墨水循環(huán)系統(tǒng)在砂型3D 打印中的應用與研究

馬利強，劉 軼，田小柳，王軍偉，王志剛，閆 濤，周志軍

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750001）

噴墨打印是一種以液態(tài)墨水為噴射對象的非接觸式數(shù)碼印刷。近年來，隨著以噴墨打印為基礎的3DP 增材制造技術的興起，傳統(tǒng)噴墨打印再一次煥發(fā)出新的活力[1-3]。在鑄造砂型3D 打印中，常以呋喃樹脂作為黏結劑進行噴墨打印。呋喃樹脂有著明顯的粘溫特性，而黏度對噴墨打印效果的影響非常顯著[4]，因此，為了得到穩(wěn)定的砂型3D 打印結果，對噴射墨水實施溫度調控措施必不可少。另外，噴繪打印中常會因為墨水中混有氣泡造成噴頭的氣體栓塞現(xiàn)象，發(fā)生堵孔問題，該現(xiàn)象在砂型3D 打印中也很常見?；谝陨蟽牲c考慮，具備墨水循環(huán)功能的噴墨打印頭被應用于砂型3D 打印中，流動的墨水可以帶走噴頭上產(chǎn)生的熱量，起到維持噴頭溫度的目的，同時能夠帶走噴頭墨腔中的氣泡，減小噴頭堵塞的風險[5]。本文以帶墨水循環(huán)功能的富士SG1024 噴頭為對象，研究墨水循環(huán)量的影響因素以及對打印效果的影響，實現(xiàn)該噴頭在砂型3D 打印上的穩(wěn)定使用。

1 噴頭墨水循環(huán)系統(tǒng)的研究

1.1 噴頭墨水循環(huán)基本原理

SG1024 噴頭依靠主墨盒與循環(huán)墨盒兩端的負壓差，為墨水循環(huán)流動提供動能，圖1 所示為SG1024 噴頭墨水循環(huán)原理圖。墨水從液料箱經(jīng)供墨泵進入主墨盒，并進一步從進墨管流入噴頭中。為了防止噴頭中的墨水不斷地從噴孔流出，要在主墨盒上施加一定負壓，稱為主負壓，主負壓的大小只與主墨盒液位到噴頭噴嘴板的高度差有關。噴頭的出墨管與循環(huán)墨盒相連，為了實現(xiàn)墨水的循環(huán)流動，需要在循環(huán)墨盒上施加另一路負壓，稱為循環(huán)負壓。根據(jù)連通器的原理，當循環(huán)負壓的值大于主負壓時，循環(huán)墨盒的液位可以達到主墨盒液位以上。為了實現(xiàn)墨水的持續(xù)循環(huán)，供墨泵需要根據(jù)主墨盒液位不斷供墨，同時，當循環(huán)墨盒液位到達一定高度時，循環(huán)泵工作，將一部分墨水泵入液料箱中，如此循環(huán)往復。

圖1 SG1024 噴頭墨水循環(huán)原理圖

1.2 噴頭墨水循環(huán)量的影響因素分析

墨水循環(huán)量是指單位時間內從噴頭出墨管中流出的墨水體積。在噴頭供墨連續(xù)，無噴嘴反吸空氣的情況發(fā)生時，可將噴頭供墨管、出墨管以及噴頭內部流道看作一個整體，并用一根圓管進行表征。假設該圓管直徑為d0，長度為l0，則根據(jù)層流流體在圓管中的流量計算公式[6]，墨水在噴頭中的循環(huán)量可以表示為：

式中，q—墨水流量，m3；d0—由噴頭及墨管構成的圓管的直徑，m；l0—由噴頭及墨管構成的圓管的長度，m；Δp—圓管兩端的壓力差，Pa；μ—墨水的動力黏度，N·s/m.

根據(jù)式（1）所示噴頭墨水循環(huán)量計算公式可知，影響墨水循環(huán)量的影響因素主要有管徑d0、管長l0、壓力差Δp 和墨水粘度μ.其中管徑、管長由噴頭自身結構決定，屬于固定參數(shù)；墨水黏度主要受溫度影響，粘度越高，墨水循環(huán)量越小，但正常情況下基本保持恒定。因此，墨水循環(huán)量調控參數(shù)僅剩壓力差Δp.在噴頭墨水循環(huán)系統(tǒng)中，壓力差Δp 即表示循環(huán)負壓與主負壓的差，由式1 可知，差值越大，墨水循環(huán)的流量越大。

