【CPP114】訊：右側照片中，坐落于黑色背景中的是mimaki engineering和長(cháng)野工業(yè)高等專(zhuān)業(yè)學(xué)校共同開(kāi)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(zhù)的是四個(gè)打印頭，而其右側斜下方的銀白色圓形物體是工件(打印對象物，實(shí)物為半球狀)。

　　原來(lái)在立體物體表面進(jìn)行打印時(shí)一般采用在平面展開(kāi)狀態(tài)下進(jìn)行打印后再組合成立體物，或者粘貼打印好的狹窄長(cháng)方形片材的方法。對此，三維打印機可打印無(wú)法二維展開(kāi)的硬質(zhì)材料，也不需要進(jìn)行粘貼工序。比如，用半球狀的樹(shù)脂工件制造地球儀的北半球部分時(shí)，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(chē)內裝部件等領(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(lái)移動(dòng)紙張和打印頭，實(shí)現二維平面的來(lái)回打印。在三維任意曲面上又是如何動(dòng)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(shí)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(kāi)始時(shí)，工件和打印頭相互接近、打印過(guò)程中雙方均處于運動(dòng)狀態(tài)。希望讀者能夠想象一下為了同時(shí)提高精度和縮短打印時(shí)間，打印機和工件是如何動(dòng)作的。

　　首先來(lái)看一下軸對稱(chēng)形狀的工件，在此以打印地球儀北半球為例進(jìn)行說(shuō)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的方式固定在主軸上，首先調整主軸的姿態(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，用一種顏色以“帶”狀對某一范圍進(jìn)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(jìn)行打印。4種顏色反復進(jìn)行同樣的動(dòng)作。

　　在完成一條帶狀打印后傾斜主軸，使稍靠北側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(jìn)行帶狀打印，如此反復進(jìn)行改變主軸角度的操作。最后打印北極部分*1。

　　*1 由于進(jìn)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(shí)間會(huì )相應變長(cháng)。

　　圖1：對軸對稱(chēng)工件進(jìn)行打印的工序。在旋轉工件的同時(shí)逐色進(jìn)行帶狀打印，在4種顏色打印完成后再傾斜工件的旋轉軸，以進(jìn)行相鄰的帶狀打印。另外，每打印一種顏色就會(huì )利用與打印頭同軸設置的放大器進(jìn)行曝光。

　　這樣，打印頭在一個(gè)軸上左右移動(dòng)，而工件則在保持旋轉的同時(shí)，隨著(zhù)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，主軸的支撐機構以主軸的傾斜以及向上下和向前后的平行移動(dòng)這3個(gè)軸來(lái)進(jìn)行控制(圖2)。也就是說(shuō)，該打印機是以打印頭的1軸，工件的4軸(含旋轉軸)共5個(gè)軸來(lái)進(jìn)行控制的。

　　圖2：裝有工件的主軸在傾斜的同時(shí)，向上下方向和前后方向同步移動(dòng)，以在打印頭與工件之間保持均一的間隙。

　　工件為軸對稱(chēng)形狀的話(huà)，只需在油墨吐出的過(guò)程中旋轉主軸即可。而非軸對稱(chēng)形狀的話(huà)，則需要對打印頭及主軸的位置同時(shí)進(jìn)行控制*2。下面來(lái)看一下對橢圓柱的側面進(jìn)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的圓柱組合的區域進(jìn)行打印。

　　圖3：在對橢圓柱的側面進(jìn)行打印時(shí)，根據旋轉的相位左右移動(dòng)打印頭，并上下移動(dòng)旋轉軸。這樣便可從側面以適當的距離及適當的方向吐出油墨。

　　首先，旋轉中心到側面的距離會(huì )發(fā)生變化，因此需要根據旋轉的位相來(lái)調整主軸的高度。另外，打印頭也需要左右移動(dòng)，原因是側面切線(xiàn)呈水平狀態(tài)的部分(打印位置)未必位于旋轉軸的正上方。通過(guò)對這一復合性的操作進(jìn)行控制，便可實(shí)現對橢圓柱的打印，而且還能夠應用于任意曲面。

　　由于需要事先計算如何使各個(gè)部分實(shí)現最佳移動(dòng)，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(jìn)行讀取，并將三維cad數據輸出打印機。mimaki engineering今后計劃對控制軟件等進(jìn)行改進(jìn)，并開(kāi)發(fā)出能夠滿(mǎn)足具體用途的裝置，由此開(kāi)展業(yè)務(wù)。





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