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在任意曲面上打印的“三维打印机”是怎样工作的?  

2013-03-23 17:45:44|  分类: 科学技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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下面照片中,坐落于黑色背景中的是Mimaki Engineering和长野工业高等专业学校共同开发的喷墨打印机试制机。

这并不是一款普通的打印机,而是能够直接在任意曲面上打印的“三维打印机”。照片左上方并排着的是四个打印头,而其右侧斜下方的银白色圆形物体是工件(打印对象物,实物为半球状)。
  原来在立体物体表面进行打印时一般采用在平面展开状态下进行打印后再组合成立体物,或者粘贴打印好的狭窄长方形片材的方法。对此,三维打印机可打印无法二维展开的硬质材料,也不需要进行粘贴工序。比如,用半球状的树脂工件制造地球仪的北半球部分时,只需要一道打印工序即可。三维打印机还可考虑用于安全帽及汽车内装部件等领域。
  那么,这种三维打印机是如何控制打印头与工件表面之间的位置关系的呢?普通喷墨打印机通常各用一轴来移动纸张和打印头,实现二维平面的来回打印。在三维任意曲面上又是如何动作的呢……
  顺便提一句,照片中的三维打印机的打印头使用的是与现有打印机相同的产品。地球仪上的印刷分辨率为600dpi,打印时间约为20分钟。照片中的试制机虽然为待机状态,但打印开始时,工件和打印头相互接近、打印过程中双方均处于运动状态。希望读者能够想象一下为了同时提高精度和缩短打印时间,打印机和工件是如何动作的。
  首先来看一下轴对称形状的工件,在此以打印地球仪北半球为例进行说明(图1)。从赤道附近向北极方向依次打印。
  工件以围绕地轴旋转的方式固定在主轴上,首先调整主轴的姿态,使赤道附近位于打印头的正下方(油墨吐出位置)。在该状态下使工件旋转,用一种颜色以“带”状对某一范围进行打印。在完成一种颜色的打印后,第二种颜色的打印头移至工件的正上方,用这种颜色进行打印。4种颜色反复进行同样的动作。
  在完成一条带状打印后倾斜主轴,使稍靠北侧的纬度部分移至打印头的正下方,与上述一样仍以4种颜色进行带状打印,如此反复进行改变主轴角度的操作。最后打印北极部分*1。
*1 由于进行的是带状打印,因此油墨吐出方向与工件表面未必垂直。虽然打印的带宽越窄就越能够提高分辨率,但打印时间会相应变长。

图1:对轴对称工件进行打印的工序。在旋转工件的同时逐色进行带状打印,在4种颜色打印完成后再倾斜工件的旋转轴,以进行相邻的带状打印。另外,每打印一种颜色就会利用与打印头同轴设置的放大器进行曝光。

这样,打印头在一个轴上左右移动,而工件则在保持旋转的同时,随着带状打印的位置改变姿态。为了使工件与打印头之间保持均一的间隙,主轴的支撑机构以主轴的倾斜以及向上下和向前后的平行移动这3个轴来进行控制(图2)。也就是说,该打印机是以打印头的1轴,工件的4轴(含旋转轴)共5个轴来进行控制的。

图2:装有工件的主轴在倾斜的同时,向上下方向和前后方向同步移动,以在打印头与工件之间保持均一的间隙。

  工件为轴对称形状的话,只需在油墨吐出的过程中旋转主轴即可。而非轴对称形状的话,则需要对打印头及主轴的位置同时进行控制*2。下面来看一下对椭圆柱的侧面进行打印的例子(图3)。
*2 该试制机可对直径300mm的半球与直径300mm、高150mm的圆柱组合的区域进行打印。

图3:在对椭圆柱的侧面进行打印时,根据旋转的相位左右移动打印头,并上下移动旋转轴。这样便可从侧面以适当的距离及适当的方向吐出油墨。

  首先,旋转中心到侧面的距离会发生变化,因此需要根据旋转的位相来调整主轴的高度。另外,打印头也需要左右移动,原因是侧面切线呈水平状态的部分(打印位置)未必位于旋转轴的正上方。通过对这一复合性的操作进行控制,便可实现对椭圆柱的打印,而且还能够应用于任意曲面。
  由于需要事先计算如何使各个部分实现最佳移动,因此必须要做好准备工作,利用三维扫描仪对工件的形状进行读取,并将三维CAD数据输出打印机。Mimaki Engineering今后计划对控制软件等进行改进,并开发出能够满足具体用途的装置,由此开展业务。
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