一種一次成型的多面LCD光源3D打印裝置設計

孫慧超 耿浩棒 陳少康 吉翔宇 楊家林

摘 要

文章針對一種一次成型的多面LCD光源3D打印機的設計，包括支撐框架、光源系統、投影裝置和投影裝置運動機構，該打印機通過把LCD光固化3D打印技術和一次成型的3D打印技術結合起來，從而兼顧了LCD打印的高精度與一次成型的高效率的優點[1]。

關鍵詞

高精度;高效率;LCD

中圖分類號： TG659 ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.047

Abstract

The paper is aimed at the design of a multi-sided LCD light source 3D printer with one-shot molding，including support frame，light source system， projection device and projection device movement mechanism.The printer combines LCD light curing 3D printing technology with one-shot 3D printing technology.Therefore，the advantages of high precision of LCD printing and high efficiency of one-shot molding are taken into consideration.

Key Words

High accuracy;High efficiency;LCD

0 引言

3D打印技術的一個主流分支是光固化打印技術，它是利用紫外光束照射液態光敏樹脂后，使發生光聚合反應繼而固化的原理，使材料逐點或逐層累加成型。光固化打印技術主要分為SLA、DLP和LCD投影技術。其中LCD和DLP投影技術的一個共同特點是圖像發生器的像素數決定了3D打印的尺寸和精度，由于是通過投影鏡頭將圖像發生器的圖像投影到光敏樹脂上，因此，3D打印的像素數與圖像發生器的像素數相同，例如實現的打印精度，一種常用的圖像發生器的像素1280×800，則打印尺寸為128mm×80mm。而高像素的DLP和LCD，尤其是DLP，價格昂貴，限制了DLP和LCD投影技術[2]在大尺寸打印中的應用，或只能降低打印精度來實現較大尺寸的打印。

為了解決這一系列問題，本文基于LCD[1]光固化3D打印技術和一次成型的3D打印技術進行結構設計與控制系統設計，設計出一款可以瞬間打印出精度更高，尺寸更大的打印機。

1 工作原理

3D打印機的工作原理：如圖1所示，保證四面反射鏡與水平面夾角為45°，同時限定投影機構的擺放位置固定。通過計算機控制圖像程序在LCD 顯示屏上顯示出圖像信息即為選擇透過的區域，部分光線直接向上，其余光線經過四面側面反射鏡的反射而水平射出，光線匯聚的地方光敏樹脂固化，其余地方則不固化。從而瞬間打印出工件，即為圖中加深的部分。如圖2所示為打印機的實體模型圖，將光源系統，投影系統，機構運動系統集成起來，并設計合適的圖像控制系統從而搭建一臺3D打印機。

2 打印機的結構設計

2.1 光源系統結構設計

如圖3所示，所述光源系統由UV光源 1，凸透鏡2，支撐桿 3，菲涅爾透鏡4，下偏振膜5，LCD 顯示屏6，上偏振膜7組成，在顯示屏驅動電路的驅動下，由計算機程序提供圖像信號[3]。在液晶屏幕上出現選擇性的透明區域。在UV 光源的照射下，液晶屏幕的圖像透明區域對紫外光阻隔減小，在沒有圖像顯示的區域，紫外光線被阻擋。激光顯示屏上反映打印件三視圖信息。可以固化液態樹脂8，從而在上下移動的零件托板9上打印出工件。

2.2 投影機構結構設計

如圖4所示，打印平臺的投影機構由四塊反射鏡10以及上角套11和四個下角套9組成，上角套通過螺栓12固定在懸臂梁13上，下角套用于保證四面反射鏡與水平面夾角為45°以及限定投影機構的擺放位置。LCD顯示屏上的圖像信息通過四面反射鏡反射向內部，其中四面光線疊加的地方固化，其余地方不固化，可瞬間固化樹脂形成打印件。

2.3 投影機構運動結構設計

如圖5所示，投影裝置的運動機構[3]主要由步進電機15，上下軸承20、16，絲杠17，螺母19，導軌18，懸臂梁12，組成。投影機構通過螺栓12固定在懸臂梁13上;步進電機15為其提供動力，使得螺母19在上下軸承20、16之間上升，同時帶動懸臂梁13在導軌18內上下移動。

3 控制系統設計

該控制系統是基于vs2017的C++的3D模型處理系統，該系統的工作流程：

（1）首先，通過三維軟件設計三維立體模型，以STL格式保存。

（2）將STL模型沿指定方向投影獲取二維視圖[4]（三視圖）的算法較為成熟，可以利用三維實體造型庫Open CASCADE提供的結構函數[5]來實現三視圖的獲取。

（3）按照模型的復雜程度進行定時設置，固化樹脂。如圖6所示，可以通過所示三視圖經一定時間固化后打印出相應的三維模型。

4 結束語

本文設計了一種多面LCD光源3D打印機，采用了一種三角金字塔的投影機構，同時借鑒了一次成型3D打印技術的工作原理，改善了LCD打印速度慢，打印尺寸小的缺陷。并制作了試驗機，成功的打印出工件。后續還會一步調試機器，測試各種打印參數，測試更多打印材料，為進一步提高設備精度和效率提供更多數據支持。

參考文獻

[1]史玉升，張李超，白宇，等.3D打印技術的發展及其軟件實現[J].中國科學：信息科學，2015，45（2）：197-203.

[2]張超，馬文茂.DLP光固化3D打印關鍵技術研究[J].航空科學技術，2018，29（4）：47-51.

[3]曲興田，閆龍威，孫慧超，等.打印平臺可翻轉的3D打印機裝置結構分析[J].吉林大學學報（工學版）， 2017，47（5）：1489-1497.

[4]孫家廣.計算機圖形學（第3版）[M].北京：清華大學出版社，1998.393～399，401～ 403.

[5]牛標，魏志剛.基于Open CASCADE的三維建模軟件的開發[J].機械工程師， 2013（03）：52-54.