PolyJet原理3D打印机模型摆放位置对打印速度和电力消耗的影响

万 海 鑫

(阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236000)

3D打印技术以计算机数字模型为基础，利用横截面切片将数字模型切成很多层片，并通过3D打印设备，分层加工和迭加成形得到固态形体[1]。按照耗材的不同，3D打印可以分成以下几种：(1)基于液体光敏树脂工艺的光固化(SLA)和聚合物喷射成型(polyjet)；(2)基于丝状固体工艺的熔融堆积(FDM)；(3)基于片状固态工艺的叠层实体制造(LOM)；(4)基于粉末工艺的激光烧结(SLS)、激光熔融(SLM)、激光近净成型(LENS)、电子束熔融(EBM)、三维喷印(3DP)等。与传统减材制造工艺相比，基于polyjet原理的3D打印技术的主要优势在于几乎可以建造任何几何形状，提供了几乎无限的、不受约束的几何复杂性。同时减少了产品的生产周期和模具成本，并且实现了设计者就能制造的直接制造方式。为了实现可持续制造，需要评估3D打印对环境的影响，而电力消耗是造成环境影响的因素之一。

1 PolyJet原理介绍

聚合物喷射(PolyJet)是实现彩色3D打印技术的重要手段[2]，如图1所示，液态光敏树脂被泵送到打印头的液囊，之后流入打印头上方的压电仓中，压电仓的上方是双金属片结构，施加电流后向下弯曲，从而将光敏树脂从打印头的微孔中压出，每个微孔喷出不同颜色的光敏树脂。打印头沿X方向移动，光敏树脂被喷到打印平台(或上一层打印件)上，打印头上安装的UV固化灯将本层液态光敏树脂固化，X方向打印完成后沿Y方向移动一定的距离，重复刚才的动作。当一层打印完成后，工作台精准地下降一个成型层厚，然后再进行第二层具有一定几何轮廓的液态光敏树脂固化成型[4]。如此循环，直至模型打印完成。打印的材料有两种类型：模型材料和支持材料，模型材料用于构建模型，支撑材料作为基础层和支撑垂悬结构。

图1 PolyJet工艺示意

PolyJet原理3D打印是一种可光固化的聚光3D打印工艺，具有高分辨率、高精度、多材料和彩色打印等优点，但是它的生产力(每单位制造时间的打印体积)比传统的制造工艺要低。

2 试验设置和试验程序

2.1 试验设备

本试验使用珠海赛纳三维科技有限公司生产的工业级3D打印机，型号J300PLUS，该3D打印机的参数见表1，使用的模型材料是该公司生产的RGD系列，使用的支撑材料是该公司生产的SUP系列。

表1 J300PLUS参数及打印参数

2.2 消耗功率的测量

为了获得J300PLUS打印机在打印过程中消耗的电力，试验采用深圳市驿生胜利科技有限公司生产的VC5000A电能质量分析仪并配置7.5 mm×13 mm尖小形电流钳，该电能质量分析仪可以记录实时功率和电能，并以曲线形式显示。将J300PLUS打印机连接电源，并为每个导线安装电流钳，并把电流钳连接VC5000A电能质量分析仪。

开机待设备稳定后，实测J300PLUS打印机的待机功率约0.62 kW，实测打印机消耗电力以功率大于0.62 kW为打印起点，以功率等于0.62 kW为打印终点，读取打印起点和打印终点的时间和耗电量，即为J300PLUS打印机打印一个模型的打印时间和耗电量。

2.3 打印效率和功率效率的确定

打印单位体积的模型消耗的时间，称为“打印效率”，可以用实测的打印时间除以打印模型的体积，如公式1所示。打印效率值直接代表打印单位体积的模型时间消耗。

总的电力消耗取决于打印时间和模型量，为更好地研究模型位置和方向对打印机功耗的影响，将实测的打印消耗电能除以打印模型的体积，得到的值称为“功率效率”，如公式2所示。功率效率值直接代表了打印单位体积的模型功率消耗。因此，打印效率和功率效率值可以在不同的打印配置中进行比较，作为确定哪些打印更有效的工具。

(1)

(2)

式(1)、(2)中ηt为打印效率(min/mm3)，ηw为功率效率(J/mm3)，T为打印时间(min)，W为打印功耗(J)，V打印模型的体积(mm3)

2.4 试验设计

为体现X和Y方向放置的打印效率和功率效率差异，使用以下2个方案依次试验。

方案1：本方案测试较小模型的效率，较小模型指模型宽度小于打印头宽度，打印机无需沿Y轴移动。采用10 mm×10 mm×2 mm的六面体模型按照图2放置，在打印平台XY平面左上角(距离机器零点最近位置)放置1个模型作为对照(图2a)，在打印平台X(图2b)轴和Y(图2c)轴的2个角上各放置2个模型，在打印平台4个角都放置1个模型(图2d)。打印层厚30 μm，模型颜色黑色，上述模型打印3次。

图2 较小模型试验模型放置示意

方案2：本方案测试大型模型的效率，大型模型指模型宽度大于打印头宽度，需要打印机沿Y轴往复运动。采用290 mm×10 mm×2 mm的六面体模型按照图3a和图3b放置，为测试超大模型的效率，采用290 mm×290 mm×2 mm的六面体模型按照图3c放置，此模型可以覆盖整个打印平台。打印层厚30 μm，模型颜色黑色，上述模型打印3次。

图3 较大模型试验模型放置示意

3 小结

方案1的试验结果如图4a和图4c所示，每列代表3次试验结果的平均值，每列的误差条与上下公差代表平均值的标准误差(SE)，SE计算如公式3所示：

图4 实验结果

(3)

(3)式中σ为标准差，n为试验次数。

对照组的数值采样被作为基准包括在内，当打印小模型时，在X轴上打印图2b消耗的时间和功率是在Y轴上打印图2c的50.63%和50.23%，与在Y轴上打印相比，打印相同体积的模型，只需要消耗一半的时间和电能，在X轴上打印小模型是一个更好的选择。

方案2的试验结果如图4b和图4d所示，在X轴上打印图3a消耗的时间和功率是在Y轴上打印图3b的66.18%和23.39%。这主要是由于打印头沿X轴喷出树脂，如果模型大于打印第一次喷出的宽度，则需要沿Y轴运动，并重复沿X轴喷出树脂。当打印超大模型时(图3c)，时间效率和功率效率只有Y轴上的49.15%和6.15%，意味着超大模型在整个XY平面上的打印效率和功率效率非常高。因此建议多个模型打印时，将多个模型布满打印平台一次打印，而不是一个一个模型打印。

4 结 论

本研究调查了PolyJet工艺的时间消耗和功率消耗，并将其与打印模型的位置、方向和体积直接联系起来。这项研究的方法和结果应该有助于研究人员和从业人员寻求减少PolyJet印刷过程中的功率消耗。研究发现，在X轴上打印比在Y轴上打印更有效，这意味着在沿X轴上打印模型每立方毫米消耗的时间和焦耳数更少，当打印模型较少时，建议将模型沿X方向排列，Y方向排列尺寸尽量小，以减少Y方向运动。与小样品相比，大样品的打印效率和功率效率更高，因此建议有零星打印需求时，尽量攒在一起打印，在一次打印中模型尽量布满平台。