基于微滴喷射的打印过程误差建模与补偿

基于微滴喷射的打印过程误差建模与补偿

摘要:基于微滴喷射的3D打印(增材制造)技术是增材制造发展的重要方向之一,成型精度与效率是微滴喷射控制技术的主要目标,基于喷墨打印技术的3D打印目前在细胞打印等器官制造中有着极其广泛的应用。目前大部分的研究都集中在通过分析液滴与基材的撞击过程、产生高精度液滴等技术等来提高微滴喷射的加工精度。其实,喷头与基板的相对运动会产生微滴漂浮误差,从而导致加工过程中微滴偏离目标位置。该误差是所有微滴喷射技术中都无法避免的,当喷头与基材相对运动速度较慢时,该误差可以忽略不计,但随着加工效率要求的提高,该误差给加工质量带来的影响就无法忽视了。本研究从运动控制与路径规划的角度解决该问题,在加工过程中,通过对加工路径的预读取和误差判断,根据建立的误差模型对路径进行修改并产生修正路径和修正速度曲线,对上述误差进行补偿,提高微滴喷射的控制精度,从而获取满意的产品质量。

微滴喷射技术通过在喷头内部以换能器产生体积变化在腔体内产生压力波,压力波传到喷嘴变为流体速度从而使低粘度材料溶液从喷嘴喷出,在生物支架,细胞打印等多个领域得到广发应用。典型的微滴喷射架构如图1所示。通过喷头与基板的相对运动,喷头腔体内的液滴与容器中的液体之间的化学反应产生颗粒从而实现的层层打印。在喷头与基板之间的相对运动过程中,液滴会产生偏离误差,该误差的示意图如图2所示。本研究则从运动控制及路径规划的角度补偿该误差。


 

典型的微滴喷射装置架构示意图              2液滴漂浮误差示意图

 

首先对微滴喷射过程中的液滴漂浮误差进数学行建模,计算出在一定高度与喷头速度下的误差。根据两相邻液滴之间的距离(公式1与图3)以及期望的相邻液滴重合率得到误差值。根据加工过程中的具体情况,由于液滴的漂移会可能产生三种误差:分别是加减速过程中,拐角处以及曲线路径。加减速过程的误差如图4所示。拐角处的误差如公式2以及图5所示,圆弧的误差如公式3与图6所示。

                                               



3相邻液滴距离示意图             加减速过程中的液滴漂浮误差


5拐角处液滴漂浮误差             曲线路径液滴漂浮误差

 

根据建立的误差模型,通过修改加工路径方法从运动控制的角度对该误差进行补偿,具体补偿算法如图7所示

  

7误差补偿控制流程图

通过对细胞打印中的凝胶液滴漂浮误差进行补偿之后,加工案例如图8所示,可以看出加工质量得到了改善。


补偿算法使用案例

目前该成果已在International Journal of Advanced ManufacturingTechnology期刊发表,题目为Droplet deviation modeling andcompensation scheme of inkjet printing

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