基于DLP技術的低成本3D打印機開發與探索

張仁杰++題晶++郭濤

摘要：FDM和SLA是目前市場上兩大主流3D打印技術，FDM技術成熟、成本較低，但是精度和速度不夠，而SLA技術精度高、速度快，但是成本較高、控制難度大。如何打造一款低成本、安裝便捷的3D打印機一直是困擾業界的難題之一。本文所提到的基于DLP技術的3D打印機方案屬于光固化技術范疇，利用面光源作為固化光源，在保障精度的同時使打印機的時間成本和制作成本整體下降。在技術實踐中，該方案選擇家用投影機作為DLP光源，并且嘗試多種光敏材料，利用自主設計的“門”式結構確保了打印機安全、穩定運行，同時大大降低成本。

關鍵詞：DLP；3D打印；“門”式結構

一、前言

3D打印技術正逐漸改變著人類的生活，是一項“自下而上”的革命性制造技術，橫跨了多個科學領域。目前，主流的3D打印技術以FDM（Fused Deposition Modeling）和SLA（Stereo Lithography Apparatus）為主。這些技術各有優劣，FDM技術運用較為廣泛、技術成熟、成本低，但是精度和速度不夠；而SLA技術精度高、速度快，但是成本較高、控制難度大。本項目利用DLP（Digital Light Processing）光固化成型原理，選擇了面光源作為固化光源，這樣，既保證了設備成本整體下降，同時，又保留了FDM和SLA技術所共有的優點。在技術實踐中，本項目選擇了家用投影機作為DLP光源，嘗試了多種光敏材料，自主設計結構確保其穩定運行。

光固化3D打印技術主要使用光敏樹脂為耗材，通過紫外光或者其它光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產品，該技術也是目前3D打印技術中精度最高、成型效果最好的一種3D打印技術。但是，由于SLA技術的設備成本、維護成本和材料成本都遠遠高于FDM技術，本項目的目標是希望突破SLA在設備和維護上的瑕疵，利用目前較為容易獲取的DLP材料來彌補這些短板，其產品將被應用到醫學領域里，特別是在醫學中大量運用植入體模型的制作、手術中定位模型的制作等。

DLP是“Digital Light Processing”的縮寫，即為數字光處理，這種技術要先把影像信號經過數字處理，然后再把光投影出來。它是基于TI（美國德州儀器）公司開發的數字微鏡元件—DMD（Digital Micromirror Device）來完成可視數字信息顯示的技術。其原理是將通過UHP（Ultra High Power）燈泡發射出的冷光源通過冷凝透鏡，再通過Rod（光棒）將光均勻化，經過處理后的光通過一個色輪（Color Wheel），將其分成RGB三色（或者RGBW等更多色）。有一些廠家利用BSV（BoshiVideo）液晶拼接技術鏡片過濾光線傳導，再將色彩由透鏡投射在DMD芯片上，最后反射經過投影鏡頭在投影屏幕上成像。

相較于LCD（Liquid Crystal Display）光源，DLP會有如下優點：更多的紫外線流出，而更多紫外線意味著打印速度更快；像素間隙相對較小，畫面清晰，無閃爍現象，打印時光源穩定；光填充率高達90%，總光效率大于60%，而LCD光填充率最大只有70%，總光效率大于30%；擁有色域補償電路，色彩均勻度大于90%；擁有數字均勻過渡補償電路，亮度均勻度大于95%，而LCD無此電路，會出現“太陽效應”；DLP 芯片采用密封封裝，受環境影響小，且有20年以上的使用壽命，可靠性高，而LCD 液晶材料受環境影響大，不穩定。綜上所述，DLP作為穩定的紫外光源，在光填充率、色域和光強等方面都可以很好地滿足本項目產品設計。

因此，在技術實現上，利用了DLP技術的高分辨率的數字光處理所產生的光源，以此來固化液態光聚合物，選擇特殊光敏樹脂作為3D打印材料，一層層對液態聚合物進行固化，如此循環往復，直到最終3D模型的完成。

二、系統的設計與實現

2.1項目的設計目標

目前的3D打印市場中，以FDM為技術核心的產品常常局限于成品精度不夠，而市面上以SLA為技術核心的的打印機價格昂貴，結構設計復雜，這些在某種程度上制約了3D打印應用的拓展，相關資料和實驗也比較少，如何突破SLA的成本壁壘是該項目的初衷。經過1年多的設計和調試，我個人覺得可以在產品價格優勢上、產品小型化上有所突破。本項目主要研究如何打造一款以DLP為基礎的光固化3D打印機，如下為基礎目標：

