馮興瀚

（廣西機電技師學(xué)院 廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著科技與制造業(yè)的不斷發(fā)展，3D 打印技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，然而，目前多色3D 打印技術(shù)在打印效率、精度及成型件顏色單一等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)。 基于此，本文提出一種新型多色3D 打印機結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案通過優(yōu)化打印機結(jié)構(gòu)、改進控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效、高精度的多色打印，為多色3D打印技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展提供新的方法與思路，對于降低制造成本與推動制造業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 多色3D 打印機結(jié)構(gòu)

1.1 絲料換絲結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的多色3D 打印機結(jié)構(gòu)主要由太陽輪與三個行星齒輪組成，中心太陽輪位于步進電機的軸上，并與三個行星齒輪相嚙合。 這種設(shè)計可以有效地將步進電機的動力傳遞到使絲料向下運動的送料機，從而實現(xiàn)高效和高精度打印。 絲料換絲結(jié)構(gòu)作為多色3D 打印機的核心部件，包括兩副齒輪傳動系統(tǒng)。 其中，直齒輪用于傳遞步進電機動力至行星齒輪，當步進電機轉(zhuǎn)動時，太陽輪帶著三個行星齒輪一起轉(zhuǎn)動，在每個行星齒輪徑向設(shè)置凹槽，將其與支撐頂桿的凸槽相嚙合，該設(shè)計可以有效保證行星齒輪精準地將動力傳遞到頂桿軸。

而錐齒輪的主要作用是將頂桿軸旋轉(zhuǎn)運動傳遞給送料機，主動錐齒輪位于支撐頂桿軸下端端面，同時還有三個絲料進料機與三個主動錐齒輪相對應(yīng)。 其中，三臺絲料進料機呈環(huán)形布局，且每個絲料送料機借助一個從動錐齒輪與對應(yīng)的主動錐齒輪相嚙合［1］。 多色絲料換絲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多色絲料換絲結(jié)構(gòu)圖

與此同時，在支撐頂桿的上方裝置一個凸輪盤，其轉(zhuǎn)軸與行星齒輪的轉(zhuǎn)軸平行，并在凸輪盤面向頂桿的一側(cè)設(shè)計一個凸起，當直流電機帶動凸輪盤旋轉(zhuǎn)時，凸起能夠施壓對應(yīng)頂桿的受壓面。 在頂桿軸與行星輪之間建立聯(lián)軸器，使行星齒輪能夠?qū)⑵湫D(zhuǎn)運動傳遞到頂桿軸。 伴隨凸輪盤角度的變化，頂桿軸轉(zhuǎn)動帶著下方錐齒輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動絲料送料機將絲料推入到熱端。 此外，另兩個行星齒輪圍繞自身軸自由轉(zhuǎn)動，而不進行傳遞運動。 當某種絲料打印完成后，凸輪盤會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，此時頂桿受壓面上壓力被撤開，受彈簧回彈力作用進行回彈，頂桿上凸槽不再嵌入對應(yīng)的凹槽空間，使行星齒輪與支撐頂桿軸之間的連接斷開，由于兩者無法建立連接，行星齒輪自由旋轉(zhuǎn)，不能將太陽輪的動力傳遞給絲料送料機，由此絲料送料機的絲料不會被送出。

接著，凸輪盤根據(jù)程序又轉(zhuǎn)過一定角度時，需要下壓另一種顏色絲料的頂桿，從而使另一種顏色的絲料被擠出并送入打印頭，利用程序來控制直流電機轉(zhuǎn)過的角度，可以使不同顏色絲料準確轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)一個步進電機完成多種顏色絲料的轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)多色打?。?］。 這種多色3D 打印機的設(shè)計與結(jié)構(gòu)能夠顯著提升打印效率和精度，為多色3D 打印技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展提供新的方向與思路。

1.2 相關(guān)齒輪計算與設(shè)計

完成絲料換絲結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進一步設(shè)定一些關(guān)鍵的參數(shù)。 具體設(shè)計如下：

