周子翔

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

3D 打?。═hree Dimensional Printing and Gluing），也被稱為粘合噴射（Binder Jetting）、噴墨粉末打印（Inkjet Powder Printing）。從工作方式來看，三維印刷與傳統(tǒng)二維噴墨打印最接近。與SLS 工藝一樣，3D 打印也是通過將粉末粘結(jié)成整體來制作零部件，不同之處在于，它不是通過激光熔融的方式粘結(jié)，而是通過噴頭噴出的粘結(jié)劑。

3D 打印采用分層加工、疊加成型的方式來完成實(shí)體打印。打印每一層時(shí)，先均勻的鋪一層粉末，再在需要成型的區(qū)域噴灑一層粘接劑，粘接劑液滴很小，不易擴(kuò)散。粉末和粘接劑接觸時(shí)會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)迅速固化，而沒有噴灑粘接劑的區(qū)域則保持松散狀態(tài)。經(jīng)過一層粉末一層粘接劑交替疊加下，使零部件打印成型，打印完畢之后只要將松散的粉末掃除即可。

1 實(shí)際生產(chǎn)過程中存在的問題

3D 打印機(jī)打印過程中是逐層堆砌打印，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，打印機(jī)噴頭經(jīng)常會出現(xiàn)部分噴孔堵塞，無法噴墨的情況，導(dǎo)致打印的零部件在層疊加方向上堵塞噴孔的部位始終無法噴灑粘接劑造成斷裂面而成型失敗。目前只能清理噴孔后再重新打印或更換噴頭解決上述問題，但是會造成噴頭使用壽命減短、生產(chǎn)效率降低、成本增加等問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過對打印頭制作工藝以及粘接劑工藝的改進(jìn)可以在一定程度上緩解打印噴孔堵塞的情況，但是由于打印環(huán)境的復(fù)雜性不可避免的還是會時(shí)常出現(xiàn)噴孔堵塞。那么如何保證在少量噴孔堵塞的情況下，繼續(xù)打印，而且打印成型的零部件不會斷裂可以正常使用，避免浪費(fèi)就成了我們急需解決的問題。

2 3D 錯位打印方法

在逐層鋪粉打印中，打印頭沿寬度方向兩側(cè)的若干噴孔循環(huán)關(guān)閉和打開，使同一噴孔在相鄰打印層對應(yīng)的噴射位置相互錯開，當(dāng)打印頭的個別噴孔堵塞時(shí)，該堵塞噴孔在相鄰層對應(yīng)的位置也相互錯開，而單層的個別噴孔堵塞而產(chǎn)生的漏噴粘結(jié)劑的現(xiàn)象并不會造成打印模塊的斷節(jié)問題，少數(shù)分散的噴孔堵塞，因各層打印中其對應(yīng)的位置已經(jīng)相互錯開，也不會造成打印模塊斷節(jié)問題，從而避免了打印頭因個別噴孔堵塞而無法繼續(xù)打印的問題，提高了3D 打印效率，降低打印頭維護(hù)成本[2]。

通過打印每一層時(shí)使打印噴孔錯位的方法可以有效的防止噴孔堵塞引起的打印零件斷裂。但是這種方法有一定局限性；打印頭沿寬度方向兩側(cè)的若干噴孔循環(huán)關(guān)閉和打開，一端打開多少，另一端就關(guān)閉多少，這就造成打印頭的有效噴射幅寬始終不變；而實(shí)際生產(chǎn)中，打印區(qū)域往往要大于打印頭的有效噴射幅寬，這就需要打印頭往復(fù)多次，完成一層的打印，而固定的打印頭的有效噴射幅寬造成打印頭在往復(fù)噴射過程中，圖像拼接處始終在一個地方，這就造成如果粘結(jié)反應(yīng)不充分或粘結(jié)劑無法擴(kuò)散滲透，就會在拼接處形成斷裂面。并且該方法每層開關(guān)孔數(shù)固定，幾層一次循環(huán)，這樣也會造成每幾層噴孔堵塞位置重疊一次，相應(yīng)的造成幾處相對薄弱處。

3 利用隨機(jī)開關(guān)噴孔數(shù)量實(shí)現(xiàn)錯位打印

3.1 原理

每個打印層中打印頭沿寬度方向同一側(cè)的隨機(jī)數(shù)量的噴孔關(guān)閉和打開，使同一噴孔在相鄰打印層對應(yīng)的噴射位置相互錯開，當(dāng)打印頭的個別噴孔堵塞時(shí)，該堵塞噴孔在相鄰層對應(yīng)的位置也相互錯開，而單層的個別噴孔堵塞而產(chǎn)生的漏噴粘結(jié)劑的現(xiàn)象并不會造成打印模塊的斷節(jié)問題，少數(shù)分散的噴孔堵塞，因各層打印中其對應(yīng)的位置已經(jīng)相互錯開，也不會造成打印模塊斷節(jié)問題，從而避免了打印頭因個別噴孔堵塞而無法繼續(xù)打印的問題，并且每層開關(guān)的噴孔數(shù)量采用隨機(jī)數(shù)，采用優(yōu)秀的隨機(jī)數(shù)算法可以使每層的開關(guān)噴孔數(shù)量基本都不一樣，這就避免了噴孔堵塞的區(qū)域出現(xiàn)重疊。同時(shí)，每層由于打開、關(guān)閉的噴孔數(shù)量不同，使得打印頭有效噴墨的幅寬也不同，在相鄰兩層上打印頭往返打印拼接圖幅的位置也就不相同，避免出現(xiàn)打印出的實(shí)物從圖幅拼接處斷裂。

