全色3D打印機(jī)智造多彩中國(guó)夢(mèng)

明天小小科學(xué)家

“明天小小科學(xué)家”獎(jiǎng)勵(lì)活動(dòng)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、周凱旋基金會(huì)共同組織實(shí)施，旨在深入貫徹落實(shí)全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案（2016-2020年），選拔和培養(yǎng)具有科學(xué)潛質(zhì)的青少年科技創(chuàng)新后備人才。第19屆“明天小小科學(xué)家”共有1785名高中生注冊(cè)申報(bào)，在為期6天的比賽中，參賽學(xué)生歷經(jīng)研究項(xiàng)目問(wèn)辯、綜合素質(zhì)考察、知識(shí)水平等一系列測(cè)評(píng)環(huán)節(jié)，江蘇共有7名同學(xué)入圍終評(píng)，江蘇省科學(xué)傳播中心新聞采編部獨(dú)家采訪了這些獲獎(jiǎng)選手。

在南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，鄧介銘是學(xué)校里人盡皆知的小小發(fā)明家。說(shuō)起他的發(fā)明秘訣，那就是愛(ài)觀察、愛(ài)提問(wèn)、愛(ài)思考。從簡(jiǎn)易保溫袋的改進(jìn)到便攜式無(wú)線(xiàn)實(shí)物投影儀的制作，無(wú)不體現(xiàn)他過(guò)人的洞察力和超強(qiáng)的動(dòng)手能力。

處處留心皆學(xué)問(wèn)

就拿這次獲得“明天小小科學(xué)家”全國(guó)一等獎(jiǎng)的全色3D打印機(jī)來(lái)講，原本是2018年年初，鄧介銘去上海參加機(jī)器人競(jìng)賽，在前期的調(diào)試過(guò)程中，機(jī)器人上的一個(gè)連接軸損壞了。等到第二天比賽，鄧介銘利用競(jìng)賽主辦方提供的3D打印機(jī)打印零件，由于時(shí)間倉(cāng)促，再加上當(dāng)時(shí)因?yàn)榇蛴〗z顏色的局限，零件并沒(méi)有能按照設(shè)想的效果打印出來(lái)，對(duì)此留下了小小的遺憾。

比賽結(jié)束后，鄧介銘一直在思考：如果3D打印機(jī)體積盡可能小并能折疊隨身攜帶該多好？如果打印件不受打印絲顏色限制該多好？由此，他產(chǎn)生了去研制一臺(tái)全色3D打印機(jī)的欲望。于是2018年4月，他從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)DIY的3D打印機(jī)，花了整整3天時(shí)間，自己動(dòng)手成功組裝好了這臺(tái)3D打印機(jī)。在組裝過(guò)程中，弄明白了目前3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、連線(xiàn)電路、工作原理等，為日后制作全色3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制作打下了良好的基礎(chǔ)。絕知此事要躬行

鄧介銘查閱了大量有關(guān)3D打印機(jī)的資料，發(fā)現(xiàn)盡管市場(chǎng)上的3D打印機(jī)品種很多，但是全色3D打印機(jī)幾乎為零。僅有的一種變換顏色的3D打印機(jī)，也只是兩種顏色之間噴頭的轉(zhuǎn)換。如果需要顧及成品的外表美觀，只有在成品外表采用另外噴色的方法，3D打印機(jī)本身并不能實(shí)現(xiàn)全彩色覆蓋的打印。

首先，機(jī)身的設(shè)計(jì)。鄧介銘設(shè)計(jì)了幾款3D打印機(jī)機(jī)身，盡可能使打印機(jī)的體積變小，并且可以折疊。最初想到的折疊是用鉸鏈、用鎖扣，最后還是受了iPhone手機(jī)的磁扣式充電器的啟發(fā)，決定采用磁吸式，達(dá)到便攜、牢固的效果。另外，鄧介銘精心設(shè)計(jì)了3D打印機(jī)所有重要元件的位置，使其結(jié)構(gòu)更加合理化，達(dá)到體積最小化。

