單料絲塑料3D打印機(jī)多彩打印著色技術(shù)探討

邢曉光，黃立中

1 技術(shù)背景

3D 打印是一種近年快速發(fā)展的新興工業(yè)加工方式，其優(yōu)點(diǎn)在于可以基本不考慮零件的復(fù)雜程度，打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工瓶頸，無限擴(kuò)大設(shè)計(jì)想象空間，且其加工方式具有即時(shí)性，隨需隨打印，加工成本相對低廉，原材料浪費(fèi)小，設(shè)計(jì)、加工要求門檻低等優(yōu)點(diǎn)，都是傳統(tǒng)加工方式所不具備的。本文就3D 打印領(lǐng)域中的單料絲塑料材料打印著色技術(shù)進(jìn)行一次簡單的分析，希望能起到拋磚引玉的作用。在單料絲3D 打印塑料制品中，零件的顏色往往取決于原材料料絲的顏色，也就是說料絲是什么顏色，那么打印出來的零件產(chǎn)品就是什么顏色，如需局部或整體改變零件的顏色，就需后期對零件進(jìn)行噴漆等處理，這顯然會(huì)極大的增加零件加工周期及成本，如果零件要求是多彩的，那就更加煩瑣。

2 解決問題的思路

鑒于上文所述，如能用單料絲實(shí)現(xiàn)多色打印將是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇，下面就如何具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡略研討。我們知道，在注塑生產(chǎn)時(shí)，為了使注塑零件能達(dá)到想得到的顏色效果，我們往往會(huì)在注塑時(shí)，在本料中混入一定比例的色母粒料使兩者混合均勻，充分融合后的注塑膠體進(jìn)入模腔成型，最終得到我們想要的產(chǎn)品，其實(shí)這個(gè)思路我們是可以借鑒到3D 打印中來的，以PLA 白色料絲為例，料絲在被擠壓進(jìn)打印頭融腔后，料絲會(huì)被加熱融化，形成打印膠液，該膠液的顏色決定了被打印零件的顏色（如圖1 所示）。

如果我們在料絲進(jìn)入打印頭融腔前想辦法加入一定量的顏料，那么，打印件的顏色會(huì)由我們自己來控制，最終的目的就是直接得到我們真正想要的打印零件，如何在料絲進(jìn)入打印頭融腔前加入顏料將是我們所要解決的首要問題，為保證零件的打印質(zhì)量，顏料的加入應(yīng)以不影響料絲的行進(jìn)方式為基本前提，我們知道，在3D 打印過程中，隨著打印頭內(nèi)融膠的消耗，料絲的行進(jìn)是在3D 打印機(jī)內(nèi)進(jìn)料擠壓機(jī)的擠壓下，在進(jìn)料管內(nèi)向打印頭不斷行進(jìn)的，以此來持續(xù)補(bǔ)充打印頭融腔內(nèi)所消耗的融膠，為保證料絲能準(zhǔn)確進(jìn)入打印頭融腔，進(jìn)料管內(nèi)徑只比料絲的外徑略大，例如：外徑為1.75 mm 的料絲所需進(jìn)料管的內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)為2 mm。在配合如此緊密的條件下，在料絲進(jìn)入打印頭融腔前混入粒料或粉料基本上可能性不大或?qū)嵤┢饋頃?huì)非常困難，基于此，液態(tài)涂料的選擇就成了一種必然，考慮到料絲在進(jìn)入打印頭融腔后會(huì)被高溫融化，形成液態(tài)膠狀熔融物，以PLA 料絲原料為例，要求打印頭融腔內(nèi)的溫度在工作期間要持續(xù)保持在200℃以上，在此條件下，如果顏料為水溶性顏料，那么染色料絲段在進(jìn)入打印頭融腔后，其上的水分會(huì)迅速被加熱汽化，在融腔內(nèi)形成氣泡，容易損傷打印頭或形成斷絲，嚴(yán)重影響打印質(zhì)量，為解決此問題，我們在經(jīng)過多此驗(yàn)證后，最終選擇了油性顏色涂料，該顏料具備如下幾個(gè)特點(diǎn)：1）表面張力相對較大。2）慢揮發(fā)性。3）高溫下性能穩(wěn)定，不易被分解。4）流動(dòng)性相對較差。5）無毒性。

