本发明属于彩色FDM-3D打印机的彩色铺层的工艺方法，确切的讲是在逐层打印物件的过程中，在处理轮廓边界铺层时进行换色折返路径处理的方法。
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背景技术：
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熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点，现今大多数桌面FDM型3D打印机均采用这种材料。
挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件，大多数采用加热棒对铝块进行间接加热法,将塑料丝通过挤出机总成的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位，经过熔化，进入喷嘴区域，最后由挤出孔挤出,融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。
挤出机总成中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机总成长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机总成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机总成散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，作者可以将打印台做成加热床，床内有热敏电阻与电路板相连，来控制加热床的温度，为了节约制作成本，作者就不使用加热床了。
单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头的打印速度更快，打印效率也更高，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高，这样会降低打印的精度。位于挤出机总成最下端喷头的喷嘴直径有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是，选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。
加热喷头携带挤出孔在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作 X-Y平面运动，快速冷却后形成一层大约0.127-0.50mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。
电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作用，作如下介绍。Arduino Mega 2560主控板Arduino Mega 2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为54个，模拟输入引脚为16个，每个I/O引脚的直流电流为50毫安，主控板是3D打印机的大脑，负责控制整个打印机来完成特定的动作，如打印特定的文件等。这里需要说明，拓展版给主控板供电的二级管不焊接，也就是需要单独给mega 2560主控板供电，直接使用USB 5V或通过电源接头供电。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)，它开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需要修改，它满足了不同人群创新创意的需要。3D打印机运行前，需要在Arduino IDE中下载Marlin固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。拓展板Ramps 1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。拓展板需要接两个12V电源，其中一个为11A，为加热床供电，另一个为5A，为挤出机、各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12V、5A电源即可。Ramps 1.4拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的LED，挤出机总成与各轴电机均通过步进电机驱动板A4988由主控板控制，由于作者采用单机头打印机，挤出机总成2电机接口不用安装A4988，位于拓展板右上角，有X、Y、Z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。A4988步进电机驱动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现XYZ轴电机及挤出机总成的动作。A4988步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用。驱动板通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。
