0 引言

    自美國(guó)麻省理工學(xué)院的SACHS E等人^[1]提出3D打印技術(shù)之后，3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外便開(kāi)始了快速的發(fā)展^[2，3]。3D打印技術(shù)也叫增材制造技術(shù)(Additive Manu-facturing，AM)，其種類(lèi)包括立體光刻成形(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、選擇性激光燒結(jié)成形(Selective Laser Sintering，SLS)、疊層實(shí)體制造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。熔絲沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是眾多3D打印技術(shù)中的一種，最初這種三維制造技術(shù)是在20 世紀(jì) 90 年代由美國(guó)人Scott Crump研制成功，由于該技術(shù)復(fù)雜性低、成本低廉、軟件開(kāi)源、易于推廣等^[4]特點(diǎn)受到眾多企業(yè)和個(gè)人的喜愛(ài)，主要適用于家用電器、辦公用品以及模具行業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，另外還被廣泛用于醫(yī)療、大地測(cè)量、考古、玩具等基于數(shù)字成像技術(shù)的三維實(shí)體模型制造。

    FDM技術(shù)采用PLA、ABS等材料作為成型材料，由于材料強(qiáng)度的限制，主要應(yīng)用于展示模型設(shè)計(jì)、創(chuàng)意制作^[5]。也有部分科技工作者將該技術(shù)進(jìn)行變型，使用巧克力、面粉漿等材料進(jìn)行食品打印^[6]。FDM類(lèi)型的3D打印機(jī)以這種“親民”的形式可以更多地在民眾生活中出現(xiàn)，作為大眾可以消費(fèi)的電子產(chǎn)品。但是FDM打印技術(shù)存在著無(wú)法打印彩色模型的劣勢(shì)，只能打印單色材料，這極大地限制了FDM技術(shù)的發(fā)展。不少學(xué)者也提出了雙噴頭、多噴頭的打印機(jī)結(jié)構(gòu)，雖然可以打印兩種或者多種顏色，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了模型對(duì)于漸變顏色這種復(fù)雜顏色模型的需要。為此本文提出了一種FDM類(lèi)型的彩色3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，可以有效解決當(dāng)前FDM類(lèi)型3D打印模型顏色單一的問(wèn)題。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣組成

    要實(shí)現(xiàn)彩色3D打印，就要對(duì)原始的FDM類(lèi)型3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)彩色打印的需求。本文對(duì)開(kāi)源的3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造和設(shè)計(jì)，并且重新設(shè)計(jì)了控制部分的電氣組成。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

    本文彩色3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用Ultimaker結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的噴頭通過(guò)十字交叉的光軸進(jìn)行固定，可以在保證打印質(zhì)量的前提下減輕運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載，從而提高速度。

    Ultimaker結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彩色打印需要對(duì)噴頭進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)多進(jìn)一出，并且保證材料能充分混合。Richard Horne設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)混合3種打印材料的打印頭，實(shí)現(xiàn)了3種顏色的混合效果；丹麥的研究者也設(shè)計(jì)出了一款混合噴頭diamond hotend，本文所采用的也是這一款打印噴頭。噴頭通過(guò)3個(gè)進(jìn)料口將PLA材料送入噴頭，加熱融化在壓力的作用下混合通過(guò)0.4 mm的噴嘴擠出。為防止出現(xiàn)噴頭堵頭[7]的問(wèn)題，張自強(qiáng)[8]通過(guò)流體力學(xué)分析，以ABS為例得出打印過(guò)程需要保證噴頭部分維持240 ℃，而其他區(qū)域平均溫度要在67 ℃以下。在此基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)設(shè)置了內(nèi)外散熱風(fēng)扇，確保溫度滿(mǎn)足打印要求，最終設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 電氣組成

　　電氣部分主要包括主控部分和擴(kuò)展部分，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    為了獲得更快的處理速度，提高打印機(jī)的打印精度^[9]，主控制器選擇了基于Atmel SAM3X8E 32位CPU的Arduino Due主板，擴(kuò)展板選擇RAMP-FD，該擴(kuò)展板最多支持6路步進(jìn)電機(jī)，滿(mǎn)足了本設(shè)計(jì)的3個(gè)獨(dú)立擠出機(jī)的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)中采用遠(yuǎn)端送絲的擠出機(jī)結(jié)構(gòu)，為保證步進(jìn)電機(jī)足夠的功率輸出和精準(zhǔn)送絲，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用DVR8825模塊，該模塊具有32步細(xì)分，最大輸出電流2.2 A^[10]。

2 彩色打印運(yùn)動(dòng)控制與指令

2.1 運(yùn)動(dòng)控制算法

    3D打印機(jī)工作時(shí)需要同時(shí)控制X、Y、Z 3個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)，在打印時(shí)還需要控制E0、E1、E2 3個(gè)擠出機(jī)的步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的比例進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。由于需要同時(shí)協(xié)調(diào)6個(gè)通道的步進(jìn)電機(jī)，因此本文基于Bresenham直線算法^[11]改進(jìn)了一種運(yùn)動(dòng)控制算法，以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中打印，并且保證多種顏色的均勻混合。

    Bresenham直線算法是一種計(jì)算機(jī)繪制直線的控制算法，如圖3的坐標(biāo)系中，繪制A、B兩點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，每次繪制點(diǎn)的縱坐標(biāo)y所對(duì)應(yīng)的誤差記為ε，則該點(diǎn)縱坐標(biāo)數(shù)學(xué)真值為：y+ε(-0.5≤ε≤0.5)，從x移動(dòng)到x+1，則y軸方向增加k(k為直線斜率)。