其次，色彩的調(diào)試。四色印刷是印刷的種類(lèi)之一。它是用青（C）、品紅（M）、黃（Y）、和黑（K）四種顏色來(lái)按減色混合原理實(shí)現(xiàn)全彩色復(fù)制的平版印刷方法。理論上，四色印刷可以獲得成千上萬(wàn)種顏色，以Y，M，C和K四種顏色組合，而不重復(fù)。單色——Y，M，C和K四種;雙色——Y+M，Y+C，Y+K，M+C，M+K，C+K六種;三色——Y+M+C，M+C+K，Y+C+K，Y+M+K四種;四色——Y+M+C+K一種，共計(jì)15種顏色。以此推理下去，四色印刷可以獲得全彩色。鄧介銘發(fā)現(xiàn)印刷所用的三原色是青、品紅、黃（CMY），但在傳統(tǒng)紙張印刷中，由于三原色實(shí)際不可以高純度地還原黑色，因此在紙張是白色的基礎(chǔ)上，普通打印機(jī)采用了青、品紅、黃、黑四色印刷原理。那么3D打印機(jī)想要實(shí)現(xiàn)全彩色打印，僅僅是四色印刷原理是不夠的，因?yàn)闆](méi)有白色的紙張，所以還需要加入白色。因此全色3D打印機(jī)基本顏色應(yīng)當(dāng)有青、品紅、黃、黑、白五種顏色。要想實(shí)現(xiàn)全色打印，就需要基于四色印刷原理，根據(jù)CMYK四色比例，以黑色（K）為優(yōu)先，剩下的用青、品紅、黃（CMY）填充，再用白色（w）填充。

梅花香自苦寒來(lái)

“五色進(jìn)混色出”的方案確定后，后期在研發(fā)全色3D打印機(jī)過(guò)程中，鄧介銘遇到的困難依然不少，但是均能一一克服。最困難、最迷茫的階段是全色3D打印機(jī)的噴頭設(shè)計(jì)。第一次設(shè)計(jì)的噴頭是五個(gè)進(jìn)線(xiàn)圍在一起，起初是考慮到假如一字排開(kāi)的話(huà)，會(huì)出現(xiàn)左右最邊上的噴頭進(jìn)絲不暢?？墒窃跍y(cè)試過(guò)程中，鄧介銘發(fā)現(xiàn)不僅沒(méi)有出絲，熔化后的材料全部擠在了噴腔內(nèi)，不能擠出就只能從接縫處溢出，且因?yàn)闇囟冗^(guò)高，噴頭上的輸入端（是3D打印的連接處）全部燒化。僅一個(gè)噴頭設(shè)計(jì)，一下就出現(xiàn)了3個(gè)問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的思考，第二次設(shè)計(jì)時(shí)鄧介銘改變了溫度傳感器的位置，以提高打印絲熔化的速度和擠壓力。另外，考慮到散熱問(wèn)題，在噴頭處增加了一個(gè)風(fēng)扇。再者，改變了進(jìn)絲結(jié)構(gòu)，由耐高溫管線(xiàn)引導(dǎo)進(jìn)絲。這種改進(jìn)貌似可行，但隨著測(cè)試次數(shù)的增多，發(fā)現(xiàn)又出現(xiàn)一個(gè)新的問(wèn)題：某個(gè)顏色一段時(shí)間不出絲，其端口溫度下降，打印絲則會(huì)凝固。而因?yàn)閴毫Φ葐?wèn)題，導(dǎo)致新的凝固口變粗，打印絲堵塞不暢，特別是再次需要這個(gè)顏色時(shí)，電機(jī)無(wú)法推進(jìn)打印絲。如何讓打印絲不回流呢？經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，進(jìn)行了第三次噴頭裝置的設(shè)計(jì)。在噴頭上部再增加一個(gè)風(fēng)扇，以達(dá)到冷卻與加熱部位的明顯分割，保證對(duì)溫度的控制。

