韓善靈 ，李志勇 ，肖. ，徐.

（1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島.66590；2.青島三易三維技術(shù)有限公司，山東 青島.66111）

熔融沉積成型3D打印機(jī)混色裝置的研究

韓善靈1，李志勇1，肖.1，徐.2

（1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島.66590；2.青島三易三維技術(shù)有限公司，山東 青島.66111）

摘.：當(dāng)前基于熔融沉積成型的桌面級(jí)3D打印機(jī)的大部分打印頭裝置只能打印一種顏色的耗材，打印出來的物體顏色單一，為了解決這一問題，在分析了整個(gè)3D打印頭裝置的基礎(chǔ)上，運(yùn)用TRIZ理論對(duì)3D打印頭進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種雙進(jìn)料單擠出的打印頭裝置，該打印頭裝置能將兩種顏色的耗材融化混合，并從同一噴嘴擠出，實(shí)現(xiàn)混色打印。運(yùn)用UG有限元模塊對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)的模擬分析，最終對(duì)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)分析的正確性，達(dá)到了混色要求，為3D打印機(jī)混色裝置的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。

熔融沉積成型；3D打印機(jī)；TRIZ理論；混色；UG；溫度場(chǎng)

1.言

快速成型技術(shù)是一種不需要傳統(tǒng)刀具、夾具和機(jī)床就可以快速、精確地將計(jì)算機(jī)中的三維實(shí)體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型的技術(shù)[1]?？焖俪尚图夹g(shù)的不斷完善與發(fā)展，使得其應(yīng)用領(lǐng)域也得到擴(kuò)展和深化，越來越多的人開始認(rèn)識(shí)到這門先進(jìn)的制造技術(shù)。20世紀(jì)90年代中期快速成型技術(shù)有了更加通俗易懂的稱謂—3D打印[2]。熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是3D打印技術(shù)的一種，該技術(shù)一般以熱塑性材料，如PLA塑料、ABS塑料為打印原料[3]。FDM主要是把耗材加熱使其融化為液態(tài)，并通過噴嘴擠出，耗材被擠出后將會(huì)迅速固化，逐層堆積形成三維實(shí)物。

由于受3D打印頭結(jié)構(gòu)的限制，普通桌面級(jí)3D打印機(jī)[4]目前打印出來的產(chǎn)品顏色單一，雖然不少桌面級(jí)3D打印機(jī)廠商都推出擁有雙噴頭甚至更多噴頭的3D打印機(jī)，但是在實(shí)際操作中，多噴頭打印技術(shù)還很不完善，很多復(fù)雜的顏色，例如漸變色根本無法打印出來[5]。多色的3D打印技術(shù)能直接獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的彩色外觀，而不需要后處理流程，在眾多領(lǐng)域較以往的單色3D打印制件有著巨大優(yōu)勢(shì)[6]。在上述分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用TRIZ理論提出了一種雙進(jìn)料單擠出的打印頭裝置，該裝置能允許兩種耗材同時(shí)進(jìn)入加熱塊，并在加熱塊內(nèi)被融化混合，隨著不同速度的固態(tài)線狀耗材的擠入，已融化的液態(tài)耗材將從同一個(gè)噴嘴內(nèi)擠出，從而完成混色物品的打印。

2.于TRIZ的混色3D打印頭裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1.RIZ理論

TRIZ理論，即發(fā)明問題解決理論。1956年在一篇名為“有關(guān)技術(shù)創(chuàng)造問題”的論文[7]中第一次系統(tǒng)科學(xué)的介紹了TRIZ的理念，著重的介紹了技術(shù)沖突、理想化、創(chuàng)造性系統(tǒng)思維等內(nèi)容。

TRIZ在解決技術(shù)系統(tǒng)的矛盾中應(yīng)用廣泛，很多技術(shù)的進(jìn)步都是依靠TRIZ理論推動(dòng)的[8]。應(yīng)用TRIZ解決具體矛盾，就是把具體的矛盾轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)矛盾，獲得標(biāo)準(zhǔn)解，以標(biāo)準(zhǔn)解作為方向、指導(dǎo)，聯(lián)系具體問題，產(chǎn)生創(chuàng)新方案，解決具體矛[9]。

2.2.盾分析

矛盾分析就是指出系統(tǒng)中的技術(shù)矛盾，即指出系統(tǒng)中改善一方的同時(shí)會(huì)使另一方惡化的矛盾[10]。本問題中應(yīng)該改善的問題是加熱塊的改進(jìn)，從而使整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)混色打印。

現(xiàn)有的打印頭裝置都是單進(jìn)料單擠出機(jī)構(gòu)，如果想達(dá)到混色要求，解決方案是將兩種耗材融化于同一個(gè)加熱塊內(nèi)，該解決方案可以使裝置的易用性（參數(shù)33）提高，但雙進(jìn)料單擠出裝置必將導(dǎo)致加熱塊的可制造性（參數(shù)32）難度加大及加熱塊的體積（參數(shù)8）增加。通過上述分析可以構(gòu)建出以下兩個(gè)技術(shù)矛盾：

