張帆，許亞婷，謝雙楠

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

3D 打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的應(yīng)用之一，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)維度的創(chuàng)新及拓展有極其重要的意義。其中，熔融沉積成型3D 打印技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本低廉、原理操作簡(jiǎn)單、制造效率高，在教育科研、工業(yè)制造、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。基于FDM 的全彩3D 打印將逐步成為未來(lái)工業(yè)工藝市場(chǎng)的需求和發(fā)展趨勢(shì)。

全彩3D 打印對(duì)多種顏色材料進(jìn)行融合，由于設(shè)備性能、噴頭結(jié)構(gòu)、材料填充比例及速度等影響，造成混色顏色不可控，使打印顏色不準(zhǔn)確、顏色轉(zhuǎn)換時(shí)混色延遲[4]。顏色轉(zhuǎn)換的混色延遲主要發(fā)生在打印機(jī)從一個(gè)混合顏色變更到另一個(gè)混合顏色時(shí)，混合腔中仍存有上一種混合顏色材料。混色延遲的處理可以根據(jù)設(shè)備參數(shù)，對(duì)打印路徑進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而得到普適性處理方法。盡管國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)全彩3D 打印顏色處理有較為深入的研究，但針對(duì)混色滯后延遲的研究工作較少。因此，處理混色延遲對(duì)提高全彩3D 打印顏色可控性、促進(jìn)全彩3D 打印行業(yè)發(fā)展是必要的。

本文首先介紹全彩3D 打印混色延遲處理原理，接著利用材料及結(jié)構(gòu)等相關(guān)參數(shù)，分析得到正確的處理方法。最后通過(guò)3D 打印實(shí)例對(duì)該混色延遲處理方法進(jìn)行分析驗(yàn)證，旨在為FDM 全彩3D 打印的混色延遲提供合理適用的處理方法，提高全彩3D 打印顏色的可控性、精確性，促進(jìn)全彩3D 打印的發(fā)展。

1 “三進(jìn)一出”全彩3D 打印原理

1.1 3D 打印流程及混色延遲原理

基于FDM 的“三進(jìn)一出”全彩3D 打印流程如下：導(dǎo)入三維模型，利用切片軟件進(jìn)行切片處理。在軟件中設(shè)定顏色及相應(yīng)范圍等相關(guān)路徑參數(shù)，生成相應(yīng)G代碼。將G 代碼導(dǎo)入主板，G 代碼指令控制打印機(jī)運(yùn)動(dòng)。全彩3D 打印的材料為青色、品紅色、黃色3 種熱塑性PLA 材料，根據(jù)G 代碼指令將所需不同顏色原材料按比例在混合腔內(nèi)加熱混合，再由擠料口擠出[5]。噴頭根據(jù)G 代碼中填充指令進(jìn)行相應(yīng)軌跡運(yùn)動(dòng)，并擠出材料，擠出的材料迅速固化，層層堆疊后形成所需三維物件[6-8]。

在打印過(guò)程中，打印機(jī)接收到從顏色A 轉(zhuǎn)換為顏色B 的指令后立即改變進(jìn)料速率以實(shí)現(xiàn)顏色的變更，但混合腔內(nèi)仍存有顏色A 材料，打印機(jī)需打印出混合腔內(nèi)殘余顏色A 材料后，才能開(kāi)始打印顏色B 材料，因此造成混色延遲。

1.2 路徑代碼指令處理原理

G 代碼（G-code）是使用最為廣泛的數(shù)控編程語(yǔ)言，主要由關(guān)鍵字母G、M、X、Y、Z、E、F 等加上后續(xù)的數(shù)字字符組成。在G 代碼文件譯碼過(guò)程中，首先識(shí)別關(guān)鍵字母，識(shí)別出控制指令、輔助指令以及說(shuō)明性指令，再跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)加熱頭、讀取溫度等輔助函數(shù)接口[9]。

3D 打印中，切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理后，獲取模型各切平面輪廓信息，并對(duì)其進(jìn)行填充處理，生成該模型的G 代碼文件，控制打印機(jī)運(yùn)動(dòng)[10-11]。G 代碼文件主要由3 部分構(gòu)成，分別為起始代碼、路徑打印代碼和結(jié)束代碼。其中，常見(jiàn)路徑打印代碼指令包括：①G0 指令，標(biāo)識(shí)位置跳轉(zhuǎn)；②G1 指令，線段擬合曲線；③M165 指令，定義擠料比例[12]。

