压电喷墨喷头的一种清洗与测试方法

（共享智能装备有限公司，宁夏 银川 750021）

在3D 打印机的使用过程中，打印头的维护保养对于延长其使用寿命格外重要。由于打印头在使用一段时间后，打印测试纸时会出现喷墨不全，甚至是完全不喷墨的状况，这使得打印产品的质量得不到有效的保证。为了使这一状况得到改善，在本文中，将讨论一种喷头板卡的清洗和测试方法。

1 压电喷墨与3D 打印

1.1 压电喷墨在铸造砂型3D 打印中的应用

铸造作为一个传统的行业，在复杂模型的制作上大多依赖与手工制作，而且制作周期长，模型质量和精度依赖于人们的经验，不利于铸造业实现快速高效的改变，但是3D 打印的横空出世，改变了这种现状，对于复杂模型的制作，表现出了强大的优势，模型制作精度可控制，制作周期也大幅缩短，对人力的依赖明显下降[1]。3D 打印机在工作的过程中按照需要将树脂喷到混有固化剂的砂面上，一层砂子喷一层树脂循环叠加起来最终形成砂型。按需喷墨的喷头主要有热发泡、压电式两种。相对而言，压电式喷头的生产工艺要比热发泡喷头的生产工艺复杂很多，但由于压电式喷头的寿命长，所以成本上也远低于热发泡喷头。因此，压电式喷头在铸造3D 打印机上也得到了大量的应用。

1.2 3D 打印过程中压电喷头的常见故障

压电喷头的压电腔和喷孔尺寸为微米级，使用过程中如果墨水的质量不能达到使用要求，将对不可拆卸的压电式喷头产生致命的永久性损伤，导致喷墨故障[2]。主要的故障包括：喷头寿命大幅度降低、喷头堵塞喷不出墨水，表现在砂型表面有白道，砂型表面质量差等。

为解决喷头堵塞的问题对故障喷头进行解剖分析，如图1、图2 所示，喷头确实已经被堵塞，主要就是墨水结晶形成的胶体。

通过光学显微镜和电镜扫描（SEM）分析，压电腔出墨口及压电腔通道边缘都有黑色胶状物质，其外观相似并都易脱落，透明胶体附着但都未堵塞通道，压电腔通道边上的小孔堵塞严重。墨水出墨口通道三分之一的孔被堵塞，为堵塞最严重区域，堵塞杂质形态上为胶体；过滤网与喷孔未出现堵塞。

喷头中的滤网未出现很严重的堵塞说明在进入滤网的前端就有堵塞现象，导致压电腔的堵塞最为严重，堵塞物质以胶体及颗粒为主。

图1 压电腔墨水流道

图2 喷头内滤网

2 压电喷头的维护保养

2.1 故障喷头的处理

对于喷墨已经有故障的喷头，当故障原因判断为堵塞的，可以尝试使用清洗的方式，清理掉墨水腔里面堵塞的结晶树脂及杂质。

图3 喷头清洗原理图

喷头清洗原理图如图3 所示，将喷头安装在喷头架上，放入超声波槽内，让去离子水刚好漫过喷头底面为宜，启动超声波将频率设置为44 Hz 把喷头内腔结晶的胶体震碎，设置正负压为0.22 MPa 通过去离子水正反吸循环，将喷头内的杂质带入到清洗槽中由重力沉入底部达到清洗喷头的作用，具体流程如下：

首先，关闭手阀，正压泵把去离子水压入喷头内，压力增大，去离子水从喷头喷孔挤出；接着打开手阀，去离子水经过喷头墨水腔最终从手阀处流出；最后关闭手阀，关闭正压泵，打开反抽泵，抽出墨水腔内的去离子水，这样反复清洗三次[1-3]。

注意，正负压泵的压力不能超过喷头耐压极限，一般设置为0.02 MPa，频率为44 Hz 为宜，如需增加参数则压力不能超过0.05 MPa，频率不能超过60 Hz，超过会造成喷头不可恢复性损坏。

2.2 维修后喷头的测试

对于清洗完成的喷头，使用单喷头测试平台和原厂标准墨，打印测试纸，分析清洗效果。对于清洗完成后，仍然有堵塞的喷头，继续加大清洗力度，提升超声波清洗频率为50 Hz 和清洗液的成分(添加强化学溶剂)，但这样对喷头自身也会造成一定程度的损伤，会导致喷头的开胶问题，严重缩短喷头使用寿命，一般不推荐使用[4]。

3 结论

经过清洗后，堵塞情况明显好转。喷头作为3D打印设备最为关键的部件，在使用过程中出现问题，都会导致产品的质量波动，因此确保喷头能够长时间的稳定工作对于3D 打印设备非常重要。根据目前发生的问题，进行清洗只是从表层去解决使用过程发生的问题，对于故障的本质根源还缺少一定的认知，因此在清洗保养措施有一定成效后，还应积极探讨喷头问题的深层原因。