三喷头自由切换多色3D打印结构设计

余洋 陈治宇 王子鸣

摘 要：主要介绍一种能有效减小3D打印机运动阻力的“工”字形装置，加工精度高，具有良好的穩定性能;使用双Z轴限位的设计，保证打印平台初始的平稳，打印件可以更好地粘着平台;可实现安全电气控制，3D打印机供电部分使用的是直流24 V低压供电，供电线路采用绝缘包裹;3D打印机主控板支持三喷头控制功能，使产品色彩搭配合理;人机交互界面更加智能化和易于操作化;同时，也增加了意外断电续打功能。

关键词：3D打印;加工精度;色彩

1   研究意义与目的

近年来，工业发展迅速，人们日益增长的物质需求与工业生产能力具有严重的矛盾，因此，提高工业生产技术对人们的生活质量有着较大的影响。随着微机技术的不断发展，机电数控的机工设备也在不断更新换代。在生产生活当中，对于一些零件的加工处理、传统的数控加工设备无法完成、加工困难较大以及传统加工方式中原材料的有效利用率较差的问题，国内外相继研发出了相应的解决办法，新型增材制造的加工方式也应运而生[1]。各种加工工艺的3D打印机得到了研发和广泛应用，在航空航天、工业建筑、珠宝首饰行业、广告行业和文物保护等方面具有较大的使用价值。人们在日常生活中使用最为广泛的就是熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）加工工艺的3D打印机，在日常生活中，可以通过三维建模技术制造出日常所需的机械零部件，如个性花盆、机器人零部件等[2]。同时，在FDM加工工艺的3D打印机中，仍然存在加工原材料颜色单一、加工精度较低、加工零件尺寸小和3D打印机操作复杂等问题，基于此，制作了一款易于操作、加工零件尺寸空间大、可三色混合供料的3D打印机。

随着3D打印技术的发展，其逐渐取代传统模具行业已是大势所趋。因此，提高3D打印机的实用性FDM型3D打印是当前检索的难点。实验结果显示，基于双入双出的彩色   3D打印机单选喷嘴，可以完成部分混色工作，但在颜色的质量和稳定性方面还有许多问题亟待解决[3]。今后，为了解决搅拌精度与搅拌均匀性之间的矛盾，将改善搅拌质量，减小混合物的体积。

2 项目研究现状与分析

随着社会的不断发展和时代科学技术的不断更新，工业生产出现了不同阶段的更新。中国工业的发展已经进入了工业4.0阶段，在工业生产中，要求实现快速、精确的全自动化加工生产。在工业4.0的发展阶段，社会发展不断进步，且工业的发展已经成为国家和社会进步不可或缺的部分。工业的发展立足于满足人们的物质需求，以将人们生活中的产品成本降低和产量化[4]。

在工业的加工生产中，传统的加工生产方式存在原材料没有完全被人们有效利用、一些机械零件传统的加工方式导致机械加工困难和机械数控加工过程中的工作人员操作危险等问题。近年来，国内外出现了新型的增材制造的加工方式，各种各样的3D打印产品相继出现。由于这些机器结构相对简单、占地空间相对较小、普通3D打印机价格不高和对加工原材料的要求较低等，受到大众的欢迎和众多科技创新爱好者的喜爱。

在3D打印技术的应用方面，可将其作为新型的创新前沿技术应用在建筑中，远超传统的建筑速度。在个人定制方面，3D打印技术具有完美的私人定制优势;在珠宝首饰等方面，3D打印技术完全可以发挥出创新设计的优势;在广告牌等媒体的宣传中，3D打印技术得到了广泛应用;在汽车的加工生产上，3D打印技术也实现了汽车结构新型化等。

我国是人口大国，在生产生活中，对3D打印加工技术具有较大需求。针对现阶段的生产生活对机械零部件加工的需要，3D打印的加工工艺也具有多样化，例如常见的FDM、SLS等。3D打印增材制造的机械加工技术出现在新时代的日常生活当中[5]。在FDM加工工艺中，运用3D打印技术往往出现加工材料颜色单一、桌面级加工机械尺寸有限以及加工过程中出现断电等问题，因此，需要进一步实现工业级、高精度、双喷头、断电续打3D打印机。