經(jīng)過(guò)多次不斷改進(jìn)，最終的噴頭分為上下兩個(gè)部分，為了隔絕熱量的傳遞，中間是斷開(kāi)的。

在后續(xù)研究中，鄧介銘又增加了“色彩調(diào)配”實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同比例不同顏色混合的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，將大數(shù)據(jù)建構(gòu)的配比模型應(yīng)用在編程中，以期達(dá)到更滿(mǎn)意的色彩效果。在控制五色輸出的控制系統(tǒng)由軟件控制每種色的擠出量時(shí)，將1秒鐘分成約100份，再以1秒鐘為循環(huán)，利用主控板在不同的時(shí)間分別控制其中一色電機(jī)擠絲，以實(shí)現(xiàn)全色打印。由于將時(shí)間分割盡量小，每一次只運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)電機(jī)，幾乎感覺(jué)不到，但這樣卻可以將每種顏色的量盡可能合理化地?cái)D出，即五種不同的顏色，控制其輸出時(shí)間的比例為：

不增加時(shí)間，又達(dá)到美觀效果。比如，需要打印的為純白色，那么輸入RGB（1024，1024，1024），電腦系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)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，O，0），電腦系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算CMYKW為（0，0，O，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(tǒng)自動(dòng)計(jì)算CMYKW為（0，O，O，512，512），因此控制器控制黑色和白色共同輪換出絲。五種顏色打印絲會(huì)受程序控制進(jìn)料，經(jīng)進(jìn)料管、輸料管導(dǎo)引進(jìn)入自行設(shè)計(jì)的“五進(jìn)絲單擠出”噴頭裝置，在熔腔內(nèi)熔化。在擠出力的推動(dòng)下從噴嘴噴出，實(shí)現(xiàn)全彩色打印。

指導(dǎo)老師眼中的他

在我看來(lái)，這個(gè)孩子的最大特點(diǎn)有三個(gè)：第一點(diǎn)就是執(zhí)著?，F(xiàn)在孩子的興趣點(diǎn)很容易分散，但鄧介銘非常執(zhí)著，一直都很喜歡機(jī)器人，喜歡發(fā)明創(chuàng)造，他的這份執(zhí)著是一般孩子很難堅(jiān)持的;第二，鄧介銘特別愛(ài)思考，愛(ài)提問(wèn)，對(duì)生活中的一些現(xiàn)象很關(guān)心，喜歡追根究底;第三點(diǎn)，也是這個(gè)孩子的過(guò)人之處，就是他有了問(wèn)題以后還會(huì)想辦法去解決它。比如，他自己就有記錄本，把問(wèn)題一個(gè)個(gè)記錄下來(lái)，能夠解決的問(wèn)題，就努力去實(shí)現(xiàn)它;暫時(shí)完成不了的發(fā)明夢(mèng)想，就不斷去思索。這是一種難能可貴的品質(zhì)。

