方環聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印材料消耗分析

賴周藝，施瀚昱

(1.深圳信息職業技術學院機電工程學院， 深圳 518172；2.杭州先臨三維云打印科技有限公司， 杭州 311200)

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【機械制造與檢測技術】

方環聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印材料消耗分析

賴周藝1，施瀚昱2

(1.深圳信息職業技術學院機電工程學院， 深圳 518172；2.杭州先臨三維云打印科技有限公司， 杭州 311200)

介紹了聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印原理，以方環為研究對象進行彩色3D打印成型，詳細分析了打印原材料使用情況及影響因素。打印所得模型包含底座、模型本身及模型四周包裹的支撐層三部分，大部分打印原材料消耗在噴孔清潔和支撐層。通過比較不同放大比例方環模型的打印結果發現，隨著模型體積的增加，噴孔清潔消耗原材料的比值顯著下降而模型消耗的比值則顯著上升，支撐消耗的比值呈下降的趨勢。噴嘴清理消耗的材料和支撐材料消耗仍然占較大的比值，超過了60%；真正用于成型模型本身的材料不到40%。減少噴孔清潔過程的材料消耗及模型表面支撐材料是PolyJet彩色3D打印推廣應用急需解決的問題。

方環；彩色3D打印；PolyJet；材料消耗

目前3D打印技術已突破傳統單材均質打印加工的限制，實現了多材料、多顏色及彩色表面紋理貼圖制件的精細復雜打印成型[1-2]。彩色3D打印能直接獲得產品設計五顏六色的外觀效果，不需要復雜的后處理流程，在牙科、醫療、軍工和消費產品等行業有著巨大優勢[1-3]。聚合物噴射(PolyJet)是實現彩色3D打印技術的重要手段[2]。國內已有不少企業、高等院校及科研院所在進行這方面的一些研究和生產實踐，但有關PolyJet彩色 3D打印成果方面的文獻資料較少，主要停留在打印原理的簡單介紹階段[4-6]。胡彥萍以簡易自行車模型為例介紹了PolyJet單色3D打印流程[7]。向友來等以微靶零件為例研究了PolyJet單色3D打印的表面質量與尺寸精度[8]。

本文以方環模型為研究對象，闡述了PolyJet彩色3D打印成型過程，分析了打印原材料的具體消耗情況，還研究了方環不同放大比例打印時原材料消耗的變化規律，對推廣應用聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印有較大的參考價值。

1 聚合物噴射(PolyJet)3D彩色打印原理

聚合物噴射(PolyJet)3D打印原理如圖1所示，通過壓電式噴頭將液態光敏樹脂噴射到工作臺上，形成給定厚度的具有一定幾何輪廓的一層光敏樹脂液體，然后由紫外燈發射紫外光對工作臺上的這層液態光敏樹脂進行光照固化；完成固化后，工作臺精準地下降一個成型層厚，然后再進行第二層具有一定幾何輪廓的液態光敏樹脂固化成型；如此循環進行多次(層)固化成型，使其整體厚度和形狀達到設計要求，成型結束。

圖1 聚合物噴射(PolyJet)工藝原理示意圖

圖2所示J750彩色3D打印機是美國Stratasys公司2016年4月發布的新產品，采用聚合物噴射(PolyJet)，能夠同時打印6種基本材料(軟性模型材料，硬性白、黑、黃、青和品紅模型材料)和支撐材料，通過不同的基本材料配比和組合，可實現不同色彩的3D打印[5]。

圖2 PolyJet彩色3D打印機(Stratasys J750)

J750彩色3D打印機的PolyJet噴頭共有八組噴孔(如圖3中①②③④⑤⑥⑦⑧)，每組192個，共1 536個；分別連接6種光敏樹脂模型材料(含軟性模型材料1組，硬性白、黑、黃、青和品紅模型材料各1組)和2組水溶性支撐材料。圖3中⑨所示為清潔劑噴孔，共8個，分列于噴頭兩側，用于噴射清潔劑以清潔噴頭表面。PolyJet彩色3D打印過程中，可以由對應噴孔直接噴出各種顏色的光敏樹脂材料；白、黑加上黃、青和品紅三原色為5種基本顏色，其他顏色由三原色按照不同比值相加混合而成[9]。圖4為三原色相加示意圖。

①-⑧為打印材料噴孔，⑨為清潔劑噴孔

C青色，M品紅，Y黃色，B藍色，G綠色，R紅色，GY灰色

圖4中，青色C和品紅M相加可得到藍色B，品紅M和黃色Y相加可得到紅色R，黃色Y和青色C相加可得到綠色G，黃色Y、青色C和品紅M三色相加得到灰色GY。即為：

C+M=B

M+Y=R

Y+C=G

Y+C+M=GY

2 PolyJet 彩色3D打印成型過程

打印模型為如圖5所示的方環，外環邊長為20 mm，內環邊長為10 mm，高度為10 mm。方環模型顏色方案如表1所示，上下表面分別為紅色和黃色，內外側壁分別是綠色和藍色。黃藍綠黃色的RGB值見表1。

