全色3D打印機智造多彩中國夢

明天小小科學家

“明天小小科學家”獎勵活動由中國科學技術協會、中國科學院、中國工程院、國家自然科學基金委員會、周凱旋基金會共同組織實施，旨在深入貫徹落實全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016-2020年），選拔和培養具有科學潛質的青少年科技創新后備人才。第19屆“明天小小科學家”共有1785名高中生注冊申報，在為期6天的比賽中，參賽學生歷經研究項目問辯、綜合素質考察、知識水平等一系列測評環節，江蘇共有7名同學入圍終評，江蘇省科學傳播中心新聞采編部獨家采訪了這些獲獎選手。

在南京外國語學校，鄧介銘是學校里人盡皆知的小小發明家。說起他的發明秘訣，那就是愛觀察、愛提問、愛思考。從簡易保溫袋的改進到便攜式無線實物投影儀的制作，無不體現他過人的洞察力和超強的動手能力。

處處留心皆學問

就拿這次獲得“明天小小科學家”全國一等獎的全色3D打印機來講，原本是2018年年初，鄧介銘去上海參加機器人競賽，在前期的調試過程中，機器人上的一個連接軸損壞了。等到第二天比賽，鄧介銘利用競賽主辦方提供的3D打印機打印零件，由于時間倉促，再加上當時因為打印絲顏色的局限，零件并沒有能按照設想的效果打印出來，對此留下了小小的遺憾。

比賽結束后，鄧介銘一直在思考：如果3D打印機體積盡可能小并能折疊隨身攜帶該多好？如果打印件不受打印絲顏色限制該多好？由此，他產生了去研制一臺全色3D打印機的欲望。于是2018年4月，他從網上購買了一臺DIY的3D打印機，花了整整3天時間，自己動手成功組裝好了這臺3D打印機。在組裝過程中，弄明白了目前3D打印機的結構系統、連線電路、工作原理等，為日后制作全色3D打印機的設計與制作打下了良好的基礎。絕知此事要躬行

鄧介銘查閱了大量有關3D打印機的資料，發現盡管市場上的3D打印機品種很多，但是全色3D打印機幾乎為零。僅有的一種變換顏色的3D打印機，也只是兩種顏色之間噴頭的轉換。如果需要顧及成品的外表美觀，只有在成品外表采用另外噴色的方法，3D打印機本身并不能實現全彩色覆蓋的打印。

首先，機身的設計。鄧介銘設計了幾款3D打印機機身，盡可能使打印機的體積變小，并且可以折疊。最初想到的折疊是用鉸鏈、用鎖扣，最后還是受了iPhone手機的磁扣式充電器的啟發，決定采用磁吸式，達到便攜、牢固的效果。另外，鄧介銘精心設計了3D打印機所有重要元件的位置，使其結構更加合理化，達到體積最小化。

其次，色彩的調試。四色印刷是印刷的種類之一。它是用青（C）、品紅（M）、黃（Y）、和黑（K）四種顏色來按減色混合原理實現全彩色復制的平版印刷方法。理論上，四色印刷可以獲得成千上萬種顏色，以Y，M，C和K四種顏色組合，而不重復。單色——Y，M，C和K四種;雙色——Y+M，Y+C，Y+K，M+C，M+K，C+K六種;三色——Y+M+C，M+C+K，Y+C+K，Y+M+K四種;四色——Y+M+C+K一種，共計15種顏色。以此推理下去，四色印刷可以獲得全彩色。鄧介銘發現印刷所用的三原色是青、品紅、黃（CMY），但在傳統紙張印刷中，由于三原色實際不可以高純度地還原黑色，因此在紙張是白色的基礎上，普通打印機采用了青、品紅、黃、黑四色印刷原理。那么3D打印機想要實現全彩色打印，僅僅是四色印刷原理是不夠的，因為沒有白色的紙張，所以還需要加入白色。因此全色3D打印機基本顏色應當有青、品紅、黃、黑、白五種顏色。要想實現全色打印，就需要基于四色印刷原理，根據CMYK四色比例，以黑色（K）為優先，剩下的用青、品紅、黃（CMY）填充，再用白色（w）填充。

梅花香自苦寒來

“五色進混色出”的方案確定后，后期在研發全色3D打印機過程中，鄧介銘遇到的困難依然不少，但是均能一一克服。最困難、最迷茫的階段是全色3D打印機的噴頭設計。第一次設計的噴頭是五個進線圍在一起，起初是考慮到假如一字排開的話，會出現左右最邊上的噴頭進絲不暢。可是在測試過程中，鄧介銘發現不僅沒有出絲，熔化后的材料全部擠在了噴腔內，不能擠出就只能從接縫處溢出，且因為溫度過高，噴頭上的輸入端（是3D打印的連接處）全部燒化。僅一個噴頭設計，一下就出現了3個問題。

經過反復的思考，第二次設計時鄧介銘改變了溫度傳感器的位置，以提高打印絲熔化的速度和擠壓力。另外，考慮到散熱問題，在噴頭處增加了一個風扇。再者，改變了進絲結構，由耐高溫管線引導進絲。這種改進貌似可行，但隨著測試次數的增多，發現又出現一個新的問題：某個顏色一段時間不出絲，其端口溫度下降，打印絲則會凝固。而因為壓力等問題，導致新的凝固口變粗，打印絲堵塞不暢，特別是再次需要這個顏色時，電機無法推進打印絲。如何讓打印絲不回流呢？經過反復研究，進行了第三次噴頭裝置的設計。在噴頭上部再增加一個風扇，以達到冷卻與加熱部位的明顯分割，保證對溫度的控制。

