任意曲面三維打印機是怎樣工作的？
發(fā)布時間：2024-04-16 點擊：110
坐落于黑色背景中的是mimaki engineering和長野工業(yè)高等專業(yè)學(xué)校共同開發(fā)的噴墨打印機試制機。這并不是一款普通的打印機，而是能夠直接在任意曲面上打印的“三維打印機”。照片左上方并排著的是四個打印頭，而其右側(cè)斜下方的銀白色圓形物體是工件（打印對象物，實物為半球狀）。
原來在立體物體表面進行打印時一般采用在平面展開狀態(tài)下進行打印后再組合成立體物，或者粘貼打印好的狹窄長方形片材的方法。對此，三維打印機可打印無法二維展開的硬質(zhì)材料，也不需要進行粘貼工序。比如，用半球狀的樹脂工件制造地球儀的北半球部分時，只需要一道打印工序即可。三維打印機還可考慮用于安全帽及汽車內(nèi)裝部件等領(lǐng)域。
那么，這種三維打印機是如何控制打印頭與工件表面之間的位置關(guān)系的呢？普通噴墨打印機通常各用一軸來移動紙張和打印頭，實現(xiàn)二維平面的來回打印。在三維任意曲面上又是如何動作的呢……
順便提一句，照片中的三維打印機的打印頭使用的是與現(xiàn)有打印機相同的產(chǎn)品。地球儀上的印刷分辨率為600dpi，打印時間約為20分鐘。照片中的試制機雖然為待機狀態(tài)，但打印開始時，工件和打印頭相互接近、打印過程中雙方均處于運動狀態(tài)。希望讀者能夠想象一下為了同時提高精度和縮短打印時間，打印機和工件是如何動作的。
首先來看一下軸對稱形狀的工件，在此以打印地球儀北半球為例進行說明（圖1）。從赤道附近向北極方向依次打印。
工件以圍繞地軸旋轉(zhuǎn)的方式固定在主軸上，首先調(diào)整主軸的姿態(tài)，使赤道附近位于打印頭的正下方（油墨吐出位置）。在該狀態(tài)下使工件旋轉(zhuǎn)，用一種顏色以“帶”狀對某一范圍進行打印。在完成一種顏色的打印后，第二種顏色的打印頭移至工件的正上方，用這種顏色進行打印。4種顏色反復(fù)進行同樣的動作。
在完成一條帶狀打印后傾斜主軸，使稍靠北側(cè)的緯度部分移至打印頭的正下方，與上述一樣仍以4種顏色進行帶狀打印，如此反復(fù)進行改變主軸角度的操作。最后打印北極部分＊1。
＊1 由于進行的是帶狀打印，因此油墨吐出方向與工件表面未必垂直。雖然打印的帶寬越窄就越能夠提高分辨率，但打印時間會相應(yīng)變長。
圖1：對軸對稱工件進行打印的工序。在旋轉(zhuǎn)工件的同時逐色進行帶狀打印，在4種顏色打印完成后再傾斜工件的旋轉(zhuǎn)軸，以進行相鄰的帶狀打印。另外，每打印一種顏色就會利用與打印頭同軸設(shè)置的放大器進行曝光。
這樣，打印頭在一個軸上左右移動，而工件則在保持旋轉(zhuǎn)的同時，隨著帶狀打印的位置改變姿態(tài)。為了使工件與打印頭之間保持均一的間隙，主軸的支撐機構(gòu)以主軸的傾斜以及向上下和向前后的平行移動這3個軸來進行控制（圖2）。也就是說，該打印機是以打印頭的1軸，工件的4軸（含旋轉(zhuǎn)軸）共5個軸來進行控制的。
圖2：裝有工件的主軸在傾斜的同時，向上下方向和前后方向同步移動，以在打印頭與工件之間保持均一的間隙。
工件為軸對稱形狀的話，只需在油墨吐出的過程中旋轉(zhuǎn)主軸即可。而非軸對稱形狀的話，則需要對打印頭及主軸的位置同時進行控制＊2。下面來看一下對橢圓柱的側(cè)面進行打印的例子（圖3）。
＊2 該試制機可對直徑300mm的半球與直徑300mm、高150mm的圓柱組合的區(qū)域進行打印。
圖3：在對橢圓柱的側(cè)面進行打印時，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的相位左右移動打印頭，并上下移動旋轉(zhuǎn)軸。這樣便可從側(cè)面以適當(dāng)?shù)木嚯x及適當(dāng)?shù)姆较蛲鲁鲇湍?br>首先，旋轉(zhuǎn)中心到側(cè)面的距離會發(fā)生變化，因此需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)的位相來調(diào)整主軸的高度。另外，打印頭也需要左右移動，原因是側(cè)面切線呈水平狀態(tài)的部分（打印位置）未必位于旋轉(zhuǎn)軸的正上方。通過對這一復(fù)合性的操作進行控制，便可實現(xiàn)對橢圓柱的打印，而且還能夠應(yīng)用于任意曲面。
由于需要事先計算如何使各個部分實現(xiàn)最佳移動，因此必須要做好準備工作，利用三維掃描儀對工件的形狀進行讀取，并將三維cad數(shù)據(jù)輸出打印機。mimaki engineering今后計劃對控制軟件等進行改進，并開發(fā)出能夠滿足具體用途的裝置，由此開展業(yè)務(wù)。
