噴墨3D 打印設(shè)備墨滴落點位置偏移問題研究

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

關(guān)鍵字：噴墨3D 打印設(shè)備；氣流；偏移；墨滴；結(jié)構(gòu)單元

目前噴墨3D 打印設(shè)備所使用的打印頭在使用過程中存在圖像的偏移和打印紋路較嚴(yán)重的問題，影響實際打印效果和產(chǎn)品表面的質(zhì)量，究其原因，是墨滴落點位置不準(zhǔn)確，存在X 方向和Y 方向的偏移，因此要提高打印精度和產(chǎn)品表面質(zhì)量，就要解決這個問題。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于打印頭外殼單元研究刻不容緩。由于打印頭部分結(jié)構(gòu)原因，很多氣流并且是加速的不穩(wěn)定的紊亂氣流通過打印噴頭與增材面之間間隙，使得落下的墨滴除了因為慣性造成的誤差外又添加更多的不確定性，使得墨滴有X 方向和Y 方向的沒有規(guī)律的誤差，這種誤差不能通過軟件補償，所以這種毫無規(guī)律可言的誤差對于高精度打印影響不可忽視，墨滴的偏移會導(dǎo)致打印紋路的偏移，甚至圖像的偏移，嚴(yán)重影響打印精度。通過研究墨滴偏移原因，有針對性地采取相應(yīng)的措施，可以有效避免打印頭噴墨[3]出墨滴的傾斜，可以提高墨滴落點的準(zhǔn)確性，提升砂芯打印表面質(zhì)量，更好地增強(qiáng)客戶的體驗感。

1 實際生產(chǎn)過程中存在的問題

3D 打印機(jī)中噴墨部分十分關(guān)鍵，目前許多3D打印機(jī)打印頭存在噴墨過程中墨滴落點位置不夠準(zhǔn)確的問題，圖像的偏移和打印產(chǎn)品紋路較嚴(yán)重，X方向和Y 方向的偏移等問題突出，直接影響3D 打印產(chǎn)品質(zhì)量。由于墨滴落點不準(zhǔn)確問題得不到有效解決，所以打印機(jī)打印出的產(chǎn)品質(zhì)量就無法得到保障，不合格產(chǎn)品返工處理，造成產(chǎn)品的成本增加。

隨著對打印頭噴墨落點的不斷的探索和研究，就現(xiàn)有設(shè)備情況而言，打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)化能夠有效解決打印頭噴墨墨滴落點不準(zhǔn)確性問題，從而使打印機(jī)打印的產(chǎn)品的質(zhì)量得到保障。

2 3D 打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元原理

2.1 原打印頭外殼結(jié)構(gòu)原理

目前3D 打印機(jī)打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元如圖1 所示，這種結(jié)構(gòu)主要由殼體與引流板組成，墨滴由殼體與引流板之間的間隙中噴出，打印頭在移動過程中導(dǎo)致增加了經(jīng)過氣流同時穩(wěn)定不了經(jīng)過氣流運動的方向，使噴出來的墨滴存在傾斜現(xiàn)象，一般墨點落差在1 cm 左右，從而產(chǎn)生紋路。

打印頭的外殼結(jié)構(gòu)單元中，殼體1 圍成了一個容納腔狀，圖2 所示，接著向內(nèi)傾斜收縮至底板，底板設(shè)置有打印噴頭，打印頭外殼帶著打印噴頭高速移動，噴頭可以單向噴墨，也可以雙向噴墨，本身墨滴因為慣性就會向運動方向相反的方向有一定的落點誤差，從而產(chǎn)生X 方向的誤差。但是實際情況更復(fù)雜，殼體1 與運動方向垂直的兩個面先豎直向下延伸，接著向內(nèi)傾斜收縮至底板，也就是迎著運動方向的兩個面有一個傾斜收縮的過程，造成了更多的氣流向打印噴頭與增材面之間本身就很小的間隙運動，而且外殼上也不是完全的平滑，還會有一些零部件或者結(jié)構(gòu)，使得很多氣流并且是加速的不穩(wěn)定的紊亂氣流通過打印噴頭與增材面之間間隙，使得落下的墨滴除了因為慣性造成的誤差又添加更多的不確定性，毫無規(guī)律可言，如圖2 所示。

2.2 優(yōu)化后打印頭外殼結(jié)構(gòu)原理

優(yōu)化后的打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元如圖3 所示，由以下部分組成：殼體、延伸板、引流板、導(dǎo)流板[6]。為解決打印頭噴墨墨滴落點不準(zhǔn)確、紋路、圖像偏移等問題，外殼結(jié)構(gòu)單元要注重平滑性，盡量平滑，不設(shè)置突出或者凹進(jìn)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)角也最好是圓角，由豎直方向轉(zhuǎn)為內(nèi)傾斜收縮的時候，最好是圓角，圓角優(yōu)勢在于可以使得氣流貼著殼體表面流動，所經(jīng)過的都是平滑曲線，其中底面為最低點，打印頭不突出于底板，保證氣流的平穩(wěn)和可控性如圖4 所示?；诖蛴☆^外殼結(jié)構(gòu)單元的研究原理如下：

