全色3D打印機(jī)

鄧介銘

前言

目前，市面上的3D打印機(jī)多種多樣，但一般僅可基于2種顏色轉(zhuǎn)換打印。雖然各種顏色的打印絲在市場上都可以買得到，但是全色打印需要大量多種顏色的打印絲耗材，不經(jīng)濟(jì)且在技術(shù)突破上有難點(diǎn)。而我想研發(fā)的全色3D打印機(jī)可基于5種基本色（青、品紅、黃、黑、白），用軟件控制各料絲進(jìn)給量，通過“五進(jìn)料單擠出”的3D打印噴頭裝置，擠出滿足需求的、調(diào)和成的新顏色，從而降低打印成本，提高使用效率，提高成品美觀度。

工作原理

色彩學(xué)原理

四色印刷是印刷的方法之一。它是用青（C）、品紅（M）、黃（Y）和黑（K）4種顏色按減色混合原理實(shí)現(xiàn)全彩色復(fù)制的平版印刷方法。理論上，以Y、M、C和K4種顏色組合而不重復(fù)，四色印刷可以獲得成千上萬種顏色。單色（Y、M、C和K）4種;雙色（Y+M、Y+C、Y+K、M+C、M+K、C+K）6種;三色（Y+M+C、M+C+K、Y+C+K、Y+M+K）4種;四色（Y+M+C+K）1種，共計(jì)15種顏色。以此推理下去，四色印刷可以獲得全彩色。

四色印刷到五色打印的轉(zhuǎn)變

印刷所用的三原色是青（C）、品紅（M）、黃（Y），但在傳統(tǒng)紙張印刷中，由于三原色在實(shí)際中不能夠高純度地還原黑色，因此在紙張是白色的基礎(chǔ)上，普通打印機(jī)普遍為青、品紅、黃、黑四色印刷。那么，3D打印機(jī)想要實(shí)現(xiàn)全彩色打印，僅僅用四色印刷原理是不夠的，因?yàn)闆]有白色的紙張，所以還需要加入白色。因此，全色3D打印機(jī)的基本顏色應(yīng)當(dāng)有青（C）、品紅（M）、黃（Y）、黑（K）和白（W）5種顏色。想要實(shí)現(xiàn)五色打印，需要基于四色印刷原理，根據(jù)C、M、Y、K四色比例，以黑色（K）為優(yōu)先，剩下的用青（C）、品紅（M）、黃（Y）填充，再用白色（W）填充。從四色印刷到五色打印的轉(zhuǎn)變通過我開發(fā)的軟件編程實(shí)現(xiàn)。

控制系統(tǒng)

受原主控板每次只能讓一個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的限制，本產(chǎn)品采用分時(shí)控制法，由我開發(fā)的軟件控制系統(tǒng)完成。將1秒鐘分成約100份，再以1秒鐘時(shí)間為循環(huán)，利用主控板在不同的時(shí)間分別控制其中一色電機(jī)擠絲，由軟件控制每種色的擠出量，以實(shí)現(xiàn)全色打印。由于把時(shí)間分割得盡量短，因此可以將每種顏色的量盡可能合理化地?cái)D出，不會增加打印時(shí)間。

例如：需要打印的為純白色，那么輸入RGB（1024，1024，1024），電腦系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算CMYKW為（0，0，0，0，1024），因此控制器只控制白色出絲。若需要打印的為黑色，那么輸入RGB（0，0，0），電腦系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算CMYKW為（0，0，0，1024，0），因此控制器只控制黑色出絲。若需要打印的是灰色，那么輸入RGB（512，512，512），電腦系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算CMYKW為（0，0，0，512，512），因此控制器控制黑色和白色共同輪換出絲。

工程設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)

折疊機(jī)體設(shè)計(jì)綜合考慮，最終我在自己設(shè)計(jì)的幾套機(jī)體設(shè)計(jì)方案中選擇了折疊式小體積的機(jī)體設(shè)計(jì)，以達(dá)到美觀個(gè)性、便攜方便的效果（見圖1）。

●滑動(dòng)結(jié)構(gòu)：用SolidWorks軟件建模打印和外加工制作。使z軸與y軸的連接點(diǎn)可以順著軌道型材自由滑動(dòng)至原點(diǎn)，然后折疊，從立體變成平面。

●磁鐵固定：為了保證折疊3D打印機(jī)的穩(wěn)定性，在滑動(dòng)結(jié)構(gòu)中加入強(qiáng)磁鐵固定z軸，使其垂直于底板。利用底板框架與軸承對操作臺進(jìn)行限位，使其僅能在y軸上運(yùn)動(dòng)。將x、y、z三個(gè)方向的軸與軌道型材合二為一，利用3D打印機(jī)制作合適的框架結(jié)構(gòu)，縮小整體體積。

噴頭及送絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擠出裝置是3D打印機(jī)的主要機(jī)械部件，為了實(shí)現(xiàn)全色打印，我設(shè)計(jì)了“五進(jìn)料單擠出”的噴頭裝置，含送絲結(jié)構(gòu)、可拆卸0.6mm噴嘴、加熱電阻、溫度傳感器、風(fēng)扇等部分。遠(yuǎn)程送絲——溫度傳感器到210℃左右開始由隔熱白色膠管引導(dǎo)PLA材質(zhì)打印絲——料絲進(jìn)入熔腔熔化混合——在擠出力的推動(dòng)下從噴嘴擠出。

創(chuàng)新點(diǎn)

研發(fā)了顏色控制系統(tǒng)和“五進(jìn)料單擠出”的噴頭裝置，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全彩色打印;由原控制器控制出絲總量，基本不增加打印時(shí)間和打印耗材;采用可折疊個(gè)性化迷你3D打印機(jī)機(jī)體，外觀更加美觀;產(chǎn)品的成本價(jià)格在1500元左右，造價(jià)合理。