DLP光固化快速成型設備技術分析

廖釗華，鄧 君

（東莞理工學院，廣東東莞 523000）

0 引言

傳統的模型制造技術主要有減少材料和增加材料兩種方式。減少材料法從整塊的原材料開始，用工具去除不需要的部分，直至得到所需的形狀；而增加材料法則將材料由每個體積元堆積、裝配、粘結而得到模型[1-2]。光固化技術則是增材的工藝技術。這種光固化快速成型又稱為立體印刷成型（stereo lithography apparatus，SLA），是集控制技術、激光技術、物理化學等高新技術于一體的綜合性技術[3]。而數字光處理（Digital Light Processing，DLP）則是脫胎于SLA技術，最早是由德州儀器開發，主要是通過投影儀來逐層固化光敏聚合物液體，從而創建出3D打印對象，這種技術不僅解決傳統成型技術的速度慢的問題，又同時保持高精度水平，使光固化快速成型技術成為了革命性技術，從而脫離制造領域并在其他應用場景發揮出重要的價值。

1 基本原理

傳統光固化快速成型是通過激光逐行掃描使光敏樹脂固化的方式，并由刮刀刮平固化層，再進行后續層的掃描，控制系統根據零件的分層信息重復工作流程，直至完成加工，如圖1所示。在后面幾十年的技術沉淀后，光固化的技術得到很大的提升，使其性能和工藝特性逐漸向工業級靠攏[4]。

圖1 傳統光固化快速成型技術原理（SLA）

而DLP光固化成型技術也基于液態光敏樹脂的聚合原理工作，但有不同點，其整體設備包含一個可以容納樹脂的液槽，用于盛放可被特定波長的紫外光照射后固化的樹脂，DLP成像系統置于液槽下方，其成像面正好位于液槽底部，通過能量及圖形控制，每次可固化一定厚度及形狀的薄層樹脂（該層樹脂與前面切分所得的截面外形完全相同）。液槽上方設置一個提拉機構，每次截面曝光完成后向上提拉一定高度（該高度與分層厚度一致），使得當前固化完成的固態樹脂與液槽底面分離并粘接在提拉板或上一次成型的樹脂層上，這樣通過逐層曝光并提升來生成三維實體，如圖2所示。

圖2 DLP技術設備成型原理圖

2 設備構架分析

DLP打印設備的主要裝置分為光源投影部分、液槽成型部分、縱向移動部分和整體裝置框架。光源投影部分十分重要，由圖2可以看出整個設備框架都是圍繞光源投影部分所建設，目前各種商業化的DLP打印機都是采取一體化的光源，而類似B9Creator、SolusDLP則是將光源部分設置為外置DLP投影儀，引進模塊化概念，既可以讓簡易化DLP打印設備，也可以整體設備構造一目了然，讓非技術群體也能了解該項技術。

圖3 DLP投影硬件電路組成原理圖

2.1 光源投影部分

目前市面上有提供單獨的DLP光源投影設備，其中一般內置DLP核心技術的控制芯片，結合半導體DMD組件實現LED投影效果，如圖3所示。DMD的工作原理是借助微鏡裝置反射光，同時吸收掉不需要的光來實現投影，通過靜電作用以及控制微鏡片角度來控制光照方向，具體電路組成參考圖3。通常發光器件工作時會發燙，所以DLP投影設備里面大部分都是散熱器件，值得一提的是，為了尋找良好的投影效果，硬件的鏡頭應該可以跟不同的鏡頭組合，并能通過前期的調整來固化鏡頭焦距，最終構成DLP光源投影設備，也就是DLP投影儀。

總的來說，光源硬件必須滿足以下特性，如圖4所示的DLP投影儀：

（1）紫外線光含量高（樹脂對紫外線敏感系數高）；

（2）高光強（利于縮短樹脂材料固化時間）；

（3）對比度高（可以減少不不需打印部分的光污染）；

（4）分辨率高（可以提高投影時物體特征精度，進而提高打印精度）。

此外，如果DLP投影硬件不是直接投影到液槽的話，則需特殊要求的反射鏡幫助改變投影方向，因為普通的反射鏡將反射層放在玻璃后面，根據折射原理，投影會被二次反射，降低了投影分辨率，如圖5所示。

2.2 液槽成型部分

傳統的光固化SLA是采用不銹鋼作為盛放液態樹脂的容器，容器空間大小取決于成型系統的最大尺寸，包括樹脂內槽、樹脂外槽、排液口、液輪、直流低速電機、溢流槽等。同時工作中要求樹脂液面保持在固定高度。

