FDM型3D打印

关键词：3D打印,FDM,步进电机

1 打印原理

3D打印技术是一种具有前瞻性的可以应用于多行业多领域快速成型技术。它是数控技术、计算机技术以及精密控制技术这三种技术的综合运用。其最根本的原理就是根据需要构建计算机三维模型, 然后, 将三维模型进行分切, 这种分切是沿特定方向的, 最后, 就是对分切模块进行分层打印, 形成打印实物。关键点是如何进行伺服控制, 轨迹生成, 需要进行专业编程完成, 也可以采用现在的运动。

2 电机驱动控制原理

图2提供了一种打印机驱动控制的方案, 可以清晰的看到, 控制器分别对液晶屏、通信接口、供电系统、处理电路、各个限位开关和驱动器进行控制。而对于每一个步进机都有一个与之对应的驱动器, 通过控制器的控制, 实现精确的运动。同样热床和及喷头温度控制也是由驱动器驱动的, 通过温度传感器反馈给控制器, 控制器再通过驱动器分别控制各部分电路, 实现对温度的控制。

3 电机开环与闭环控制

目前, 市场流行的FDM设备的电机控制一般是开环的。通俗来讲, 开环与闭环的差别就是是否具有控制的反馈, 正是由于电机控制缺少了反馈, 开环的电机控制在成型的精度、打印的分层厚度、表面打印的精细程度等方面存在较大差距。因此对于精度要求较高的零件是无法满足要求的。而伺服电机在运行精度打印质量上都有优势, 但是, 制造的成本要相对高一些。

本文就开环与闭环控制各介绍一种电机, 步进电机与伺服电机。

3.1 步进电机的原理

步进电机的转动是通过电流流过定子绕组时, 定子绕组产生的矢量磁场带动转子实现的。当定子的矢量磁场旋转一个角度, 转子也随着该磁场转一个角度。由一个电子脉冲信号产生的转子转过的角度就是步距角。电机的正反转可以通过改变绕组通电的顺序实现。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。[4]

3.2 伺服电机的原理

与步进电机不同的是, 伺服电机内部有其自带的编码器, 编码器将信号反馈给驱动器, 驱动器通过比较对转子转过的角度进行调整, 实现电机预想的运动。编码器的精度决定了伺服电机的精度, 脉冲对应旋转的一个角度, 这样就形成了伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应的闭环控制, 而步进电机是无法实现的[4]。

3.3 步进电机与伺服电机的区别[5]

步进电机和伺服电机的差异主要有以下几点:一是, 控制精度不同。拍数决定了电机的精度, 对于伺服电机来说, 它有自带的编码器, 其上刻度越多, 精度越高。二是, 两种电机的控制方式不同。步进电机是开环控制, 伺服电机是闭环控制。三是, 在低频工作时, 性能不同。步进电机在低速时由于采用的是阻尼技术或细分技术, 易出现振动现象, 而伺服电机由于其内部具有频率解析机能, 低频工作时会很平稳。四是, 力矩输出特性不同。步进电机随转速升高下降, 而伺服电机力矩是不变的。五是, 承载能力不同。步进电机机会不能过载运行, 而伺服电机承载过载的能力较好。六是, 工作性能不同。步进电机由于没有反馈易出现丢步或堵转现象而伺服电机的反馈可以很好的防止这一点, 同时, 步进电机达到工作转速时所用的时间远比伺服电机要长。

下面就介绍一种伺服电机的实例。

本文介绍的伺服电机主要有五大软件模块组成, 本文主要就驱动模块和反馈模块进行介绍 (图3) 。

驱动模块主要是对运动部件的驱动, 在打印机中主要是对送丝电机和各个轴驱动电机的驱动。该伺服电机的驱动模式是PWM模式, 对于每一个事件管理器都产生8路调制信号, 3对互补的PWM波形由其中的3个比较单元产生。使用2812的GPIOA0、GPIOA2、GPIOA4作为驱动芯片的PWM信号输入引脚, 由这事件管理器A的3个比较单元产生的3路互不影响的波形控制X、Y、Z轴电机, 这就避免了各轴运动的相互干扰。使用GPIOB5引脚确保了使用事件管理器B的一个比较单元产生送丝电机需要的PWM信号。通用定时器1和通用定时器3分别是它们的时钟基准。在定时器设置上, 采用连续递增的计数模式, 选择高速时钟, 系统时钟设置为75M。为了产生占空比为50%的PWM信号, 此电机设置比较单元值为定时器周期值的一半。通过I/O接口输出到驱动芯片的运动代码和反馈信息是由驱动芯片需要的方向、启停信号通过对运动代码和反馈信息共同决定的[2]。

温度反馈, 限位反馈和QEP电路组成了伺服电机里必不可少的模块—反馈模块。打印机反馈模块的各反馈机制都是通过不同的途径实现的。温度反馈是将反馈信号转换为实际温度值后与实际设定温度值比较进行的反馈。大多数温度反馈是通过温度处理芯片传入可以转换为实际温度值的DSP实现的。限位反馈是通过限位开关实现的, 初始信号和异常处理信号就是通过限位开关反馈的I/O信号控制的。对于QEP电路反馈, 在本文介绍的电机中由图4中的电路可知, 只加入了X轴和Y轴的反馈, 对于Z轴来说, 运动量小, 故造成的误差不大。GPIOA8、GPIOA9接入事件管理器A完成对X轴的反馈, GPIOB8、GPIOB9接入事件管理器B完成对Y轴的反馈。他们分别对应定时器2和4。

4 结语

本文简要介绍了FDM控制系统的打印机的工作原理以及电机驱动控制的原理, 主要就电机驱动开环闭环控制的区别, 通过实例的讲解进行了介绍, 为提高3D打印的精度提供了理论依据。

参考文献

[1]刘薇娜, 郭遵站, 杨立峰.3D打印机控制系统的开发[J].机械工程师, 2014, 12:116-118.

[2]王永强, 袁茂强, 王力, 赵维刚.FDM打印机精确控制系统的设计与实现[J].制造业自动化, 2015, 16:1-4.

[3]张斌.3D打印驱动关键技术研究[D].北京印刷学院, 2015.

[4]王志强.步进电机和交流伺服电机性能综合比较[J].天津职业院校联合学报, 2006, 05:14-17.

[5]王勇.步进电机和伺服电机的比较[J].中小企业管理与科技 (上旬刊) , 2010, 12:311-312.