殼體與運動方向垂直的兩個面先豎直向下延伸，緊接著向內(nèi)傾斜收縮至底板，在底板設(shè)置有打印頭，打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元包括延伸板2。延伸出來的延伸板阻擋由外殼傾斜面下來的氣流直接流向打印噴頭與增材面之間的縫隙，同時將這股氣流導(dǎo)向了與運動方向相同的方向，就是這一大股氣流對上了迎面而來的氣流，因為量上遠(yuǎn)大于迎面而來的氣流，所以在打印噴頭的迎風(fēng)面形成了一個保護(hù)面，迎面遇到了本來要通過打印噴頭與增材面之間的縫隙的氣流，降低了整個氣流的速度，使得少量氣流低速通過打印噴頭與增材面之間的縫隙，減少影響墨滴的氣流，從而降低墨滴的偏移量，達(dá)到提高精度的目的。外殼整體要著重于平滑性，轉(zhuǎn)角考慮圓弧過渡，這樣，保證氣流的平穩(wěn)和可控性。如果是單向打印的話，底板向著運動方向延伸出延伸板，延伸板將作用于噴頭與增材面之前的縫隙，該縫隙將用于墨滴的氣流，然后該氣流才作用于墨滴，起作用；如果是雙向打印的話，相對的底板另一側(cè)也要增加延伸板，延伸板都是先作用噴頭與增材面之前縫隙，縫隙將作用于墨滴的氣流，然后該氣流才作用于墨滴。其中，延伸板延伸長度至少為1cm 延伸板延伸長度最佳的約為10mm～15mm，且延伸板與殼體之間的夾角為40°～60°.殼體與運動方向垂直的面上間隔設(shè)置有引流板，引流板的一側(cè)固定在殼體上，且引流板2 從殼體與運動方向垂直的上部向側(cè)下方延伸，引流板與延伸板之間形成過氣流通路，如圖4 所示。

設(shè)置引流板有兩個作用，一方面使得經(jīng)過殼體表面的氣流沿一定設(shè)定路徑行動，起到了穩(wěn)流作用，使得氣流流向確定；另一方面是引導(dǎo)殼體表面的氣流向側(cè)面運動，通過引流板與延伸板之間的通路向兩邊運動，引流板對稱設(shè)置，可以均勻的將殼體表面的氣流導(dǎo)向兩邊，使得兩邊的氣流量相當(dāng)，使得整體更平穩(wěn)。導(dǎo)流板4 是設(shè)置在延伸板上，其目的就是為了使得氣流平穩(wěn)，經(jīng)過導(dǎo)流板的氣流都被導(dǎo)向成了與運動方向平行的運動方向。導(dǎo)流板[5]之所以選擇三角狀的，就是因為它類似鯊魚背上的鰭，表面平滑，可以達(dá)到穩(wěn)流和導(dǎo)流作用，使的氣體沿其兩側(cè)直線行進(jìn)。導(dǎo)流板設(shè)置在打印噴頭的迎風(fēng)面，從而將即將要經(jīng)過打印噴頭與增材面縫隙的氣流引導(dǎo)成與運動方向相平行，杜絕墨滴Y 方向的偏移，而且X 方向的偏移也是在一定已知范圍內(nèi)，可以通過軟件補償，從而使得墨滴落點可控，如圖4 b）所示。

3 實際應(yīng)用

通過打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元研究，延伸板最佳長度為10 mm～15mm，延伸板與殼體之間的夾角40°～60°為最佳，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)一方面是降低了通過打印噴頭與增材面之間的氣流速度，速度降低了就可以減少誤差量，加上打印噴頭與增材面之間的縫隙很小，在可接受的誤差范圍內(nèi)墨滴就到位了，所以也能達(dá)到提高精度，降低誤差的效果；另一方面是穩(wěn)定了通過打印噴頭與增材面之間的氣流，使得氣流按照平行于運動方向的路線流動，即使氣流量較大，但是因為方向是唯一的，通過軟件就可以完成補償，從而提高精度減少誤差。兩者結(jié)合，降低了氣流量，同時使氣流沿直線運動，使得墨滴僅是X方向的可知偏移，可以通過軟件補償甚至不需要軟件補償，就能達(dá)到需要精度。在3D 打印機(jī)的實際打印過程中保證了氣流的穩(wěn)定。從而使打印機(jī)生產(chǎn)出來的砂型質(zhì)量更好，砂芯廢品率更低，回收打磨砂芯成本更低。

圖1 原打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)圖

圖2 原打印頭噴墨落點原理圖

圖3 優(yōu)化后打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)圖

圖4 優(yōu)化后打印頭噴墨落點結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

3D 打印機(jī)中噴墨部分十分關(guān)鍵，打印頭噴墨墨滴落點的準(zhǔn)確性直接影響著打印機(jī)打印出的產(chǎn)品質(zhì)量。

通過對打印頭外殼結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)化設(shè)計，從減少經(jīng)過的氣流同時穩(wěn)定經(jīng)過氣流的運動方向兩個方面，減少并且穩(wěn)定了接觸墨滴的氣流，同時使得作用于墨滴的氣流與運動方向相平行，墨滴存在已知的X 方向偏移可以通過軟件得到補償，最終解決了因為氣流造成的墨滴偏移問題，提高了墨滴落點的準(zhǔn)確性，從而保證了打印產(chǎn)品的精度，降低了砂型廢品率。