三噴頭自由切換多色3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)運(yùn)動(dòng)阻力的“工”字形裝置，加工精度高，具有良好的穩(wěn)定性能;使用雙Z軸限位的設(shè)計(jì)，保證打印平臺(tái)初始的平穩(wěn)，打印件可以更好地粘著平臺(tái);可實(shí)現(xiàn)安全電氣控制，3D打印機(jī)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(jī)主控板支持三噴頭控制功能，使產(chǎn)品色彩搭配合理;人機(jī)交互界面更加智能化和易于操作化;同時(shí)，也增加了意外斷電續(xù)打功能。

關(guān)鍵詞：3D打印;加工精度;色彩

1 ? 研究意義與目的

近年來(lái)，工業(yè)發(fā)展迅速，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)需求與工業(yè)生產(chǎn)能力具有嚴(yán)重的矛盾，因此，提高工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)對(duì)人們的生活質(zhì)量有著較大的影響。隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電數(shù)控的機(jī)工設(shè)備也在不斷更新?lián)Q代。在生產(chǎn)生活當(dāng)中，對(duì)于一些零件的加工處理、傳統(tǒng)的數(shù)控加工設(shè)備無(wú)法完成、加工困難較大以及傳統(tǒng)加工方式中原材料的有效利用率較差的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)出了相應(yīng)的解決辦法，新型增材制造的加工方式也應(yīng)運(yùn)而生[1]。各種加工工藝的3D打印機(jī)得到了研發(fā)和廣泛應(yīng)用，在航空航天、工業(yè)建筑、珠寶首飾行業(yè)、廣告行業(yè)和文物保護(hù)等方面具有較大的使用價(jià)值。人們?cè)谌粘Ｉ钪惺褂米顬閺V泛的就是熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）加工工藝的3D打印機(jī)，在日常生活中，可以通過(guò)三維建模技術(shù)制造出日常所需的機(jī)械零部件，如個(gè)性花盆、機(jī)器人零部件等[2]。同時(shí)，在FDM加工工藝的3D打印機(jī)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(jī)操作復(fù)雜等問(wèn)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(jī)。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其逐漸取代傳統(tǒng)模具行業(yè)已是大勢(shì)所趨。因此，提高3D打印機(jī)的實(shí)用性FDM型3D打印是當(dāng)前檢索的難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于雙入雙出的彩色? ?3D打印機(jī)單選噴嘴，可以完成部分混色工作，但在顏色的質(zhì)量和穩(wěn)定性方面還有許多問(wèn)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(zhì)量，減小混合物的體積。

2?項(xiàng)目研究現(xiàn)狀與分析

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和時(shí)代科學(xué)技術(shù)的不斷更新，工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)了不同階段的更新。中國(guó)工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)4.0階段，在工業(yè)生產(chǎn)中，要求實(shí)現(xiàn)快速、精確的全自動(dòng)化加工生產(chǎn)。在工業(yè)4.0的發(fā)展階段，社會(huì)發(fā)展不斷進(jìn)步，且工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為國(guó)家和社會(huì)進(jìn)步不可或缺的部分。工業(yè)的發(fā)展立足于滿足人們的物質(zhì)需求，以將人們生活中的產(chǎn)品成本降低和產(chǎn)量化[4]。

在工業(yè)的加工生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的加工生產(chǎn)方式存在原材料沒(méi)有完全被人們有效利用、一些機(jī)械零件傳統(tǒng)的加工方式導(dǎo)致機(jī)械加工困難和機(jī)械數(shù)控加工過(guò)程中的工作人員操作危險(xiǎn)等問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了新型的增材制造的加工方式，各種各樣的3D打印產(chǎn)品相繼出現(xiàn)。由于這些機(jī)器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、占地空間相對(duì)較小、普通3D打印機(jī)價(jià)格不高和對(duì)加工原材料的要求較低等，受到大眾的歡迎和眾多科技創(chuàng)新愛(ài)好者的喜愛(ài)。

