多材料復(fù)合3D打印控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

羅亞勛，劉清濤，賀朝霞，趙云貴

(1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.西安瑞特三維科技有限公司技術(shù)研究室，西安 710000)

0 引言

3D打印技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種基于增材加工方法的新型制造技術(shù)，并且發(fā)展勢(shì)頭迅猛。3D打印技術(shù)集設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)性化定制方面具有極大的優(yōu)勢(shì)[1]。3D打印產(chǎn)品已經(jīng)在機(jī)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(xué)[2-7]等領(lǐng)域取得應(yīng)用并卓有成效。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，用戶的產(chǎn)品需求也在向復(fù)雜化、多樣化改變，各色各樣的3D產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)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(shè)備的改良與進(jìn)階成為急需解決的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者已經(jīng)在復(fù)雜工藝設(shè)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(shè)備改良，設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的打印頭，縮小了打印頭的體積，擴(kuò)大了打印行程[9]；王琛等設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)擠出流量的新型打印頭[10]；高玉樂(lè)等以導(dǎo)電銀漿材料作為導(dǎo)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(shè)計(jì)了一種攪拌調(diào)色打印頭，可調(diào)節(jié)不同顏色材料的進(jìn)料比例，從而獲得所需的打印顏色，并針對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)[12]。

總結(jié)上述研究成果，復(fù)雜工藝3D打印設(shè)備已經(jīng)獲得了足夠的重視和發(fā)展，但仍存在問(wèn)題：①對(duì)于雙打印頭3D打印設(shè)備，大部分設(shè)備的打印頭出口處于同一平面，當(dāng)單個(gè)打印頭工作時(shí)，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(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單一種類(lèi)打印工藝，無(wú)法打印復(fù)雜工藝需求的產(chǎn)品。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種集成工藝3D打印機(jī)，該打印機(jī)可根據(jù)不同的打印需求選擇材料和工藝，設(shè)計(jì)的打印機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了打印機(jī)各模塊的協(xié)同工作，最后采用FDM、直寫(xiě)工藝以及PLA、導(dǎo)電銀材料打印出一種結(jié)構(gòu)電路一體化的產(chǎn)品。

1 集成工藝3D打印機(jī)

集成工藝3D打印機(jī)可根據(jù)不同的打印需求，進(jìn)行單一材料、雙材料以及雙打印方式的打印工作，實(shí)現(xiàn)材料和工藝的靈活結(jié)合與運(yùn)用。目前市場(chǎng)上存在的部分雙打印頭3D打印機(jī)雖然也可實(shí)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(yù)，精度較低，難以實(shí)現(xiàn)打印頭的靈活轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)效率較為低下。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種可實(shí)時(shí)自動(dòng)切換打印頭的集成工藝3D打印機(jī)，為多材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)總體設(shè)計(jì)方案

該集成工藝3D打印機(jī)控制系統(tǒng)由打印頭集成系統(tǒng)、成型平臺(tái)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)3個(gè)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(jī)配備的兩個(gè)打印頭的自由切換，打印頭支架上方采用軸承與打印機(jī)X軸運(yùn)動(dòng)模組連接，可實(shí)現(xiàn)一定角度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)打印過(guò)程中所需的打印頭轉(zhuǎn)向工作位。成型平臺(tái)系統(tǒng)主要控制打印頭的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率和脈沖數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)打印頭的精確定位，確保打印工作的精準(zhǔn)進(jìn)行。輔助系統(tǒng)包括熔料加熱模塊、進(jìn)料冷卻模塊、氣壓模塊。各系統(tǒng)協(xié)同作用，共同完成整個(gè)打印流程的進(jìn)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(shè)計(jì)

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(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)打印頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自由切換，其整體結(jié)構(gòu)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(shí)，都能與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)保持垂直，同時(shí)另一打印頭抬起，不會(huì)影響正常打印進(jìn)程，保證打印工作順利進(jìn)行。該打印頭集成模塊的旋轉(zhuǎn)切換依靠舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)，舵機(jī)與支撐板的連接孔連接，在控制系統(tǒng)指令作用下，舵機(jī)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(shí)，支撐板側(cè)邊的定位磁鐵與打印機(jī)體上的配合磁鐵吸合，進(jìn)一步固定了打印頭的工作位，防止機(jī)構(gòu)間配合間隙過(guò)大導(dǎo)致的打印精度差的問(wèn)題。

圖2 打印頭集成系統(tǒng)

集成打印頭模塊動(dòng)力裝置選用LF-20MG型舵機(jī)，該舵機(jī)內(nèi)部有位置傳感器，可實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)定位功能，同時(shí)具有減速齒輪組，輸出轉(zhuǎn)速不至于過(guò)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(kāi)發(fā)板的IDE中集成了具有各種各樣功能的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件，這些庫(kù)文件使得開(kāi)發(fā)板的功能得到了拓展，更加方便的實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)板與外部硬件的協(xié)作[13]。舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置是由一系列PWM脈沖信號(hào)控制的，改變PWM波形的脈沖信號(hào)寬度和占空比，即可控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。本文使用servo.h標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制，將舵機(jī)信號(hào)接收端與開(kāi)發(fā)板的模擬信號(hào)輸出端連接，模擬信號(hào)輸出端輸出PWM脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)帶動(dòng)打印頭集成模塊轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)控制系統(tǒng)

