FDM彩色3D打印机系统设计与仿真_袁方敏.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 10 期 2023 年 10 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.10 Oct.2023 收稿日期:2023-05-22 基金项目:河南省科技攻关项目（192102210224）；教育部产学合作协同育人项目（22075563263810）；河南省教育科学规划课题（2023YB0386）作者简介:袁方敏（1988），女，河南郑州，硕士，讲师，主要研究方向为 3D 打印、设计理论和方法，。引文格式:袁方敏，杨丽琳，李伟.FDM 彩色 3D 打印机系统设计与仿真J.实验技术与管理,2023,40(10):172-177.Cite this article:YUAN F M,YANG L L,LI W.Design and simulation of FDM colorful 3D printer systemJ.Experimental Technology and Management,2023,40(10):172-177.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.10.026 FDM 彩色 3D 打印机系统设计与仿真 袁方敏，杨丽琳，李 伟（郑州工业应用技术学院 机电工程学院，河南 郑州 451100）摘 要：针对现有熔融沉积成型（FDM）彩色 3D 打印机混色不均匀、打印色彩不丰富、打印质量差等问题，该文提出一种集成 3 色搅拌混合打印喷头的 FDM 彩色 3D 打印机系统。首先，基于 FDM 彩色 3D 打印机的工作原理，将减法混色法与 FDM 技术有机结合；然后，分别设计 FDM 彩色 3D 打印机的三轴运动系统、集成温控模块的打印平台、混色打印喷头和打印机控制系统；最后，使用 Fluent 软件对混色打印喷头的搅拌挤料过程进行流体仿真分析。经验证，集成搅拌功能的混色打印喷头可有效实现 3 种颜色材料按设定比例搅拌生成新颜色材料并挤出打印。关键词：彩色 3D 打印；混色原理；混色打印喷头；Fluent 软件 中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)10-0172-06 Design and simulation of FDM colorful 3D printer system YUAN Fangmin,YANG Lilin,LI Wei(School of Mechanical and Electrical Engineering,Zhengzhou University of Industrial Technology,Zhengzhou 451100,China)Abstract:Aiming at the problems of existing fused deposition modeling(FDM)colorful 3D printers,such as uneven color mixing,poor color printing and poor printing quality,a kind of FDM colorful 3D printer system with 3 colorful mixing printer nozzle is proposed.Firstly,based on the working principle of FDM colorful 3D printer,the subtraction color mixing method is organically combined with FDM technology;Secondly,the three-axis motion system,the printing platform integrated with temperature control module,the colorful printer nozzle and the