1、經濟：所選材料都可以通過正常途徑采購到；

2、開源：利用現有的開源建模、3D切片等軟件，并在上面可以靈活定制和拓展；

3、簡潔：符合原型機的特點，突出其功能性；

4、可選擇材料多：嘗試不同光敏材料；

5、快速：在打印速度上要遠高于傳統3D打印技術。

2.2項目的研究步驟

項目的研究過程及步驟如下：

1、檢驗投影儀與樹脂的匹配情況；

2、調研B9C的開源資料并熟悉其通用設計結構；

3、設計結構圖，選擇合適材料、采購和制作；

4、選擇主板、電路、控制結構等等；

5、測試電路、燒錄Marlin固件并作出針對性修改；

6、運行模擬打印機測試電路；

7、組織和裝配打印機主體結構；

8、植入電路；

9、測試料槽和離型膜；

10、整體性能測試和反饋。

2.3 DLP光學特征研究

選擇的DLP設備是：明基TS5276。其光學特征如下：

1、最佳分辨率：1280*720；

2、最高分辨率：1600*1200；

3、對比度：11000：1；

4、亮度：2700流明；

5、光源類型：超高壓汞燈；

6、投影比：1.86-2.04：1；

7、實際焦距：f=21-23.1mm。

2.4所選光敏材料

所選的光敏材料如下：

1、光引發劑：2，4，6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦（TPO）0.4%；

2、紫外線阻段劑：2，2-（2，5-Thiophenediyl）BIS（5-Tertbutylbenzoxazole）（OB+） 0.16%；

3、活性稀釋劑Genomer 1122 19.89%；

4、低聚物 Ebecryl 8210 39.78%；

5、Sartomer SR 494 39.77%；

6、色漿、熒光劑，余量。

經過我的試驗，這些材料和所選光源能進行較好的液態聚合。

2.5“門”式結構設計

在用3030鋁型材進行搭建的時候，我發現若用單臂Z軸則會使穩定性大幅度下降，在打印過程中產生不小的誤差，對此可以使用單臂一體式Z軸。但是，這樣會提高一部分成本，而這并不符合此項目的初衷，所以，為此我設計了獨特的“門”式結構。

“門”式結構的特點是：在原有Z軸型材的另一端有著類似的一根型材，在兩根型材之間使用型材進行固定，即便是有外力破壞，也很難使其發生形變。其次，這樣的一個類似“菜籃子”的結構使得這個3D打印機更加便攜，僅靠單手也可以輕松將其提起，很大程度上改變了原有3D打印機笨重的特點。

2.6系統結構設計

系統的整體分為：支撐結構、控制模塊、信號傳輸及處理模塊、軟件模塊、打印模塊、光學模塊和打印介質等部分組成。如下圖1所示。

系統結構說明見表1，系統性能參數見表2。

三、結論

3D打印技術作為國家重點產業正逐步發展壯大，而在國外，3D打印技術正成為一項基本技能日益被人重視，越來越多的人投入到3D打印的建設和發展中去。新一輪科技革命和產業變革正在世界范圍內孕育興起，國家和政府也大力推進先進制造與3D打印，李總理強調指出，以信息技術與制造技術深度融合為特征的智能制造模式，正在引發整個制造業的深刻變革。3D打印是制造業有代表性的顛覆性技術，實現了制造從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統制造的理念和模式，具有重大價值。

本設計采用投影機下置的處理方式，使得在同等效果的前提下調試更加簡便，成本更加低廉；在遮光模塊上選用舵機作為控制模塊，在同等功能的前提下使成本大幅度縮減，安裝更加簡便；選擇USB3.0轉VGA的輸出與控制方式，使得投影機與PC端的控制更加協調，操作更加簡便；采用獨特“門”式結構，使Z軸更加穩定的運行，在成本控制范圍內達到了極佳效果，降低了維護周期并且簡化了調試過程；5.在同等功能的前提下，使成本盡可能的減少，操作與調試盡可能的簡便。

經過實際運用檢驗，系統運行穩定，各項目指標達到預期設計目的。

參考文獻

[1]各大品牌DLP3D打印機價格對比 搜索引擎：百度

[2]一種簡易的DLP投影式光敏3D打印機 邱兆文，吳頔，保鑫，藏加宇 [專利]

[3]一種3D光固化打印機的DLP投影儀鏡頭遮擋裝置 曹亞景，季靜靜，張保峰 [專利]

[4]一種基于DLP投影技術的面曝光3D打印拼接成形系統 宗學文，寧楠，張傳偉[專利]

[5]3D打印機的組件DLP光學引擎的支撐結構 王清培[專利]