2.9 黏结剂喷射成型（3DP）
2.9.1 黏结剂喷射成型工作原理
黏结剂喷射3D打印机（three dimensional printing and gluing，3DPG）常被称为3DP，是利用黏结剂喷涂在成型材料粉上使其成型的一种增材制造装备，又称三维印刷技术。该项技术由麻省理工学院教授Emanual M.Sachs和John S.Haggerty于1993年开发，1995年由Z Corporation公司将该技术推向产业化。该工艺是以某种喷头作为成型源，其运动方式与喷墨打印机的打印头类似，在台面上做X-Y平面运动。所不同的是，喷头喷出的不是传统喷墨打印机的墨水，而是黏结剂；基于快速成型技术基本的堆积建造方式，可实现原型的快速制作。与SLS技术相比，3DP技术的设备投资小、使用寿命长、易于维护且环境适应性好。近年来，因其材料应用广泛、设备成本较低且可小型化到办公室使用等优点，发展非常迅速。
黏结剂喷射3D打印的工艺原理如图2-63所示。首先按照设定的层厚进行铺粉，随后根据每层叠层的截面信息，利用喷嘴按照指定的路径将液态黏结剂喷在预先铺好的粉层特定区域，之后将工作台下降一个层厚的距离，继续进行下一叠层的铺粉；逐层黏结后，去除多余底料以得到所需形状制件。其工艺过程如下。
图2-63 黏结剂喷射3D打印的工艺原理
①利用三维CAD软件完成所需制作的3D模型设计。
②在计算机中将模型生成STL文件，利用专用软件将其切成薄片。
③转换成矢量数据，控制黏结剂喷射头移动的走向和速度。
④采用专用的铺粉装置，将陶瓷等粉末铺在活塞台面上。
⑤用校平鼓将粉末滚平，粉末的厚度等于计算机切片处理中片层的厚度。
⑥按照步骤③的要求，利用计算机控制的喷射头进行扫描喷涂黏结。
⑦计算机控制活塞使之下降一个层片的高度。
⑧重复步骤④～⑦，一层层地将整个零件坯体制作完成。
⑨取出零件坯，去除未黏结的粉末，并将这些粉末回收。
⑩在温控炉中对零件坯进行焙烧等后续处理。
2.9.2 黏结剂喷射式技术特点
3DP技术的优势主要集中在成型速度快、无须支撑结构等方面，而且能够打印出全彩色产品，这是目前其他技术难以实现的。当前采用3DP技术的设备不多，比较典型的是ZCorp公司（已被3D Systerns公司收购）生产的ZPrinter系列，这也是当前一些高端3D照相馆所使用的设备。ZPrinter系列高端产品Z650已能支持39万色的产品打印，色彩方面非常丰富，基本接近传统喷墨二维打印的水平。在3D打印技术各大流派中，该技术也被公认在色彩还原方面是最有前景的，基于该技术的设备所打印的产品在实际体验中也最为接近于原始设计效果。
与其他打印技术相比，3DP技术的主要优点如下。
①打印速度快，无须添加支撑。
②技术原理同传统工艺相似，可以借鉴很多二维打印的成熟技术和部件。
③可以在黏结剂中添加墨盒以打印全色彩的原型。
但是，3DP技术的不足也同样非常明显：首先打印出的工件只能通过粉末粘接，受黏结剂材料限制，其强度很低，基本只能作为测试原型；其次，由于原材料为粉末，导致工件表面的光洁度远不如光固化快速成型（SLA）等工艺成品，并且精细度方面也要差很多。所以，为使打印工件具备足够的强度和光洁度，还需要一系列的后处理工序。此外，由于制造相关原材料粉末的技术也比较复杂、成本较高，所以目前3DP技术的主要应用领域都集中在专业应用方面，桌面级别的3DP打印机能否大范围推广还需要后续观察。该工艺最致命的缺点在于成型件的强度较低，只能作为概念验证原型使用，难以用于功能性测试。
2.9.3 3DP系统组成
