基于图形错位的3DP 打印方法研究及应用

周子翔，虎 成，刘 轶，何捷军

（共享智能装备有限公司，宁夏 银川 750021）

喷墨黏粉式（3DP）3D 打印技术是喷头在电脑控制下，按照模型截面的二维数据运行，选择性地在相应位置喷射黏结剂，最终构成层。在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个等于层厚度的距离，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并由铺粉辊推到成型缸，铺平再被压实。如此循环，直至完成整个物体的粘结。

在此过程中，如果打印头始终沿同一路径轨迹往返的情况时，如果打印喷头有部分喷孔堵塞或损坏时，会导致整个打印过程无法喷墨的这部分始终无法喷射黏结剂，层层累加，就形成了裂缝，导致整个打印模型无法成型，产生不合格产品；另外，构成每层打印的模型截面图幅大小是不同的，但打印头的有效喷墨宽度是一定的，所以不同的模型截面图幅打印需要打印头步进走位，往返多次打印，才能完成一个模型截面图幅的打印，这个过程中，由于机械上的精度、黏结剂的反应速率等原因，造成打印头往返拼接图幅的地方容易产生断裂现象。但是打印喷头有部分堵塞或者损坏是比较容易出现的问题，所以就会导致产品都打印出来了，才发现有问题，需要频繁停机维修或更换打印头，效率低，维修频繁，增加成本。

针对上述技术的不足，如何在打印过程中部分打印喷头堵塞或者损坏的情况下依旧不影响打印质量，规避断裂现象，得到合格的产品，减少维修次数，提高工作效率，是急需解决的问题及研究方向。

1 利用图形错位实现错位打印

通过分析与试验提出了图形错位打印方法。错位打印方法原理：在构成打印图幅之前，将打印图像沿画布垂直方向偏移一个随机高度，使图幅垂直方向的起始位置产生随机高度的空白图像，然后构成新的打印图幅。打印头装载打印图幅后，根据图像垂直方向上的随机偏移高度，调整打印头沿宽度方向上的打印起始位置，使同一喷孔在相邻打印层对应的喷射位置相互错开，当打印头的个别喷孔堵塞时，该堵塞喷孔在相邻层对应的位置也相互错开，而单层的个别喷孔堵塞而产生的漏喷黏结剂的现象并不会造成打印模块的断节问题，少数分散的喷孔堵塞，因各层打印中其对应的位置已经相互错开，也不会造成打印模块断节问题，从而避免了打印头因个别喷孔堵塞而无法继续打印的问题，提高了3DP 打印效率，降低打印头维护成本。同时，每层由于图像沿画布垂直方向偏移的高度随机，使得打印头起始喷射位置不同，在相邻两层上打印头往返打印拼接图幅的位置也不相同，避免出现打印出的实物从拼接处断裂。

2 图形错位打印实践

如图1、图2、图3 所示，本文所述的3DP 图形错位打印方法，在逐层铺粉打印中，将打印图像5沿画布垂直方向偏移一个随机高度h，生成打印图幅4，打印头1 加载打印图幅4，将打印头1 移动到打印平台2 打印区域上方打印起始点6，并把打印头1 沿宽度方向向打印图像5 偏移的反方向移动图像偏移的高度h，使同一喷孔对应的相邻层上打印区域2 的喷射位置相互错开，同时使相邻层上打印头步进往返打印的拼接位置3 相互错开。

3DP 图形错位打印方法中的打印头1 沿宽度方向依据图像偏移高度h 动态调整打印头1 的起始喷射位置，从而实现逐层打印中，打印头的同一喷孔在相邻层中对应的喷射位置始终错开，同时打印头步进往返打印的拼接位置3 始终错开。

具体实施方法如下：

第一步，如图1 所示，本文实施例中图像偏移范围设置为0～50 mm，随机取得20 mm 为图像偏移高度，将打印图像5 沿画布垂直方向向下移动20 mm，生成打印图幅4。打印头1 装载打印图幅4，将打印头1 移动到打印起始点6，并沿打印头宽度方向向上移动20 mm，通过铺粉装置在打印平台上铺一层粉，启动打印头1 的各喷孔根据装载的打印图幅4 在打印区域2 的第一部分图幅喷射区域2A的上方选择性的喷射打印，当第一部分图幅喷射区域2A 完成喷射打印后，打印头步进打印头的宽度，将打印头对应打印平台第二部分图幅喷射区域2B的上方，启动打印头的各喷孔根据装载的打印图幅4 在打印区域2 的第二部分图幅喷射区域2B 的上方选择性的喷射打印；完成当前层的打印后，工作台下降一个铺粉高度。

图1 3DP 图形错位打印第一步

第二步，如图2 所示，随机取得5 mm 为图像偏移高度，将打印图像5 沿画布垂直方向向下移动5 mm，生成打印图幅4.打印头1 装载打印图幅4，将打印头1 移动到打印起始点6，并沿打印头宽度方向向上移动5 mm，通过铺粉装置在打印平台上铺一层粉，启动打印头1 的各喷孔根据装载的打印图幅4在打印区域2 的第一部分图幅喷射区域2A 的上方选择性的喷射打印，当第一部分图幅喷射区域2A完成喷射打印后，打印头步进打印头的宽度，将打印头对应打印平台第二部分图幅喷射区域2B 的上方，启动打印头的各喷孔根据装载的打印图幅4 在打印区域2 的第二部分图幅喷射区域2B 的上方选择性的喷射打印；完成当前层的打印后，工作台下降一个铺粉高度。

图2 3DP 图形错位打印第二部

第三步，如图3 所示，再次随机取得46 mm 为图像偏移高度，将打印图像5 沿画布垂直方向向下移动46 mm，生成打印图幅4.打印头1 装载打印图幅4，将打印头1 移动到打印起始点6，并沿打印头宽度方向向上移动46 mm，通过铺粉装置在打印平台上铺一层粉，启动打印头1 的各喷孔根据装载的打印图幅4 在打印区域2 的第一部分图幅喷射区域2A 的上方选择性的喷射打印，当第一部分图幅喷射区域2A 完成喷射打印后，打印头步进打印头的宽度，将打印头对应打印平台第二部分图幅喷射区域2B 的上方，启动打印头的各喷孔根据装载的打印图幅4 在打印区域2 的第二部分图幅喷射区域2B 的上方选择性的喷射打印；完成当前层的打印后，工作台下降一个铺粉高度。

图3 3DP 图形错位打印第三部

第四步，重新随机图像偏移高度，重复上一步的打印过程，直至完成产品的3DP 打印。

3 结论

本文所述图形错位打印的方法，经过实际应用验证能够有效填充无法喷射黏结剂的空白区，提升打印头使用寿命，降低成本，提高打印效率；同时通过不停改变打印头往返拼接位置可规避由于打印喷头部分喷孔堵塞或损坏时造成砂型断裂现象。