圖5 方環

方位顏色RGB值R(紅)G(綠)B(藍)頂面紅(R)25000外側壁藍(B)00250內側壁綠(G)02500底面黃(Y)2502500

首先由三維建模軟件Rhino建立方環模型并指定各個面的顏色，然后保存為彩色3D打印所需的wrl格式文件，最后載入3D打印設備Stratasys J750控制軟件，采用默認參數進行打印，分層厚度為0.027 mm(約0.001英寸)。由控制軟件得知：方環模型共需打印510層，總成型高度為13.77 mm。

圖6所示方環PolyJet彩色3D打印模型各部分構成簡圖：底部為底座①，采用模型材料在工作臺打印所得，主要是為了固定后續的打印；模型四周均包裹一層支撐材料層③，可保證模型表面為一致的光潔效果；模型表面為指定顏色的模型材料層②④⑥⑦，內部為白色模型材料填充⑤。

① 底座，② 模型黃色底面，③ 表面支撐材料，④ 模型藍色外側壁，⑤ 模型白色內部填充，⑥ 模型紅色頂面，⑦ 模型綠色內側壁

圖6 方環PolyJet彩色3D打印模型簡圖

在打印方環時，室內溫度為20 ℃。打印成型過程如下：

1) 打印底座。“底座”是為了支撐所要打印的方環的，所有模型的3D打印都需要打印“底座”。方環模型的底座截面為23.20 mm×23.20 mm的正方形，共打印4層，底座高度為0.108 mm。

2) 打印底部支撐層。采用水溶性支撐材料(主要材料)和模型材料(網狀填充)。底部支撐共打印37層，打印高度為0.999 mm。

3) 采用模型材料打印方環并在內側和外側打印支撐層。方環設計高度為10 mm，根據打印層厚0.002 7 mm推算，共需打印370層，實際打印高度為9.999 mm。方環模型上下表面和內外側壁為指定顏色的模型材料層，內部為白色模型材料填充。方環內側和外側支撐層的厚底為1.6 mm。

4) 打印頂部支撐材料層。采用水溶性支撐材料(主要材料)和模型材料(網狀填充)。頂部支撐材料層共打印99層，計算高度為2.673 mm。

打印開始前噴頭自動清洗噴孔一次，打印過程中噴頭每隔30 min自動清洗噴孔一次，以保證噴孔端面清潔和預防噴孔堵塞。

本文還將圖5所示原始尺寸的方環整體放大2倍和3倍進行了PolyJet彩色3D打印，對比研究原材料消耗的變化。

3 結果分析

3.1 方環PolyJet彩色3D打印材料消耗分析

方環PolyJet彩色3D打印共耗時52.5min，打印結束后所得模型如圖7(a)所示。圖7(b)為通過壓力水槍清除表面支撐材料層后所得最終模型。

由Stratasys J750控制軟件得知，方環PolyJet彩色3D打印消耗原材料25 g。由電子秤測得打印所得模型(含支撐材料)重量為7.94 g，清除表面支撐材料后所得最終模型為3.49 g。打印原材料主要消耗在噴孔清潔、成型支撐層和成型模型上，分別占原材料總消耗量的68.24%、17.80%和13.96%(如圖8所示)。

圖7 PolyJet彩色3D打印所得方環

圖8 方環彩色3D打印原材料消耗餅狀圖

3.2 不同比例方環PolyJet彩色3D打印材料消耗對比分析

方環整體放大2倍和3倍進行PolyJet彩色3D打印所得模型如圖9所示。

圖9 不同放大比例方環PolyJet彩色3D打印模型

由Stratasys J750控制軟件得知，放大2倍和3倍的方環PolyJet彩色3D打印分別消耗原材料93 g和254 g。打印原材料在噴孔清潔、成型支撐層和成型模型的消耗量如表2所示。

表2 方環PolyJet彩色3D打印原材料消耗 g

噴孔清潔材料的消耗主要由清潔次數決定。打印開始前噴頭自動清洗噴孔一次，打印過程中噴頭每隔30 min自動清洗噴孔一次。放大2倍和3倍的方環PolyJet彩色3D打印時間分別是93.5 min和280.5 min，分別需要進行噴孔清潔4次和10次，計算得知每次清潔大概消耗12 g耗材。原始尺寸方環PolyJet彩色3D打印時間為52.5 min，打印共清理噴孔2次(打印前1次和打印進行30分鐘時1次)，但只消耗量17.06 g耗材(而不是12g/次×2次=24 g)，是因為該模型尺寸小，打印時每組噴孔只需1/3(約64個噴孔)進行工作即可完成單個面光敏樹脂的噴射，所以打印過程中僅進行了工作部分噴口的清潔。

