基于熔融沉积技术的彩色3D打印机的结构设计与实现

索帅鹏,杨耀东,王 亮,饶伟锋

齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械工程学院(山东省机械设计研究院),山东 济南 250353

3D打印是以数字模型为基础,运用粉末状金属、陶瓷、树脂或塑料等材料,采用逐层叠加的方式进行制造的技术。因此,该技术又被称为增材制造或快速成型技术[1]。1983年,美国的Chuck Hull发明了光固化成型(SLA)3D打印技术。继而出现了不同形式、面向不同打印材料的打印机。经过多年的发展,3D打印技术虽在精度和打印速度方面有了极大的提高,但大部分市售打印机只能打印单色模型。随着3D打印技术在越来越多的行业得到应用,只注重打印件的“形”,而忽略打印件的“貌”和“色”这显然不能满足用户对个性化制造的需求[2]。

类比传统的黑白纸质打印领域(印刷),彩色打印更容易引起用户的视觉冲击,可以更加清楚的表达重要信息和细节,因此彩色打印也越来越受到人们的喜爱[3]。从1991年的全球第一台彩色喷墨打印机到目前为止,彩色打印机的市场占有率呈现出逐年稳步上升的态势。彩色纸质打印开辟了办公、图书、广告等市场,为信息的表达与传递提供了极大的便利。

相较于传统的彩色平面打印,彩色3D打印更能完美地呈现实物的效果,表达出更多的节与信息,不仅满足了形状上的要求,还注重了外观的个性化。随着彩色3D打印技术的不断发展,它将极大地促进个性化制造[4]。彩色3D打印技术的不断创新将改变传统的产品设计模式,带来更广阔的应用与市场场景。目前,已经出现了面向多种打印材质的彩色3D打印机。但整体而言彩色3D打印技术仍处于初级阶段,现有的全彩3D打印设备往往需要几十万人民币,高昂的造价限制了其商业推广[5]。从设备的造价角度看,熔融沉积制造(FDM)单色打印机价格通常在千元级别,容易被普通人接受。另外,FDM打印机因其简单易用的操控体验和全面的开源环境而被广泛应用于教育、设计、培训等领域[6]。如果能够开发出一款价格低廉的彩色FDM打印机,必将推动彩色3D 打印技术的快速普及,使普通民众能够享受彩色3D打印所带来的便利。

1 FDM彩色3D打印方案介绍

FDM 3D打印机因其结构简单、成本低等优点而成为目前最主流的3D打印方案。然而,市面上大多数FDM 3D打印机只能打印单色模型,这限制了它们的应用范围。为开发出价格实惠的彩色FDM 3D打印机,国内外学者和3D打印厂商进行了大量的探索和研究。本文将介绍基于FDM的彩色3D打印的三种技术路线,分别是基于FDM的喷墨技术、熔融混色技术和多路换丝技术。

基于喷墨技术的彩色FDM 3D打印是通过喷墨将颜色覆盖在丝料上,实现对打印件表面上色。打印过程中,喷墨头跟随丝料的挤出,在打印件表面喷射相应颜色的墨水,使得材料表面呈现出多样的颜色,改变墨水颜色以实现彩色打印效果。深圳七号科技基于该方案提出一种全彩3D打印方法,在FDM 3D打印机的基础上,增加喷色系统,在每一层模型的外观面上着色,最终成型彩色三维模型。彩色喷墨头的墨水采用CMYK混色方案,使用控制主板读取彩色切片文件,自动识别切片模型或彩色喷墨指令,并按设定的程序驱动运动机构,进行三维模型打印和表面彩色喷墨[7]。基于喷墨方案的彩色3D打印可以呈现出全彩色效果,并且价格较低,但该方案目前需要特定的丝料吸附墨水,且色彩饱和度不高。

基于熔融混色技术的彩色3D打印使用热塑性材料作为基材,通过将不同颜色的丝料熔融并混合,通过控制丝料进给速度调整混合比例,从而实现彩色打印效果。Richard Horne[8]通过修改打印机固件中挤出电机的脉冲当量,使三个挤出机同时向一个喷嘴(即热端)挤入熔融态丝料,堆积在产品的表层,完成了混色实验,但在打印时会使得打印件上出现颜色分层(即没有混合均匀)。由于带色丝料是在打印喷头中进行混合,所以在混色3D打印技术的研究过程中,对打印头的改造至关重要。针对混色不充分、质量差等问题,李子秋等[9]提出了多色搅拌混色方案,验证了搅拌混色的可行性及控制系统的有效性。该方案可以自适应控制五种丝料搅拌混合配色,并成功打印了超过22种颜色的彩色模型,弥补了熔融混色3D打印颜色种类不全的缺陷。目前,该方案的研究主线是通过设计合理的内部结构来实现更有效的丝料混合,理论分析设置内部空腔以及设定特殊的内部进丝路线来实现熔融状态下的丝料进行均匀的混合。虽然对挤出头进行了很多的改进,但目前仍存在拉丝、漏料、堵塞、混色不均匀等问题,随着喷头的结构不断被优化,相信这些问题可以得到很好的解决,熔融混色打印技术是彩色打印中一个重要的思路和发展方向。

