羅亞勛，劉清濤，賀朝霞，趙云貴

(1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安 710064；2.西安瑞特三維科技有限公司技術研究室，西安 710000)

0 引言

3D打印技術是近年來出現(xiàn)的一種基于增材加工方法的新型制造技術，并且發(fā)展勢頭迅猛。3D打印技術集設計與生產(chǎn)于一體化，可以直接將虛擬的數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實體產(chǎn)品，大大降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)流程，并且在個性化定制方面具有極大的優(yōu)勢[1]。3D打印產(chǎn)品已經(jīng)在機械制造、食品加工、組織工程、電子產(chǎn)品、紡織工程、航空航天、醫(yī)學[2-7]等領域取得應用并卓有成效。

隨著3D打印技術的發(fā)展，用戶的產(chǎn)品需求也在向復雜化、多樣化改變，各色各樣的3D產(chǎn)品應運而生，如多材料3D打印產(chǎn)品、微電子電路產(chǎn)品[8]等。3D打印產(chǎn)品的多樣化使3D打印設備的改良與進階成為急需解決的問題，國內(nèi)外的研究學者已經(jīng)在復雜工藝設備創(chuàng)新方面取得了豐厚的成果。雷芳等將雙打印頭3D打印設備改良，設計了一種并聯(lián)式結構的打印頭，縮小了打印頭的體積，擴大了打印行程[9]；王琛等設計了一種可調(diào)節(jié)擠出流量的新型打印頭[10]；高玉樂等以導電銀漿材料作為導線層，以PLA材料作為絕緣層，成功打印出雙層電路[11]；李子秋等設計了一種攪拌調(diào)色打印頭，可調(diào)節(jié)不同顏色材料的進料比例，從而獲得所需的打印顏色，并針對設備設計了控制系統(tǒng)[12]。

總結上述研究成果，復雜工藝3D打印設備已經(jīng)獲得了足夠的重視和發(fā)展，但仍存在問題：①對于雙打印頭3D打印設備，大部分設備的打印頭出口處于同一平面，當單個打印頭工作時，另一打印頭容易與之前打印好的模型產(chǎn)生干涉，打印空間不足；②大部分雙打印頭設備只能實現(xiàn)單一種類打印工藝，無法打印復雜工藝需求的產(chǎn)品。

針對上述問題，本文設計了一種集成工藝3D打印機，該打印機可根據(jù)不同的打印需求選擇材料和工藝，設計的打印機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了打印機各模塊的協(xié)同工作，最后采用FDM、直寫工藝以及PLA、導電銀材料打印出一種結構電路一體化的產(chǎn)品。

1 集成工藝3D打印機

集成工藝3D打印機可根據(jù)不同的打印需求，進行單一材料、雙材料以及雙打印方式的打印工作，實現(xiàn)材料和工藝的靈活結合與運用。目前市場上存在的部分雙打印頭3D打印機雖然也可實現(xiàn)雙材料雙工藝3D打印，但兩種打印頭之間的切換方式較為繁瑣，需人工干預，精度較低，難以實現(xiàn)打印頭的靈活轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)效率較為低下。針對這一問題，本文提出了一種可實時自動切換打印頭的集成工藝3D打印機，為多材料復雜結構復雜成分3D打印產(chǎn)品的制造提供了可行方案，摒除了人工切換打印頭的繁雜工作，提高了生產(chǎn)效率。

1.1 集成工藝3D打印機總體設計方案

該集成工藝3D打印機控制系統(tǒng)由打印頭集成系統(tǒng)、成型平臺系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)3個部分組成。打印頭集成系統(tǒng)可根據(jù)用戶的打印需求，控制該打印機配備的兩個打印頭的自由切換，打印頭支架上方采用軸承與打印機X軸運動模組連接，可實現(xiàn)一定角度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動，帶動打印過程中所需的打印頭轉(zhuǎn)向工作位。成型平臺系統(tǒng)主要控制打印頭的空間運動軌跡，X、Y、Z三個坐標軸方向上的運動均由步進電機驅(qū)動，通過控制驅(qū)動步進電機的脈沖頻率和脈沖數(shù)，即可實現(xiàn)打印頭的精確定位，確保打印工作的精準進行。輔助系統(tǒng)包括熔料加熱模塊、進料冷卻模塊、氣壓模塊。各系統(tǒng)協(xié)同作用，共同完成整個打印流程的進行。各系統(tǒng)的協(xié)同打印流程如圖1所示。

