一种新型FDM彩色3D打印机的设计研究

摘要：3D打印技术已经有100多年的历史，从最初的堆焊、合金喷涂等到现在的3D打印机。在3D打印机领域中，如果使用单色喷头打印则其所使用的3D打印技术多是热融沉积成型3D打印技术，这种技术的不足问题之一就是色彩单一。若使用双喷头乃至多喷头技术进行3D打印，由于多喷头的打印机结构较为复杂，条件过高，导致多喷头3D打印机的价格也十分昂贵。针对这些问题，通过对喷头结构、控制系统和混色数字化软件研究，特别是在机械方面针对3D打印设备的喷头结构进行大量仿真、设计和实验优化，设计出了一款新型的具有两进一出喷头FDM彩色3D打印机系统，经过实验验证，可以完成彩色打印功能。

关键词：新型；3D打印；系统设计；发展

前言

3D打印技术是近年来兴起的一种综合生产处理的新技术手段，可以将技术、资源、设备、自动化、生物技术等诸多不同领域方面加以有效的整合，并利用可视化管理软件进行对活动材料的逐层叠加，从而能够达到三维实体化的增材加工。和传统工业比较，3D打印技术有着得天独厚的优点，目前正在国内进行迅速的开发，尤其被加工制造业所重视。在今天这种产业制造模式下，3D打印技术的诞生是为了适应市场经济的必然产物，其正在不断加速这一技术商品化趋势的产品应用中所取得的成就。

目前市面上的新型FDM彩色3D打印机主要包括两大类：一是工业级3D打印设备，该设备精密度级别高，材料打印范围也更广，可以打印金属、陶瓷、和生物质材料等，但工业级设备也有缺点，比如：体型较大、成本费用高、对工作的环境条件比较严苛，不适宜于个人家庭应用；二是采用桌面级新型FDM彩色3D打印机，该设备可广泛应用在企业、家居、学校应用教育等方面，桌面级新型FDM彩色3D打印机对工作环境的要求不严格，且具备了构造简单，产品花费成本低，成型材质多为PLA（聚乳酸）、ABS（热塑性高分子结构材料）等优势，并且对周围环境基本没有产生环境污染。

一、3D打印技术的兴起及发展

在1892年，Blanther就创新性提出了采用分层切片的方法制作出一个类似三维地图的数据模型。Blanther的创新想法在19世纪80年代，由ChartesW.hull在美国UPA公司的支持下，设计完成了第一台能实现完整打印功能的零部件制造系统（SLA-1），并申请了相关技术以及专利保护，这个可以看做是3D技术发展的一个里程碑。在后来的技术发展中3D打印技术逐渐走向成熟。比较完善的工艺技术主要有立体式光固化打印（SLA）、选择性激光烧结技术（SLS）、层状实体制备（LOM）、热融沉积制造（FDM）等快速成型技术。

3D打印技术与中国传统制造企业技术相比较，具有较高的发展前景和科技辅助力度，是传统的制造技术所不能比拟的。由于3D打印设备独特的打印技术，使得二者具有较为明显的特点。3D打印技术较传统技术而言，在创新、绿色、经济和环保上有着突出优势，同时又因为其快速成型的原因，使得3D打印技术在机械制造业备受重视，同时在国内外制造业中发展迅速。

3D打印机生产技术需要综合多种专业应用领域的前沿技术，主要涉及：现代计算机信息技术，需要有辅助设计人员制造出生产产品三维数字模型的先进控制软件和数字化辅助生产技术，并通过建模分析计算出生产打印机的工作流程，从而完成了对生产打印机操作的智能化管理;精密仪器学，即使用分层堆叠工艺方法的3D打印技术，生产工艺中对产品设计的精度要求更高，对打印装置的精确性和稳定性条件也更加严苛;特殊材料学，即生产3D打印机时所采用的原料一定是特定的金属材料，并采用了可以在打印过程中液化、丝化、热可溶的特殊金属材料。就目前所掌握的科技水平来说：3D打印技术尚处于不成熟发展阶段，因此3D打印技术的发展道路还需要我们很长的时间来走

二、3D打印技术国内外研究现状

截至目前，在海外对3D打印技术研发方面有着突出表现的企业，首先是美国公司Stratasys有限公司、以色列Objet有限公司和联邦德国Envisiontec有限公司，并且上述三家企业的3D打印技术发展都已相当成熟。3D打印技术也正在逐步改写着美洲国内产业的发展格局，即使是在2012年的美国政府《时间》周刊，也已经将3D打印机产业列入"全美发展最快的十大产业";而加拿大《财经人》杂志社则表示，它将"推进三次产业变革的进行，与其它的现代数字化产业方式共同努力"。

我国虽然对于3D打印技术的研究时间较为短暂，但是我国所取得的研究成国在不断增加。与3D打印方面有关的技术、材料，建模软件等领域，我们在一些新型技术领域方面已经走向世界前列。

尽管当前3D打印技术在科研方面已有了一定的进展，但在科技积累和发展水平方面却还亟待进一步提升。尤其是在国家大力推动我国制造业2025的行动纲领下，各大研究机构应加大研究力度，着重发展创新型制造业。目前在国内外有部分中小企业一直在研究自主开发的新型FDM彩色3D打印机，但各企业都存在着研发能力不足、且缺乏创新性等问题。所以，在3D打印领域，中国要走的路还很长。这也间接的说明我们国家在这个领域还有非常大的发展空间。

