基于FDM 的并聯(lián)臂的單噴頭雙色3D打印機的研究與設(shè)計

趙吉斌　蒙昊　孫雯　余俊

【摘 要】3D打印技術(shù)是近幾年以來興起的具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椏蒲屑夹g(shù)。在形形色色的3D打印機市場，各種各樣的打印機的出現(xiàn)，也是預(yù)示著3D打印這項技術(shù)的潮流已經(jīng)到來。本文主要是結(jié)合現(xiàn)有的三角洲桌面3D打印機的結(jié)構(gòu)提出了一些在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，并對這方面進行了闡述。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)臂 ；3D打印機；單噴頭；多色打印

3D打印思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發(fā)展和推廣發(fā)展至今，3D打印機的種類也有很多。3D打印技術(shù)的類型來看，主流技術(shù)包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等。而FDM（Fused Deposition Modeling）是把塑料熔化成半融狀態(tài)拉成絲，用線來構(gòu)建面，一層一層堆積起來的。FDM的原理就像蠶吐絲或擠牙膏一樣簡單，無需激光系統(tǒng)的搭配，因而在現(xiàn)在的市場上的桌面級3D打印機大多采用這樣的工藝。從色彩種類的發(fā)展角度來看，分為單色和多色打印。從最初的單色打印變成現(xiàn)在的多色打印，技術(shù)一直在不斷的更新中。但是3D打印的多色打印也伴著多個噴頭，然而每多一個噴頭，所帶來的技術(shù)性和經(jīng)濟性就會大幅度的增加，所以人們一直在不斷的探索。不斷的趨于功能多樣化和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新化。

在傳統(tǒng)的并聯(lián)臂3D打印機當中每個噴頭是專門輸出一種色調(diào)，雖然單個噴頭能夠?qū)崿F(xiàn)每一次的單色打印，而打印的色調(diào)完全是由打印前的裝料決定的。這就帶來一個問題，當并聯(lián)臂3D打印機為單噴頭時，就無法實現(xiàn)在打印同一個物品時同時實現(xiàn)雙色或者多色的打印。雖然一些3D打印機有多個噴頭可以實現(xiàn)多色的打印，但是，相對于單噴頭的多色打印來說，前者在經(jīng)濟上的花費顯然會比較的高昂。甚至一些廠家利用消費者不了解機器的情況下，夸大宣傳雙噴頭的功能。結(jié)果很多消費者便盲目購買雙噴頭或多噴頭機器，但是買回來卻發(fā)現(xiàn)多此一舉。但是機器價格卻因為多一個噴頭多上上千元幾千元的，消費者因此多掏腰包買單。多噴頭的機器，因為結(jié)構(gòu)多，噴頭多，所以在使用過程中，出現(xiàn)故障的概率也就相應(yīng)增多。這給使用者帶了很大的困擾。

對于3D打印機的研究自從一年前開始，在利用3D打印機來打印各種物品時，總是感覺色調(diào)過于單一，所以，我們萌生了一個這樣的想法，能不能利用單純的機子打印出多彩的作品呢？經(jīng)過我們不斷的研究終于提出了一個大膽的想法，就是在原來單噴頭的基礎(chǔ)上再加一個輸料管，在同一個噴頭連接器上，增加一個轉(zhuǎn)向器，當一種材料需要進行切換的時候，轉(zhuǎn)向器進行另一種材料的切換即可實現(xiàn)顏色的切換（如圖1）！

當打印正常進行的時候，輸料管2正常的進行輸料打印，當需要換色時，控制器控制電機（此處省略）驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸帶動轉(zhuǎn)向器進行順時針轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向的同時，輸料管2的步進電機停止輸料工作，因為此時噴頭里還會有部分的材料存在，所以打印繼續(xù)進行。此時，轉(zhuǎn)向軸上帶有固定的刀片也隨著轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，刀片在轉(zhuǎn)動的同時將正在打印的材料切斷，從而使輸料管2可以順利轉(zhuǎn)向輸料管1的位置，當輸料管2到達輸料管1原先的位置時，輸料管1也同時到達了輸料管2原先的位置，實現(xiàn)了位置的互換。當位置實現(xiàn)互換以后，輸料管1的步進電機立即開始輸料的跟進和補償工作，實現(xiàn)多色的打印過程。

當打印需要再一次換回原來的材料色彩來進行打印的時候，控制器則控制電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸帶動轉(zhuǎn)向器進行逆時針的轉(zhuǎn)動，其過程和第一次旋轉(zhuǎn)一樣，來實現(xiàn)顏色的轉(zhuǎn)換打印。

而在單噴頭多色打印技術(shù)實行打印的過程中，也會帶來一些問題。比如，打印材料的連續(xù)性的問題，程序的編寫，以及材料混合色差和剩余殘料的計算和打印用量的關(guān)系等問題。當一個新產(chǎn)品出現(xiàn)以后，都會面臨著各種各樣的疑問沖擊，這也是我們希望看到的，也是下一步要完善的步驟。

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