第一情报 ---材料工业

三维打印机工作原理

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2011-3-11   关键字:三维打印  快速成形  
由麻省理工学院Sachs等人首先提出的三维打印( three dimensional printing,3DP) 快速成形(rapid prototyping,RP) 技术是一种基于微喷射原理,从喷嘴喷射出液态微滴,按一定路径逐层打印(堆积)成形的RP技术。同立体印刷、叠层实体制造和选择性激光烧结快速成形技术相比,三维打印不需要昂贵的激光系统,具有设备价格便宜、运行和维护成本低的优势。与熔融沉积快速成形技术相比,三维打印可以在常温下操作,具有运行可靠、成形材料种类多和价格低的优势。此外,与其它RP系统相比,三维打印还有操作简单、成形速度快、制件精度高、成形过程无污染, 适合办公室环境使用等优点。因此,三维打印被认为是RP行业中最有生命力的新技术之一,具有良好的发展潜力和广阔的应用前景。
 
原来在立体物体表面进行打印时一般采用在平面展开状态下进行打印后再组合成立体物,或者粘贴打印好的狭窄长方形片材的方法。对此,三维打印机可打印无法二维展开的硬质材料,也不需要进行粘贴工序。
三维打印机是如何控制打印头与工件表面之间的位置关系的呢?本文以日本Mimaki Engineering和长野工业高等专业学校共同开发的喷墨打印机试制机为例介绍三维打印机的工作原理。
 

上图左上方并排着的是四个打印头。首先来看一下轴对称形状的工件,在此以打印地球仪北半球为例进行说明。从赤道附近向北极方向依次打印。
工件以围绕地轴旋转的方式固定在主轴上,首先调整主轴的姿态,使赤道附近位于打印头的正下方(油墨吐出位置)。在该状态下使工件旋转,用一种颜色以“带”状对某一范围进行打印。在完成一种颜色的打印后,第二种颜色的打印头移至工件的正上方,用这种颜色进行打印。4种颜色反复进行同样的动作。
在完成一条带状打印后倾斜主轴,使稍靠北侧的纬度部分移至打印头的正下方,与上述一样仍以4种颜色进行带状打印,如此反复进行改变主轴角度的操作。最后打印北极部分。
这样,打印头在一个轴上左右移动,而工件则在保持旋转的同时,随着带状打印的位置改变姿态。如下图所示,为了使工件与打印头之间保持均一的间隙,主轴的支撑机构以主轴的倾斜以及向上下和向前后的平行移动这3个轴来进行控制。也就是说,该打印机是以打印头的1轴,工件的4轴(含旋转轴)共5个轴来进行控制的。
 
如果工件为轴对称形状,只需在油墨吐出的过程中旋转主轴即可;而非轴对称形状的话,则需要对打印头及主轴的位置同时进行控制。
 
由于需要事先计算如何使各个部分实现最佳移动,因此必须要做好准备工作,利用三维扫描仪对工件的形状进行读取,并将三维CAD数据输出打印机。
 
参考文献:
[1]杨小玲 周天瑞. 三维打印快速成形技术及其应用. 浙江科技学院学报.2009,21(3).-186-189
[2] 在任意曲面上打印的“三维打印机”是怎样工作的?http://china.nikkeibp.com.cn/news/mech/52977-20100827.html?start=1

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