一种混色3D打印喷嘴的设计

黄姜斌 李子秋 何召龙 甘新基

摘要：市场上一般的FDM 3D打印機只能打印一种或两种耗材，打印颜色单一，本文所设计的一种混色3D打印喷嘴，在基于CMY相减混色原理及螺旋滑道轨迹结构原理基础上，可以保证熔融状态的材料充分混合。该喷嘴的设计结构紧凑、体积小，可保证在有限功率加热器件情况下，使得整体喷嘴的温度达到融化打印的要求。

关键词：3D打印；喷嘴；混色

0 前言

融沉积成型3D打印技术[1，2]的单色喷头打印模型颜色单一，而目前的混色喷头仅在单色喷头的基础上加一个进料管与混合区域，采用双进料一单挤出的结构[3]，但混合的程度不可控，效果不佳。而双喷头和多喷头的打印机[4]结构过于复杂，价格过于昂贵。美国学者Richard Home设计了一种可以同时混合3种打印材料的打印头，虽实现了3种颜色的混合效果，但是混合出的颜色并不齐全。

基于市场现在的状况和需求，本文主要解决的问题是多种颜色的充分混合。本文设计通过CMY混色原理设计的新型混合喷头，结构紧凑，能够混合出所有基本颜色。

1 设计方案

1.1 方案混色原理

本文的混色打印喷嘴的设计采用的是CMY相减混色原理[5]，基于该原理将三基色材料（ABS、PLA）进行熔融混合搭配出相应的颜色[6]。但是由于制造工艺的原因无法制造出纯度高的打印材料，导致三基色材料无法搭配出纯黑色、纯白色，因此在实际的打印过程中还必须要加入一种黑色材料和白色材料。

1.2 整体结构设计

可实现混色打印的喷嘴装置包括喉管1、喷头腔体2、环形加热片3、腔体下盖4、喷嘴5，如图1所示。喷头腔体的上表面采用锥面设计，用于扩大五根喉管的分布间距，保证进料时不会发生干涉的情况。

进料时五个进料电机分别单独控制品红、黄、青、黑、白五种不同颜色的材料通过喉管进入喷头腔体，下方设置有环形加热片，可更好地给喷头进行升温。腔体内部进料通道采用螺旋线结构设计，如图2所示，熔融状态下的材料会有一个沿通道方向的斜向冲力，当不同材料到达此处时，会产生一种搅拌的效果，使得颜色更好地混合，从而搭配出新的颜色，由下方喷嘴流出[8]。这样便使单喷头可在一个产品上进行多色打印。通过控制各个进料电机的进料速度，可改变混色比例，实现单色或者混色打印。

当材料进人喉管，在加热腔内融化，此时不同颜色材料初步混在一起，而之后混色均匀的材料在进料单元的挤压作用下被挤出喷嘴。而散热单元拟采用两个风扇进行降温，它们分布在环形加热块及上方喉管处。当装置运动时，喉管的底部温度要达到耗材的熔化温度，而喉管上端的耗材要一直保持固态，融化的耗材亦是依靠上方未融化的固体耗材推动而被挤出。所以应保持喉管上端温度不宜过高。

2 试验

将该喷头与预先设计好的固定块配合，可直接装配至I3打印机，各个零件组装好后，将加热管及热敏电阻接到加热块上，将3D打印机通过USB接口连接至计算机，通过控制软件给加热块加热，让温度达到设置温度并稳定，手动将品红、黄、青、黑、白五种不同颜色的材料分别通过喉管挤人喷头腔体，测试混色效果[9]。实验结果如表1所示，初次实验得出，PLA材料在185～190℃时出料顺畅，并达到了预期效果。

3 结论

本文设计了一种基于CMY相减混色的混色3D打印喷头，采用内置的五条螺旋滑道结构对熔融状态的原料进行充分混合，从而实现彩色打印效果。但是实验发现材料混合并不充分，且混合后的颜色也不理想，因此下一步计划将重新设计喷嘴内部结构以完成材料的充分混合，以及颜色的调配。

参考文献：

[1]谭永生.FDM快速成型技术及应用[J].航空制造技术，2000（1）：26-28.

[2]杜宇雷，等.3D打印材料的发展现状[J].徐州工程学院学报，2014，29（1）：20-24.

[3]沈冰夏，管宇鹏.FDM型混色3D打印机的设计[J].北京信息科技大学学报，2016，31（5）：60-63.

[4]蔡子灏，朱冠华，等.基于改进喷头的FDM型彩色3D打印研究[J].黑龙江科学，2016，7（22）：17-19.

[5]刘玉盛.色料三原色Y、M、C——正确用光、用色[J].丝网印刷，2006（07）：11-14.

[6]宋廷强，邢照合.一种彩色FDM型3D打印机的设计与实现[J].电子技术应用，2017，43（4）：69-71.

[7]林泉，培康，江森.快速成型与快速制造技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

[8]罗文.一种用于彩色3D打印机的打印喷头[P].ZQ152-0228.

[9]韩善灵，等.熔融沉积型3D打印机混色装置的研究[J].机械设计与制造，2015（11）：116-118，122.