基于DLP原理的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

周 璇 王志明

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017)

3D打印技術(shù)是一系列快速原型成型技術(shù)的統(tǒng)稱，其基本原理都是疊層制造，由快速原型機(jī)在X-Y平面內(nèi)通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維制件。目前市場上的快速成型技術(shù)分為3DP技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、DLP成型技術(shù)等。3D打印機(jī)是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計(jì)與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。

本文針對(duì)SLA技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，在新一代光固化3D打印技術(shù)DLP成型技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于DLP原理的3D打印設(shè)備，以提高3D打印設(shè)備的成型精度和打印速度，擴(kuò)大打印范圍，降低設(shè)備成本。

1 DLP成型技術(shù)工作原理

DLP成型技術(shù)是SLA立體平板印刷技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，其工作原理如圖1所示。DLP成型技術(shù)使用高分辨率的數(shù)字光處理器(DLP)投影儀來逐層固化液態(tài)光聚合物，由于每層固化時(shí)通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術(shù)速度更快。簡而言之，SLA是對(duì)光固化材料進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，而DLP則是對(duì)光固化材料進(jìn)行投影；SLA是逐點(diǎn)固化最終拼湊成層片，DLP則實(shí)現(xiàn)了整個(gè)層片的同時(shí)固化。

DLP技術(shù)成型精度高，成型后的零件在材料屬性、細(xì)節(jié)和表面粗糙度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。并且由于實(shí)現(xiàn)了整個(gè)層片的同時(shí)固化，效率相比SLA有顯著的提高。此外，由于DLP去除了昂貴的激光發(fā)生器和激光振鏡，整個(gè)系統(tǒng)的成本相比SLA有較大的降低，具有極高的性價(jià)比。

2 基于DLP原理的3D打印系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于DLP原理的3D打印設(shè)備，是DLP數(shù)字投影技術(shù)與快速成型基本原理相結(jié)合的產(chǎn)物。設(shè)備通過投影光學(xué)引擎，將模型的截面圖形投影照射在液態(tài)的光敏樹脂表面，使光敏樹脂達(dá)到一定程度的固化，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過激光或紫外光按產(chǎn)品的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成制件的一個(gè)薄層。一層固化完成后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實(shí)體產(chǎn)品。該方法成型速度快，自動(dòng)化程度高，可成形任意復(fù)雜形狀，尺寸精度高，成形件強(qiáng)度高，材料利用率接近100%，適應(yīng)于復(fù)雜、高精度的精細(xì)工件快速成型。同時(shí)在打印機(jī)中增加自動(dòng)加料機(jī)構(gòu)及液面抹平部件，降低了外界因素對(duì)打印機(jī)工作的干擾。

連接于光源固定架的光源器能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而能夠調(diào)整光線發(fā)射的角度，在每次打印前調(diào)整光源器使光源器光線發(fā)射至DMD的理想位置，DMD接受的光源率將顯著上升，從而促進(jìn)固化效果，減少固化時(shí)間。物料噴嘴能夠在滑桿上移動(dòng)，在移動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)成型工作箱加料，使得物料添加更加均勻，液面更為整齊，提高成型后產(chǎn)品的精確度。電磁閥控制物料進(jìn)管的導(dǎo)通及斷開，液位傳感器能夠接受液位信號(hào)，兩者相互配合使用。當(dāng)液位傳感器接收到液位信號(hào)(表示物料已添加完全)時(shí)，液位傳感器將該信號(hào)傳達(dá)給電磁閥，電磁閥關(guān)閉，停止加料，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加料。自動(dòng)升降桿控制成型工作箱，實(shí)現(xiàn)成型工作箱升降，當(dāng)完成第一層打印后，降低自動(dòng)升降桿并帶動(dòng)成型工作箱下降，加料后可打印第二層，直至打印完成，結(jié)構(gòu)簡單，易操作。

