多材料LCD 光固化打印裝置設(shè)計及分析*

張?zhí)鞊?，?霽

（1.東南大學(xué)吳健雄學(xué)院，南京 211189；2.東南大學(xué)MEMS教育部重點實驗室，南京 210096）

0 引言

3D打印技術(shù)是利用逐層累加的方式實現(xiàn)打印立體物品的技術(shù)。由于打印的方式和材料不同，主要分為熔融沉積快速成形FDM、選擇性激光燒結(jié)SLS、光固化快速成形SLA 等類型。其中，在光固化成形技術(shù)中，LCD 光固化打印技術(shù)是利用LCD屏幕的選擇透光性控制打印區(qū)域，將光敏樹脂按照預(yù)先設(shè)計的造型結(jié)構(gòu)分層打印出來，產(chǎn)生物體的剖面層，同時用特定頻率的光波進行照射使之快速固化并逐層疊加成形［1］。LCD 光固化技術(shù)具有光源利用率高的優(yōu)點，405 nm 波段的UV 光是大部分樹脂的固化波段，可以全部被利用。而且精度高，很容易達到平面精度100 μm，具體取決于采用屏幕的像素［2］。

目前單一材料的LCD 光固化3D 打印機已經(jīng)較普遍，但單一材料的打印機在實際應(yīng)用中具有一定的局限性，只能實現(xiàn)單一的力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)及導(dǎo)電性能，限制了光固化3D打印機的功能和用途，無法進一步滿足社會對高性能和多功能商品的需求。而多材料光固化3D 打印可以進一步起到優(yōu)化產(chǎn)品性能、實現(xiàn)復(fù)雜功能的作用。因此深入研究多材料光固化3D打印技術(shù)可以提升光固化成型能力和成型零件的功能性，對于工業(yè)復(fù)雜嵌套的產(chǎn)品功能也提供了技術(shù)手段，具有十分重要的意義。因此，本文提出不同技術(shù)方案，設(shè)計并制作一種能夠?qū)崿F(xiàn)多材料打印的LCD 光固化3D 打印機。

1 技術(shù)方案選擇

現(xiàn)有的單材料LCD光固化打印機僅有一個樹脂槽，不能實現(xiàn)快速雙色打印。同時，由于光固化3D 打印機打印完一種顏色更換樹脂槽時會粘附上一樹脂槽的殘余樹脂，混入下一樹脂槽。因此，需要一種能實現(xiàn)雙色打印光固化3D 打印機，并在打印過程中實現(xiàn)不同樹脂槽切換時殘余樹脂清洗及快速風(fēng)干問題。在選擇技術(shù)方案時對以下兩種方案進行了對比。

1.1 技術(shù)方案一

技術(shù)方案一采用的是單屏對雙材料、分屏打印的思路，如圖1所示，圖形化曝光系統(tǒng)由光源、菲涅爾透鏡和液晶顯示器（LCD）構(gòu)成。利用X 軸（橫向）、Z 軸（縱向）機動裝置控制打印平臺在多材料以及清洗槽之間運動。

圖1 技術(shù)方案一原理圖

其中LCD屏幕位于A、B 材料的下方，同時為A、B 材料提供固化設(shè)計。具體操作過程為，當(dāng)打印A 材料時，電機控制打印平臺浸入材料A，同時LCD屏幕僅左半屏發(fā)光，打印圖形；A材料打印結(jié)束后，電機將移至清洗槽清洗，隨后移入B材料，此時LCD屏幕僅有右半屏工作。此方案充分利用LCD打印的特性：大區(qū)域同時固化，解決了雙材料如何利用單一屏幕打印的問題，此處考慮到多屏控制受硬件條件限制實現(xiàn)難度過大的實際情況，巧妙地采用了單屏分區(qū)處理。但是同時存在以下問題。

