马瑞涛，代丹丹，陈 辉，吴瑞玉，陈嘉民

(新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023)

0 引言

工业制造水平可以体现一个国家的综合实力，3D打印这种新技术的出现也推动了工业制造领域的发展[1]。三角洲型混色3D打印机的机械原理和电控设计相似于普通Delta 3D打印机，通过Arduino mega2560单片机的计算得出运动轨迹从而控制挤出头机构，但市面上的3D打印机价格不够经济实惠，耗材颜色单一，无法满足3D打印技术使用者新的需求，廉价亲民的3D打印机的设计制造出现瓶颈[2]。

本研究是在现有的单色3D打印机的基础上进行改进，以期达到混色打印的目的。

1 三角洲型二进一出混色3D打印机总体设计

1.1 运动控制部分单片机硬件系统设计

1.1.1 硬件设备的选择

(1) 单片机主板的选取。笔者认为低成本的三角洲型二进一出混色3D打印机的设计制造更加符合商业规律，从而单片机选择了开源平台，型号为Arduino mega2560，如图1所示。这是一款搭载了ATmega2560芯片的Arduino主板，它的固件采用Marlin，将控制程序通过串口通信的方式烧录到Arduino mega2560主板上，是具有较好兼容性的开源单片机，经常用于Delta型3D打印机和Prusa型3D打印机控制系统中，其功能较为强大。

图1 Arduino mega2560步进电机驱动芯片 图2 HR-A4988型

(2) 42步进电机驱动芯片的选取。在筛选比较后，采用HR-A4988型步进电机驱动芯片，如图2所示。这是一种价格低廉的驱动芯片，能满足42步进电机驱动控制的要求，广泛应用于激光雕刻机、3D打印机、3D扫描仪、二维绘图仪的步进电机驱动控制。

1.1.2 硬件连接

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台[3]，它也是一款具有自己IDE编程环境的单片机，可以在Windows操作系统上运行，在机械臂、智能车辆、智能家居、无人机、3D打印领域都有广泛的应用。

在Arduino mage2560主板上面插入ramps 1.4扩展板(见图3)，将HR-A4988型步进电机驱动芯片插在ramps 1.4扩展板的芯片卡槽上。这个扩展板上有5个步进电动机芯片卡槽、3个限位开关接口、2个热敏电阻接口和1个LCD显示屏排线接口，可分别接入三臂并联控制部分的42步进电机和两个步进挤出电动机、三臂并联控制部分的限位开关、热敏电阻以及12864 LCD显示屏。

图3 ramps 1.4扩展板

1.2 软件系统设计

3D建模技术的应用是进行3D打印的重要根基，需要通过一些三维制图软件进行建模，用到的软件有SolidWorks、UG等三维软件。模型建立完成后，将模型导出为STL文件，采用Cura软件(如图4所示)对三维模型的STL文件进行切片，翻译成为打印机控制芯片可以识别的gcode指令，将gcode指令文件复制到打印机主板的闪存卡上，打印机就可以根据gcode指令编程进行打印。在进行打印操作之前利用Cura软件预览打印物件效果图，并在打印中实时追踪被打印的物件所处的情况。

图4 Cura软件界面

2 混色3D打印耗材的选择与研究

市场上现有的多数3D打印机所使用的耗材为PLA和ABS两类，这两类材料都可以通过高温进行融化，形成带有黏性的液态有机溶剂，通过重新堆积，然后缓慢在室温下冷却重新形成具有一定强度的固体。

选择材料时主要考虑到以下几个方面：

(1) 在市场上，ABS树脂的用量远远多于PLA(聚乳酸)塑料，价格也更便宜。

(2) 相比于ABS树脂，PLA作为一种可降解的生物材料，更加环保。

(3) 耐高温性能方面，ABS略优于PLA；加工温度ABS为220 ℃，PLA为200 ℃。PLA树脂更适合远距离送丝。

(4) ABS的强度大于PLA，但是PLA比ABS更容易成型，而且模型具有良好的光泽和明亮的颜色。而ABS三维打印模型一般需要做表面处理。

(5) ABS在加热到一定温度后会缓慢地转变为凝胶状液体，不发生相变。PLA会直接由固体变为液体，容易造成喷嘴堵塞。在打印时，ABS比PLA更容易产生翘曲，如图5所示。

图5 ABS打印中的翘边现象

综合三角洲型3D打印机的远程送丝特点，考虑到对于混色3D打印机需求更多的是工艺品的制作，最后为了保证打印物件的质量与美观，决定采用PLA为打印机耗材。

3 三角洲型二进一出混色3D打印机可行性验证试验

3.1 混色效果的研究

打印试验分为两组，第一组打印试验采用手工热熔白色和黄色的耗材，当我们减少黄色耗材的用量，并且逐渐增加白色耗材的用量，这时耗材溶液中黄色逐渐变浅。

第二组我们采用黄色和蓝色的耗材进行混色，为方便进行双色PLA材料混色的研究，我们分别打印三个圆柱体物件进行研究。打印时喷嘴与底板的距离为0.1 mm，喷嘴的加热温度为200 ℃.黄色与蓝色耗材的送丝速度比例分别为1∶1、2∶1和1∶2进行打印，经过混色研究发现当黄色与蓝色耗材以1∶1的比例混合后打印出来物件的颜色为绿色，当比例为2∶1时打印出来物件的颜色为浅蓝色，当比例1∶2时打印出来物件的颜色为翠绿色，见表1。

表1 黄色和蓝色耗材混色试验

3.2 制件打印的研究

我们首先设定双色打印物件的程序，让一号挤出机开始以1.5 mm/s的速度送丝打印，随着时间的推移，一号挤出机的速度逐渐下降，直至为零；让二号挤出机的速度以0 mm/s开始逐渐增加，达到1.5 mm/s的最大速度。最终完成制件的打印。

4 试验结论

通过上述耗材混色试验，我们选择出了合适的耗材以及相应的混合比例，并将其运用到实际，成功地打印出了黄蓝混色的笔筒(如图6所示)和白黄混色的兔子(如图7所示)，说明了二进一出混色3D打印机的可行性。

图6 用黄色和蓝色耗材打印的笔筒 图7 用白色和黄色耗材打印的兔子

5 结语

本文中提到的三角洲二进一出混色3D打印机是在Delta 3D打印机原本的机械结构上进行了改装升级，让其能够实现混色物件的3D打印，我们维持了Delta 3D打印机的大部分主体结构和控制电路，并且创造性地实现了混色打印，这为后期我们研究利用三原色混色原理制作彩色3D打印机提供了思路。