3DP打印系统墨水晃动情况研究.pdf

第4期机电技术机电技术3DP打印系统墨水晃动情况研究打印系统墨水晃动情况研究*麦恒嘉刘 轶冯周荣（共享智能装备有限公司，宁夏 银川 750021）摘要文章针对3DP打印系统中次墨盒内墨水晃动的情况进行了分析，通过分析实际墨盒的运动情况，发现墨盒在扫描方向运动时会对打印造成影响。使用不同加速度对无挡板墨盒进行数值模拟，可知加速度越大，墨水晃动幅度也越大；增加挡板后，可以显著改善液面晃动幅度。关键词打印系统；墨水晃动；仿真模拟；加速度；挡板中图分类号：TS853+.5文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-005-03DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.002*宁夏回族自治区重点研发计划项目（2022BDE02014）作者简介：麦恒嘉（1992），男，工程师，硕士，主要从事机械设计研发等工作。3DP设备的打印系统的稳定性及可靠性直接影响打印头是否能正常喷射粘接剂，从而对最终打印砂型的质量产生影响。如图 1中所示，打印系统包括供墨与气压控制系统。打印前，供墨系统中的加液泵工作，将远端主墨盒中的墨水通过加液管路加入次墨盒中。管路中设置有过滤器等部件，对墨水进行过滤处理。加液泵一直工作，直至次墨盒中液位传感器检测到液位，墨水加入量达到设定值才停止工作。!-MP1P2#图1打印系统组成次墨盒与喷嘴是常通状态，在重力作用下或者正压条件下，墨腔内的墨水会自动流出喷嘴。气压控制系统的一个功能是给墨水提供负压，此负压可以与墨水的重力平衡，防止墨水在重力作用下自动滴落。喷头正常喷墨时，气压控制系统将次墨盒内压力控制在一定负压值P1范围内，保证喷头正常喷墨，不发生滴墨情况；负压值P1不能过大也不能过小，过大会阻碍喷头喷射粘结剂，过小则会导致滴墨情况，造成砂型报废。所以，气压控制采用闭环控制，有助于精确调节次墨盒内的气体压力。当喷头工作一定时间后，气压控制系统将压力切换至P2（P20），让次墨盒内气压在一定正压范围内，正压将次墨盒中墨水通过喷头“挤出”，对喷头进行一定程度的清洗，避免喷头后续发生阻塞。文献1中提到打印系统设计需要遵循的一个原则是：供墨系统在工作时不宜移动，以避免由于运动而引起的墨盒内压力急剧变化。但是，对于大型设备来说，其主墨盒距离喷头太远，往往需要使用随喷头快速移动的次墨盒供墨，次墨盒内的墨水会随喷头加减速运动而晃动，这不可避免地会对负压造成影响。因此，有必要研究墨水在次墨盒内晃动情况。1次墨盒内墨水运动情况分析对于大型设备，为了打印大面积砂型，一般采用多PASS打印方式。如图 2所示，打印头从A1开始加速运动，运动至打印平台上方时，匀速运动并开始打印第一PASS图像，运动至打印平台外部后减速至A2（X方向），然后打印头从A2运动到B1（Y方向），进行下一PASS的打印。整个过程中，随喷头移动的次墨盒主要有两个方向运动，分别是步进方向（Y方向）与扫描方向（X方向）。步进方向运动时，喷头不进行喷墨，故此方向运动情况不会对喷墨造成影响。但是，此时墨水晃动会造成液位传感器检测不准确，若此时检测墨水液位，会造成检测不准情况，得到错误的液位信号。在时序及效率要求不高的情况下，通常应避52023年8月机电技术机电技术免在此过程中检测液位与执行加墨动作，待喷头运动停止几秒后才开始检测液位并执行加墨动作。扫描方向运动时，喷头会从停止状态加速到打印速度，然后开始进行喷墨打印。这个过程中墨水若晃动剧烈，则会造成供墨不稳定甚至缺墨情况发生。A1A2B1B2图2打印头运动2墨水晃动模型在流体力学中，有两种描述流体运动的方法，一种是拉格朗日法，一种是欧拉法2。拉格朗日法主要关注流体“质点”在运动过程中各物理量随位置、时间的变化。欧拉法是将物理量表示为空间、时间的函数。两种方法在原则上可以互相转化。对于次墨盒中墨水的晃动情况研究，当前的主流软件FLUENT可以满足需求。FLUENT可以对流体流动、传热、化学反应等进行数值模拟。万里平、刘小民等2，3分别使用FLUENT对运动罐体内液体晃动情况进行了分析。次墨盒结构为对称设计，进行数值模拟时，可简化为2D模型进行二维分析，减少计算时间。使用Workbench自带的DM模块，建立高度为60 mm，长度为70 mm的墨盒模型，然后使用mesh对模型划分网格，将网格导入FLUENT进行分析。