（1）打印面積大幅降低，此處以雙材料打印進行原理說明，但實際產(chǎn)品可能存在多種材料，此時若是繼續(xù)對屏幕進行分區(qū)，材料的大小會受到限制。

（2）軟件編程難度增加，一般情況下，單物體打印在切片過程中是按照屏幕中心進行的，此時左右分屏的方法需要重新考慮切片軟件的工作方法。

（3）清洗槽數(shù)量增多，當(dāng)打印平臺從A材料提起，在移向清洗槽過程中，可能會有黏稠材料A落入材料B中造成污染。所以最好的方法是在A槽的左側(cè)添加第二清洗槽。而同理，當(dāng)材料數(shù)量更多，也需要更多的清洗槽，加之屏幕分區(qū)的原因會導(dǎo)致打印空間進一步下降。

（4）樹脂槽需要定制，因為現(xiàn)有樹脂槽大多不滿足在一塊屏幕上并排擺放的要求。

綜合以上問題，在方案一的基礎(chǔ)上進行改進，提出第二種技術(shù)方案。

1.2 技術(shù)方案二

第二方案的原理如圖2所示。

圖2 技術(shù)方案二原理圖

整體打印機的運行類似于項目方案一。主要改進點在于，不再使用單屏對多槽的模式。方案二核心在于采用了與打印平臺共同移動的光源屏幕模塊，打印A 材料過程中，光源與打印平臺共同移動到A 樹脂槽處，打印平臺、樹脂槽、屏幕、光源在豎直方向上成一條直線排列。當(dāng)需要打印B 材料時，打印平臺運動方式與方案一相同，但當(dāng)打印平臺抵達B材料時，固定于Z 軸底端的光源屏幕也同步移至B 材料下方。由此，方案二克服了方案一存在的問題，存在以下優(yōu)勢。

（1）打印面積不受限制，多個樹脂槽不再共用屏幕，只需要增加X軸的可移動距離即可增加材料種類。

（2）單屏幕不分屏可簡化軟件程序，在單一材料時，系統(tǒng)與單材料打印機完全相同，多材料則只需要在特定打印層數(shù)按打印次序合理排布打印切面即可。

（3）樹脂槽不需要定制，與屏幕大小匹配即可。清洗槽數(shù)量確定，排布方式為與樹脂槽交叉排布。

（4）降低了橫向方向的精確度要求。

技術(shù)方案二也存在如下問題：

（1）光源和屏幕可移動，增加了項目整體的可移動部件，對于排線提出了更高要求；

（2）由于屏幕可在打印平面下移動，屏幕與樹脂槽之間會存在空隙。由光學(xué)特性可知，空隙的存在可能導(dǎo)致紫外光從屏幕射出后發(fā)散，造成打印材料的精確度降低。

針對以上問題，具體解決措施為：加長布線，留足活動線的移動空間；采用平行光源，有效減少空隙導(dǎo)致的光線發(fā)散。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計

一款完整的3D 打印機產(chǎn)品，主要包含硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計兩部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計是滿足多材料打印的基本條件，控制系統(tǒng)設(shè)計則為打印機操作提供便利性和實用性。

2.1 多材料打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計包括支撐框架、光源系統(tǒng)、投影裝置和投影裝置運動機構(gòu)。用UG 軟件畫出打印裝置的三維模型，如圖3所示，打印平臺支架通過打印平臺連接機構(gòu)固定于Z 軸直動機構(gòu)。X 軸直動機構(gòu)與Z 軸直動機構(gòu)垂直機械連接。通過X軸直動機構(gòu)驅(qū)動實現(xiàn)打印平臺水平移動，滑動位置對應(yīng)相應(yīng)的樹脂槽和清洗槽；通過Z 軸直動機構(gòu)驅(qū)動實現(xiàn)打印平臺垂直移動。此裝置可實現(xiàn)雙材料打印，只要再增加樹脂槽數(shù)量，就可以實現(xiàn)更多材料打印模式。

圖3 雙色光固化3D打印機的結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

NanoDLP是一款適宜3D 打印機控制的平臺軟件，可以為打印機提供一系列打印工具，在Gcode 的基礎(chǔ)上添加了一系列輔助程序代碼，便于操作者根據(jù)自己需求更改打印機打印模式。