發(fā)明心得

這一次小發(fā)明來(lái)源于我參加機(jī)器人比賽零件缺失的窘境，遇到問(wèn)題需要解決，不斷思考、動(dòng)手、分析、調(diào)試、再改進(jìn)，終于發(fā)明了全色3D打印機(jī)，過(guò)程漫長(zhǎng)而且痛苦和失望相伴。從2018年4月到2019年3月，通過(guò)近一年時(shí)間的項(xiàng)目研究，我學(xué)習(xí)到了很多知識(shí)：通過(guò)組裝3D打印機(jī)的實(shí)作法認(rèn)識(shí)了3D打印機(jī)的各部分零件以及作用;SOLIDWORKS建模雖然之前學(xué)過(guò)，但這次需要完整畫(huà)一臺(tái)機(jī)器，而且不能出差錯(cuò)，這讓我鞏固了不少建模知識(shí);軟件編程不是我的強(qiáng)項(xiàng)，李駿揚(yáng)老師教會(huì)了我編程的思維和方法;電路焊接是我以前沒(méi)有接觸過(guò)的，需要邊學(xué)邊做。何學(xué)軍老師在機(jī)械制圖與加工等方面不厭其煩地教我，特別是噴頭的設(shè)計(jì)與加工，何老師憑借自己的經(jīng)驗(yàn)給我出了很多的主意。我將學(xué)習(xí)過(guò)程中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴記錄在了我的工程記錄本上。整個(gè)研究過(guò)程，也讓我明白了做科學(xué)發(fā)明過(guò)程的艱辛，這些都是我利用業(yè)余時(shí)間完成的，有時(shí)為了一個(gè)小的連接點(diǎn)，需要嘗試很多遍，一遍遍、一次次。記得在提交南京市賽的前一個(gè)晚上，我和指導(dǎo)老師還有我的父母，七八個(gè)腦袋一起貼在地下看是否順暢出絲，一直折騰到凌晨12點(diǎn)半。雖然最終沒(méi)有成功，但還是找到了問(wèn)題的根源，老師鼓勵(lì)我市賽回來(lái)后繼續(xù)修改。同時(shí)，科學(xué)也容不得半點(diǎn)馬虎。在研究過(guò)程中，一次我遇到模棱兩可的情況時(shí)，存在僥幸心理，不小心燒壞了整個(gè)主板。在后面的研究中，再碰到需要商榷的問(wèn)題時(shí)，再也不敢心存僥幸。我還是一名高中生，知識(shí)積累不夠豐富，技術(shù)操作也沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，每次我都去查閱文獻(xiàn)，虛心向技術(shù)專(zhuān)家和指導(dǎo)教師請(qǐng)教來(lái)求證，然后再做決定。

全色3D打印機(jī)發(fā)明后，我拿到機(jī)器人比賽中去試用，得到同伴們的肯定和贊賞，能用自己的能力來(lái)為大家提高服務(wù)的感覺(jué)真好。雖然研究及試驗(yàn)過(guò)程煩瑣辛苦，但是經(jīng)過(guò)不斷嘗試與改進(jìn)，我體驗(yàn)到了科學(xué)探究的基本過(guò)程，保持和發(fā)展對(duì)未知世界的好奇心和探究熱情，發(fā)展自己的學(xué)習(xí)能力、思維能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，形成尊重事實(shí)、樂(lè)于探究、與人合作的科學(xué)態(tài)度。感謝我們學(xué)校的孫風(fēng)波老師，孫老師鼓勵(lì)我不放棄、再試試，讓我明白了過(guò)程比結(jié)果更重要。最后，要感謝我的媽媽?zhuān)龑?duì)我的不懈支持和在生活、學(xué)習(xí)上的關(guān)心使我毫無(wú)顧忌地走進(jìn)研究3D打印的世界，用心思考問(wèn)題，分析尋找解決方法，不懈嘗試與優(yōu)化，更重要的是我學(xué)會(huì)了如何在實(shí)踐中思考、在實(shí)踐中創(chuàng)新。在今后的學(xué)習(xí)中，我將繼續(xù)保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和勇于探索、不怕困難的精神，這將是我的人生成長(zhǎng)歷程中的寶貴財(cái)富！

（責(zé)任編輯：曹偉 責(zé)任校對(duì)：白玉磊）采訪手記

在采訪中，筆者感覺(jué)鄧介銘同學(xué)的自律性非常強(qiáng)，而且愛(ài)好廣泛，不僅是個(gè)小小發(fā)明家還是位泰拳高手，家長(zhǎng)是不是從小就刻意去引導(dǎo)、培養(yǎng)他去做這些呢？鄧介銘的媽媽說(shuō)：“發(fā)明創(chuàng)造和機(jī)器人這些愛(ài)好都是他自己特別喜愛(ài)，從小就主動(dòng)投入的。至于泰拳，還是需要通過(guò)鼓勵(lì)來(lái)堅(jiān)持的，但很多事情，堅(jiān)持之后就成了自然。”