三噴頭自由切換多色3D打印結構設計

余洋 陳治宇 王子鳴

摘 要：主要介紹一種能有效減小3D打印機運動阻力的“工”字形裝置，加工精度高，具有良好的穩定性能;使用雙Z軸限位的設計，保證打印平臺初始的平穩，打印件可以更好地粘著平臺;可實現安全電氣控制，3D打印機供電部分使用的是直流24 V低壓供電，供電線路采用絕緣包裹;3D打印機主控板支持三噴頭控制功能，使產品色彩搭配合理;人機交互界面更加智能化和易于操作化;同時，也增加了意外斷電續打功能。

關鍵詞：3D打印;加工精度;色彩

1 ? 研究意義與目的

近年來，工業發展迅速，人們日益增長的物質需求與工業生產能力具有嚴重的矛盾，因此，提高工業生產技術對人們的生活質量有著較大的影響。隨著微機技術的不斷發展，機電數控的機工設備也在不斷更新換代。在生產生活當中，對于一些零件的加工處理、傳統的數控加工設備無法完成、加工困難較大以及傳統加工方式中原材料的有效利用率較差的問題，國內外相繼研發出了相應的解決辦法，新型增材制造的加工方式也應運而生[1]。各種加工工藝的3D打印機得到了研發和廣泛應用，在航空航天、工業建筑、珠寶首飾行業、廣告行業和文物保護等方面具有較大的使用價值。人們在日常生活中使用最為廣泛的就是熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）加工工藝的3D打印機，在日常生活中，可以通過三維建模技術制造出日常所需的機械零部件，如個性花盆、機器人零部件等[2]。同時，在FDM加工工藝的3D打印機中，仍然存在加工原材料顏色單一、加工精度較低、加工零件尺寸小和3D打印機操作復雜等問題，基于此，制作了一款易于操作、加工零件尺寸空間大、可三色混合供料的3D打印機。

隨著3D打印技術的發展，其逐漸取代傳統模具行業已是大勢所趨。因此，提高3D打印機的實用性FDM型3D打印是當前檢索的難點。實驗結果顯示，基于雙入雙出的彩色? ?3D打印機單選噴嘴，可以完成部分混色工作，但在顏色的質量和穩定性方面還有許多問題亟待解決[3]。今后，為了解決攪拌精度與攪拌均勻性之間的矛盾，將改善攪拌質量，減小混合物的體積。

2?項目研究現狀與分析

隨著社會的不斷發展和時代科學技術的不斷更新，工業生產出現了不同階段的更新。中國工業的發展已經進入了工業4.0階段，在工業生產中，要求實現快速、精確的全自動化加工生產。在工業4.0的發展階段，社會發展不斷進步，且工業的發展已經成為國家和社會進步不可或缺的部分。工業的發展立足于滿足人們的物質需求，以將人們生活中的產品成本降低和產量化[4]。

在工業的加工生產中，傳統的加工生產方式存在原材料沒有完全被人們有效利用、一些機械零件傳統的加工方式導致機械加工困難和機械數控加工過程中的工作人員操作危險等問題。近年來，國內外出現了新型的增材制造的加工方式，各種各樣的3D打印產品相繼出現。由于這些機器結構相對簡單、占地空間相對較小、普通3D打印機價格不高和對加工原材料的要求較低等，受到大眾的歡迎和眾多科技創新愛好者的喜愛。

在3D打印技術的應用方面，可將其作為新型的創新前沿技術應用在建筑中，遠超傳統的建筑速度。在個人定制方面，3D打印技術具有完美的私人定制優勢;在珠寶首飾等方面，3D打印技術完全可以發揮出創新設計的優勢;在廣告牌等媒體的宣傳中，3D打印技術得到了廣泛應用;在汽車的加工生產上，3D打印技術也實現了汽車結構新型化等。