3DP系统组成如图2-64所示，主要由喷粉打印头、XYZ运动系统、成型工作缸、供料工作缸、铺粉辊装置等组成。铺粉辊装置首先将供料工作缸中的粉末送至成型工作缸，并在工作台（或基底）上铺撒一薄层，喷墨系统在计算机控制下，随XYZ运动系统扫描工作台，并根据各层轮廓信息供应黏结剂，有选择性地喷射到粉末上。加工完一层后，工作台自动下降一个层厚，供料工作缸上升一个层厚，辊筒继续在工作台上铺一薄层，如此循环，直至得到所要加工的零件。
图2-64 3DP系统组成
2.9.3.1 喷射系统
喷头是黏结剂喷射式3D打印机的关键部件，按照喷头的动力驱动形式，可将其分为气动式喷头、电动式喷头、压电式喷头、热发泡式喷头等。
（1）气动式喷头
采用气动式喷头的3D打印机，按照气动式喷头的结构不同又分为活塞开关型、时间-压力型、容积型、膜片型和雾化型等。
图2-65为活塞开关型气动喷头，当控制系统使压缩空气通过入口进入喷头时，活塞和与其相连的针阀克服弹簧压力向上运动，开启阀口，自流体入口进入的流体材料（墨水）通过阀口和空心针头（标准针头的最小内径为60μm）射出。当控制系统使喷头中的压缩空气排气时，在弹簧力的作用下，活塞和与其相连的针阀向下复位，阀口关闭，喷头停止喷射流体材料。用流量控制旋钮调节弹簧的预压量可以改变针阀的开启量，从而使通过喷头的流体流量发生变化。
图2-65 活塞开关型气动喷头
图2-66为采用活塞开关型气动喷头的3D打印机原理。采用活塞开关型气动喷头虽能控制喷头喷射流体的启停动作，但难以控制流过喷头流体的流速等特性参数。另外，由于受喷头中机械运动零件惯性的影响，这种喷头的灵敏度、工作频率和喷射液滴的体积精度不够高。
图2-66 采用活塞开关型气动喷头的3D打印机原理
（2）电动式喷头
采用电动式喷头的3D打印机，按照电动式喷头的结构不同又分为电磁阀操控型、微注射器型、电流体动力型、电场偏转型、电动螺杆型和复合型等。
图2-67为电磁阀操控型喷头，采用电磁阀的开关动作操控“墨水”的输送与喷射，喷嘴内径为50～500μm，平均喷射速度约为10m/s，最大流量为2mL/s。
图2-67 电磁阀操控型喷头
（3）压电式喷头
压电式喷头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，如图2-68所示。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。其中，弯曲式压电喷头较为常用。
图2-68 压电式喷头
（4）热发泡式喷头
热发泡式喷墨原理如图2-69所示。将墨水装入一个非常微小的毛细管中，通过一个微型的加热垫迅速将墨水加热到沸点，这样就生成一个非常微小的蒸汽泡，蒸汽泡扩张就将一滴墨水喷射到毛细管的顶端，停止加热后，墨水冷却，蒸汽凝结收缩，从而使墨水停止流动，直到下一次再产生蒸汽并生成一个墨滴。
图2-69 热发泡式喷墨原理
2.9.3.2 XYZ运动系统
XYZ运动是3DP工艺进行三维制件的基本条件。在图2-70所示的3DP运动系统示意图中，X、Y轴组成平面扫描运动框架，由伺服电机驱动控制喷墨头的扫描运动；伺服电机驱动控制工作台做垂直于X-Y平面的Z向运动。扫描机构几乎不受载荷，但运动速度较快，具有运动的惯性，因此应具有良好的随动性。Z轴应具备一定的承载能力和运动平稳性。
图2-70 3DP运动系统示意图
2.9.3.3 其他部件
①成型工作缸。在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。零件加工完后，缸升起，以便取出制作好的工件，并为下一次加工做准备。工作缸的升降由伺服电机通过滚珠丝杠驱动。
②供料工作缸。提供成型与支撑粉末材料。
③余料回收袋。安装在成型机壳内，回收铺粉时多余的粉末材料。
④铺粉辊装置。包括铺粉辊及其驱动系统，其作用是把粉末材料均匀地铺平在工作缸上，并在铺粉的同时把粉料压实。
2.9.4 3DP系统控制技术
