(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300)

彩色3D FDM打印關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)

劉偉

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300)

針對彩色3D FDM打印關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，從研究現(xiàn)狀、成形精度和存在問題等方面進行探討，著重對多噴頭聯(lián)動控制、掃描路徑規(guī)劃、工藝參數(shù)優(yōu)化、表面精度提高、內(nèi)部質(zhì)量等方面進行探索，致力于開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的彩色3D FDM打印快速成形設(shè)備。

彩色3D打??；增材制造；關(guān)鍵技術(shù)；FDM。

0 引言

3D打印增材制造（Additive Manufacturing AM）技術(shù)是一種基于離散-堆積原理制造，通過計算機控制，把3D CAD模型進行切片處理，得到層面輪廓數(shù)據(jù)信息，然后由層面數(shù)據(jù)進行逐層增材成形，最終得到三維實體零件的一種AM技術(shù)[1]。AM技術(shù)已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、生物、日常生活等方面有廣泛應(yīng)用[2-3]。

1 3D打印技術(shù)類型

目前主流的3D打印技術(shù)[4]有很多種，其中以激光為熱源，用來制作樹脂件的是光固化成型（Stero-lithography Apparatus，SLA）技術(shù)；用來成形金屬件主要有疊層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）技術(shù)，選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintered，SLS），以及選擇性激光熔化（Selective Laser Melted，SLM）等；而采用其它方式為熱源的還有熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)技術(shù)，3D打印(Three Dimensional Printing，3DP )技術(shù)、沖擊微粒制造(Ballistic particle Manufacturing，BPM )以及實體磨削固化(Solid Ground Curing，SGC)等。熔融沉積制造FDM技術(shù)同SLA，SLS和 LOM快速成形技術(shù)相比，采用加熱鋁塊為熱源，因此具有設(shè)備價格低、運行和維護成本低等優(yōu)點。而彩色3D FDM增材制造技術(shù)具有成形材料種類多，配置多噴頭可以實現(xiàn)彩色打印等優(yōu)勢，簡易打印裝置如圖1所示，打印零件如圖2所示。該技術(shù)操作簡單、成形速度快、制件精度高、成形過程無污染，適合辦公室環(huán)境使用[5-8]。

圖1 彩色3D打印裝置

圖2 彩色3D打印零件

2 彩色3D 打印熔融沉積（FDM）技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）成形環(huán)境好。由于設(shè)備在成形過程中沒有噪聲以及化學(xué)污染，而且設(shè)備體積體積小，可以實現(xiàn)桌面打印，即用即打，很適合家庭及辦公室使用。

（2）設(shè)備操作簡單。隨著計算機的越來越快發(fā)展，只要用三維的軟件設(shè)計好成形零件，按照程序軟件設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，就可以實現(xiàn)打印，因此對操作人員要求越來越低，基本采用“一鍵式”操作。

（3）成形材料及成形設(shè)備價格低廉。成形設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成形材料原來越好獲取，因此用戶大大擴大，中小型企業(yè)甚至家庭都可以承擔(dān)。

（4）多噴頭可以實現(xiàn)打印效率的成倍增長。為了提高打印的效率，可以同時采用多個噴頭，分別使用不同的顏色，實現(xiàn)彩色打印。而且制件的表面精度和內(nèi)部質(zhì)量不斷提高，不僅可以用于外觀驗證、裝配及功能測試，可以當做功能件直接使用。

綜上所述，彩色3D FDM打印技術(shù)已經(jīng)被公認為增材制造領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用面最廣的技術(shù)之一。但是目前大多還停留在單色打?。▎紊慵ㄈ鐖D3所示）），隨著人們需求的增加，彩色3D打印技術(shù)將具有良好的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景，而其對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)也將成為重點研究方向[9-16]。

圖3 彩色打印裝配零件

圖4 彩色3D FDM 打印原理

3 彩色3D 打印熔融沉積（FDM）技術(shù)擬解決的關(guān)鍵問題

基于3D打印增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及我國目前發(fā)展的趨勢，本文主要針對彩色3D FDM技術(shù)的發(fā)展趨勢以及關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了多個打印頭按需打印不同顏色的材料（如圖4所示)，通過對熔融沉積固化機理等的研究，致力于開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的經(jīng)濟型彩色3D打印增材制造設(shè)備，具體解決的關(guān)鍵問題如下[17-18]:

（1）對不同材料打印頭的工作特性進行分析，為熔融沉積打印設(shè)備打印噴頭的選型提供依據(jù)。

（2）打印過程中，各個參數(shù)的匹配及優(yōu)化。在成形過程中，應(yīng)使各個參數(shù)協(xié)調(diào)一致且參數(shù)達到最優(yōu)匹配，為開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)新型彩色3D打印增材制造設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

（3）不同顏色樹脂的固化和熔合。這就需要了解不同材料的固化原理，固化時間以及成形參數(shù)。對這些影響因素的研究能解決好設(shè)備工藝設(shè)計問題；同時研究不同材料沉積時，影響穩(wěn)定性的各種因素，為提高成形精度和噴頭使用壽命，降低成形成本提供依據(jù)。