圖1

在選擇好顏料種類后，如何去實(shí)現(xiàn)就成為后續(xù)思考的問題，如何能可靠、穩(wěn)定、可控的將顏料與料絲一同送入打印頭融腔內(nèi)就成了問題的關(guān)鍵所在，我們設(shè)想在進(jìn)料管管壁上開一個(gè)小孔，想辦法利用此小孔，將油性顏色涂料涂抹在進(jìn)料管內(nèi)的料絲上，料絲進(jìn)入打印頭融腔后隨著料絲的前進(jìn)攪動(dòng)，顏料會(huì)與料絲融化后形成的融膠充分融合，形成帶顏色的融膠，進(jìn)而使得打印件也被著色，而且該顏色是由融膠形成，不存在脫色的風(fēng)險(xiǎn)。按上述思路，這將是一個(gè)可行性較高的解決方案。如何將油性顏色涂料涂抹在進(jìn)料管內(nèi)的料絲上就成為我們需要具體解決的問題。

3 具體解決方法

基于上文所述思路，在經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及具體實(shí)施細(xì)節(jié)討論后，我們提出如下兩種解決方法：

方法一：機(jī)械傳遞控制方式。

我們首先設(shè)想，如果能用一支柔性筆，通過某種方式，將筆尖上的油性顏料通過上文所預(yù)設(shè)的進(jìn)料管壁上的小孔涂抹在進(jìn)料管內(nèi)的料絲上，就可實(shí)現(xiàn)上文所述的著色效果，我們所需解決的具體問題是：1）如何能夠使這個(gè)預(yù)想的柔性筆尖持續(xù)帶色。2）怎樣保證能按我們預(yù)想的方式將筆尖上的油性顏料涂抹在進(jìn)料管內(nèi)的料絲上。

如需解決上述問題，首先進(jìn)料管上用于涂抹油性顏料的小孔的孔徑就應(yīng)有具體要求，該小孔的孔徑應(yīng)以能保證柔性筆尖可以順利將油性顏料通過此小孔涂抹在料絲上的前提下，不影響料絲在進(jìn)料管內(nèi)的運(yùn)行為準(zhǔn)，如料管無法滿足此要求，那么就考慮加入轉(zhuǎn)接件來解決此問題。為保證此裝置能可靠運(yùn)行，經(jīng)論證，我們將其優(yōu)化為帶有一圈柔性觸舌的轉(zhuǎn)輪代替，該轉(zhuǎn)輪安裝在控制電機(jī)上，轉(zhuǎn)輪的水平徑向方向兩側(cè)分別為進(jìn)料管與油性顏料料管，距離要求為保證轉(zhuǎn)輪上的柔性觸舌舌尖能與進(jìn)料管內(nèi)的料絲表面及油性顏料管的出料窗接觸。隨著控制電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)通過其上的柔性觸舌將油性顏料管內(nèi)的顏料傳遞涂抹在進(jìn)料管內(nèi)的料絲表面上這個(gè)基礎(chǔ)目的，打印顏色的深淺，我們通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)控制，具體來說就是，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，那么轉(zhuǎn)輪上的柔性觸舌與進(jìn)料管內(nèi)料絲的接觸頻率就會(huì)越高，那么油性顏料在料絲表面就會(huì)積累的越多，這樣顏料與料絲在打印頭內(nèi)的融腔內(nèi)熔融后形成的融膠的顏色深度就會(huì)越深，反之，融膠的顏色深度就會(huì)越淺（如圖2 所示）。