FDM型3D打印篇2

1.1研究背景、内容和目的

上世纪八十年代,快速成型制造技术(Rapid Proto⁃typing and Manufacturing,RPM)问世,在短短的几十年间,关于快速成型制造技术的相关技术领域得到了高速发展。虽然快速成型制造技术得到了长足的发展,但很显然,国内外对其研究还不成熟,尚有众多改进余地,尤其是高昂的制造成本大大限定了该项技术的发展,熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)则是RPM技术中大量应用的一种,由于FDM[1]是RPM中唯一一种不需要激光器的成型方式,这种成型机的价格最低,近年来,国内外各大企业、高校针对FDM成型技术做了大量的研究工作,但目前FDM成型产品还存在诸如较大的翘曲变形、较低的产品尺寸精度、较低的致密度和表面光洁度等,这就需要深入的分析和研究FDM成型过程的机理和它的产品零件的密度、强度、精度的影响因素。

而Stratasys公司是FDM成型技术的全球领跑者,已在全球安装了大量的原型和直接数字化生产系统,其数量之多没有其他任何一家公司能及。公司通过为原型创造性地推出产品级材料,引导Real Parts TM的直接数字化生产,从而成为技术革新的佼佼者。Stratasys公司目前占有41%的市场份额,已经连续5年在市场上领跑[2]。

本文主要通过对Stratasys公司针对FDM成型领域的专利申请进行详细分解,理清该公司在FDM领域的技术脉络,发掘FDM领域及其相关的领域的重点专利技术,为我国的FDM成型研究提供一定的参考。

1.2 FDM-3D打印技术研究概况

FDM工艺由美国学者Scott Crump博士于1988年率先提出,随后于1991年开发了第一台商用成型机。FDM成型机主要包括液化器(喷头)、丝材供给装置、液化器移动控制部、加热工作室、工作台等部件组成。

目前相关研究主要在以下几点内容:

熔丝材料:通常采用热塑性材料,而随着研究的深入,愈来愈多的新材料被研发出来,例如,1998年澳大利亚Swinbum工业大学,研究了金属-塑料复合材料丝;提高了材料的强度和硬度;1999年,Stratasys公司开发出水溶性支撑材料;近年,Stratasys公司开发的多彩混合材料等。

软件:Stratasys公司开发针对FDM的Quick Slice、针对Genisys系统的Auto Gen3.0软件包;Helisys公司开发了面向Windows的LOMSlice软件;Solid Concepts公司开发了Solid View3.0软件。

液化器:液化器是FDM成型机中最为复杂的部分,目前,Stratasys公司为主要的研究者。

国内进行FDM成型研究的机构主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、北京隆源自动成形系统有限公司、北京航空工艺研究所和上海富奇凡机电科技有限公司等。

1.3 FDM-3D打印技术应用概况

FDM成型工艺既能用在零件的概念设计与造型、功能试验场合,又能够直接用在零件设计与制造、工具(模具)设计以及机械设计等方面,具体为:

(1)零件设计制造与功能试验,航空航天、汽车工业、模具制造等;

(2)医学方面,例如假肢的设计与加工等;

()艺术品加工制作,装饰品等;

(4)单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。

2 FDM-3D打印技术专利申请概况

2.1申请趋势以及技术分支分布

对于Stratasys公司历年专利申请量进行分析,由图1可知,申请量呈现先降低后增加的趋势,这是由于3D打印技术一经推出便成为研究热点,然而由于打印成本高昂且技术储备不足导致其应用范围较窄,因而在2001年后专利申请量有所回落,而后期由于技术进步克服相关瓶颈导致成本降低以及人们对桌面级打印机市场广泛需求,导致申请量大幅增加。

参见图2,笔者将Stratasys公司的专利技术分布做了以下归类,总体而言,可以分为四个技术大类,分别为液化器、打印方法、打印丝材和支撑结构。其中因为液化器是FDM成型装置最为重要的结构部分,因此针对液化器的改进的专利申请数量最多,其次打印方法和打印丝材的改进的专利申请数量相当,紧随其后,最后是支撑材料的改进。目前,液化器的改进点主要集中在液化器结构、计算机和传感器等辅助手段的进一步应用以及液化器的清洁等方面,其中以液化器结构的改进专利申请量最多;打印方法的改进点主要集中在提高打印的精度和效率方面;打印丝材的改进点主要是丝材本身材质和结构的改进以及送丝机构的改进;支撑材料的改进点主要在于支撑材料本身材质以及支撑材料成型方法和结构的改进。以上内容将在下一部分进行展开描述。

3重点技术分析

3.1液化器的改进研究

液化器是FDM成型机中最为复杂的部分,直接影响三维制品的最终成型精度和质量。经初步统计,参见图3,Stratasys主要通过以下方面对液化器进行改进:

3.1.1液化器的清洁

FDM在成型时,丝材在液化器中加热熔融,不断从液化器中喷出,逐层打印形成制品,在打印的过程中,可能需要液化器切换打印,亦或者在每层打印完成后都会进行停车固化,此时,液化器中的熔融丝材不再进行加热,逐渐冷却固化,如果不进行清理,往往会堵塞液化器头,造成打印过程的中断或打印质量的下降。US2014252684A1给出了一种典型的液化器清洁手段,其公开了利用多个液化器进行切换用于打印三维部件的层以及支撑结构的层,在三维部件和支撑结构的层的打印过程中,在待机模式和操作模式之间切换液化器,同时在工作台上打印净化塔(利用打印材料在工作台上打印出于支撑材料和三维部件相似的用于擦拭液化器的三维构件),净化塔被构造成立体三维机构,并且在Z轴上,下层面积大于上层面积,可避免晃动,这种清洁的好处是,在待机模式下可以利用打印净化塔来排出已经固化的丝材,同时,在切换到操作模式之前,可以利用净化塔对液化器进行擦拭。

3.1.2液化器的定位

液化器的位置对于打印三维制品来说是十分重要的,通过改进的定位手段,一是能够保证位置的精确性,二是能够缩短位移所需的时间。TW474864B公开了一种利用磁性将液化器悬浮的手段,液化器被磁性的悬浮于一定子板下且其借由一流体轴承而与盖定子板隔开,供给该液化器的驱动信号产生电磁力驱动以在高速下将液化器沿X和Y方向移动,并提供一个与该液化器连接的脚状件提供机械式缓动其可降低挤出头移动期间的谐振,使得液化器的位置可被精确及可靠的加以控制。US2015137402A则公开了一种利用偏心弹簧悬装在打印表面的上方,并利用机器人自动切换液化器的装置。