圖1 打印流程

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 打印頭集成控制系統(tǒng)

打印頭集成系統(tǒng)可配備雙打印頭，打印頭支架可通過旋轉(zhuǎn)帶動打印頭運動，實現(xiàn)自由切換，其整體結構如圖2所示。雙打印頭固定在打印頭支撐板上，兩打印頭的軸心成一定的角度，且軸心與支撐板旋轉(zhuǎn)半徑處于同一直線，這保證了其中任一打印頭工作時，都能與運動平臺保持垂直，同時另一打印頭抬起，不會影響正常打印進程，保證打印工作順利進行。該打印頭集成模塊的旋轉(zhuǎn)切換依靠舵機旋轉(zhuǎn)帶動，舵機與支撐板的連接孔連接，在控制系統(tǒng)指令作用下，舵機旋轉(zhuǎn)固定的角度，打印頭集成模塊隨即切換至所需的工作位。同時，支撐板側(cè)邊的定位磁鐵與打印機體上的配合磁鐵吸合，進一步固定了打印頭的工作位，防止機構間配合間隙過大導致的打印精度差的問題。

圖2 打印頭集成系統(tǒng)

集成打印頭模塊動力裝置選用LF-20MG型舵機，該舵機內(nèi)部有位置傳感器，可實現(xiàn)伺服電機的精確轉(zhuǎn)動定位功能，同時具有減速齒輪組，輸出轉(zhuǎn)速不至于過高，十分適合用于打印頭集成模塊的小角度調(diào)整。

在控制開發(fā)板的IDE中集成了具有各種各樣功能的標準庫文件，這些庫文件使得開發(fā)板的功能得到了拓展，更加方便的實現(xiàn)開發(fā)板與外部硬件的協(xié)作[13]。舵機的運動位置是由一系列PWM脈沖信號控制的，改變PWM波形的脈沖信號寬度和占空比，即可控制舵機的轉(zhuǎn)動角度。本文使用servo.h標準庫實現(xiàn)舵機的控制，將舵機信號接收端與開發(fā)板的模擬信號輸出端連接，模擬信號輸出端輸出PWM脈沖信號，實現(xiàn)舵機帶動打印頭集成模塊轉(zhuǎn)動特定角度的控制[14]。打印頭集成模塊控制流程圖如圖3所示。

圖3 打印頭集成系統(tǒng)控制流程圖

2.2 成型平臺控制系統(tǒng)

3D打印的成型方式為：將三維的空間模型細分為二維的切片模型，切片模型層層疊加，最終形成實體零件。在整個成型過程中，Y軸帶動成型平臺運動，X和Z軸帶動打印頭運動，三軸協(xié)同運動決定二維切片模型的成型；上一層切片打印完成后，Z軸上升，打印下一層切片模型，如此循環(huán)。成型平臺系統(tǒng)的運動直接影響到3D打印的成型質(zhì)量。

本文采用步進電機控制絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為沿軸方向上帶動成型平臺的直線運動。將ULN2003A大電流驅(qū)動陣列作為步進電機驅(qū)動模塊。ULN2003A的特點是：當輸入端引腳為高電平時，相應的輸出端引腳轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑粗嗳?。當步進電機的特定磁極轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢粫r，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向低電位磁極。ULN2003A驅(qū)動模塊輸出連續(xù)的脈沖序列，步進電機則可實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。步進電機選用4相永磁式步進電機。對步進電機進行控制所需要用到的函數(shù)庫為stepper.h標準函數(shù)庫，控制流程圖如圖4所示。

圖4 成型平臺系統(tǒng)控制流程圖

2.3 輔助控制系統(tǒng)

