彩色3D打印機(jī)的研究與探索

汪子清+郭龍+羅渝+江繞冬+羅娜+饒欽

摘 要：目前，市面上大多數(shù)3D打印機(jī)都只能夠打印出一種顏色的三維物體，能夠打印多色三維物體的打印機(jī)少之又少，且打印多色非常慢。文中通過對(duì)3D打印機(jī)硬件與軟件的研究，針對(duì)其存在的問題提出3D打印機(jī)打印彩色三維物體的一些對(duì)策與建議。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；多色；單色；三維物體

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-00-02

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，三維技術(shù)層出不窮，3D打印技術(shù)作為一種新興科技在制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展。目前3D打印已成功打印出很多三維物體，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域都已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，人們隨之把3D打印技術(shù)稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。但是當(dāng)前的3D打印還局限在一種很單一的打印方式，很多公司生產(chǎn)出來的3D打印機(jī)都只能夠打印出一種顏色的三維物體，無法在一種物體上打印出多種顏色。如果想打印多色，則要對(duì)打印機(jī)的材料進(jìn)行更換，而打印機(jī)必須停止工作才可更換材料。就目前的打印機(jī)而言，若停止了3D打印機(jī)的工作，則打印機(jī)不會(huì)在上次停止的地方繼續(xù)打印，必須從頭開始。這將會(huì)浪費(fèi)大量的材料和時(shí)間，如果要打印出一個(gè)精度很高的產(chǎn)品可能要花費(fèi)一兩天的時(shí)間，機(jī)器長時(shí)間工作將會(huì)影響作品的質(zhì)量，也會(huì)影響打印機(jī)的使用壽命，導(dǎo)致3D打印的效率大大降低。所以本文將通過對(duì)目前3D打印機(jī)的研究，提出對(duì)于3D打印機(jī)打印出彩色三維物體的一些對(duì)策。

1 3D打印

3D打印源于20世紀(jì)80年代后期，是美國在研究照相雕塑和地貌成型時(shí)發(fā)現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)在當(dāng)時(shí)充分體現(xiàn)出了技術(shù)的精密化、智能化、通用化以及未來的發(fā)展趨勢。1986年，美國誕生了全球第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的公司，名為3DSyslems。此后，3D打印技術(shù)的概念在全球飛速發(fā)展，越來越受人們的關(guān)注。而我國的3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，這項(xiàng)技術(shù)可以打印出很多立體模型，例如我們身上穿的衣服和鞋子，運(yùn)用3D打印技術(shù)與3D打印機(jī)可以打印出來。

3D打印技術(shù)是一種將塑料或者特殊蠟材等可粘合材料通過累積制造技術(shù)將材料層層累積，通過在電腦上使用3Dmax繪圖軟件或者CAD繪圖后，將所保存的圖片轉(zhuǎn)到3D打印控制軟件（Repetier Host），將所繪的圖進(jìn)行切片處理后轉(zhuǎn)換為GCO格式，最后通過與電腦連接控制將GCO格式的文件打印，并通過3D打印機(jī)把“打印材料”層層疊加，最后構(gòu)造出三維立體模型。

目前3D打印機(jī)最常用的材料主要有ABS、PLA和 PVA三種，ABS 最為便宜，且熔點(diǎn)在 215℃ 到 250℃之間。而PLA則更為環(huán)保，熔點(diǎn)更低。桌面3D打印機(jī)由于受專利限制，打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制作不得不采用開放式的打印倉，但是由于打印倉溫度難以保證，所以人們會(huì)使用PLA作為打印機(jī)的打印材料，而PVA則經(jīng)常被人們用來為打印作品做支撐。

2 2D打印機(jī)與3D打印機(jī)的結(jié)合對(duì)策

2.1 2D打印機(jī)工作原理

2D打印機(jī)的工作原理和噴墨打印機(jī)的原理相似，打印機(jī)墨盒內(nèi)部裝有部分墨水，在噴嘴孔和墨盒之間用一根細(xì)管連接。然后利用一些控制指令來控制打印頭上的噴嘴孔，將墨盒內(nèi)的墨水輸入到噴頭中，讓噴嘴孔噴出定量的墨水并打印在紙上。2D打印機(jī)在工作時(shí)，計(jì)算機(jī)將處理好的打印信號(hào)通過打印機(jī)的轉(zhuǎn)換接口傳輸?shù)酱蛴C(jī)的主控電路板上，并通過電路將接收的信號(hào)進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)。由控制信號(hào)控制墨盒內(nèi)的墨水通過細(xì)管將墨滴從打印頭噴出，然后打印紙自動(dòng)進(jìn)入打印機(jī)，通過打印頭后輸出到打印機(jī)外字車上，最后墨盒及噴頭在紙的水平方向來回運(yùn)動(dòng)。這樣噴頭就將墨水噴在打印紙上面，形成我們所需要的文字或圖像，完成打印過程。

2.2 2D打印機(jī)與3D打印機(jī)的結(jié)合

利用噴墨打印機(jī)的噴墨原理，在墨盒內(nèi)裝有n個(gè)小墨盒，每個(gè)小墨盒內(nèi)裝有不同顏色的墨水，利用控制指令來控制打印頭上的噴嘴孔噴出墨水，經(jīng)細(xì)管進(jìn)入打印倉1中。再把3D打印材料輸入到打印倉1中經(jīng)過高溫加熱，將3D打印機(jī)的材料全部融化為液體狀態(tài)，再通過打印倉1將融化的材料和墨水一起送到打印倉2中，打印倉2中有一個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片螺旋槳，打印材料和墨水通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片螺旋槳均勻融合在一起。最后將溶解好的材料經(jīng)過細(xì)管通過吐絲噴頭將材料噴吐出來，就可以將2D打印機(jī)與3D打印機(jī)有效結(jié)合在一起，打印出不同顏色的作品模型。2D打印機(jī)與3D打印機(jī)的結(jié)合流程圖如圖1所示。

3 結(jié) 語

本研究通過將2D打印機(jī)與3D打印機(jī)的合理結(jié)合，研究出一種對(duì)于彩色3D打印機(jī)的有效方法，解決了目前3D打印機(jī)打印的單一性。但還有部分問題有待進(jìn)一步研究：

（1）墨滴與打印材料的融合具有不穩(wěn)定性，墨滴與打印材料還不能均勻融合在一起，而且起墨滴的數(shù)量大小不能完全掌握。

（2）需要獨(dú)立開發(fā)與控制系統(tǒng)相適應(yīng)的上位機(jī)軟件，加強(qiáng)對(duì)3D打印機(jī)的控制。

（3）控制系統(tǒng)控制3D打印機(jī)的打印精度不高，還需要對(duì)軟硬件進(jìn)行深度研究。

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