楊繼全，施建平，李 偉，李 娜

(南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

基于數(shù)字微滴噴射工藝的3DP技術(shù)在異質(zhì)零件的3D打印方面居于主流地位[1]，該類3D打印制造系統(tǒng)包括3個(gè)重要組成部分：材料、噴頭、成形打印工藝控制系統(tǒng)。數(shù)字化微滴噴射技術(shù)采用噴墨印刷技術(shù)或者其他類似技術(shù)通過噴嘴有選擇性地沉淀建造材料微滴以達(dá)到建造三維結(jié)構(gòu)的目的，它是一種可以加工多材料零件的快速成形技術(shù)[2-4]。

基于噴射材料的種類不同，微滴噴射多材料工藝可分為兩大類[5-13]。一類是噴射材料為光敏聚合物材料，對應(yīng)的工藝為通過打印機(jī)噴頭按需噴射多種不同的材料進(jìn)行堆積成形，其中部分材料構(gòu)成打印零件的本體，部分材料作為支撐犧牲材料。另一類是噴射材料作為粘合劑，對其他粉末類材料進(jìn)行粘接成形，其基本原理為：粘合劑微滴按照設(shè)定的形狀噴射在粉末床(即建造平臺(tái))上，然后按照第一層切片的形狀噴射粉末顆粒，之后建造平臺(tái)下降一定高度進(jìn)行第二層切片的建造，即將粘合劑微滴噴射到第一層噴射的粉末顆粒上，然后按照第二層切片的形狀噴射粉末顆粒，依次循環(huán)直到整個(gè)零件建造完成。這兩類3D打印工藝都展現(xiàn)出了建造多種材料零件的能力，能夠用該工藝技術(shù)制造的材料包括聚合類材料、陶瓷材料、金屬材料等，并且能夠用于建造形狀較為復(fù)雜的零件。

1 異質(zhì)零件的設(shè)計(jì)與制造一體化流程

基于微滴噴射技術(shù)和3D打印技術(shù)的多材料零件數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造一體化流程如圖1所示。

圖1 多材料零件數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造一體化流程

1)數(shù)字化設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是根據(jù)零件功能要求進(jìn)行三維產(chǎn)品零件的幾何拓?fù)湫螤?用單色三角面化模型數(shù)據(jù)表示)和材料組織結(jié)構(gòu)(用色彩信息表示)的設(shè)計(jì)；根據(jù)要求設(shè)計(jì)出三維產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)CAD實(shí)體模型，通過反求技術(shù)或正向建模技術(shù)獲得三維模型的幾何數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)為色彩域值為0的STL/PLY文件格式，編程實(shí)現(xiàn)STL/PLY格式文件的讀取以及色彩的添加。

2)數(shù)字化分層階段的目標(biāo)是對含有結(jié)構(gòu)信息和材料信息(色彩信息)的彩色STL/PLY模型進(jìn)行分層，獲得一系列彩色分層圖像文件；設(shè)計(jì)分層算法將三維彩色的零件模型轉(zhuǎn)換為二維的分層圖像文件，每層圖像文件的加工單元的色彩信息和結(jié)構(gòu)信息能夠與成形信息相對應(yīng)。

3)數(shù)字化制造階段的目標(biāo)是計(jì)算機(jī)能夠解析分層圖像的每一層成形信息，并將有效信息發(fā)送給多材料三維打印成形控制系統(tǒng)，控制打印成形系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)做協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。采用微滴噴射技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合的方法，將含有不同材料的溶液作為墨水，分別輸送給3D打印系統(tǒng)的各個(gè)噴頭控制系統(tǒng)的各個(gè)噴嘴(圖2)。通過微細(xì)噴嘴實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的分層微滴噴射，從而制得多材料三維零件原型。

圖2 體素、材料與噴頭噴嘴之間的對應(yīng)

2 數(shù)字噴頭/噴嘴的控制

目前可用于微滴噴射技術(shù)上的材料有各種熱塑性塑料、水、石蠟、生物醫(yī)學(xué)材料、低熔點(diǎn)合金和能制成懸浮液的金屬顆粒；適用于各種成形材料的噴頭(或噴嘴)種類有單噴頭、多噴頭和陣列噴嘴，每種噴頭或噴嘴對材料的要求不一，其中陣列噴嘴(如HP、Spectra、Epson、Xaar、理光等)對材料要求非常苛刻(該類噴頭或噴嘴的工作原理可參見有關(guān)書籍或資料)。單噴頭及多噴頭的工作模式如圖3所示，其區(qū)別見表1。

圖3 多噴頭打印

表1 單噴頭及多噴頭的區(qū)別

噴頭的控制需要針對不同的材料進(jìn)行設(shè)置，噴射控制的內(nèi)容包括：材料比例的設(shè)定、材料的混合、材料的黏度及材料噴射的速度等。噴頭控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 噴頭控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)因素：

