FDM型彩色3D打印噴頭技術(shù)研究

李曉亮　唐毅　劉鑫　夏娟

摘 要 近年來，因為3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)中都已經(jīng)運(yùn)用了3D打印技術(shù)。由于人們對個性化的追求，彩色3D打印技術(shù)從出現(xiàn)以來迅速發(fā)展。本文首先概括了FDM型彩色3D打印的研究發(fā)展歷程和應(yīng)用狀況，從FDM型彩色3D打印技術(shù)的打印流程和技術(shù)原理入手，總結(jié)了現(xiàn)有多路彩色打印噴頭的不足和主要矛盾，分析了現(xiàn)有的多路打印噴頭的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)，對目前打印多路彩色噴頭提出一些改進(jìn)的思路。目的是使彩色3D打印技術(shù)能夠更進(jìn)一步，同時為FDM型多材料打印技術(shù)提供引導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 FDM 3D打印 彩色3D打印 噴頭設(shè)計

3D打印技術(shù)在上世紀(jì)90年代被提出，現(xiàn)已成為一種新興制造科技而高速發(fā)展。3D打印技術(shù)也叫增材制造技術(shù)（Additive Manu-facturing，AM），3D打印技術(shù)已經(jīng)快速滲透到醫(yī)學(xué)、航空航天、汽車工業(yè)、文化娛樂、食品加工、模型制作等領(lǐng)域。[1][2][3]彩色打印比單色打印根據(jù)有優(yōu)勢，更加能適應(yīng)多樣化的社會需求。FDM和減法混色法的結(jié)合構(gòu)成了彩色3D打印的原理，不同顏色的材料按照一定比例混合可以的到特定的混合色。從FDM彩色打印被提出到后來的技術(shù)發(fā)展，均是采用多路混合噴頭來實現(xiàn)彩色打印的功能。噴頭作為彩色3D打印機(jī)功能的主要執(zhí)行部件，是一個高度集成的部分，主要完成熔化線材、均勻混合、沉積打印等工作。

1 FDM型3D打印的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

美國科學(xué)家Richard Horne第一個推出了混色3D打印的試驗機(jī)，他利用一臺開源的3D打印機(jī)做了一個紅、黃、藍(lán)三基色混合的打印測驗，其原理是控制擠出機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)不同顏色的混合打印。但是塑料在融化時有一個過度過程，因此各個顏色之間存在一定距離，造成顏色界限模糊，有一個很寬的過度區(qū)域。

James Corbett[4]對混色噴頭做了比較詳細(xì)的研究，他首次給出了幾種噴頭的機(jī)構(gòu)，然后以膠水的靜態(tài)混合器為對照，對比了幾種由不同結(jié)構(gòu)的靜態(tài)混合噴頭。但是這些噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，加工困難，而且進(jìn)料的阻力很大。他對幾種顏色的材料以不同的比例混合后得到的顏色進(jìn)行了實驗，從最終的打印成品可以很明顯看出混合的效果不是很好。

國外的一家3D打印機(jī)公司Builder發(fā)布了一款新型可以混色（colomixing）3D打印的機(jī)器。該打印機(jī)搭載一種兩進(jìn)一出的擠出機(jī)，同時在生成的G代碼里面插入相關(guān)的顏色信息，即兩種顏色進(jìn)入的百分比。這種攜帶有顏色信息的G代碼是一個混色生成器應(yīng)用程序生成的，客戶可以更具自己的需求選擇各個顏色的混合的比重。Stratsys發(fā)布了一款彩色多材料3D打印機(jī)Objet500 Connex3，可以實現(xiàn)不同顏色的混合打印，甚至多種材料的混合打印，能夠做到一次成型。用戶在使用時不需要組裝或者噴漆就可以實現(xiàn)裝配體的功能和特性。

國內(nèi)深圳3D公司森工科技發(fā)布了一臺混色3D打印機(jī)MakerPi M2030X，該款3D打印機(jī)采用了三基色原理，通過多色材料混合來完成彩色打印。同年深圳新創(chuàng)三維科技公司也推出混色打印機(jī)，性能也有所提升。