技術(shù)矛盾1：裝置的易用性和可制造性為本問題的一對(duì)技術(shù)矛盾。

技術(shù)矛盾2：裝置的易用性和相對(duì)固定塊靜止的加熱塊體積為本問題的另一對(duì)技術(shù)矛盾。

2.3.立矛盾矩陣

參照矛盾矩陣表，利用表中參數(shù)的交叉處是解決技術(shù)矛盾的原則，建立矛盾矩陣，如表1、表2所示。

表1.盾矩陣表1Tab.1C o n t r a d i c t i o nMa t r i x1

表2.盾矩陣表2T a b.2C o n t r a d i c t i o nMa t r i x2

通過查看矛盾矩陣表可以得到TRIZ理論推薦的7種解決該類矛盾的原理。

2.4.置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

綜合上述分析原理，運(yùn)用創(chuàng)新原理2提取法中的將部件中相互干涉的部分舍棄原理、原理5組合法中的將在時(shí)間或空間上有共性的部分組合到一起原理、原理4非對(duì)稱法中的改變一物體的對(duì)稱性原理，將加熱裝置設(shè)計(jì)成雙進(jìn)料單擠出的裝置。裝置如圖1所示。

圖1.D打印頭混色裝置示意圖Fig.1 Sketch of 3D Printing Device for Color Mixture

整個(gè)裝置主要由加熱塊、固定塊、內(nèi)六角螺釘、喉管、噴嘴組成，如圖1所示。加熱塊通過兩根內(nèi)六角螺釘固定到固定塊上，加熱塊與固定塊之間保持一定的距離，防止加熱塊的溫度傳到固定塊，從而消除熱量對(duì)固定塊周圍零件的影響，喉管下端旋入加熱塊中，上端與固定塊無接觸，裸露在外的喉管有利于散熱，減少了喉管下端熱量的上傳，喉管旋入方向與加熱塊平面垂直，該設(shè)計(jì)有利于喉管的裝配，兩根喉管末端相通，由兩根喉管頂端進(jìn)入的固態(tài)耗材在到達(dá)末端時(shí)會(huì)變成液態(tài)，從而完成混合，最終從噴嘴被擠出。

該裝置的設(shè)計(jì)使打印噴頭一直處于工作狀態(tài)，不會(huì)再有閑置噴頭的現(xiàn)象發(fā)生，通過控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來分別控制兩種顏色耗材的進(jìn)料量，從而實(shí)現(xiàn)混色打印。這種方法不僅會(huì)實(shí)現(xiàn)混色的效果，也能提高打印件的精度。

3.置的溫度場(chǎng)分析及試驗(yàn)

該裝置的運(yùn)行主要與溫度場(chǎng)的分布有關(guān)，喉管底部的溫度要達(dá)到耗材的融化溫度，而耗材的送入是靠步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)擠進(jìn)喉管的，融化部分的耗材也是依靠喉管頂部的耗材的推動(dòng)而被擠出的，所以喉管上端的耗材要保持固態(tài)，使其向下具有一定的推動(dòng)力，這就要求喉管頂部不需要過高的溫度傳導(dǎo)上來，已有的3D打印機(jī)在加熱塊附近都有風(fēng)扇散熱，本裝置也采用風(fēng)扇進(jìn)行散熱。

3.1.度場(chǎng)模擬分析

運(yùn)用UG高級(jí)仿真結(jié)構(gòu)熱分析中的NLSCSH 153模塊對(duì)該裝置的加熱塊和喉管分別進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，為方便觀察裝置內(nèi)部的模擬分析結(jié)果，將加熱塊和喉管模型分別簡(jiǎn)化，如圖2、圖3所示。

將加熱塊模型建立仿真FEM，設(shè)置加熱塊的材料為Aluminum_2014，設(shè)置其物理屬性，并用四面體單元將其劃分網(wǎng)格，將加熱管孔作為熱約束對(duì)象，因?yàn)楸敬卧囼?yàn)選用PLA為試驗(yàn)材料，PLA的融化溫度約為190℃左右，考慮到熱傳遞過程中會(huì)有熱量損失，所以設(shè)置加熱管孔的溫度為195℃恒溫，選擇加熱塊的外表面為對(duì)流接觸表面，設(shè)置室溫為30℃，因?yàn)橥獠坑酗L(fēng)扇散熱，根據(jù)對(duì)流系數(shù)量級(jí)表設(shè)置對(duì)流系數(shù)為60W/m2·℃，利用NX NASTRAN求解器進(jìn)行求解。得到其溫度分布，如圖4所示。

圖4.熱塊熱分析圖Fig.4 Thermal Analysis of Hot Block

建立喉管模型的仿真FEM，設(shè)置喉管的材料為AISI_SS_304_Annealed，依照?qǐng)D4中喉管孔中的溫度分布設(shè)置喉管下端外螺紋部位為熱約束對(duì)象，設(shè)置溫度為恒溫193.5℃，室溫為30℃，對(duì)流系數(shù)為60W/m2·℃，利用NX NASTRAN求解器進(jìn)行求解。其溫度分布，如圖5所示。

