任意曲面三維打印機是怎樣工作的？
發布時間：2024-04-16 點擊：100
坐落于黑色背景中的是mimaki engineering和長野工業高等專業學校共同開發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裝部件等領域。
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有打印機相同的產品。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，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。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的方式固定在主軸上，首先調整主軸的姿態，使赤道附近位于打印頭的正下方（油墨吐出位置）。在該狀態下使工件旋轉，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，但打印時間會相應變長。
圖1：對軸對稱工件進行打印的工序。在旋轉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的同時，隨著帶狀打印的位置改變姿態。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的圓柱組合的區域進行打印。
圖3：在對橢圓柱的側面進行打印時，根據旋轉的相位左右移動打印頭，并上下移動旋轉軸。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發生變化，因此需要根據旋轉的位相來調整主軸的高度。另外，打印頭也需要左右移動，原因是側面切線呈水平狀態的部分（打印位置）未必位于旋轉軸的正上方。通過對這一復合性的操作進行控制，便可實現對橢圓柱的打印，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部分實現最佳移動，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數據輸出打印機。mimaki engineering今后計劃對控制軟件等進行改進，并開發出能夠滿足具體用途的裝置，由此開展業務。
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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的方式固定在主軸上，首先調整主軸的姿態，使赤道附近位于打印頭的正下方（油墨吐出位置）。在該狀態下使工件旋轉，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，但打印時間會相應變長。
圖1：對軸對稱工件進行打印的工序。在旋轉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的同時，隨著帶狀打印的位置改變姿態。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的圓柱組合的區域進行打印。
圖3：在對橢圓柱的側面進行打印時，根據旋轉的相位左右移動打印頭，并上下移動旋轉軸。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發生變化，因此需要根據旋轉的位相來調整主軸的高度。另外，打印頭也需要左右移動，原因是側面切線呈水平狀態的部分（打印位置）未必位于旋轉軸的正上方。通過對這一復合性的操作進行控制，便可實現對橢圓柱的打印，而且還能夠應用于任意曲面。
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