三维打印机喷头的驱动系统

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劳奇成，卢秉恒

（西安交通大学先进制造技术研究所，陕西西安７１００４７）

摘要：喷蜡打印喷头是三维打印机的核心部件。文中介绍了三维打印技术，分析了喷蜡打印喷头的结构、原理、驱动信号时序以及驱动电压波形对喷头喷射效果的影响，并在此基础上提出了喷头驱动系统的原

理框图及实现方法。

关键词：三维打印机；喷墨打印头；固态墨；驱动系统

中圈分类号：ＴＰ３３４．８；ＴＮ７９＋１文献标识码：Ａ文章编号：１００２—２３３３（２００３）１０—００２５—０３，１１ｌｅＤｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆＳｏｌｉｄ—ｉｌｌｌ【ＪｅｔＰｒｉｎｔｈｅａｄｉｎＴｌＩｒｅｅ—ｄｉｍｅ璐ｉ蚰Ｐｒｉｎｔｅｒ

ＬＡｏＱｉ—ｃｈｅｎｇ，ＬＵＢｉＩｌｇ—ｈｅｎｇ

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１三维打印技术

快速成型（ＲａｐｉｄＰｍｔｏｔｙｐｉｎｇ）技术是与传统的铸、锻及切削加工（加工中材料维持不变或逐渐去除）不同的一种新型制造技术［１’引。ＲＰ技术采用材料累加法，其基本原理是先对ＣＡＤ模型进行分层，得到分层二维截面数据，然后根据每一层的截面数据，以特定的方法（固化光敏树脂或烧结金属粉末等）生成与该层形状一致的薄片，这一过程反复进行，逐层累加，直至“生长”出实体模型来，故ＲＰ也称为增材制造（ＭａｔｅｒｉａｌＩｎｃｒｅｓｓＭａｎ如ｃｔｕｒｉｎｇ）ｆ３１，根据其逐层制造的特点，又称作分层制造技术（ＩＪａｙｅｒｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｎｏｇｙ）［４１。

快速成型技术问世以来发展非常迅速，其工艺方法已有１０余种，三维打印（３Ｄ—Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）是其中之一。三维打印技术采用与喷墨打印机类似的技术，但喷头喷射出的不是墨水，而是一些熔化了的低熔点材料，如石蜡、高分子化合物、铅锡合金等。喷头将这些材料的熔液按ｃＡＤ数据喷射出来，凝结成一个截面，并与已生成的截面粘接在一起，最后堆积成一个完整的零件

基金项目：国家“８６３”计划ｃＩＭＳ主题资助项目

（８６３—５１１—９４３—０１３）

（如图ｌ所示）。

２喷头的结构与工作原理

喷墨技术可分为连续式和按需滴落（ｄｒｏｐ—ｏｎ—ｄｅｍａｎｄ）式两大类，连续式喷墨技术由于结构复杂、花费昂贵，现在已很少采用。目前流行的按需滴落式喷墨技术主要有“汽泡式”（Ｂｕｂｂｌｅ）和“压电式”两种。汽泡式喷墨头的基本原理是利用电阻迅速加热喷头，使

喷头内的墨水汽化产生汽泡，汽泡膨胀将墨水喷出喷

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嘴。图２所示的压电式喷墨头则是利用压电陶瓷的压电效应，当压电陶瓷的两个电极加上电压后，振子发生弯曲变形，对腔体内的液体产生一个压力，这个压力以声波的形式在液体中传播。在喷嘴处，如果这个压力可以克服液体的表面张力，其能量足以形成液滴的表面能，则在喷嘴处的液体就可以脱离喷嘴而形成液滴。压电式按需滴落喷头有三种结构形式，即弯曲式、剪切式和推杆式㈣０￣

在三维打印系统中，我们采用多喷嘴的ＴｅｋｔＩＤｎｉ）【喷蜡打印头，该喷头为压电式喷头，采用弯曲式结构（图３）。它由３５２个微型喷嘴组成，分成８８列，每列４个喷嘴，列间距为２．３ｍｍ。石蜡在打印头内加热液化，由压电晶体控制喷嘴向外喷射。喷射频率可达１０ｋＨｚ以上。

３喷头驱动电路设计

３．，驱动电压波形

由于压电材料是由电压驱动的，根据压电式喷头的工作原理，驱动电压的波形可用简单的“通——断”即可。但为了增加压电陶瓷的变形量，获得较好的液滴

质量，通常采用双极性电压脉冲，如图４所示。

电压波形直接影响喷射效果。以液滴速度或液滴体积来评价喷射效果，脉冲宽度有一个最优值［６制，电压值越大，上升、下降沿越陡峭，喷射效果越好。

在设计驱动电路时，为对电压波形进行优化，考虑了脉冲电压和脉冲宽度的可调节性。

３．２驱动时序

这里选用的喷墨头是ｔｅｋ仃Ｄｎｉｃ公司的产品，原设计为其生产的ｐｈａｓｅ３５０喷蜡打印机使用，通过试验测试，我们得到其控制信号：

ＤＡ７ｒＡＩＮ串行数据输入端

ＣＬＫ串行数据输入时钟

ＬＡＴｃＨ数据锁存控制信号，用于将移位寄存器中的数据锁存在锁存器中

Ｖｐｐ＋５４Ｖ脉冲，压电晶体驱动正电压脉冲

Ｖｎｐ一４０Ｖ脉冲，压电晶体驱动负电压脉冲

ＥＮＰＰ正脉冲电压允许

ＥＮＮＰ负脉冲电压允许

打印头喷蜡孔是否喷射由保存在锁存中的信号来决定，“１”表示喷射，“０”表示不喷射，打印数据按列依次由ＤＡＴＡＩＮ输入。

其工作过程简述如下：

１）将要打印的数据送至ＤＡＴＡＩＮ端，在移位时钟ｃＬＫ的作用下，串行输入到一个３５２位的串入并出移位寄存器中。

２）由ＬＡＴｃＨ发出一个负脉冲将移位寄存器中数据在锁存器中保存。

３）输出正电压和负电压电脉冲，使喷头压电晶体变形，将喷蜡口的蜡高速喷出，此时，Ｄ冲和咖必须有效。

图５为喷蜡头驱动时序。

３．３驱动电路框图

基于上述分析，我们设计三维打印机喷头的驱动电路，图６是驱动电路的框图。控制逻辑与并／串转换使用可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ），其结构用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ描

述实现［６１。