基于FDM 的并联臂的单喷头双色3D打印机的研究与设计

赵吉斌　蒙昊　孙雯　余俊

【摘 要】3D打印技术是近几年以来兴起的具有巨大发展潜力的一项科研技术。在形形色色的3D打印机市场，各种各样的打印机的出现，也是预示着3D打印这项技术的潮流已经到来。本文主要是结合现有的三角洲桌面3D打印机的结构提出了一些在结构上的创新，并对这方面进行了阐述。

【关键词】并联臂 ；3D打印机；单喷头；多色打印

3D打印思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广发展至今，3D打印机的种类也有很多。3D打印技术的类型来看，主流技术包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等。而FDM（Fused Deposition Modeling）是把塑料熔化成半融状态拉成丝，用线来构建面，一层一层堆积起来的。FDM的原理就像蚕吐丝或挤牙膏一样简单，无需激光系统的搭配，因而在现在的市场上的桌面级3D打印机大多采用这样的工艺。从色彩种类的发展角度来看，分为单色和多色打印。从最初的单色打印变成现在的多色打印，技术一直在不断的更新中。但是3D打印的多色打印也伴着多个喷头，然而每多一个喷头，所带来的技术性和经济性就会大幅度的增加，所以人们一直在不断的探索。不断的趋于功能多样化和结构的创新化。

在传统的并联臂3D打印机当中每个喷头是专门输出一种色调，虽然单个喷头能够实现每一次的单色打印，而打印的色调完全是由打印前的装料决定的。这就带来一个问题，当并联臂3D打印机为单喷头时，就无法实现在打印同一个物品时同时实现双色或者多色的打印。虽然一些3D打印机有多个喷头可以实现多色的打印，但是，相对于单喷头的多色打印来说，前者在经济上的花费显然会比较的高昂。甚至一些厂家利用消费者不了解机器的情况下，夸大宣传双喷头的功能。结果很多消费者便盲目购买双喷头或多喷头机器，但是买回来却发现多此一举。但是机器价格却因为多一个喷头多上上千元几千元的，消费者因此多掏腰包买单。多喷头的机器，因为结构多，喷头多，所以在使用过程中，出现故障的概率也就相应增多。这给使用者带了很大的困扰。

对于3D打印机的研究自从一年前开始，在利用3D打印机来打印各种物品时，总是感觉色调过于单一，所以，我们萌生了一个这样的想法，能不能利用单纯的机子打印出多彩的作品呢？经过我们不断的研究终于提出了一个大胆的想法，就是在原来单喷头的基础上再加一个输料管，在同一个喷头连接器上，增加一个转向器，当一种材料需要进行切换的时候，转向器进行另一种材料的切换即可实现颜色的切换（如图1）！

当打印正常进行的时候，输料管2正常的进行输料打印，当需要换色时，控制器控制电机（此处省略）驱动转向轴带动转向器进行顺时针转向，转向的同时，输料管2的步进电机停止输料工作，因为此时喷头里还会有部分的材料存在，所以打印继续进行。此时，转向轴上带有固定的刀片也随着转向器和转向轴的转动而转动，刀片在转动的同时将正在打印的材料切断，从而使输料管2可以顺利转向输料管1的位置，当输料管2到达输料管1原先的位置时，输料管1也同时到达了输料管2原先的位置，实现了位置的互换。当位置实现互换以后，输料管1的步进电机立即开始输料的跟进和补偿工作，实现多色的打印过程。

当打印需要再一次换回原来的材料色彩来进行打印的时候，控制器则控制电机驱动转向轴带动转向器进行逆时针的转动，其过程和第一次旋转一样，来实现颜色的转换打印。

而在单喷头多色打印技术实行打印的过程中，也会带来一些问题。比如，打印材料的连续性的问题，程序的编写，以及材料混合色差和剩余残料的计算和打印用量的关系等问题。当一个新产品出现以后，都会面临着各种各样的疑问冲击，这也是我们希望看到的，也是下一步要完善的步骤。

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[责任编辑：杨玉洁]