3.1.3液化器的结构

液化器结构的改进一直是Stratasys研究的重点,液化器料筒的形状和尺寸、出料口的截面、加热器和传感器的分布等因素均有涉及,其中US2014120197A1(2014)公开了一种液化器结构的改进,弯月面干燥效应、加热及材料膨胀、长丝直径变化均会改变液化器组件的挤出速率及流动控制,可能产生劣等的模型制品,通过改善液化器组件,使液化器组件由阶梯式两部分组成,该阶梯式液化器组件包括上游部分及下游部分,其中上游部分内部横截面积比下游部分小。经两个横截面积之间的肩部配置,限制可消耗材料熔融弯月面的移动,改善3D模型结构减少构建时间,同时可在该基础上做出各种变形,例如上游部分或下游部分的衬套管可以使用多层结构,其内部层可以具有较低的摩擦系数,方便长丝的输送,或者改变热膨胀系数,以抵御长丝输送速率的改变而引起的挤出速率及流动控制的变化。US2015097307A1(2015)公开了一种在液化器周围设置一个或多个加热元件,并设置多个热敏电阻,同时设置多个传感器,以用于动态控制流速的液化器结构。US2009035405A1(2009)公开了一种液化器结构,液化器的切换涉及液化器的部件的机械运动,多次切换可能引起对一个或更多个部件的磨损和未对准。这样的磨损和未对准可以降低所获得的3D目标和支撑结构的质量和精度。液化器要求在延长的使用周期内具有好的耐用性和可靠性。该种液化器包括至少一个安装结构;第一液化器泵,所述第一液化器泵被固定于所述至少一个安装结构上;第二液化器泵,所述第二液化器泵被靠近第一液化器泵设置;切换机构,所述切换机构被所述至少一个安装结构支撑,并被配置以沿第一轴线相对于所述第一液化器泵移动所述第二液化器泵;和槽接合组件,所述槽接合组件与所述第二液化器泵部分地相连接,以限定所述第二液化器泵沿所述第一轴线的运动范围。

CN102548736A(2011)公开了一种带状液化器结构,包括外液化器部分,所述外液化器部分被构造成从热传递部件接收热能;和通道,所述通道至少部分地由所述外液化器部分限定,所述通道具有入口端和出口端,所述入口端具有被构造成容纳带状细丝的尺寸,其中所述带状液化器被构造成通过接收的热能使容纳在所述通道中的所述带状细丝熔化到至少可挤出状态以提供熔融流,并且其中所述通道的尺寸还被构造成使所述熔融流在所述通道中符合轴向不对称流,和挤出端,所述挤出端在通道的出口端处从所述外液化器部分延伸,其中所述挤出端的尺寸被构造成使所述熔融流从在所述通道中的轴向不对称流变为基本上轴向对称流,以从所述挤出端挤出;其中带状细丝的未熔化部分用作作用于带状细丝的未熔化部分与通道的壁之间的熔融流上的具有粘性泵的活塞,导致熔融流流出挤出端。

US2009273122A1(2009)公开了一种具有温度梯度的液化器,该液化器有热块,从熔丝入口到熔丝出口,热块沿液化器管侧壁轴向方向产生温度梯度。

3.1.4液化器控制程序

CN155306A公开了一种液化器控制程序,从管嘴挤出的材料的流速是细丝被推至液化器出料口的速度的函数。通过控制细丝推进入液化器的速度来控制流速。控制器控制挤压头在水平x,y平面中的移动,控制基体在垂直z方向的移动,并且控制进给辊推进细丝的速度。通过同步控制这些过程变量,造型材料沿着CAD模型定义的工具路线层层地沉积成“串珠(beads)”。利用恒定的沿工具路线的挤压头速度,串珠宽度保持相当的一致,但是在工具路线的始点和终点处会产生误差,例如在“接合(seam)”处(也就是封闭环工具路线的始点和终点)。相比于现有技术中的可变速系统引入了更大的串珠宽度误差,并且有接合误差。希望在使可变速率系统的生产量较高的同时,减小串珠宽度误差和接合质量误差,以便获得所需的挤压轮廓。

US2015343688A1公开了一种液化器快速回位方法,在多点水平测量中,液化器需要返回到初始高度,如果打印材料是塑料的话,水平测量通常需要等到液化器冷却下来,塑料固化之后,液化器很久才能回位,现在提供一种非熔化接触点,以保证液化器温度很高时即可回位。计算4次z轴初始高度,计算补偿值,加热液化器,清洁液化器。

3.2支撑材料的改进研究

在三维立体成型过程中,由于未被固化的部分材料仍为液态,它不能使制件截面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位,因此,对于这样一些结构,必须在制作前对其施加支撑,而支撑材料除了能够确保原型的每一结构部分都能可靠固定之外,还有助于减少原型在制作过程中发生的翘曲变形,图4显示了支撑材料的改进路线图,改进主要从材料本身,成型方法和移除装置等三面进行。

3.2.1支撑材料的改进

为了支撑三维制品模型,支撑材料必须粘附到制品材料上。同时,由于支撑材料为支撑制品的基础层,支撑材料应同样可拆除地粘附到制品材料上。制品坐落在支撑材料上后,如何将支撑材料从制品上移除而不损坏制品一直是一个难以解决的技术问题。US2003004600A1公开了一种用于三维模型制品打印的材料和方法,它通过沉积含有约0.5至10重量百分比硅氧烷的热塑性塑料组合物的多层来成型支撑结构。其中硅氧烷起脱模剂的作用,促进三维模型制品建成后从中拆除支撑结构。硅氧烷脱模剂还表现出良好的热稳定性,促进该材料在高温建造环境中的使用,硅氧烷还可保护三维模型制作装置的挤出头或喷射头喷嘴,避免产生材料堵塞,与极高粘度的硅氧烷相比,中等粘度的硅氧烷是一种更好的脱模剂,其中6万厘沲为中等粘度,5千万厘沲为极高粘度。在基础聚合物中加入少量的硅氧烷削弱了基础聚合物与打印制品材料之间的粘接,从而使聚合物可用来形成可从模型脱离的支撑结构。CN1347363A公开了一种包含羟酸的基础聚合物和一种塑化剂的碱性可溶热塑性材料,通过将支撑结构放入碱性熔池中熔化而使之从完成的模型上移去。CN1552017A公开了一种包含选自聚亚苯基醚和聚烯烃的混合物、聚苯砜和无定形聚酰胺的混合物、聚苯砜和聚砜以及无定形聚酰胺的混合物的支撑材料,所述支撑材料是自层合的、形成与造型材料的弱的易分开的粘合、并且具有在造型材料的热挠曲温度的20℃内的热挠曲温度,所述粘合使得能够将支撑材料从所述三维物体中分离出来而不损害所述三维物体。

