基于真空發生器的噴墨三維打印機供墨系統負壓分析*

馬利強 劉 軼 王志剛 馬 睿 王軍偉

共享智能裝備有限公司 銀川 750021

1 研究背景

噴墨三維打印是結合噴墨打印與三維造型工藝實現的增材制造技術,目前已經廣泛應用于砂型鑄造領域,并在陶瓷、金屬等材料的三維成型方面迅猛發展。噴墨三維打印的本質是通過對粘結劑的噴墨控制實現粉末材料的有效粘接,其噴墨基本原理與平面噴繪無異。噴墨三維打印機一般采用連續供墨系統,以滿足連續生產中打印系統的墨水需求。連續供墨系統設計的關鍵在于實現系統的負壓穩定。噴墨三維打印機負壓系統的壓力產生方式有多種,常見的主要有真空發生器方式和真空泵方式。其中,真空發生器因體積小、工作穩定、易于安裝維護等優點,在各種自動化設備上被廣泛應用。筆者以基于真空發生器的噴墨三維打印機供墨系統負壓為研究對象,分析噴墨三維打印機供墨系統負壓壓強的影響因素及其對噴墨打印產生的影響,為噴墨三維打印機供墨與負壓系統的設計提供理論依據。

2 供墨系統原理

目前噴墨三維打印機大多采用連續供墨系統,即打印機墨盒通過供墨系統與外界液料站直接相連,實現外部墨水對打印系統的持續供應。同時,打印機墨盒上配備相應的負壓系統,以滿足噴頭噴墨過程中的負壓需求。所謂負壓需求,指通過負壓抵消墨盒中的墨水重力,避免墨水在自然狀態下從噴孔滲出。同時,穩定的噴墨過程要求噴孔內的液面始終向上凹起,形成半月彎形,因此墨盒負壓需要在平衡墨水重力的基礎上額外增加一定量的負壓。帶墨水循環功能的噴墨三維打印機供墨系統原理如圖1所示。外部液料站的墨水經過墨泵1進入打印機液料箱中,再經過墨泵2及過濾器進入打印機主墨盒。帶墨水循環功能的噴頭有進出墨管之分,墨水從進墨管進入噴頭,經過噴頭墨腔后從出墨管進入循環墨盒,并進一步經過回墨泵回到液料箱中。負壓系統由氣源壓縮空氣經過減壓之后分別連接兩個真空發生器,產生兩路相互獨立的負壓。一路連接至主墨盒,以滿足噴頭噴墨的負壓需求。另一路與循環墨盒相連,為墨水循環提供動力。

▲圖1 噴墨三維打印機供墨系統原理

3 負壓系統壓強影響因素

噴墨三維打印機供墨系統中的負壓系統包含主負壓與循環負壓,筆者重點研究主負壓部分,若無特殊說明,下文所述負壓系統均指主負壓部分。根據噴墨三維打印機供墨系統結構原理,負壓系統可以看作是僅有一個進口和出口的半密閉容器。根據理想氣體狀態方程,有:

PV=nRT

(1)

式中:V為容器體積,m3;P為系統絕對壓強,Pa;n為系統內空氣的摩爾數;T為系統溫度,K;R為氣體常數,干燥空氣為287.1 N·m/(kg·K)。

當負壓系統的容積、溫度、空氣摩爾數均不變時,系統壓強為定值。考慮噴墨三維打印機實際供墨系統情況,溫度變化可以忽略不計,但墨盒端因墨水晃動或加墨過程引起的局部負壓波動幾乎無法避免,因此負壓系統的壓力波動過程可以用理想氣體狀態方程的微分形式進行描述,為:

VdP=RTdn

(2)

或有:

PQdt=RTdn

(3)

式中:Q為抽氣速率,m3/min;t為抽氣時間,min。

將式(1)、式(2)相減并積分,得:

ln(P2/P1)=QΔt/V

(4)

式中:P1、P2分別為容器中壓力變化前后對應的壓強,Pa;Δt為負壓系統壓強恢復時長,min。

根據式(4)可知,若P1與P2始終不相等,則等號右側不為零。因此,當P1與P2的比值相對恒定時,隨著抽氣速率增大,負壓系統的壓強恢復時長會被不斷壓縮,從而減小局部負壓波動對系統整體壓力的影響,并降低噴頭因負壓波動出現噴墨丟幀的風險。

4 真空發生器性能分析

真空發生器的結構主要包括壓縮空氣進氣口、拉瓦爾噴管、真空口、混流管、排氣口。真空發生器的結構原理如圖2所示。壓縮空氣從進氣口進入真空發生器,經過拉瓦爾噴管后形成超聲速射流。由于氣體的黏性作用,在真空口形成真空吸附效果,并將外部的空氣從真空口吸入。最后,氣流在混流管混合,并從排氣口排出。

▲圖2 真空發生器結構原理

根據真空發生器負壓產生原理可知,真空壓力和吸入流量的大小主要與進氣壓力,以及真空發生器自身結構有關。某型號真空發生器的排氣特性曲線如圖3所示。由圖3可見,隨著供給壓力的增大,真空負壓會持續增大,直至到達峰值后不再變化,吸入流量則在0.2 MPa時已經接近峰值,并且不再隨供給壓力的增大而增大。

▲圖3 真空發生器排氣特性曲線

對于負壓系統而言,墨盒的負壓一般是恒定的,因此真空發生器的供給壓力也應設定為恒定值。所以,若要縮短負壓系統氣壓波動后的恢復時間,調整供給壓力是無效的,應當選型同等供給壓力條件下吸入流量更大的真空發生器。

5 試驗驗證

為了驗證上述結果,分別選用兩種規格的真空發生器在某噴墨三維打印機上進行試驗。試驗中,對比安裝不同真空發生器的打印機在相同噴墨條件下的打印過程,通過負壓系統的壓力波動情況及其對噴墨打印結果的影響,判定兩個真空發生器的優劣。不同規格真空發生器試驗結果見表1。

表1 不同規格真空發生器試驗結果

由表1可見,在系統負壓同樣設定為-4.0 kPa的條件下,使用2號真空發生器,系統負壓波動范圍差值約為1號真空發生器的一半。打印效果方面,使用1號真空發生器的時候更容易出現噴墨丟幀的情況。另外檢查對比打印頭底板情況,發現使用1號真空發生器,噴頭噴嘴板上更容易出現滲墨的情況,而使用2號真空發生器,噴頭噴嘴板滲墨現象則較少。打印頭底板滲墨情況如圖4所示。

▲圖4 打印頭底板滲墨情況

6 結束語

筆者從噴墨三維打印機供墨系統結構入手,分析打印機負壓系統原理。以理想氣體分析工具為基礎,解析打印機負壓的影響因素,并分析確認在打印機負壓波動不可避免的情況下,可以通過增大吸入流量有效減小負壓波動對噴墨過程的影響。進一步通過分析真空發生器的負壓產生原理和排氣特性,明確通過調節供給壓力的大小并不能改善負壓波動。減小局部負壓波動對打印機系統負壓的影響,唯一有效的方法是選型同等供給壓力條件下吸入流量更大的真空發生器。最后,通過對兩款不同規格真空發生器進行試驗,驗證研究結果的正確性。