2.2 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用ARM Cortex-A8的AM335x微處理器，高達(dá)1 GHz的主頻配以512MB DDR3L的運(yùn)行內(nèi)存，以保證打印數(shù)據(jù)和信息的快速分析、處理和計(jì)算；搭載SGX530圖形引擎以滿足觸控屏的顯示以及3D打印層片圖形的投射的需求；系統(tǒng)采用LINUX作為嵌入式操作系統(tǒng)，CPU通過HDMI接口把投影圖形輸出到光學(xué)引擎進(jìn)行投影。設(shè)備可通過USB接口或WIFI與上位機(jī)通訊，與傳統(tǒng)的RS232串口通訊相比，靈活性更大，更符合消費(fèi)級(jí)市場定位需求。此外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有PWM擴(kuò)展端口，實(shí)現(xiàn)各軸步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

2.3 新型光敏樹脂制備

為了縮短固化時(shí)間，改善涂層綜合性能，提高模型的韌性和硬度，對(duì)常規(guī)的光敏樹脂配方進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)了一種新型的光敏樹脂材料，主要成份包括預(yù)聚物、環(huán)氧樹脂、稀釋劑、光敏劑、消泡劑、流平劑、陽離子光引發(fā)劑、自由基光引發(fā)劑、阻聚劑、催化劑、增韌劑、交聯(lián)劑等組成。其制備方法為：在裝有攪拌器、回流冷凝器和空溫設(shè)施的四口燒瓶中投入環(huán)氧樹脂、催化劑、阻聚劑等，并使之混合均勻，以油浴加熱燒瓶至80 ℃時(shí)，用滴液漏斗滴加丙烯酸，緩慢升溫并嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度在115 ℃，在該溫度范圍內(nèi)滴加完畢，反應(yīng)一定時(shí)候后開始測量反應(yīng)物的酸值，當(dāng)反應(yīng)物的pH值將至3.5以下時(shí)，停止反應(yīng)，然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行純化處理，加入適量的熱水，攪拌5 min，靜置分層后傾去上層水溶液，以除去阻聚劑和催化劑。上述過程重復(fù)5次，除去體系中剩余的水分，得到黃色液體即為新型光敏樹脂材料。

該新型光敏樹脂材料在可見光照射時(shí)，增感劑能夠先吸收能量，再將能量轉(zhuǎn)移給引發(fā)劑，引發(fā)劑再引起光敏樹脂的固化反應(yīng)，從而擴(kuò)大體系的光譜響應(yīng)范圍，使光敏樹脂能夠在近紫外光的405 nm波長附近固化。該改進(jìn)型光敏樹脂能實(shí)現(xiàn)可見光固化，降低對(duì)3D打印設(shè)備的硬件要求，降低購置和維護(hù)成本；此外，還可通過調(diào)節(jié)曝光量來控制增感劑活性，進(jìn)而控制反應(yīng)速率和固化深度，以獲得良好的打印精度和力學(xué)性能。

3 關(guān)鍵工作部件

3.1 高分辨率光學(xué)引擎

由于光敏樹脂是依據(jù)投影的形狀分層固化，因此，對(duì)于整個(gè)3D打印設(shè)備來講，在保證光敏樹脂質(zhì)量、機(jī)械結(jié)構(gòu)精度的前提下，打印模型的精度和尺寸完全取決于投影設(shè)備的投影面積大小和投影圖像的精度。因此，光學(xué)引擎的分辨率越高，可以獲得的打印精度和打印范圍也就越高。受到技術(shù)、成本等因素限制，目前的民用級(jí)DLP打印機(jī)產(chǎn)品普遍采用VGA(640×480)級(jí)分辨率的光學(xué)引擎，部分高端型號(hào)采用了XVGA(1024×768)分辨率的光學(xué)引擎。本文采用美國TI(Texas Instruments)公司2013年最新推出DLP技術(shù)，通過軟件優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)WXGA(1280×800)級(jí)的分辨率，從而在保證0.05 mm(層厚)的打印精度基礎(chǔ)上，將設(shè)備打印尺寸擴(kuò)展至100 mm(長)×75 mm(寬)×150 mm(高)，實(shí)現(xiàn)3D打印民用級(jí)產(chǎn)品的大尺寸、高精度快速打印。本文研制的基于DLP原理的3D打印機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)為：每層厚度≤0.05 mm；成型尺寸≥100 mm(長)×75 mm(寬)×150 mm(高)；成型速度≥75 cm3/min。

