单料丝塑料3D打印机多彩打印着色技术探讨

邢晓光，黄立中

1 技术背景

3D 打印是一种近年快速发展的新兴工业加工方式，其优点在于可以基本不考虑零件的复杂程度，打破传统的设计、加工瓶颈，无限扩大设计想象空间，且其加工方式具有即时性，随需随打印，加工成本相对低廉，原材料浪费小，设计、加工要求门槛低等优点，都是传统加工方式所不具备的。本文就3D 打印领域中的单料丝塑料材料打印着色技术进行一次简单的分析，希望能起到抛砖引玉的作用。在单料丝3D 打印塑料制品中，零件的颜色往往取决于原材料料丝的颜色，也就是说料丝是什么颜色，那么打印出来的零件产品就是什么颜色，如需局部或整体改变零件的颜色，就需后期对零件进行喷漆等处理，这显然会极大的增加零件加工周期及成本，如果零件要求是多彩的，那就更加烦琐。

2 解决问题的思路

鉴于上文所述，如能用单料丝实现多色打印将是一个非常不错的选择，下面就如何具体实现进行简略研讨。我们知道，在注塑生产时，为了使注塑零件能达到想得到的颜色效果，我们往往会在注塑时，在本料中混入一定比例的色母粒料使两者混合均匀，充分融合后的注塑胶体进入模腔成型，最终得到我们想要的产品，其实这个思路我们是可以借鉴到3D 打印中来的，以PLA 白色料丝为例，料丝在被挤压进打印头融腔后，料丝会被加热融化，形成打印胶液，该胶液的颜色决定了被打印零件的颜色（如图1 所示）。

如果我们在料丝进入打印头融腔前想办法加入一定量的颜料，那么，打印件的颜色会由我们自己来控制，最终的目的就是直接得到我们真正想要的打印零件，如何在料丝进入打印头融腔前加入颜料将是我们所要解决的首要问题，为保证零件的打印质量，颜料的加入应以不影响料丝的行进方式为基本前提，我们知道，在3D 打印过程中，随着打印头内融胶的消耗，料丝的行进是在3D 打印机内进料挤压机的挤压下，在进料管内向打印头不断行进的，以此来持续补充打印头融腔内所消耗的融胶，为保证料丝能准确进入打印头融腔，进料管内径只比料丝的外径略大，例如：外径为1.75 mm 的料丝所需进料管的内径标准为2 mm。在配合如此紧密的条件下，在料丝进入打印头融腔前混入粒料或粉料基本上可能性不大或实施起来会非常困难，基于此，液态涂料的选择就成了一种必然，考虑到料丝在进入打印头融腔后会被高温融化，形成液态胶状熔融物，以PLA 料丝原料为例，要求打印头融腔内的温度在工作期间要持续保持在200℃以上，在此条件下，如果颜料为水溶性颜料，那么染色料丝段在进入打印头融腔后，其上的水分会迅速被加热汽化，在融腔内形成气泡，容易损伤打印头或形成断丝，严重影响打印质量，为解决此问题，我们在经过多此验证后，最终选择了油性颜色涂料，该颜料具备如下几个特点：1）表面张力相对较大。2）慢挥发性。3）高温下性能稳定，不易被分解。4）流动性相对较差。5）无毒性。

图1

在选择好颜料种类后，如何去实现就成为后续思考的问题，如何能可靠、稳定、可控的将颜料与料丝一同送入打印头融腔内就成了问题的关键所在，我们设想在进料管管壁上开一个小孔，想办法利用此小孔，将油性颜色涂料涂抹在进料管内的料丝上，料丝进入打印头融腔后随着料丝的前进搅动，颜料会与料丝融化后形成的融胶充分融合，形成带颜色的融胶，进而使得打印件也被着色，而且该颜色是由融胶形成，不存在脱色的风险。按上述思路，这将是一个可行性较高的解决方案。如何将油性颜色涂料涂抹在进料管内的料丝上就成为我们需要具体解决的问题。

3 具体解决方法

基于上文所述思路，在经过多次实验验证及具体实施细节讨论后，我们提出如下两种解决方法：

方法一：机械传递控制方式。

我们首先设想，如果能用一支柔性笔，通过某种方式，将笔尖上的油性颜料通过上文所预设的进料管壁上的小孔涂抹在进料管内的料丝上，就可实现上文所述的着色效果，我们所需解决的具体问题是：1）如何能够使这个预想的柔性笔尖持续带色。2）怎样保证能按我们预想的方式将笔尖上的油性颜料涂抹在进料管内的料丝上。