圖2

我們知道自然界的所有色彩都可以通過三原色調(diào)配出來，通過加入三原色各自比例的不同就可以調(diào)配出不同的顏色。為了實(shí)現(xiàn)多彩打印，我們可以采用三原色配色原理，在進(jìn)料管的三個(gè)方向上分別配置一套上述著色裝置，并分別設(shè)置為紅、黃、藍(lán)三原色，當(dāng)需要打印三原色以外的顏色時(shí)，則根據(jù)三原色的配色來實(shí)現(xiàn)，例如：如需打印綠色，綠=黃+藍(lán)，就是同時(shí)在絲料上通過上述裝置涂抹上黃、藍(lán)兩種色點(diǎn)，絲料在3D 打印機(jī)的打印頭內(nèi)與其上的油性顏料一起熔合形成綠色熔液，通過對兩種顏料色點(diǎn)密度的調(diào)配來實(shí)現(xiàn)色相的變化，而對于其它顏色的打印也是遵循上述規(guī)則，就是調(diào)控三原色各自的比例，實(shí)現(xiàn)多彩打印的最終目的（如圖3 所示）。

圖3

方法二：震蕩磁場運(yùn)動(dòng)控制方式。

我們知道，磁性物體在磁場中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是受磁場控制的，如果我們給一個(gè)螺旋導(dǎo)電線圈通電，那么該線圈將會(huì)形成一個(gè)電磁場，如果通入該線圈的電流是一個(gè)方向反復(fù)互換的方波電流，那么該磁場的N、S 極也將不?；Q，這樣我們就得到了一個(gè)磁極不停互換的震蕩磁場（如圖4 所示）。

圖4

如果在該線圈空腔內(nèi)放置一磁極固定的磁芯，在此震蕩磁場的作用下，該磁芯將在線圈空腔內(nèi)不停做前進(jìn)后退的震蕩運(yùn)動(dòng)，設(shè)想，如果此磁芯為一管狀體，可在其內(nèi)內(nèi)置一筆芯，筆頭指向進(jìn)料管上開的小孔，使其能夠通過此小孔與料絲表面接觸，尾端連接一柔性軟管，與油性顏料盒連接，使顏料盒內(nèi)的油性顏料能通過軟管進(jìn)入筆芯，并將筆芯浸透，那么隨著進(jìn)料管內(nèi)料絲的前行，筆芯頭不斷與料絲接觸，會(huì)在料絲表面留下一排顏料點(diǎn)（如圖5所示）。

圖5

顏料點(diǎn)的疏密程度決定了打印零件顏色的深淺，也就是說，如果想讓打印件顏色深點(diǎn)，就讓色點(diǎn)排列的密集點(diǎn)，控制方式就是調(diào)節(jié)產(chǎn)生震蕩磁場的電流頻率電流的頻率越高，相應(yīng)的磁場震蕩頻率就會(huì)同步越高，那么在此磁場下磁芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)與磁場震蕩頻率保持同步，安裝在其上的筆芯頭部在料絲表面上留下的油性顏料點(diǎn)排列的密度就會(huì)越高，自然而然，打印件的顏色深度就會(huì)越深，反之，顏色則會(huì)越淺（如圖6 所示）。

圖6 淺色打印深色打印

在實(shí)現(xiàn)多彩打印的方式方法上，其機(jī)理與上文所述的方法一相同，就是利用三原色的配色原理，就是在進(jìn)料管管道上配置三套著色裝置，分別設(shè)置為紅、黃、藍(lán)三原色，通過調(diào)控三原色的不同比例實(shí)現(xiàn)最終的多彩打印（如圖7 所示）。

圖7

4 結(jié)束語

通過上文所述兩種方法，經(jīng)過我們反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終都實(shí)現(xiàn)了單絲料的多彩打印。當(dāng)然，如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)器產(chǎn)品化，在某些細(xì)節(jié)上還需進(jìn)一步完善、優(yōu)化，但就其方法而論，應(yīng)該可為單絲料塑料3D打印機(jī)的多彩打印提供一個(gè)新的發(fā)展思路。