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在3D 打印機的使用過程中，打印頭的維護保養(yǎng)對于延長其使用壽命格外重要。由于打印頭在使用一段時間后，打印測試紙時會出現(xiàn)噴墨不全，甚至是完全不噴墨的狀況，這使得打印產(chǎn)品的質量得不到有效的保證。為了使這一狀況得到改善，在本文中，將討論一種噴頭板卡的清洗和測試方法。

1 壓電噴墨與3D 打印

1.1 壓電噴墨在鑄造砂型3D 打印中的應用

鑄造作為一個傳統(tǒng)的行業(yè)，在復雜模型的制作上大多依賴與手工制作，而且制作周期長，模型質量和精度依賴于人們的經(jīng)驗，不利于鑄造業(yè)實現(xiàn)快速高效的改變，但是3D 打印的橫空出世，改變了這種現(xiàn)狀，對于復雜模型的制作，表現(xiàn)出了強大的優(yōu)勢，模型制作精度可控制，制作周期也大幅縮短，對人力的依賴明顯下降[1]。3D 打印機在工作的過程中按照需要將樹脂噴到混有固化劑的砂面上，一層砂子噴一層樹脂循環(huán)疊加起來最終形成砂型。按需噴墨的噴頭主要有熱發(fā)泡、壓電式兩種。相對而言，壓電式噴頭的生產(chǎn)工藝要比熱發(fā)泡噴頭的生產(chǎn)工藝復雜很多，但由于壓電式噴頭的壽命長，所以成本上也遠低于熱發(fā)泡噴頭。因此，壓電式噴頭在鑄造3D 打印機上也得到了大量的應用。

1.2 3D 打印過程中壓電噴頭的常見故障

壓電噴頭的壓電腔和噴孔尺寸為微米級，使用過程中如果墨水的質量不能達到使用要求，將對不可拆卸的壓電式噴頭產(chǎn)生致命的永久性損傷，導致噴墨故障[2]。主要的故障包括：噴頭壽命大幅度降低、噴頭堵塞噴不出墨水，表現(xiàn)在砂型表面有白道，砂型表面質量差等。

為解決噴頭堵塞的問題對故障噴頭進行解剖分析，如圖1、圖2 所示，噴頭確實已經(jīng)被堵塞，主要就是墨水結晶形成的膠體。

通過光學顯微鏡和電鏡掃描（SEM）分析，壓電腔出墨口及壓電腔通道邊緣都有黑色膠狀物質，其外觀相似并都易脫落，透明膠體附著但都未堵塞通道，壓電腔通道邊上的小孔堵塞嚴重。墨水出墨口通道三分之一的孔被堵塞，為堵塞最嚴重區(qū)域，堵塞雜質形態(tài)上為膠體；過濾網(wǎng)與噴孔未出現(xiàn)堵塞。

噴頭中的濾網(wǎng)未出現(xiàn)很嚴重的堵塞說明在進入濾網(wǎng)的前端就有堵塞現(xiàn)象，導致壓電腔的堵塞最為嚴重，堵塞物質以膠體及顆粒為主。

圖1 壓電腔墨水流道

圖2 噴頭內濾網(wǎng)

2 壓電噴頭的維護保養(yǎng)

2.1 故障噴頭的處理

對于噴墨已經(jīng)有故障的噴頭，當故障原因判斷為堵塞的，可以嘗試使用清洗的方式，清理掉墨水腔里面堵塞的結晶樹脂及雜質。

圖3 噴頭清洗原理圖

噴頭清洗原理圖如圖3 所示，將噴頭安裝在噴頭架上，放入超聲波槽內，讓去離子水剛好漫過噴頭底面為宜，啟動超聲波將頻率設置為44 Hz 把噴頭內腔結晶的膠體震碎，設置正負壓為0.22 MPa 通過去離子水正反吸循環(huán)，將噴頭內的雜質帶入到清洗槽中由重力沉入底部達到清洗噴頭的作用，具體流程如下：

首先，關閉手閥，正壓泵把去離子水壓入噴頭內，壓力增大，去離子水從噴頭噴孔擠出；接著打開手閥，去離子水經(jīng)過噴頭墨水腔最終從手閥處流出；最后關閉手閥，關閉正壓泵，打開反抽泵，抽出墨水腔內的去離子水，這樣反復清洗三次[1-3]。

注意，正負壓泵的壓力不能超過噴頭耐壓極限，一般設置為0.02 MPa，頻率為44 Hz 為宜，如需增加參數(shù)則壓力不能超過0.05 MPa，頻率不能超過60 Hz，超過會造成噴頭不可恢復性損壞。

2.2 維修后噴頭的測試

對于清洗完成的噴頭，使用單噴頭測試平臺和原廠標準墨，打印測試紙，分析清洗效果。對于清洗完成后，仍然有堵塞的噴頭，繼續(xù)加大清洗力度，提升超聲波清洗頻率為50 Hz 和清洗液的成分(添加強化學溶劑)，但這樣對噴頭自身也會造成一定程度的損傷，會導致噴頭的開膠問題，嚴重縮短噴頭使用壽命，一般不推薦使用[4]。

3 結論

經(jīng)過清洗后，堵塞情況明顯好轉。噴頭作為3D打印設備最為關鍵的部件，在使用過程中出現(xiàn)問題，都會導致產(chǎn)品的質量波動，因此確保噴頭能夠長時間的穩(wěn)定工作對于3D 打印設備非常重要。根據(jù)目前發(fā)生的問題，進行清洗只是從表層去解決使用過程發(fā)生的問題，對于故障的本質根源還缺少一定的認知，因此在清洗保養(yǎng)措施有一定成效后，還應積極探討噴頭問題的深層原因。