刘海　曹国华　李娜　程继红　杨继全

摘要：数字化微喷技术是一种能够产生微米级液滴并能进行精确喷射的技术，其在微电子、生物制造、三维打印领域有着广泛的应用。该文设计出数字化微喷控制系统，其中包括喷头控制、喷射参数控制、三维模型切片以及喷射打印路径算法。硬件设计完成后，该文针对三维模型的切片采用PSO（粒子群）和ACO（蚁群）算法相结合的策略，实现打印路径的优化，从而使得喷射打印变得更加合理高效。理论研究和实验相结合的方案，不仅可以使得控制系统变得稳定，也提高了系统整体的打印效率。

关键词：数字化微喷；三维模型切片；PSO算法；ACO算法

数字微喷技术已成为热门新技术。与传统喷墨打印技术的不同，数字化微喷技术更加适应于流质材料精细模型的制备。目前，国外从事的机构主要有Cannon、Epson、HP、Asymtek和Mierofab等，国内主要有清华大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学、南京师范大学等高校，研究内容包括微滴形成的机理、微滴喷射的驱动技术以及微滴系统的装备设计和开发。

数字化微喷光固化作为数字化微喷技术的一种，是使用数字信号激励使得工作腔内的部分流体材料迅速脱离，成为一组连续的微滴或者一段射流，从微滴喷嘴中以一定的响应率和喷射速度喷出，并一定的形态喷射到指定位置上，而后照射一定光强的紫外线，引发材料自身发生化学反应，以实现流体材料的固化、成型。本系统的关键在于三维模型切片算法，上位机设计出的三维模型经过切片算法软件处理转化为下位机所需要的路径信号，最后实现打印。基于路径设计的常规算法是ACO（蚁群）算法，这种算法具有强并行性和正负反馈性，但是产生的代码量大，收敛速度慢，全局的搜索能力差，达不到全局优化的目的。而PSO（粒子群）算法具有较强的全局搜索的能力，全局优化能力强，但是其搜索机制缺乏正负反馈，达不到很高的精度。

本文提出了一种基于PSO和ACO算法相结合的路径控制策略，配合喷头控制和喷头参数控制系统，针对三维模型的切片，实现打印路径的最优化。

1喷头控制系统

本课题选用的是FUJIFILM Galaxy系列喷头，其喷射速度可以达到8米，秒，墨滴大小为80pL，最大的分辨率是450DPI，点火频率是20KHZ。相对比于目前主流的高精度的压电喷头，该喷头的喷嘴较少，但具有较大的液滴体积，对不同粘度的墨水使用性强，极其适合多材质的墨水的开发。

该控制系统主要包括主板和头板：主板主要与PC机进行通信，完成三维模型切片的导人和运动控制信息的反馈；头板用于接收经主板处理模型切片而产生的点阵打印信号和喷头控制信息的反馈，最终实现喷头的成功喷射打印。

其中，主板与头板之间采用LCDPanel通用的LVDS接口，即Low Voltage Differential Signaling，是一种低压差分信号技术接口，能够实现数据的高速传输。半导体公司为克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大灯缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。

喷头参数控制系统，能实时地将温度、液位、氣压等参数显示出来，经由软件控制，使得墨水能够成功喷射。

1.1液位控制系统

喷头在持续不断的打印过程中，需要材料的持续供给，一旦材料的输送过程发生中断，打印将无法进行，严重的情况下材料会在喷头内腔出现凝结、沉积，导致喷头的堵塞。于是，本文将二级墨盒作为缓冲墨盒固定到打印头上来实现材料的供给，不仅能够提高运动过程中的稳定性，也能增强喷射效果。

液位控制装置主要用于对二级墨盒内墨位的检测与控制。在墨水补充的过程中墨泵不是一直工作的，墨泵工作的控制由液位传感器输出高电平信号到控制电路，而后再控制电磁阀的开启，即墨泵开始工作。当抽送一定时间后，墨盒内部的液位高于设定高度时，液位传感器发出低电平信号送到控制电路，这时，电磁阀关闭，墨泵停止工作。

1.2气压控制单元

为了防止打印头中的材料在重力作用下自动流出喷嘴，打印头的材料需要有一个负压进行牵制。本文采用的依靠人工负压系统产生负压，即二级墨盒与负压系统连接，通过独立的负压发生装置使打印头内形成合适的负压。相对比于传统的依靠二级墨盒与打印头之间的落差产生负压，这种方法能够有效地防止空气进入打印头，提高液体喷射的质量和稳定性。