基于數(shù)字化微噴的三維切片算法優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)

劉海　曹?chē)?guó)華　李娜　程繼紅　楊繼全

摘要：數(shù)字化微噴技術(shù)是一種能夠產(chǎn)生微米級(jí)液滴并能進(jìn)行精確噴射的技術(shù)，其在微電子、生物制造、三維打印領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該文設(shè)計(jì)出數(shù)字化微噴控制系統(tǒng)，其中包括噴頭控制、噴射參數(shù)控制、三維模型切片以及噴射打印路徑算法。硬件設(shè)計(jì)完成后，該文針對(duì)三維模型的切片采用PSO（粒子群）和ACO（蟻群）算法相結(jié)合的策略，實(shí)現(xiàn)打印路徑的優(yōu)化，從而使得噴射打印變得更加合理高效。理論研究和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方案，不僅可以使得控制系統(tǒng)變得穩(wěn)定，也提高了系統(tǒng)整體的打印效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化微噴；三維模型切片；PSO算法；ACO算法

數(shù)字微噴技術(shù)已成為熱門(mén)新技術(shù)。與傳統(tǒng)噴墨打印技術(shù)的不同，數(shù)字化微噴技術(shù)更加適應(yīng)于流質(zhì)材料精細(xì)模型的制備。目前，國(guó)外從事的機(jī)構(gòu)主要有Cannon、Epson、HP、Asymtek和Mierofab等，國(guó)內(nèi)主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京師范大學(xué)等高校，研究?jī)?nèi)容包括微滴形成的機(jī)理、微滴噴射的驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及微滴系統(tǒng)的裝備設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

數(shù)字化微噴光固化作為數(shù)字化微噴技術(shù)的一種，是使用數(shù)字信號(hào)激勵(lì)使得工作腔內(nèi)的部分流體材料迅速脫離，成為一組連續(xù)的微滴或者一段射流，從微滴噴嘴中以一定的響應(yīng)率和噴射速度噴出，并一定的形態(tài)噴射到指定位置上，而后照射一定光強(qiáng)的紫外線(xiàn)，引發(fā)材料自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)流體材料的固化、成型。本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于三維模型切片算法，上位機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型經(jīng)過(guò)切片算法軟件處理轉(zhuǎn)化為下位機(jī)所需要的路徑信號(hào)，最后實(shí)現(xiàn)打印。基于路徑設(shè)計(jì)的常規(guī)算法是ACO（蟻群）算法，這種算法具有強(qiáng)并行性和正負(fù)反饋性，但是產(chǎn)生的代碼量大，收斂速度慢，全局的搜索能力差，達(dá)不到全局優(yōu)化的目的。而PSO（粒子群）算法具有較強(qiáng)的全局搜索的能力，全局優(yōu)化能力強(qiáng)，但是其搜索機(jī)制缺乏正負(fù)反饋，達(dá)不到很高的精度。

本文提出了一種基于PSO和ACO算法相結(jié)合的路徑控制策略，配合噴頭控制和噴頭參數(shù)控制系統(tǒng)，針對(duì)三維模型的切片，實(shí)現(xiàn)打印路徑的最優(yōu)化。

1噴頭控制系統(tǒng)

本課題選用的是FUJIFILM Galaxy系列噴頭，其噴射速度可以達(dá)到8米，秒，墨滴大小為80pL，最大的分辨率是450DPI，點(diǎn)火頻率是20KHZ。相對(duì)比于目前主流的高精度的壓電噴頭，該噴頭的噴嘴較少，但具有較大的液滴體積，對(duì)不同粘度的墨水使用性強(qiáng)，極其適合多材質(zhì)的墨水的開(kāi)發(fā)。

該控制系統(tǒng)主要包括主板和頭板：主板主要與PC機(jī)進(jìn)行通信，完成三維模型切片的導(dǎo)人和運(yùn)動(dòng)控制信息的反饋；頭板用于接收經(jīng)主板處理模型切片而產(chǎn)生的點(diǎn)陣打印信號(hào)和噴頭控制信息的反饋，最終實(shí)現(xiàn)噴頭的成功噴射打印。

其中，主板與頭板之間采用LCDPanel通用的LVDS接口，即Low Voltage Differential Signaling，是一種低壓差分信號(hào)技術(shù)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。半導(dǎo)體公司為克服以TTL電平方式傳輸寬帶高碼率數(shù)據(jù)時(shí)功耗大、EMI電磁干擾大燈缺點(diǎn)而研制的一種數(shù)字視頻信號(hào)傳輸方式。

噴頭參數(shù)控制系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)地將溫度、液位、氣壓等參數(shù)顯示出來(lái)，經(jīng)由軟件控制，使得墨水能夠成功噴射。

1.1液位控制系統(tǒng)

噴頭在持續(xù)不斷的打印過(guò)程中，需要材料的持續(xù)供給，一旦材料的輸送過(guò)程發(fā)生中斷，打印將無(wú)法進(jìn)行，嚴(yán)重的情況下材料會(huì)在噴頭內(nèi)腔出現(xiàn)凝結(jié)、沉積，導(dǎo)致噴頭的堵塞。于是，本文將二級(jí)墨盒作為緩沖墨盒固定到打印頭上來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的供給，不僅能夠提高運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，也能增強(qiáng)噴射效果。

液位控制裝置主要用于對(duì)二級(jí)墨盒內(nèi)墨位的檢測(cè)與控制。在墨水補(bǔ)充的過(guò)程中墨泵不是一直工作的，墨泵工作的控制由液位傳感器輸出高電平信號(hào)到控制電路，而后再控制電磁閥的開(kāi)啟，即墨泵開(kāi)始工作。當(dāng)抽送一定時(shí)間后，墨盒內(nèi)部的液位高于設(shè)定高度時(shí)，液位傳感器發(fā)出低電平信號(hào)送到控制電路，這時(shí)，電磁閥關(guān)閉，墨泵停止工作。

1.2氣壓控制單元

為了防止打印頭中的材料在重力作用下自動(dòng)流出噴嘴，打印頭的材料需要有一個(gè)負(fù)壓進(jìn)行牽制。本文采用的依靠人工負(fù)壓系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓，即二級(jí)墨盒與負(fù)壓系統(tǒng)連接，通過(guò)獨(dú)立的負(fù)壓發(fā)生裝置使打印頭內(nèi)形成合適的負(fù)壓。相對(duì)比于傳統(tǒng)的依靠二級(jí)墨盒與打印頭之間的落差產(chǎn)生負(fù)壓，這種方法能夠有效地防止空氣進(jìn)入打印頭，提高液體噴射的質(zhì)量和穩(wěn)定性。