control system of the FDM colorful 3D printer are designed and studied in detail;Finally,the Fluent software is used to conduct fluid simulation analysis on the mixing and squeezing process of the colorful printer nozzle.It is proved that the colorful printer nozzle with integrated mixing function could effectively realize the mixing of three colorful materials,and generate new colorful material for extrusion printing.Key words:colorful 3D printing;color mixing principle;colorful printer nozzle;Fluent software 3D 打印技术起源于 20 世纪 80 年代，被视为第三次工业革命的代表性技术。该技术基于数字模型文件，利用不同形式的离散材料（如液体、粉末、熔丝等），通过打印机逐层累加的方式，制造具有任意形状和复杂功能的物体1-3。其中，熔融沉积成型（FDM）打印方式因低成本、易操作、耗材利用率高等特点被广泛应用于工业设计、医疗和教育行业。然而，传统 FDM打印机因成型方式和耗材特点，只能实现单色分层堆积成型，无法真正实现彩色 3D 打印，也无法满足更高的行业需求，因此对能够实现彩色 FDM 的打印技术及成型设备提出了更高的要求4。国内外对 FDM 彩色 3D 打印的研究丰富，如：文献5设计的红、黄、蓝三色 3D 打印机实现了颜色两两混合打印，但打印颜色比较单一；文献6研制了一款可使用两种不同颜色材料的 3D 打印机挤出装置；文献7研制了一种自带混合装置的打印喷头，但只能 袁方敏，等：FDM 彩色 3D 打印机系统设计与仿真 173 满足两种颜色的混合；文献8研制了一种多彩色多喷嘴 3D 打印机，采用一个喷嘴打印一种颜色的原材料方式，通过多喷嘴组合进行彩色 3D 打印，可实现工件不同部位单色拼接成型，但需多个喷嘴交替使用，结构复杂、控制繁琐；文献9开发了基于 STM32 的彩色 3D 打印机的控制系统，以 STM32F103ZET6 为控制器芯片，实现了三喷头彩色 3D 打印；文献10设计了一种 FDM 多色 3D 打印机，打印机采用并联传动原理及三进一出打印头装置，实现了分层多色打印。然而，目前基于 FDM 的彩色 3D 打印机仍然存在色彩量少、混色不均匀等问题，难以实现混色打印或彩色打印11-12。本文提出一种集成 3 色搅拌混合打印头的 FDM彩色3D打印机系统，打印机采用CMY减法混色方法，根据不同颜色需求，通过搅拌棒将 3 种颜色材料按照一定比例混合均匀，并使用 FDM 打印技术实现彩色打印。1 FDM 彩色 3D 打印原理 FDM 彩色 3D 打印是在 FDM 打印工艺的基础上，按照颜色需求调整 3 原色材料的挤出比例，并经熔融搅拌混合后挤出，实现彩色 3D 打印。1.1 FDM 原理 FDM 技术使用 ABS、PLA 和尼龙等线材作为打印材料。3D 打印机的送丝机构将材料送至打印喷头，高温加热使其达到或高于材料自身熔融温度，材料变为黏流状态后经喷嘴挤出，材料塑性变形迅速固化，通过逐层叠加堆积熔融材料即可制造物体。传统 FDM打印机主要由三轴移动平台、送丝机构、打印喷头、喷嘴和工作平台等组成，如图 1 所示。打印喷头可在X、Y 轴平面内运动，工作平台可在 Z 轴方向上运动，以实现打印喷头在三维空间内制造物件。图 1 FDM 方式 3D 打印机示意图 在模型打印时，首先在控制软件上切片处理打印模型，以便规划打印路径，并生成相应的 G-Code 文件控制打印喷头和工作平台的运动；打印机控制板会逐条解析 G-Code 文件代码，计算出运动速度和方向，并驱动三轴移动平台运动；打印喷头的加热模块将打印材料熔化，经送丝机构挤出，通过逐层堆叠，制作出与打印模型尺寸一致的三维实体。