本文使用的3D 打印顏色切換方法原理主要根據(jù)M165 指令識(shí)別G 代碼中的顏色切換點(diǎn)，并通過(guò)G 代碼與殘余材料體積，確定填充部分或廢料柱匹配位置，記錄顏色切換位置，對(duì)路徑代碼進(jìn)行調(diào)整，最后輸出新的規(guī)劃路徑。

2 全彩3D 打印混色延遲處理方法

2.1 顏色切換方法原理

由于打印顏色由3 種材料混合而成，混合腔的存在不可或缺。因此，顏色變更時(shí)，混合腔中不可避免地存在上一顏色的殘余部分。為解決混色延遲，需要對(duì)該殘余部分進(jìn)行相應(yīng)處理，使其不影響打印的三維物體表面顏色的轉(zhuǎn)換。本文中，采用顏色切換的方式，將混合腔內(nèi)殘余材料用于打印物體內(nèi)部填充部分或廢料柱，從而對(duì)混色延遲進(jìn)行處理。

顏色切換方法通過(guò)對(duì)G 代碼文件的后處理實(shí)現(xiàn)。當(dāng)讀取至顏色轉(zhuǎn)換指令M165，計(jì)算混合腔殘余材料體積，與同層剩余填充部分Vr需打印體積Vi進(jìn)行對(duì)比。如果Vr＞Vi，表明同層填充部分打印完成后，混合腔內(nèi)仍存在殘余材料，此時(shí)應(yīng)在打印填充部分完成后，跳轉(zhuǎn)至打印廢料柱，待殘余材料消耗殆盡后返回原位置正常打印；如果Vr≤Vi，表明打印機(jī)混合腔內(nèi)殘余材料可在填充部分的打印中耗盡，不需打印廢料柱。

2.2 混色延遲處理流程

針對(duì)“三進(jìn)一出”全彩3D 打印存在的混色延遲現(xiàn)象，采用顏色切換方法，需進(jìn)行如下工作：①?gòu)U料確定。根據(jù)混合腔體積確定顏色轉(zhuǎn)換所需打印廢料量，規(guī)劃廢料打印路徑。②顏色切換點(diǎn)確定。確定G 代碼文件中顏色變化位置，記錄跳轉(zhuǎn)前的坐標(biāo)，并標(biāo)記為顏色切換點(diǎn)。③位置匹配點(diǎn)確定。通過(guò)廢料量、顏色切換點(diǎn)位置、同層剩余填充部分體積，經(jīng)計(jì)算確定同層填充部分代碼或廢料柱代碼中與廢料量位置匹配的位置，并標(biāo)記為位置匹配點(diǎn)。④跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。從顏色切換點(diǎn)插入匹配的填充部分代碼或廢料柱部分代碼，并對(duì)G 代碼進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。本文顏色切換方法主要包括廢料確定、顏色切換點(diǎn)確定與位置匹配點(diǎn)確定3 個(gè)過(guò)程。

2.3 廢料確定

基于FDM 的“三進(jìn)一出”全彩3D 打印機(jī)混合腔結(jié)構(gòu)一般為圓柱體。顏色轉(zhuǎn)換時(shí)，殘余材料集中于混合腔內(nèi)，設(shè)混合腔體積為V，即變色時(shí)產(chǎn)生的時(shí)滯。可得：式（1）中：d為混合腔橫截面直徑；h為混合腔高度。

打印機(jī)在某一層打印時(shí)，設(shè)變換顏色次數(shù)為N，則變色產(chǎn)生的總時(shí)滯Vsum=N×V=Nπ（d/2）2h；設(shè)在該層打印中，填充部分所需最大打印體積為ΔEmax。

當(dāng)顏色切換點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，首先判斷是否需要打印廢料柱。根據(jù)Vsum與ΔEmax大小關(guān)系，可能出現(xiàn)以下2 種情況。

Vsum≤ΔEmax：殘余材料在填充部分打印的過(guò)程中可消耗完畢，不需要打印廢料柱。

Vsum＞ΔEmax：當(dāng)填充部分完全打印完成時(shí)，殘余材料仍未消耗完畢，為保證打印的精確性，應(yīng)在填充部分打印完成后，立即跳轉(zhuǎn)至打印廢料柱部分，將殘余材料打印完畢。

