基于改進噴頭的FDM型彩色3D打印研究

蔡子灝，朱冠華

(廣東石油化工學院 機電工程學院，廣東 茂名 525000)

基于改進噴頭的FDM型彩色3D打印研究

蔡子灝，朱冠華

(廣東石油化工學院 機電工程學院，廣東 茂名 525000)

隨著FDM型3D打印技術的迅速發展，人們對其打印色彩方面的需求不斷提高，但由于成本高、質量低這一技術難點，使得當前的FDM型3D打印機至今沒有實現彩色(混色)打印。針對時下家用FDM型3D打印機，通過調整打印機整體結構，改變現有的單色擠出噴頭設計，改進g代碼切片的運算控制，自行設計了一種通過改良的擠出噴頭進行混色打印的新型3D打印裝置，通過精確調節進料量和進料時間運算能顯著改善混色打印的質量。

FDM型3D打印；彩色打印；混色方法；噴頭設計

目前流行的3D打印技術是一種在計算機中將三維stl代碼文件數字化切片處理后，利用編碼后逐層增材冷卻定型的技術直接制造出所需物品，從而擺脫傳統模具的約束實現快速而整體的成型，可以說是當前智能制造領域非常有發展前景的一種熱門技術。當前的3D打印技術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，無機粉末材料打印，特殊材料(紙質、硅膠等)。本文主要研究當今市面上最流行的FDM型3D打印機，其基本的原理是:將熱塑性材料在打印噴頭的輸入管道內按一定溫度加熱成熔融狀態，在送料機構的作用下，熔融的熱塑性材料被從擠出噴嘴處擠壓出，打印噴嘴按G代碼切片中設定的三維路徑運動，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生制品外觀色彩，比起單色打印更有優勢，然而這也是FDM型3D打印機研究難點所在。現在市面上幾乎沒有能實現混色打印的3D打印機，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打印技術算法落后，不支持3D彩色打印。第三，單噴頭彩色打印的不穩定性，色彩質量無法精確控制。第四，人工上色仍然是最優選擇。因此市面上的打印機大多都是單噴頭的單色層打印，無法進行調色和混色，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打印噴頭裝置的創新設計，并通過UG的有限元模塊進行了溫度場模擬和驗證，為雙進單出的擠出噴頭提供了理論依據；楊來俠等[2]提出了3D打印成型技術的色彩漸變插值法，這是一種基于三原色原理的混合色系統，使得實體內部色彩漸變有了新的進展；陸敬仁等[3]在其發明專利中，選用ABS感光材料，通過感光原理與3D打印同步進行實現真彩色打印，但這種間接的思路也有其選材的局限性。工業級的3D打印機，例如:德國計算機圖形研究所的Alan Brunton紫外光固化體素打印機，可以通過墨水液滴滲透進入粉末材料實現像素點形式的打印，是一種稱為半色調的二維技術的三維應用。盡管這是一種突破，然而極高的成本和笨重的設備使其無法推廣。

因此，針對最常見的熔融沉積型3D打印機，研究其色彩添加方法及實現設備，具有重要的理論價值和現實意義。為此，本文擬圍繞此研究主題，研發一種可根據三原色調色原理實現彩色3D打印的熔融線材擠出噴頭，并將其應用于開源熔融沉積型(FDM型)3D打印機，實現其熔融線材的整體混色。

2 基于三原色原理的FDM型3D打印機噴頭改進

FDM型3D打印機噴頭是實現彩色3D打印的關鍵技術，也是影響彩色3D打印質量的關鍵部件。

2.1 FDM型3D打印機噴頭改進方案

根據相關資料[4]提出了一種多色混合的FDM型3D打印機噴頭設計方案，其結構如圖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置有混合腔頂蓋，底部設置有打印噴嘴，耗材混合腔的底壁設置有加熱溫控器。所述耗材混合腔的腔壁開有4個進料槽，每個進料槽內均設置有1根進料管道，每根進料管道的輸出端位于耗材混合腔內，輸入端與1臺耗材送料器相連。

圖1 多色混色噴頭結構示意圖Fig.1 Multi-color mixing nozzle structure diagram

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

混合腔頂蓋(3)的頂部設置有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。混合腔頂蓋(3)的底部設置有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。

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選為步進電機，控制算法中設置兩個進料口的步進電機速度變化參數有助于進料量的粗略控制。

2.2 用于實驗的簡化版雙進單出噴頭設計方案

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

圖2 用于實驗的雙進單出噴頭結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the double inlet and outlet nozzle used in the experiment

3 基于改進噴頭的彩色3D打印實驗

根據上述提出的簡化版雙進單出噴頭設計方案，我們對單色3D打印機進行了改進及彩色3D打印實驗，具體實驗方案如下。

3.1 實驗設備及組件參數

實驗主要以Glitar系列3D打印機為主要實驗設備，運用簡化版的雙進單出實驗噴頭進行實際打印，Glitar系列與三角形開源3D打印機不同是有更復雜的組成：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、4塊中央滑塊、從動輪固定裝置、限位器、擠出噴頭組件、軸直線導軌、顯示屏、溫控系統組成。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，不必擔心物體的滑移。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節打印精度。

Glitar系列3D打印機相關組件的參數如下：

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原料時產生翹邊，選擇加熱溫度范圍在120℃之內即可。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.步進電機選擇：LD MK8 Extnider(positive) 2mm

3.2 3D打印模型切片及加工代碼

Glitar系列3D打印機運用的三維軟件是Repetier-Host，因內置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，控制步進電機調節出料噴頭實現雙色打印。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打印的參數設定

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

a.層厚：影響打印精度。混色打印時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，產品質量粗糙；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：可防止拉絲漏絲現象，通常選擇打開。

c.填充密度設定：根據打印的時間要求折中設置為30%，數值越大，填充越密。

d.打印速度：因打印簡單機件，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溫度設定為220℃(提速補償后)，ABS溫度則設定為240℃(提速補償后)。

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

完成上述參數設定后，我們就可以進行PLA、ABS線材預熱(PLA預熱至230℃，ABS預熱至250℃)，開始雙混色3D打印。

4 實驗結果與討論

根據上述基于簡化版雙進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，打印結果如圖4所示(圖中，外圈為深綠色，里面圖案為淺藍色)。進行雙混色3D打印時，必須通過CuraEngline打印設置調節進料口1和進料口2的進料速度，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，我們發現這種基于多進單出噴頭的彩色3D打印機不足之處：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

當中空混合腔體積減小時，會出現混色不均的現象，可以通過降低打印速度或通過內置螺桿高速攪拌、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，而這也是多進單出混色打印的矛盾之一。

5 結語

隨著3D打印技術的發展，3D打印機逐漸取代傳統模具工業也是大勢所趨，而改進當前最為實用的FDM型3D打印機，將其升級為3D彩色打印更是當前研究的難點及熱點。實驗表明，基于雙進單出噴頭的彩色3D打印機可以完成產品的部分混色工作，但在色彩添加質量及其穩定性方面，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，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打印機混色裝置的研究[J].機械設計與制造，2015，(11):116-118.

[2] 楊來俠，池雄飛，張寧芳. 三維打印快速成型技術的色彩漸變插值方法[J].西安科技大學學報，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

廣東大學生科技創新培育專項(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