黃雙君，葉春生

（1.湖北美術學院工業(yè)設計學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

1 前言

微噴射黏結成形設備的噴射裝置是整個技術的核心部件。壓電式噴頭是微噴射黏結成形技術最常用的噴頭之一，采用了按需噴射的方式，利用打印指令或電脈沖信號傳到噴嘴液體腔中的壓電傳感器，使內(nèi)部墨水受到壓力按照需求擠出噴頭。壓電式噴頭噴射的墨水可達微米級，快速均勻，使用壽命長。

目前，國外對微噴射黏結成形設備的研究主要集中在噴頭的改進和工藝的優(yōu)化。世界上現(xiàn)有的噴頭生產(chǎn)商主要包括英國3D System公司、美國Spectra公司和日本konica公司等。英國3D System公司推出的Projet型號打印機為全彩色系列，有5個打印噴頭，分辨率可達600×540dpi。美國Spectra公司生產(chǎn)的SX3-128噴頭內(nèi)部與油墨相接觸的部位，采用特殊鋼材，在抵抗油墨腐蝕作用的同時，使其承受噴墨時的壓電壓力能力增強。日本konica公司的噴頭采用雙排進墨管，使墨水進入墨管后的流量和壓力更加均勻，改善噴射時的效果。由于噴頭的生產(chǎn)制造工藝難度大，國內(nèi)對壓電式噴頭的研究集中在噴頭控制系統(tǒng)。國內(nèi)的華中科技大學、清華大學和西安交通大學等高校都對微噴射黏結成形技術進行了研究。其中西安交通大學的盧秉恒等人設計了一種壓電式噴頭控制系統(tǒng)，并研究了驅(qū)動電壓對噴射效果的影響。

本文主要研究微噴射3D打印中噴射系統(tǒng)的控制方案設計以及檢測分析。噴射系統(tǒng)的控制方案設計主要包括機械結構的設計和工作狀態(tài)信號檢測及反饋。

2 噴墨打印機的關鍵參數(shù)

微噴射3D打印設備的整體結構如圖1所示，所采用的噴射裝置為愛普生公司（Epson）L310的按需壓電式噴頭及相應組件（圖2）改進而來。表1列出了L310噴墨打印機的技術參數(shù)。L310噴墨打印機的分辨率為5760×1440dpi，墨水從噴頭底部黃色金屬片的微米級孔中噴射而出，可以快速地打印出對精度要求要高的成形體。噴射裝置的組成部分有L310噴頭及其組件、噴頭控制板、噴頭編碼器、墨盒、墨盒導管、光柵條、支架等。

表1 噴頭技術參數(shù)

圖1 微噴射3D打印設備整體結構圖

圖2 噴頭實物圖

3 噴射裝置的方案設計

噴射裝置的方案設計主要包括噴頭運動方向X軸機械結構的設計和控制分析以及增量式光電編碼器檢測。噴射裝置控制的重點是噴頭黏結劑合理的噴射和Y軸步進運動。噴射裝置的方案設計包含以下兩個方面：

3.1 噴頭裝置機械結構設計和控制分析

在噴頭裝置機械結構中，除了噴頭、導軌、墨盒、噴頭控制面板、步進電機等必要的結構外，還需要增量式光電編碼器作為連接噴頭打印和X軸運動的橋梁，以及編碼器傳感器對增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)進行計數(shù)，記錄噴頭是否打印完一行。接通電源后，電源上位機給噴頭控制面板發(fā)送打印信號。噴頭控制面板收到打印信號后，開始檢測墨量和X軸是否運動流暢。當檢測正常后，噴頭控制面板亮綠燈表示噴頭可以開始正常打印，按照設置的要求X軸打印完一行后，增量式光電編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器傳感器對增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)計數(shù)。增量式光電編碼器的編碼盤上有刻孔和明暗相間的條紋，可以輸出脈沖方波。輸出光信號后通過編碼器傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，最后輸出成可以正反轉(zhuǎn)的矩形脈沖，判定噴頭是否打印完一行。當打印完一行后，根據(jù)編碼器的計數(shù)情況反饋給Y軸步進運動，直到打印完一層為止，如圖3和圖4。