1.2 混色原理 本文选用的混色原理为减法混色法，选取青色（C）、品红（M）和黄色（Y）作为三原色，将三原色按照一定比例混合可形成不同的颜色。理论上，通过混合三原色可以合成任意颜色。该混色原理被广泛运用于印刷和绘画行业13-14。基于减法混色法，使用青色、品红和黄色作为三种基础打印耗材，通过混合不同比例的三种基础耗材配制全新颜色打印耗材，调节送丝机构转速控制每种基础耗材的挤料速度。在切片时，打印模型会自动生成所需的挤料速度，并按照设定比例分配给这 3 种基础耗材，通过控制 3 种基础耗材的挤出速度使总挤料速度和切片生成的挤料速度保持一致。3 种基础耗材进入打印头后，在高温熔融和搅拌作用下，混合成一种新颜色的材料，通过打印喷头挤出，最终实现彩色3D 打印。2 彩色 3D 打印机系统设计与研究 基于 FDM 原理和减法混色原理，本文设计了一种彩色 3D 打印机，整体结构如图 2 所示。该打印机系统主要由三轴运动系统、铝合金框架、混色打印喷头、集成温控模块的打印平台、电控系统和上位机控制系统（其中上位机控制系统集成在 PC 端）等组成。图 2 彩色 3D 打印机系统整体结构 2.1 三轴运动系统结构设计 彩色 3D 打印机的三轴运动系统结构如图 3 所示。三轴运动系统主要由 X 轴驱动电机、X 轴导向杆、X轴同步带、Y 轴驱动电机、Y 轴导向杆、Y 轴驱动杆、Y 轴辅助杆、Y 轴同步带、Z 轴驱动电机、Z 轴导向杆、Z 轴丝杆、连接件、轴承和轴承座等元件集成。其中驱动电机采用 42 步进电机，步距角为 1.8，采用脉冲控制方式，具有尺寸小、扭矩大、成本低等特点；X、Y 轴采用齿形同步带，可保证较高的传动精度，运行平稳，震动小；Z 轴丝杆的导程为 2 mm，定位精度达174 实 验 技 术 与 管 理 到 0.01 mm。三轴运动系统可实现打印喷头移动速度范围为 0100 mm/s，控制精度达 0.02 mm。图 3 三轴运动系统结构图 2.2 集成温控模块的打印平台设计 线材在打印时，挤出的高温熔融材料在打印平台上凝固成型。在凝固过程中，随着温度的降低会出现翘边、与打印平台分离等现象。此类问题可通过加热打印平台解决，使打印模型底部接触材料处于不完全凝固状态。本文设计的彩色 3D 打印机的打印平台集成了温控模块，该打印平台主要由铝合金型材支架、晶格玻璃平台、半导体制冷片、散热铝片和冷却风扇等组成，如图 4 所示。其中，半导体制冷片可实现晶格玻璃平台的加热功能。基于帕尔贴效应，对半导体制冷片直流供电，使半导体制冷片实现一面制冷，另一面制热，经模糊 PID 控制器闭环控制可实现温度控制精度达0.1，半导体制冷片的温度控制范围为5120。图 4 打印平台结构图 2.3 混色打印喷头结构设计 混色打印喷头是实现彩色 3D 打印的关键部件，其性能好坏直接决定了彩色 3D 打印的效果。混色打印喷头主要由送丝电机、减速机构、搅拌机构、夹紧机构、喷头固定板和熔融机构等组成，结构如图 5所示15。其中喷头固定板用于连接混色打印喷头与三轴移动系统，实现混色打印喷头在三维空间内的准确运动。图 5 混色打印喷头结构图 混色打印喷头的送丝机构主要用于实现打印过程中打印线材的挤料送丝功能。该机构采用脉冲控制方式的步进电机和齿轮组控制挤料速度，并能够调节打印线材的夹紧程度。混色打印喷头的送丝机构包括送丝电机、驱动小齿、减速大齿、轴承、张紧螺钉、张紧支架、张紧弹簧、张紧轴承和安装螺钉等，整体结构如图 6 所示。图 6 送丝机构结构图 送丝电机通过驱动小齿、减速大齿将转速和扭矩传递至送丝驱动轴，经齿轮组减速可将送丝驱动轴的转速降低 1/4，同时将驱动扭矩提升 4 倍，从而提高了送丝稳定性；送丝驱动轴与减速大齿固定在一起，通过轴承实现旋转动作；张紧轴承与送丝驱动轴协同工作实现打印线材的夹紧和送丝动作；可通过调整张紧螺钉和张紧弹簧的位置来调节打印线材的夹紧程度。混色打印喷头的搅拌机构主要用于实现熔融状态下的三色打印线材的搅拌混合，其混合效果直接影响彩色 3D 打印的最终效果。搅拌机构由搅拌电机、行星减速机、喷头固定板和搅拌棒组成，如图 7 所示。