三噴頭自由切換多色3D打印結構設計

余洋 陳治宇 王子鳴

摘 要：主要介紹一種能有效減小3D打印機運動阻力的“工”字形裝置，加工精度高，具有良好的穩(wěn)定性能;使用雙Z軸限位的設計，保證打印平臺初始的平穩(wěn)，打印件可以更好地粘著平臺;可實現(xiàn)安全電氣控制，3D打印機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打印機主控板支持三噴頭控制功能，使產(chǎn)品色彩搭配合理;人機交互界面更加智能化和易于操作化;同時，也增加了意外斷電續(xù)打功能。

關鍵詞：3D打印;加工精度;色彩

1 ? 研究意義與目的

近年來，工業(yè)發(fā)展迅速，人們日益增長的物質需求與工業(yè)生產(chǎn)能力具有嚴重的矛盾，因此，提高工業(yè)生產(chǎn)技術對人們的生活質量有著較大的影響。隨著微機技術的不斷發(fā)展，機電數(shù)控的機工設備也在不斷更新?lián)Q代。在生產(chǎn)生活當中，對于一些零件的加工處理、傳統(tǒng)的數(shù)控加工設備無法完成、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題，國內外相繼研發(fā)出了相應的解決辦法，新型增材制造的加工方式也應運而生[1]。各種加工工藝的3D打印機得到了研發(fā)和廣泛應用，在航空航天、工業(yè)建筑、珠寶首飾行業(yè)、廣告行業(yè)和文物保護等方面具有較大的使用價值。人們在日常生活中使用最為廣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，在日常生活中，可以通過三維建模技術制造出日常所需的機械零部件，如個性花盆、機器人零部件等[2]。同時，在FDM加工工藝的3D打印機中，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打印機操作復雜等問題，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。

隨著3D打印技術的發(fā)展，其逐漸取代傳統(tǒng)模具行業(yè)已是大勢所趨。因此，提高3D打印機的實用性FDM型3D打印是當前檢索的難點。實驗結果顯示，基于雙入雙出的彩色? ?3D打印機單選噴嘴，可以完成部分混色工作，但在顏色的質量和穩(wěn)定性方面還有許多問題亟待解決[3]。今后，為了解決攪拌精度與攪拌均勻性之間的矛盾，將改善攪拌質量，減小混合物的體積。

2?項目研究現(xiàn)狀與分析

隨著社會的不斷發(fā)展和時代科學技術的不斷更新，工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)了不同階段的更新。中國工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進入了工業(yè)4.0階段，在工業(yè)生產(chǎn)中，要求實現(xiàn)快速、精確的全自動化加工生產(chǎn)。在工業(yè)4.0的發(fā)展階段，社會發(fā)展不斷進步，且工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為國家和社會進步不可或缺的部分。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)方式存在原材料沒有完全被人們有效利用、一些機械零件傳統(tǒng)的加工方式導致機械加工困難和機械數(shù)控加工過程中的工作人員操作危險等問題。近年來，國內外出現(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)。由于這些機器結構相對簡單、占地空間相對較小、普通3D打印機價格不高和對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)新愛好者的喜愛。

在3D打印技術的應用方面，可將其作為新型的創(chuàng)新前沿技術應用在建筑中，遠超傳統(tǒng)的建筑速度。在個人定制方面，3D打印技術具有完美的私人定制優(yōu)勢;在珠寶首飾等方面，3D打印技術完全可以發(fā)揮出創(chuàng)新設計的優(yōu)勢;在廣告牌等媒體的宣傳中，3D打印技術得到了廣泛應用;在汽車的加工生產(chǎn)上，3D打印技術也實現(xiàn)了汽車結構新型化等。

我國是人口大國，在生產(chǎn)生活中，對3D打印加工技術具有較大需求。針對現(xiàn)階段的生產(chǎn)生活對機械零部件加工的需要，3D打印的加工工藝也具有多樣化，例如常見的FDM、SLS等。3D打印增材制造的機械加工技術出現(xiàn)在新時代的日常生活當中[5]。在FDM加工工藝中，運用3D打印技術往往出現(xiàn)加工材料顏色單一、桌面級加工機械尺寸有限以及加工過程中出現(xiàn)斷電等問題，因此，需要進一步實現(xiàn)工業(yè)級、高精度、雙噴頭、斷電續(xù)打3D打印機。

3?三噴頭自由切換多色打印結構設計

為了尋找多色3D打印，有學者提出了一種新的3D混合三色噴嘴裝置的設計方案，并通過UG，對3D打印技術有限元溫度場進行了模擬驗證，為擠壓噴嘴的設計提供了理論依據(jù)[6]。隨后，還有人指定了3D打印技術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打印會發(fā)展到工業(yè)級，如德國計算機圖形搜索機構，可以讓像素打印滲透到灰塵材料且存在墨水試點，這是一個三維應用程序，但是也采用了一半的二維技術。雖然它并不成功，但終究會向此方面發(fā)展，因此，光合作用材料的高成本會阻礙重型設備的發(fā)展[8]。

根據(jù)相關資料，提出了一種三維打印多色FDM噴嘴的設計方案，其結構如圖1所示。該噴頭可以同時做到多色混色，包括中空的耗材混合腔。耗材混合腔的頂部設置有混合腔頂蓋，底部設置有打印噴嘴，底壁設置有加熱溫控器[9]。所述耗材混合腔的腔壁有4個進料槽，每個進料槽內均設置1根進料管道，每根進料管道的輸出端位于耗材混合腔內，輸入端連接到送料器。

綜上所述，三噴頭自由切換多色3D打印結構采用立體箱式結構，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作為行動軸線，實現(xiàn)逐層加工打印的效果，進而更加智能化。LCD液晶屏以漢字、彩色顯示為主，實現(xiàn)了電腦與打印機的脫機打印，通過U盤或SD卡，為底層固件提供打印信息，進而更加便捷、易于操作。X、Y軸采用“工”字形設計，運用多軸傳動原理，實現(xiàn)X、Y軸的高精度行走， Z軸實現(xiàn)兩組步進電機同步升降。E1、E2軸線采用兩組步進電機實現(xiàn)高精度供料，實現(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)級技術型3D打印機，實現(xiàn)了從桌面級到工業(yè)級的轉變，更加貼近機械的生產(chǎn)制造和大多加工設備產(chǎn)品的研發(fā)[10]。

4?結語

（1）改變傳統(tǒng)的單噴頭打印機，實現(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打印機的組裝和調試，實現(xiàn)三色自由切換的高精度3D打印。

（3）采用有效減小3D打印機運動阻力的“工”字形結構，使用雙Z軸限位的設計，保證打印平臺初始平穩(wěn)，使打印件可以更好地粘著平臺。

[參考文獻]

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