2 FDM型彩色打印原理及流程

基于FDM技術(shù)的彩色打印相比單色打印最大差別是噴頭結(jié)構(gòu)和G代碼的生成，如圖1所示。

彩色打印的噴頭采取雙路混色噴頭、三路混色噴頭或多路混色噴頭，這種噴頭承擔(dān)混合熔融材料的作用。因為彩色打印的G代碼中包含了每個切片層的顏色信息，所以在生成G的方式會有很大的區(qū)別。

2.1 彩色打印混色原理

彩色打印原理是減法混色法，[5]所謂減法混合是指將兩種或兩種以上物質(zhì)融合，就會有不同于本來物體顏色的混色方法。減色混色法的三原色是青色（Cyan）、品紅（Magenta）和黃色（Yellow），也叫做CMY。一般彩色3D打印采用這三種顏色的材料，熔化后按照不同的百分比混合可以得到特定的混合色，在打印時不斷變換顏色材料的百分比，就能打印出彩色的三維產(chǎn)品。也有的是采用四色打印，添加了獨(dú)立的黑色材料，而不是采用混合的方式獲得，這種方式可減少混合的次數(shù)，加快打印效率。

2.2 彩色打印流程

彩色打印的流程，可分為三個步驟，依次是打印模型的數(shù)據(jù)獲取、模型數(shù)據(jù)處理、彩色打印。

（1）打印模型的數(shù)據(jù)獲取。通常有兩種方案，通過Inventor、Solidworks、UG等三維軟件設(shè)計建立模型，或者通過三維掃描儀器進(jìn)行逆向掃描獲取三維模型。

（2）模型的數(shù)據(jù)處理。[6]首先對模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，一般為STL格式，該格式是運(yùn)用三角網(wǎng)格來表現(xiàn)三維模型的。模型一些部位不能打印的，需要對模型采取一定程度的修整措施。然后進(jìn)行分層切片處理，切片過后須要采取平滑處理，使打印的模型每個片層過度更加平滑，有的三維模型在打印的時候是需要額外的支持結(jié)構(gòu)，以保持在沉積打印時模型幾何結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最后是顏色信息的插入，添加顏色信息一般采用兩種方式，一種是直接添顏色至模型中，對模型實體上色后，利用特殊的生成器生成G代碼。另一種則是先生成G代碼，再對G代碼進(jìn)行二次處理，添加顏色信息。最后將這些信息生成G代碼，發(fā)送至打印機(jī)。

（3）彩色打印。由送料系統(tǒng)將不同顏色的塑料送入噴頭的不同入口，送料系統(tǒng)控制著不同料絲的進(jìn)給速度，從而控制各個基色的百分比，來達(dá)到打印特定顏色的目的。進(jìn)入噴頭的料絲在高溫下熔化，在后部壓力作用下經(jīng)過引流腔流入混合腔混合，不同顏色的材料充分混合后，被擠出噴嘴后進(jìn)行沉積打印。

3 打印噴頭結(jié)構(gòu)分析

基于多色混合原理，現(xiàn)在的FDM型彩色打印機(jī)的擠出機(jī)構(gòu)都是采取多進(jìn)單出的方式，通過控制不同顏色的料絲進(jìn)入的速度，來實現(xiàn)不同比例的混合，從而獲得了豐富的顏色。噴頭是打印機(jī)的核心構(gòu)件之一，是高度集成的部分。

3.1 當(dāng)前彩色噴頭存在的不足

（1）噴頭內(nèi)部的溫度分布不均。[7]FDM型3D打印材料都是熱塑性的高分子化合物，在高溫下熔化達(dá)到粘流狀態(tài)。料絲從進(jìn)入到擠出的整個過程中，會經(jīng)過噴頭的不同區(qū)域，這些區(qū)域的溫度并不是一致的，整個過程溫度的變化會使熔融體產(chǎn)生膨脹或是收縮等效應(yīng)影響，從而影響噴頭內(nèi)部熔融體的流速和壓力，最終導(dǎo)致打印產(chǎn)品的質(zhì)量下降。

