本文是一篇机械论文，本文设计并搭建了一款FDM多色多材料3D打印机，并对混合挤出喷头容易发生堵塞、丝料混合不均匀等问题进行了改进。通过混色方案设计，使该打印机具备了混色全彩打印和混色渐变打印功能。
第1章 绪论
1.1 引言
3D打印技术是建立在CAD三维模型的基础上，采用树脂、塑料、陶瓷或金属粉末等材料，以逐层叠加的方式进行制造零件的工艺。因此，3D打印技术又被称为快速成型技术或增材制造技术[1]。3D打印属于“自下而上”的材料积累制造加工工艺，能够一体化成型零件。相较于传统制造，其可以有效地减少材料浪费，提高材料利用率，以较低的成本生产结构复杂、难以加工的零件，缩短生产和开发周期[2, 3]。经过多年的发展，3D打印技术在成型精度和速度方面得到了极大的提高，目前已在航空航天、汽车制造、艺术创作、教育教学、医疗器械等诸多领域广泛应用[4]。
随着工业设计的不断发展，行业中对零件的性能、功能和应用都提出了更高的要求，对多色多材料零件的需求也日益增加。然而，目前市场上的大部分3D打印机被限制为一次只能打印一种颜色或材料，这已无法满足用户对多颜色、多性能模型的需求。通过多色多材料3D打印，可以打印多种颜色，呈现出更逼真的实物效果。此外，还能够打印具有不同性能（如形状记忆特性、导电特性等）的复合结构，在定制可穿戴设备、医疗模型、软体机器人等领域都有着广阔的应用前景，如Devin和Yuan等人利用多材料3D打印技术制造出了软体机器人夹手和爬行机器人[5, 6]。
多色多材料3D打印能够进一步增强产品功能，协助设计师创造出原本难以制造的产品，并以低成本加速迭代设计，使大规模个性化、定制化产品成为可能，有效发挥3D打印的优势。多色多材料3D打印是一种革命性的方法，将影响和改善我们日常生活中使用的各种物品，势将成为增材制造领域的重要研究方向与趋势。因此，为实现多色或多材料零件的快速成型，开发一款多色多材料3D打印机至关重要。
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1.2 3D打印技术原理
根据打印原理的不同，美国材料与试验协会将3D打印技术划分为七种类型：粘合剂喷射（BJ）、还原光聚合(VP)、材料挤压（ME）、材料喷射（MJ）、粉末床融合（PBF）、薄材叠层（SL）和直接能量沉积（DED）[7]。其中，VP的立体光刻（SLA）、ME的熔融沉积成型（FDM）和PBF的选择性激光烧结（SLS）是市面上最广泛使用的三种快速成型工艺。
SLA技术是一种最早开始商用化的3D打印技术，由Chuck Hull于1986年发明并推出[8]。SLA的原理是基于液态光敏树脂的光敏固化特性，该树脂在吸收特定波长的紫外线后会发生聚合反应而形成固体。在打印时，紫外线激光束将模型横截面轮廓投射到树脂表面，使树脂受到光照固化并形成一个薄层，待固化成型后平台向下移动一个层高，新的光敏树脂覆盖在上层再次扫描固化。按照预设程序重复该过程，直至完成整个零件成型，其原理如图1.1所示。SLA工艺的成型质量主要与曝光时间、扫描速度和激光功率强度有关[9]，其主要优势是成型精度高，零件表面光滑。但SLA工艺需要进行后处理，材料受光敏树脂数量的限制且成本较高，成型速度相对较慢[10]。
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第2章 多色多材料3D打印机的结构设计
2.1 总体方案设计
FDM多色多材料3D打印机的实现主要包括机械系统设计、3D打印喷头结构设计以及控制系统的编译与烧录。
机械系统设计主要包括打印机的框架设计、运动机构设计和送料机构设计。打印机的框架结构对于打印过程的稳定运行至关重要，运动机构的移动精度是保证成型精度的前提，需要在运动的过程中减少振动，送料机构需要具备充足的进给动力和进给精度，以确保打印丝料的精准进给。
3D打印喷头（热端）是一个高度集成的组件，是实现多色多材料3D打印功能的主要执行部件，应当在满足多色多材料打印功能的同时保证丝料稳定挤出，具备良好的成型精度。
控制系统主要指下位机控制系统，包括运动机构控制、送料机构控制及温度控制。主板是3D打印控制部分的核心，与PC端上位机通过串口连接，通过执行上位机软件发送的指令或切片生成的Gcode文件，控制X轴、Y轴、Z轴和挤出电机运动，协同实现3D打印成型。
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2.2 整机结构设计
2.2.1 打印机类型及框架
根据运动形式的不同，FDM 3D打印机的结构类型可以分为：笛卡尔式打印机（Cartesian型或XYZ轴式）、并联臂式打印机（Delta型或三角洲式）和极坐标式打印机（旋转平台式）。
笛卡尔式3D打印机是最常使用的打印结构类型，其将打印机的运动方向分为相互垂直的X轴、Y轴和Z轴，如图2.2（a）所示。通常有以下两种运动形式：喷头在X轴和Y轴上移动，热床在Z轴上下移动；喷头在Z轴、X轴上移动，热床在Y轴移动。