3.2 長壽命光學(xué)投影系統(tǒng)

基于LED光源和DMD技術(shù)的長壽命光學(xué)投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原理為：在電動(dòng)的供電作用下，LED光源產(chǎn)生光線，經(jīng)過光學(xué)鏡片組進(jìn)行調(diào)整，并由此區(qū)間內(nèi)的光強(qiáng)感應(yīng)器檢測光強(qiáng)，到位于外殼上的DMD芯片進(jìn)行光線選擇，經(jīng)過鏡筒及安裝在鏡頭座和鏡頭端蓋上的鏡頭進(jìn)行放大，投射出最終清晰的光線。

考慮到3D打印設(shè)備中不需要進(jìn)行長距離投影，對(duì)光源的亮度要求較低。本文采用405 nm的近紫外LED作為光源，LED光源功率低、發(fā)熱小，使用壽命可長達(dá)20 000 h，能較好地解決超高壓汞燈泡作為光源時(shí)的功耗、發(fā)熱以及壽命問題。為了保證3D打印機(jī)的性能，同時(shí)提升設(shè)備的使用壽命，將DMD技術(shù)應(yīng)用到3D打印機(jī)上。DMD芯片能夠在405 nm的近紫外波段下長時(shí)間穩(wěn)定工作，解決在近紫外光環(huán)境下HTPS-LCD和LCOS的壽命問題。此外，DMD還具有更高的反射效率，投射亮度比其他兩種技術(shù)都要高，對(duì)提升3D打印機(jī)的光固化速度也有著一定輔助作用。

3.3 模型剝離裝置

由于3D打印機(jī)在工作時(shí)使用的是粘性材料，模型底部容易粘結(jié)在打印臺(tái)上。為提高模型的質(zhì)量，降低廢品率，設(shè)計(jì)了模型剝離裝置，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該模型剝離裝置的工作原理為：3D打印機(jī)的打印噴頭將模型打印在模型剝離盤上，打印結(jié)束后通過冷卻室內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行冷卻降溫，直至溫度傳感器檢測的問題與設(shè)定的溫度相同時(shí)，關(guān)閉冷卻機(jī)構(gòu)，然后通過控制箱控制磁鐵，磁鐵通過磁力將相應(yīng)的銜鐵吸下，此時(shí)銜鐵限位在限位孔內(nèi)，通過支撐桿帶動(dòng)剝離塊下降，實(shí)現(xiàn)模型與剝離塊的分離。分離結(jié)束后，斷開導(dǎo)線，使銜鐵在彈簧的作用下恢復(fù)原狀，下一個(gè)導(dǎo)線通電實(shí)現(xiàn)上述過程，然后進(jìn)行下一個(gè)剝離塊的分離；控制箱可以使剝離塊實(shí)現(xiàn)間隔式分離或多米諾骨牌式分離，不僅提高了剝離效率，而且提高了模型的完整性。

4 結(jié)語

基于DLP原理的3D打印機(jī)是新一代打印機(jī)，與其他3D打印機(jī)比較，具有成型速度快、精度高、表面光潔度好、使用成本低和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新型光敏樹脂開發(fā)等方面介紹了基于DLP原理研制的3D打印機(jī)，并重點(diǎn)闡述了高分辨率光學(xué)引擎、長壽命光學(xué)投影系統(tǒng)和模型剝離裝置等關(guān)鍵工作部件。以DLP技術(shù)為基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，在今后工作中，仍需從擴(kuò)大打印成型工作幅面、研發(fā)環(huán)境友好型新型光敏樹脂和優(yōu)化控制系統(tǒng)和操作界面等方面深入研究，以進(jìn)一步推動(dòng)基于DLP原理的3D打印技術(shù)的發(fā)展。

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