（1）傳動比。 該參數(shù)描述太陽輪與行星齒輪之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系，由于太陽輪與行星齒輪將以相同的速度旋轉(zhuǎn)，因此，傳動比設(shè)為1。

（2）模數(shù)。 該參數(shù)決定著齒輪的尺寸與承載能力，被設(shè)為2，在此基礎(chǔ)上能夠計算出其他相關(guān)的尺寸，如齒寬、齒根圓直徑、齒頂圓直徑等。

（3）齒頂圓直徑和齒根圓直徑。 這兩個參數(shù)描述的是齒輪尺寸。

（4）齒寬。 該參數(shù)描述齒輪在垂直于其軸線方向上的尺寸，被設(shè)為15 mm，此外也可以按照實際需要靈活調(diào)整以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

（5）分度圓直徑。 該參數(shù)是根據(jù)齒數(shù)與模數(shù)計算得來的，其對于明確齒輪的尺寸和轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。

（6）壓力角。 該參數(shù)描述齒輪在接觸點上的受力情況，此處被設(shè)為20°，從而能夠計算出齒輪的接觸強度與彎曲強度［3］。 太陽輪與行星齒輪參數(shù)表如表1 所示。

表1 太陽輪與行星齒輪參數(shù)表

1.3 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴頭結(jié)構(gòu)是多色3D 打印機的關(guān)鍵組成部分，一個好的噴頭結(jié)構(gòu)能夠確保絲料順暢輸送，并保證在需要的時候精準無誤地擠出。 接下來從進料管、輸料管、加熱管、散熱器、熱敏電阻及噴嘴等重要部件詳細介紹設(shè)計要點：

（1）進料管。 進料管主要負責輸送絲料，設(shè)計時需要考慮到絲料的壓力、黏度及種類等因素，以保證保絲料可以順暢進入加熱管。

（2）輸料管。 輸料管負責將熔融絲料輸送到噴嘴，由此輸料管需要有充足的壓力和流量，從而實現(xiàn)絲料的穩(wěn)定輸送。

（3）加熱管。 加熱管用于加熱和熔融絲料，實際設(shè)計過程中需要考慮加熱管的直徑、長度及加熱溫度等因素，合適的加熱長度與直徑能夠確保絲料充分熔融，而適宜的加熱溫度能夠避免絲料的分解或燒焦。

（4）散熱器。 散熱器用于將加熱管中的熱量散失，以避免熔融絲料回流至輸料管，從而造成堵塞，因此需要選用恰當?shù)纳崞鹘Y(jié)構(gòu)與材料，以提高散熱效率。

（5）熱敏電阻。 主要作用是檢測加熱管的溫度，需要實時監(jiān)測加熱管的溫度，從而實現(xiàn)溫度的精準控制，有效避免因溫度過低或過高而影響絲料的熔融效果。

（6）噴嘴。 噴嘴作為噴頭關(guān)鍵的部件之一，直接決定絲料的噴出效果。 設(shè)計噴嘴需要考慮噴嘴的長度、直徑及噴嘴口的形狀等因素，恰當?shù)膰娮熘睆脚c長度能夠保障絲料擠出的精確性與穩(wěn)定性，而適宜的噴嘴口形狀能夠有效控制絲料的噴射形狀與方向。

本文設(shè)計的“三進一出”噴頭主要由加熱管、喉管、噴頭、散熱器及熱敏電阻組成，在一定的溫度范圍（180 ～210 ℃），三種不同顏色的絲料經(jīng)過進料管與輸料管被送入加熱管太陽熱熔融，伴隨熔融絲料的推移，液態(tài)絲料從噴嘴被擠出［4］。 為有效避免熔融絲料流回至輸料管導(dǎo)致阻塞，增加風(fēng)扇的同時需在輸料管外部裝置有較大面積的散熱片，以保證散熱及時且充分。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