1.3 墨水循環(huán)量的實驗測試

為了得到不同負壓差條件下的實際墨水循環(huán)量，按照SG1024 噴頭墨水循環(huán)原理搭建了單只噴頭的墨水循環(huán)量實驗測試平臺，如圖2 所示。

圖2 墨水循環(huán)量測試實驗平臺

實驗中保持主負壓與墨盒液位恒定，單獨提高循環(huán)負壓，得到墨水循環(huán)量隨負壓差變化的測試結果。圖3 所示為墨水循環(huán)量與負壓差關系曲線，表明單位時間內的墨水循環(huán)量與負壓差成線性正比關系，即負壓差越大，墨水循環(huán)量越大。

圖3 負壓差對墨水循環(huán)量的影響

2 墨水循環(huán)對噴墨效果的影響

噴頭噴墨效果直接影響著砂型產(chǎn)品的打印精度和表面質量，因此在進行砂型打印測試前，首先要測試不同負壓差條件下的墨滴狀態(tài)，研究墨水循環(huán)對噴頭噴墨效果的影響。圖4 所示為在僅改變負壓差的條件下，通過墨滴觀測儀測得的墨滴體積和墨滴下落速度隨負壓差變化的實驗結果。

圖4 表明，隨著負壓差增加，墨滴體積與墨滴下落速度都呈下降趨勢，尤其墨滴下落速度的下降幅度更高。

圖4 負壓差對噴頭墨滴噴射效果的影響

3 墨水循環(huán)對砂型3D 打印的影響

考慮實際的打印情況，在砂型3D 打印中使用墨水循環(huán)系統(tǒng)的目的在于，通過墨水循環(huán)帶走噴頭內聚積的氣泡，避免墨水沉積，同時為噴頭起到一定的降溫效果。但是，墨水循環(huán)會在一定程度上削弱墨滴的整體下落速度，這一點是應當避免的。由于打印過程中的墨水流動以及負壓和波形電壓的波動，會影響墨滴下落速度的穩(wěn)定性和一致性，導致墨滴落點偏差，而整體墨滴下落速度的減小會使這種因墨滴速度波動引起的落點偏差進一步被放大。

在噴墨打印應用中，一般將打印頭底板到打印介質的距離設定為1 mm～3 mm[7].假設打印機打印頭到砂面的距離為3 mm，打印頭以1 m/s 的速度進行掃描打印，并且墨滴下落速度始終有-0.5 m/s 的波動，當忽略墨滴下落過程中的速度衰減時，可以按照速度分解的方法得到以下不同墨滴下落速度條件下的墨滴落點偏差。根據(jù)表1 中計算結果，當平均墨滴下落速度從5 m/s 變?yōu)?.5 m/s 時，墨滴落點偏差從0.07 mm 增加為0.14 mm.

表1 不同墨滴下落速度下的墨滴落點偏差計算結果

為了進一步驗證不同負壓差條件下的砂型打印情況，使用配有墨水循環(huán)系統(tǒng)的某型號砂型3D打印機分別進行-1 kPa 與-4 kPa 負壓差的砂型打印測試，對比所打印砂型的相同位置，結果如圖5所示。

圖5 不同負壓差條件下的砂型打印結果

從打印結果看，當負壓差較高時，砂型表面更加粗糙，與預測結果一致。因此，在將噴頭墨水循環(huán)系統(tǒng)應用于砂型3D 打印時，除了要考慮墨水循環(huán)給打印系統(tǒng)帶來的諸多好處外，還需要根據(jù)實際的應用情況選擇合理的負壓參數(shù)，避免因為墨水循環(huán)技術的應用帶來新的問題。具體負壓參數(shù)的選擇應以結果為導向，在不產(chǎn)生不良影響的前提下，墨水循環(huán)量越高越好。

4 總結

本文以墨水循環(huán)系統(tǒng)在砂型3D 打印中的應用為研究對象，從墨水循環(huán)原理的角度著手，系統(tǒng)分析了影響墨水循環(huán)的關鍵因素，并以主負壓與循環(huán)負壓的差值為對象進行了實際的墨水循環(huán)量測試，證明墨水循環(huán)量與負壓差成線性正比關系。進一步的，為了研究墨水循環(huán)對砂型3D 打印的影響，首先采用不同負壓差進行了噴墨墨滴觀測，結果顯示隨著負壓差的增加，墨滴體積與墨滴下落速度都會減小。針對這一現(xiàn)象，從理論層面分析了墨滴下落速度降低可能帶來的問題，并通過打印測試，證明過高的負壓差會導致打印砂型的表面質量變差。因此，在實際應用中，應該以不影響砂型打印結果為前提，合理選擇循環(huán)負壓參數(shù)。