方環(huán)聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印材料消耗分析

賴周藝，施瀚昱

(1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 深圳 518172；2.杭州先臨三維云打印科技有限公司， 杭州 311200)

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【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

方環(huán)聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印材料消耗分析

賴周藝1，施瀚昱2

(1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 深圳 518172；2.杭州先臨三維云打印科技有限公司， 杭州 311200)

介紹了聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印原理，以方環(huán)為研究對(duì)象進(jìn)行彩色3D打印成型，詳細(xì)分析了打印原材料使用情況及影響因素。打印所得模型包含底座、模型本身及模型四周包裹的支撐層三部分，大部分打印原材料消耗在噴孔清潔和支撐層。通過比較不同放大比例方環(huán)模型的打印結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著模型體積的增加，噴孔清潔消耗原材料的比值顯著下降而模型消耗的比值則顯著上升，支撐消耗的比值呈下降的趨勢(shì)。噴嘴清理消耗的材料和支撐材料消耗仍然占較大的比值，超過了60%；真正用于成型模型本身的材料不到40%。減少噴孔清潔過程的材料消耗及模型表面支撐材料是PolyJet彩色3D打印推廣應(yīng)用急需解決的問題。

方環(huán)；彩色3D打?。籔olyJet；材料消耗

目前3D打印技術(shù)已突破傳統(tǒng)單材均質(zhì)打印加工的限制，實(shí)現(xiàn)了多材料、多顏色及彩色表面紋理貼圖制件的精細(xì)復(fù)雜打印成型[1-2]。彩色3D打印能直接獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)五顏六色的外觀效果，不需要復(fù)雜的后處理流程，在牙科、醫(yī)療、軍工和消費(fèi)產(chǎn)品等行業(yè)有著巨大優(yōu)勢(shì)[1-3]。聚合物噴射(PolyJet)是實(shí)現(xiàn)彩色3D打印技術(shù)的重要手段[2]。國(guó)內(nèi)已有不少企業(yè)、高等院校及科研院所在進(jìn)行這方面的一些研究和生產(chǎn)實(shí)踐，但有關(guān)PolyJet彩色 3D打印成果方面的文獻(xiàn)資料較少，主要停留在打印原理的簡(jiǎn)單介紹階段[4-6]。胡彥萍以簡(jiǎn)易自行車模型為例介紹了PolyJet單色3D打印流程[7]。向友來等以微靶零件為例研究了PolyJet單色3D打印的表面質(zhì)量與尺寸精度[8]。

本文以方環(huán)模型為研究對(duì)象，闡述了PolyJet彩色3D打印成型過程，分析了打印原材料的具體消耗情況，還研究了方環(huán)不同放大比例打印時(shí)原材料消耗的變化規(guī)律，對(duì)推廣應(yīng)用聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印有較大的參考價(jià)值。

1 聚合物噴射(PolyJet)3D彩色打印原理

聚合物噴射(PolyJet)3D打印原理如圖1所示，通過壓電式噴頭將液態(tài)光敏樹脂噴射到工作臺(tái)上，形成給定厚度的具有一定幾何輪廓的一層光敏樹脂液體，然后由紫外燈發(fā)射紫外光對(duì)工作臺(tái)上的這層液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行光照固化；完成固化后，工作臺(tái)精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，然后再進(jìn)行第二層具有一定幾何輪廓的液態(tài)光敏樹脂固化成型；如此循環(huán)進(jìn)行多次(層)固化成型，使其整體厚度和形狀達(dá)到設(shè)計(jì)要求，成型結(jié)束。

圖1 聚合物噴射(PolyJet)工藝原理示意圖

圖2所示J750彩色3D打印機(jī)是美國(guó)Stratasys公司2016年4月發(fā)布的新產(chǎn)品，采用聚合物噴射(PolyJet)，能夠同時(shí)打印6種基本材料(軟性模型材料，硬性白、黑、黃、青和品紅模型材料)和支撐材料，通過不同的基本材料配比和組合，可實(shí)現(xiàn)不同色彩的3D打印[5]。