3.2.2支撑材料成型方法的改进

快速成型技术中制品和支撑结构一般均是从下向上逐层打印成型,如果制品有凹凸等结构,例如凸出部分,这种结构一般处在悬空状态,需要设置支承结构,否则在打印的过程中容易产生坍塌,但是支承结构会增加制造的复杂性并且限制制品的尺寸。EP0666163A2公开了一种利用搭接技术来成型支撑结构的方法:它通过电脑辅助系统逐层打印,挤出设备通过喷嘴挤出熔融塑料;通过控制喷头在x-y平面内运动,从而生成CAD预设的模型中的一层,第一层完成后喷头向上运动,完成第二层的挤出成型,直到支撑结构成型。通过搭接技术,减少支承结构材料的的使用和加工时间,并减少制件的后处理时间,并且搭界技术的运用可以直接形成二维平面,而不用分层制造之后叠加。EP1177098A1公开了一种使用3轴定位热塑性挤出机成型支撑材料的方法,其通过逐行逐列的将液珠沉积到相邻的液珠上,能够保证挤出液珠的垂直高度至少与水平高度的尺寸一致。从而,其在熔丝沉积快速成型过程中,加快了成型的速度,减少了花费并且减少了零件制造时支承结构的数量。

3.2.3支撑材料移除装置的改进

三维打印中使用的支撑材料通常分为两种类型:能够移除的支撑材料和可溶性的支撑材料。能够移除的支撑材料可以用手或者使用工具从得到的三维零件中移除。与之对比,可溶性支撑材料能够溶解在水溶液中。可溶性支撑材料理想的溶解需要加热和搅拌,目前市售的支撑材料移除槽已十分成熟,可以用来溶解支撑材料。US2013075957A1公开了一种支撑结构的移除装置,它包括:(1)一个槽,其具有一个顶部开口的用来盛放流体水的槽的本体;一个通过槽的本体来支撑的多孔板,三维零件通过槽顶部的开口插入放入多孔板中;一个多孔板下方的旋转叶轮;(2)第二个组成包括用来接收槽的平面,表面下的旋转感应装置,当槽放置在平面上时,旋转感应装置带动叶轮转动,从而使流体水通过多孔板流入槽中。通过将成型后的三维零件和支撑材料放入槽中,叶轮通过转动使水溶液从多孔板进入槽内部,进而实现支撑材料的溶解。

3.3打印丝材以及送丝机构的研究

经过对stratasys公司基于FDM技术3D打印专利进行统计,其主要通过以下方面对打印丝材以及送丝机构进行改进:熔丝材料类型改进、熔丝材料结构改进、送丝机构改进、送丝工艺改进,参见图5。

3.3.1熔丝材料类型改进

三维物体的构成材料通常表现出非牛顿流动特性,即构成材料在挤出流动的初始启动阶段抵抗移动。因此,许多3D物体共有的问题是由于非牛顿流动特性所导致的挤出头的响应时间的限制。这种限制可能降低沉积精确度,并且特别是可以看到其中每层所沉积的构成材料的量相对较小的微细部件结构。因此,需要改善用于沉积构成材料的挤出头的响应时间的构造3D物体的方法。美国专利US2009295032A1中使用改性ABS材料制备打印丝,其具有改善的响应时间,由此改善沉积工艺的精确度,另外,改性ABS材料能够为3D物体提供优良的层间粘附力和零件强度,其通过将改性ABS材料送入基于挤压的分层沉积系统的挤出头,在改善挤出头的响应时间的条件下,在挤出头中熔化所送入的改性ABS材料,以及以逐层的方式沉积所熔化的改性ABS材料,以形成3D物体。此外为了提高打印物体的强度,CN1784295A中则使用高强度PPSF/PC混合热塑性材料作为打印丝材,这种热塑性材料表现出良好的热稳定性,能够防止在三维造型设备的喷嘴中积聚,具有很高的耐化学性,并且由这种材料制成的模型表现出良好的强度。而US2001025073A1中则使用高强度材料PEO用于成型,这个高强度材料可以容易的融化挤出形成层状物并且随后可以冷却固化使复杂形状的零件能够自由准确的组装,且能够按顺序的一层层的叠加使制品成型;高强度材料能够在挤出设备中作为支承材料来阻止熔融沉积材料层的松垮,同时保证复杂制品的几何精度,而WO2015054021A1中则使用热塑性纤维和矿物晶须增强的热塑性弹性体作为打印丝材料,进一步提高了打印件的打印强度。

3.3.2熔丝材料结构改进

随着技术的发展,单纯依靠改变材料类型进而提升打印丝打印性能以及三维打印件的性能遇到瓶颈,尤其是在提升打印丝打印性能方面,基于此CN102548737A介绍了一种基于挤出的数字制造系统中使用的造型材料和支撑材料的非圆柱形细丝以及用于制造所述非圆柱形细丝的方法和系统,该方法中使用非圆柱形细丝,这种非圆柱形细丝在具有相同体积流量的情况下与由圆柱形液化器熔化并挤出的圆柱形细丝相比能够以减少的响应时间由非圆柱形液化器熔化并挤出的消耗材料。这有利于提高沉积精度并减少构建时间,从而增加用于构建3D模型和相应的支撑结构的过程效率,同样的CN102548736A中则介绍了一种使用带状细丝的打印方法,其同样具有上述效果。此外,US2012231225A1中提出了一种双层丝材结构,其内层芯为第一热塑性材料,外壳为第二热塑性材料,打印时按照丝的横截面设计打印路线,能够改善打印过程中的翘曲变形,减少变形,内应力以及半结晶材料的下垂,而US2012037329A1中则使用具有不同结晶温度的内芯与外壳材料从而防止打印时的翘曲变形,而US2011233804A1中则提供了一种表面带有编码标记的打印丝材,上述带编码的丝材通过光学传感器输送,从而大幅提高送丝精度。

3.3.3送丝机构改进

送丝机构是3D打印机的关键部件,US2010096485A1中公开了一种熔丝供给容器,具有从线圈处的导向支撑熔丝的熔丝通道,使用传感器用以探测熔丝是否通过,从而提高送丝精度,而CN1386089A中则提供了一种气密的丝料盒,丝料盒包括一个缠绕细丝的旋转卷盘和细丝可由其中穿过丝料盒的出口。丝料盒接受器用于接受丝料盒,安装在模型成型机的装填舱中。丝料盒接受器包括一个用于接受来自丝料盒的细丝的管道和用于将细丝通过管道进给的驱动装置,这种封闭性结构能够防止丝料受潮或污染,从而大幅提高打印精度,而US2014117585A1中则提供了一种带有标签的储丝圈,其通过设置带有数字标签的多个储料筒或储丝线圈,通过读取器上的数字信息来决定如何使用打印材料打印三维物体,从而初步实现了送丝机构的智能化控制。

