PolyJet原理3D打印機(jī)模型擺放位置對(duì)打印速度和電力消耗的影響

萬(wàn) 海 鑫

(阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236000)

3D打印技術(shù)以計(jì)算機(jī)數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用橫截面切片將數(shù)字模型切成很多層片，并通過(guò)3D打印設(shè)備，分層加工和迭加成形得到固態(tài)形體[1]。按照耗材的不同，3D打印可以分成以下幾種：(1)基于液體光敏樹(shù)脂工藝的光固化(SLA)和聚合物噴射成型(polyjet)；(2)基于絲狀固體工藝的熔融堆積(FDM)；(3)基于片狀固態(tài)工藝的疊層實(shí)體制造(LOM)；(4)基于粉末工藝的激光燒結(jié)(SLS)、激光熔融(SLM)、激光近凈成型(LENS)、電子束熔融(EBM)、三維噴印(3DP)等。與傳統(tǒng)減材制造工藝相比，基于polyjet原理的3D打印技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于幾乎可以建造任何幾何形狀，提供了幾乎無(wú)限的、不受約束的幾何復(fù)雜性。同時(shí)減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和模具成本，并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)者就能制造的直接制造方式。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造，需要評(píng)估3D打印對(duì)環(huán)境的影響，而電力消耗是造成環(huán)境影響的因素之一。

1 PolyJet原理介紹

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]，如圖1所示，液態(tài)光敏樹(shù)脂被泵送到打印頭的液囊，之后流入打印頭上方的壓電倉(cāng)中，壓電倉(cāng)的上方是雙金屬片結(jié)構(gòu)，施加電流后向下彎曲，從而將光敏樹(shù)脂從打印頭的微孔中壓出，每個(gè)微孔噴出不同顏色的光敏樹(shù)脂。打印頭沿X方向移動(dòng)，光敏樹(shù)脂被噴到打印平臺(tái)(或上一層打印件)上，打印頭上安裝的UV固化燈將本層液態(tài)光敏樹(shù)脂固化，X方向打印完成后沿Y方向移動(dòng)一定的距離，重復(fù)剛才的動(dòng)作。當(dāng)一層打印完成后，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(shù)脂固化成型[4]。如此循環(huán)，直至模型打印完成。打印的材料有兩種類型：模型材料和支持材料，模型材料用于構(gòu)建模型，支撐材料作為基礎(chǔ)層和支撐垂懸結(jié)構(gòu)。

圖1 PolyJet工藝示意

PolyJet原理3D打印是一種可光固化的聚光3D打印工藝，具有高分辨率、高精度、多材料和彩色打印等優(yōu)點(diǎn)，但是它的生產(chǎn)力(每單位制造時(shí)間的打印體積)比傳統(tǒng)的制造工藝要低。

2 試驗(yàn)設(shè)置和試驗(yàn)程序

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用珠海賽納三維科技有限公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)，型號(hào)J300PLUS，該3D打印機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1，使用的模型材料是該公司生產(chǎn)的RGD系列，使用的支撐材料是該公司生產(chǎn)的SUP系列。

表1 J300PLUS參數(shù)及打印參數(shù)

2.2 消耗功率的測(cè)量

為了獲得J300PLUS打印機(jī)在打印過(guò)程中消耗的電力，試驗(yàn)采用深圳市驛生勝利科技有限公司生產(chǎn)的VC5000A電能質(zhì)量分析儀并配置7.5 mm×13 mm尖小形電流鉗，該電能質(zhì)量分析儀可以記錄實(shí)時(shí)功率和電能，并以曲線形式顯示。將J300PLUS打印機(jī)連接電源，并為每個(gè)導(dǎo)線安裝電流鉗，并把電流鉗連接VC5000A電能質(zhì)量分析儀。

開(kāi)機(jī)待設(shè)備穩(wěn)定后，實(shí)測(cè)J300PLUS打印機(jī)的待機(jī)功率約0.62 kW，實(shí)測(cè)打印機(jī)消耗電力以功率大于0.62 kW為打印起點(diǎn)，以功率等于0.62 kW為打印終點(diǎn)，讀取打印起點(diǎn)和打印終點(diǎn)的時(shí)間和耗電量，即為J300PLUS打印機(jī)打印一個(gè)模型的打印時(shí)間和耗電量。

2.3 打印效率和功率效率的確定

打印單位體積的模型消耗的時(shí)間，稱為“打印效率”，可以用實(shí)測(cè)的打印時(shí)間除以打印模型的體積，如公式1所示。打印效率值直接代表打印單位體積的模型時(shí)間消耗。