圖2 PolyJet彩色3D打印機(jī)(Stratasys J750)

J750彩色3D打印機(jī)的PolyJet噴頭共有八組噴孔(如圖3中①②③④⑤⑥⑦⑧)，每組192個(gè)，共1 536個(gè)；分別連接6種光敏樹脂模型材料(含軟性模型材料1組，硬性白、黑、黃、青和品紅模型材料各1組)和2組水溶性支撐材料。圖3中⑨所示為清潔劑噴孔，共8個(gè)，分列于噴頭兩側(cè)，用于噴射清潔劑以清潔噴頭表面。PolyJet彩色3D打印過程中，可以由對(duì)應(yīng)噴孔直接噴出各種顏色的光敏樹脂材料；白、黑加上黃、青和品紅三原色為5種基本顏色，其他顏色由三原色按照不同比值相加混合而成[9]。圖4為三原色相加示意圖。

①-⑧為打印材料噴孔，⑨為清潔劑噴孔

C青色，M品紅，Y黃色，B藍(lán)色，G綠色，R紅色，GY灰色

圖4中，青色C和品紅M相加可得到藍(lán)色B，品紅M和黃色Y相加可得到紅色R，黃色Y和青色C相加可得到綠色G，黃色Y、青色C和品紅M三色相加得到灰色GY。即為：

C+M=B

M+Y=R

Y+C=G

Y+C+M=GY

2 PolyJet 彩色3D打印成型過程

打印模型為如圖5所示的方環(huán)，外環(huán)邊長(zhǎng)為20 mm，內(nèi)環(huán)邊長(zhǎng)為10 mm，高度為10 mm。方環(huán)模型顏色方案如表1所示，上下表面分別為紅色和黃色，內(nèi)外側(cè)壁分別是綠色和藍(lán)色。黃藍(lán)綠黃色的RGB值見表1。

圖5 方環(huán)

方位顏色RGB值R(紅)G(綠)B(藍(lán))頂面紅(R)25000外側(cè)壁藍(lán)(B)00250內(nèi)側(cè)壁綠(G)02500底面黃(Y)2502500

首先由三維建模軟件Rhino建立方環(huán)模型并指定各個(gè)面的顏色，然后保存為彩色3D打印所需的wrl格式文件，最后載入3D打印設(shè)備Stratasys J750控制軟件，采用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行打印，分層厚度為0.027 mm(約0.001英寸)。由控制軟件得知：方環(huán)模型共需打印510層，總成型高度為13.77 mm。

圖6所示方環(huán)PolyJet彩色3D打印模型各部分構(gòu)成簡(jiǎn)圖：底部為底座①，采用模型材料在工作臺(tái)打印所得，主要是為了固定后續(xù)的打?。荒Ｐ退闹芫粚又尾牧蠈英?，可保證模型表面為一致的光潔效果；模型表面為指定顏色的模型材料層②④⑥⑦，內(nèi)部為白色模型材料填充⑤。

① 底座，② 模型黃色底面，③ 表面支撐材料，④ 模型藍(lán)色外側(cè)壁，⑤ 模型白色內(nèi)部填充，⑥ 模型紅色頂面，⑦ 模型綠色內(nèi)側(cè)壁

圖6 方環(huán)PolyJet彩色3D打印模型簡(jiǎn)圖

在打印方環(huán)時(shí)，室內(nèi)溫度為20 ℃。打印成型過程如下：

1) 打印底座?！暗鬃笔菫榱酥嗡蛴〉姆江h(huán)的，所有模型的3D打印都需要打印“底座”。方環(huán)模型的底座截面為23.20 mm×23.20 mm的正方形，共打印4層，底座高度為0.108 mm。