2.4 顏色切換點(diǎn)及位置匹配點(diǎn)確定

本文中，顏色切換點(diǎn)為打印機(jī)在顏色轉(zhuǎn)換時(shí)，填充部分代碼或廢料柱部分代碼插入的位置，即打印機(jī)顏色轉(zhuǎn)換時(shí)開(kāi)始廢料打印的初始位置；位置匹配點(diǎn)為插入的填充部分代碼或廢料柱部分代碼的終點(diǎn)位置，即打印機(jī)廢料打印完成后跳轉(zhuǎn)回正常打印的插入代碼的結(jié)束位置，如圖1 所示。其中，X、Y值表示笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)點(diǎn)，E為打印機(jī)在該條指令中的擠料體積。出現(xiàn)G0 指令時(shí)，擠出裝置將停止擠出材料，并快速?gòu)默F(xiàn)在的工作點(diǎn)移動(dòng)到下一個(gè)工作點(diǎn)；出現(xiàn)G1指令時(shí)，2 段相鄰G1 代碼表示一線段式路徑運(yùn)動(dòng)軌跡；出現(xiàn)M165 指令時(shí)，擠料裝置按照比例指令擠料，對(duì)于M165A∶B∶C指令，A、B、C為百分比，且A+B+C=1。

圖1 顏色切換點(diǎn)及位置匹配點(diǎn)

單層打印中，變色產(chǎn)生的總時(shí)滯為Vsum，插入的部分填充或廢料柱代碼打印的總體積為Esum=En+2+En+3+…+Er，則應(yīng)使Vsum=Esum成立，即Er=Vsum－（En+2+En+3+…+Er）。

由于兩段相鄰G1 代碼表示一線段式路徑運(yùn)動(dòng)軌跡，位置匹配點(diǎn)的位置可能出現(xiàn)以下2 種情況。

理想情況：該G 代碼中剛好存在某一行代碼中的Ex值恰好等于Er，使Ex=Vsum－（En+2+En+3+…+En-1）。

非理想情況：該G 代碼中沒(méi)有一行代碼中的Ex值與Er相同，但存在相鄰代碼E值Ex-1、Ex，使En+2+En+3+…+Ex-1＜Vsum＜En+2+En+3+…+Ex-1+Ex。

為保證色彩精確度，對(duì)于第二種情況，可設(shè)定位置匹配點(diǎn)為Ex，使殘余材料完全耗盡，不影響打印物件色彩精確度。

3 混色延遲處理實(shí)驗(yàn)分析

3.1 全彩3D 打印實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)裝置采用自主開(kāi)發(fā)的基于FDM 的“三進(jìn)一出”全彩3D 打印系統(tǒng)，切片處理軟件采用STUDE-CURA，打印材料為PLA，材料直徑為1.75 mm，打印溫度為200 ℃。

3.2 三進(jìn)一出”全彩3D 打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 顏色轉(zhuǎn)換方法實(shí)驗(yàn)分析

三維模型經(jīng)過(guò)切片處理后的顏色切換點(diǎn)出現(xiàn)在顏色轉(zhuǎn)換指令出現(xiàn)時(shí)，位置匹配點(diǎn)出現(xiàn)在與顏色切換點(diǎn)同層打印、滿足變色時(shí)產(chǎn)生時(shí)滯關(guān)系的填充部分或廢料柱部分。為進(jìn)一步驗(yàn)證上文顏色切換方法正確性，采用同一模型，設(shè)計(jì)使用和未使用顏色切換方法2 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，評(píng)估驗(yàn)證轉(zhuǎn)換方法對(duì)混色滯后的處理作用。

由于3D 打印中，多層打印的顏色切換方法處理由多個(gè)單層打印的顏色切換方法處理組成，因此，本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)單層打印中顏色切換方法處理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.2 單層3D 打印模型設(shè)計(jì)及處理

為使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯，設(shè)計(jì)一種由2 種對(duì)比分明顏色，即紅色與藍(lán)色組合而成的立方體組合模型。實(shí)驗(yàn)所用模型長(zhǎng)4 cm，寬2 cm，由于實(shí)驗(yàn)為單層打印實(shí)驗(yàn)，因此設(shè)定模型高0.25 mm。在打印過(guò)程中，在模型表面的中間位置對(duì)噴頭中材料顏色進(jìn)行切換。通過(guò)觀察打印所得模型在中間交界部位的顏色變化以及2 種顏色所占比例，可得到明顯的對(duì)比現(xiàn)象。