主要的軟件設(shè)計思路如下：首先是初始化部分，這里決定了整體打印機的初始位置以及坐標模式。坐標模式分為絕對坐標模式和相對坐標兩種模式。G90為絕對坐標模式，G91為相對坐標模式。這兩種模式各有利弊，對于相對坐標在每一層的變化上較為方便，而絕對坐標在對儀器整體控制上較為方便。坐標模式確定的基礎(chǔ)上回歸初始位置，G28 命令是初始化位置命令，步進電機將回復(fù)到它的初始位置，初始位置由限位開關(guān)決定。隨后利用延時功能［［delay 1.5］］，保證步進電機移動結(jié)束后位置穩(wěn)定，最后利用位置設(shè)定功能［［PositionSet 0］］完成初始化全過程。延時和位置設(shè)定功能是NanoDLP平臺為方便進行打印控制所提供的代碼。其次是打印過程部分。這里的程序使用的是絕對坐標模式，理論上講相對坐標的算法相對簡單，但是因為嘗試相對坐標模式發(fā)現(xiàn)NanoDLP系統(tǒng)對于相對坐標的控制十分不完善，所以這里主要以絕對坐標為主。

每一層的操作具有重復(fù)性，NanoDLP 系統(tǒng)以此將每一層的打印過程劃分為前中后3 個階段，用戶可以分別編輯不同階段的代碼。每一層之前操作主要是移動電機，隨后打開光源。這里移動電機的操作是核心，由于論文所設(shè)計電機不同于一般LCD打印機的單軸運行，所以層次間對于樹脂槽和清洗槽之間的橫向移動存在特異性，這里主要借助NanoDLP系統(tǒng)提供的基于移動語句G1 語句的條件類語句，通過if 的條件判斷特定層的移動距離。結(jié)合一系列X、Z 的變化可以實現(xiàn)在X、Z軸的控制。打印中主要是LCD 顯示屏的控制，這部分只需在打印前提交提前被切片好的3D 打印模型，系統(tǒng)會自動匹配每一層的打印圖片。打印后部分一般是對于打印前部分的補充，整體思路與打印前一致。這里提供M106，M107代碼控制光源的開關(guān)，這兩條代碼分別加在打印過程前和后階段。事實上，這兩條代碼原本是用于控制熔融沉積型打印機的加熱棒的，現(xiàn)在將光源連到對應(yīng)接口就可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

此軟件設(shè)計可實現(xiàn)相關(guān)打印流程，舉例如下：（1）雙材料打印但是兩種材料在同一個打印層內(nèi)不交錯，如圖4（a）所示； （2）在同層內(nèi)分區(qū)域打印A、B 兩種材料，如圖4（b）所示，具體實施過程為：采用紫光光陣列+LCD屏作為圖形化曝光系統(tǒng)，在不同層打印雙色成型件時，滑動機身使打印平臺先對準第一樹脂槽，該層為第一種顏色的部分打印完后，再滑動機身使打印平臺對準清洗槽，通過垂直滑動驅(qū)動器降低打印平臺，將半成品成型件浸入清洗液中，雙向電機驅(qū)動齒輪盤轉(zhuǎn)動，齒輪盤帶動清洗槽正反向旋轉(zhuǎn)，加快清洗液流動，快速清洗掉殘余樹脂。清洗完成后，提升打印平臺，將半成品成型件對準吹干機，快速吹干殘余的清洗液。再移動滑動機身使打印平臺對準第二樹脂槽，降低打印平臺到之前需要繼續(xù)打印另一種顏色的層，通過程序控制在指定位置繼續(xù)打印第二種顏色。如果需要繼續(xù)換色，重復(fù)上述步驟即可完成兩種顏色在同一層內(nèi)的打印。