2) 打印底部支撐層。采用水溶性支撐材料(主要材料)和模型材料(網(wǎng)狀填充)。底部支撐共打印37層，打印高度為0.999 mm。

3) 采用模型材料打印方環(huán)并在內(nèi)側(cè)和外側(cè)打印支撐層。方環(huán)設(shè)計(jì)高度為10 mm，根據(jù)打印層厚0.002 7 mm推算，共需打印370層，實(shí)際打印高度為9.999 mm。方環(huán)模型上下表面和內(nèi)外側(cè)壁為指定顏色的模型材料層，內(nèi)部為白色模型材料填充。方環(huán)內(nèi)側(cè)和外側(cè)支撐層的厚底為1.6 mm。

4) 打印頂部支撐材料層。采用水溶性支撐材料(主要材料)和模型材料(網(wǎng)狀填充)。頂部支撐材料層共打印99層，計(jì)算高度為2.673 mm。

打印開始前噴頭自動(dòng)清洗噴孔一次，打印過程中噴頭每隔30 min自動(dòng)清洗噴孔一次，以保證噴孔端面清潔和預(yù)防噴孔堵塞。

本文還將圖5所示原始尺寸的方環(huán)整體放大2倍和3倍進(jìn)行了PolyJet彩色3D打印，對(duì)比研究原材料消耗的變化。

3 結(jié)果分析

3.1 方環(huán)PolyJet彩色3D打印材料消耗分析

方環(huán)PolyJet彩色3D打印共耗時(shí)52.5min，打印結(jié)束后所得模型如圖7(a)所示。圖7(b)為通過壓力水槍清除表面支撐材料層后所得最終模型。

由Stratasys J750控制軟件得知，方環(huán)PolyJet彩色3D打印消耗原材料25 g。由電子秤測(cè)得打印所得模型(含支撐材料)重量為7.94 g，清除表面支撐材料后所得最終模型為3.49 g。打印原材料主要消耗在噴孔清潔、成型支撐層和成型模型上，分別占原材料總消耗量的68.24%、17.80%和13.96%(如圖8所示)。

圖7 PolyJet彩色3D打印所得方環(huán)

圖8 方環(huán)彩色3D打印原材料消耗餅狀圖

3.2 不同比例方環(huán)PolyJet彩色3D打印材料消耗對(duì)比分析

方環(huán)整體放大2倍和3倍進(jìn)行PolyJet彩色3D打印所得模型如圖9所示。

圖9 不同放大比例方環(huán)PolyJet彩色3D打印模型

由Stratasys J750控制軟件得知，放大2倍和3倍的方環(huán)PolyJet彩色3D打印分別消耗原材料93 g和254 g。打印原材料在噴孔清潔、成型支撐層和成型模型的消耗量如表2所示。

表2 方環(huán)PolyJet彩色3D打印原材料消耗 g

噴孔清潔材料的消耗主要由清潔次數(shù)決定。打印開始前噴頭自動(dòng)清洗噴孔一次，打印過程中噴頭每隔30 min自動(dòng)清洗噴孔一次。放大2倍和3倍的方環(huán)PolyJet彩色3D打印時(shí)間分別是93.5 min和280.5 min，分別需要進(jìn)行噴孔清潔4次和10次，計(jì)算得知每次清潔大概消耗12 g耗材。原始尺寸方環(huán)PolyJet彩色3D打印時(shí)間為52.5 min，打印共清理噴孔2次(打印前1次和打印進(jìn)行30分鐘時(shí)1次)，但只消耗量17.06 g耗材(而不是12g/次×2次=24 g)，是因?yàn)樵撃Ｐ统叽缧?，打印時(shí)每組噴孔只需1/3(約64個(gè)噴孔)進(jìn)行工作即可完成單個(gè)面光敏樹脂的噴射，所以打印過程中僅進(jìn)行了工作部分噴口的清潔。

支撐消耗則取決于表面積，表面積越大，支撐材料消耗越大。如圖10所示，方環(huán)原始尺寸、放大2倍和3倍的表面積之比為1∶4∶9，對(duì)應(yīng)支撐材料消耗之比為1∶3.62∶7.79，比例基本一致。當(dāng)然，如果打印其他有懸空結(jié)構(gòu)的模型將需要消耗更多支撐材料。

