彩色3D FDM打印关键基础技术

(陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300)

彩色3D FDM打印关键基础技术

刘伟

(陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300)

针对彩色3D FDM打印关键基础技术，从研究现状、成形精度和存在问题等方面进行探讨，着重对多喷头联动控制、扫描路径规划、工艺参数优化、表面精度提高、内部质量等方面进行探索，致力于开发具有自主知识产权的彩色3D FDM打印快速成形设备。

彩色3D打印；增材制造；关键技术；FDM。

0 引言

3D打印增材制造（Additive Manufacturing AM）技术是一种基于离散-堆积原理制造，通过计算机控制，把3D CAD模型进行切片处理，得到层面轮廓数据信息，然后由层面数据进行逐层增材成形，最终得到三维实体零件的一种AM技术[1]。AM技术已经在航空航天、医疗、生物、日常生活等方面有广泛应用[2-3]。

1 3D打印技术类型

目前主流的3D打印技术[4]有很多种，其中以激光为热源，用来制作树脂件的是光固化成型（Stero-lithography Apparatus，SLA）技术；用来成形金属件主要有叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）技术，选择性激光烧结（Selective Laser Sintered，SLS），以及选择性激光熔化（Selective Laser Melted，SLM）等；而采用其它方式为热源的还有熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)技术，3D打印(Three Dimensional Printing，3DP )技术、冲击微粒制造(Ballistic particle Manufacturing，BPM )以及实体磨削固化(Solid Ground Curing，SGC)等。熔融沉积制造FDM技术同SLA，SLS和 LOM快速成形技术相比，采用加热铝块为热源，因此具有设备价格低、运行和维护成本低等优点。而彩色3D FDM增材制造技术具有成形材料种类多，配置多喷头可以实现彩色打印等优势，简易打印装置如图1所示，打印零件如图2所示。该技术操作简单、成形速度快、制件精度高、成形过程无污染，适合办公室环境使用[5-8]。

图1 彩色3D打印装置

图2 彩色3D打印零件

2 彩色3D 打印熔融沉积（FDM）技术发展趋势

（1）成形环境好。由于设备在成形过程中没有噪声以及化学污染，而且设备体积体积小，可以实现桌面打印，即用即打，很适合家庭及办公室使用。

（2）设备操作简单。随着计算机的越来越快发展，只要用三维的软件设计好成形零件，按照程序软件设置相应参数，就可以实现打印，因此对操作人员要求越来越低，基本采用“一键式”操作。

（3）成形材料及成形设备价格低廉。成形设备已经实现产业化，成形材料原来越好获取，因此用户大大扩大，中小型企业甚至家庭都可以承担。

（4）多喷头可以实现打印效率的成倍增长。为了提高打印的效率，可以同时采用多个喷头，分别使用不同的颜色，实现彩色打印。而且制件的表面精度和内部质量不断提高，不仅可以用于外观验证、装配及功能测试，可以当做功能件直接使用。

综上所述，彩色3D FDM打印技术已经被公认为增材制造领域内应用面最广的技术之一。但是目前大多还停留在单色打印（单色零件（如图3所示）），随着人们需求的增加，彩色3D打印技术将具有良好的发展潜力和广阔的应用前景，而其对应的关键技术也将成为重点研究方向[9-16]。

图3 彩色打印装配零件

图4 彩色3D FDM 打印原理

3 彩色3D 打印熔融沉积（FDM）技术拟解决的关键问题

基于3D打印增材制造技术的发展现状以及我国目前发展的趋势，本文主要针对彩色3D FDM技术的发展趋势以及关键技术，设计了多个打印头按需打印不同颜色的材料（如图4所示)，通过对熔融沉积固化机理等的研究，致力于开发具有自主知识产权的经济型彩色3D打印增材制造设备，具体解决的关键问题如下[17-18]:

（1）对不同材料打印头的工作特性进行分析，为熔融沉积打印设备打印喷头的选型提供依据。

（2）打印过程中，各个参数的匹配及优化。在成形过程中，应使各个参数协调一致且参数达到最优匹配，为开发出具有自主知识产权新型彩色3D打印增材制造设备奠定了基础。

（3）不同颜色树脂的固化和熔合。这就需要了解不同材料的固化原理，固化时间以及成形参数。对这些影响因素的研究能解决好设备工艺设计问题；同时研究不同材料沉积时，影响稳定性的各种因素，为提高成形精度和喷头使用寿命，降低成形成本提供依据。

其中关键技术为：

（1）多喷头的联动控制。成形制件采用不同的材料，就必须需要多个喷头，一个喷头挤出一种材料，这就需要多个喷头的运动控制以及对不同材料打印头的工作特性进行分析，为熔融沉积打印设备打印喷头的选型提供依据。

（2）不同材料的融合、铺展等的特性。对不同材料在成形面上的沉积、铺展和再融合过程进行理论分析与研究，为彩色3D打印设备中打印分辨率的确定提供理论依据。

4 结束语

通过对彩色3D FDM打印技术的发展趋势以及拟解决的关键问题进行剖析，旨在开发一种低成本、经济型的3D快速成形设备。开展这方面的工作对于发展我国的3D打印技术，开发我国自主知识产权的三维打印系统，以先进的功能、低的系统成本，扩大快速成形技术在我国制造业中的应用，提高我国制造业在国际上的竞争力具有重要意义，同时也将打破国外厂商在此行业的垄断地位。

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The key basic technology of color 3D FDM

LIU Wei
(Shaanxi institute of technology，Xi′an 710300,Shaanxi,China)

This article key basic technology for color 3D FDM print, from the current research status and forming precision and existing problems of research, much of nozzle linkage control, scanning path planning, process parameter optimization, surface accuracy and exploration on the aspects such as internal quality, committed to the development with independent intellectual property rights of color 3D FDM rapid prototyping equipment.

color 3d printing; additive manufacturing; key technology; FDM.

TG249；

A；

1006-9658（201 6）04-001 5-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.003

;陕西国防工业职业技术学院院级课题—4D打印成型创新技术探索（Gfy 15-09）

2016-01-06

稿件编号:1601-1186

刘伟（1982—）男，讲师，主要研究3D打印及机械制造.