馬利強 劉 軼 王志剛 馬 睿 王軍偉

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1 研究背景

噴墨三維打印是結(jié)合噴墨打印與三維造型工藝實現(xiàn)的增材制造技術(shù),目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于砂型鑄造領(lǐng)域,并在陶瓷、金屬等材料的三維成型方面迅猛發(fā)展。噴墨三維打印的本質(zhì)是通過對粘結(jié)劑的噴墨控制實現(xiàn)粉末材料的有效粘接,其噴墨基本原理與平面噴繪無異。噴墨三維打印機一般采用連續(xù)供墨系統(tǒng),以滿足連續(xù)生產(chǎn)中打印系統(tǒng)的墨水需求。連續(xù)供墨系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于實現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)壓穩(wěn)定。噴墨三維打印機負(fù)壓系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生方式有多種,常見的主要有真空發(fā)生器方式和真空泵方式。其中,真空發(fā)生器因體積小、工作穩(wěn)定、易于安裝維護等優(yōu)點,在各種自動化設(shè)備上被廣泛應(yīng)用。筆者以基于真空發(fā)生器的噴墨三維打印機供墨系統(tǒng)負(fù)壓為研究對象,分析噴墨三維打印機供墨系統(tǒng)負(fù)壓壓強的影響因素及其對噴墨打印產(chǎn)生的影響,為噴墨三維打印機供墨與負(fù)壓系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 供墨系統(tǒng)原理

目前噴墨三維打印機大多采用連續(xù)供墨系統(tǒng),即打印機墨盒通過供墨系統(tǒng)與外界液料站直接相連,實現(xiàn)外部墨水對打印系統(tǒng)的持續(xù)供應(yīng)。同時,打印機墨盒上配備相應(yīng)的負(fù)壓系統(tǒng),以滿足噴頭噴墨過程中的負(fù)壓需求。所謂負(fù)壓需求,指通過負(fù)壓抵消墨盒中的墨水重力,避免墨水在自然狀態(tài)下從噴孔滲出。同時,穩(wěn)定的噴墨過程要求噴孔內(nèi)的液面始終向上凹起,形成半月彎形,因此墨盒負(fù)壓需要在平衡墨水重力的基礎(chǔ)上額外增加一定量的負(fù)壓。帶墨水循環(huán)功能的噴墨三維打印機供墨系統(tǒng)原理如圖1所示。外部液料站的墨水經(jīng)過墨泵1進(jìn)入打印機液料箱中,再經(jīng)過墨泵2及過濾器進(jìn)入打印機主墨盒。帶墨水循環(huán)功能的噴頭有進(jìn)出墨管之分,墨水從進(jìn)墨管進(jìn)入噴頭,經(jīng)過噴頭墨腔后從出墨管進(jìn)入循環(huán)墨盒,并進(jìn)一步經(jīng)過回墨泵回到液料箱中。負(fù)壓系統(tǒng)由氣源壓縮空氣經(jīng)過減壓之后分別連接兩個真空發(fā)生器,產(chǎn)生兩路相互獨立的負(fù)壓。一路連接至主墨盒,以滿足噴頭噴墨的負(fù)壓需求。另一路與循環(huán)墨盒相連,為墨水循環(huán)提供動力。

▲圖1 噴墨三維打印機供墨系統(tǒng)原理

3 負(fù)壓系統(tǒng)壓強影響因素

噴墨三維打印機供墨系統(tǒng)中的負(fù)壓系統(tǒng)包含主負(fù)壓與循環(huán)負(fù)壓,筆者重點研究主負(fù)壓部分,若無特殊說明,下文所述負(fù)壓系統(tǒng)均指主負(fù)壓部分。根據(jù)噴墨三維打印機供墨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理,負(fù)壓系統(tǒng)可以看作是僅有一個進(jìn)口和出口的半密閉容器。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,有:

PV=nRT

(1)

式中:V為容器體積,m3;P為系統(tǒng)絕對壓強,Pa;n為系統(tǒng)內(nèi)空氣的摩爾數(shù);T為系統(tǒng)溫度,K;R為氣體常數(shù),干燥空氣為287.1 N·m/(kg·K)。

當(dāng)負(fù)壓系統(tǒng)的容積、溫度、空氣摩爾數(shù)均不變時,系統(tǒng)壓強為定值?？紤]噴墨三維打印機實際供墨系統(tǒng)情況,溫度變化可以忽略不計,但墨盒端因墨水晃動或加墨過程引起的局部負(fù)壓波動幾乎無法避免,因此負(fù)壓系統(tǒng)的壓力波動過程可以用理想氣體狀態(tài)方程的微分形式進(jìn)行描述,為:

VdP=RTdn

(2)