搅拌电机选用 20 步进电机，并采用脉冲控制方式，行星减速机的减速比为551，搅拌棒转速可以达120 r/min。图 7 混色打印喷头结构图 混色打印喷头的熔融机构是实现打印线材熔化和线材混合的部件，主要由加热棒、温度传感器、喉管、散热管、熔融金属块、喷嘴组成（图 7）。为保证熔融金属块的受热均匀，采用 2 个加热棒对称布置的方式，袁方敏，等：FDM 彩色 3D 打印机系统设计与仿真 175 使加热棒制热温度最高可达 300；温度传感器安装在熔融金属块的两个加热棒之间，3 组散热管和喉管成 120均布在熔融金属块上；打印线材通过送丝机构按照不同送丝速度沿喉管进入熔融金属块，经加热熔融后进入金属块的搅拌腔，在搅拌棒的旋转作用下混合均匀。2.4 控制系统设计 控制系统控制着整个彩色打印机的运行，可实现打印模型的路径规划、各打印层的混色控制、三轴运动平台的运动控制、打印平台和混色打印头的温度控制、混色打印喷头送丝机构和搅拌机构的运动控制。彩色 3D 打印机控制系统整体方案如图 8 所示。设计思路为：在上位机上对打印模型进行切片处理，确定混色打印喷头的打印路径规划；完成切片后设置各打印层的颜色，并设定打印平台和混色打印喷头的温度；上位机通过 USB 串口将生成的运动 G 代码、温度设定和颜色设定传输至主控制器；主控制器解析信息后将混色打印喷头的运动控制信息传输至运动控制器，将颜色设定信息传输至供料控制器，将温度设定信息传输至温度控制器；运动控制器通过解析G 代码确定各轴运动速度和移动距离，并通过驱动器控制 X、Y 和 Z 轴运动；根据设定的颜色，供料控制器将混色打印喷头的总送丝量按比例分配给 3 个送丝电机，并控制搅拌电机，实现打印材料的混合挤出；温度控制器根据打印平台和打印喷头的温度设定，通过温度闭环控制，实现不同的温度控制。图 8 彩色 3D 打印机控制系统整体方案 彩色 3D 打印机的上位机控制系统使用 Cura 软件在 Python 环境下进行二次开发，该控制系统除包含了Cura 软件自带切片功能之外，还添加了新开发的打印机操作、温度设定和颜色设定的功能，可实现打印模型切片、打印喷头原点校准、打印喷头手动移动控制、打印平台温度设定、混色打印喷头温度设定、各打印层颜色设定和其他辅助功能。上位机控制系统主要包含 3 个控制界面，分别是准备界面、预览界面和打印控制界面。上位机控制系统的打印控制界面主要包括 5 个模块。设置模块负责上位机与主控制器的通信，打印平台和混色打印喷头的温度控制，切片文件加载和打印进度显示。手动控制模块主要用于控制混色打印喷头在三维空间内的手动移动，可根据需要设置移动速度和移动距离。辅助功能模块则提供彩色 3D 打印机的辅助功能，如照明、急停和数据存储等。混色模块是彩色 3D 打印控制系统的核心功能，主要用于设置打印模型的颜色。按打印层数对打印模型分段，每段使用 CMY 色值设置所需的颜色，3 个基础色的色值范围为 0100，每段需设置起始打印层和终止打印层，所有设置段的总层数须大于等于打印模型的总切片层数。在完成颜色设置后，点击设置保存按键，上位机会将颜色设置的参数传输至主控制器。打印监控模块实时监控打印过程。摄像头选用 Super Eyes 公司的产品，并将监控软件集成在上位机打印控制系统中。主控制器根据设置的颜色色值，按比例计算出三原色基础线材的挤出速度，三原色基础线材的速度比例之和为 1。主控制器通过 CAN 总线通信将速度指令传输至供料控制器，供料控制器会根据速度值发送驱动脉冲信号，驱动器控制步进电机挤料，实现彩色 3D打印。3 混色打印喷头仿真分析 为验证混色打印喷头的混色效果，在 SolidWorks软件中对打印喷头的流体容腔进行三维建模，包括搅拌容腔、3 个进料口和 1 个出料口，如图 9 所示。随后，在 Fluent 软件中进行打印喷头的网格划分、流体参数设置、搅拌速度设置和流体运动仿真，以研究打印喷头的混色效果。图 9 打印喷头流体容腔 3.1 参数化设置 本文对熔融态 ABS 材料的搅拌过程进行仿真分析，ABS 线材在 250 时处于熔融态，可视为非牛顿流体，且熔融态的 ABS 材料物理性质不再随温度变化16。不考虑 ABS 材料在流动过程中的能量损失和体积压176 实 验 技 术 与 管 理 缩，并假定接触壁面为无滑移壁面。