在3D打印技術(shù)的應(yīng)用方面，可將其作為新型的創(chuàng)新前沿技術(shù)應(yīng)用在建筑中，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的建筑速度。在個(gè)人定制方面，3D打印技術(shù)具有完美的私人定制優(yōu)勢(shì);在珠寶首飾等方面，3D打印技術(shù)完全可以發(fā)揮出創(chuàng)新設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì);在廣告牌等媒體的宣傳中，3D打印技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用;在汽車的加工生產(chǎn)上，3D打印技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了汽車結(jié)構(gòu)新型化等。

我國(guó)是人口大國(guó)，在生產(chǎn)生活中，對(duì)3D打印加工技術(shù)具有較大需求。針對(duì)現(xiàn)階段的生產(chǎn)生活對(duì)機(jī)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(jiàn)的FDM、SLS等。3D打印增材制造的機(jī)械加工技術(shù)出現(xiàn)在新時(shí)代的日常生活當(dāng)中[5]。在FDM加工工藝中，運(yùn)用3D打印技術(shù)往往出現(xiàn)加工材料顏色單一、桌面級(jí)加工機(jī)械尺寸有限以及加工過(guò)程中出現(xiàn)斷電等問(wèn)題，因此，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)、高精度、雙噴頭、斷電續(xù)打3D打印機(jī)。

3?三噴頭自由切換多色打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了尋找多色3D打印，有學(xué)者提出了一種新的3D混合三色噴嘴裝置的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)UG，對(duì)3D打印技術(shù)有限元溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，為擠壓噴嘴的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[6]。隨后，還有人指定了3D打印技術(shù)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(jìn)展，還有人在他們的發(fā)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(huì)發(fā)展到工業(yè)級(jí)，如德國(guó)計(jì)算機(jī)圖形搜索機(jī)構(gòu)，可以讓像素打印滲透到灰塵材料且存在墨水試點(diǎn)，這是一個(gè)三維應(yīng)用程序，但是也采用了一半的二維技術(shù)。雖然它并不成功，但終究會(huì)向此方面發(fā)展，因此，光合作用材料的高成本會(huì)阻礙重型設(shè)備的發(fā)展[8]。

根據(jù)相關(guān)資料，提出了一種三維打印多色FDM噴嘴的設(shè)計(jì)方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該噴頭可以同時(shí)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(shè)置有混合腔頂蓋，底部設(shè)置有打印噴嘴，底壁設(shè)置有加熱溫控器[9]。所述耗材混合腔的腔壁有4個(gè)進(jìn)料槽，每個(gè)進(jìn)料槽內(nèi)均設(shè)置1根進(jìn)料管道，每根進(jìn)料管道的輸出端位于耗材混合腔內(nèi)，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(jié)構(gòu)采用立體箱式結(jié)構(gòu)，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(dòng)軸線，實(shí)現(xiàn)逐層加工打印的效果，進(jìn)而更加智能化。LCD液晶屏以漢字、彩色顯示為主，實(shí)現(xiàn)了電腦與打印機(jī)的脫機(jī)打印，通過(guò)U盤或SD卡，為底層固件提供打印信息，進(jìn)而更加便捷、易于操作。X、Y軸采用“工”字形設(shè)計(jì)，運(yùn)用多軸傳動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)X、Y軸的高精度行走， Z軸實(shí)現(xiàn)兩組步進(jìn)電機(jī)同步升降。E1、E2軸線采用兩組步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度供料，實(shí)現(xiàn)整套軸線高精度有效行走。此作品更接近最前沿的工業(yè)級(jí)技術(shù)型3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從桌面級(jí)到工業(yè)級(jí)的轉(zhuǎn)變，更加貼近機(jī)械的生產(chǎn)制造和大多加工設(shè)備產(chǎn)品的研發(fā)[10]。

4?結(jié)語(yǔ)

（1）改變傳統(tǒng)的單噴頭打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)三噴頭自由切換多色打印，提高打印精度。

（2）提高穩(wěn)定性并完成3D打印機(jī)的組裝和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)三色自由切換的高精度3D打印。

（3）采用有效減小3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)阻力的“工”字形結(jié)構(gòu)，使用雙Z軸限位的設(shè)計(jì)，保證打印平臺(tái)初始平穩(wěn)，使打印件可以更好地粘著平臺(tái)。

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