（2）擠出噴絲的壓力不穩(wěn)定。彩色噴頭是多進(jìn)一出結(jié)構(gòu)，由于控制系統(tǒng)精度不夠以及各個顏色的料絲進(jìn)入速度的變化直接影響融化腔、引流腔以及混合腔內(nèi)壓力，從而影響了料絲的擠出速度，將導(dǎo)致打印出現(xiàn)料絲堆積、噴頭堵塞等現(xiàn)象，影響產(chǎn)品打印的精度。

（3）不能很好地解決彩色精度與均勻度的矛盾。[8]混合腔的決定著色彩精度和均勻度，當(dāng)混合腔減小時，微體積的混合腔中不同顏色的材料不能均勻混合，但是色彩的精度會增加，若要增加材料的均勻的意味著要增大中空的混和腔的體積，但是這樣會導(dǎo)致色彩與色彩之間沒有清晰的分界線，而是一塊漸變區(qū)域。

3.2 噴頭設(shè)計的理論基礎(chǔ)

任翀[7]等人對噴頭內(nèi)部熔融體的流動性和熱平衡進(jìn)行了分析。噴頭內(nèi)不同直徑流道的流場會使各個流道產(chǎn)生壓力差。依據(jù)對等截面圓形流道和錐形圓管流道分析，得出噴頭內(nèi)部流道的各個部分的總壓力差：

該公式為噴頭的內(nèi)部流道設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。

噴頭的內(nèi)部溫度對熔融體流量大小、壓力變化、熔融體溫度有很大的影響，而溫度的變化對噴頭里面的材料因彈性而產(chǎn)生的各種效應(yīng)又是有很大的影響。根據(jù)該熱平衡方程：

在穩(wěn)定工作條件下，右邊部分為零，則熔融體的溫升只跟噴頭的壓力損失和熔融體的材料有關(guān)。為達(dá)到穩(wěn)定溫度的目的，加熱的熱能必須與輻射的熱量和流失的熱量之和相等。該方法為噴頭的溫度維持部分提供了設(shè)計依據(jù)。

韓善靈[9]等人采用了UG的有限元模塊，對一種雙進(jìn)料單擠出的噴頭進(jìn)行了溫度場的模擬分析，之后進(jìn)行的實驗驗證了溫度場分析的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了混色目的，給彩色零件的打印提供了技術(shù)支撐，同時為以后的基于三基色的彩色打印的研發(fā)提供了可行性的依據(jù)。肖亮[10]等人也對噴頭進(jìn)行了熱力學(xué)分析，主要是針對打印噴頭的熱結(jié)構(gòu)不合理造成的精度差等現(xiàn)象做出的分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，把加熱快分離出來進(jìn)行單獨(dú)的定位安裝以及對送絲機(jī)構(gòu)的導(dǎo)輪進(jìn)行改進(jìn)，使得改進(jìn)的噴頭的變形量降低了12.5%，同時整個的溫度分布趨于合理。

王世博[11]對若干雙路混色噴頭和三路混色噴頭進(jìn)行了設(shè)計和模擬，得到各種混色噴頭在正常情況下工作時內(nèi)流道熔融絲料的流動阻力、加熱棒加熱能量利用率和混色噴頭從室溫加熱到工作狀態(tài)的預(yù)熱時間，根據(jù)各個混色噴頭的結(jié)構(gòu)特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)對以上三個參數(shù)分別進(jìn)行分析，并通過實驗論證了理論數(shù)據(jù)。

三路噴頭的混色的整體效果要優(yōu)于雙路噴頭，并且通過三種絲料混合所得材料的顏色與三路混色噴頭混合三種絲料所打印模型表面的顏色對比，可以直觀的看出三路混色噴頭有著良好的混色性能。噴頭加熱棒的能量的有效利用率低于10%，為解決這一問題，可以在合理范圍內(nèi)盡可能縮小連接在加熱快和散熱片部分的喉管壁厚。