經過多次不斷改進，最終的噴頭分為上下兩個部分，為了隔絕熱量的傳遞，中間是斷開的。

在后續研究中，鄧介銘又增加了“色彩調配”實驗，對不同比例不同顏色混合的效果進行實驗并記錄數據，將大數據建構的配比模型應用在編程中，以期達到更滿意的色彩效果。在控制五色輸出的控制系統由軟件控制每種色的擠出量時，將1秒鐘分成約100份，再以1秒鐘為循環，利用主控板在不同的時間分別控制其中一色電機擠絲，以實現全色打印。由于將時間分割盡量小，每一次只運轉一個電機，幾乎感覺不到，但這樣卻可以將每種顏色的量盡可能合理化地擠出，即五種不同的顏色，控制其輸出時間的比例為：

不增加時間，又達到美觀效果。比如，需要打印的為純白色，那么輸入RGB（1024，1024，1024），電腦系統自動計算CMYKW為（0，0，0，0，1024），因此控制器只控制白色出絲;若需要打印的為黑色，那么輸入RGB（0，O，0），電腦系統自動計算CMYKW為（0，0，O，1024，0），因此控制器只控制黑色出絲;若需要打印的是灰色，那么輸入RGB（ 512，512，512），電腦系統自動計算CMYKW為（0，O，O，512，512），因此控制器控制黑色和白色共同輪換出絲。五種顏色打印絲會受程序控制進料，經進料管、輸料管導引進入自行設計的“五進絲單擠出”噴頭裝置，在熔腔內熔化。在擠出力的推動下從噴嘴噴出，實現全彩色打印。

指導老師眼中的他

在我看來，這個孩子的最大特點有三個：第一點就是執著。現在孩子的興趣點很容易分散，但鄧介銘非常執著，一直都很喜歡機器人，喜歡發明創造，他的這份執著是一般孩子很難堅持的;第二，鄧介銘特別愛思考，愛提問，對生活中的一些現象很關心，喜歡追根究底;第三點，也是這個孩子的過人之處，就是他有了問題以后還會想辦法去解決它。比如，他自己就有記錄本，把問題一個個記錄下來，能夠解決的問題，就努力去實現它;暫時完成不了的發明夢想，就不斷去思索。這是一種難能可貴的品質。

發明心得

這一次小發明來源于我參加機器人比賽零件缺失的窘境，遇到問題需要解決，不斷思考、動手、分析、調試、再改進，終于發明了全色3D打印機，過程漫長而且痛苦和失望相伴。從2018年4月到2019年3月，通過近一年時間的項目研究，我學習到了很多知識：通過組裝3D打印機的實作法認識了3D打印機的各部分零件以及作用;SOLIDWORKS建模雖然之前學過，但這次需要完整畫一臺機器，而且不能出差錯，這讓我鞏固了不少建模知識;軟件編程不是我的強項，李駿揚老師教會了我編程的思維和方法;電路焊接是我以前沒有接觸過的，需要邊學邊做。何學軍老師在機械制圖與加工等方面不厭其煩地教我，特別是噴頭的設計與加工，何老師憑借自己的經驗給我出了很多的主意。我將學習過程中的點點滴滴記錄在了我的工程記錄本上。整個研究過程，也讓我明白了做科學發明過程的艱辛，這些都是我利用業余時間完成的，有時為了一個小的連接點，需要嘗試很多遍，一遍遍、一次次。記得在提交南京市賽的前一個晚上，我和指導老師還有我的父母，七八個腦袋一起貼在地下看是否順暢出絲，一直折騰到凌晨12點半。雖然最終沒有成功，但還是找到了問題的根源，老師鼓勵我市賽回來后繼續修改。同時，科學也容不得半點馬虎。在研究過程中，一次我遇到模棱兩可的情況時，存在僥幸心理，不小心燒壞了整個主板。在后面的研究中，再碰到需要商榷的問題時，再也不敢心存僥幸。我還是一名高中生，知識積累不夠豐富，技術操作也沒有經驗，每次我都去查閱文獻，虛心向技術專家和指導教師請教來求證，然后再做決定。

全色3D打印機發明后，我拿到機器人比賽中去試用，得到同伴們的肯定和贊賞，能用自己的能力來為大家提高服務的感覺真好。雖然研究及試驗過程煩瑣辛苦，但是經過不斷嘗試與改進，我體驗到了科學探究的基本過程，保持和發展對未知世界的好奇心和探究熱情，發展自己的學習能力、思維能力、實踐能力和創新能力，形成尊重事實、樂于探究、與人合作的科學態度。感謝我們學校的孫風波老師，孫老師鼓勵我不放棄、再試試，讓我明白了過程比結果更重要。最后，要感謝我的媽媽，她對我的不懈支持和在生活、學習上的關心使我毫無顧忌地走進研究3D打印的世界，用心思考問題，分析尋找解決方法，不懈嘗試與優化，更重要的是我學會了如何在實踐中思考、在實踐中創新。在今后的學習中，我將繼續保持嚴謹的工作態度和勇于探索、不怕困難的精神，這將是我的人生成長歷程中的寶貴財富！

（責任編輯：曹偉 責任校對：白玉磊）采訪手記

在采訪中，筆者感覺鄧介銘同學的自律性非常強，而且愛好廣泛，不僅是個小小發明家還是位泰拳高手，家長是不是從小就刻意去引導、培養他去做這些呢？鄧介銘的媽媽說：“發明創造和機器人這些愛好都是他自己特別喜愛，從小就主動投入的。至于泰拳，還是需要通過鼓勵來堅持的，但很多事情，堅持之后就成了自然。”