0 引言

    自美國麻省理工學(xué)院的SACHS E等人^[1]提出3D打印技術(shù)之后，3D打印技術(shù)在國內(nèi)外便開始了快速的發(fā)展^[2，3]。3D打印技術(shù)也叫增材制造技術(shù)(Additive Manu-facturing，AM)，其種類包括立體光刻成形(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、選擇性激光燒結(jié)成形(Selective Laser Sintering，SLS)、疊層實體制造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。熔絲沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是眾多3D打印技術(shù)中的一種，最初這種三維制造技術(shù)是在20 世紀(jì) 90 年代由美國人Scott Crump研制成功，由于該技術(shù)復(fù)雜性低、成本低廉、軟件開源、易于推廣等^[4]特點受到眾多企業(yè)和個人的喜愛，主要適用于家用電器、辦公用品以及模具行業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)，另外還被廣泛用于醫(yī)療、大地測量、考古、玩具等基于數(shù)字成像技術(shù)的三維實體模型制造。

    FDM技術(shù)采用PLA、ABS等材料作為成型材料，由于材料強度的限制，主要應(yīng)用于展示模型設(shè)計、創(chuàng)意制作^[5]。也有部分科技工作者將該技術(shù)進(jìn)行變型，使用巧克力、面粉漿等材料進(jìn)行食品打印^[6]。FDM類型的3D打印機以這種“親民”的形式可以更多地在民眾生活中出現(xiàn)，作為大眾可以消費的電子產(chǎn)品。但是FDM打印技術(shù)存在著無法打印彩色模型的劣勢，只能打印單色材料，這極大地限制了FDM技術(shù)的發(fā)展。不少學(xué)者也提出了雙噴頭、多噴頭的打印機結(jié)構(gòu)，雖然可以打印兩種或者多種顏色，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了模型對于漸變顏色這種復(fù)雜顏色模型的需要。為此本文提出了一種FDM類型的彩色3D打印機的設(shè)計與實現(xiàn)方法，可以有效解決當(dāng)前FDM類型3D打印模型顏色單一的問題。

1 機械結(jié)構(gòu)與電氣組成

    要實現(xiàn)彩色3D打印，就要對原始的FDM類型3D打印機的機械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，以實現(xiàn)彩色打印的需求。本文對開源的3D打印機的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造和設(shè)計，并且重新設(shè)計了控制部分的電氣組成。

1.1 機械結(jié)構(gòu)

    本文彩色3D打印機的機械結(jié)構(gòu)采用Ultimaker結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的噴頭通過十字交叉的光軸進(jìn)行固定，可以在保證打印質(zhì)量的前提下減輕運動機構(gòu)的負(fù)載，從而提高速度。

    Ultimaker結(jié)構(gòu)實現(xiàn)彩色打印需要對噴頭進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)多進(jìn)一出，并且保證材料能充分混合。Richard Horne設(shè)計了一種可以同時混合3種打印材料的打印頭，實現(xiàn)了3種顏色的混合效果；丹麥的研究者也設(shè)計出了一款混合噴頭diamond hotend，本文所采用的也是這一款打印噴頭。噴頭通過3個進(jìn)料口將PLA材料送入噴頭，加熱融化在壓力的作用下混合通過0.4 mm的噴嘴擠出。為防止出現(xiàn)噴頭堵頭[7]的問題，張自強[8]通過流體力學(xué)分析，以ABS為例得出打印過程需要保證噴頭部分維持240 ℃，而其他區(qū)域平均溫度要在67 ℃以下。在此基礎(chǔ)上，本設(shè)計設(shè)置了內(nèi)外散熱風(fēng)扇，確保溫度滿足打印要求，最終設(shè)計如圖1所示。

1.2 電氣組成

　　電氣部分主要包括主控部分和擴展部分，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    為了獲得更快的處理速度，提高打印機的打印精度^[9]，主控制器選擇了基于Atmel SAM3X8E 32位CPU的Arduino Due主板，擴展板選擇RAMP-FD，該擴展板最多支持6路步進(jìn)電機，滿足了本設(shè)計的3個獨立擠出機的設(shè)計要求。本設(shè)計中采用遠(yuǎn)端送絲的擠出機結(jié)構(gòu)，為保證步進(jìn)電機足夠的功率輸出和精準(zhǔn)送絲，步進(jìn)電機驅(qū)動模塊使用DVR8825模塊，該模塊具有32步細(xì)分，最大輸出電流2.2 A^[10]。

