一種混色3D打印噴嘴的設(shè)計(jì)

黃姜斌 李子秋 何召龍 甘新基

摘要：市場(chǎng)上一般的FDM 3D打印機(jī)只能打印一種或兩種耗材，打印顏色單一，本文所設(shè)計(jì)的一種混色3D打印噴嘴，在基于CMY相減混色原理及螺旋滑道軌跡結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，可以保證熔融狀態(tài)的材料充分混合。該噴嘴的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，可保證在有限功率加熱器件情況下，使得整體噴嘴的溫度達(dá)到融化打印的要求。

關(guān)鍵詞：3D打?。粐娮?；混色

0 前言

融沉積成型3D打印技術(shù)[1，2]的單色噴頭打印模型顏色單一，而目前的混色噴頭僅在單色噴頭的基礎(chǔ)上加一個(gè)進(jìn)料管與混合區(qū)域，采用雙進(jìn)料一單擠出的結(jié)構(gòu)[3]，但混合的程度不可控，效果不佳。而雙噴頭和多噴頭的打印機(jī)[4]結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，價(jià)格過于昂貴。美國學(xué)者Richard Home設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)混合3種打印材料的打印頭，雖實(shí)現(xiàn)了3種顏色的混合效果，但是混合出的顏色并不齊全。

基于市場(chǎng)現(xiàn)在的狀況和需求，本文主要解決的問題是多種顏色的充分混合。本文設(shè)計(jì)通過CMY混色原理設(shè)計(jì)的新型混合噴頭，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠混合出所有基本顏色。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 方案混色原理

本文的混色打印噴嘴的設(shè)計(jì)采用的是CMY相減混色原理[5]，基于該原理將三基色材料（ABS、PLA）進(jìn)行熔融混合搭配出相應(yīng)的顏色[6]。但是由于制造工藝的原因無法制造出純度高的打印材料，導(dǎo)致三基色材料無法搭配出純黑色、純白色，因此在實(shí)際的打印過程中還必須要加入一種黑色材料和白色材料。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可實(shí)現(xiàn)混色打印的噴嘴裝置包括喉管1、噴頭腔體2、環(huán)形加熱片3、腔體下蓋4、噴嘴5，如圖1所示。噴頭腔體的上表面采用錐面設(shè)計(jì)，用于擴(kuò)大五根喉管的分布間距，保證進(jìn)料時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉的情況。

進(jìn)料時(shí)五個(gè)進(jìn)料電機(jī)分別單獨(dú)控制品紅、黃、青、黑、白五種不同顏色的材料通過喉管進(jìn)入噴頭腔體，下方設(shè)置有環(huán)形加熱片，可更好地給噴頭進(jìn)行升溫。腔體內(nèi)部進(jìn)料通道采用螺旋線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示，熔融狀態(tài)下的材料會(huì)有一個(gè)沿通道方向的斜向沖力，當(dāng)不同材料到達(dá)此處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種攪拌的效果，使得顏色更好地混合，從而搭配出新的顏色，由下方噴嘴流出[8]。這樣便使單噴頭可在一個(gè)產(chǎn)品上進(jìn)行多色打印。通過控制各個(gè)進(jìn)料電機(jī)的進(jìn)料速度，可改變混色比例，實(shí)現(xiàn)單色或者混色打印。

當(dāng)材料進(jìn)人喉管，在加熱腔內(nèi)融化，此時(shí)不同顏色材料初步混在一起，而之后混色均勻的材料在進(jìn)料單元的擠壓作用下被擠出噴嘴。而散熱單元擬采用兩個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行降溫，它們分布在環(huán)形加熱塊及上方喉管處。當(dāng)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，喉管的底部溫度要達(dá)到耗材的熔化溫度，而喉管上端的耗材要一直保持固態(tài)，融化的耗材亦是依靠上方未融化的固體耗材推動(dòng)而被擠出。所以應(yīng)保持喉管上端溫度不宜過高。

2 試驗(yàn)

將該噴頭與預(yù)先設(shè)計(jì)好的固定塊配合，可直接裝配至I3打印機(jī)，各個(gè)零件組裝好后，將加熱管及熱敏電阻接到加熱塊上，將3D打印機(jī)通過USB接口連接至計(jì)算機(jī)，通過控制軟件給加熱塊加熱，讓溫度達(dá)到設(shè)置溫度并穩(wěn)定，手動(dòng)將品紅、黃、青、黑、白五種不同顏色的材料分別通過喉管擠人噴頭腔體，測(cè)試混色效果[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，初次實(shí)驗(yàn)得出，PLA材料在185～190℃時(shí)出料順暢，并達(dá)到了預(yù)期效果。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于CMY相減混色的混色3D打印噴頭，采用內(nèi)置的五條螺旋滑道結(jié)構(gòu)對(duì)熔融狀態(tài)的原料進(jìn)行充分混合，從而實(shí)現(xiàn)彩色打印效果。但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料混合并不充分，且混合后的顏色也不理想，因此下一步計(jì)劃將重新設(shè)計(jì)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)以完成材料的充分混合，以及顏色的調(diào)配。

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