圖5.管熱分析圖Fig.5 Thermal Analysis of the Throat

從圖4中可以看出，加熱塊內(nèi)腔高溫區(qū)主要集中在整個(gè)加熱塊的中下部，而這部分正是耗材融化混合的主要區(qū)域，這將有利于耗材的融化與擠出，從加熱塊的溫度分布可以得出加熱管孔位置布置合理；熱敏電阻孔內(nèi)溫度基本與加熱塊內(nèi)腔溫度一致，因此能很好的監(jiān)測(cè)到加熱塊內(nèi)腔溫度的變化。從圖5可以看出整個(gè)喉管有較大的溫度梯度，高溫區(qū)主要集中在退刀槽以下的喉管末端，而頂部的溫度則保持在較低的溫度梯度。

圖6.管內(nèi)腔溫度分布曲線圖Fig.6 Temperature Distribution Curve of the Throat

喉管內(nèi)腔溫度分布曲線，如圖6所示。該曲線的溫度路徑是從喉管底部開始至頂端結(jié)束，總距離即喉管的長(zhǎng)度，為26mm。結(jié)合喉管熱分析圖5可以得出，在喉管末端其內(nèi)腔溫度能達(dá)到190℃，該高溫區(qū)能很好的保證耗材的融化。從圖6中可以看出，在喉管退刀槽位置溫度明顯急劇下降，從距離喉管底部11mm處后有約長(zhǎng)15mm的內(nèi)腔溫度在100℃以下，頂端約有5mm處的內(nèi)腔溫度保持在65℃左右，這就很好的抑制了耗材在喉管上端融化的現(xiàn)象，使其在被輸入喉管一定時(shí)間內(nèi)保持固體狀態(tài)并能隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)順暢的輸送耗材，避免了耗材融化過早附著在喉管內(nèi)壁而被后續(xù)耗材擠壓堆積到喉管內(nèi)部的現(xiàn)象的發(fā)生，從而很好的保證了喉管內(nèi)部的順暢，使得打印工作能順利進(jìn)行。

3.2.驗(yàn)

該固定塊與閃鑄Creator3D打印機(jī)上的固定塊為同一規(guī)格，該裝置可直接裝配到Creator3D打印機(jī)上使用。按各零件圖加工出實(shí)體零件，將各零件裝配起來并接于閃鑄Creator3D打印機(jī)上，把加熱管跟熱敏電阻裝接到加熱塊上，將3D打印機(jī)通過USB接口連接到電腦上，通過控制軟件Repetier-Host給加熱塊加熱，當(dāng)溫度穩(wěn)定到設(shè)置溫度時(shí)，手動(dòng)將綠色和橙色兩種顏色的PLA耗材通過喉管送入加熱塊內(nèi)，測(cè)試混色效果。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)初步得出PLA在190℃時(shí)兩種顏色的耗材擠出順暢，這也驗(yàn)證了上述溫度場(chǎng)分析的可靠性，最終達(dá)到了預(yù)期的混色效果。

表3.動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果T a b.3R e s u l t so f Ma n u a l T e s t

4.論

傳統(tǒng)的桌面級(jí)3D打印機(jī)大部分是單進(jìn)料單擠出裝置，限制了多彩物體的打印。在分析了已有3D打印頭裝置的基礎(chǔ)上，運(yùn)用TRIZ理論設(shè)計(jì)出一種雙進(jìn)料單擠出3D打印頭裝置，并對(duì)裝置的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析及手動(dòng)試驗(yàn)，最終驗(yàn)證了該裝置可以實(shí)現(xiàn)兩種不同顏色耗材的混合打印，為多彩物體的打印提供了技術(shù)支持，也為后期的基于三基色的混色裝置甚至更多顏色耗材混合裝置的研發(fā)提供了可行性依據(jù)。該設(shè)計(jì)節(jié)省了產(chǎn)品后期上色加工的時(shí)間，提高了工作效率，豐富了3D打印應(yīng)用。

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Research of Fused Deposition Modeling 3D Printer for Color Mixture

HAN Shan-ling1， LI Zhi-yong1， XIAO Yu1， XU Xu2
（ 1.College of Transportation，Shandong University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266590，China；2.Qingdao 3E3D Technology Co.， Ltd.， Shandong Qingdao 266111， China）

Most of 3D printer can extrude one material with same color based on fused deposition modeling.To solve the problem，the head of 3D printing device was analyzed，and then innovative design of 3D printing device for color mixture was done based on TRIZ，and a kind of device with dual feed and single extrusion was designed.The materials of two colors was melted by the device and extruded from the same nozzle.The simulation of 3D printing device in the temperature was carried out by UG/FEM function module， the manual test was conducted finally， the correctness of analysis of temperature field was verified，and the requirement of color mixture was reached，and the theory basis was provided for further study.

Fused Deposition Modeling；3D Printer；TRIZ；Color Mixture；UG；Temperature Field

TH16；TG76.獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A.章編號(hào)：1001-3997（2015）11-0116-03

來稿日期：2015-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51375282）

韓善靈，（1972-），男，山東嘉祥人，博士研究生，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：材料成形工藝及模擬技術(shù)，3D打印技術(shù)