設(shè)計新型多色3D 打印機結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)時，設(shè)計硬件電路至關(guān)重要，主要包括電源電路設(shè)計、控制電路設(shè)計、加熱電路設(shè)計、運動控制電路設(shè)計及料管與噴嘴設(shè)計等。 在電源電路方面，為確保3D 打印機的可靠穩(wěn)定工作，需要為其配備可靠的電源，并設(shè)計相關(guān)電源電路，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，從而為各分部提供必要的電壓。 在控制電路方面，為實現(xiàn)3D 打印機的高效精準控制，需要設(shè)計合適的控制電路，該電路主要包括通信接口、輸入輸出接口及微處理器，其中微處理器作為控制電路的核心，負責接收輸入接口的控制信號，同時按照預(yù)設(shè)程序來精準控制3D 打印機。

在加熱電路方面，由于多色3D 打印機需要綜合運用多個加熱元件，因此需要設(shè)計專門的加熱電路。 該電路主要包括控制電路、溫度傳感器、加熱元件等組成部分，其中溫度傳感器的主要作用是檢測溫度，而控制電路負責控制加熱元件的功率，從而達到精準控制溫度的目的。 在運動控制電路方面，3D 打印機的運動控制電路主要包括X軸、Y軸、Z軸三個方向的控制系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)均由一個驅(qū)動器與一個步進電機組成，驅(qū)動器用于接收來自控制電路的信號，從而控制步進電機的運動，進而達到控制打印頭的位置。 在料管與噴嘴方面，料管與噴嘴作為3D 打印機的重要部件，直接影響打印的速度與質(zhì)量，其中料管用于輸送塑料絲，而噴嘴用于將塑料絲熔化，而后將其噴射到打印平臺上［5］。 實際設(shè)計噴嘴過程中需要綜合考慮材料的熔點、特性及噴射的穩(wěn)定性等因素。

2.2 軟件程序設(shè)計

除了上述的硬件電路設(shè)計，還需要對軟件程序進行設(shè)計。 設(shè)計合理的軟件程序旨在實現(xiàn)3D 打印機的自動化與智能化控制，重點考慮以下幾個方面：

（1） 幾何代碼（geometric code， G?code） 解析器。G?code 是一種3D 打印機通用的控制語言，主要描述打印物體的打印路徑及幾何形狀等關(guān)鍵信息。 由此，設(shè)計軟件程序需要實現(xiàn)一個G?code 解析器，并將G?code 指令解析為能夠被3D 打印機理解與執(zhí)行的命令。

（2）參數(shù)設(shè)置。 其作為控制系統(tǒng)軟件的核心組成部分，能夠根據(jù)實際需求與打印物體的特性來設(shè)置各種關(guān)鍵參數(shù)，如填充密度、層高及打印速度等，這些參數(shù)會直接影響打印的質(zhì)量與時間。

（3）數(shù)據(jù)處理。 打印過程中需要處理大量的數(shù)據(jù)，如切片三維模型、計算填充路徑等，處理過程會耗費大量的計算資源，因此本文整合高效的數(shù)據(jù)處理算法與優(yōu)化技術(shù)，來提高數(shù)據(jù)處理的精度與速度。

（4）通信接口。 由于控制系統(tǒng)軟件需要經(jīng)常與外部設(shè)備進行通信，如串口、通用串行總線等，因此需要準確相關(guān)通信接口程序，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制信號的接收。

（5）安全保護。 為有效保證3D 打印機的穩(wěn)定與可靠運行，還需要設(shè)計一定的安全保護程序，例如，在溫度過低或過高時，程序能夠自動切斷電源；當打印過程中發(fā)生異常現(xiàn)象時，需要自動停止打印。 安全保護措施需要寫進軟件程序中。

控制程序的主要流程為：首先使用三維建模軟件設(shè)計出需要打印的模型，并將模型保存立體三角面片（stereolithography，STL）格式文件；其次將STL 文件導(dǎo)入至康寧快速成型軟件（CURA）切片軟件中完成切片，得到一般的G?code 文件，由于該代碼文件不包含顏色信息，因此需要利用G?code 后處理軟件完成后處理。 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