软件部分举例：前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、UG、3D Max等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将STL文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯 会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一下打印机的软件部分。下位机软件Marlin固件为自由软件，可以直接用来做软件开发，而作者在3D打印机中使用Marlin固件时，只需要在Ardui no IDE软件中下载完固件，找到Marlin固件中的Configuration.h文件，可根据自己的需要来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。
目前彩色FDM-3D打印机的彩色生成方式有以下3种机型：
多色颜料融注混合挤出FDM-3D打印机:2013年4月，美国威斯康星-麦迪逊大学耗材融化之际往里面添加颜色，从而实现FDM 3D打印机的彩色打印。
开发团队将这个新的装置描述为一支“虚拟画笔”，通过对单个聚合物材料施加一种染色工艺来实现全彩色的3D打印。所以。这种彩色3D打印并不需要多个喷嘴和多种不同颜色的线材。Spect rom工作原理是通过精确计算什么样的时候需要什么样的颜色，然后用不同颜色的墨水去染同一个线材。所以只需要一个喷嘴即可实现彩色3D打印。
目前的不足之处是颜色改变速度缓慢的缺陷：不同颜色的过渡容易出现混乱。(比如，当从黄色变为蓝色时，中间地带可能会出现绿色的小块),但是原理上具有改善物料混合颜色改变的速度,比如减少混合腔的容积。
另一不足之处是颜料携带载体缺陷，化学溶剂挥发将生成有害气体。
多色物料多孔独立挤出FDM-3D打印机:多色的桌面型3D打印机(比如ProDesk3D)需要多个挤出机总成才能制造彩色效果。双色3D打印机标配了两个挤出机总成，属于双材料挤出的机型。它的机身背部挂载两个料盘，支持ABS和PLA两种耗材。并且在市面上，我们可以找到多种颜色的通用耗材。这样一来就可以自由搭配，按照需要选择合适的颜色和材料类型。不足之处是：突变色彩分界及颜色的数量有限的缺陷。
多色物料共孔混合挤出FDM-3D打印机：2015年，以色列的something3D打印公司宣布：他们正在推出一款全彩的桌面型3D打印机Chameleon(意为变色龙)，将为用户提供全新的基于FFF技术的彩色3D打印体验。Something3D公司的这款Chameleon 3D打印机主要使用多个3D打印线材，共5种颜色耗材，分别是：青色、品红色、黄色、黑色和白色(CMYBWTM)的线材，整个系统只需使用一个挤出机总成，根据需要通过改变以上5种颜色的混合比例组合，形成任意的色彩，该机器能够在0.5毫米的(层厚度)打印分辨率条件下实现颜色转换，不能实现1毫米长度范围的变色。
不足之处仍是颜色改变速度缺陷：不同颜色的过渡容易出现混乱。(比如，当从黄色变为蓝色时，中间地带可能会出现绿色的小块)，无法满足颜色的大色彩的突变改变。物料供给方式也有缺陷，也无法满足精确而稳定的颜色的配比。
目前还没有实现使喷口挤出料丝能在1mm毫米数量级的长度上瞬间变色的方法，尽管如此还有弃料台弃料法；目前的单一混色挤出头，换色时是先将挤出机的喷口水平移出(X-O-Y轴)打印物件的范围，再把过度混合物料喷弃在特定的弃料台上；换色完成后挤出机的喷口再重新回到物件打印区域。这种方法的缺点在于：严重滞缓了打印速度；更为严重的是，无法按铺设实际的渐变颜色，建立不了完全色彩；完全的彩色需要瞬间快速变化的挤出机机构，要做到这一点需要瞬间变量的超微量排量容积泵，国内有一款滑片泵满足这一用途。
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技术实现要素：
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要实现喷头挤出料丝的颜色在1毫米数量级长度上的改变，但是由于混色挤出机响应的滞后及喷口附近的残留沾污，挤出机必需先消耗掉，相对于数---数十毫米的挤出料丝长度，就是将过度的混色物料的充分排出；