其中關(guān)鍵技術(shù)為：

（1）多噴頭的聯(lián)動控制。成形制件采用不同的材料，就必須需要多個噴頭，一個噴頭擠出一種材料，這就需要多個噴頭的運動控制以及對不同材料打印頭的工作特性進行分析，為熔融沉積打印設(shè)備打印噴頭的選型提供依據(jù)。

（2）不同材料的融合、鋪展等的特性。對不同材料在成形面上的沉積、鋪展和再融合過程進行理論分析與研究，為彩色3D打印設(shè)備中打印分辨率的確定提供理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

通過對彩色3D FDM打印技術(shù)的發(fā)展趨勢以及擬解決的關(guān)鍵問題進行剖析，旨在開發(fā)一種低成本、經(jīng)濟型的3D快速成形設(shè)備。開展這方面的工作對于發(fā)展我國的3D打印技術(shù)，開發(fā)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的三維打印系統(tǒng)，以先進的功能、低的系統(tǒng)成本，擴大快速成形技術(shù)在我國制造業(yè)中的應(yīng)用，提高我國制造業(yè)在國際上的競爭力具有重要意義，同時也將打破國外廠商在此行業(yè)的壟斷地位。

[1] 王運贛.快速成型技術(shù).華中理工大學(xué)出版社，1999.9.

[2] 賈振元，鄒國林，郭東明,等.FDM工藝出絲模型及補償方法的研究[J].中國機械工程，2002,13 (23 ) : 1997-2000.

[3] L Li, Q Sun; C Bellehumeur; P GU. Composite modeling and analysis for fabrication of FDM prototypes with locall[J].Journal ofManufacturing Processes, 2002, 4(2), 129-141.

[4] John DeGaspari. High-strength prototypes[J].Mechanical Engineering,2003,125(9): 28-30.

[5] Weihong Zhong, Fan Li et al. Short fiber reinforced com posites for fused deposition modeling[J]. Materials Sc ience and Engineering, 2001,301(2):125-130.

[6] 成型材料及耗材.http: //www.tiertime. Com/Material. htm1 ,2005.

[7] 張波.聚合物材料在快速原型制造技術(shù)中的應(yīng)用[J].金屬成形工藝，2004.O1.

[8] 鄒國林，郭東明，賈振元,等.熔融沉積制造工藝參數(shù)的優(yōu)化[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2002，42 (4): 446-450.

[9] 仲偉虹,李凡,張佐光,等. 適于快速成型制造工藝的短纖維增強復(fù)合材料研究[J]. 復(fù)合材料學(xué)報,2000（4）:43-47.

[10] 李湘生,等.熔絲沉積的控制參數(shù)和材料選擇[J].制造技術(shù)與機床，2000(7).

[11] Joe Hiemenz. Engineering plastics f or functional prototypes[J]. Advanced Materials& Processes, 2003,161(1): 54-55.

[12] Gray R W, Bair d DG, Bohn J H . Effects of processing conditions on short TLCP fiber reinforced FDM parts[ J] .Rapid Prototyp J, 1998, 41: 14～ 25.

[13] Karalekas D E. Study of the m echanical properties of nonwoven fibremat reinforced photopolymers used in rapid prototyping [ J] . Materials & Design, 2003, 24( 8) : 665～ 670.

[14] Masood S H, Song W Q. Development of new metal/ polymer materials for rapid tooling us ing fused deposition modeling [ J] . Materials & Design, 2004, 25( 7) : 587～ 594.

[15] 徐健, 顏永年, 盧偉, 等.快速成形技術(shù)的發(fā)展方向[ J]. 航空制造技術(shù), 2002,11: 5-27.

[16] 黃樹槐, 肖躍加, 莫健華,等. 快速成形技術(shù)的展望[ J].中國機械工程, 2000,11( 2) : 195-200.

[17] 吳任東, 顏永年. 基于冰模的熔模鑄造工藝研究[ J].鑄造, 2003, 52( 11): 1074-1077.

[18] 吳任東, 魏大中, 顏永年, 等. 基于快速成形的低溫冰型制造技術(shù)研究[ J] . 低溫工程,2003,(4) : 36-42.

[19] 劉偉.3D打印熔滴沉積與傳統(tǒng)制造相結(jié)合技術(shù)發(fā)展前景[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2014(3).

[20] 李素麗,劉偉,趙峰 .4D打印—未來技術(shù)的先鋒[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2015(6).

The key basic technology of color 3D FDM

LIU Wei
(Shaanxi institute of technology，Xi′an 710300,Shaanxi,China)

This article key basic technology for color 3D FDM print, from the current research status and forming precision and existing problems of research, much of nozzle linkage control, scanning path planning, process parameter optimization, surface accuracy and exploration on the aspects such as internal quality, committed to the development with independent intellectual property rights of color 3D FDM rapid prototyping equipment.

color 3d printing; additive manufacturing; key technology; FDM.

TG249；

A；

1006-9658（201 6）04-001 5-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.003

;陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題—4D打印成型創(chuàng)新技術(shù)探索（Gfy 15-09）

2016-01-06

稿件編號:1601-1186

劉偉（1982—）男，講師，主要研究3D打印及機械制造.