独立双喷头3D打印机的研究

前 言

独立双喷头3D打印技术的发展前景如此之广阔，发展势头如此之强劲，那么其对现有的生产关系及模式有何影响呢？据社会科学家研究推测，3D 打印机的推广应用具有重要的革命性意义，主要体现在以下三个方面：（一）制造工艺的深刻变革。3D 打印的特点在于通过逐层堆积材料进行加工，而不是通过去除多余材料进行加工。因此，这项工艺也被称作“堆积制造”或“添加制造”。这改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间，带来了制造工艺的深刻变革。（二）制造技术的重大飞跃。3D 打印技术是一种新兴的高科技技术，综合应用了CAD/CAM 技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，3D 打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。（三）制造模式的一次“革命”。3D打印作为一种新的加工工艺，将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。3D 打印机的推广应用将减少产品推向市场的时间，产品用户只要简单下载设计图在数小时内通过3D 打印将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件，不需要大量的工人。

随着独立双喷头3D打印机的普及和发展，3D打印机已经走进我们的生活，原先3D打印机只有科研院所、学校、工业企业才会购买，现在却不是这样。目前市面上有很多类型3D打印机，根据成型技术分，有FDM、DLP、SLA、SLS等，使用普及度最广、最易使用的FDM技术3D打印机也有单喷头和双喷头之分，目前，独立双喷头3D打印依然存在一些问题，3D打印机目前还存在技术相对单一、设备便携性差、效率低下、材料受限制、精度不够，成本较高等问题。而制作出来的东西相对于工业化大规模生产出的产品毛刺较多，需要打磨，质量较差，难被消费者认可。但是随着我们科研人员的不断努力，相信这些技术问题都只是暂时的。而3D打印出来的产品也最终会打动消费者，获得市场的肯定。

 1 独立双喷头打印机总述

随着3D打印机的普及和发展，3D打印机已经走进我们的生活，原先3D打印机只有科研院所、学校、工业企业才会购买，现在却不是这样。目前市面上有很多类型3D打印机，根据成型技术分，有FDM、DLP、SLA、SLS等，使用普及度最广、最易使用的FDM技术3D打印机也有单喷头和双喷头之分。

3D打印行业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场平台。供应商和服务商体系中，包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。而目前国内的3D打印企业还处于“单打独斗”的初步发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态。

而在国外特别是美国，3D打印技术要比在国内发展早，企业早已熟知这种可能对世界加工制造业带来革命的新技术。所以相较于国内，美国对3D打印技术的研发生产投资都远远胜于我国。

当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家面对近年来制造业竞争力的下降，大力倡导“再工业化、再制造化”战略，提出智能机器人（300024）、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术，并希望通过这三大数字化制造技术的突破，巩固和提升制造业的主导权，加快3D打印产业发展，可推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。

3D打印技术实际上是一系列快速原型成形技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y孚西内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。从上个世纪80年代到今天，3D打印技术走过了—条漫长的发展之路。1984年，Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，1986年，Chuck Hull发明了立体光刻工艺，利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体，并获得了专利。随后他离开了原来工作的tra Violet Products，开始成立一家名为3D SystEMS的公司，专注发展3D打印技术，1988年，3DSystems开始生产第一台3D打印讥SLA-250，体型非常庞大。1988年，Scott Crump发明了另外一种3D打印技术——热熔解积压成形(FDM)，利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，随后也成立了～家名为Stratasys的公司。1989年，CR．Dechard博士发明了选区激光烧结技术(SLS)，利用离强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结，直至成形。1993年，麻省理工大学教授EmanuaI Sachs创造7三维打印技术(3DP)，将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起戍形。随着3D打印技术的种类变多，3D打印机可打印的东西越来越多。而且，3D打印机的价格在不断下降，1999年3D Systems的SLA 7000要价80万美元，而Cube要价仅1299美元。另外，虽然对于普通用户和制造业来说，3D打印的大规模产业化时机还没有成熟，但我们也看到3D打印机开始向两极分化，除了百万元级的大型3D打印机之外，国内目前也出现了面向个人用户价格为数千元的3D打印机。3D打印技术发展到现在。普通的3D打印机已经无法满足人们对色彩的需求了，彩色3D打印技术成为增材制造技术发展趋势，具有良好的发展潜力和广阔的应用前景，而其对应的关键技术也将成为重点研究方向。能够打印多色三维物体的打印机少之又少，而且现行研制的成功的彩色打印机存在着混色精度差、材料颜色不均、打印效率低、打印机工作不稳定、控制系统等诸多缺点。

