新型多色3D 打印機結構和控制系統設計研究

馮興瀚

（廣西機電技師學院 廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著科技與制造業的不斷發展，3D 打印技術已經成為現代制造領域的一項重要技術，然而，目前多色3D 打印技術在打印效率、精度及成型件顏色單一等方面仍存在諸多挑戰。 基于此，本文提出一種新型多色3D 打印機結構與控制系統設計方案，該方案通過優化打印機結構、改進控制系統，實現了高效、高精度的多色打印，為多色3D打印技術的創新與發展提供新的方法與思路，對于降低制造成本與推動制造業發展具有重要意義。

1 多色3D 打印機結構

1.1 絲料換絲結構設計

本文設計的多色3D 打印機結構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，從而實現高效和高精度打印。 絲料換絲結構作為多色3D 打印機的核心部件，包括兩副齒輪傳動系統。 其中，直齒輪用于傳遞步進電機動力至行星齒輪，當步進電機轉動時，太陽輪帶著三個行星齒輪一起轉動，在每個行星齒輪徑向設置凹槽，將其與支撐頂桿的凸槽相嚙合，該設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。 其中，三臺絲料進料機呈環形布局，且每個絲料送料機借助一個從動錐齒輪與對應的主動錐齒輪相嚙合［1］。 多色絲料換絲結構如圖1 所示。

圖1 多色絲料換絲結構圖

與此同時，在支撐頂桿的上方裝置一個凸輪盤，其轉軸與行星齒輪的轉軸平行，并在凸輪盤面向頂桿的一側設計一個凸起，當直流電機帶動凸輪盤旋轉時，凸起能夠施壓對應頂桿的受壓面。 在頂桿軸與行星輪之間建立聯軸器，使行星齒輪能夠將其旋轉運動傳遞到頂桿軸。 伴隨凸輪盤角度的變化，頂桿軸轉動帶著下方錐齒輪轉動，從而驅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，凸輪盤會繼續轉動，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，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，凸輪盤根據程序又轉過一定角度時，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過的角度，可以使不同顏色絲料準確轉換，從而實現一個步進電機完成多種顏色絲料的轉換，進而實現多色打?。?］。 這種多色3D 打印機的設計與結構能夠顯著提升打印效率和精度，為多色3D 打印技術的創新與發展提供新的方向與思路。

1.2 相關齒輪計算與設計

完成絲料換絲結構設計后，進一步設定一些關鍵的參數。 具體設計如下：

（1）傳動比。 該參數描述太陽輪與行星齒輪之間的轉速關系，由于太陽輪與行星齒輪將以相同的速度旋轉，因此，傳動比設為1。

（2）模數。 該參數決定著齒輪的尺寸與承載能力，被設為2，在此基礎上能夠計算出其他相關的尺寸，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。 這兩個參數描述的是齒輪尺寸。

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

（5）分度圓直徑。 該參數是根據齒數與模數計算得來的，其對于明確齒輪的尺寸和轉速至關重要。

（6）壓力角。 該參數描述齒輪在接觸點上的受力情況，此處被設為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表如表1 所示。

表1 太陽輪與行星齒輪參數表

1.3 噴頭結構設計

噴頭結構是多色3D 打印機的關鍵組成部分，一個好的噴頭結構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計要點：

（1）進料管。 進料管主要負責輸送絲料，設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，從而實現絲料的穩定輸送。

（3）加熱管。 加熱管用于加熱和熔融絲料，實際設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，因此需要選用恰當的散熱器結構與材料，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，需要實時監測加熱管的溫度，從而實現溫度的精準控制，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。 噴嘴作為噴頭關鍵的部件之一，直接決定絲料的噴出效果。 設計噴嘴需要考慮噴嘴的長度、直徑及噴嘴口的形狀等因素，恰當的噴嘴直徑與長度能夠保障絲料擠出的精確性與穩定性，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致阻塞，增加風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 控制系統設計

2.1 硬件電路設計

設計新型多色3D 打印機結構與控制系統時，設計硬件電路至關重要，主要包括電源電路設計、控制電路設計、加熱電路設計、運動控制電路設計及料管與噴嘴設計等。 在電源電路方面，為確保3D 打印機的可靠穩定工作，需要為其配備可靠的電源，并設計相關電源電路，將交流電轉換成直流電，從而為各分部提供必要的電壓。 在控制電路方面，為實現3D 打印機的高效精準控制，需要設計合適的控制電路，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，同時按照預設程序來精準控制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，每一個系統均由一個驅動器與一個步進電機組成，驅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］。 實際設計噴嘴過程中需要綜合考慮材料的熔點、特性及噴射的穩定性等因素。

2.2 軟件程序設計

除了上述的硬件電路設計，還需要對軟件程序進行設計。 設計合理的軟件程序旨在實現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鍵信息。 由此，設計軟件程序需要實現一個G?code 解析器，并將G?code 指令解析為能夠被3D 打印機理解與執行的命令。

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

（3）數據處理。 打印過程中需要處理大量的數據，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據處理算法與優化技術，來提高數據處理的精度與速度。

（4）通信接口。 由于控制系統軟件需要經常與外部設備進行通信，如串口、通用串行總線等，因此需要準確相關通信接口程序，從而實現數據的傳輸與控制信號的接收。

（5）安全保護。 為有效保證3D 打印機的穩定與可靠運行，還需要設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；當打印過程中發生異?，F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。 控制系統軟件架構圖如圖2 所示。

圖2 控制系統軟件架構圖

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 指令以及后面的數字時，微處理器要停止運行其他任務，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送信號，此時直流電機會帶動凸輪盤旋轉至目標色料頂桿上，并將頂桿壓下。 上述操作完成后，控制器會繼續讀取G 代碼指令。

通過上述操作與流程，控制系統能夠精準執行帶有顏色信息的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，需要檢查整個系統處于正確的位置，才可以繼續后續的操作。 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，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字，該數字代表不同顏色的絲料；再次，按照字符T 后面的數字，控制直流電機旋轉到相應的角度，從而使凸輪盤選擇對應的顏色絲料；從次，在選擇完絲料后，繼續開始讀取G?code 指令，同時控制打印機完成相應的操作；最后，完成當前指令的執行后，進入下一個循環，重新開始讀取G?code 指令，直到滿足預設的結束條件或是遇到結束指令結束程序。

2.3 其他核心模塊設計

除了硬件電路與軟件程序，還需要重點關注打印控制模塊、運動控制模塊及材料供給控制模塊等核心模塊的設計與實現。 其中，打印控制模塊用于接收用戶輸入的打印指令，并將指令轉化成具體的打印參數，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置。 此外，該模塊還需要實現與其他模塊進行通信，從而實現全面打印控制功能；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，從而實現復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響應等問題；材料供給控制模塊用于控制打印材料的調節與供給，能夠按照打印需求來準確控制材料的溫度與流量，從而確保打印質量與可靠性。 通過設計和實現上述模塊，本文設計的新型多色3D 打印機可以更好地符合用戶的需求，從而提供高質量、穩定的多色3D 打印服務。

3 結語

綜上所述，本文深入研究并設計了一種新型多色3D打印機結構與控制系統，通過優化3D 打印機，并改進控制系統，實現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 打印技術的應用范圍。該新型多色3D 打印機在很多領域行業具有廣闊的應用前景，如藝術、建筑或航空航天等，然而，多色3D 打印技術仍存在諸多潛在挑戰，如打印速度、材料性能等，未來將持續優化和改進打印材料、控制系統等，以進一步推動多色3D 打印技術的創新與發展。