双喷头增材制造的实现

◇南京铁道职业技术学院 周 培

本设计实现了一种双头增材制造打印机，为提高打印精度、打印速度和生产效率，提出了一种3-PUU并联机构的3D打印机结构设计。末端执行器采用双喷嘴结构，可实现单色和双色打印。互联网模块是为满足信息生产的需要而设计的，它实现了自动网络订购和多机协作。样机已制作完成性能测试，最大印刷速度200 mm/s，最小印刷厚度0.01 mm。该设计的低成本为三维打印技术在大规模工业生产中的应用提供了可能。

1 引言

3D打印是一种增材制造技术，近年来发展迅速。3D打印机已逐渐应用于工业、学校甚至家庭。三维打印技术具有三维造型复杂、操作方便等优点，可以使产品设计周期短、人工成本降低。

作为3D打印技术的载体，3D打印机今年也取得了长足的进步。在国内市场，主流的3D打印机结构仍以串行机制为主。这种机构结构简单，制造成本低，末端执行器运动范围大，但开环结构容易产生累积误差，影响印刷精度，印刷速度慢，不适合大规模工业生产。本研究采用3-PUU并联机构设计3D打印机结构并用双喷头实现双色打印。

随着互联网技术的发展，云制造的概念被提出。云制造最重要的特点是实现了制造资源的集成和广泛共享。云制造与3D打印技术的结合，实现了从数字化设计到数字化制造的无缝集成，实现了产品数据和模式从设计部门到制造部门的快速高效传递[1]，国外一些厂商已经将互联网技术应用于3D打印机。本研究在并联打印机上设计了Internet模块，实现了数据模型的网络传输、在线下订单和多机协同工作。订货、设计、制造的数据集中在同一个平台上，既适用于分散生产，也适用于批量生产。

2 打印机结构

并联机构具有惯性小、承载能力强、定位精度高、刚度高等优点[2]。因此，它在微动机构、并联机床等领域得到了广泛的应用[3]。3-PUU构型需要的部件相对较少，有利于结构的实现和维护，故本打印机采用了此构型，如图1所示。并联机构的每个分支由导轨、同步带、滑块和一对定长杆组成。导轨与固定平台固定，电机带动同步带移动滑块。静平台2为打印平台，动平台1实现平移运动。

图1 并联式打印机结构

为了实现双色打印，在喷头位置并排安装两个喷头，如图2所示。

图2 双喷头结构

3 电气控制

工作前，打印机初始化，打印前需要对喷嘴预热。当喷嘴达到预热温度时，打印机开始正常打印。在工件打印过程中，温度监测和反馈系统—双向热敏电阻（100K NTC）对打印机的工作温度进行实时采样，并将数据实时传输到MCU（微控制器单元，STM32F103）处理[4]。单片机对温度数据进行分析、判断后发送至热敏电阻触摸屏显示。

为了防止单个喷嘴未充分预热及缩短预热时间，系统同时预热两个喷嘴。同时，MCU将热敏电阻采集的温度数据与设置的预热值进行比较。当喷嘴达到所需的预热温度时，电机驱动器开关打开，电机启动，挤出机执行首次出丝补偿。补偿值由MCU发送的脉冲数决定，可由操作员定义。

4 互联网模块

Wi-Fi模块连接到打印机并与上位机一起使用，以完全自动化调整、切片、打印和移除。本设计采用的Wi-Fi模块采用UART接口，支持串口透明数据传输模式，具有多模安全功能。Wi-Fi模块具有内置TCP/IP协议栈和IEEE 802.11协议栈。通过基本的网络拓扑结构，在一个或多个路由器的中转下，用户串口和机器串口可以在局域网内相互转换。该模块是一个无源串行网络设备。在每次数据交换之前，打印机主板上的串行Wi-Fi模块设备处于等待状态。用户计算机发起连接邀请并最终执行数据交换。

5 打印数据测试

打印机样机制造完成后，对该双喷头打印机进行打印测试。发现该打印机可实现高精度、快速的三维打印。双喷嘴配置可实现双色打印，增加打印的美观外观。触摸板的设计使控制更容易。通过Wi-Fi模块的加入，可以实现客户的在线交付和数据模型的传输，大大增加了工业产品批量生产的可能性。

经测试，该打印机最小打印厚度为0.01 mm（对应打印速度为60 mm/s），最大打印速度为200 mm/s。结果表明，虽然并行3D打印机具有较大的外观尺寸，但可以获得较高的打印精度。与其它打印机相比，它具有打印速度快、工作稳定可靠、制造成本低等优点。与10000级XYZ轴打印机相比，采用相同的喷嘴尺寸和相同的打印精度，打印出了尺寸为40 mm×40 mm×10 mm的五边形星形试样。XYZ轴打印机需要8小时，而这款并行3D打印机只需要16分钟。

6 结语

本研究设计了一台3-PUU并联式双喷头打印机。这种配置可以在提高打印速度的前提下实现高精度打印，使3D打印机技术更适合大规模生产工业产品。双喷嘴设计，可打印两种颜色的印刷品，外观更美观实用。触摸板可方便打印操作。互联网模块的设计将信息技术引入到3D打印机中，实现了在线订单、数据传输和多机协作，使3D打印技术能够更好地服务于生产行业和我们的生活。