3.3.4送丝工艺改进

一般情况下,在送丝机构确定以后,其送丝工艺也容易确定,因而关于送丝工艺的专利文献较少,其涉及到送丝过程中的参数控制。如US5866058A中公开了一种提高打印质量的方法,其通过合理设置打印环境温度以防止打印件产生几何畸变,具体的其在沉积温度下连续的挤出热固性材料到环境中,并且控制新挤出材料附近的环境的温度保持在材料的固化温度和蠕变温度之间,随后新挤出材料在固化温度之下逐渐冷却,但是仍然保持几何形状的温度梯度在理想的几何精度所需的温度梯度的最大值之下,通过该打印过程防止产品产生畸变,而US2014265040A1则公开了一种检测熔丝流速的装置,其利用监测装置控制挤出熔融丝料的流速,例如光学元件,利用传感器调控流速达到控制挤出速度的目的。

3.43D打印方法研究

经初步统计,参见图6,目前打印方法的研究主要针对打印精度和打印效率两方面进行改进,而随着计算机和传感技术的日益成熟,利用计算机对打印物体进行优化的网格划分,并利用传感器对打印器械进行在线监测已成为主流。

3.4.1对打印精度的改进

三维打印粒子材料在堆叠过程中包括与计算机辅助CAD设计系统形成响应,而三维打印过程中的粒子堆叠的精确性对三维成品的质量具有很大的影响,因此需要改善粒子材料堆叠的精度,美国专利US5491643A中,通过在至少一维平面中确定所需成型制品的特征,将所表征的制品的特征参数在一空间中连续成统一的整体,再选择制品预设部分的理想的参数特征值所表示的区域中的坐标值进行打印,可以使粒子材料能够更精确的按照制品的预设形状进行打印,提高了打印精度。

三维打印机的部件会随着时间的增加而老化,会变的凹陷、弯曲、挤出头的对准度下降,三维打印机这些缺陷的存在会降低打印精度,美国专利US2014117575A1采用一种数字智能的打印方法,利用熔丝沉积或熔融沉积制造平面层状材料,利用检测装置检测挤出头或打印头与工件之间的接触力,或者平整度等,由此转换为数字信号控制打印过程,从而保证打印质量。

对3D打印机更换挤出端部,需要重新进行校准,校准程序包括校准Z轴端部导基板的位置偏移,以在建造模型之前保证系统获得挤出端部和基板之间的空间关系,若校准不准确则会使打印精度下降,中国专利CN101460290A提供一种不需要操作者干涉或判断的在三维成型机中执行校准程序的方法,以自动校准挤出端部,提高了校准的可靠性,节省了时间,通过控制器控制建造的每层的高度和位置,使其在限定的位置表示三维结构的材料建造轮廓。然后,确定材料建造轮廓的相对位置。标识期望的建造轮廓,然后与材料建造轮廓的确定的相对位置比较,以标识表示位置偏移的任何差异。然后,成型系统根据位置偏移定位沉积装置。

3.4.2三维打印的网络化

如今网络发展越来越快,通过网络对3D打印进行控制可以更好的制造出远程用户所需要的制品,对3D打印的发展具有重要的意义。中国专利CN104203547A提出可以采用将三维打印机和网络相结合,通过设置在三维打印机上的数据网络接口,和被定位成从一视点捕捉构造容积的视频的视频摄像机,以及被配置成通过网络接口接受三维模型并且控制三维打印机的操作以便将三维打印模型制作呈三维打印机的构造容积内的对象的处理器,其中处理器可以通过接口,呈现来自摄像机的构造容积的图像和三维模型的二维投影,通过该图像的分析,可以用来预测进展来进行跟踪,以便识别打印过程中的各种因素的干扰。

美国专利US8818544B2提供了一种计算支撑材料体积的方法,以计算机为挤出建立树状数据单元网格,该单元网格定义为大量的单元阵列,通过使用固体认知网络(SIG)的计算机程序,能够快速的计算出3D打印制品所需的支撑材料的体积。

3.4.3对打印速率的改进

在连续粒子挤出快速打印过程中,熔融的粘性粒子很难填满120°的转角,并且粒子在热熔区会和其他物质如空气中的水和氧气反应,使打印出每一层的粒子材料的性质均不相同,且粒子材料在挤出后会发生收缩,而这些问题均和打印速度有关。美国专利US2013009338A采用控制材料的层叠速率来改变三维制品的表面织构等其他表面特征,从而得到非均匀表面织构的三维制品,从而改善三维制品的表面质量。

美国专利US2014048970A1中材料挤出速率按照预定路线跟随挤出路径的变化进行调整,从而改善三维打印表面质量。

中国专利CN1386089A通过在挤压机上设置增压级,从而使物料从管嘴挤出的速率和被挤压物粘度增大的能力同时增加,挤出速率增大就使有形零件能更快地制成,粘度增大的能力增加使制出的有形零件具有更多所需的机械性能,同时减小被挤压物的横截面积以达到较好的性能。

美国专利US5653925A与上述专利不同,其采用间接控制挤出速率的方式,即通过在制造过程中在部件中引入孔隙,且这个孔隙程度应当可以使制品具有可靠的强度,部件中孔隙的增加可以减少沉积时层与层之间或每一层对挤出速率的敏感程度,并且可以允许挤出物具有高的粘度和表面张力,采用此种方式可以补偿部件内部膨胀,从而减少铸模的破损;可以减少后续工序步骤;可以使尺寸更精确;可以使用更广的材料进行沉积;提高制造精度。

3.4.4对三维打印分辨率的改进

在三维打印过程中一般是采用路径宽度不变的分辨率进行打印,从而能够快速成型,但是在此生成的构建路径内会出现小空区域的问题,这些小空区域一般小于恒定路径宽度分辨率,因此,在数据生成时被忽略。这样就造成在构建材料沉积路径之间形成空腔,其相应增加了所得到的3D物体的孔隙度,因此,降低了所得到的3D物体的结构完整性和密封特性。中国专利CN101401102A提出可以采用在构建路径限定空区域,并且在空区域内生成至少一条中间路径,并根据该中间路径来生成剩余的路径的方法,从而降低3D制品中的空隙度,增加制品的分辨率。

