墨水脫氣技術(shù)在砂型3D 打印中的應(yīng)用與研究

杜銀學(xué)

（共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750001）

噴墨打印是一種集計算機控制、微型制造與墨水品質(zhì)控制等諸多技術(shù)于一身的新一代印刷技術(shù)，其憑借高精度噴墨控制、非接觸式打印等特點，在平面噴繪、陶瓷打印、電子制造、3DP 增材制造等多個領(lǐng)域都得到了大量應(yīng)用，是一項非常有發(fā)展前景的工業(yè)技術(shù)[1-3]。噴墨打印的核心是通過噴頭及其控制系統(tǒng)實現(xiàn)對墨滴的精確控制。無論哪種噴墨打印應(yīng)用，墨水作為噴墨打印系統(tǒng)的主體，它的特性對打印結(jié)果的影響都至關(guān)重要。常規(guī)噴墨打印墨水特性參數(shù)主要有粘度、密度、表面張力、顆粒物含量、含氣量等。其中，粘度、密度、表面張力是液體的基本物理屬性，主要決定這種液體用作墨水時的可噴射性；顆粒物往往是以某種墨水在該行業(yè)應(yīng)用時的主要有效成分或雜質(zhì)的形式存在，過多的顆粒物含量會影響墨水在噴頭流道內(nèi)的通過性；含氣量是指墨水中所溶解的空氣的含量，與空氣在墨水中的溶解度、溫度、壓力等多個因素有關(guān)，過高的含氣量會隨著墨水在噴頭墨腔內(nèi)流動時釋放一部分并集結(jié)變成氣泡，阻礙墨水的流動，最終影響噴射穩(wěn)定性[4，5]。

砂型3D 打印是一種利用3DP 技術(shù)進行砂型成型的工業(yè)化增材制造技術(shù)，一般使用呋喃樹脂作為噴射墨水實現(xiàn)砂粒粘結(jié)，因此呋喃樹脂開始以墨水的身份進入了噴墨領(lǐng)域。與粘度、密度、表面張力以及顆粒物含量等墨水宏觀物理特性不同，墨水含氣量及其對打印噴墨的影響更多的是一種微觀層面的表現(xiàn)，因此容易被忽略，但卻又十分重要。本文以砂型3D 打印中使用的呋喃樹脂為研究對象，模擬呋喃樹脂在實際工況下的含氣量，并研究其對砂型3D 打印效果的影響，為墨水脫氣在砂型3D 打印中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 墨水含氣量檢測方法與脫氣原理

1.1 墨水含氣量檢測方法

在溶解平衡狀態(tài)下，空氣中各組分根據(jù)溶解度的不同，以不同比例溶解到液體中。想要得到絕對的墨水含氣量，就需要將所有氣體成分都從墨水中分離出來，或通過色譜法進行成分檢測，這對于日常檢測而言是十分困難的。然而，對于噴墨打印，墨水中含氣量絕對值的測定并非十分必要，通過檢測墨水中某種氣體成分的含量，間接對比出墨水含氣量的差異就已經(jīng)足指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用。因此，墨水含氣量的檢測借鑒了水質(zhì)檢測中用于水體溶解氧檢測的方法，使用溶氧量測定儀對墨水中的溶解氧含量進行檢測，從而定性表征墨水的含氣量情況。

根據(jù)溶解氧檢測原理不同，溶氧量測定儀可分為覆膜電極溶解氧測定儀和熒光法溶解氧測定儀兩種，前者采用電化學(xué)探頭法，基于氧化還原反應(yīng)的原理，液體中氧濃度與電極間產(chǎn)生的電流大小成正比；后者則基于氧分子對熒光物質(zhì)的猝滅效應(yīng)，液體中氧濃度與激發(fā)熒光的強度成反比[6]?？紤]到電化學(xué)探頭法在測定過程中需要消耗液體中的氧分子，造成測量結(jié)果偏低，因此選用了熒光法溶解氧測定儀對呋喃樹脂進行溶氧量測定。

1.2 墨水脫氣原理

為了將墨水含氣量降到相對較低的水平，噴墨打印中一般使用脫氣肺對墨水進行脫氣處理[7-9]。脫氣肺內(nèi)含有一種經(jīng)過特殊處理的疏水中空纖維膜絲，膜絲上有大量微孔，能夠允許空氣分子穿過，墨水卻無法穿透。如圖1 所示為脫氣肺通過纖維膜絲實現(xiàn)脫氣的原理，當(dāng)中空的纖維膜絲內(nèi)被抽真空或通以一定的負(fù)壓時，墨水中溶解的空氣分子就會通過擴散作用，經(jīng)膜絲上的微孔被抽出，從而實現(xiàn)降低墨水中空氣分子含量的目的。

圖1 脫氣肺工作原理圖

2 呋喃樹脂溶氧量測定與脫氣實驗

3D 打印呋喃樹脂在使用前一般是常溫常壓存放，并且能夠長時間與空氣保持接觸，可以認(rèn)為其空氣的溶解程度已經(jīng)達到飽和狀態(tài)。當(dāng)需要使用時，樹脂會經(jīng)歷多級的搬運和泵墨輸送過程，這一過程相當(dāng)于對樹脂進行了充分地攪拌。攪拌過程會大幅增加液體與空氣的接觸面積，從而加速空氣的溶解，促使呋喃樹脂從原來的空氣飽和溶液變成過飽和溶液。當(dāng)這種空氣過飽和樹脂進入噴頭中時，隨著噴頭墨腔中溫度和壓力的變化，極易分離析出氣泡，造成噴孔堵塞問題。