3DP工艺控制系统由喷头驱动模块、运动控制模块、接口及数据传输模块、RIP处理模块、上位机控制台总控模块及辅助控制模块等组成。图2-71是3DP控制系统总体框架。喷墨控制板负责接收计算机处理过的二维点阵数据，并对Y轴电机增量型编码器的反馈信号做光栅解码，从而获得电机的当前位置和运动状态。运动控制器负责接收控制面板的指令，并控制5个电机的协调运动和执行计算机发送过来的清洗指令。喷墨控制和电机控制是在计算机的上位机喷墨控制软件协调下工作的，主要通过USB接口和RS-232接口进行通信。
图2-71 3DP控制系统总体框架
控制系统中各个模块的功能划分和它们之间的通信如图2-72所示。PC中运行喷墨控制软件和分层切片软件，光栅解码模块、USB2.0接口模块等集成在主控芯片上，并且该主控芯片还负责对外部传感器获得的信号进行处理，依次做出下一步指令动作。
图2-72 模块功能划分和模块之间的通信
2.9.4.1 运动控制
运动控制部分的硬件包括运动控制器、光电位置传感器、控制面板、电机及其驱动器等。图2-73是运动控制部分的连接示意图。该部分由运动控制器实现各电机的运动控制，通过查询操作面板的按键操作实现手动铺粉的功能。
图2-73 运动控制部分的连接示意图
运动控制器对电机的控制模式有转矩控制模式、位置控制模式和速度控制模式三种。由于本系统电机的功能是完成精确定位和按指定速度运动，所以采用位置控制模式按集电极开路方式进行运动控制器和电机驱动器之间的连接。位置控制模式是通过输出脉冲的频率确定电机转速的大小，通过脉冲的输出个数确定电机的转动距离。
2.9.4.2 喷墨控制
喷墨控制部分硬件包括喷墨主控板和4色喷头驱动板两部分。该部分主要包括USB2.0接口模块、电源模块、喷头驱动模块、SDRAM接口模块和基于ALTERA FPGA的主控模块等。
喷头驱动模块包括主控板内驱动模块和喷头驱动板两个部分，微型数字化喷嘴采用的是热发泡式喷头。图2-74是喷头驱动模块的数据处理框图。
图2-74 喷头驱动模块的数据处理框图
2.9.4.3 主控制模块
主控制模块负责以下几个方面的功能。①数据接收阶段，将上位机发送过来的数据，通过USB接口以DMA方式进行处理和存储。打印阶段可将RAM中的数据按照喷头的打印速度取出，并通过8位数据总线发送出去。②喷墨数据的读取和将并行数据发送给喷头驱动板。③电机的光栅计数，得出电机的当前坐标。
打印数据的发送功能是把待打印的并行数据从RAM中依次取出发送给喷头驱动板，然后驱动不同颜色喷头喷出墨水。依次取出数据的频率是由打印喷头的运动速度和相对位置坐标决定的。
2.9.4.4 通信接口及温度控制
3DP成型系统各部分模块之间的通信方式主要有USB通信和串口通信两种。USB通信的功能有数据传输和系统工作状态的获取；串口通信功能包括PC通过串口对运动控制卡编程和通过串口接收各轴的当前运动状态，并根据当前状态决定后续的动作。
3DP成型装置的成型材料为粉末状，含有石膏成分和一些其他微细颗粒，较易受潮而结块，而且喷头喷射的墨水和粉末之间的物理/化学作用在某一个合适的温度（大约35℃）下会更加有效。因此，在系统工作过程中或平时闲置的时候，都需要给工作空间进行加热，以增强系统成型工作的可靠性和成型件的成型质量，并能防止成型材料受潮结块。
加热装置为红外陶瓷加热板和一个轴流风扇。红外陶瓷加热板能够迅速加热周围空气，然后通过轴流风扇将热风吹进工作空间，以对流的形式提升工作空间的温度。在工作空间中有一个温度传感器对空间温度进行采样，当采样到空间温度（主要是成型工作部分周围）达到设定的温度范围时，温控器控制其继电器的断开以切断陶瓷加热板的工作电源使其停止工作。如果工作空间温度低于设定的工作温度范围，温控器又会接通继电器，从而接通加热片的工作电源，使其开始工作，如此构成一个闭环的控制回路。