對(duì)該立方體模型生成的相應(yīng)G 代碼文件進(jìn)行相應(yīng)處理，處理前后G 代碼相應(yīng)路徑軌跡如圖2 所示，其中，①、④為模型外輪廓，②、⑤為模型填充部分，③為顏色切換點(diǎn)，在③處設(shè)定模型顏色由紅色切換為藍(lán)色。

圖2 打印機(jī)路徑軌跡

未經(jīng)處理時(shí)，打印機(jī)進(jìn)行打印的順序?yàn)棰佗冖邰堍?；處理后，將部分填充代碼提前直顏色切換點(diǎn)后，此時(shí)打印機(jī)進(jìn)行打印的順序?yàn)棰佗冖邰茛堋⑻幚砬昂蟮腉 代碼文件進(jìn)行實(shí)物打印，并對(duì)2 組實(shí)物的模型外輪廓①、④進(jìn)行對(duì)比，如果處理后的實(shí)物在顏色切換點(diǎn)未發(fā)生混色延遲，則可證明本文顏色切換方法的可行性。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

實(shí)驗(yàn)得到如圖3 的單層長(zhǎng)方形打印實(shí)物，圖3（a）為未采用顏色切換方法打印出的實(shí)物，圖3（b）為采用顏色提前切換算法后得到的實(shí)物。

圖3 單層成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，可以觀察到兩實(shí)物的右側(cè)外輪廓（路徑軌跡對(duì)應(yīng)①處）與右下部分（路徑軌跡對(duì)應(yīng)②處）偏橘紅色，且左右兩側(cè)紅色深度分布不均勻，主要原因如下：①打印機(jī)剛開(kāi)始打印時(shí)，混合腔內(nèi)混色不均勻，導(dǎo)致開(kāi)始打印時(shí)顏色出現(xiàn)偏差；②單層打印時(shí)，由于打印機(jī)噴頭與底板間隙不絕對(duì)一致、打印機(jī)剛開(kāi)始運(yùn)行不穩(wěn)定等原因，易使顏色濃度分布不均勻。預(yù)計(jì)在多層實(shí)驗(yàn)后該誤差影響可忽略不計(jì)。

為驗(yàn)證誤差原因，設(shè)置高度為23 mm 的多層模型，顏色設(shè)置為與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤募t色，通過(guò)該模型進(jìn)行3D 打印得到如圖4 的長(zhǎng)方體打印實(shí)物?？梢杂^察到該模型底部（第一層打印的部分）同樣出現(xiàn)部分偏橘紅色的情況，同時(shí)多層打印的實(shí)物外輪廓顏色濃度分布均勻。因此，可以驗(yàn)證單層實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的誤差影響可在多層打印中忽略不計(jì)。

圖4 高23 mm 的單色多層實(shí)物

在排除誤差后，對(duì)單層打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，圖3（a）中實(shí)物左右兩側(cè)外輪廓均為紅色，在顏色切換點(diǎn)并未發(fā)生顏色轉(zhuǎn)換，存在混色延遲現(xiàn)象；圖3（b）中實(shí)物右輪廓為紅色，左輪廓為藍(lán)色，在顏色切換點(diǎn)發(fā)生顏色轉(zhuǎn)換，不存在混色延遲現(xiàn)象。從單層實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知采用顏色切換方法對(duì)基于FDM 的“三進(jìn)一出”全彩3D 打印的混色延遲的處理是可行的。

4 結(jié)論

混色延遲的處理對(duì)全彩3D 打印行業(yè)發(fā)展具有重要作用。根據(jù)全彩3D 打印特點(diǎn)，基于FDM 的“三進(jìn)一出”全彩3D 打印存在混色延遲問(wèn)題，造成混色顏色不可控。針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)全彩3D 打印的混色延遲的處理方法進(jìn)行研究，主要取得以下研究成果：①對(duì)切片處理生成的G 代碼文件，結(jié)合打印裝置特點(diǎn)，提出了顏色切換方法；②采用自主研發(fā)的基于FDM 的“三進(jìn)一出”全彩3D 打印機(jī)進(jìn)行顏色切換方法的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法可行性與準(zhǔn)確性；③該方法節(jié)約材料，利于環(huán)保，為全彩3D 打印的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。