基于惠普MJF技术的3D打印机探析
发布时间：2023-03-31 12:59:38 来源：文档文库
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龙源期刊网http://www.qikan.com.cn基于惠普MJF技术的3D打印机探析
作者：方恩印钱志伟
来源：《印刷技术·数字印艺》2015年第05期
3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状塑料或金属等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
目前，从打印物体性能来分，3D打印机大致可分为两大类：第一类3D打印机打印的物体部件具有光滑的表面和较好的细节；第二类3D打印机可生产出具有较高强度等物理性能的部件。如何使打印出的部件同时具有上述两种属性是科研人员一直以来研究的方向。另外，现存3D打印工艺在处理部件连接处所使用的聚焦激光束热熔技术或使用单个喷头挤出固化技术，从某种程度上大大限制了打印输出速度，且精度低，质量较为一般，无法应用于商业化的大规模生产。
为解决上述问题，惠普公司经研究提出了多喷头熔融技术（Multi-Jet-Fusion），简称MJF技术，并准备推出一款颠覆性的基于MJF技术的3D打印机（如图1）。该打印机采用惠普MJF技术及相关材料和化学溶剂，可大批量生产高精密、高性能、低成本的3D部件。MJF高产能同步运行机构
MJF技术类似于传统的平面打印技术，采用多主体（Multi-Agent）打印材料，层层熔固。惠普称该技术将颠覆现有的3D打印技术，改变3D打印行业的布局。惠普的3D打印技术，同样采用逐层制造技术，其喷出的是粉末状的物体，此外还有两个结构同时工作，一个负责加热喷涂基础材料，另外一个喷涂化学试剂来强化打印细节与着色。两套传动机制相对独立分别工作，使得3D打印机具有较高生产效率的同时，可获得高质量的输出成品。其工作过程为：在工作区域喷涂第一层热熔基础材料后，传动装置带动惠普热熔喷墨阵列从左端移动到右端，在整个工作区域喷涂化学溶剂；然后，顶端装置在传动带的驱动下，从上到下对化学溶剂进行加热，同时再次喷涂热熔材料并进行加热，进而为下一循环做准备。因此，单一循环过程可理解为“喷涂热熔材料—喷涂化学溶剂—加热”的过程，且为保证输出效率，每一循环过程结束后，传动装置驱动喷头进行右左、下上方向移动，进行第二次循环喷涂，直至成品打印完毕。惠普热熔喷墨阵列呈长条形，可在工作区域内以每秒3000万颗/英寸的速度喷出直径仅为21微米的颗粒，其打印速度远超过一般的3D打印技术。以打印1000个齿牙的轮盘为例，与熔融沉积技术（FDM）需耗时83小时和激光烧结技术需耗时38小时相比，使用惠普的MJF技术只要3小时就能完成。MJF热熔细化喷涂工艺
龙源期刊网http://www.qikan.com.cn在3D打印过程中，必须确保喷涂材料合理融化以达到某种必要的属性。例如，产品在达到既定可承受强度的基础上，有些部分表面需粗糙，而有些部分表面或边缘需平滑。为满足此技术要求，惠普公司研发出独特的多溶剂喷涂工艺，通过惠普热熔喷墨阵列将不同用途的化学试剂喷涂到每层材料对应的部位，如图2所示。需要说明的是，图2代表的是惠普MJF技术常规喷涂工艺过程，在具体的硬件实施过程中，步骤的顺序可能发生改变。
MJF转化溶剂
采用惠普MJF技术，惠普热熔喷墨阵列可快速、精确地将不同功能类型的极小的溶剂微粒堆砌到所需位置，这是其他3D打印机所不具备的功能。
龙源期刊网http://www.qikan.com.cn除了熔融和细化溶剂以外，惠普MJF技术还可以利用其他“添加剂”来改变每个容积像素（或立体像素）的属性。这些“添加剂”称为MJF转化剂。通过将转化剂逐点沉积在每个横截面，可以生产出其他设备无法制备的部件。例如，基于MJF技术的惠普3D打印机可以有选择地打印不同的颜色，每个立体像素可含有青色、品红色、黄色或黑色（CMYK）的转化剂，其除能打印出一体的凸出于基座的按钮外，还可同时打印出对比色。图3为基于MJF技术打印的3D物体。
不久的将来，惠普MJF技术通过控制热熔与细化溶剂、待融化的基础材料和转化溶剂之间的相互作用，可实现在工作区内生产具有可控变量的单一部件，甚至其内部可具有完全不同的机械和物理属性，且可以实现多任务同时打印的功能。惠普MJF技术的可控变量属性包含了精度和细节；不透明或半透明（塑料）；表面粗糙度、纹理和摩擦；电导率和热导性能；强度、弹性和其他材料特性；颜色（表面和嵌入式）。惠普公司在MJF技术上的突破使得超越想象力的设计和制造变为可能。MJF材料与文件格式
基于惠普MJF技术的第一代商业3D打印机所使用的材料为生产性热塑性材料。目前，惠普研发工程师和科学家在进行研究，不久的将来可结合惠普MJF技术采用陶瓷和金属材料来打印物体。由于惠普3D打印机采用热熔喷墨阵列，可有效控制墨滴喷射方向，因此可通过控制每个容积像素（或立体像素）与基础构建材料的相互作用来生产具有特殊属性的对象，这便是惠普MJF技术的优势所在。为充分挖掘3D打印的潜力，惠普正积极与相关3D打印材料公司合作，旨在研发一个崭新的3D打印平台且使之成为行业标准，为3D制造行业建立规范。STL文件是在计算机图形应用系统中用三角网格来表现3DCAD模型的一种文件格式，应用很广泛，是大多数快速原型系统应用的标准文件类型，自1989年开发以来，作为3D打印数据交换标准文件一直在使用，至今仍占据主导地位。然而，由于处理大数据STL文件所需时间相对较长，且解释精度不高等缺点所限，STL文件不适用于复杂的、高精度的零部件生产。此外，该格式只允许用几何表示3D对象，不能将单一立体像素信息从CAD软件解释到打印机，是惠普MJF技术发展的障碍。为了实现3D打印的全部潜能，惠普将含有更多信息的文件格式来丰富或代替原有的STL文件，以便控制每一个立体像素的属性，使得具有较高性能的3D打印机软硬件能相互匹配。
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MJF可扩展技术
惠普采用传统喷墨印刷解决方案与模块化和可扩展的惠普热熔喷墨阵列来设计新一代基于MJF技术的惠普3D打印机。模块化设计使惠普通过堆叠喷墨阵列、墨剂传递系统和图像处理电子设备，可构建出各种打印幅面的3D打印机。例如，在惠普彩色喷墨轮转印刷机上通过使用单一4.25英寸的惠普热熔喷墨头不同的阵列组合，可支持打印幅面为22、26、30和40英寸的打印模块（理论上，惠普可生产打印宽度从4.25英寸到40英寸以上的3D 