如圖1 所示，打印頭1 沿寬度方向隨機(jī)關(guān)閉孔數(shù)為0，即打印頭1 噴孔全部打開，將打印頭的打開區(qū)1A 對應(yīng)打印平臺打印區(qū)域2 的上方，通過鋪粉裝置在打印平臺上鋪一層粉，啟動打印頭的打開區(qū)1A 的各噴孔根據(jù)切片打印程序在打印區(qū)域2 的第一部分圖幅噴射區(qū)域2A 的上方選擇性的噴射打印，當(dāng)?shù)谝徊糠謭D幅噴射區(qū)域2A 完成噴射打印后，打印頭步進(jìn)打開區(qū)1A 的寬度，將打印頭的打開區(qū)1A 對應(yīng)打印平臺第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方，啟動打印頭的打開區(qū)1A 的各噴孔根據(jù)切片打印程序在打印區(qū)域2 的第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方選擇性的噴射打?。煌瓿僧?dāng)前層的打印后，工作臺下降一個鋪粉高度。

圖1 打印原理示意圖

如圖2 所示，將打印頭隨機(jī)數(shù)量的噴孔關(guān)閉，形成關(guān)閉區(qū)1C 寬度的非噴射區(qū)，并使打開區(qū)1A寬度發(fā)生變化，將打印頭的打開區(qū)1A 對應(yīng)打印平臺打印區(qū)域2 的上方，通過鋪粉裝置在打印平臺上鋪一層粉，啟動打印頭的打開區(qū)1A 的各噴孔根據(jù)切片打印程序在打印區(qū)域2 的第一部分圖幅噴射區(qū)域2A 的上方選擇性的噴射打印，當(dāng)?shù)谝徊糠謭D幅噴射區(qū)域2A 完成噴射打印后，打印頭步進(jìn)打開區(qū)1A 的寬度，將打印頭的打開區(qū)1A 對應(yīng)打印平臺第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方，啟動打印頭的打開區(qū)1A 的各噴孔根據(jù)切片打印程序在打印區(qū)域2 的第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方選擇性的噴射打印; 完成當(dāng)前層的打印后工作臺下降一個鋪粉高度。

圖2 打印原理示意圖

如圖3 所示，再次將打印頭隨機(jī)數(shù)量的噴孔關(guān)閉，形成下一個關(guān)閉區(qū)1C 寬度的非噴射區(qū)，然后將打印頭的打開區(qū)1A 對應(yīng)打印平臺打印區(qū)域2 的上方，通過鋪粉裝置在打印平臺上鋪一層粉，啟動打印頭的打開區(qū)1A 的各噴孔根據(jù)切片打印程序在打印區(qū)域2 的第一部分圖幅噴射區(qū)域2A的上方選擇性的噴射打印，當(dāng)?shù)谝徊糠謭D幅噴射區(qū)域2A 完成噴射打印后，打印頭步進(jìn)打開區(qū)1A的寬度，將打印頭的打開區(qū)1A 對應(yīng)打印平臺第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方，啟動打印頭的打開區(qū)1A 的各噴孔根據(jù)切片打印程序在打印區(qū)域2的第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方選擇性的噴射打印;完成當(dāng)前層的打印后，工作臺下降一個鋪粉高度。

圖3 打印原理示意圖

如上所述，每層打印都關(guān)閉打印頭同一側(cè)的隨即數(shù)量的噴孔，使得有效噴射區(qū)總是在不斷變化，根據(jù)有效噴射區(qū)動態(tài)移動打印頭位置，完成整個產(chǎn)品的打印。整個產(chǎn)品的逐層打印中，打印頭的部分噴孔循環(huán)打開和關(guān)閉，使各噴孔對應(yīng)各層的噴射位置相互錯開，有效填充無法噴射粘結(jié)劑的空白區(qū)，提升打印頭使用壽命，降低成本，提高打印效率。同時(shí)，每層打印頭有效噴墨寬度也在變化，有效錯開每層圖幅拼接位置，使由于打印頭噴孔阻塞或損壞造成的打印空白區(qū)實(shí)現(xiàn)錯位，避免了圖幅對接位置發(fā)生斷裂問題。

3.2 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)中，工作平臺寬度和整個打印區(qū)域空間是有限的，打印頭不可能沿圖幅拼接步進(jìn)方向無限的偏移下去。而且打印頭的寬度也是固定的，所以它能夠允許關(guān)閉噴孔的數(shù)量也是有限的。所以在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)我們還需要對上述理論方法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

我們只要保證打印每一層時(shí)它和上一層相比噴孔是錯位的，并且錯位要達(dá)到一定的噴孔數(shù)，這樣我們就可以保證打印出來成型后的零部件不會出現(xiàn)裂縫。那么我們可以考慮打印頭偏移和關(guān)閉的打印頭孔數(shù)在實(shí)際的機(jī)械限位范圍內(nèi)進(jìn)行。這樣仍然可以保證每一層和上一層相比固化區(qū)域所使用的噴孔是不一樣的。但是這個范圍不能太小，太小的話所有層的噴孔阻塞區(qū)和圖幅拼接區(qū)相對都分布在同一個很小的區(qū)域內(nèi)，無法起到防止打印零件斷裂的作用。

4 結(jié)論

經(jīng)過深入研究和實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證，通過隨機(jī)開關(guān)部分噴孔和打印頭偏移相結(jié)合的方式可以有效的避免因少量噴孔堵塞而導(dǎo)致的打印零部件斷裂報(bào)廢的問題，延長噴頭使用壽命，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。