仿真模型的 3 个进料口分别设置 3 种不同颜色熔融态 ABS 材料，并假定 3 种 ABS 材料之间不会发生相互渗透，选择多相流中 VOF 模型进行流体运动仿真。仿真模型参数设置如表 1 所示。表 1 仿真模型参数设置 参数名称 参数指标 进料速度/(mms1)0.02 熔融态密度/(kgm3)1 050 熔融态黏度/(Pas)1 200 搅拌棒速度/(rmin1)300 压力出口/Pa 0 Fluent 仿真过程设置为瞬态计算过程，使用耦合显示算法（coupled explicict solver，CES），采用标准初始化并选择 all zones，初始值将空气体积分数设定为 1。3.2 仿真分析 对混色打印喷头挤料过程仿真分析，三种不同颜色材料进口处的压力最大且相等，达 5.05106 Pa，出口处的压力最小，为 4.05106 Pa。整个搅拌容腔内的压力均匀变化。图 10 为搅拌容腔内的 3 种不同颜色 ABS 熔融材料的速度矢量图，从图中可知 3 种不同颜色 ABS 熔融材料在打印喷头出口中间位置的速度最大，达 0.115 m/s，打印喷头边缘处速度最低约 0.000 146 m/s。此外，这3 种不同颜色 ABS 熔融材料在搅拌容腔内混合，速度既有竖直向下的分量，也有沿搅拌棒运动方向的分量，在打印喷头出口处，速度方向为竖直向下。图 10 ABS 材料速度矢量图 由仿真结果可知，3 种不同颜色材料在出口处的流量分别为 4.66105、4.36105、4.35105 kg/s。由此可知，3 种不同颜色材料在打印喷头搅拌棒的作用能够有效混合，每一相约占总体积的 1/3。对 3 种不同颜色熔融 ABS 材料的搅拌过程仿真分析后发现，熔融态 ABS 材料能够有效混合，各相在挤出时的体积分数和进料时的体积分数基本一致，验证了集成搅拌功能的打印喷头能够实现 3 种不同颜色材料按照一定比例进行混色打印。4 结语 本文提出一种集成 3 色搅拌混合打印喷头的 FDM彩色 3D 打印机系统，并对组成打印机系统的各功能模块和控制系统进行了详细设计说明。对混色打印喷头的搅拌挤料过程进行了流体仿真分析，经仿真验证：集成搅拌功能的混色打印喷头可实现 3 种颜色材料按照设定比例进行搅拌，并将生成新颜色材料进行挤出打印，有效解决了现有 FDM 彩色 3D 打印机存在的色彩量少、混色不均匀、打印质量差等问题。参考文献(References)1 韩善灵，李志勇，肖宇，等.熔融沉积成型 3D 打印机混色装置的研究J.机械设计与制造，2015(11):116118,122.HAN S L,LI Z Y,XIAO Y,el al.Research of fused deposition modeling 3D printer for color mixtureJ.Machinery Design&Manufacture,2015(11):116118,122.2 帕提古丽艾合麦提，乌日开西艾依提，艾尔肯亥木都拉.挤出式 FDM 3D 打印喷头的优化设计J.机械设计与制造，2021(1):232235.AIHEMAITI P,AIYITI W,HAIMUDULA A.Optimal design of extruded FDM 3D printing nozzleJ.Machinery Design&Manufacture,2021(1):232235.3 黄子帆，马跃龙，李俊美，等.熔融沉积成型彩色 3D 打印机的研究J.机床与液压，2017,45(4):2125.HUANG Z F,MA Y L,LI J M,el al.Research of colorful 3D printer fused deposition modelingJ.Machine Tool&Hydraulics,2017,45(4):2125.4 郑喜贵，黄子帆，李俊美，等.FDM 彩色 3D 打印机控制系统的研究J.现代制造工程，2017(12):6670,77.ZHENG X G,HUANG Z F,LI J M,el 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