雙噴頭增材制造的實現

◇南京鐵道職業技術學院 周 培

本設計實現了一種雙頭增材制造打印機，為提高打印精度、打印速度和生產效率，提出了一種3-PUU并聯機構的3D打印機結構設計。末端執行器采用雙噴嘴結構，可實現單色和雙色打印。互聯網模塊是為滿足信息生產的需要而設計的，它實現了自動網絡訂購和多機協作。樣機已制作完成性能測試，最大印刷速度200 mm/s，最小印刷厚度0.01 mm。該設計的低成本為三維打印技術在大規模工業生產中的應用提供了可能。

1 引言

3D打印是一種增材制造技術，近年來發展迅速。3D打印機已逐漸應用于工業、學校甚至家庭。三維打印技術具有三維造型復雜、操作方便等優點，可以使產品設計周期短、人工成本降低。

作為3D打印技術的載體，3D打印機今年也取得了長足的進步。在國內市場，主流的3D打印機結構仍以串行機制為主。這種機構結構簡單，制造成本低，末端執行器運動范圍大，但開環結構容易產生累積誤差，影響印刷精度，印刷速度慢，不適合大規模工業生產。本研究采用3-PUU并聯機構設計3D打印機結構并用雙噴頭實現雙色打印。

隨著互聯網技術的發展，云制造的概念被提出。云制造最重要的特點是實現了制造資源的集成和廣泛共享。云制造與3D打印技術的結合，實現了從數字化設計到數字化制造的無縫集成，實現了產品數據和模式從設計部門到制造部門的快速高效傳遞[1]，國外一些廠商已經將互聯網技術應用于3D打印機。本研究在并聯打印機上設計了Internet模塊，實現了數據模型的網絡傳輸、在線下訂單和多機協同工作。訂貨、設計、制造的數據集中在同一個平臺上，既適用于分散生產，也適用于批量生產。

2 打印機結構

并聯機構具有慣性小、承載能力強、定位精度高、剛度高等優點[2]。因此，它在微動機構、并聯機床等領域得到了廣泛的應用[3]。3-PUU構型需要的部件相對較少，有利于結構的實現和維護，故本打印機采用了此構型，如圖1所示。并聯機構的每個分支由導軌、同步帶、滑塊和一對定長桿組成。導軌與固定平臺固定，電機帶動同步帶移動滑塊。靜平臺2為打印平臺，動平臺1實現平移運動。

圖1 并聯式打印機結構

為了實現雙色打印，在噴頭位置并排安裝兩個噴頭，如圖2所示。

圖2 雙噴頭結構

3 電氣控制

工作前，打印機初始化，打印前需要對噴嘴預熱。當噴嘴達到預熱溫度時，打印機開始正常打印。在工件打印過程中，溫度監測和反饋系統—雙向熱敏電阻（100K NTC）對打印機的工作溫度進行實時采樣，并將數據實時傳輸到MCU（微控制器單元，STM32F103）處理[4]。單片機對溫度數據進行分析、判斷后發送至熱敏電阻觸摸屏顯示。

為了防止單個噴嘴未充分預熱及縮短預熱時間，系統同時預熱兩個噴嘴。同時，MCU將熱敏電阻采集的溫度數據與設置的預熱值進行比較。當噴嘴達到所需的預熱溫度時，電機驅動器開關打開，電機啟動，擠出機執行首次出絲補償。補償值由MCU發送的脈沖數決定，可由操作員定義。

4 互聯網模塊

Wi-Fi模塊連接到打印機并與上位機一起使用，以完全自動化調整、切片、打印和移除。本設計采用的Wi-Fi模塊采用UART接口，支持串口透明數據傳輸模式，具有多模安全功能。Wi-Fi模塊具有內置TCP/IP協議棧和IEEE 802.11協議棧。通過基本的網絡拓撲結構，在一個或多個路由器的中轉下，用戶串口和機器串口可以在局域網內相互轉換。該模塊是一個無源串行網絡設備。在每次數據交換之前，打印機主板上的串行Wi-Fi模塊設備處于等待狀態。用戶計算機發起連接邀請并最終執行數據交換。

5 打印數據測試

打印機樣機制造完成后，對該雙噴頭打印機進行打印測試。發現該打印機可實現高精度、快速的三維打印。雙噴嘴配置可實現雙色打印，增加打印的美觀外觀。觸摸板的設計使控制更容易。通過Wi-Fi模塊的加入，可以實現客戶的在線交付和數據模型的傳輸，大大增加了工業產品批量生產的可能性。

經測試，該打印機最小打印厚度為0.01 mm（對應打印速度為60 mm/s），最大打印速度為200 mm/s。結果表明，雖然并行3D打印機具有較大的外觀尺寸，但可以獲得較高的打印精度。與其它打印機相比，它具有打印速度快、工作穩定可靠、制造成本低等優點。與10000級XYZ軸打印機相比，采用相同的噴嘴尺寸和相同的打印精度，打印出了尺寸為40 mm×40 mm×10 mm的五邊形星形試樣。XYZ軸打印機需要8小時，而這款并行3D打印機只需要16分鐘。

6 結語

本研究設計了一臺3-PUU并聯式雙噴頭打印機。這種配置可以在提高打印速度的前提下實現高精度打印，使3D打印機技術更適合大規模生產工業產品。雙噴嘴設計，可打印兩種顏色的印刷品，外觀更美觀實用。觸摸板可方便打印操作。互聯網模塊的設計將信息技術引入到3D打印機中，實現了在線訂單、數據傳輸和多機協作，使3D打印技術能夠更好地服務于生產行業和我們的生活。