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色標的應(yīng)用(一)
原來在立體物體表面進行打印時一般采用在平面展開狀態(tài)下進行打印后再組合成立體物，或者粘貼打印好的狹窄長方形片材的方法。對此，三維打印機可打印無法二維展開的硬質(zhì)材料，也不需要進行粘貼工序。比如，用半球狀的樹脂工件制造地球儀的北半球部分時，只需要一道打印工序即可。三維打印機還可考慮用于安全帽及汽車內(nèi)裝部件等領(lǐng)域。
那么，這種三維打印機是如何控制打印頭與工件表面之間的位置關(guān)系的呢？普通噴墨打印機通常各用一軸來移動紙張和打印頭，實現(xiàn)二維平面的來回打印。在三維任意曲面上又是如何動作的呢……
順便提一句，照片中的三維打印機的打印頭使用的是與現(xiàn)有打印機相同的產(chǎn)品。地球儀上的印刷分辨率為600dpi，打印時間約為20分鐘。照片中的試制機雖然為待機狀態(tài)，但打印開始時，工件和打印頭相互接近、打印過程中雙方均處于運動狀態(tài)。希望讀者能夠想象一下為了同時提高精度和縮短打印時間，打印機和工件是如何動作的。
首先來看一下軸對稱形狀的工件，在此以打印地球儀北半球為例進行說明（圖1）。從赤道附近向北極方向依次打印。
工件以圍繞地軸旋轉(zhuǎn)的方式固定在主軸上，首先調(diào)整主軸的姿態(tài)，使赤道附近位于打印頭的正下方（油墨吐出位置）。在該狀態(tài)下使工件旋轉(zhuǎn)，用一種顏色以“帶”狀對某一范圍進行打印。在完成一種顏色的打印后，第二種顏色的打印頭移至工件的正上方，用這種顏色進行打印。4種顏色反復(fù)進行同樣的動作。
在完成一條帶狀打印后傾斜主軸，使稍靠北側(cè)的緯度部分移至打印頭的正下方，與上述一樣仍以4種顏色進行帶狀打印，如此反復(fù)進行改變主軸角度的操作。最后打印北極部分＊1。
＊1 由于進行的是帶狀打印，因此油墨吐出方向與工件表面未必垂直。雖然打印的帶寬越窄就越能夠提高分辨率，但打印時間會相應(yīng)變長。
圖1：對軸對稱工件進行打印的工序。在旋轉(zhuǎn)工件的同時逐色進行帶狀打印，在4種顏色打印完成后再傾斜工件的旋轉(zhuǎn)軸，以進行相鄰的帶狀打印。另外，每打印一種顏色就會利用與打印頭同軸設(shè)置的放大器進行曝光。
這樣，打印頭在一個軸上左右移動，而工件則在保持旋轉(zhuǎn)的同時，隨著帶狀打印的位置改變姿態(tài)。為了使工件與打印頭之間保持均一的間隙，主軸的支撐機構(gòu)以主軸的傾斜以及向上下和向前后的平行移動這3個軸來進行控制（圖2）。也就是說，該打印機是以打印頭的1軸，工件的4軸（含旋轉(zhuǎn)軸）共5個軸來進行控制的。
圖2：裝有工件的主軸在傾斜的同時，向上下方向和前后方向同步移動，以在打印頭與工件之間保持均一的間隙。
工件為軸對稱形狀的話，只需在油墨吐出的過程中旋轉(zhuǎn)主軸即可。而非軸對稱形狀的話，則需要對打印頭及主軸的位置同時進行控制＊2。下面來看一下對橢圓柱的側(cè)面進行打印的例子（圖3）。
＊2 該試制機可對直徑300mm的半球與直徑300mm、高150mm的圓柱組合的區(qū)域進行打印。
圖3：在對橢圓柱的側(cè)面進行打印時，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的相位左右移動打印頭，并上下移動旋轉(zhuǎn)軸。這樣便可從側(cè)面以適當(dāng)?shù)木嚯x及適當(dāng)?shù)姆较蛲鲁鲇湍?br>首先，旋轉(zhuǎn)中心到側(cè)面的距離會發(fā)生變化，因此需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)的位相來調(diào)整主軸的高度。另外，打印頭也需要左右移動，原因是側(cè)面切線呈水平狀態(tài)的部分（打印位置）未必位于旋轉(zhuǎn)軸的正上方。通過對這一復(fù)合性的操作進行控制，便可實現(xiàn)對橢圓柱的打印，而且還能夠應(yīng)用于任意曲面。
由于需要事先計算如何使各個部分實現(xiàn)最佳移動，因此必須要做好準備工作，利用三維掃描儀對工件的形狀進行讀取，并將三維cad數(shù)據(jù)輸出打印機。mimaki engineering今后計劃對控制軟件等進行改進，并開發(fā)出能夠滿足具體用途的裝置，由此開展業(yè)務(wù)。
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