蔡了灏等人设计基于双进单出喷头的彩色3D打印机，通过对打印喷头结构的改良可以完成产品的部分混色工作。国内外不少学者也提出了基FDM的双喷头打印技术，但其效果不佳，即使能打印两种或者多种颜色，但这远远满足不了模型对于渐变颜色这种复杂颜色模型的需要。有研究人员开发出了多进单出的挤出装置进行不同颜色原料的熔融混合。即通过控制各料丝在喷头内的不同进料长度进行熔融混合，最终获得彩色打印件，在这种挤出装置中，喷头只有一个，进料口有多个，不同颜色的丝材从不同进料口进入加热腔，受热熔化混合后形成彩色，上面五个开口表示不同颜色的进料口，下端是打印喷口，不同颜色丝材加热熔融后在混合腔里混合。 但是这种基于多进单出喷头的彩色3D仍有不足之处:难以解决色彩精度与均匀度的要求，不同色彩丝材在熔融状态时容易出现混合不均匀，使打印机色彩界限不分明。因此研制科学可靠的混色方案，设计合理稳定的材料进出方式是目前彩色3D打印技术的研究重点

本文研究内容

(1)制定FDM混色打印方案，本课题关键技术是选取二种基色原材料，通过打印系统使得它们的色彩能够混合,从而呈现出各种各样的颜色效果，使得不同颜色原材料能够让打印件呈现出原材料所没有的颜色效果，而非原材料色彩的简单组合。

(2)在此打印方案的基础上完成设计FDM打印机挤出装置，成型制件采用不同的材料，这就需要多个喷头。本课题的目标是实现双打印头挤出装置的设计。(3) 设计3D打印机机身本体，传动机构和其他打印机附件，完成打印机机械结构部分的设计。

(4)进行打印机控制系统的设计，实现多喷头联动控制，并分析彩色打印中产生的各种缺陷，寻求解决方法，从而完成FDM彩色3D打印机的整体设计，为以后开发具有自主知识产权的经济型彩色3D打印增材制造设备奠定基础。

3 独立双喷3D打印机的工作原理及特点

随着工业现代化的不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加工需求，许多异形结构利用传统加工（包括五轴加工中心）很难加工或根本不能加工。随即3D打印机应运而生……

FDM类型3D打印机的机械系统主要包括机身框架系统、三轴运动系统和打印系统等，机械系统结构包括机身框架系统、三轴运动系统、打印系统。其中机身框架系统由型材和连接件组成，三轴运动系统由X、Y、Z轴的传动机构组成，打印系统由打印头和工作平台组成。FDM设备的机械系统中，机身框架起到保护和支持作用，三轴运动系统控制打印头沿着事先设定好的轨迹移动，打印系统中，打印平台和打印头互相配合，将熔融的打印材料层层沉积在打印平台上，凝固后形成打印件。

FDM 3D打印机X、Y、Z轴运动方式的设计主要在于如何将三个坐标轴的运动分配给打印喷头和工作平台。打印喷头的打印机三轴运动方式主要可以分为以下几类

(1)打印头作X向(或Y向)及Z向运动，工作台做Y向(或X向)运动;

(2)打印头作X向和Y向的运动，工作台作Z向的运动;

(3)打印头作Z向的运动，工作台作X向及Y向的运动。

上述三种三轴运动方式各有优越点，

本课题设计的基于FDM工艺3D打印机以市场为导向，定位为拥有较大成型空间的桌面级3D打印机，在满足成型尺寸的情况下尽量减小设备大小，故选择第二类三轴运动方式，即打印喷头在X-Y平面内移动，工作台作独立z向运动。