支撐消耗則取決于表面積，表面積越大，支撐材料消耗越大。如圖10所示，方環原始尺寸、放大2倍和3倍的表面積之比為1∶4∶9，對應支撐材料消耗之比為1∶3.62∶7.79，比例基本一致。當然，如果打印其他有懸空結構的模型將需要消耗更多支撐材料。

模型消耗與模型體積直接相關，體積越大，模型本身材料消耗越多。如圖10所示，方環原始尺寸、放大2倍和3倍的體積之比為1∶8∶27，對應模型消耗材料之比為1∶8.10∶27.56，比例基本一致。

圖10 不同放大比例方環材料消耗比較

不同放大比例方環PolyJet彩色3D打印在噴孔清潔、成型支撐層和成型模型上的原材料消耗比例變化趨勢如圖11所示。隨著方環由原始尺寸放大至3倍，模型本身消耗占原材料總消耗的比值顯著增加，由13.96%增加至37.87%；噴孔清潔消耗原材料的比例顯著下降，由68.24%下降至48.49%；支撐消耗的比值也呈下降的趨勢，由17.80%下降至13.64%。但是，噴嘴清理消耗的材料和支撐材料消耗仍然占較大的比例，超過了60%；即真正用于成型模型本身的材料不到40%。目前PolyJet彩色3D打印原材料每公斤為2 000～3 000元(人民幣)，較低的材料利用率使得打印成本居高不下。減少噴孔清潔過程的原材料消耗及模型表面支撐材料，將是PolyJet彩色3D打印推廣應用急需解決的問題。

圖11 不同放大比例方環PolyJet彩色3D打印材料消耗變化趨勢

4 結論

以方環為研究對象，進行了PolyJet彩色3D打印成型，發現原材料主要消耗在噴孔清潔和形成支撐層上。通過比較不同放大比例方環模型的打印結果發現，隨著模型體積的增加，噴孔清潔消耗原材料的比值顯著下降而模型消耗的比值則顯著上升，支撐消耗的比值呈下降的趨勢。噴嘴清理消耗的材料和支撐材料消耗仍然占較大的比值，超過了60%；真正用于成型模型本身的材料不到40%。減少噴孔清潔過程的原材料消耗及模型表面支撐材料，將是PolyJet彩色3D打印推廣應用急需解決的問題。

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[3] 陳碩平,易和平,羅志虹,等.高分子3D打印材料和打印工藝[J].材料導報A,2016,30(4):54-59.

[4] 李東方,陳繼民,袁艷萍,等.光固化快速成型技術的進展及應用[J].北京工業大學學報,2015,41(12):1769-1774.

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[9] 王炳展.Stratasys全球首款彩色多材料打印機[J].微電腦世界,2014(3):9.

(責任編輯 唐定國)

Material Consumption Analysis of Square Ring Formed by PolyJet Color 3D Printing

LAI Zhouyi1， SHI Hanyu2

(1.School of Electromechanical Engineering, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China；2.Hangzhou Shining 3D ePrint Tech Co., Ltd., Hangzhou 311200, China)

The paper first studies the PolyJet color 3D printing principle, and then takes the square ring as the research object for color 3 D printing forming, and the analysis in detail was conducted on raw print material consumption. Results show that the printed model contains the base, the model itself and the support layer wrapped around the model, most of the raw print materials consumption is in spray hole cleaning and supporting layer. By comparing the printing results of square ring 3D printed in different magnification ratio, it was found that the ratio of the consumption of raw materials in spray hole cleaning decreased significantly and the ratio of raw materials in model increased significantly with the increase of model volume, and the ratio of raw materials in supporting layer decreased. The raw materials consumption in spray hole’s cleaning and supporting layer still account for a large proportion, more than 60%, while the material used for forming the model was less than 40%. Reducing the materials consumption in spray hole cleaning and supporting layer is the urgent problem for the generalization and application of PolyJet color 3D printing.

square ring; color 3D printing; PolyJet; material consumption

10.11809/scbgxb2017.07.035

2017-03-30；

2017-04-20

深圳市科技計劃項目(CKSJS2015092914140452)

賴周藝(1982—)，男，博士，工程師，主要從事先進制造教學與研究。

format:LAI Zhouyi， SHI Hanyu.Material Consumption Analysis of Square Ring Formed by PolyJet Color 3D Printing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):163-167.

TH162+.1

A

2096-2304(2017)07-0163-05

本文引用格式：賴周藝，施瀚昱.方環聚合物噴射(PolyJet)彩色3D打印材料消耗分析[J].兵器裝備工程學報，2017(7):163-167.