而大部分DLP打印機都是從下往上投影，通過圖2可以明白DLP的液體槽必須底面是可透光的玻璃材料，但塑料材料則不行，因為塑料里面包括塑化劑和其他溶劑，容易與打印材料發生反應，所以底部材料要注意與制造材料的相容性。同時為了防止每一層打印完成后，固化層與液槽底面粘住，需要有防粘膜，防粘膜材料的要求對紫外線具有良好的穿透性，同時不會與制造材料反應，此次分析的液槽則是使用了184硅橡膠涂層，如圖6所示。

圖4 DLP投影儀

圖5 特殊的反光鏡

圖6 帶有防粘涂層的液槽

DLP的打印平臺與FDM一樣，要求打印后的材料能很好地附著在平臺上，同時可以方便最終打印完后取下來，此次分析的設備采用鋁板作為平臺材料（圖7），同時設置4個帶彈簧的螺絲，可以對平臺進行4個自由度的調節，以獲得液槽底面的平行對應關系，另外設置了緊固螺栓將整個打印平臺固定到z軸平臺，也可以在打印完成后取向打印平臺。

2.3 其他機構

如圖8所示，縱向移動部分構造簡單，一個步進電機與導軌系統或者絲杠系統結合的升降機，這一部分則要求移動平穩即可。

防紫外線裝置也是必不可少的，無論是DLP投影儀對非打印區域會造成的光污染，以及外界紫外線環境對制造材料會造成打印時的影響。

圖7 鋁材打印平臺

圖8 絲杠升降機

3 制造材料

光固化成型技術的原料最主要的還是光敏樹脂，在噴射固化、立體光刻、數字光學處理等的成型技術中，也經常看到光敏樹脂的身影，這種材料的屬性可以直接影響到成型產品的精度、性能以及剛度。

光敏樹脂以自由基、陽離子混雜固化的樹脂體系較多，前者固化速度快、黏度低、韌性好、成本低的特性與后者收縮率小的特性相結合，實現體積變化互補、性能協同的效果，有助于對成型模型精度的提升[5]。DLP常用的光敏樹脂在常溫下是粘稠的液體，適宜的工作溫度是（34±1）℃。樹脂的固化速率與單位面積的紫外線光功率相關。為使固化均勻，DLP投影儀應在控制下恒功率進行投影。樹脂置于打印機內使用或保存時，應避免太陽光或紫外光照射[4]。

4 工藝流程分析

4.1 模型數據準備

通過軟件處理將各類型的模型文件轉換成快速成型常用的STL標準文件格式。

4.2 模型分層

首先對STL文件格式進行檢查和修復，并選擇或優化成型的方向，以便能方便準確地制造實物。這一過程還包括切片層厚度的選擇、建造模式、掃描速度、掃描方式、半徑補償等，分層參數的選擇對造型時間和模型質量影響很大。

以切片軟件creation workshop為例，軟件功能設置參數如圖9所示。

圖9 切片軟件截圖

（1）層厚設置（層厚越小精度越高，但打印時間也會越長）；

（2）單層曝光時間；

（3）首層曝光時間（首層固化時間越長，底座粘的越緊）；

（4）首層數量；

（5）型保真值（提高模型表面光滑性）；

（6）平臺抬升高度（如打印的模型面積大了，抬升高度不夠，樹脂就無法充分流到模型中間，導致打印失敗）；

（7）平臺抬升速度（速度太快了細小的部分可能會直接拉扯壞）；

（8）平臺下降速度（下降速度過快會導致壓壞模型細小部分）；

（9）傾斜角度；

（10）切片X軸鏡像；

（11）切片Y軸鏡像（如出現模型方向不對的情況可以設置10和11）。

4.3 投影打印

將設備各部分放好，并鏈接好打印機與電腦，通過切片軟件控制DLP3D打印機進行打印。

4.4 后續處理

加工過程結束后，從工作臺上取出模型并進行清洗，之后進行偏差測量。如果發現模型有部分未完全固化的樹脂，必須再用強紫外光照射，使之完全硬化。另外，模型的支撐結構也必須去除并進行修復，對要求較高的模型還需進行噴砂處理[4]。

5 總結

對DLP快速成型技術進行分析，使人們對這種技術有更多的了解，以便于更好地開發并利用該技術來服務于生產、生活與工作。目前市面上存在多種3D打印技術，它們均具備3D打印通用的復雜結構成型的特點，同時每種3D打印技術都具備其各自的特點，例如工業應用、高精細化、材料種類廣泛、高效、低成本等等。DLP快速成型作為高效、精細化成型的代表，其中最大的開發潛力的莫過于成型材料和光源，隨著面投影技術的研究、以及材料的開發，將會推動3D打印軟硬件技術的進步。