基于多路换丝技术的彩色3D打印是使用多进一出的打印喷头或打印组件进行打印。进丝方式一般选择的是远端进丝,通过更换不同颜色的丝料,从而实现彩色3D打印。因此,该彩色打印方案的色彩信息和颜色分辨率取决于所选用的丝料数目。但由于在打印时丝料会发生拉丝,不同颜色的塑料残余会相互渗出沉积在表面,使表面变得模糊。一种快速实现彩色打印的方法是在常规的FDM打印机上安装彩打组件,使该组件与打印喷头串联,通过换丝的方式实现多色打印。Abilgaziyev等[10]将打印过程划分为冷端进丝和热端挤出两个部分,其中冷端进丝部位包括换丝与送料两个过程,热端挤出部分由五个独立的喷嘴构成,通过换丝电机和挤出电机的相互配合,仅需要两个步进电机就可以驱动五个喷嘴的丝料。但该方案只进行了理论模拟仿真分析,并未进行试验验证。Prusa公司最近发布了一款可实现五色打印的3D打印组件MMU2S,如图1所示。该组件采用三个内置电机控制不同种类的丝料挤出和更换,丝料选择器可轴向运动,丝料传感器采用PINDA探头进行检测,顶部的LED状态灯清晰地显示更换和打印状态。此外,为了清除喷嘴内的残留物,需要设置废料塔。通过多次测试,MMU2S的打印成功率高达93%,但仍存在丝料在切换的过程中卡丝的情况[11-12]。

图1 Prusa MMU2S彩色打印组件

从上述方案来看,通过在普通的FDM 3D打印机上安装一个彩色换丝组件来实现彩色打印,这对于普通消费者来说是极具吸引力的方案。这种方案使得彩色打印的成本大大降低,将能迅速满足普通消费者的彩色打印需求。但由于该方案是通过机械结构切断并更换丝料的,对于复杂的多彩模型,可能需要上千次切断换丝,其中一次回抽失败就有可能导致整个打印的失败。因此该方法需要增加换料检测装置防止换料失败的情况发生,提高彩色打印的可靠性。在这个思路的启发下,本研究旨在寻找更为低成本的单色FDM 3D打印彩色升级方案。

2 FDM彩色3D打印机系统设计

基于喷墨技术的FDM彩色3D打印方案虽能实现全彩色,但近5万元的售价仍使其难以普及。基于熔融混色技术的彩色3D打印方案由于聚合物丝料本身熔融态黏性较高,混合腔流体以层流为主,难以实现充分混合。且由于该方案是五种丝料同时进入混色喷头,出现堵塞的概率也成倍的提高。如果对颜色的数目要求不高,采用普通的FDM打印机配合多进一出换色喷头也可以快速实现多色打印的效果。该方案基于多路换丝技术的彩色3D打印原理,通过回抽换丝的方法实现多色打印,在打印的过程中设置废料塔,用于擦除换丝时残留于喷嘴的废料。研究重点是多色打印喷头结构及控制系统的设计,其中包括更换打印喷头,配置固件及切片设置。

2.1 五进一出换色喷头设计

根据上述思路,设计了一款五进一出的换色喷头,五个挤出机协同运动,通过控制丝料的回抽和挤出,可以实现五色模型的打印,换色头外观示意图和内部结构图如图2所示。

注:(a)示意图;(b)剖视结构图;1—进料管气动接头;2—五进一出进料管道;3—铁氟龙管;4—散热片;5—喉管;6—加热块;7—加热棒安装位置;8—喷嘴。

五进一出换色喷头由铁氟龙管、散热片、喉管、加热块和可拆卸喷嘴组成。3D打印喷头由进给段、散热段、熔丝段和挤出段组成[13]。在打印过程中,丝料通过进料管道进入喷头各段,在进给段和散热段需要丝料具有较大的刚性,在挤出机推力的作用下进入到熔化段,使丝料熔化成黏流态,通过喷嘴稳定的挤出。当需要更换颜色时,先由挤出机将丝料回抽至进料管初始位置,然后目标丝料由另一挤出机推入喷头,直至挤出,完成颜色更换。