    3D打印機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)距離是由步進(jìn)電機(jī)所接收的脈沖數(shù)決定，脈沖數(shù)與最終打印頭運(yùn)動(dòng)距離或者擠出的細(xì)絲長(zhǎng)度呈線性關(guān)系，S表示運(yùn)動(dòng)距離，K為變換系數(shù)，S_i為i軸接收的脈沖數(shù)。

    定義C_i為i軸的計(jì)數(shù)器，該取值分別為x、y、z、e0、e1、e2，算法的流程圖如圖4所示(虛線框內(nèi)部分由定時(shí)器中斷函數(shù)執(zhí)行)。

    利用S_max來(lái)判斷和記錄長(zhǎng)軸，保證每一輪長(zhǎng)軸都輸出脈沖信號(hào)，其他較短的軸根據(jù)判斷條件來(lái)確定是否輸出脈沖信號(hào)，整個(gè)判斷過(guò)程均由系統(tǒng)定時(shí)器觸發(fā)運(yùn)行，通過(guò)這種方式即可達(dá)到協(xié)調(diào)6個(gè)通道步進(jìn)電機(jī)的統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)。

2.2 控制指令

    FDM類(lèi)型使用Gcode文件來(lái)保存和執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，在開(kāi)源Gcode指令中沒(méi)有控制顏色的指令，需要定義顏色控制的指令G1、M163、M165，分別實(shí)現(xiàn)單獨(dú)直線、單獨(dú)擠出機(jī)、連續(xù)直線3種方式的顏色控制。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    本文基于Marlin固件進(jìn)行了固件的修改，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制算法代碼，增加了G1、M163、M165等Gcode指令的解析與執(zhí)行的程序代碼，經(jīng)過(guò)調(diào)試可實(shí)現(xiàn)彩色模型的打印。

    (1)驗(yàn)證單色打印效果。設(shè)計(jì)一個(gè)由3個(gè)長(zhǎng)寬各為20 mm、高為2.5 mm的立方體組成的大立方體模型，3個(gè)立方體分別設(shè)置為紅、青、綠3個(gè)顏色，使用Cura切片軟件得到Gcode指令，通過(guò)腳本軟件判斷G1指令所在的區(qū)域，對(duì)不同區(qū)域內(nèi)的G1指令增加混合比例，得到最終含有顏色信息的Gcode文件。打印機(jī)同樣使用紅、青、綠3種PLA材料，打印結(jié)果如圖5所示，3種顏色可以準(zhǔn)確分離，模型成型效果良好。

    (2)驗(yàn)證顏色水平平滑過(guò)渡。設(shè)計(jì)圓柱形模型，顏色圍繞中心按照紅、青、綠的方式逐漸過(guò)渡，采用與單色一致的方法，獲得Gcode文件，打印結(jié)果如圖6所示。

    驗(yàn)證顏色垂直平滑過(guò)渡。設(shè)計(jì)螺旋異形花瓶模型，設(shè)置顏色從低向上依次漸變，使用品紅、黃、青 3種PLA材料，打印模型如圖7所示。

    以上3種模型使用Cura軟件切片后不經(jīng)過(guò)處理，使用Smartmaker打印機(jī)打印純色模型，比較兩者使用的時(shí)間，結(jié)果如表1所示。

    通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以清楚地看出，本文所提出的設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)模型的彩色打印，在單顏色打印、顏色水平過(guò)渡打印、顏色垂直過(guò)渡打印等方面都可獲得較好效果，并且與同類(lèi)型打印機(jī)相比，得益于高速處理器的使用，在速度方面也占有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)的重新設(shè)計(jì)與研究，基于開(kāi)源的3D打印機(jī)提出了一種控制算法和相對(duì)應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)了模型的彩色打印，并且在速度方面也比同類(lèi)型的單色3D打印機(jī)速度更快，為FDM類(lèi)型的彩色3D打印提供了思路，擴(kuò)展了FDM類(lèi)型3D打印機(jī)的應(yīng)用范圍。本文雖然實(shí)現(xiàn)了模型的彩色打印，但還需要對(duì)切片文件進(jìn)行后期處理才能進(jìn)行打印，后期可以對(duì)切片軟件進(jìn)行修改，以達(dá)到直接輸出彩色3D打印文件的效果，從而進(jìn)一步提高打印效率。

參考文獻(xiàn)

[1] GRAU J，CIMA N J，SACHS E.Alumina molds fabricated by 3-Dimensional printing for slip casting and pressure slip casting[J].Ceramic Industry，1998，23(7)：22-27.

[2] 盧秉恒，李滌塵.增材制造(3D打印) 技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42(4)：1-4.

[3] 楊書(shū)卷.3D打印：醞釀制造業(yè)革命的前夜[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012，30(26)：7.

[4] 譚永生.FDM快速成型技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2000，1（1）：26-28.

[5] 呂明，錢(qián)施光，柴宇.FDM快速成型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].設(shè)計(jì)，2016，17（1）：32-33.

[6] 李光玲.食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)[J].食品與機(jī)械，2015，31(1)：231-233.

[7] 韓金龍，李方舟.FDM型三軸并聯(lián)桌面3D打印機(jī)研究[J].機(jī)械工程師，2016(5)：19-21.

[8] 張自強(qiáng).基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2015.

[9] 覃琴，周麗霞.基于ARM和FPGA的3D打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].伺服控制，2015(2)：48-50.

[10] 吳迪.基于DRV8825的打印機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013(11)：62-62.

[11] BRESENHAM J E.Algorithm for computer control of a digital plotter[J].IBM Systems J.，1965，4(1)：25-30.

作者信息:

宋廷強(qiáng)，邢照合

（青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島266061）