基于圖形錯(cuò)位的3DP 打印方法研究及應(yīng)用

周子翔，虎 成，劉 軼，何捷軍

（共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021）

噴墨黏粉式（3DP）3D 打印技術(shù)是噴頭在電腦控制下，按照模型截面的二維數(shù)據(jù)運(yùn)行，選擇性地在相應(yīng)位置噴射黏結(jié)劑，最終構(gòu)成層。在每一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)等于層厚度的距離，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并由鋪粉輥推到成型缸，鋪平再被壓實(shí)。如此循環(huán)，直至完成整個(gè)物體的粘結(jié)。

在此過(guò)程中，如果打印頭始終沿同一路徑軌跡往返的情況時(shí)，如果打印噴頭有部分噴孔堵塞或損壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)打印過(guò)程無(wú)法噴墨的這部分始終無(wú)法噴射黏結(jié)劑，層層累加，就形成了裂縫，導(dǎo)致整個(gè)打印模型無(wú)法成型，產(chǎn)生不合格產(chǎn)品；另外，構(gòu)成每層打印的模型截面圖幅大小是不同的，但打印頭的有效噴墨寬度是一定的，所以不同的模型截面圖幅打印需要打印頭步進(jìn)走位，往返多次打印，才能完成一個(gè)模型截面圖幅的打印，這個(gè)過(guò)程中，由于機(jī)械上的精度、黏結(jié)劑的反應(yīng)速率等原因，造成打印頭往返拼接圖幅的地方容易產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。但是打印噴頭有部分堵塞或者損壞是比較容易出現(xiàn)的問(wèn)題，所以就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品都打印出來(lái)了，才發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，需要頻繁停機(jī)維修或更換打印頭，效率低，維修頻繁，增加成本。

針對(duì)上述技術(shù)的不足，如何在打印過(guò)程中部分打印噴頭堵塞或者損壞的情況下依舊不影響打印質(zhì)量，規(guī)避斷裂現(xiàn)象，得到合格的產(chǎn)品，減少維修次數(shù)，提高工作效率，是急需解決的問(wèn)題及研究方向。

1 利用圖形錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位打印

通過(guò)分析與試驗(yàn)提出了圖形錯(cuò)位打印方法。錯(cuò)位打印方法原理：在構(gòu)成打印圖幅之前，將打印圖像沿畫(huà)布垂直方向偏移一個(gè)隨機(jī)高度，使圖幅垂直方向的起始位置產(chǎn)生隨機(jī)高度的空白圖像，然后構(gòu)成新的打印圖幅。打印頭裝載打印圖幅后，根據(jù)圖像垂直方向上的隨機(jī)偏移高度，調(diào)整打印頭沿寬度方向上的打印起始位置，使同一噴孔在相鄰打印層對(duì)應(yīng)的噴射位置相互錯(cuò)開(kāi)，當(dāng)打印頭的個(gè)別噴孔堵塞時(shí)，該堵塞噴孔在相鄰層對(duì)應(yīng)的位置也相互錯(cuò)開(kāi)，而單層的個(gè)別噴孔堵塞而產(chǎn)生的漏噴黏結(jié)劑的現(xiàn)象并不會(huì)造成打印模塊的斷節(jié)問(wèn)題，少數(shù)分散的噴孔堵塞，因各層打印中其對(duì)應(yīng)的位置已經(jīng)相互錯(cuò)開(kāi)，也不會(huì)造成打印模塊斷節(jié)問(wèn)題，從而避免了打印頭因個(gè)別噴孔堵塞而無(wú)法繼續(xù)打印的問(wèn)題，提高了3DP 打印效率，降低打印頭維護(hù)成本。同時(shí)，每層由于圖像沿畫(huà)布垂直方向偏移的高度隨機(jī)，使得打印頭起始噴射位置不同，在相鄰兩層上打印頭往返打印拼接圖幅的位置也不相同，避免出現(xiàn)打印出的實(shí)物從拼接處斷裂。

2 圖形錯(cuò)位打印實(shí)踐

如圖1、圖2、圖3 所示，本文所述的3DP 圖形錯(cuò)位打印方法，在逐層鋪粉打印中，將打印圖像5沿畫(huà)布垂直方向偏移一個(gè)隨機(jī)高度h，生成打印圖幅4，打印頭1 加載打印圖幅4，將打印頭1 移動(dòng)到打印平臺(tái)2 打印區(qū)域上方打印起始點(diǎn)6，并把打印頭1 沿寬度方向向打印圖像5 偏移的反方向移動(dòng)圖像偏移的高度h，使同一噴孔對(duì)應(yīng)的相鄰層上打印區(qū)域2 的噴射位置相互錯(cuò)開(kāi)，同時(shí)使相鄰層上打印頭步進(jìn)往返打印的拼接位置3 相互錯(cuò)開(kāi)。

