FDM型彩色3D打印喷头技术研究

李晓亮　唐毅　刘鑫　夏娟

摘 要 近年来，因为3D打印技术的快速发展，各行各业中都已经运用了3D打印技术。由于人们对个性化的追求，彩色3D打印技术从出现以來迅速发展。本文首先概括了FDM型彩色3D打印的研究发展历程和应用状况，从FDM型彩色3D打印技术的打印流程和技术原理入手，总结了现有多路彩色打印喷头的不足和主要矛盾，分析了现有的多路打印喷头的设计原理、结构及优缺点，对目前打印多路彩色喷头提出一些改进的思路。目的是使彩色3D打印技术能够更进一步，同时为FDM型多材料打印技术提供引导。

关键词 FDM 3D打印 彩色3D打印 喷头设计

3D打印技术在上世纪90年代被提出，现已成为一种新兴制造科技而高速发展。3D打印技术也叫增材制造技术（Additive Manu-facturing，AM），3D打印技术已经快速渗透到医学、航空航天、汽车工业、文化娱乐、食品加工、模型制作等领域。[1][2][3]彩色打印比单色打印根据有优势，更加能适应多样化的社会需求。FDM和减法混色法的结合构成了彩色3D打印的原理，不同颜色的材料按照一定比例混合可以的到特定的混合色。从FDM彩色打印被提出到后来的技术发展，均是采用多路混合喷头来实现彩色打印的功能。喷头作为彩色3D打印机功能的主要执行部件，是一个高度集成的部分，主要完成熔化线材、均匀混合、沉积打印等工作。

1 FDM型3D打印的发展历程和现状

美国科学家Richard Horne第一个推出了混色3D打印的试验机，他利用一台开源的3D打印机做了一个红、黄、蓝三基色混合的打印测验，其原理是控制挤出机构的步进电机来实现不同颜色的混合打印。但是塑料在融化时有一个过度过程，因此各个颜色之间存在一定距离，造成颜色界限模糊，有一个很宽的过度区域。

James Corbett[4]对混色喷头做了比较详细的研究，他首次给出了几种喷头的机构，然后以胶水的静态混合器为对照，对比了几种由不同结构的静态混合喷头。但是这些喷头的内部结构都比较复杂，加工困难，而且进料的阻力很大。他对几种颜色的材料以不同的比例混合后得到的颜色进行了实验，从最终的打印成品可以很明显看出混合的效果不是很好。

国外的一家3D打印机公司Builder发布了一款新型可以混色（colomixing）3D打印的机器。该打印机搭载一种两进一出的挤出机，同时在生成的G代码里面插入相关的颜色信息，即两种颜色进入的百分比。这种携带有颜色信息的G代码是一个混色生成器应用程序生成的，客户可以更具自己的需求选择各个颜色的混合的比重。Stratsys发布了一款彩色多材料3D打印机Objet500 Connex3，可以实现不同颜色的混合打印，甚至多种材料的混合打印，能够做到一次成型。用户在使用时不需要组装或者喷漆就可以实现装配体的功能和特性。

国内深圳3D公司森工科技发布了一台混色3D打印机MakerPi M2030X，该款3D打印机采用了三基色原理，通过多色材料混合来完成彩色打印。同年深圳新创三维科技公司也推出混色打印机，性能也有所提升。

2 FDM型彩色打印原理及流程

基于FDM技术的彩色打印相比单色打印最大差别是喷头结构和G代码的生成，如图1所示。

彩色打印的喷头采取双路混色喷头、三路混色喷头或多路混色喷头，这种喷头承担混合熔融材料的作用。因为彩色打印的G代码中包含了每个切片层的颜色信息，所以在生成G的方式会有很大的区别。

2.1 彩色打印混色原理

彩色打印原理是减法混色法，[5]所谓减法混合是指将两种或两种以上物质融合，就会有不同于本来物体颜色的混色方法。减色混色法的三原色是青色（Cyan）、品红（Magenta）和黄色（Yellow），也叫做CMY。一般彩色3D打印采用这三种颜色的材料，熔化后按照不同的百分比混合可以得到特定的混合色，在打印时不断变换颜色材料的百分比，就能打印出彩色的三维产品。也有的是采用四色打印，添加了独立的黑色材料，而不是采用混合的方式获得，这种方式可减少混合的次数，加快打印效率。

2.2 彩色打印流程

彩色打印的流程，可分为三个步骤，依次是打印模型的数据获取、模型数据处理、彩色打印。

（1）打印模型的数据获取。通常有两种方案，通过Inventor、Solidworks、UG等三维软件设计建立模型，或者通过三维扫描仪器进行逆向扫描获取三维模型。

（2）模型的数据处理。[6]首先对模型进行格式转换，一般为STL格式，该格式是运用三角网格来表现三维模型的。模型一些部位不能打印的，需要对模型采取一定程度的修整措施。然后进行分层切片处理，切片过后须要采取平滑处理，使打印的模型每个片层过度更加平滑，有的三维模型在打印的时候是需要额外的支持结构，以保持在沉积打印时模型几何结构的稳定性。最后是颜色信息的插入，添加颜色信息一般采用两种方式，一种是直接添颜色至模型中，对模型实体上色后，利用特殊的生成器生成G代码。另一种则是先生成G代码，再对G代码进行二次处理，添加颜色信息。最后将这些信息生成G代码，发送至打印机。