如需解决上述问题，首先进料管上用于涂抹油性颜料的小孔的孔径就应有具体要求，该小孔的孔径应以能保证柔性笔尖可以顺利将油性颜料通过此小孔涂抹在料丝上的前提下，不影响料丝在进料管内的运行为准，如料管无法满足此要求，那么就考虑加入转接件来解决此问题。为保证此装置能可靠运行，经论证，我们将其优化为带有一圈柔性触舌的转轮代替，该转轮安装在控制电机上，转轮的水平径向方向两侧分别为进料管与油性颜料料管，距离要求为保证转轮上的柔性触舌舌尖能与进料管内的料丝表面及油性颜料管的出料窗接触。随着控制电机带动转轮转动，就可以实现通过其上的柔性触舌将油性颜料管内的颜料传递涂抹在进料管内的料丝表面上这个基础目的，打印颜色的深浅，我们通过控制电机的转速来实现控制，具体来说就是，电机的转速越快，那么转轮上的柔性触舌与进料管内料丝的接触频率就会越高，那么油性颜料在料丝表面就会积累的越多，这样颜料与料丝在打印头内的融腔内熔融后形成的融胶的颜色深度就会越深，反之，融胶的颜色深度就会越浅（如图2 所示）。

图2

我们知道自然界的所有色彩都可以通过三原色调配出来，通过加入三原色各自比例的不同就可以调配出不同的颜色。为了实现多彩打印，我们可以采用三原色配色原理，在进料管的三个方向上分别配置一套上述着色装置，并分别设置为红、黄、蓝三原色，当需要打印三原色以外的颜色时，则根据三原色的配色来实现，例如：如需打印绿色，绿=黄+蓝，就是同时在丝料上通过上述装置涂抹上黄、蓝两种色点，丝料在3D 打印机的打印头内与其上的油性颜料一起熔合形成绿色熔液，通过对两种颜料色点密度的调配来实现色相的变化，而对于其它颜色的打印也是遵循上述规则，就是调控三原色各自的比例，实现多彩打印的最终目的（如图3 所示）。

图3

方法二：震荡磁场运动控制方式。

我们知道，磁性物体在磁场中的运动状态是受磁场控制的，如果我们给一个螺旋导电线圈通电，那么该线圈将会形成一个电磁场，如果通入该线圈的电流是一个方向反复互换的方波电流，那么该磁场的N、S 极也将不停互换，这样我们就得到了一个磁极不停互换的震荡磁场（如图4 所示）。

图4

如果在该线圈空腔内放置一磁极固定的磁芯，在此震荡磁场的作用下，该磁芯将在线圈空腔内不停做前进后退的震荡运动，设想，如果此磁芯为一管状体，可在其内内置一笔芯，笔头指向进料管上开的小孔，使其能够通过此小孔与料丝表面接触，尾端连接一柔性软管，与油性颜料盒连接，使颜料盒内的油性颜料能通过软管进入笔芯，并将笔芯浸透，那么随着进料管内料丝的前行，笔芯头不断与料丝接触，会在料丝表面留下一排颜料点（如图5所示）。

图5

颜料点的疏密程度决定了打印零件颜色的深浅，也就是说，如果想让打印件颜色深点，就让色点排列的密集点，控制方式就是调节产生震荡磁场的电流频率电流的频率越高，相应的磁场震荡频率就会同步越高，那么在此磁场下磁芯往复运动与磁场震荡频率保持同步，安装在其上的笔芯头部在料丝表面上留下的油性颜料点排列的密度就会越高，自然而然，打印件的颜色深度就会越深，反之，颜色则会越浅（如图6 所示）。

图6 浅色打印深色打印

在实现多彩打印的方式方法上，其机理与上文所述的方法一相同，就是利用三原色的配色原理，就是在进料管管道上配置三套着色装置，分别设置为红、黄、蓝三原色，通过调控三原色的不同比例实现最终的多彩打印（如图7 所示）。

图7

4 结束语

通过上文所述两种方法，经过我们反复实验验证，最终都实现了单丝料的多彩打印。当然，如果要实现机器产品化，在某些细节上还需进一步完善、优化，但就其方法而论，应该可为单丝料塑料3D打印机的多彩打印提供一个新的发展思路。