2 彩色打印運動控制與指令

2.1 運動控制算法

    3D打印機工作時需要同時控制X、Y、Z 3個方向的步進(jìn)電機，在打印時還需要控制E0、E1、E2 3個擠出機的步進(jìn)電機按照設(shè)定的比例進(jìn)行直線運動。由于需要同時協(xié)調(diào)6個通道的步進(jìn)電機，因此本文基于Bresenham直線算法^[11]改進(jìn)了一種運動控制算法，以實現(xiàn)在運動過程中打印，并且保證多種顏色的均勻混合。

    Bresenham直線算法是一種計算機繪制直線的控制算法，如圖3的坐標(biāo)系中，繪制A、B兩點的實際坐標(biāo)，每次繪制點的縱坐標(biāo)y所對應(yīng)的誤差記為ε，則該點縱坐標(biāo)數(shù)學(xué)真值為：y+ε(-0.5≤ε≤0.5)，從x移動到x+1，則y軸方向增加k(k為直線斜率)。

    3D打印機各軸的運動距離是由步進(jìn)電機所接收的脈沖數(shù)決定，脈沖數(shù)與最終打印頭運動距離或者擠出的細(xì)絲長度呈線性關(guān)系，S表示運動距離，K為變換系數(shù)，S_i為i軸接收的脈沖數(shù)。

    定義C_i為i軸的計數(shù)器，該取值分別為x、y、z、e0、e1、e2，算法的流程圖如圖4所示(虛線框內(nèi)部分由定時器中斷函數(shù)執(zhí)行)。

    利用S_max來判斷和記錄長軸，保證每一輪長軸都輸出脈沖信號，其他較短的軸根據(jù)判斷條件來確定是否輸出脈沖信號，整個判斷過程均由系統(tǒng)定時器觸發(fā)運行，通過這種方式即可達(dá)到協(xié)調(diào)6個通道步進(jìn)電機的統(tǒng)一運動。

2.2 控制指令

    FDM類型使用Gcode文件來保存和執(zhí)行相應(yīng)的運動指令，在開源Gcode指令中沒有控制顏色的指令，需要定義顏色控制的指令G1、M163、M165，分別實現(xiàn)單獨直線、單獨擠出機、連續(xù)直線3種方式的顏色控制。

3 實驗驗證

    本文基于Marlin固件進(jìn)行了固件的修改，實現(xiàn)了運動控制算法代碼，增加了G1、M163、M165等Gcode指令的解析與執(zhí)行的程序代碼，經(jīng)過調(diào)試可實現(xiàn)彩色模型的打印。

    (1)驗證單色打印效果。設(shè)計一個由3個長寬各為20 mm、高為2.5 mm的立方體組成的大立方體模型，3個立方體分別設(shè)置為紅、青、綠3個顏色，使用Cura切片軟件得到Gcode指令，通過腳本軟件判斷G1指令所在的區(qū)域，對不同區(qū)域內(nèi)的G1指令增加混合比例，得到最終含有顏色信息的Gcode文件。打印機同樣使用紅、青、綠3種PLA材料，打印結(jié)果如圖5所示，3種顏色可以準(zhǔn)確分離，模型成型效果良好。

    (2)驗證顏色水平平滑過渡。設(shè)計圓柱形模型，顏色圍繞中心按照紅、青、綠的方式逐漸過渡，采用與單色一致的方法，獲得Gcode文件，打印結(jié)果如圖6所示。

    驗證顏色垂直平滑過渡。設(shè)計螺旋異形花瓶模型，設(shè)置顏色從低向上依次漸變，使用品紅、黃、青 3種PLA材料，打印模型如圖7所示。

    以上3種模型使用Cura軟件切片后不經(jīng)過處理，使用Smartmaker打印機打印純色模型，比較兩者使用的時間，結(jié)果如表1所示。

    通過以上的實驗驗證可以清楚地看出，本文所提出的設(shè)計方法可以實現(xiàn)模型的彩色打印，在單顏色打印、顏色水平過渡打印、顏色垂直過渡打印等方面都可獲得較好效果，并且與同類型打印機相比，得益于高速處理器的使用，在速度方面也占有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

    本文通過對3D打印機的重新設(shè)計與研究，基于開源的3D打印機提出了一種控制算法和相對應(yīng)的控制指令，實現(xiàn)了模型的彩色打印，并且在速度方面也比同類型的單色3D打印機速度更快，為FDM類型的彩色3D打印提供了思路，擴展了FDM類型3D打印機的應(yīng)用范圍。本文雖然實現(xiàn)了模型的彩色打印，但還需要對切片文件進(jìn)行后期處理才能進(jìn)行打印，后期可以對切片軟件進(jìn)行修改，以達(dá)到直接輸出彩色3D打印文件的效果，從而進(jìn)一步提高打印效率。

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作者信息:

宋廷強，邢照合

（青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島266061）