具體來說， 后處理流程是在馬林固件（marlin firmware，Marlin）代碼中增加一個子程序，使Marlin 代碼能夠準確識別出T 指令。 當打印機讀取到T 指令以及后面的數(shù)字時，微處理器要停止運行其他任務(wù)，并確定下一步將打印哪種顏色的絲料，接著微處理器會給直流電機發(fā)送信號，此時直流電機會帶動凸輪盤旋轉(zhuǎn)至目標色料頂桿上，并將頂桿壓下。 上述操作完成后，控制器會繼續(xù)讀取G 代碼指令。

通過上述操作與流程，控制系統(tǒng)能夠精準執(zhí)行帶有顏色信息的G?code 文件，從而高效、精準打印不同顏色的模型。 3D 打印過程中，不同顏色選擇程序至關(guān)重要。 不同顏色選擇程序流程圖如圖3 所示。

圖3 不同顏色選擇程序流程圖

打印之前，需要檢查整個系統(tǒng)處于正確的位置，才可以繼續(xù)后續(xù)的操作。 不同顏色選擇流程具體描述如下：首先，程序開始運行，進入主循環(huán)，保存當前位置，并停止所有運動，防止位置偏移；其次，從輸入的G?code 指令中，檢查是否含有字符T，同時解析其后面跟隨的數(shù)字，該數(shù)字代表不同顏色的絲料；再次，按照字符T 后面的數(shù)字，控制直流電機旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度，從而使凸輪盤選擇對應(yīng)的顏色絲料；從次，在選擇完絲料后，繼續(xù)開始讀取G?code 指令，同時控制打印機完成相應(yīng)的操作；最后，完成當前指令的執(zhí)行后，進入下一個循環(huán)，重新開始讀取G?code 指令，直到滿足預(yù)設(shè)的結(jié)束條件或是遇到結(jié)束指令結(jié)束程序。

2.3 其他核心模塊設(shè)計

除了硬件電路與軟件程序，還需要重點關(guān)注打印控制模塊、運動控制模塊及材料供給控制模塊等核心模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。 其中，打印控制模塊用于接收用戶輸入的打印指令，并將指令轉(zhuǎn)化成具體的打印參數(shù)，該模塊需要具有良好的人機交互界面，以方便用戶簡單操作和設(shè)置。 此外，該模塊還需要實現(xiàn)與其他模塊進行通信，從而實現(xiàn)全面打印控制功能；運動控制模塊作為新型多色3D 打印機中的重要模塊之一，主要負責控制工作臺與打印頭的精確運動，從而實現(xiàn)復(fù)雜的打印形狀與路徑，該模塊需要具有高精度、高速的運動控制能力，并需要考慮平滑運動與動態(tài)響應(yīng)等問題；材料供給控制模塊用于控制打印材料的調(diào)節(jié)與供給，能夠按照打印需求來準確控制材料的溫度與流量，從而確保打印質(zhì)量與可靠性。 通過設(shè)計和實現(xiàn)上述模塊，本文設(shè)計的新型多色3D 打印機可以更好地符合用戶的需求，從而提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的多色3D 打印服務(wù)。

3 結(jié)語

綜上所述，本文深入研究并設(shè)計了一種新型多色3D打印機結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化3D 打印機，并改進控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了單噴嘴彩色絲料的擠出打印成型，顯著提高打印效率及精度，有效拓展3D 打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。該新型多色3D 打印機在很多領(lǐng)域行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，如藝術(shù)、建筑或航空航天等，然而，多色3D 打印技術(shù)仍存在諸多潛在挑戰(zhàn)，如打印速度、材料性能等，未來將持續(xù)優(yōu)化和改進打印材料、控制系統(tǒng)等，以進一步推動多色3D 打印技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。