全色3D打印機

鄧介銘

前言

目前，市面上的3D打印機多種多樣，但一般僅可基于2種顏色轉換打印。雖然各種顏色的打印絲在市場上都可以買得到，但是全色打印需要大量多種顏色的打印絲耗材，不經濟且在技術突破上有難點。而我想研發的全色3D打印機可基于5種基本色（青、品紅、黃、黑、白），用軟件控制各料絲進給量，通過“五進料單擠出”的3D打印噴頭裝置，擠出滿足需求的、調和成的新顏色，從而降低打印成本，提高使用效率，提高成品美觀度。

工作原理

色彩學原理

四色印刷是印刷的方法之一。它是用青（C）、品紅（M）、黃（Y）和黑（K）4種顏色按減色混合原理實現全彩色復制的平版印刷方法。理論上，以Y、M、C和K4種顏色組合而不重復，四色印刷可以獲得成千上萬種顏色。單色（Y、M、C和K）4種;雙色（Y+M、Y+C、Y+K、M+C、M+K、C+K）6種;三色（Y+M+C、M+C+K、Y+C+K、Y+M+K）4種;四色（Y+M+C+K）1種，共計15種顏色。以此推理下去，四色印刷可以獲得全彩色。

四色印刷到五色打印的轉變

印刷所用的三原色是青（C）、品紅（M）、黃（Y），但在傳統紙張印刷中，由于三原色在實際中不能夠高純度地還原黑色，因此在紙張是白色的基礎上，普通打印機普遍為青、品紅、黃、黑四色印刷。那么，3D打印機想要實現全彩色打印，僅僅用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打印機的基本顏色應當有青（C）、品紅（M）、黃（Y）、黑（K）和白（W）5種顏色。想要實現五色打印，需要基于四色印刷原理，根據C、M、Y、K四色比例，以黑色（K）為優先，剩下的用青（C）、品紅（M）、黃（Y）填充，再用白色（W）填充。從四色印刷到五色打印的轉變通過我開發的軟件編程實現。

控制系統

受原主控板每次只能讓一個電機運轉的限制，本產品采用分時控制法，由我開發的軟件控制系統完成。將1秒鐘分成約100份，再以1秒鐘時間為循環，利用主控板在不同的時間分別控制其中一色電機擠絲，由軟件控制每種色的擠出量，以實現全色打印。由于把時間分割得盡量短，因此可以將每種顏色的量盡可能合理化地擠出，不會增加打印時間。

例如：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（0，0，0），電腦系統自動計算CMYKW為（0，0，0，1024，0），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（0，0，0，512，512），因此控制器控制黑色和白色共同輪換出絲。

工程設計

機械設計

折疊機體設計綜合考慮，最終我在自己設計的幾套機體設計方案中選擇了折疊式小體積的機體設計，以達到美觀個性、便攜方便的效果（見圖1）。

●滑動結構：用SolidWorks軟件建模打印和外加工制作。使z軸與y軸的連接點可以順著軌道型材自由滑動至原點，然后折疊，從立體變成平面。

●磁鐵固定：為了保證折疊3D打印機的穩定性，在滑動結構中加入強磁鐵固定z軸，使其垂直于底板。利用底板框架與軸承對操作臺進行限位，使其僅能在y軸上運動。將x、y、z三個方向的軸與軌道型材合二為一，利用3D打印機制作合適的框架結構，縮小整體體積。

噴頭及送絲結構設計擠出裝置是3D打印機的主要機械部件，為了實現全色打印，我設計了“五進料單擠出”的噴頭裝置，含送絲結構、可拆卸0.6mm噴嘴、加熱電阻、溫度傳感器、風扇等部分。遠程送絲——溫度傳感器到210℃左右開始由隔熱白色膠管引導PLA材質打印絲——料絲進入熔腔熔化混合——在擠出力的推動下從噴嘴擠出。

創新點

研發了顏色控制系統和“五進料單擠出”的噴頭裝置，實現了真正意義上的全彩色打印;由原控制器控制出絲總量，基本不增加打印時間和打印耗材;采用可折疊個性化迷你3D打印機機體，外觀更加美觀;產品的成本價格在1500元左右，造價合理。