（3）彩色打印。由送料系统将不同颜色的塑料送入喷头的不同入口，送料系统控制着不同料丝的进给速度，从而控制各个基色的百分比，来达到打印特定颜色的目的。进入喷头的料丝在高温下熔化，在后部压力作用下经过引流腔流入混合腔混合，不同颜色的材料充分混合后，被挤出喷嘴后进行沉积打印。

3 打印喷头结构分析

基于多色混合原理，现在的FDM型彩色打印机的挤出机构都是采取多进单出的方式，通过控制不同颜色的料丝进入的速度，来实现不同比例的混合，从而获得了丰富的颜色。喷头是打印机的核心构件之一，是高度集成的部分。

3.1 当前彩色喷头存在的不足

（1）喷头内部的温度分布不均。[7]FDM型3D打印材料都是热塑性的高分子化合物，在高温下熔化达到粘流状态。料丝从进入到挤出的整个过程中，会经过喷头的不同区域，这些区域的温度并不是一致的，整个过程温度的变化会使熔融体产生膨胀或是收缩等效应影响，从而影响喷头内部熔融体的流速和压力，最终导致打印产品的质量下降。

（2）挤出喷丝的压力不稳定。彩色喷头是多进一出结构，由于控制系统精度不够以及各个颜色的料丝进入速度的变化直接影响融化腔、引流腔以及混合腔内压力，从而影响了料丝的挤出速度，将导致打印出现料丝堆积、喷头堵塞等现象，影响产品打印的精度。

（3）不能很好地解决彩色精度与均匀度的矛盾。[8]混合腔的决定着色彩精度和均匀度，当混合腔减小时，微体积的混合腔中不同颜色的材料不能均匀混合，但是色彩的精度会增加，若要增加材料的均匀的意味着要增大中空的混和腔的体积，但是这样会导致色彩与色彩之间没有清晰的分界线，而是一块渐变区域。

3.2 喷头设计的理论基础

任翀[7]等人对喷头内部熔融体的流动性和热平衡进行了分析。喷头内不同直径流道的流场会使各个流道产生压力差。依据对等截面圆形流道和锥形圆管流道分析，得出喷头内部流道的各个部分的总压力差：

该公式为喷头的内部流道设计提供了可靠的理论依据。

喷头的内部温度对熔融体流量大小、压力变化、熔融体温度有很大的影响，而温度的变化对喷头里面的材料因弹性而产生的各种效应又是有很大的影响。根据该热平衡方程：

在稳定工作条件下，右边部分为零，则熔融体的温升只跟喷头的压力损失和熔融体的材料有关。为达到稳定温度的目的，加热的热能必须与辐射的热量和流失的热量之和相等。该方法为喷头的温度维持部分提供了设计依据。

韩善灵[9]等人采用了UG的有限元模块，对一种双进料单挤出的喷头进行了温度场的模拟分析，之后进行的实验验证了温度场分析的准确性，实现了混色目的，给彩色零件的打印提供了技术支撑，同时为以后的基于三基色的彩色打印的研发提供了可行性的依据。肖亮[10]等人也对喷头进行了热力学分析，主要是针对打印喷头的热结构不合理造成的精度差等现象做出的分析，提出了相应的改进方法，把加热快分离出来进行单独的定位安装以及对送丝机构的导轮进行改进，使得改进的喷头的变形量降低了12.5%，同时整个的温度分布趋于合理。

王世博[11]对若干双路混色喷头和三路混色喷头进行了设计和模拟，得到各種混色喷头在正常情况下工作时内流道熔融丝料的流动阻力、加热棒加热能量利用率和混色喷头从室温加热到工作状态的预热时间，根据各个混色喷头的结构特性和结构参数对以上三个参数分别进行分析，并通过实验论证了理论数据。

三路喷头的混色的整体效果要优于双路喷头，并且通过三种丝料混合所得材料的颜色与三路混色喷头混合三种丝料所打印模型表面的颜色对比，可以直观的看出三路混色喷头有着良好的混色性能。喷头加热棒的能量的有效利用率低于10%，为解决这一问题，可以在合理范围内尽可能缩小连接在加热快和散热片部分的喉管壁厚。