集成工藝3D打印機的熔料加熱模塊和進料冷卻模塊用于FDM工藝。打印頭出口處配有加熱頭，固體絲材進入打印頭需加熱至熔融狀態(tài)，才能擠出成型。同時，絲材具有一定的剛性，熔融材料的擠出動力來自未熔絲材的推力，這就要求打印頭出口上方的絲材不能熔融。加熱熔融模塊的熱量不可避免的會向未熔絲材傳遞，影響其剛度，阻礙打印頭擠出，因此，需在打印頭出口上方設置進料冷卻模塊，以保證具有足夠的擠出動力。集成工藝3D打印機的氣壓模塊用于微筆直寫工藝。微筆直寫工藝的打印材料為液體，打印頭中需施加一定的氣壓，以供液體材料擠出。

輔助系統(tǒng)三個模塊均由控制板的數(shù)字量輸出接口控制，根據(jù)不同的打印需求，選擇打印工藝，控制板接收上位機指令，控制熔料加熱模塊、進料冷卻模塊、氣壓模塊是否上電，保證打印工作順利進行。

3 結果與分析

該集成工藝3D打印機可配備雙打印頭，且能實現(xiàn)雙打印頭的自由切換，能滿足特殊的打印需求，如雙材料打印，雙色打印，復合工藝打印等；同時切換精度高，打印頭定位準確，可實現(xiàn)打印流程的斷點銜接。運動系統(tǒng)能夠滿足3D打印的需要，輔助系統(tǒng)可根據(jù)不同的打印需要，各模塊相互協(xié)同，共同輔助打印工作順利進行。

為驗證集成工藝3D打印機及控制系統(tǒng)的可行性與有效性，搭建集成工藝3D打印機，打印機的打印頭集成模塊如圖5所示。

使用此打印機打印某基底結構與附著電路一體化產(chǎn)品如圖6所示。該產(chǎn)品與以往電子電路產(chǎn)品不同，其電路導線直接附著于基底結構，無需附加介電基材。產(chǎn)品采用FDM與微筆直寫工藝復合打印，基底結構采用FDM工藝打印成型，材料為PLA；電路部分采用微筆直寫工藝打印成型，材料為導電銀漿料。

圖5 打印頭集成模塊 圖6 3D打印結構與電路成品

實驗表明，使用集成工藝3D打印機，采用復合工藝打印雙材料具有可行性，且有十分良好的打印效果。打印產(chǎn)品基底部分結構完整，無明顯缺陷，達到了預期的結果；電路部分導線均勻，無斷點，線跡定位準確。在該打印件上附加LED燈及外接電源，結果如圖7所示，LED燈點亮，可見打印導線導電性良好。

圖7 LED燈點亮效果圖

傳統(tǒng)的3D打印機制作該種類型的電子電路只能先用FDM設備制作基底，再使用直寫設備制作導線，需要使用兩臺設備進行，制造周期長，而且轉(zhuǎn)換設備后需重新定位，會不可避免的造成重定位的誤差，使制造精度降低。與使用傳統(tǒng)3D打印機相比，采用集成工藝3D打印機縮短了生產(chǎn)周期，提高了打印精度，實現(xiàn)了結構與電路的一體化成型。實驗結果證明，集成工藝3D打印機具有應用的優(yōu)越性，具有十分可觀的發(fā)展前景。

4 結論

集成工藝3D打印機能夠滿足多材料、多打印工藝的特殊打印需求，并且本文集成工藝3D打印機的打印頭集成系統(tǒng)可實現(xiàn)打印材料和工藝的靈活切換，3D打印工作可持續(xù)進行，不會對打印工作造成影響?；诙嗖牧隙喙に噺秃现圃爝^程設計的打印機控制系統(tǒng)能滿足打印機的各種工作要求，完成打印頭集成模塊、成型模塊、輔助模塊的協(xié)同工作，為特殊需求3D打印提供保障。

未來3D打印制造產(chǎn)品必然向個性化、復雜化、多樣化的方向發(fā)展，集成工藝3D打印機可以解決用戶對于復雜3D打印制造的需求，具有一定的發(fā)展?jié)摿颓熬啊?/p>