3 三喷头自由切换多色打印结构设计

为了寻找多色3D打印，有学者提出了一种新的3D混合三色喷嘴装置的设计方案，并通过UG，对3D打印技术有限元温度场进行了模拟验证，为挤压喷嘴的设计提供了理论依据[6]。随后，还有人指定了3D打印技术的插值方法颜色的梯度，这是一种基于前三色原理的混合色系，使得物体颜色梯度的变化有了新的进展，还有人在他们的发明专利中提出了颜色的梯度[7]。选择HDS光合作用材料制作真正的3D彩色印刷工艺，具有光合作用原理，但这种想法也间接限制了材料的选择类别。3D打印会发展到工业级，如德国计算机图形搜索机构，可以让像素打印渗透到灰尘材料且存在墨水试点，这是一个三维应用程序，但是也采用了一半的二维技术。虽然它并不成功，但终究会向此方面发展，因此，光合作用材料的高成本会阻碍重型设备的发展[8]。

根据相关资料，提出了一种三维打印多色FDM喷嘴的设计方案，其结构如图1所示。该喷头可以同时做到多色混色，包括中空的耗材混合腔。耗材混合腔的顶部设置有混合腔顶盖，底部设置有打印喷嘴，底壁设置有加热温控器[9]。所述耗材混合腔的腔壁有4个进料槽，每个进料槽内均设置1根进料管道，每根进料管道的输出端位于耗材混合腔内，输入端连接到送料器。

综上所述，三喷头自由切换多色3D打印结构采用立体箱式结构，空间尺寸为510 mm×510 mm×900 mm。

采用FDM加工工艺，以PLA为主要原材料加工打印，将X、Y、Z和E1、E2作为行动轴线，实现逐层加工打印的效果，进而更加智能化。LCD液晶屏以汉字、彩色显示为主，实现了电脑与打印机的脱机打印，通过U盘或SD卡，为底层固件提供打印信息，进而更加便捷、易于操作。X、Y轴采用“工”字形设计，运用多轴传动原理，实现X、Y轴的高精度行走， Z轴实现两组步进电机同步升降。E1、E2轴线采用两组步进电机实现高精度供料，实现整套轴线高精度有效行走。此作品更接近最前沿的工业级技术型3D打印机，实现了从桌面级到工业级的转变，更加贴近机械的生产制造和大多加工设备产品的研发[10]。

4 结语

（1）改变传统的单喷头打印机，实现三喷头自由切换多色打印，提高打印精度。

（2）提高稳定性并完成3D打印机的组装和调试，实现三色自由切换的高精度3D打印。

（3）采用有效减小3D打印机运动阻力的“工”字形结构，使用双Z轴限位的设计，保证打印平台初始平稳，使打印件可以更好地粘着平台。

[参考文献]

[1]畅鹏豪，陈中中，苏智剑，等.基于混色3D打印工艺的混料腔均匀性结构设计[J].机床与液压，2019，47（23）：124，174-177.

[2]吴卫国，汪建晓，魏翱翔，等.一种多色3D打印机的设计与分析[J].制造技术与机床，2019（8）：17-21.

[3]黄姜斌，李子秋，何召龙，等.一种混色3D打印喷嘴的设计[J].科技经济市场，2018（3）：3-4.

[4]汪子清，郭龙，罗渝，等.彩色3D打印机的研究与探索[J].物联网技术，2017，7（5）：78-79.

[5]苏功鹤.中国3D打印产业的战略定位与发展[D].天津：天津大学，2014.

[6]周双喜.3D打印多色打印方法分析[J].现代制造技术与装备，2018（10）：6-7.

[7]龚运息，梁辉，梁世鑫.一种多色组合结构的3D打印料丝：205573033U[P].2016-09-14.

[8]史玉升，张李超，白宇，等.3D打印技术的发展及其软件实现[J].中国科学：信息科学，2015，45（2）：197-203.

[9]蔡子灏，朱冠华.基于改进喷头的FDM型彩色3D打印研究[J].黑龙江科学，2016，7（22）：16-19.

[10]王祥.面向桌面3D打印的任务管理平台研究与实现[D].武汉：武汉理工大学，2016.