1)多材料供墨系統(tǒng)應(yīng)允許獨(dú)立控制彎月面壓力和墨水流速；

2)每個(gè)連接到供墨系統(tǒng)的噴頭必須有相同的彎月面壓力、墨水流速以及溫度限制；

3)測量壓力時(shí)必須盡可能靠近噴頭，以確保噴頭壓力測量值準(zhǔn)確；

4)測量墨水溫度時(shí)必須盡可能靠近噴頭，以確保按照指定值控制噴頭中的墨水黏度；

5)連接多個(gè)噴頭到再循環(huán)供墨系統(tǒng)時(shí)，從集流管到每個(gè)噴頭的墨水通道必須長度相等，阻抗相同，也就是說，墨水通道供墨和回墨支線的壓力下降必須相同；

6)壓力脈沖必須通過使用具有低壓脈動(dòng)特性的泵或使用壓力脈沖衰減器(阻尼器)得以最小化；

7)泵和噴頭之間的壓力下降必須最小化，以最大限度地提高泵的利用率；

8)表面張力較高的墨水具有更寬的彎月面壓力范圍。

如未考慮以上相關(guān)內(nèi)容，可能會(huì)使得噴頭的可靠性降低，出現(xiàn)以下情況：墨水積聚在噴嘴板/噴嘴防護(hù)裝置上(由噴嘴滲漏墨水或墨霧導(dǎo)致)；墨水滴落到基材上；印刷的圖像中出現(xiàn)刻度線(由噴頭吸入空氣導(dǎo)致)；印刷圖像的開始或結(jié)尾處出現(xiàn)印刷人工痕跡(由控制系統(tǒng)響應(yīng)緩慢導(dǎo)致)。

3 異質(zhì)零件的3D打印路徑規(guī)劃

異質(zhì)材料打印優(yōu)化的方法之一是對材料進(jìn)行區(qū)域劃分，結(jié)合分區(qū)特征以及打印成形固化要求產(chǎn)生G代碼，指導(dǎo)打印機(jī)打印軌跡，提高成形件質(zhì)量。3D打印成形的路徑規(guī)劃需要考慮以下幾個(gè)方面。

1)材料分區(qū)。

根據(jù)分區(qū)，在同一切片層內(nèi)是相同材料，可優(yōu)先同時(shí)打印同材質(zhì)區(qū)域，再依次對剩下的其他材質(zhì)區(qū)域逐步打印。

2)材料黏度。

材料的組成會(huì)改變黏度，對噴頭進(jìn)行溫度、壓力的調(diào)控，優(yōu)選相鄰分區(qū)為材料黏度相似、組成相近的分區(qū)按序打印。

3)固化要求。

材料組成不同，固化時(shí)間要求的也不一樣，可以根據(jù)固化時(shí)間的要求，選擇打印的軌跡，如“回”字形、“之”字形、“S”字形等。

4 異質(zhì)零件成形實(shí)例

1)模型處理過程。

當(dāng)用三維造型軟件設(shè)計(jì)出一個(gè)三維零件后，模型的幾何信息等可以通過STL、VRML97等數(shù)據(jù)接口得到。這類文件通過一系列簡單的三角面片來構(gòu)造模型的表面，接著文件將被轉(zhuǎn)移到快速成形系統(tǒng)中進(jìn)行切片，即將這些三角面片信息轉(zhuǎn)變成一層一層包含模型輪廓的切片層，最后根據(jù)這些切片層成形出模型的每個(gè)截面，疊加所有截面直至構(gòu)造出整個(gè)實(shí)體模型。為了獲得彩色的模型，需要在切片的過程中添加一個(gè)顏色處理環(huán)節(jié)，即在獲得切片層輪廓后，還要為每條輪廓添加相應(yīng)的顏色，輪廓的顏色由輪廓所在三角面片的顏色決定，過程如圖5所示。

圖5 彩色模型處理過程

2)RGB模型轉(zhuǎn)換成CMYK模型。

在彩色3D打印成形過程中，三維 CAD 軟件繪制的模型文件是 RGB 色彩模式。彩色3D打印快速成形系統(tǒng)打印成形時(shí)采用CMYK 色彩模式處理色彩信息。 CMYK 色彩模式是指包含青色(cyan)、洋紅色(magenta)、黃色(yellow)和黑色(black)4種顏色油墨的減色模式。

為了獲得圖像中較好的黑色和灰色部分的質(zhì)量，需要引入黑色油墨。從理論上來說，RGB色彩模式和CMYK 色彩模式在顏色空間上是互補(bǔ)的，但是現(xiàn)實(shí)操作中還是有許多問題。黑色是打印機(jī)油墨中的關(guān)鍵顏色，打印時(shí)它與青色、洋紅色和黃色復(fù)合得到較深而豐滿的黑色和陰影色彩。