目前能够实现直线运动的传动方式有很多种，例如同步带传动、曲柄滑块、滚;珠丝杠传动等,在目前市场上的3D打印机中同步带传动和螺纹传动是运用的最为广泛的，在这个3D打印机中分别运用到了同步带传动和滚珠丝杠传动方式。同步带传动是一种通过内表面等距分布的齿与齿轮啮合来传递运动，并且在同步带传动过程中不会出现相对滑动，具有以下优点

(1)传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低;

(2)传动准确，工作时无相对滑动，具有恒定的传动比;

(3)传动效率高，可达98%节能效果明显;

(4)速度传动比范围较大可达10，线速度可达50m/s;

(5)同步带传动相对丝杠传动价位较便宜。

(6)维护保养方便，不需润滑，维护费用低;

选用滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，由于其具有承载能力高、稳定性、可逆性、结构简单紧凑、定位准确等特点。3D打印机Z方向上采用滚珠丝杠传动，打印机的工作平台在滚珠丝杠的带动下实现上下移动，因为滚珠丝杆具有较高的传动精度，所以能够实现较小高度的移动。滚珠丝杠是FDM型3D打印机进给系统中最重要的机械传动部件，滚珠丝杆具有很多优点，摩擦力小、可靠性高、效率高、精度高、寿命长等优点，所以选择合理的滚珠丝杆对成型精度至关重要。  综上所述，最终选择传动方式为Z轴方向选择滚珠丝杠传动方式，X轴与Y轴方向选择同步带传动方式。

独立双喷头3D打印技术未来应用

作为引领智能制造的革命性技术，3D打印是推进传统制造产业升级换代的关键方式之一，也是未来制造业发展趋势。长期以来，人们为3D打印机机械系统和控制系统的研发做出了不懈努力。作为3D打印技术中发展最快的技术种类之一，熔融沉积(FDM)技术研究取得较快进展。但是3D打印技术仍无法取代传统制造技术口。

3D打印技术中许多问题亟待进行深入的研究。首先，3D打印技术存在着加工质量不高、加工精度不足、产品功能性差、系统的集成性不强、生产效率低、单位产品能耗高、无法加工出高质量产品等诸多缺点。以上问题都限制3D打印技术的推广与发展，急需设计3D打印机控制机构，传动机构和其他打印机附件进行完善研究，以保证3D打印技术长足发展。其次，随着人们对产品外观需求的日益提升，具有彩色表面的产品被需求于教育医疗、艺术文物、地质测绘等诸多方面，彩色打印无疑是未来研究的重点。然而基于FDM的3D打印机缺乏完善实用的彩色打印方案，从而阻碍了3D打印件的视觉表现力。主要原因有市场普遍无法接受高成本的彩色3D打印，单喷头彩色打印不稳定，色彩质量无法精确控制，人工， 上色仍然是最优选择等。急需制定FDM混色打印方案，选取几种基色原材料，通过打印系统使得它们的色彩能够混合，从而呈现出多种所需的颜色效果，满足产品颜色的需求。此外，为了保证打印过程中位置和时间的高精度要求，单一打印喷头已无法满足产品质量与效益，需要多个喷头协同运动，并对多喷头进行精准运动控制。多喷头所构成的运动系统具有典型的非线性特征，尤其是当三维模型具有较为复杂的非均匀几何结构时，对其运动轨迹的控制尤为重要。总之，设计多喷头联动控制，分别对不同颜色材进行混合挤出成型，实现彩色打印是3D打印。对3D打印技术有着巨大推进作用。也能使人更加清楚明了的认识到3D打印。
5 结语

综上所述，独立双喷头3D打印机的用户体验及创新性的研究并不是完善的，仍然有很大的研究空间，本文将会从自身的专业角度出发，阐述独立双喷头3D打印的优势以及在一般性使用者中的切身体验，并且关注以为的研究为关注的问题，以期达成独立双喷头3D打印机在用户中有更好的用户体验，以及创新性。

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