圖3 增量式光電編碼器

圖4 噴射裝置控制邏輯圖

3.2 增量式光電編碼器檢測

增量式光電編碼器檢測與反饋電路設計是為了將噴頭的打印和三軸的運動合理銜接。噴頭在X軸上的往復運動是通過增量式光電編碼器和傳感器進行檢測和計數(shù)，當一層打印完成后，主控制板對噴頭控制板發(fā)送高電平信號，伺服電機則會判斷當前層數(shù)是否小于或等于設定層數(shù)。當未打印完成即當前層數(shù)小于設定層數(shù)時，伺服電機繼續(xù)進行Y軸的步進運動，Z軸繼續(xù)下移一層進行鋪粉運動。直到當前層數(shù)等于設定層數(shù)，主控制板對噴頭控制板發(fā)送低平信號，完成整個打印過程。

噴射裝置采用的是220V交流供電電源線，可以使用USB通信接口，上位機還可以直接調(diào)用噴墨控制系統(tǒng)的驅(qū)動程序，從而避免重新設計的麻煩，還可以進一步對驅(qū)動程序進行優(yōu)化。

4 打印測試

為了測試本文開發(fā)的微噴射黏結成形控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性、設備成形精度和成形速度，本研究在所開發(fā)的控制系統(tǒng)的基礎上，進行了圓錐齒輪成形試驗（圖5），觀察成形時的設備狀態(tài)，記錄成形件的表面質(zhì)量，獲得設備的打印速度和成形精度。并進行了72h連續(xù)運行測試，觀察設備運行時的平穩(wěn)性。在72h連續(xù)運行測試期間，控制系統(tǒng)驅(qū)動設備運行平穩(wěn)，未發(fā)生錯誤。

圖5 齒輪樣品圖

在本次成形試驗過程中，所用試驗粉末為氧化鈣，由江西泛美亞公司生產(chǎn)，平均粒徑D50=1μm。使用連續(xù)打印模式，將層間距設置為0.10mm，每層連續(xù)進行兩次打印，使用彩打模式，顏色設置為綠色。每組實驗有4個打印件，對每個樣品均采用邊緣向內(nèi)增寬3個像素，邊緣多打印兩次。結果表明：鋪粉面平整光滑，未出現(xiàn)刮粉或者鋪粉層裂開的現(xiàn)象；成形臺升降運動平穩(wěn)無噪聲；噴頭X軸運動和Y軸步進匹配良好，未出現(xiàn)失步或者振動現(xiàn)象。在成形過程中，每層打印時間（從層降到鋪粉，再到打印完成），耗時約25s。

成形樣品尺寸與三維模型尺寸的對比后發(fā)現(xiàn)，微噴射3D打印樣品尺寸精度較高，尺寸誤差在±0.14mm以內(nèi)。微噴射3D打印成形樣品表面比較光滑，成型精度高，成形樣品只有極少數(shù)地方存在小缺口和突出的小毛刺。主要是由于邊緣區(qū)域黏結劑黏結強度不足，而引起粉末脫落，進行邊緣增強可以有效降低缺口和毛刺現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5 結語

本文主要對噴頭裝備方案的機械結構進行了簡化，并對工作狀態(tài)信號檢測及反饋。機械結構簡化后只保留噴頭、同步帶、支架、導軌、墨盒、墨水導管、噴頭控制板、步進電機和增量式編碼器。通過主控電路板檢測增量式編碼器的脈沖信號，并給噴頭控制板發(fā)送有紙低電平，檢測噴頭打印裝置和運動裝置的相互配合。設備長時間的打印測試中，打印過程流暢，運行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，效果比較理想。鋪粉均勻平整，無刮粉現(xiàn)象，效率較高，打印速度25s/層。樣品表面光滑，尺寸誤差在±0.14mm以內(nèi)。