噴墨打印機(jī)打印彩色圖像，需要對彩色圖像的色彩模式做轉(zhuǎn)換處理，把計(jì)算機(jī)屏幕識(shí)別的RGB色彩模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成打印機(jī)識(shí)別的CMYK色彩模式數(shù)據(jù)，通過RIP技術(shù)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成打印噴頭可以識(shí)別的數(shù)據(jù)控制信號(hào)，打印頭就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行彩色打印。

彩色三維打印成形系統(tǒng)成形切片后獲得二維截面的成形過程類似于噴墨打印機(jī)打印彩色圖片的過程，主要的區(qū)別就是打印噴頭噴射和液滴溶液的不同。因此在彩色三維打印成形過程中，也要進(jìn)行RGB色彩模式向CMYK色彩模式的轉(zhuǎn)換。

色彩模型轉(zhuǎn)換公式為：

式中：C、M、K分別為青色、洋紅色、黑色；R、G、B分別為紅色、綠色、藍(lán)色；1為最大亮度等級(jí)。這種模型轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種“求反”運(yùn)算。RGB色彩模式轉(zhuǎn)換成CMYK色彩模式的原理如圖6所示。

圖6 RGB色彩模式轉(zhuǎn)換成CMYK色彩模式的原理

5 異質(zhì)模型的打印成形

利用3DP工藝的成形設(shè)備，控制彩色打印機(jī)進(jìn)行模型制作，樣本如圖7所示。需要指出的是，嚴(yán)格意義上來說，基于3DP工藝打印的彩色模型并不是異質(zhì)材料模型，因?yàn)槠洳牧喜⒎前凑樟慵δ芏什煌植?；而采用PolyJet技術(shù)打印出的模型才是真正的異質(zhì)材料原型[14]。

圖7 彩色模型的制作樣本

Objet500 Connex 3系列彩色多材料3D打印機(jī)采用了可以混合幾乎所有剛性、柔性以及透明彩色材料的三重噴射技術(shù)。這種三重噴射技術(shù)通過將3種基本材料的液滴聚集，一次性打印出所需的產(chǎn)品部件(圖8)。目前此款打印機(jī)可以打印數(shù)百種材料的組合。

圖8 Objet500 Connex3打印的多材料模型

6 結(jié)論

基于數(shù)字微滴噴射工藝的多材料異質(zhì)零件3D打印技術(shù)，采用快速成形領(lǐng)域通用的STL數(shù)據(jù)格式，并根據(jù)零件特征進(jìn)行均勻性微四面體網(wǎng)格細(xì)化，完成異質(zhì)零件的結(jié)構(gòu)和材料并行設(shè)計(jì)；利用多材料異質(zhì)零件數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)多材料異質(zhì)零件CAD模型的彩色切片處理、工藝參數(shù)設(shè)置等功能；并通過數(shù)字化微滴噴射技術(shù)和快速成形技術(shù)相結(jié)合的成形方法，實(shí)現(xiàn)多材料異質(zhì)零件的快速分層制造。這種多材料異質(zhì)零件結(jié)構(gòu)與材料的并行設(shè)計(jì)與制造方法，較其他方法具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)通用性較強(qiáng)。STL格式是快速成形領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，具有極其廣泛的應(yīng)用，為各類成形系統(tǒng)所支持；采用STL格式作為多材料異質(zhì)零件的設(shè)計(jì)文件格式，有利于與各類商用CAD系統(tǒng)(如Pro/Engineer、UG、SolidWorks等)和快速成形設(shè)備與工藝(如3DP、FDM、LENS等)對接，為多材料異質(zhì)零件的CAD和CAM一體化提供了數(shù)據(jù)保障。

2)材料分布可視化及數(shù)據(jù)有序存儲(chǔ)。在傳統(tǒng)單色STL格式的基礎(chǔ)上，通過添加各三角面片的彩色信息(也即材料信息)形成彩色STL格式文件，采用以空間微四面體為基本單元的多材料異質(zhì)零件模型，有利于記錄和存儲(chǔ)模型內(nèi)部每個(gè)節(jié)點(diǎn)的材料分布及色彩表示；在渲染過程中，只需對多材料異質(zhì)零件位于表面的各STL面片進(jìn)行色彩處理，而忽略零件內(nèi)部各微四面體的顯示處理，可以節(jié)省大量的色彩處理時(shí)間；采用可視化的彩色切片處理方法，可以獲得每個(gè)切片層內(nèi)的結(jié)構(gòu)及材料分布狀況。

3)成形精度高，成形材料范圍有所擴(kuò)大。采用數(shù)字化微滴噴射技術(shù)制造多材料異質(zhì)零件，每個(gè)微滴尺寸可控制在數(shù)十個(gè)微米以內(nèi)；通過改變成形材料的噴射溫度,調(diào)節(jié)液態(tài)材料黏度，可以制作含有多種不同材質(zhì)的成形件。

這種成形方法可把高分子材料、低熔點(diǎn)合金材料、陶瓷微粒等不同有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)巧妙結(jié)合起來，為多材料異質(zhì)零件的數(shù)字化設(shè)計(jì)與快速精確制造的一體化提供了一種新型模式。