圖2 所示為典型的帶墨水循環(huán)系統(tǒng)的工業(yè)3D打印機的供墨系統(tǒng)簡圖，呋喃樹脂從打印機外的集中供液箱經(jīng)墨泵1 進入設(shè)備液料箱；隨著打印開始，墨泵2 工作并將樹脂源源不斷的供入打印頭墨盒中；墨盒與噴頭連接，帶墨水循環(huán)功能的噴頭又將一部分樹脂分配到循環(huán)墨盒中，并通過墨泵3 泵入樹脂回收箱；最后，再由墨泵4 將樹脂回收箱的樹脂泵入液料箱中。隨著打印過程進行，液料箱中的呋喃樹脂溶氧量必定會比常溫靜置的溶氧量更高，即成為過飽和狀態(tài)。

圖2 帶墨水循環(huán)系統(tǒng)的工業(yè)3D 打印機供墨系統(tǒng)簡圖

為了模擬現(xiàn)場設(shè)備的供墨工況，研究攪拌過程對呋喃樹脂溶氧量的影響，實驗采用“化零為整”的思想，將圖2 供墨系統(tǒng)簡化，搭建了一套僅含一個墨泵與一個液料箱的墨水循環(huán)流動系統(tǒng)實驗平臺。同時，為了進一步驗證脫氣肺在呋喃樹脂脫氣中的應(yīng)用效果，在上述實驗平臺基礎(chǔ)上增加一個脫氣肺，當(dāng)墨泵工作時，脫氣肺也同時工作為樹脂脫氣。圖3 所示為模擬打印供墨過程溶氧量測試實驗和脫氣實驗原理圖。

圖3 呋喃樹脂溶攪拌過程與脫氣實驗原理

實驗開始前在液料箱中裝一定量呋喃樹脂，靜置若干小時，使樹脂達到自然飽和狀態(tài)后再開始測試。實驗中，當(dāng)墨泵工作，液料箱內(nèi)的樹脂開始循環(huán)流動時，每間隔一定時間檢測一次液料箱中樹脂的溶氧量，最終得到如圖4 所示的呋喃樹脂溶氧量隨攪拌時長變化的關(guān)系曲線。

圖4 呋喃樹脂溶氧量隨攪拌時間的變化

根據(jù)圖4 中曲線所示，呋喃樹脂常溫靜置狀態(tài)下的溶解氧含量相對較低，隨著墨水循環(huán)流動，樹脂溶解氧會逐漸增加并最終趨近于一個定值。對比樹脂脫氣與不脫氣兩種情況，脫氣條件下的樹脂溶氧量明顯低于無脫氣條件下的樹脂溶氧量，說明脫氣肺對砂型3D 打印呋喃樹脂是有明顯效果的。

3 墨水脫氣在砂型3D 打印中的應(yīng)用效果

在砂型3D 打印機供墨系統(tǒng)上安裝脫氣肺，對比驗證有樹脂脫氣和無樹脂脫氣兩種情況。打印結(jié)果顯示，無樹脂脫氣時，砂型沿打印掃描方向上更容易出現(xiàn)色差條紋，而使用脫氣肺的情況下打印的砂型顏色均一性更佳。圖5 所示為某次打印砂型上出現(xiàn)的色差條紋。

圖5 3D 打印砂型上的色差條紋

為了更明顯地對比出樹脂脫氣是否對打印噴墨造成的影響，在砂型打印過結(jié)束后分別打印了一張噴頭狀態(tài)測試圖，結(jié)果如圖6 所示。顯然，未經(jīng)過樹脂脫氣處理的情況下，噴頭打印丟幀現(xiàn)象更明顯一些；而當(dāng)對呋喃樹脂進行脫氣處理后，噴頭的噴墨狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn)，丟幀率更低。因此，在無樹脂脫氣條件下，砂型上出現(xiàn)的縱向色差條紋可理解為是噴頭丟幀造成的噴墨不均一現(xiàn)象造成的。

圖6 噴頭噴墨狀態(tài)測試圖

4 總結(jié)

通過分析砂型3D 打印機供墨系統(tǒng)，提出供墨過程會因為攪拌作用造成呋喃樹脂溶解過多空氣變成過飽和溶液，并通過模擬打印機供墨過程進行樹脂溶氧量測定和脫氣實驗，明確了該結(jié)論。同時，通過脫氣驗表明脫氣肺對于呋喃樹脂脫氣具有良好的效果。而且，通過實際的砂型打印測試，證明呋喃樹脂經(jīng)過脫氣處理后，能夠減少噴頭的丟幀現(xiàn)象，噴印效果更佳，對于砂型3D 打印具有一定應(yīng)用價值。當(dāng)然，在實際應(yīng)用中也需要根據(jù)具體的樹脂用量和打印結(jié)果，做出合理選擇。墨泵的規(guī)格和液料箱的相對容積不同，泵工作時對墨水起到的攪拌作用程度就不同，不能一概而論。另一方面，脫氣肺也存在不同的規(guī)格，當(dāng)使用較小規(guī)格的脫氣肺對大用量樹脂的設(shè)備進行脫氣時，自然也起不到足夠的效果。