3D打印的成型方式為：將三維的空間模型細(xì)分為二維的切片模型，切片模型層層疊加，最終形成實(shí)體零件。在整個(gè)成型過(guò)程中，Y軸帶動(dòng)成型平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，X和Z軸帶動(dòng)打印頭運(yùn)動(dòng)，三軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)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(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)直接影響到3D打印的成型質(zhì)量。

本文采用步進(jìn)電機(jī)控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿軸方向上帶動(dòng)成型平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。將ULN2003A大電流驅(qū)動(dòng)陣列作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。ULN2003A的特點(diǎn)是：當(dāng)輸入端引腳為高電平時(shí)，相應(yīng)的輸出端引腳轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，反之亦然。?dāng)步進(jìn)電機(jī)的特定磁極轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢粫r(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向低電位磁極。ULN2003A驅(qū)動(dòng)模塊輸出連續(xù)的脈沖序列，步進(jìn)電機(jī)則可實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)選用4相永磁式步進(jìn)電機(jī)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制所需要用到的函數(shù)庫(kù)為stepper.h標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)，控制流程圖如圖4所示。

圖4 成型平臺(tái)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(jī)的熔料加熱模塊和進(jìn)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(jìn)入打印頭需加熱至熔融狀態(tài)，才能擠出成型。同時(shí)，絲材具有一定的剛性，熔融材料的擠出動(dòng)力來(lái)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(huì)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(shè)置進(jìn)料冷卻模塊，以保證具有足夠的擠出動(dòng)力。集成工藝3D打印機(jī)的氣壓模塊用于微筆直寫(xiě)工藝。微筆直寫(xiě)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(gè)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(jī)指令，控制熔料加熱模塊、進(jìn)料冷卻模塊、氣壓模塊是否上電，保證打印工作順利進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

該集成工藝3D打印機(jī)可配備雙打印頭，且能實(shí)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(fù)合工藝打印等；同時(shí)切換精度高，打印頭定位準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)打印流程的斷點(diǎn)銜接。運(yùn)動(dòng)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(jìn)行。

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

使用此打印機(jī)打印某基底結(jié)構(gòu)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(dǎo)線直接附著于基底結(jié)構(gòu)，無(wú)需附加介電基材。產(chǎn)品采用FDM與微筆直寫(xiě)工藝復(fù)合打印，基底結(jié)構(gòu)采用FDM工藝打印成型，材料為PLA；電路部分采用微筆直寫(xiě)工藝打印成型，材料為導(dǎo)電銀漿料。

圖5 打印頭集成模塊 圖6 3D打印結(jié)構(gòu)與電路成品

實(shí)驗(yàn)表明，使用集成工藝3D打印機(jī)，采用復(fù)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(jié)構(gòu)完整，無(wú)明顯缺陷，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果；電路部分導(dǎo)線均勻，無(wú)斷點(diǎn)，線跡定位準(zhǔn)確。在該打印件上附加LED燈及外接電源，結(jié)果如圖7所示，LED燈點(diǎn)亮，可見(jiàn)打印導(dǎo)線導(dǎo)電性良好。

圖7 LED燈點(diǎn)亮效果圖

傳統(tǒng)的3D打印機(jī)制作該種類(lèi)型的電子電路只能先用FDM設(shè)備制作基底，再使用直寫(xiě)設(shè)備制作導(dǎo)線，需要使用兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行，制造周期長(zhǎng)，而且轉(zhuǎn)換設(shè)備后需重新定位，會(huì)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(jī)相比，采用集成工藝3D打印機(jī)縮短了生產(chǎn)周期，提高了打印精度，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與電路的一體化成型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，集成工藝3D打印機(jī)具有應(yīng)用的優(yōu)越性，具有十分可觀的發(fā)展前景。

4 結(jié)論

集成工藝3D打印機(jī)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(jī)的打印頭集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)打印材料和工藝的靈活切換，3D打印工作可持續(xù)進(jìn)行，不會(huì)對(duì)打印工作造成影響。基于多材料多工藝復(fù)合制造過(guò)程設(shè)計(jì)的打印機(jī)控制系統(tǒng)能滿足打印機(jī)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(lái)3D打印制造產(chǎn)品必然向個(gè)性化、復(fù)雜化、多樣化的方向發(fā)展，集成工藝3D打印機(jī)可以解決用戶對(duì)于復(fù)雜3D打印制造的需求，具有一定的發(fā)展?jié)摿颓熬啊?/p>