圖4 雙層打印時完成的操作流程

3 方案實施與成果

3.1 材料購置

項目方案設(shè)計完成后，通過三維模型確定具體材料尺寸，同時對需要使用的部件進行選型，完成臺架搭建及相關(guān)系統(tǒng)所需運動部件、打印部件、光源部件、顯示部件的購置，如圖5所示，所用主要材料及部件如表1所示。

圖5 打印機購置部件

表1 購置主要材料及部件

3.2 裝置部件及控制系統(tǒng)連接

具體實物裝置如圖6所示。

（1）X 軸、Z 軸直動機構(gòu)包括電機，2 根光軸，1 根絲桿，限位開關(guān)以及可移動的第一滑塊。采用2根光軸是為了提高直動機構(gòu)的載重能力。

（2）液晶顯示屏及光固化光源包括5.5 寸（約14 cm）背光顯示屏、配套驅(qū)動板以及適配于液晶屏大小的紫外光平行光源。光源連接Z軸底部，液晶顯示屏在垂直方向上與光源平行放置。紫外光電源控制由繼電器實現(xiàn)，繼電器的觸發(fā)信號由電機驅(qū)動控制板發(fā)出。

（3）多個樹脂槽和多個清洗槽包括適配于光源與液晶屏尺寸的樹脂槽以及清洗槽；若雙材料打印，則包含兩個樹脂槽A、B以及一個清洗槽，此時，A 樹脂槽與B 樹脂槽分別在打印平面左側(cè)與右側(cè)，清洗槽居中且配備有電扇，三者在X軸方向上平行放置。電扇位于清洗槽的正上方，風(fēng)口對準打印平臺與清洗槽之間的半成品成型件，當(dāng)成型件清洗后，通過風(fēng)干機吹掃，可快速吹干殘余的清洗液。

圖6 3D打印機裝置實物圖

（4）樹莓派主板的主要作用是為脫機打印提供支持。樹莓派主板安裝NanoDLP系統(tǒng)，此系統(tǒng)是基于樹莓派平臺的光固化打印平臺，可以將圖片數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)傳送至樹莓派，并通過HDMI 接口以及USB 接口分別控制屏幕以及電機的運動。

（5）控制電機運動的驅(qū)動控制板為Mega2560 +ramps1.4。其中ramps板提供了多達5路的電機驅(qū)動位置以及對應(yīng)限位開關(guān)接口，同時提供了可軟件控制的多個供電端口，為系統(tǒng)電機運動、光源控制、風(fēng)扇供電提供了可能。

（6）電源可理解為一變壓模塊，將220 V 交流電壓轉(zhuǎn)化為適配光源，樹莓派主板以及電機驅(qū)動與控制板的電壓。此裝置中光源所需24 V電壓，ramps板需要12 V電壓。

利用ramps1.4板和Mega2560 板完成對于電機、限位開關(guān)、光源控制信號的控制。利用樹莓派3B +完成脫機系統(tǒng)Nanodlp與整個機器的連接，同時樹莓派直接連接LCD 屏幕用以向其傳送圖像信息。

4 結(jié)束語

（1）本文創(chuàng)新性地實現(xiàn)了通過打印機身滑行移動，帶動打印平臺和圖形化曝光系統(tǒng)同時在水平方向移動至與不同樹脂槽相對應(yīng)的位置，實現(xiàn)多材料打印時樹脂槽的快速切換。同時該設(shè)計也完成了樹脂槽切換過程中殘余樹脂快速清洗和清洗后的快速風(fēng)干。

（2）裝置通過軟件控制系統(tǒng)，利用紫光光陣列+LCD屏作為圖形化曝光系統(tǒng)，可完成在同層內(nèi)分區(qū)域打印不同材料。

（3）該設(shè)計具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，用特定頻率的光逐層照射不同類型光敏樹脂材料使之快速固化，使每個固化層累加在一起形成三維實體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了多顏色、多材料、多性能結(jié)構(gòu)的高精度光固化3D 打印，滿足用戶對于打印產(chǎn)品功能及性能的更高要求，進一步推動LCD光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展。