3.3 改進(jìn)噴頭的結(jié)構(gòu)說明

噴頭是擠出機(jī)構(gòu)的核心的部件，擔(dān)任重要的作用。噴頭的結(jié)構(gòu)對打印的質(zhì)量有至關(guān)重要的影響。

（1）無助推的三路混合打印噴頭。[5]如圖2所示，彩色3D打印機(jī)的噴頭的構(gòu)成部分主要有進(jìn)料口、散熱組件、喉管、加熱孔、噴嘴，其中嘴中有熔融腔、引流腔、混合腔。噴頭中部有開加熱孔放置加熱裝置以及測溫孔放置溫度監(jiān)控裝置。打印機(jī)工作時，原料由進(jìn)料裝置送入進(jìn)料口，在熔融腔內(nèi)經(jīng)過加電阻的加熱，塑料達(dá)到熔融狀態(tài)，受到送絲機(jī)構(gòu)的擠壓作用，材料流經(jīng)引流腔進(jìn)入混合腔。這時來自三個進(jìn)料口的不同顏色的塑料在此混合形成新顏色的塑料，在被充分混合后被擠出進(jìn)行沉積成型。為了使噴頭內(nèi)部熔化的料絲倒流的間隔盡可能減小，在其外部需要加上散熱裝置，可以在很大程度上降低打印噴頭堵塞的可能性。

此噴頭的引流腔、混合腔的體積都比較小，可有效解決有顏色不均的問題，此外具有結(jié)構(gòu)簡單、相應(yīng)時間短等有點(diǎn)，可打印顏色區(qū)分顯著的零件。由于混合腔與引流腔之間存在瓶頸，熔融的材料在流動時會產(chǎn)生壓力差以及溫度變化，影響其打印質(zhì)量。

（2）有助推機(jī)構(gòu)的噴頭，[12]結(jié)構(gòu)如圖3所示，采取了螺桿助推的方式。該噴頭也具有三個進(jìn)料口，可實現(xiàn)多色混合打印。主要結(jié)構(gòu)有噴嘴、料筒、加熱線圈、擠出螺桿、送料機(jī)構(gòu)等。工作過程是由送料機(jī)構(gòu)將線材送至進(jìn)料通道，外部加熱圈使之升溫熔化；助推螺桿與送料機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制，將熔融狀態(tài)下的材料攪拌并向前推擠，在推擠攪拌的過程中混合均勻，形成新的目標(biāo)顏色；熔融狀態(tài)的材料以穩(wěn)定的速度擠出進(jìn)行沉積打印。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是加熱線圈完全包裹在噴頭的外部，可使整個噴頭的受熱均勻，噴頭的熔融腔和混合腔的溫度可保持一致。添加的助推螺桿具有穩(wěn)定壓力和流速的作用。該打印噴頭解決了打印間斷的問題、大大減少拉絲、低料、漏料等現(xiàn)象。但是也由于外部線圈加熱的范圍大，而使噴頭的后部進(jìn)料口會出現(xiàn)溫度過高而導(dǎo)致料絲出現(xiàn)粘黏等現(xiàn)象，可在尾部加上散熱裝置；此外最大的不足是，加入的擠出螺桿使熔融腔和混合腔合并在了一起而使整個內(nèi)部空間變大，那么熔融的材料就會增加，導(dǎo)致了打印顏色變化的相應(yīng)時間增加。所以該打印噴頭無法顏色區(qū)分明顯的零件打印，只能應(yīng)用于漸變色的打印。

4 總結(jié)

文章主要介紹了FDM型彩色3D打印機(jī)的發(fā)展歷程和彩色打印的技術(shù)理論以及多路打印噴頭，對目前的彩色3D打印的噴頭設(shè)計原理進(jìn)行了總結(jié)和探討。目前大部分彩色3D打印機(jī)都是采用三基色原理，所以都采用三路混色噴頭。分析得出目前的打印噴頭存在的主要問題，噴頭內(nèi)部的溫度分布不均和擠出噴絲的壓力不穩(wěn)定，以及不能很好地解決彩色精度與均勻度的矛盾。針對以上問題和矛盾總結(jié)分析了一些理論和解決方法，并分析了兩種典型的三路混合打印噴頭結(jié)構(gòu)。為噴頭裝置的設(shè)計及采用提供很好的依據(jù)。彩色3D打印已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，但是利用FDM型打印機(jī)怎樣更加高效更加精準(zhǔn)地打印出彩色3D產(chǎn)品仍需要更進(jìn)一步探索，同時，與彩色打印類似的多材料打印也是3D打印發(fā)展的新方向，更加具有挑戰(zhàn)性。

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