彩色3D FDM打印關鍵基礎技術

(陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300)

彩色3D FDM打印關鍵基礎技術

劉偉

(陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300)

針對彩色3D FDM打印關鍵基礎技術，從研究現狀、成形精度和存在問題等方面進行探討，著重對多噴頭聯動控制、掃描路徑規劃、工藝參數優化、表面精度提高、內部質量等方面進行探索，致力于開發具有自主知識產權的彩色3D FDM打印快速成形設備。

彩色3D打印；增材制造；關鍵技術；FDM。

0 引言

3D打印增材制造（Additive Manufacturing AM）技術是一種基于離散-堆積原理制造，通過計算機控制，把3D CAD模型進行切片處理，得到層面輪廓數據信息，然后由層面數據進行逐層增材成形，最終得到三維實體零件的一種AM技術[1]。AM技術已經在航空航天、醫療、生物、日常生活等方面有廣泛應用[2-3]。

1 3D打印技術類型

目前主流的3D打印技術[4]有很多種，其中以激光為熱源，用來制作樹脂件的是光固化成型（Stero-lithography Apparatus，SLA）技術；用來成形金屬件主要有疊層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）技術，選擇性激光燒結（Selective Laser Sintered，SLS），以及選擇性激光熔化（Selective Laser Melted，SLM）等；而采用其它方式為熱源的還有熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling，FDM)技術，3D打印(Three Dimensional Printing，3DP )技術、沖擊微粒制造(Ballistic particle Manufacturing，BPM )以及實體磨削固化(Solid Ground Curing，SGC)等。熔融沉積制造FDM技術同SLA，SLS和 LOM快速成形技術相比，采用加熱鋁塊為熱源，因此具有設備價格低、運行和維護成本低等優點。而彩色3D FDM增材制造技術具有成形材料種類多，配置多噴頭可以實現彩色打印等優勢，簡易打印裝置如圖1所示，打印零件如圖2所示。該技術操作簡單、成形速度快、制件精度高、成形過程無污染，適合辦公室環境使用[5-8]。

圖1 彩色3D打印裝置

圖2 彩色3D打印零件

2 彩色3D 打印熔融沉積（FDM）技術發展趨勢

（1）成形環境好。由于設備在成形過程中沒有噪聲以及化學污染，而且設備體積體積小，可以實現桌面打印，即用即打，很適合家庭及辦公室使用。

（2）設備操作簡單。隨著計算機的越來越快發展，只要用三維的軟件設計好成形零件，按照程序軟件設置相應參數，就可以實現打印，因此對操作人員要求越來越低，基本采用“一鍵式”操作。

（3）成形材料及成形設備價格低廉。成形設備已經實現產業化，成形材料原來越好獲取，因此用戶大大擴大，中小型企業甚至家庭都可以承擔。

（4）多噴頭可以實現打印效率的成倍增長。為了提高打印的效率，可以同時采用多個噴頭，分別使用不同的顏色，實現彩色打印。而且制件的表面精度和內部質量不斷提高，不僅可以用于外觀驗證、裝配及功能測試，可以當做功能件直接使用。

綜上所述，彩色3D FDM打印技術已經被公認為增材制造領域內應用面最廣的技術之一。但是目前大多還停留在單色打印（單色零件（如圖3所示）），隨著人們需求的增加，彩色3D打印技術將具有良好的發展潛力和廣闊的應用前景，而其對應的關鍵技術也將成為重點研究方向[9-16]。

圖3 彩色打印裝配零件

圖4 彩色3D FDM 打印原理

3 彩色3D 打印熔融沉積（FDM）技術擬解決的關鍵問題

基于3D打印增材制造技術的發展現狀以及我國目前發展的趨勢，本文主要針對彩色3D FDM技術的發展趨勢以及關鍵技術，設計了多個打印頭按需打印不同顏色的材料（如圖4所示)，通過對熔融沉積固化機理等的研究，致力于開發具有自主知識產權的經濟型彩色3D打印增材制造設備，具體解決的關鍵問題如下[17-18]:

（1）對不同材料打印頭的工作特性進行分析，為熔融沉積打印設備打印噴頭的選型提供依據。

（2）打印過程中，各個參數的匹配及優化。在成形過程中，應使各個參數協調一致且參數達到最優匹配，為開發出具有自主知識產權新型彩色3D打印增材制造設備奠定了基礎。

（3）不同顏色樹脂的固化和熔合。這就需要了解不同材料的固化原理，固化時間以及成形參數。對這些影響因素的研究能解決好設備工藝設計問題；同時研究不同材料沉積時，影響穩定性的各種因素，為提高成形精度和噴頭使用壽命，降低成形成本提供依據。

其中關鍵技術為：

（1）多噴頭的聯動控制。成形制件采用不同的材料，就必須需要多個噴頭，一個噴頭擠出一種材料，這就需要多個噴頭的運動控制以及對不同材料打印頭的工作特性進行分析，為熔融沉積打印設備打印噴頭的選型提供依據。

（2）不同材料的融合、鋪展等的特性。對不同材料在成形面上的沉積、鋪展和再融合過程進行理論分析與研究，為彩色3D打印設備中打印分辨率的確定提供理論依據。

4 結束語

通過對彩色3D FDM打印技術的發展趨勢以及擬解決的關鍵問題進行剖析，旨在開發一種低成本、經濟型的3D快速成形設備。開展這方面的工作對于發展我國的3D打印技術，開發我國自主知識產權的三維打印系統，以先進的功能、低的系統成本，擴大快速成形技術在我國制造業中的應用，提高我國制造業在國際上的競爭力具有重要意義，同時也將打破國外廠商在此行業的壟斷地位。

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The key basic technology of color 3D FDM

LIU Wei
(Shaanxi institute of technology，Xi′an 710300,Shaanxi,China)

This article key basic technology for color 3D FDM print, from the current research status and forming precision and existing problems of research, much of nozzle linkage control, scanning path planning, process parameter optimization, surface accuracy and exploration on the aspects such as internal quality, committed to the development with independent intellectual property rights of color 3D FDM rapid prototyping equipment.

color 3d printing; additive manufacturing; key technology; FDM.

TG249；

A；

1006-9658（201 6）04-001 5-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.003

;陜西國防工業職業技術學院院級課題—4D打印成型創新技術探索（Gfy 15-09）

2016-01-06

稿件編號:1601-1186

劉偉（1982—）男，講師，主要研究3D打印及機械制造.