3.3 改进喷头的结构说明

喷头是挤出机构的核心的部件，担任重要的作用。喷头的结构对打印的质量有至关重要的影响。

（1）无助推的三路混合打印喷头。[5]如图2所示，彩色3D打印机的喷头的构成部分主要有进料口、散热组件、喉管、加热孔、喷嘴，其中嘴中有熔融腔、引流腔、混合腔。喷头中部有开加热孔放置加热装置以及测温孔放置温度监控装置。打印机工作时，原料由进料装置送入进料口，在熔融腔内经过加电阻的加热，塑料达到熔融状态，受到送丝机构的挤压作用，材料流经引流腔进入混合腔。这时来自三个进料口的不同颜色的塑料在此混合形成新颜色的塑料，在被充分混合后被挤出进行沉积成型。为了使喷头内部熔化的料丝倒流的间隔尽可能减小，在其外部需要加上散热装置，可以在很大程度上降低打印喷头堵塞的可能性。

此喷头的引流腔、混合腔的体积都比较小，可有效解决有颜色不均的问题，此外具有结构简单、相应时间短等有点，可打印颜色区分显著的零件。由于混合腔与引流腔之间存在瓶颈，熔融的材料在流动时会产生压力差以及温度变化，影响其打印质量。

（2）有助推机构的喷头，[12]结构如图3所示，采取了螺杆助推的方式。该喷头也具有三个进料口，可实现多色混合打印。主要结构有喷嘴、料筒、加热线圈、挤出螺杆、送料机构等。工作过程是由送料机构将线材送至进料通道，外部加热圈使之升温熔化；助推螺杆与送料机构的驱动电机进行协同控制，将熔融状态下的材料搅拌并向前推挤，在推挤搅拌的过程中混合均匀，形成新的目标颜色；熔融状态的材料以稳定的速度挤出进行沉积打印。

该结构的优势是加热线圈完全包裹在喷头的外部，可使整个喷头的受热均匀，喷头的熔融腔和混合腔的温度可保持一致。添加的助推螺杆具有稳定压力和流速的作用。该打印喷头解决了打印间断的问题、大大减少拉丝、低料、漏料等现象。但是也由于外部线圈加热的范围大，而使喷头的后部进料口会出现温度过高而导致料丝出现粘黏等现象，可在尾部加上散热装置；此外最大的不足是，加入的挤出螺杆使熔融腔和混合腔合并在了一起而使整个内部空间变大，那么熔融的材料就会增加，导致了打印颜色变化的相应时间增加。所以该打印喷头无法颜色区分明显的零件打印，只能应用于渐变色的打印。

4 总结

文章主要介绍了FDM型彩色3D打印机的发展历程和彩色打印的技术理论以及多路打印喷头，对目前的彩色3D打印的喷头设计原理进行了总结和探讨。目前大部分彩色3D打印机都是采用三基色原理，所以都采用三路混色喷头。分析得出目前的打印喷头存在的主要问题，喷头内部的温度分布不均和挤出喷丝的压力不稳定，以及不能很好地解决彩色精度与均匀度的矛盾。针对以上问题和矛盾总结分析了一些理论和解决方法，并分析了两种典型的三路混合打印喷头结构。为喷头装置的设计及采用提供很好的依据。彩色3D打印已经进入了快速发展的阶段，但是利用FDM型打印机怎样更加高效更加精准地打印出彩色3D产品仍需要更进一步探索，同时，与彩色打印类似的多材料打印也是3D打印发展的新方向，更加具有挑战性。

参考文献

[1] 周理想，陈晓康，武山.浅析3D打印机的新进展和新应用[J].科技创新与应用，2017.28：28-29.

[2] 李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014.35（1）：1-5.

[3] 史玉升，张李超，白宇，赵祖烨.3D打印技术的发展及其软件的实现[J].中国科学：信息科学，2015.45：197-203.

[4] James Corbett. Reprap colour mixing project[D].Bath：University of Bath，2012：1-122.

[5] 黄子帆，马跃龙，李俊美，李欧阳，刘军.熔融沉积成型彩色3D打印机的研究[J].机床与液压，2017.45（4）：21-25.

[6] 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.

[7] 任翀，黄江，菅宸龙.FDM工艺快速成型喷头内熔体的分析研究[J].机械研究与应用，2014（1）：62-64.

[8] 蔡子灏，朱冠华.基于改进喷头的FDM型彩色打印研究[J].黑龙江科学，2016.7（22）：16-19.

[9] 韩善灵，李志勇，肖宇，徐旭.熔融沉积成型3D打印机混色装置的研究[J].机械设计制造，2015（11）：116-122.

[10] 肖亮，马训鸣，要义勇，谢志宴.3D打印喷头的热力学分析与结构优化设计[J].机械制造，2014.52（599）：1518.

[11] 王世博. FDM挤出头CFD分析与混色挤出头优化设计[D].哈尔滨工业大学硕士论文，2016.6.

[12] 孙秋云.一种彩色3D打印喷料机构[P].中国专利：204585854U，2015-08-26.