總的電力消耗取決于打印時(shí)間和模型量，為更好地研究模型位置和方向?qū)Υ蛴C(jī)功耗的影響，將實(shí)測(cè)的打印消耗電能除以打印模型的體積，得到的值稱為“功率效率”，如公式2所示。功率效率值直接代表了打印單位體積的模型功率消耗。因此，打印效率和功率效率值可以在不同的打印配置中進(jìn)行比較，作為確定哪些打印更有效的工具。

(1)

(2)

式(1)、(2)中ηt為打印效率(min/mm3)，ηw為功率效率(J/mm3)，T為打印時(shí)間(min)，W為打印功耗(J)，V打印模型的體積(mm3)

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為體現(xiàn)X和Y方向放置的打印效率和功率效率差異，使用以下2個(gè)方案依次試驗(yàn)。

方案1：本方案測(cè)試較小模型的效率，較小模型指模型寬度小于打印頭寬度，打印機(jī)無(wú)需沿Y軸移動(dòng)。采用10 mm×10 mm×2 mm的六面體模型按照?qǐng)D2放置，在打印平臺(tái)XY平面左上角(距離機(jī)器零點(diǎn)最近位置)放置1個(gè)模型作為對(duì)照(圖2a)，在打印平臺(tái)X(圖2b)軸和Y(圖2c)軸的2個(gè)角上各放置2個(gè)模型，在打印平臺(tái)4個(gè)角都放置1個(gè)模型(圖2d)。打印層厚30 μm，模型顏色黑色，上述模型打印3次。

圖2 較小模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖檬疽?/p>

方案2：本方案測(cè)試大型模型的效率，大型模型指模型寬度大于打印頭寬度，需要打印機(jī)沿Y軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。采用290 mm×10 mm×2 mm的六面體模型按照?qǐng)D3a和圖3b放置，為測(cè)試超大模型的效率，采用290 mm×290 mm×2 mm的六面體模型按照?qǐng)D3c放置，此模型可以覆蓋整個(gè)打印平臺(tái)。打印層厚30 μm，模型顏色黑色，上述模型打印3次。

圖3 較大模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖檬疽?/p>

3 小結(jié)

方案1的試驗(yàn)結(jié)果如圖4a和圖4c所示，每列代表3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，每列的誤差條與上下公差代表平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)，SE計(jì)算如公式3所示：

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(3)

(3)式中σ為標(biāo)準(zhǔn)差，n為試驗(yàn)次數(shù)。

對(duì)照組的數(shù)值采樣被作為基準(zhǔn)包括在內(nèi)，當(dāng)打印小模型時(shí)，在X軸上打印圖2b消耗的時(shí)間和功率是在Y軸上打印圖2c的50.63%和50.23%，與在Y軸上打印相比，打印相同體積的模型，只需要消耗一半的時(shí)間和電能，在X軸上打印小模型是一個(gè)更好的選擇。

方案2的試驗(yàn)結(jié)果如圖4b和圖4d所示，在X軸上打印圖3a消耗的時(shí)間和功率是在Y軸上打印圖3b的66.18%和23.39%。這主要是由于打印頭沿X軸噴出樹(shù)脂，如果模型大于打印第一次噴出的寬度，則需要沿Y軸運(yùn)動(dòng)，并重復(fù)沿X軸噴出樹(shù)脂。當(dāng)打印超大模型時(shí)(圖3c)，時(shí)間效率和功率效率只有Y軸上的49.15%和6.15%，意味著超大模型在整個(gè)XY平面上的打印效率和功率效率非常高。因此建議多個(gè)模型打印時(shí)，將多個(gè)模型布滿打印平臺(tái)一次打印，而不是一個(gè)一個(gè)模型打印。

4 結(jié) 論

本研究調(diào)查了PolyJet工藝的時(shí)間消耗和功率消耗，并將其與打印模型的位置、方向和體積直接聯(lián)系起來(lái)。這項(xiàng)研究的方法和結(jié)果應(yīng)該有助于研究人員和從業(yè)人員尋求減少PolyJet印刷過(guò)程中的功率消耗。研究發(fā)現(xiàn)，在X軸上打印比在Y軸上打印更有效，這意味著在沿X軸上打印模型每立方毫米消耗的時(shí)間和焦耳數(shù)更少，當(dāng)打印模型較少時(shí)，建議將模型沿X方向排列，Y方向排列尺寸盡量小，以減少Y方向運(yùn)動(dòng)。與小樣品相比，大樣品的打印效率和功率效率更高，因此建議有零星打印需求時(shí)，盡量攢在一起打印，在一次打印中模型盡量布滿平臺(tái)。