并联臂式3D打印机是通过将三根悬臂并联，实现对X、Y、Z轴的协同运动，通常为三棱柱型结构，通过三棱柱上的滑块对喷嘴进行定位。其原理依旧是笛卡尔坐标系，是将X、Y轴坐标映射到三个垂直于打印平台的轴上进行坐标换算，如图2.2（b）所示。该结构的优点是结构简单，不仅能节省空间，而且能极大地提高打印速度，但该机型的分辨率和打印精度较低。 极坐标式3D打印机使用极坐标系，也有三个轴，分别为θ、ρ、Z，其中θ和ρ完成X、Y平面的运动，喷头在Z轴上下移动，如图2.2（c）所示。该结构切片算法加复杂，在打印过程中，软件控制系统需要从G-code代码中提取出X、Y、Z轴数据，并将其转换为极坐标值。与笛卡尔式3D打印机相比，该结构设计紧凑，空间利用率高。打印底盘在XY平面上360度旋转，由于转动惯性，导致该机型的误差较大，成型精度低。
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第3章 3D打印喷头散热分析及共混打印测试 .................................. 31
3.1 喷头温度场仿真 ................................ 31
3.1.1 热仿真有限元理论 ............................ 31
3.1.2 模拟准备 .................................. 32
第4章 PLA/TPU/PETG 共混聚合物的快速成型与力学性能预测 ... 49
4.1 共混聚合物的快速成型............................... 49
4.1.1 实验材料 .................................... 49
4.1.2 打印工艺参数 .................................. 49
第5章 总结与展望 ........................................ 65
5.1 总结 .......................................... 65
5.2 展望 ..................................... 66
第4章 PLA/TPU/PETG共混聚合物的快速成型与力学性能预测
4.1 共混聚合物的快速成型
4.1.1 实验材料
聚乳酸(PLA)、热塑性聚氨酯(TPU)和对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己二烯二亚甲基对苯二甲酸酯(PETG)是FDM 3D打印最常用的三种材料。PLA具有良好的生物相容性和力学性能(较高的强度和模量)，但脆性较高，容易脆性断裂[66]。而TPU具有优异的弹性、生物相容性且触感柔软，但其强度和刚性较差[67]。与PLA相比，PETG具有脆性低、高冲击强度、耐化学变化、良好的抗弯曲性、耐热性和生物相容性，是制造复杂零件的重要材料[68]。这三种聚合物在性能上可以很好地互补，都被广泛用于包装、医疗器械领域[69-71]。因此，本文使用PLA、TPU、PETG三种聚合物作为基础材料进行共混实验研究。
实验所使用的PLA、TPU、PETG耗材购于深圳市辰龙三维科技有限公司，均使用本色耗材进行实验。材料相关参数如表4.1。
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第5章 总结与展望
5.1 总结
本文设计并搭建了一款FDM多色多材料3D打印机，并对混合挤出喷头容易发生堵塞、丝料混合不均匀等问题进行了改进。通过混色方案设计，使该打印机具备了混色全彩打印和混色渐变打印功能。此外，还使用该混色方案共混三种不同聚合物，利用ANN优化算法来探索共混物组分与性能之间的完整关系，具体研究工作与结论如下：
（1）本文首先进行了打印机整机机械结构设计，通过对比分析选择了CoreXY结构作为打印机类型。在此基础上，设计了X、Y、Z轴运动机构和挤出机送料机构，并完成了打印机机械机构的实物搭建。设计并加工了一款能够混合三种丝料的3D打印喷头，并设计了一款通用的喷头快拆装置来提高拆装效率。最后，进行了打印机控制系统研究，选择了合适的控制主板，采用PID控制策略对喷头和热床进行温度控制。针对打印机的运动系统，计算出了X、Y、Z移动轴和挤出机电机的脉冲数。并对控制系统的固件程序进行了配置、编译与烧录，实现了多材料混合打印功能。
（2）使用ANSYS Fluent软件对打印喷头进行了温度场仿真，对比不锈钢和PTFE两种喉管材料对喷头散热性能的影响，结果表明只有使用PTFE喉管且在散热风扇下，喉管进料口温度小于PLA玻璃转化温度Tg。在此基础上，进一步探究了散热风扇不同风速大小对喷头散热性能的影响，由计算所得温度场可知，当风速大于1.5 m/s时，喉管进料口的温度小于Tg，且继续增大风速Tg位置下移不明显，最佳风速为1.5 m/s。
（3）研究了多材料混合打印方法，通过固件和软件设置，最终实现了全彩色和渐变色打印，大幅度拓宽了打印工件的色彩覆盖范围。为解决熔融态丝料混合不均匀问题，设计并加工了三种不同结构的混合器，并对其进行了打印测试，结果表明两段反向式静态混合器具有最佳的混合效果。
参考文献（略）