壓電噴墨噴頭的一種清洗與測試方法

（共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021）

在3D 打印機(jī)的使用過程中，打印頭的維護(hù)保養(yǎng)對于延長其使用壽命格外重要。由于打印頭在使用一段時間后，打印測試紙時會出現(xiàn)噴墨不全，甚至是完全不噴墨的狀況，這使得打印產(chǎn)品的質(zhì)量得不到有效的保證。為了使這一狀況得到改善，在本文中，將討論一種噴頭板卡的清洗和測試方法。

1 壓電噴墨與3D 打印

1.1 壓電噴墨在鑄造砂型3D 打印中的應(yīng)用

鑄造作為一個傳統(tǒng)的行業(yè)，在復(fù)雜模型的制作上大多依賴與手工制作，而且制作周期長，模型質(zhì)量和精度依賴于人們的經(jīng)驗，不利于鑄造業(yè)實現(xiàn)快速高效的改變，但是3D 打印的橫空出世，改變了這種現(xiàn)狀，對于復(fù)雜模型的制作，表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢，模型制作精度可控制，制作周期也大幅縮短，對人力的依賴明顯下降[1]。3D 打印機(jī)在工作的過程中按照需要將樹脂噴到混有固化劑的砂面上，一層砂子噴一層樹脂循環(huán)疊加起來最終形成砂型。按需噴墨的噴頭主要有熱發(fā)泡、壓電式兩種。相對而言，壓電式噴頭的生產(chǎn)工藝要比熱發(fā)泡噴頭的生產(chǎn)工藝復(fù)雜很多，但由于壓電式噴頭的壽命長，所以成本上也遠(yuǎn)低于熱發(fā)泡噴頭。因此，壓電式噴頭在鑄造3D 打印機(jī)上也得到了大量的應(yīng)用。

1.2 3D 打印過程中壓電噴頭的常見故障

壓電噴頭的壓電腔和噴孔尺寸為微米級，使用過程中如果墨水的質(zhì)量不能達(dá)到使用要求，將對不可拆卸的壓電式噴頭產(chǎn)生致命的永久性損傷，導(dǎo)致噴墨故障[2]。主要的故障包括：噴頭壽命大幅度降低、噴頭堵塞噴不出墨水，表現(xiàn)在砂型表面有白道，砂型表面質(zhì)量差等。

為解決噴頭堵塞的問題對故障噴頭進(jìn)行解剖分析，如圖1、圖2 所示，噴頭確實已經(jīng)被堵塞，主要就是墨水結(jié)晶形成的膠體。

通過光學(xué)顯微鏡和電鏡掃描（SEM）分析，壓電腔出墨口及壓電腔通道邊緣都有黑色膠狀物質(zhì)，其外觀相似并都易脫落，透明膠體附著但都未堵塞通道，壓電腔通道邊上的小孔堵塞嚴(yán)重。墨水出墨口通道三分之一的孔被堵塞，為堵塞最嚴(yán)重區(qū)域，堵塞雜質(zhì)形態(tài)上為膠體；過濾網(wǎng)與噴孔未出現(xiàn)堵塞。

噴頭中的濾網(wǎng)未出現(xiàn)很嚴(yán)重的堵塞說明在進(jìn)入濾網(wǎng)的前端就有堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致壓電腔的堵塞最為嚴(yán)重，堵塞物質(zhì)以膠體及顆粒為主。

圖1 壓電腔墨水流道

圖2 噴頭內(nèi)濾網(wǎng)

2 壓電噴頭的維護(hù)保養(yǎng)

2.1 故障噴頭的處理

對于噴墨已經(jīng)有故障的噴頭，當(dāng)故障原因判斷為堵塞的，可以嘗試使用清洗的方式，清理掉墨水腔里面堵塞的結(jié)晶樹脂及雜質(zhì)。

圖3 噴頭清洗原理圖

噴頭清洗原理圖如圖3 所示，將噴頭安裝在噴頭架上，放入超聲波槽內(nèi)，讓去離子水剛好漫過噴頭底面為宜，啟動超聲波將頻率設(shè)置為44 Hz 把噴頭內(nèi)腔結(jié)晶的膠體震碎，設(shè)置正負(fù)壓為0.22 MPa 通過去離子水正反吸循環(huán)，將噴頭內(nèi)的雜質(zhì)帶入到清洗槽中由重力沉入底部達(dá)到清洗噴頭的作用，具體流程如下：

首先，關(guān)閉手閥，正壓泵把去離子水壓入噴頭內(nèi)，壓力增大，去離子水從噴頭噴孔擠出；接著打開手閥，去離子水經(jīng)過噴頭墨水腔最終從手閥處流出；最后關(guān)閉手閥，關(guān)閉正壓泵，打開反抽泵，抽出墨水腔內(nèi)的去離子水，這樣反復(fù)清洗三次[1-3]。

注意，正負(fù)壓泵的壓力不能超過噴頭耐壓極限，一般設(shè)置為0.02 MPa，頻率為44 Hz 為宜，如需增加參數(shù)則壓力不能超過0.05 MPa，頻率不能超過60 Hz，超過會造成噴頭不可恢復(fù)性損壞。

2.2 維修后噴頭的測試

對于清洗完成的噴頭，使用單噴頭測試平臺和原廠標(biāo)準(zhǔn)墨，打印測試紙，分析清洗效果。對于清洗完成后，仍然有堵塞的噴頭，繼續(xù)加大清洗力度，提升超聲波清洗頻率為50 Hz 和清洗液的成分(添加強(qiáng)化學(xué)溶劑)，但這樣對噴頭自身也會造成一定程度的損傷，會導(dǎo)致噴頭的開膠問題，嚴(yán)重縮短噴頭使用壽命，一般不推薦使用[4]。

3 結(jié)論

經(jīng)過清洗后，堵塞情況明顯好轉(zhuǎn)。噴頭作為3D打印設(shè)備最為關(guān)鍵的部件，在使用過程中出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量波動，因此確保噴頭能夠長時間的穩(wěn)定工作對于3D 打印設(shè)備非常重要。根據(jù)目前發(fā)生的問題，進(jìn)行清洗只是從表層去解決使用過程發(fā)生的問題，對于故障的本質(zhì)根源還缺少一定的認(rèn)知，因此在清洗保養(yǎng)措施有一定成效后，還應(yīng)積極探討噴頭問題的深層原因。