在整个三维成型系统刚启动时，加热装置就开始工作，直到工作空间温度达到设定值后，温控器会向运动控制卡发送一个信号，告知运动控制卡系统工作前的加热工作已经完成，系统可以开始工作，只有当运动控制卡检测到该信号后，系统才会开始工作，否则一直处于等待状态。
2.9.5 3DP工艺成型质量影响因素
为了提高3DP成型系统的成型精度和速度，保证成型的可靠性，需要对系统的工艺参数进行整体优化。这些参数包括喷头到粉末层的距离、每层粉末的厚度、喷射和扫描速度、辊轮运动参数、每层成型时间等。
（1）喷头到粉末层的距离
如果喷头到粉末层的距离太远，会导致液滴的发散，影响成型精度；反之，则容易导致粉末溅到喷头上，造成堵塞，影响喷头的使用寿命。一般情况下，该距离为1～2 mm时效果较好。
（2）每层粉末的厚度
每层粉末的厚度即工作平面下降一层的高度。在成型过程中，水膏比（即喷墨量与石膏粉的质量比）对成型件的硬度和强度影响最大。水膏比的增加可以提高成型件的强度，但是会导致变形的增加。层厚与水膏比成反比，层厚越小，水膏比越大，层与层粘接强度越高。但是，会导致成型的总时间成倍增加。在系统中，根据所开发的材料特点，层厚为0.08～0.2mm效果较好，一般小型模型层厚取0.1mm，大型取0.16mm。此外，由于是在工作平面上开始成型，在成型前几层时，层厚可取稍大一点，便于取出成型件。
（3）喷射和扫描速度
喷头的喷射和扫描速度直接影响到制件的精度和强度，低的喷射速度和扫描速度对成型精度的提高，是以成型时间增加为代价的，在3DP成型的参数选择中需要综合考虑。
（4）辊轮运动参数
铺覆均匀的粉末在辊子作用下流动。粉末在受到辊轮的推动时，粉末层受到剪切力作用而相对滑动，一部分粉末在辊子推动下继续向前运动，另一部分在辊子底部受到压力变为密度较高、平整的粉末层。粉末层的密度和平整效果除与粉末本身的性能有关，还与辊子表面质量、辊子转动方向，以及辊子半径R、转动角速度ω、平动速度v有关。
①辊轮表面质量 辊轮表面与粉末的摩擦系数越小，粉末流动性越好，已铺平的粉末层越平整，密度越高；辊轮表面还要求耐磨损、耐腐蚀和防锈蚀。采用铝质空心辊筒表面喷涂聚四氟乙烯的方法，可以很好地满足上述要求。
②辊轮转动方向 辊轮的转动有两种方式，即顺转和逆转。逆转方式是辊轮从铺覆好的粉末层切入，从堆积粉末中切出，顺转方式则与之相反。辊子采用逆转方式有利于粉末中的空气从松散粉末中排出；而顺转方式则使空气从已铺平的粉末层中排出，破坏其平整度和致密度。
③辊轮半径R、转动角速度ω、平动速度v 辊轮的运动对粉末层产生两个作用力：一个是垂直于粉末层的法向力Pn；另一个是与粉末层摩擦产生的水平方向力Pt。辊轮半径R、转动角速度ω、平动速度v是辊轮外表面运动轨迹方程的参数，它们对粉末层密度和致密度有着重要影响。一般情况下，辊轮半径R=10mm，转动角速度ω、平动速度v可根据粉末状态进行调整。
（5）每层成型时间
每层成型时间的增加，容易导致粘接层翘曲变形，并随着辊轮的运动而产生移动，造成Y方向尺寸变化，同时成型的总时间增加。所以，需要有效地提高每层成型速度。由于快的喷射扫描速度会影响成型的精度，过快的辊轮平动速度则易导致成型Y方向尺寸的增加。因此，每层成型速度的提高需要较大的加速度，并有效地减少辅助时间。一般情况下，每层成型时间为30～60s，这相比其他快速成型的方式要快很多。
（6）其他
其他如环境温度、清洁喷头间隔时间等。环境温度对液滴喷射和粉末的粘接固化都会产生影响。温度降低，会延长固化时间，导致变形增加，一般环境温度控制为10～40℃较为适宜。清洁喷头间隔时间根据粉末性能而有所区别，一般喷射20层后需要清洁一次，以减少喷头堵塞的可能性。