中国专利CN101449295A对提高由具有良好物理特性的诸如热塑性材料建造三维物体的速度和分辨率做了一定贡献,该专利则采用将喷射技术和熔融沉积成型原理相结合的方式,通过喷射第一材料的方式形成限定支撑结构的增量的多个层,此时喷射使支撑结构的增量具有高分辨率的内部表面,该支撑结构用作可同时用其结构填充的高分辨率模型,这样使三维物体由具有良好物理特性的材料以高沉积速率形成并具有高表面分辨率。

3.4.5对三维打印过程的改进

美国专利US2015145174A1对3D打印的印盘做了改进,在印盘上设置多组磁性装置,从而可以通过印盘周围的磁场将打印在构造板上的3D打印制品从印盘上移走,并包括将构造板从3D打印制品中移除的过程,之后进行连续作业。

4结论

目前来看,Stratasys在FDM成型领域中占据绝对领导地位,专利申请涵盖了打印装置、材料、软件控制等方方面面,以目前国内企业的技术储备和专利布局来看,基本处于全面落后的状态,但FDM成型显然还有诸多可以改进的方面,以下为笔者的一些观点,仅供参考,例如:

1.具体结构细节,例如打印头的改进,目前多打印头已成为趋势,但打印头的切换方式多种多样,随之而来的不同的打印头的孔径尺寸均可以成为改进点;

2.打印材料的改进,3D制品材料和支撑材料的成分和结构均可以成为改进点,针对材料的改进不依赖打印装置,更容易绕开现有专利的限制。

3.打印控制方法的改进,随着计算机技术的发展,精确打印和高效打印控制方法已深深地融合到FDM成型中来,如何利用计算机技术来优化打印方法,例如控制打印头走位和响应、优化模型分层、消除台阶效应、制品的后加工等,也有诸多改进的余地。

Stratasys在FDM成型领域技术力量雄厚,专利布局也比较广泛,其中诸多技术和思路十分值得其他企业借鉴,相信随着研究的不断深入,FDM必将能够更加成熟,并实现更大规模的生产与应用。

参考文献

[1]普立得科技.Stratasys 3D打印世界[J].航空制造技术,2015(5):105.

FDM型3D打印篇3

自上世纪80 年代以来,3D打印技术以逐步进入人们的视野, 现已发展出选择性激光烧结、熔融沉积、分层实体制造和选择性激光熔化成型等多种形式, 在工业设计、模具制造、航空航天和医疗卫生等领域均有应用。目前3D打印技术已经展现出一种极具成本效益的多次迭代设计方式, 在产品研发的初始阶段, 就获得产品设计的即时反馈信息, 便于发现缺陷并及时修改, 不仅有助于降低成本, 而且能缩短产品的上市时间, 对于在产品研发阶段采用3D打印技术的企业来说, 无疑具有明显的竞争优势。

欧美发达国家高度重视3D打印技术的发展, 奥巴马政府视人工智能、3D打印、机器人为重振美国制造业的三大支柱, 其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业, 并且在航空航天装备制造、生物医学等多技术领域领跑全球。在国内, 众多的研发机构和企业也积极参与3D打印设备的研发, 但总体技术水平落后于欧美。政府部门对3D打印的政策支持力度也不断加大, 科技部公布的《国家高技术研究发展计划(863 计划)、国家科技支撑计划制造领域2014 年度备选项目征集指南》,首次将3D打印产业纳入其中, 工信部联合发改委、财政部也出台了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016)》的通知, 这一举措也为我国3D打印技术的发展指明了方向。

从行业发展的角度来看, 整个3D打印产业链都存在巨大的潜在发展空间。就未来的长期的需求增长而言,前瞻相对看好上游打印材料和个人3D打印设备的制造企业。而工业用3D打印机的研发和推广, 还远没有像个人3D打印机发展的那么快, 工业用3D打印材料的配套还有很大的提升空间。

从中期来看,3D打印与传统的制造技术形成互补。相较于传统生产方式,3D打印技术的确是重大的变革,但目前和近中期还不具备推动第三次工业革命的本领,也不会是传统制造业的终结者。

目前的3D打印技术在复杂构件、新产品开发、协同制造和实现创意方面较有优势, 最理想的应用是在个性化或者定制化的领域。因此, 近中期还不可能完全替代传统的制造技术, 应该是优势互补。再有,3D打印技术多数还停留再桌面级, 小型化的生产层面上, 大尺寸,高速工业打印还没能很好的参与到生产加工之中。国内3D打印技术的推广与应用尚在起步阶段, 无论是工业应用, 还是个人消费领域都存在广阔的发展前景。发展工业级3D打印设备, 是提高生产效率, 最大程度发挥3D打印设备集约化优势的必然选择。

那么什么是工业级3D打印机, 工业级3D打印机相关的参数有哪些?

2 工业级FDM 3D打印机应该是什么样的

1、相较于桌面级家用3D打印机, 工业级的3D打印机首先是打印尺寸大幅度提高。传统的桌面级3D打印机, 一般打印尺寸不会超过30 立方厘米。而工业上不但要能打印小部件, 也要打印大结构件,30 立方厘米显然太小了, 就是采用积木堆积的方式, 拼接3D打印构件也过于零碎, 不利于工业承重和结构强度的需要。但是打印尺寸是不是越大越好, 那也不是, 由于打印材料打印过程中自身应力变形的问题,打印精度很难控制,根据个人实验, 现有的3D打印尺寸在1 立方米以内比较好控制, 以现有的材料和技术, 一次性打印成型超过8 立方米, 保证高精度打印是相当困难了。工业级打印可行的打印尺寸应该是1 立方米至8 立方米, 这样一个范围内较为可行。

2、打印速度的提升。3D打印机的打印速度, 一个决定性因素是打印喷嘴的挤料、熔料速度, 工业级的打印机的喷嘴不但是挤料孔径要扩大(3~10mm直径), 挤料、熔料速率也要可控, 并有所提高的。相较于普通桌面级3D打印机的0.2~1mm直径的小孔径喷嘴, 打印速度提升的比率, 就是喷嘴孔径提升的比率。

3、工业级3D打印材料上也更为广泛, 以应对不同生产领域的需要。桌面级3D打印机多数用的都是PLA和ABS两种塑料来堆积成型。而工业级的3D打印机喷嘴结构应该像注塑机一样,不同树脂都可作为打印原料,有时候可以进行混配打印材料, 以应对不同的工业需要。

4、电器控制方面, 需要参考的数据也更多。例如:FDM工业级3D打印机喷头处的温度控制就需要几段来完成, 每段使用不同的参数, 传统的桌面级3D打印是没必要做的那么复杂的。由于驱动的电器功率加大,配套的设备也要进行参数化控制。

