马利强 刘 轶 王志刚 马 睿 王军伟

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1 研究背景

喷墨三维打印是结合喷墨打印与三维造型工艺实现的增材制造技术,目前已经广泛应用于砂型铸造领域,并在陶瓷、金属等材料的三维成型方面迅猛发展。喷墨三维打印的本质是通过对粘结剂的喷墨控制实现粉末材料的有效粘接,其喷墨基本原理与平面喷绘无异。喷墨三维打印机一般采用连续供墨系统,以满足连续生产中打印系统的墨水需求。连续供墨系统设计的关键在于实现系统的负压稳定。喷墨三维打印机负压系统的压力产生方式有多种,常见的主要有真空发生器方式和真空泵方式。其中,真空发生器因体积小、工作稳定、易于安装维护等优点,在各种自动化设备上被广泛应用。笔者以基于真空发生器的喷墨三维打印机供墨系统负压为研究对象,分析喷墨三维打印机供墨系统负压压强的影响因素及其对喷墨打印产生的影响,为喷墨三维打印机供墨与负压系统的设计提供理论依据。

2 供墨系统原理

目前喷墨三维打印机大多采用连续供墨系统,即打印机墨盒通过供墨系统与外界液料站直接相连,实现外部墨水对打印系统的持续供应。同时,打印机墨盒上配备相应的负压系统,以满足喷头喷墨过程中的负压需求。所谓负压需求,指通过负压抵消墨盒中的墨水重力,避免墨水在自然状态下从喷孔渗出。同时,稳定的喷墨过程要求喷孔内的液面始终向上凹起,形成半月弯形,因此墨盒负压需要在平衡墨水重力的基础上额外增加一定量的负压。带墨水循环功能的喷墨三维打印机供墨系统原理如图1所示。外部液料站的墨水经过墨泵1进入打印机液料箱中,再经过墨泵2及过滤器进入打印机主墨盒。带墨水循环功能的喷头有进出墨管之分,墨水从进墨管进入喷头,经过喷头墨腔后从出墨管进入循环墨盒,并进一步经过回墨泵回到液料箱中。负压系统由气源压缩空气经过减压之后分别连接两个真空发生器,产生两路相互独立的负压。一路连接至主墨盒,以满足喷头喷墨的负压需求。另一路与循环墨盒相连,为墨水循环提供动力。

▲图1 喷墨三维打印机供墨系统原理

3 负压系统压强影响因素

喷墨三维打印机供墨系统中的负压系统包含主负压与循环负压,笔者重点研究主负压部分,若无特殊说明,下文所述负压系统均指主负压部分。根据喷墨三维打印机供墨系统结构原理,负压系统可以看作是仅有一个进口和出口的半密闭容器。根据理想气体状态方程,有:

PV=nRT

(1)

式中:V为容器体积,m3;P为系统绝对压强,Pa;n为系统内空气的摩尔数;T为系统温度,K;R为气体常数,干燥空气为287.1 N·m/(kg·K)。

当负压系统的容积、温度、空气摩尔数均不变时,系统压强为定值。考虑喷墨三维打印机实际供墨系统情况,温度变化可以忽略不计,但墨盒端因墨水晃动或加墨过程引起的局部负压波动几乎无法避免,因此负压系统的压力波动过程可以用理想气体状态方程的微分形式进行描述,为:

VdP=RTdn

(2)

或有:

PQdt=RTdn

(3)

式中:Q为抽气速率,m3/min;t为抽气时间,min。

将式(1)、式(2)相减并积分,得:

ln(P2/P1)=QΔt/V

(4)

式中:P1、P2分别为容器中压力变化前后对应的压强,Pa;Δt为负压系统压强恢复时长,min。

根据式(4)可知,若P1与P2始终不相等,则等号右侧不为零。因此,当P1与P2的比值相对恒定时,随着抽气速率增大,负压系统的压强恢复时长会被不断压缩,从而减小局部负压波动对系统整体压力的影响,并降低喷头因负压波动出现喷墨丢帧的风险。

4 真空发生器性能分析

真空发生器的结构主要包括压缩空气进气口、拉瓦尔喷管、真空口、混流管、排气口。真空发生器的结构原理如图2所示。压缩空气从进气口进入真空发生器,经过拉瓦尔喷管后形成超声速射流。由于气体的黏性作用,在真空口形成真空吸附效果,并将外部的空气从真空口吸入。最后,气流在混流管混合,并从排气口排出。

▲图2 真空发生器结构原理

根据真空发生器负压产生原理可知,真空压力和吸入流量的大小主要与进气压力,以及真空发生器自身结构有关。某型号真空发生器的排气特性曲线如图3所示。由图3可见,随着供给压力的增大,真空负压会持续增大,直至到达峰值后不再变化,吸入流量则在0.2 MPa时已经接近峰值,并且不再随供给压力的增大而增大。

▲图3 真空发生器排气特性曲线

对于负压系统而言,墨盒的负压一般是恒定的,因此真空发生器的供给压力也应设定为恒定值。所以,若要缩短负压系统气压波动后的恢复时间,调整供给压力是无效的,应当选型同等供给压力条件下吸入流量更大的真空发生器。

5 试验验证

为了验证上述结果,分别选用两种规格的真空发生器在某喷墨三维打印机上进行试验。试验中,对比安装不同真空发生器的打印机在相同喷墨条件下的打印过程,通过负压系统的压力波动情况及其对喷墨打印结果的影响,判定两个真空发生器的优劣。不同规格真空发生器试验结果见表1。

表1 不同规格真空发生器试验结果

由表1可见,在系统负压同样设定为-4.0 kPa的条件下,使用2号真空发生器,系统负压波动范围差值约为1号真空发生器的一半。打印效果方面,使用1号真空发生器的时候更容易出现喷墨丢帧的情况。另外检查对比打印头底板情况,发现使用1号真空发生器,喷头喷嘴板上更容易出现渗墨的情况,而使用2号真空发生器,喷头喷嘴板渗墨现象则较少。打印头底板渗墨情况如图4所示。

▲图4 打印头底板渗墨情况

6 结束语

笔者从喷墨三维打印机供墨系统结构入手,分析打印机负压系统原理。以理想气体分析工具为基础,解析打印机负压的影响因素,并分析确认在打印机负压波动不可避免的情况下,可以通过增大吸入流量有效减小负压波动对喷墨过程的影响。进一步通过分析真空发生器的负压产生原理和排气特性,明确通过调节供给压力的大小并不能改善负压波动。减小局部负压波动对打印机系统负压的影响,唯一有效的方法是选型同等供给压力条件下吸入流量更大的真空发生器。最后,通过对两款不同规格真空发生器进行试验,验证研究结果的正确性。