我國是人口大國，在生產生活中，對3D打印加工技術具有較大需求。針對現階段的生產生活對機械零部件加工的需要，3D打印的加工工藝也具有多樣化，例如常見的FDM、SLS等。3D打印增材制造的機械加工技術出現在新時代的日常生活當中[5]。在FDM加工工藝中，運用3D打印技術往往出現加工材料顏色單一、桌面級加工機械尺寸有限以及加工過程中出現斷電等問題，因此，需要進一步實現工業級、高精度、雙噴頭、斷電續打3D打印機。

3?三噴頭自由切換多色打印結構設計

為了尋找多色3D打印，有學者提出了一種新的3D混合三色噴嘴裝置的設計方案，并通過UG，對3D打印技術有限元溫度場進行了模擬驗證，為擠壓噴嘴的設計提供了理論依據[6]。隨后，還有人指定了3D打印技術的插值方法顏色的梯度，這是一種基于前三色原理的混合色系，使得物體顏色梯度的變化有了新的進展，還有人在他們的發明專利中提出了顏色的梯度[7]。選擇HDS光合作用材料制作真正的3D彩色印刷工藝，具有光合作用原理，但這種想法也間接限制了材料的選擇類別。3D打印會發展到工業級，如德國計算機圖形搜索機構，可以讓像素打印滲透到灰塵材料且存在墨水試點，這是一個三維應用程序，但是也采用了一半的二維技術。雖然它并不成功，但終究會向此方面發展，因此，光合作用材料的高成本會阻礙重型設備的發展[8]。

根據相關資料，提出了一種三維打印多色FDM噴嘴的設計方案，其結構如圖1所示。該噴頭可以同時做到多色混色，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，底壁設置有加熱溫控器[9]。所述耗材混合腔的腔壁有4個進料槽，每個進料槽內均設置1根進料管道，每根進料管道的輸出端位于耗材混合腔內，輸入端連接到送料器。

綜上所述，三噴頭自由切換多色3D打印結構采用立體箱式結構，空間尺寸為510 mm×510 mm×900 mm。

采用FDM加工工藝，以PLA為主要原材料加工打印，將X、Y、Z和E1、E2作為行動軸線，實現逐層加工打印的效果，進而更加智能化。LCD液晶屏以漢字、彩色顯示為主，實現了電腦與打印機的脫機打印，通過U盤或SD卡，為底層固件提供打印信息，進而更加便捷、易于操作。X、Y軸采用“工”字形設計，運用多軸傳動原理，實現X、Y軸的高精度行走， Z軸實現兩組步進電機同步升降。E1、E2軸線采用兩組步進電機實現高精度供料，實現整套軸線高精度有效行走。此作品更接近最前沿的工業級技術型3D打印機，實現了從桌面級到工業級的轉變，更加貼近機械的生產制造和大多加工設備產品的研發[10]。

4?結語

（1）改變傳統的單噴頭打印機，實現三噴頭自由切換多色打印，提高打印精度。

（2）提高穩定性并完成3D打印機的組裝和調試，實現三色自由切換的高精度3D打印。

（3）采用有效減小3D打印機運動阻力的“工”字形結構，使用雙Z軸限位的設計，保證打印平臺初始平穩，使打印件可以更好地粘著平臺。

[參考文獻]

[1]暢鵬豪，陳中中，蘇智劍，等.基于混色3D打印工藝的混料腔均勻性結構設計[J].機床與液壓，2019，47（23）：124，174-177.

[2]吳衛國，汪建曉，魏翱翔，等.一種多色3D打印機的設計與分析[J].制造技術與機床，2019（8）：17-21.

[3]黃姜斌，李子秋，何召龍，等.一種混色3D打印噴嘴的設計[J].科技經濟市場，2018（3）：3-4.

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[8]史玉升，張李超，白宇，等.3D打印技術的發展及其軟件實現[J].中國科學：信息科學，2015，45（2）：197-203.

[9]蔡子灝，朱冠華.基于改進噴頭的FDM型彩色3D打印研究[J].黑龍江科學，2016，7（22）：16-19.

[10]王祥.面向桌面3D打印的任務管理平臺研究與實現[D].武漢：武漢理工大學，2016.