三角洲型二進一出混色3D打印機的設計

馬瑞濤，代丹丹，陳 輝，吳瑞玉，陳嘉民

(新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引言

工業制造水平可以體現一個國家的綜合實力，3D打印這種新技術的出現也推動了工業制造領域的發展[1]。三角洲型混色3D打印機的機械原理和電控設計相似于普通Delta 3D打印機，通過Arduino mega2560單片機的計算得出運動軌跡從而控制擠出頭機構，但市面上的3D打印機價格不夠經濟實惠，耗材顏色單一，無法滿足3D打印技術使用者新的需求，廉價親民的3D打印機的設計制造出現瓶頸[2]。

本研究是在現有的單色3D打印機的基礎上進行改進，以期達到混色打印的目的。

1 三角洲型二進一出混色3D打印機總體設計

1.1 運動控制部分單片機硬件系統設計

1.1.1 硬件設備的選擇

(1) 單片機主板的選取。筆者認為低成本的三角洲型二進一出混色3D打印機的設計制造更加符合商業規律，從而單片機選擇了開源平臺，型號為Arduino mega2560，如圖1所示。這是一款搭載了ATmega2560芯片的Arduino主板，它的固件采用Marlin，將控制程序通過串口通信的方式燒錄到Arduino mega2560主板上，是具有較好兼容性的開源單片機，經常用于Delta型3D打印機和Prusa型3D打印機控制系統中，其功能較為強大。

圖1 Arduino mega2560步進電機驅動芯片 圖2 HR-A4988型

(2) 42步進電機驅動芯片的選取。在篩選比較后，采用HR-A4988型步進電機驅動芯片，如圖2所示。這是一種價格低廉的驅動芯片，能滿足42步進電機驅動控制的要求，廣泛應用于激光雕刻機、3D打印機、3D掃描儀、二維繪圖儀的步進電機驅動控制。

1.1.2 硬件連接

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺[3]，它也是一款具有自己IDE編程環境的單片機，可以在Windows操作系統上運行，在機械臂、智能車輛、智能家居、無人機、3D打印領域都有廣泛的應用。

在Arduino mage2560主板上面插入ramps 1.4擴展板(見圖3)，將HR-A4988型步進電機驅動芯片插在ramps 1.4擴展板的芯片卡槽上。這個擴展板上有5個步進電動機芯片卡槽、3個限位開關接口、2個熱敏電阻接口和1個LCD顯示屏排線接口，可分別接入三臂并聯控制部分的42步進電機和兩個步進擠出電動機、三臂并聯控制部分的限位開關、熱敏電阻以及12864 LCD顯示屏。

圖3 ramps 1.4擴展板

1.2 軟件系統設計

3D建模技術的應用是進行3D打印的重要根基，需要通過一些三維制圖軟件進行建模，用到的軟件有SolidWorks、UG等三維軟件。模型建立完成后，將模型導出為STL文件，采用Cura軟件(如圖4所示)對三維模型的STL文件進行切片，翻譯成為打印機控制芯片可以識別的gcode指令，將gcode指令文件復制到打印機主板的閃存卡上，打印機就可以根據gcode指令編程進行打印。在進行打印操作之前利用Cura軟件預覽打印物件效果圖，并在打印中實時追蹤被打印的物件所處的情況。

圖4 Cura軟件界面

2 混色3D打印耗材的選擇與研究

市場上現有的多數3D打印機所使用的耗材為PLA和ABS兩類，這兩類材料都可以通過高溫進行融化，形成帶有黏性的液態有機溶劑，通過重新堆積，然后緩慢在室溫下冷卻重新形成具有一定強度的固體。

選擇材料時主要考慮到以下幾個方面：

(1) 在市場上，ABS樹脂的用量遠遠多于PLA(聚乳酸)塑料，價格也更便宜。

(2) 相比于ABS樹脂，PLA作為一種可降解的生物材料，更加環保。

(3) 耐高溫性能方面，ABS略優于PLA；加工溫度ABS為220 ℃，PLA為200 ℃。PLA樹脂更適合遠距離送絲。

(4) ABS的強度大于PLA，但是PLA比ABS更容易成型，而且模型具有良好的光澤和明亮的顏色。而ABS三維打印模型一般需要做表面處理。

(5) ABS在加熱到一定溫度后會緩慢地轉變為凝膠狀液體，不發生相變。PLA會直接由固體變為液體，容易造成噴嘴堵塞。在打印時，ABS比PLA更容易產生翹曲，如圖5所示。

圖5 ABS打印中的翹邊現象

綜合三角洲型3D打印機的遠程送絲特點，考慮到對于混色3D打印機需求更多的是工藝品的制作，最后為了保證打印物件的質量與美觀，決定采用PLA為打印機耗材。

3 三角洲型二進一出混色3D打印機可行性驗證試驗

3.1 混色效果的研究

打印試驗分為兩組，第一組打印試驗采用手工熱熔白色和黃色的耗材，當我們減少黃色耗材的用量，并且逐漸增加白色耗材的用量，這時耗材溶液中黃色逐漸變淺。

第二組我們采用黃色和藍色的耗材進行混色，為方便進行雙色PLA材料混色的研究，我們分別打印三個圓柱體物件進行研究。打印時噴嘴與底板的距離為0.1 mm，噴嘴的加熱溫度為200 ℃.黃色與藍色耗材的送絲速度比例分別為1∶1、2∶1和1∶2進行打印，經過混色研究發現當黃色與藍色耗材以1∶1的比例混合后打印出來物件的顏色為綠色，當比例為2∶1時打印出來物件的顏色為淺藍色，當比例1∶2時打印出來物件的顏色為翠綠色，見表1。

表1 黃色和藍色耗材混色試驗

3.2 制件打印的研究

我們首先設定雙色打印物件的程序，讓一號擠出機開始以1.5 mm/s的速度送絲打印，隨著時間的推移，一號擠出機的速度逐漸下降，直至為零；讓二號擠出機的速度以0 mm/s開始逐漸增加，達到1.5 mm/s的最大速度。最終完成制件的打印。

4 試驗結論

通過上述耗材混色試驗，我們選擇出了合適的耗材以及相應的混合比例，并將其運用到實際，成功地打印出了黃藍混色的筆筒(如圖6所示)和白黃混色的兔子(如圖7所示)，說明了二進一出混色3D打印機的可行性。

圖6 用黃色和藍色耗材打印的筆筒 圖7 用白色和黃色耗材打印的兔子

5 結語

本文中提到的三角洲二進一出混色3D打印機是在Delta 3D打印機原本的機械結構上進行了改裝升級，讓其能夠實現混色物件的3D打印，我們維持了Delta 3D打印機的大部分主體結構和控制電路，并且創造性地實現了混色打印，這為后期我們研究利用三原色混色原理制作彩色3D打印機提供了思路。