或有:

PQdt=RTdn

(3)

式中:Q為抽氣速率,m3/min;t為抽氣時間,min。

將式(1)、式(2)相減并積分,得:

ln(P2/P1)=QΔt/V

(4)

式中:P1、P2分別為容器中壓力變化前后對應(yīng)的壓強,Pa;Δt為負(fù)壓系統(tǒng)壓強恢復(fù)時長,min。

根據(jù)式(4)可知,若P1與P2始終不相等,則等號右側(cè)不為零。因此,當(dāng)P1與P2的比值相對恒定時,隨著抽氣速率增大,負(fù)壓系統(tǒng)的壓強恢復(fù)時長會被不斷壓縮,從而減小局部負(fù)壓波動對系統(tǒng)整體壓力的影響,并降低噴頭因負(fù)壓波動出現(xiàn)噴墨丟幀的風(fēng)險。

4 真空發(fā)生器性能分析

真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)主要包括壓縮空氣進(jìn)氣口、拉瓦爾噴管、真空口、混流管、排氣口。真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。壓縮空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入真空發(fā)生器,經(jīng)過拉瓦爾噴管后形成超聲速射流。由于氣體的黏性作用,在真空口形成真空吸附效果,并將外部的空氣從真空口吸入。最后,氣流在混流管混合,并從排氣口排出。

▲圖2 真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)真空發(fā)生器負(fù)壓產(chǎn)生原理可知,真空壓力和吸入流量的大小主要與進(jìn)氣壓力,以及真空發(fā)生器自身結(jié)構(gòu)有關(guān)。某型號真空發(fā)生器的排氣特性曲線如圖3所示。由圖3可見,隨著供給壓力的增大,真空負(fù)壓會持續(xù)增大,直至到達(dá)峰值后不再變化,吸入流量則在0.2 MPa時已經(jīng)接近峰值,并且不再隨供給壓力的增大而增大。

▲圖3 真空發(fā)生器排氣特性曲線

對于負(fù)壓系統(tǒng)而言,墨盒的負(fù)壓一般是恒定的,因此真空發(fā)生器的供給壓力也應(yīng)設(shè)定為恒定值。所以,若要縮短負(fù)壓系統(tǒng)氣壓波動后的恢復(fù)時間,調(diào)整供給壓力是無效的,應(yīng)當(dāng)選型同等供給壓力條件下吸入流量更大的真空發(fā)生器。

5 試驗驗證

為了驗證上述結(jié)果,分別選用兩種規(guī)格的真空發(fā)生器在某噴墨三維打印機上進(jìn)行試驗。試驗中,對比安裝不同真空發(fā)生器的打印機在相同噴墨條件下的打印過程,通過負(fù)壓系統(tǒng)的壓力波動情況及其對噴墨打印結(jié)果的影響,判定兩個真空發(fā)生器的優(yōu)劣。不同規(guī)格真空發(fā)生器試驗結(jié)果見表1。

表1 不同規(guī)格真空發(fā)生器試驗結(jié)果

由表1可見,在系統(tǒng)負(fù)壓同樣設(shè)定為-4.0 kPa的條件下,使用2號真空發(fā)生器,系統(tǒng)負(fù)壓波動范圍差值約為1號真空發(fā)生器的一半。打印效果方面,使用1號真空發(fā)生器的時候更容易出現(xiàn)噴墨丟幀的情況。另外檢查對比打印頭底板情況,發(fā)現(xiàn)使用1號真空發(fā)生器,噴頭噴嘴板上更容易出現(xiàn)滲墨的情況,而使用2號真空發(fā)生器,噴頭噴嘴板滲墨現(xiàn)象則較少。打印頭底板滲墨情況如圖4所示。

▲圖4 打印頭底板滲墨情況

6 結(jié)束語

筆者從噴墨三維打印機供墨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手,分析打印機負(fù)壓系統(tǒng)原理。以理想氣體分析工具為基礎(chǔ),解析打印機負(fù)壓的影響因素,并分析確認(rèn)在打印機負(fù)壓波動不可避免的情況下,可以通過增大吸入流量有效減小負(fù)壓波動對噴墨過程的影響。進(jìn)一步通過分析真空發(fā)生器的負(fù)壓產(chǎn)生原理和排氣特性,明確通過調(diào)節(jié)供給壓力的大小并不能改善負(fù)壓波動。減小局部負(fù)壓波動對打印機系統(tǒng)負(fù)壓的影響,唯一有效的方法是選型同等供給壓力條件下吸入流量更大的真空發(fā)生器。最后,通過對兩款不同規(guī)格真空發(fā)生器進(jìn)行試驗,驗證研究結(jié)果的正確性。