1. 研究目的与意义
增材制造（additive manufacturing，am）是近年来发展较为迅速的一种先进制造方法，它融合了计算机、材料、机械等多个学科的专业知识。am技术的基本原理是通过对材料的“离散、沉积”行为进行较精确的位置与量的控制，从而“堆砌”出指定外形与材料的零件。相对于传统的“减法、等于”加工模式不同，am技术是一种从无到有的直接生成产品的制造方法。这种制造方法为我们提供了一种全新的产品设计思路，它有有着传统方式不能比拟的优势，对于材料的利用率更高，使得曾经无法成为现实的复杂结构零件的制造变成可能，使得传统制造很难加工处理的材料有了一种新的成型处理方式。
19世纪90年代，blather在其专利中，首先提议用分层法制作地形图，这是am技术核心思想的诞生。20世纪初，carlo baese在一项专利中提出了用光敏树脂聚合物制造塑料件的原理。此后各类am技术的专利与论文开始不断涌出。
增材制造标志性成果是五种常见技术的提出：选择性激光固化技术（sla）、分层实体制造技术（lom）、选择性激光粉末烧结技术(sls)、熔融沉积制造技术（fdm）、3维打印技术（3dp）。伴随着这五种常见技术的提出，各公司开始陆续推出各类型增材制造设备。同时，我国也开始发展增材制造技术，其中以西安交通大学、华中科技大学为代表的一些研究机构与企业开始自主研制各类型的增材制造设备，并取得了一些不错的成果。
2. 研究内容和预期目标
本课题设计的彩色fdm打印机主要通过五种不同颜色或者材料的有机组合，实现彩色打印多材料打印于一体的功能。其研究的主要内容涉及：螺旋式进料混合挤出模块的设计、打印机机体设计、打印机控制系统软硬件设计、打印机工艺参数优化方法的设计。
倾斜式进料混合挤出模块设计。材料的混合是本设计的核心思想。常见的热塑性材料混合方式是搅拌器混合，但其实在小体积挤出头内的现成本较高，不适用于此设计。故本设计采用一种全新的思路来解决问题：五种色彩（材料）呈一定角度的倾斜进入混合腔，先进入的混合腔的材料首先融化，后进入的材料正处于融化的过程但未完全融化完成，会对前方材料起到搅动旋转作用，实现材料的混合，接着材料由挤出头细化成0.4mm的细丝挤出。该部分主要探究材料进入角度以及混合腔体积大小对混合效果的影响 、加热器最优化位置设计、挤出机进入端散热器设计。
打印机机体设计。打印机机体起着连接承载各部分功能模块的作用，现如今fdm打印机的机体设计已经发展的较为成熟，故该部分设计不涉及全新的机体框架设计，而是对现有机体模型进行选择与优化设计，同时考虑加入增材制造零件替代传统机加工零件，以节约成本。
打印机控制系统软硬件设计。考虑到上位机切片软件兼容性，该部分基于目前较为成熟的开源项目marlin进行二次开发。硬件基于arduino mega2560单片机重新设计，主要涉及电源模块、sd卡读取模块、步进电机控制模块、加热器控制模块、限位器开关模块、显示器模块、散热风扇控制模块、热床控制模块。软件部分针对该打印机的硬件设计，修改marlin固件进行适配。
打印机工艺参数优化方法的设计。3d打印机不仅需要优良可靠的机械性能、智能完善的控制系统，还需要有针对各材料各工况的工艺参数的设置方法。故该部分涉及打印机最优参数的测试方法。
3. 研究的方法与步骤
前期需要进行知识的积累，整个课题涉及机械设计、理论力学、材料力学、流体力学、传热学等多方面知识，需要针对性开展学习。
4. 参考文献
[1]机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册[m].北京:机械工业出版社,2008
[2]闻邦椿.机械系统的震动设计及噪声控制[m]. 北京:机械工业出版社,2015
[3]朱东华,樊智敏.机械设计基础[m]. 北京:机械工业出版社,2015
5. 计划与进度安排
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