三、新型FDM彩色打印机的系统设计优化

FDM 3D打印机最重要的机械部件之一——材料挤出装置，主要包括喷嘴、加热棒、热敏电阻和送丝机构等。基于热融沉积成型3D打印技术的单一性原理，而目前的混色喷嘴技术仅仅在单颜色喷嘴的基础上，添加了一种具有双进料单挤出结构的供料管和混合区，但由于无法控制混合程度，效果达不到理想效果。双喷头和多喷头的打印技术结构设计过于复杂，价格管理方面过于昂贵等这些社会问题。对喷头的结构，控制系统和混色数字化软件进行创新型设计优化。制作出的3D打印设备可以支持双通道材料的配比。同时对于文创设计方面的彩色模型的成型，或者多材料剃度功能性制品的成型提供一种新的解决方案，其实用性和市场推广价值极大。

对于技术路线方面的优化设计：在机械方面针对3D打印设备的喷头结构进行大量的仿真、设计和试验优化，设计出一种新型的多材料混合挤出打印头，通过在多材料供丝通道中设计出“十字”结构和环形降温结构，实现不同丝材混合更加均匀和整个打印头不同的温度梯度，进而实现进丝顺畅，喷头不易堵塞的优点。在控制系统上，计划开发针对多材料混合的多轴联动挤出电机控制，支持两路甚至更多进丝电机的控制，添加多路冷却装置和测温装置对混色打印头进行梯度温度控制。在软件方面，因为3D打印与传统的加工工艺不同，它是一种数字化的生产过程，因此数字化端的处理最为关键。所以计划通过将模型成型的梯度特性输入到软件中，软件会自动对不同层的不同进丝端材料进行相应的匹配。

此项目采用FDM快速成型技术，耗材采用了低熔点丝状材料，先通过2D的层层建模，内置的高性能彩色3D打印机喷头将在每一层都上好事先调试好的颜色，复原了3D模型的同时也做好了精准的上色，与传统的打印机相比本产品在色彩上有了突破性发展；打印速度相较于传统3D打印机也有一定幅度的提升；材料方面选择了轻量化的材料，这种材料易成形、选材也更加的广泛，更易实现。

经过大量的打印试验，验证了根据混色打印原理，优化设计后的喷头结构在一定程度上提高了打印产品的质量，提高了打印稳定性。开发优秀的混色切片软件，不是切片后再进行混色处理，而是在切片的同时生成混色代码。这是我们研究项目的优势所在。

四、新型FDM彩色3D打印机的发展趋势

科技的发展总是能给我们带来意想不到的惊喜。下面我们将简要了解一些在3D打印技术里的高精尖“黑科技”。

（1）生物3D打印技术“长生不老”一直是人们关注的科技话题，因此再生医疗的发展往往能够使人们为之一振，不由的感叹现代科技的伟大。再生医疗科技很大程度上是由3D打印技术来推动的；因为其能够满足高度的个性化需求、目标的精准化要求，3D打印技术已然在我国的医疗模型、个性化医疗植入、仿生组织等领域得到大力发展。由于很多人体结构的复杂性和功能的独特性，之前的技术很难“打印”出结构功能完善的替代器官，而且由于生物材料的复杂性以及人体免疫系统的精确的排异结构，很难完成外体组织的替换。目前除了某些能够和人体组织相容的生物金属或者陶瓷材料可以代替人体受损的部位，其他部位的脏器替换依然需要外科移植来完成。

进行查阅资料了解到：3D打印技术在医疗应用服务方面大致可以分为四个层次：第一级，用于医疗模型以及外科手术的医疗器械的不具有生物相容性的材料制造；第二级，可以永久植入人体的具有一定生物相容性的诸如生物陶瓷，用以替换人体受损的部位的材料；第三级，可以降解并且能够刺激人体组织自我修复的生物材料，但是这种生物材料并不能实现自我修复的功能；第四级，同时也是目前医疗技术力求突破的技术一一以活体细胞作为“墨水”，打印生物活体组织和器官。可以预见在不久的未来，人类可以实现利用自身细胞打印出可以替换的人体组织或者器官，这将是人类科技一个巨大的突破。

（2）多种材质进行混合打印，这一阶段在FDM打印技术中应用最为广泛。最常见的一种打印效果就是单一的质感、颜色。这使得很多打印成果只能用于展示，而不便于应用到更为广泛的领域里去。在工业设计制造领域中，用的最多的铸造工艺目前早已经能够实现双层甚至多层注塑，这使得我们做出来的产品，表面质感更加丰富、色彩更加鲜艳。例如每天都会使用的牙刷，因为和人体接触的部位不同，所以采用的材质既要满足强度又要同时保证舒适度。同样的，现在的3D打印技术也在向多材质混合打印靠拢。

（3）超级植入式打印技术美国佛罗里达大学发现了一种新的打印方法，通过这种方法可以打印出传统意义上不太容易实现的精细结构。该项技术基本原理是将打印机的喷嘴伸入一种物质内部进行打印。这种物质可以是某种液体，也可以是某种固态物质。这样的打印方式使得人们改变了以往的打印方式，即：只能将打印材料熔化，然后通过步进电机使得打印层位移，然后打印材料凝结（例如FDM）。这种打印方式的优点在于，打印材料从喷嘴中被挤出后，之前容纳打印过程的“介质”就可以得以留下指定的位置，如此，就可以打印出任意结构。

总结

目前3D打印技术的使用并没有人们所想象的那么普遍，在教育领域中率先应用并推广这项技术是学校的义务和责任，但随着新技术在制造行业中的日益应用，3D打印技术在加工成本、精度、速度、材料等方面也会得到很大改观，3D打印技术将给当前的制造行业带来巨大的变革。并且会对人民生活的方方面面产生一些我们所想像不到的益处。

参考文献

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