3DP 圖形錯(cuò)位打印方法中的打印頭1 沿寬度方向依據(jù)圖像偏移高度h 動(dòng)態(tài)調(diào)整打印頭1 的起始噴射位置，從而實(shí)現(xiàn)逐層打印中，打印頭的同一噴孔在相鄰層中對(duì)應(yīng)的噴射位置始終錯(cuò)開(kāi)，同時(shí)打印頭步進(jìn)往返打印的拼接位置3 始終錯(cuò)開(kāi)。

具體實(shí)施方法如下：

第一步，如圖1 所示，本文實(shí)施例中圖像偏移范圍設(shè)置為0～50 mm，隨機(jī)取得20 mm 為圖像偏移高度，將打印圖像5 沿畫(huà)布垂直方向向下移動(dòng)20 mm，生成打印圖幅4。打印頭1 裝載打印圖幅4，將打印頭1 移動(dòng)到打印起始點(diǎn)6，并沿打印頭寬度方向向上移動(dòng)20 mm，通過(guò)鋪粉裝置在打印平臺(tái)上鋪一層粉，啟動(dòng)打印頭1 的各噴孔根據(jù)裝載的打印圖幅4 在打印區(qū)域2 的第一部分圖幅噴射區(qū)域2A的上方選擇性的噴射打印，當(dāng)?shù)谝徊糠謭D幅噴射區(qū)域2A 完成噴射打印后，打印頭步進(jìn)打印頭的寬度，將打印頭對(duì)應(yīng)打印平臺(tái)第二部分圖幅噴射區(qū)域2B的上方，啟動(dòng)打印頭的各噴孔根據(jù)裝載的打印圖幅4 在打印區(qū)域2 的第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方選擇性的噴射打?。煌瓿僧?dāng)前層的打印后，工作臺(tái)下降一個(gè)鋪粉高度。

圖1 3DP 圖形錯(cuò)位打印第一步

第二步，如圖2 所示，隨機(jī)取得5 mm 為圖像偏移高度，將打印圖像5 沿畫(huà)布垂直方向向下移動(dòng)5 mm，生成打印圖幅4.打印頭1 裝載打印圖幅4，將打印頭1 移動(dòng)到打印起始點(diǎn)6，并沿打印頭寬度方向向上移動(dòng)5 mm，通過(guò)鋪粉裝置在打印平臺(tái)上鋪一層粉，啟動(dòng)打印頭1 的各噴孔根據(jù)裝載的打印圖幅4在打印區(qū)域2 的第一部分圖幅噴射區(qū)域2A 的上方選擇性的噴射打印，當(dāng)?shù)谝徊糠謭D幅噴射區(qū)域2A完成噴射打印后，打印頭步進(jìn)打印頭的寬度，將打印頭對(duì)應(yīng)打印平臺(tái)第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方，啟動(dòng)打印頭的各噴孔根據(jù)裝載的打印圖幅4 在打印區(qū)域2 的第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方選擇性的噴射打??；完成當(dāng)前層的打印后，工作臺(tái)下降一個(gè)鋪粉高度。

圖2 3DP 圖形錯(cuò)位打印第二部

第三步，如圖3 所示，再次隨機(jī)取得46 mm 為圖像偏移高度，將打印圖像5 沿畫(huà)布垂直方向向下移動(dòng)46 mm，生成打印圖幅4.打印頭1 裝載打印圖幅4，將打印頭1 移動(dòng)到打印起始點(diǎn)6，并沿打印頭寬度方向向上移動(dòng)46 mm，通過(guò)鋪粉裝置在打印平臺(tái)上鋪一層粉，啟動(dòng)打印頭1 的各噴孔根據(jù)裝載的打印圖幅4 在打印區(qū)域2 的第一部分圖幅噴射區(qū)域2A 的上方選擇性的噴射打印，當(dāng)?shù)谝徊糠謭D幅噴射區(qū)域2A 完成噴射打印后，打印頭步進(jìn)打印頭的寬度，將打印頭對(duì)應(yīng)打印平臺(tái)第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方，啟動(dòng)打印頭的各噴孔根據(jù)裝載的打印圖幅4 在打印區(qū)域2 的第二部分圖幅噴射區(qū)域2B 的上方選擇性的噴射打印；完成當(dāng)前層的打印后，工作臺(tái)下降一個(gè)鋪粉高度。

圖3 3DP 圖形錯(cuò)位打印第三部

第四步，重新隨機(jī)圖像偏移高度，重復(fù)上一步的打印過(guò)程，直至完成產(chǎn)品的3DP 打印。

3 結(jié)論

本文所述圖形錯(cuò)位打印的方法，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證能夠有效填充無(wú)法噴射黏結(jié)劑的空白區(qū)，提升打印頭使用壽命，降低成本，提高打印效率；同時(shí)通過(guò)不停改變打印頭往返拼接位置可規(guī)避由于打印噴頭部分噴孔堵塞或損壞時(shí)造成砂型斷裂現(xiàn)象。