挤出机的喷口完成过度色物料的排出有2种模式：一种是已有的将挤出机的喷口水平移出(X-O-Y轴)打印物件的范围，把过度混合物料喷弃在特定的伴随打印物件上，换色完成后挤出机的喷口再重新回到物件打印区域；另一种方法就是本发明的垂遁方法。
垂遁换色方法：
放置在成型物件平台(15)的成型物件上的需要着色的成型物件表面(17)是需要着色处理的，在混合物料挤出喷口(11)从颜色B区域(3)向颜色A区域(8)运行到切层边界的颜色突变的临界点的位置，换色遁入点(1)时，由于混色挤出机颜色响应的滞后及喷口附近原色的残留沾污，挤出机的喷口暂时不再继续沿着切线运行，而是垂直遁入切层内部，在切层内部完成一个闭合路径运行，再回到原来的遁入点附近，从换色遁出点(2)遁出；换色遁入遁出点(6)就是颜色的突变点，他们在该点是靠紧在一起的，间距等于FDM的挤出物料的宽度，换而言之，就是由挤出头的挤出宽度铺设一个闭合围墙，该围墙在原始遁入处封闭；封闭后再继续沿着切线方向运行；细节如垂遁铺层局部放大图(18)所示：表现了当前铺层(7)的闭合过度色路径(5)。
由于该围墙有着足够的相对长度，能消耗掉未达标的过度色彩材料，因而在遁出时将表现出预定色彩。
进一步详述为：彩色FDM-3D打印机的铺层垂遁换色方法：该方法就是对放置在成型物件平台(15)的需要着色的成型物件表面(17)进行选色铺层处理方法：在混合物料挤出喷口(11)从颜色B区域(3)向颜色A区域(8)运行到切层边界的颜色突变的临界点的位置时，挤出机的喷口暂时不再继续沿着切线运行，而是垂直遁入打印物件切层的内部，运行路径是从换色遁入点(1)遁入，再从换色遁出点(2)遁出后，再继续沿着切线方向运行；换色遁入遁出点(6)就是颜色的突变点，在遁入遁出的过程中混合物料挤出喷口(11)在切层内部完成一个闭合路径运行，再回到原来的遁入点附近，他们在该点是靠紧在一起的，间距等于FDM的挤出物料的宽度，完成1个口袋状的闭合路径；表现了当前铺层(7)的闭合过度色路径(5)；每层中的每一个换色点都进行如此处理，逐层循环往复；其特征就在于：在多色挤出机换色的过程中，混合物料挤出喷口(11)在换色遁入遁出点(6)遁入遁出；遁入遁出的路径是一个在物件填充区域的闭合路径。
所述的多色挤出机换色的过程，指的是：2-6种颜色。
[附图说明]
标号说明：
(1)换色遁入点
(2)换色遁出点
(3)颜色B区域
(4)铺层填充区域
(5)过度色路径
(6)换色遁入遁出点
(7)当前铺层
(8)颜色A区域
(9)远程送料管
(10)挤出机组件
(11)混合物料挤出喷口
(12)Y轴导轨
(13)Z轴导轨
(14)FDM3D打印机结构部分
(15)成型物件平台
(16)Z轴驱动丝杠
(17)需要着色的成型物件表面
(18)垂遁铺层局部放大图
[实施例证]
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
图1 FDM--3D打印机的挤出头喷口的XOY平面垂遁运行路径示意图。
如图1所示：
是一台多色共喷嘴的FDM-3D打印机打印机构造示意图，其结构特点为：图中残留表示的FDM3D打印机结构部分(14)承载着Y轴导轨(12)及Z轴导轨(13)(X轴导轨略去未被画出，属于常用的共知的结构部分，XOY的平面运动一般使用皮带进行传动)；Z轴驱动丝杠(16)在Z轴驱动电机的驱动下，推动成型物件平台(15)进行上下方向的垂直运动。
2根远程送料管(9)是将2个颜色的物料经由独立的送料电机推入挤出机组件(10)的喉管，再经过混合物料挤出喷口(11)混合喷出；当2个电机同时比例工作时，比例混合色被挤出，当某一个电机单独工作时，单色物料被挤出，当由一个颜色转换成另一个颜色时，存在着转换中间的过度颜色，这些过度颜色将持续在一段挤出物料的长度中，该长度由于混合腔及管道容积极限等因素，难以做到5毫米以下，因而要做到颜色的突变，必须消耗掉该过度物料，目前的做法是将该过度物料消耗在伴随打印物件上()，但这种做法浪费打印时间及物料。
本发明的垂遁换色方法：
放置在成型物件平台(15)的成型物件的需要着色的成型物件表面(17)需 要着色，在混合物料挤出喷口(11)从颜色B区域(3)向颜色A区域(8)运行到切层边界的颜色突变的临界点的位置，换色遁入点(1)时，由于混色挤出机颜色响应的滞后及喷口附近原色的残留沾污，挤出机的喷口暂时不再继续沿着切线运行，而是垂直遁入切层内部，在切层内部完成一个闭合路径运行，再回到原来的遁入点附近，从换色遁出点(2)遁出；换色遁入遁出点(6)就是颜色的突变点，他们在该点是靠紧在一起的，间距等于FDM的挤出物料的宽度，换而言之，就是由挤出头的挤出宽度铺设一个闭合围墙，该围墙在原始遁入处封闭；封闭后再继续沿着切线方向运行；细节如垂遁铺层局部放大图(18)所示：表现了当前铺层(7)的闭合过度色路径(5)。
与常规打印一样，可以设定一定的铺层填充率，在软件指令下来填充铺层填充区域(4)。