5、外围辅助设备。由于打印尺寸的扩大, 电器设备功率的加大, 外围设备的重要性就凸显出来了。首先通风设备, 保证加工环境空气的清洁, 有利于工人身体健康。备用电源, 由于大型设备运转需要较高的电力负载, 要是突然有电源变化, 备用电源是保证顺利打印不受外界影响的必要设备。

3 FDM 3D打印设备向大幅面打印的跨度上有哪些瓶颈?

桌面级3D打印机, 已经越来越多的被广大群众所熟知。只要你手中有合适的三维数据模型, 利用ABS、PLA塑料丝材( 直径1.75mm、直径3mm) 做为打印原材料, 就能够打印生活中用到的小塑料物件。优点是价格低廉, 应用领域宽泛, 打印材料易得, 操作简单。

但是由于机械结构和材料本身的限制, F D M 3D打印机向的工业化过度还有一些瓶颈, 究竟是哪些瓶颈阻碍了工业化3D打印机的发展呢, 下面进行一下几点总结:

瓶颈一: 供料结构限制打印效率。

现在市场上流行的FDM 3D打印机供料采用齿轮挤丝的装置, 打印材料既是原料, 又是推杆。由于供料机械结构的限制, 导致打印材料单一, 塑料丝材作为主要的打印材料, 对于丝材自身要求的条件较为苛刻, 太软了不行, 挤丝结构打滑, 无法实现挤丝供料, 丝材太硬也不行, 不适宜弯曲, 或者挤料结构挤不动丝材, 都会导致卡丝、堵头等等故障, 最终无法顺利完成打印。

瓶颈二: 熔料速度限制打印速度。

供料速度受到材料溶解的限制, 是有上限的。市场上常见的桌面级3D打印机, 打印速度达到一定程度,是很难再提高,由于打印头吐出的熔融状态丝材较细(直径在0.3~1.0mm) 之间, 打印一个0.1 立方米的实体模型, 一般得24 小时以上。要是打印个1 立方米的实体模型, 起码得半个月的时间, 这样的时间消耗, 很多客户是很难接受的。

瓶颈三: 打印材料自身应力变形难以控制。

还有一个制约桌面3D打印机的重要因素是, 如果打印模型大到一定范围, 形变就很难克服。一般来说,熔点越高的材料形变越严重。主要表现为打印模型翘边,扭曲等。不同材料由于从熔融状态冷却到固态, 内部的应力变化也不太一样, 所以翘边、变形程度也不太一样。

瓶颈四: 软件开发滞后阻碍着3D打印的工业化道路。

目前市场上除了几家国外品牌3D打印设备制造商,拥有自身品牌的打印软件来支持设备的用途外, 很多国内3D打印设备应用的是, 开源3D打印切片软件, 如Cura、Repetier-Host、Slic3r等等, 来实现3D打印操作的。但是由于这些软件当初都是为桌面级别3D打印设备配套开发的, 因而参数设置上并不完全适合于大幅面3D打印, 导致打印模型时出现的瑕疵较多。

4 从问题出发解决大型3D打印设备发展遇到的难题。

那么就上面的问题, 我们来探讨有什么办法能够更好的解决, 大尺寸打印控制问题, 从而提升模型打印质量, 提高产品打印效率。

第一, 如何提升打印模型体积及打印效率的问题。提升打印空间, 增大打印模型体积是一个有效提升打印效率的好方法, 但是并不全面。提升打印空间, 机械上不是什么难题, 但是用丝材做原料的3D打印机的喷嘴,其原理是用丝材本身固态状态, 推送自身熔融的液态状态, 从喷嘴吐出丝来, 如果液态过多, 丝材本身强度是有一个临界水平的, 超过丝材固态自身应力水平, 即使你有融化能力, 喷嘴也吐不出丝来。表现在实际操作过程中就是, 丝材打印喷头打印速度提升到一定程度就不能再快了, 再快就是卡丝等等问题, 或是喷嘴粗细达到一定临界也不能再粗了, 从而制约了打印速度的提升。

丝材作为原材料3D打印机, 阻碍提升的瓶颈是喷头, 那么首先改的就是喷头挤出结构, 这里我们参照注塑机的挤出结构, 将丝材挤出结构换成螺杆挤出结构,这样就是解决挤丝应力不足的问题, 由于使用的打印材料是塑料颗粒材料, 所以打印材料也不再单一, 可以根据实际需要进行打印材料的混合配比, 而且运用螺杆挤出提升挤出速率的空间较大, 直白的说就是喷嘴速率更高, 喷嘴进料结构的改变, 可以使打印材料的空间更为宽泛, 甚至打印的可以不再是塑料……有了这样的喷嘴结构, 再匹配较大的打印空间, 会大大提升打印效率,从而向工业打印大幅度迈进。

第二,3D打印的模型由于材料的不同, 冷却的环境不同, 会导致内部的应力产生变化, 表现出来的现象就是打印变形, 翘边等。有些同行试图用外力化解打印模型冷却过程变形的问题, 结果不如这些人的预期, 变形的力量是缓慢而且巨大的。

还有人利用传统塑料加工经验, 试图用提升打印环境温度的办法, 缓慢降温减少变形的出现, 相对于外力解决变形问题的方法明显水平高出许多, 但是如果打印空间内升温到接近打印喷头的温度, 工作空间内200 摄氏度左右, 无论从硬件运行保障, 还是打印过程维护,都需要经历实践考验。目前还没有采取这种方式控制大型打印变形的成功案例。

还有一种解决打印模型变形的方案, 就是利用材料改性, 也就是改变原来打印材料的一些特性来解决打印构件变形的问题, 这种解决方案已经经过时间验证, 可以可靠的运行。这里提到的改性材料, 不是特指某一种打印材料, 而是利用多种打印材料进行调和配比, 已达到控制模型在打印过程中, 应力变化不均匀, 变形扭曲的问题。

第三, 打印速度可控, 保障打印成功率。为了凸显大型3D打印机的打印效率高的优势, 将打印大型模型的运行速度,设置成小的桌面级打印机一样的运行速度,这样明显是不合适宜的。导致的结果就是打印模型精度下降, 或者打印失败。

分析原因, 首先大型打印机, 运行过程中的动能较大, 而且打印过程中运动路径变化多, 速度运动过快就提高了惯性变化存在的风险。其次喷头喷嘴处溶解打印材料的速度也是有限的, 变化过快会导致熔料腔熔料不充分, 增加卡料和产生气泡的机会。如果在软件当中将打印速度在软件中设定好, 挤料桶出料速度控制得当,就能规避可能导致打印失败的风险。