本文主要关注墨水晃动情况，次墨盒内墨水在起始就有加速度的作用，因此采用瞬态模型；本文中的研究模型中涉及墨水与次墨盒内气体两种流体，选择VOF模块。VOF模块只能与压力求解器配合使用，使用标准k-湍流模型，模型的下部全部设置为液相，上部设置为气相，各占一半体积。使用 UDF 功能，给整个模型一个初始加速度。按照上述设置求解出次墨盒内墨水运动时的每个时刻的液面晃动情况。3次墨盒墨水晃动的影响因素及仿真模拟3.1加速度对次墨盒墨水晃动的影响对不同的加速度进行模拟，图 3与图 4分别为两个不同加速度的模拟结果。初始液面如图所示，次墨盒内墨水与空气各占一半。次墨盒从速度 0 m/s 开始加速，加速度为 2.5 m/s2，加速度向右，加速0.4 s后保持匀速运动。从墨水晃动情况来看，在加速时间段内，次墨盒内的墨水向前涌动，后部墨水液位降低，前部墨水液位增高，整个液面倾斜，液面高度差达到15 mm。当加速度为4 m/s2时，液面高度差达到27 mm，液面高度变化更大。所以，在实际设计过程中，墨盒内的加墨高度不能过低，需要充分考虑打印头运动情况来确定墨盒尺寸。如果墨盒内墨水液面过低，在打印头加速过程中，后端会存在缺墨情况，这对于打印是极其不利的。另外，可以看出在加速度4 m/s2情况下，液位需要更长的时间稳定，并且液体与空气的分界面较为模糊，在交界处液体内含有较多的气体。图3加速度为2.5 m/s2的结果（随时间变化）图4加速度为4 m/s2的结果（随时间变化）3.2挡板对次墨盒墨水晃动的影响在模型中间位置上增加挡板，挡板上适当开小孔，保证挡板可以将左右两侧墨水连通。使用加速度2.5 m/s2进行模拟仿真，具体液面情况如图5所示。对比图5与图3可以看出，在同一个加速度情况下，增加挡板可以改善墨盒内的液面晃动情况。这是因为挡板将墨盒内空间进行了分割，在墨盒加减速时，挡板对每个空间的墨水都进行了抑制，使得晃动幅度更加平缓。这一现象与万里平2文中所研究的结果一致，防浪板可以使介质晃动变得更加平缓，并且随着防浪板的数量增加，6第4期其晃动更加平缓。对于打印头上的墨盒，由于其体积较小，通常挡板只需要12个即可满足要求。图5增加挡板的模拟结果（随时间变化）4墨盒设计要点根据上述分析，在次墨盒设计中需要考虑墨盒运动对液位晃动情况的影响。通常墨盒内正常液位的高度必须大于墨盒在加速过程中墨水晃动产生的两侧液位差；在墨盒内部设置相对应的挡板，对墨水晃动进行抑制，可减小晃动幅度。同时，挡板下部需要连通墨盒的几个部分，使得各个区域内最终液位保持一致，有利于各个喷头喷墨均匀，提高打印产品的质量；在产品设计中尽量降低墨盒的加速度，若加速度过高，将导致墨水与空气交界面处含有的空气较多，造成喷墨异常；另外，墨水液面平稳需要一定时间，故必须要在打印头匀速运动一定时间后再使打印头进入喷墨区域进行喷墨任务。5结论本文以 3DP 打印系统中的次墨盒为研究对象，分析该墨盒的两个方向运动情况，发现对打印产生影响的主要是扫描方向的运动。通过对次墨盒扫描方向加速时的墨水液面晃动进行了模拟仿真，分析了不同加速度对液体晃动的影响，发现加速度加大会导致液面晃动幅度加大，液面恢复时需要时间更长。同时，对次墨盒中增加挡板的情况进行了仿真分析，发现次墨盒中增加挡板将改善液面晃动情况。结合上述分析，得出了关于次墨盒的设计要点，可作为后续产品开发中打印头墨盒的设计基础。参考文献：1 刘忠俊.压电式喷墨打印墨滴生成机理及供墨系统研究D.北京：北京印刷学院，2018.2 万里平.液化气体运输罐车强度分析与防波板设计D.北京：北京化工大学，2011.3 刘小民，王星，许运宾.运动罐体内液体晃动的双向流固耦合数值分析J.西安交通大学学报，2012，46（5）：120-126.严正声明严正声明近日，我刊接到反映，有不明个人及单位以 机电技术 编辑部或期刊合作单位的名义发布虚假征稿启事进行组稿，诱骗作者在线投稿、邮箱投稿，以快速刊出论文、代写论文为诱饵骗取审稿费、版面费或中介费等。不法分子利用 机电技术 的影响力及广大读者对 机电技术 的信任，严重损害了 机电技术 期刊形象和公信力，侵害了投稿作者的利益。在此，我刊郑重声明:机电技术 从未委托任何机构代为收稿、审稿，从未以私人账号或任何其他公司账号作为指定汇款方式。编辑部各类信息发布及与作者、读者沟通均通过正规官方渠道（机电技术 期刊、编辑部邮箱：、编辑部电话：[phone]）,其他渠道与我刊无关。麦恒嘉 等：3DP打印系统墨水晃动情况研究7