模型消耗與模型體積直接相關(guān)，體積越大，模型本身材料消耗越多。如圖10所示，方環(huán)原始尺寸、放大2倍和3倍的體積之比為1∶8∶27，對(duì)應(yīng)模型消耗材料之比為1∶8.10∶27.56，比例基本一致。

圖10 不同放大比例方環(huán)材料消耗比較

不同放大比例方環(huán)PolyJet彩色3D打印在噴孔清潔、成型支撐層和成型模型上的原材料消耗比例變化趨勢(shì)如圖11所示。隨著方環(huán)由原始尺寸放大至3倍，模型本身消耗占原材料總消耗的比值顯著增加，由13.96%增加至37.87%；噴孔清潔消耗原材料的比例顯著下降，由68.24%下降至48.49%；支撐消耗的比值也呈下降的趨勢(shì)，由17.80%下降至13.64%。但是，噴嘴清理消耗的材料和支撐材料消耗仍然占較大的比例，超過了60%；即真正用于成型模型本身的材料不到40%。目前PolyJet彩色3D打印原材料每公斤為2 000～3 000元(人民幣)，較低的材料利用率使得打印成本居高不下。減少噴孔清潔過程的原材料消耗及模型表面支撐材料，將是PolyJet彩色3D打印推廣應(yīng)用急需解決的問題。

圖11 不同放大比例方環(huán)PolyJet彩色3D打印材料消耗變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

以方環(huán)為研究對(duì)象，進(jìn)行了PolyJet彩色3D打印成型，發(fā)現(xiàn)原材料主要消耗在噴孔清潔和形成支撐層上。通過比較不同放大比例方環(huán)模型的打印結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著模型體積的增加，噴孔清潔消耗原材料的比值顯著下降而模型消耗的比值則顯著上升，支撐消耗的比值呈下降的趨勢(shì)。噴嘴清理消耗的材料和支撐材料消耗仍然占較大的比值，超過了60%；真正用于成型模型本身的材料不到40%。減少噴孔清潔過程的原材料消耗及模型表面支撐材料，將是PolyJet彩色3D打印推廣應(yīng)用急需解決的問題。

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Material Consumption Analysis of Square Ring Formed by PolyJet Color 3D Printing

LAI Zhouyi1， SHI Hanyu2

(1.School of Electromechanical Engineering, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China；2.Hangzhou Shining 3D ePrint Tech Co., Ltd., Hangzhou 311200, China)

The paper first studies the PolyJet color 3D printing principle, and then takes the square ring as the research object for color 3 D printing forming, and the analysis in detail was conducted on raw print material consumption. Results show that the printed model contains the base, the model itself and the support layer wrapped around the model, most of the raw print materials consumption is in spray hole cleaning and supporting layer. By comparing the printing results of square ring 3D printed in different magnification ratio, it was found that the ratio of the consumption of raw materials in spray hole cleaning decreased significantly and the ratio of raw materials in model increased significantly with the increase of model volume, and the ratio of raw materials in supporting layer decreased. The raw materials consumption in spray hole’s cleaning and supporting layer still account for a large proportion, more than 60%, while the material used for forming the model was less than 40%. Reducing the materials consumption in spray hole cleaning and supporting layer is the urgent problem for the generalization and application of PolyJet color 3D printing.

square ring; color 3D printing; PolyJet; material consumption

10.11809/scbgxb2017.07.035

2017-03-30；

2017-04-20

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CKSJS2015092914140452)

賴周藝(1982—)，男，博士，工程師，主要從事先進(jìn)制造教學(xué)與研究。

format:LAI Zhouyi， SHI Hanyu.Material Consumption Analysis of Square Ring Formed by PolyJet Color 3D Printing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):163-167.

TH162+.1

A

2096-2304(2017)07-0163-05

本文引用格式：賴周藝，施瀚昱.方環(huán)聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印材料消耗分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):163-167.