彩色3D打印机的研究与探索

引 言

随着信息技术的发展，三维技术层出不穷，3D 打印技术作为一种新兴科技在制造业领域迅速发展。目前 3D 打印已成功打印出很多三维物体，在医学领域和工业领域都已经得到了成功应用，人们随之把 3D 打印技术称为 具有工业革命意义的制造技术 。但是当前的 3D 打印还局限在一种很单一的打印方式，很多公司生产出来的 3D 打印机都只能够打印出一种颜色的三维物体，无法在一种物体上打印出多种颜色。如果想打印多色，则要对打印机的材料进行更换，而打印机必须停止工作才可更换材料。就目前的打印机而言，若停止了 3D 打印机的工作，则打印机不会在上次停止的地方继续打印，必须从头开始。这将会浪费大量的材料和时间，如果要打印出一个精度很高的产品可能要花费一两天的时间，机器长时间工作将会影响作品的质量，也会影响打印机的使用寿命，导致 3D 打印的效率大大降低。所以本文将通过对目前 3D 打印机的研究， 提出对于 3D 打印机打印出彩色三维物体的一些对策。

1 3D打印

3D 打印源于 20 世纪 80 年代后期，是美国在研究照相雕塑和地貌成型时发现的一项新技术，这项技术在当时充分体现出了技术的精密化、智能化、通用化以及未来的发展趋势。1986 年，美国诞生了全球第一家生产 3D 打印设备的公司，名为 3DSyslems。此后，3D 打印技术的概念在全球飞速发展，越来越受人们的关注。而我国的 3D 打印技术出现在 20 世纪90 年代中期，这项技术可以打印出很多立体模型，例如我们身上穿的衣服和鞋子，运用 3D 打印技术与 3D 打印机可以打印出来。

3D 打印技术是一种将塑料或者特殊蜡材等可粘合材料通过累积制造技术将材料层层累积，通过在电脑上使用 3Dmax 绘图软件或者 CAD 绘图后，将所保存的图片转到 3D 打印控制软件（Repetier Host），将所绘的图进行切片处理后转换为 GCO 格式，最后通过与电脑连接控制将 GCO 格式的文件打印， 并通过 3D 打印机把 打印材料 层层叠加，最后构造出三维立体模型。

目前 3D 打印机最常用的材料主要有ABS、PLA 和 PVA 三种，ABS 最为便宜， 且熔点在 215℃ 到 250℃之间。而PLA 则更为环保，熔点更低。桌面 3D 打印机由于受专利限制， 打印机的设计与制作不得不采用开放式的打印仓，但是由于打印仓温度难以保证，所以人们会使用PLA 作为打印机的打印材料，而 PVA 则经常被人们用来为打印作品做支撑。

2 2D打印机与 3D打印机的结合对策

2.1 2D打印机工作原理

2D 打印机的工作原理和喷墨打印机的原理相似，打印机墨盒内部装有部分墨水，在喷嘴孔和墨盒之间用一根细管连接。然后利用一些控制指令来控制打印头上的喷嘴孔，将墨盒内的墨水输入到喷头中，让喷嘴孔喷出定量的墨水并打印在纸上。2D 打印机在工作时，计算机将处理好的打印信号通过打印机的转换接口传输到打印机的主控电路板上，并通过电路将接收的信号进行处理后转换成相应的控制信号。由控制信号控制墨盒内的墨水通过细管将墨滴从打印头喷出，然后打印纸自动进入打印机，通过打印头后输出到打印机外字车上，最后墨盒及喷头在纸的水平方向来回运动。这样喷头就将墨水喷在打印纸上面，形成我们所需要的文字或图像，完成打印过程。

2.2 2D打印机与3D打印机的结合

利用喷墨打印机的喷墨原理，在墨盒内装有 n个小墨盒， 每个小墨盒内装有不同颜色的墨水，利用控制指令来控制打印头上的喷嘴孔喷出墨水，经细管进入打印仓 1中。再把 3D打印材料输入到打印仓 1中经过高温加热，将 3D打印机的材料全部融化为液体状态，再通过打印仓 1将融化的材料和墨水一起送到打印仓 2中，打印仓 2中有一个高速转动的叶片螺旋桨，打印材料和墨水通过高速转动的叶片螺旋桨均匀融合在一起。最后将溶解好的材料经过细管通过吐丝喷头将材料喷吐出来，就可以将 2D打印机与 3D打印机有效结合在一起，打印出不同颜色的作品模型。2D打印机与 3D打印机的结合流程图如图 1所示。

3 结 语

本研究通过将 2D 打印机与 3D 打印机的合理结合，研究出一种对于彩色 3D 打印机的有效方法，解决了目前 3D 打印机打印的单一性。但还有部分问题有待进一步研究：

1墨滴与打印材料的融合具有不稳定性，墨滴与打印材料还不能均匀融合在一起，而且起墨滴的数量大小不能完全掌握。

2需要独立开发与控制系统相适应的上位机软件，加强对 3D打印机的控制。

3控制系统控制 3D打印机的打印精度不高，还需要对软硬件进行深度研究。