在热辐射的作用下,熔化段的热量会通过喉管向上传导,若散热段的温度过高,散热段的丝料会软化呈弹性橡胶状,需要较大的挤出推力,且冷却后极易造成堵塞。因此应在散热段对喷头加装风扇,使散热段不受热,保证丝料具有较大的刚性。另外,在喉管内壁使用铁氟龙管作为内村,原因是与金属喉管相比,铁氟龙管的导热系数较小,能够阻挡热量向上传递,且铁氟龙管内壁光滑,可以有效的防止丝料在喉管中堵塞。

2.2 彩色3D打印控制系统设计

控制部分主要指下位机控制系统,主板是3D打印控制部分的核心,通过执行上位机软件生成的Gcode文件,控制X轴、Y轴、Z轴和挤出电机运动,实现成型打印。为了提高打印精度、完成多色打印,选择了一款基于STM32的8轴3D打印主板,其型号是MKS Monster8 V1.0,如图3(a)。该控制板主要包括驱动模块、限位开关、加热模块、温感模块、上位机通讯模块等。其中打印机的驱动模块包括运动系统和送丝系统,使用X、Y、Z轴电机控制打印机运动,使用E0、E1、E2、E3、E4五个挤出电机分别控制五种丝料进行回抽和送料,如图3(b)。在固件方面,基于Marlin2.0配置主板环境,编写多进一出喷头及驱动类型,配置挤出机数量、pin口等,编译完成后将固件烧录到主板中。

(a)MKS Monster8 V1.0主板 (b)主板控制结构框图

2.3 彩色3D打印机整机结构设计

为了解决喷头拆卸困难的问题,设计了一款喷头快拆装置,如图4所示。该装置由底座、摆手和滑块组成,底座作为快拆装置的基体与打印机固定,滑块与打印喷头连接固定,摆手通过旋转将喷头固定在底座上,装配示意图如4(b)所示。

注:(a)示意图;(b)装配图; 1—底座;2—摆手;3—滑块;4—喷头连接支架;5—打印喷头。

在机械结构方面,设计了一款基于Corexy结构的FDM 3D打印机,整机框架采用欧标2020铝型材,通过两个固定的电机控制线轨在XY平面内的移动,Z轴采用丝杆传动。该结构有着结构紧凑、运动敏捷的优势。把五进一出换色喷头安装到打印机上,选用远程挤出方式,可以降低运动部件的重量。安置于打印机机身的五个远程挤出机,通过铁氟龙管与喷头连接,实现送料。最终设计如图5所示。

注:1—挤出机;2—打印喷头;3—耗材;4—打印平台;5—铝型材框架;6—显示屏。

2.4 打印验证

图6为设计组装完成的五进一出3D打印机实物图。将stl模型导入切片软件中,设置相应的挤出机数量,并对stl模型的不同部分设置不同的挤出机以实现彩色打印,合理规划废料塔的大小用于擦除残余废料,计算出合适的换丝回抽距离,通过Gcode指令插入到切片文件中。图7(a)为两个在PrusaSlicer切片软件中切片后的彩色模型预览图,其后方的规则方块为废料塔。其打印效果如图7(b)所示。

(a)五进一出换色打印机 (b)五进一出换色喷头

(a)切片预览图 (b)打印模型

该方案与基于喷墨技术的彩色3D打印方案相比,有着明显的价格优势;与基于熔融混色技术的彩色3D打印方案相比,该方案具有较大距离的回抽杜绝了在打印过程中的拉丝渗料现象,且该方案不易堵塞喷头。在相同切片参数下该方案与Geeetech A10混色3D打印机的打印效果对比图如图8所示,两种方案的模型正面成型效果相差不大,但混色打印方案的模型背面产生了因拉丝而造成的渗料,该方案总体成型效果更好。与基于多路换丝技术的彩色3D方案相比,其它多路换丝方案的机械结构更加复杂(如Prusa MMU2S,图1),一次机械故障会造成整个打印的失败。本方案的机械结构更加简单,通过控制系统对五个远端挤出机进行换色,经实践验证,能够长时间稳定的工作。

(a)换色打印模型 (b)混色打印模型

该设计能够在满足打印精度的同时,打印出所需的五种颜色,完美展示出原耗材的色彩,不会产生色彩失真现象。且该方案是目前最简单、成本最低的升级单色打印机的方案,只需要为普通打印机更换多进一出打印喷头,并对打印机的主板进行简单的升级,就可以实现多色打印,更容易被普通用户接纳。

3 小 结

本文介绍了彩色3D打印技术的发展状况,重点讨论了具有巨大普及潜力的FDM彩色3D打印机,并叙述了几种实现路径:熔融混色技术、多路挤出换丝技术和成型喷墨技术。通过对现有的彩色3D打印实现原理进行分析,特别在总结了针对FDM进行改进的技术方案之后,提出了一种通过替换单色打印机的挤出头,以实现单色打印到多色打印的升级方案。该方案仅需少量的升级成本,既可使普通的单色FDM打印机实现多色打印。