cè)量，如圖15 所示。對(duì)每組3個(gè)試樣分別進(jìn)行粗糙度值測(cè)試，取3 個(gè)試樣的平均值作為該組測(cè)量結(jié)果。每種打印溫度和打印速度下試樣的粗糙度值如表1 和表2 所示。發(fā)現(xiàn)：在不同溫度和速度下，換料分界處與平面處粗糙度均有明顯的不同。

圖15 測(cè)量位置

表1 換料分界處粗糙度值 μm

表2 平面處粗糙度值 μm

將表1、表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖16 所示?？梢钥闯龃蛴囟扰c打印速度對(duì)打印質(zhì)量有較大影響，保持打印速度不變，大部分情況下，打印溫度越低，模型的粗糙度值越小，打印質(zhì)量越好。而在保持打印溫度不變時(shí)，模型的粗糙度值并不與打印速度成正比，在打印速度為100 mm/s 時(shí)，粗糙度值較大，打印質(zhì)量差，打印速度為150 mm/s 時(shí)，打印質(zhì)量有較大的改善。打印溫度設(shè)定為180 ℃，采用200 mm/s的打印速度時(shí)，模型表面粗糙度值較小，打印精度較高。當(dāng)溫度達(dá)到180 ℃時(shí)耗材冷卻速度更快，固化效果更佳，此時(shí)較高的打印速度能在凝固完成之際，使打印層之間快速粘合，從而有更小的粗糙度。

圖16 換料分界處粗糙度與平面處粗糙度比較

5 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)多色彩三維實(shí)體快速成型，本文基于熔融沉積成型（FDM）雙噴頭3D 打印機(jī)，設(shè)計(jì)了一款支持在任意雙噴頭3D 打印機(jī)上安裝使用的多色切換模組。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安裝調(diào)試和多色三維模型打印測(cè)試實(shí)驗(yàn)，探究了打印溫度、打印速度對(duì)多色打印產(chǎn)品表面粗糙度的影響，在合理打印溫度范圍內(nèi)，溫度設(shè)定為180 ℃，采用200 mm/s 的打印速度時(shí)，模型表面粗糙度值較小，打印質(zhì)量較高。該3D 打印機(jī)多色切換模組可以精確、穩(wěn)定及高效地實(shí)現(xiàn)多種顏色的換色打印，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)FDM 3D打印機(jī)的不足，為FDM 多色3D 打印提供了新的實(shí)現(xiàn)方法。