第四, 就如何控制3D打印大型模型高精度打印的具体方式做一下简要介绍:

1. 要具备可调配条件的打印喷头组件。目的是能够伴随不同打印材料进行材料的调配。

2. 打印环境变量可控。简单的说就是温度、湿度等在一个人为可控的空间内进行操作。

3. 具备控制打印变形的一些添加剂或辅助材料。其中以弹性辅料及其一定的胶性添加剂实际操作效果比较理想。

4. 相应的辅助工具也是保证打印成功的关键。例如打印大型物件过程中不可避免的出现瑕疵, 如果手头有合适的修补工具, 就能更好的保证打印顺利完成, 以及后期修整完善工作。

5. 除了一些硬件保障外, 软件的设置也是较为关键的因素。有3D打印经验的同志都知道, 手中拿到一个理想的数据模型后, 是需要导入到一个“切片”软件中进行切片, 生成打印机识别的操作代码。合理的设置切片软件的相关参数, 也是保证打印模型成功必不可少的环节。

通过以上谈到的几点注意事项, 只要你具备小型3D打印机组装经验, 放大后做成一台自己的工业级大幅面3D打印并不是什么遥不可及的梦想, 祝愿3D打印路上的探路者都能够在逐梦路上奋勇前行最终成功。

摘要：本文对于熔融沉积式(FDM)3D打印技术进行分析比较,对于行业技术发展中出现的一些问题,结合自身的实践经验,提出一些自己的看法,在面向工业化大幅面3D打印机的研制方面,针对出现的一些问题提出自己的解决方案。

关键词：3D打印,增材制造,新材料,3D打印变形,快速制造,熔融沉积,工业打印

参考文献

[1]WALTER.P&DAVIES.K.3D printing for artists:research and creative practice[J].Journal of the Norwegian Print Association,2010(1)12-15.

[2]许廷涛.3D打印技术——产品设计新思维[J].电脑与电信,2012(9):5-7.

[3]袁志彬.3D打印的发展趋势和政策建议[J].英国《经济学人》(The Economist),2012(4):24-27.

[4]山崎良兵.制造革命与武器革命[J].日经商务周刊2013(3):26-29

[5]Todd Grimm.3D打印的真正优势在于材料[J].3D打印商情网站,2012.

[6]同济大学教授张曙.三维打印:新工业革命的“车轮”智造网[J].助力中国制造业创新,2013.4.

FDM型3D打印篇4

在传统的并联臂3D打印机当中每个喷头是专门输出一种色调, 虽然单个喷头能够实现每一次的单色打印, 而打印的色调完全是由打印前的装料决定的。这就带来一个问题, 当并联臂3D打印机为单喷头时, 就无法实现在打印同一个物品时同时实现双色或者多色的打印。虽然一些3D打印机有多个喷头可以实现多色的打印, 但是, 相对于单喷头的多色打印来说, 前者在经济上的花费显然会比较的高昂。甚至一些厂家利用消费者不了解机器的情况下, 夸大宣传双喷头的功能。结果很多消费者便盲目购买双喷头或多喷头机器, 但是买回来却发现多此一举。但是机器价格却因为多一个喷头多上上千元几千元的, 消费者因此多掏腰包买单。多喷头的机器, 因为结构多, 喷头多, 所以在使用过程中, 出现故障的概率也就相应增多。这给使用者带了很大的困扰。

1.输料管1;2.旋转轴;3.单喷头;4.输料管2;5.转向器;6.刀片.

对于3D打印机的研究自从一年前开始, 在利用3D打印机来打印各种物品时, 总是感觉色调过于单一, 所以, 我们萌生了一个这样的想法, 能不能利用单纯的机子打印出多彩的作品呢?经过我们不断的研究终于提出了一个大胆的想法, 就是在原来单喷头的基础上再加一个输料管, 在同一个喷头连接器上, 增加一个转向器, 当一种材料需要进行切换的时候, 转向器进行另一种材料的切换即可实现颜色的切换 (如图1) !

当打印正常进行的时候, 输料管2正常的进行输料打印, 当需要换色时, 控制器控制电机 (此处省略) 驱动转向轴带动转向器进行顺时针转向, 转向的同时, 输料管2的步进电机停止输料工作, 因为此时喷头里还会有部分的材料存在, 所以打印继续进行。此时, 转向轴上带有固定的刀片也随着转向器和转向轴的转动而转动, 刀片在转动的同时将正在打印的材料切断, 从而使输料管2可以顺利转向输料管1的位置, 当输料管2到达输料管1原先的位置时, 输料管1也同时到达了输料管2原先的位置, 实现了位置的互换。当位置实现互换以后, 输料管1的步进电机立即开始输料的跟进和补偿工作, 实现多色的打印过程。

当打印需要再一次换回原来的材料色彩来进行打印的时候, 控制器则控制电机驱动转向轴带动转向器进行逆时针的转动, 其过程和第一次旋转一样, 来实现颜色的转换打印。

而在单喷头多色打印技术实行打印的过程中, 也会带来一些问题。比如, 打印材料的连续性的问题, 程序的编写, 以及材料混合色差和剩余残料的计算和打印用量的关系等问题。当一个新产品出现以后, 都会面临着各种各样的疑问冲击, 这也是我们希望看到的, 也是下一步要完善的步骤。

摘要：3D打印技术是近几年以来兴起的具有巨大发展潜力的一项科研技术。在形形色色的3D打印机市场, 各种各样的打印机的出现, 也是预示着3D打印这项技术的潮流已经到来。本文主要是结合现有的三角洲桌面3D打印机的结构提出了一些在结构上的创新, 并对这方面进行了阐述。

关键词：并联臂,3D打印机,单喷头,多色打印

参考文献

[1]吴怀宇.3D打印三维智能数字化创造[M].电子工业出版社, 2014-01.

[2]彭波, 郑海忠, 李淑贤, 梁龙, 韩宇, 詹福南.浅析3D打印机常见问题[J/OL].黑龙江科技信息, 2015/16:153-154.

[3]王瑞玲.3D打印机设计的初步分析[J/OL].电子制作, 2013/19:27-29.

[4]阴贺生, 赵文豪, 宋杰, 徐承凯, 赵佳峰.基于三臂并联结构的桌面3D打印机[J].机械, 2015/02:36-40.

[5]罗中明.3D打印算法研究及应用[D].2014-12.

【FDM型3D打印】推荐阅读：

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