基于LCD屏的光固化3D打印機設計*

陳韻律，安芬菊，廖小龍，張敬軒，涂桂根，何偉宇

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

3D打印技術的面世是從光固化技術（激光掃描）立體光刻技術開始的，第一代是利用紫外激光（355 nm 或405 nm）為光源，用振鏡系統控制激光掃描路徑，選擇性地固化液體樹脂的SLA 立體光固化成型技術；第二代是利用紫外激光（405 nm）為光源，選擇性地將面光源投射到液態樹脂，使之固化的DLP 數字光投影技術。目前，光固化打印技術主要是采用DLP 數字光投影和SLA 立體光固化成型這兩種技術，而LCD屏光固化3D打印技術是利用紫外光作為光源代替DLP技術的激光光源，是起步較晚，處于萌芽階段的一項新技術，因此進行基于LCD屏的光固化3D打印機的設計與研究，有助于了解LCD光固化成型技術，促進LCD光固化3D打印技術的進一步發展與應用。

1 LCD屏光固化3D打印設計原理

LCD 屏光固化3D 打印機的原理是利用UV 燈透過LCD 屏，將對應的三維模型分層后得到的二維截面圖形投影在光敏樹脂底部，被照射到光敏樹脂材料上后，發生光聚合反應，進而形成三維實物制品的一個薄層，首層光固化完成后，成型平臺向上移動一個層厚的距離（一般為0.1 mm），完成一個薄層的打印。依次逐層打印，后一層粘附在前一層的基礎上，直到完全打印出實物制品[1-2]。成像原理如圖1所示。

圖1 成像原理圖

2 LCD屏光固化3D打印機組成

LCD 屏 光 固 化3D 打印機主要由LCD屏幕成像固化系統、機械部分和控制部分組成，實現三維模型固化產生實體模型的功能。圖2 所示為LCD 屏光固化3D 打印機三維設計示意圖。其中LCD屏幕成像固化系統實現液態光敏樹脂的固化。機械部分實現成型平臺沿Z軸運動；控制部分實現控制LCD屏顯示、UV燈亮滅以及成型平臺Z軸運動。

圖2 LCD 屏光固化3D 打印機三維設計示意圖

2.1 LCD屏成像固化系統

LCD屏成像固化系統包括UV燈、散熱器、聚光罩、去背光板LCD 屏、離型膜、樹脂槽等零件組成。選用功率30 W、波長為401～415 nm 的UV 燈作為光源[3]，通過聚光燈罩，投射在去背光板的LCD屏后面。選用5.5寸LS055T1SX04液晶屏幕作為顯示組件，利用LCD 屏選擇透光性，把聚光罩中的紫光選擇性地通過LCD 屏投射到液態光敏樹脂上。離型膜充當樹脂槽底部，便于成型件脫離LCD屏。

2.2 機械部分

機械部分由機身、成型平臺Z軸升降機構、成型平臺的機械調平機構等部件組成。

機身選用HD-6-2020鋁型材，鋁型材組成邊長245 mm的正方形框架，正方形框架為LCD 屏幕成像固化系統、控制部分提供支承。

成型平臺Z軸升降機構采用滾珠絲杠帶動螺母的方式來實現成型平臺Z軸運動，實現高精度控制的同時，兼具運動可逆性、高效率的特點。成型平臺Z軸升降機構如圖3 所示，步進電機帶動絲杠轉動，螺母通過螺母套塊連接滑塊，滑塊安裝在導軌上。導軌的主要作用為約束成型平臺運動為直線運動。絲杠轉動1 周，上面的螺旋副將會推動螺母前進1個導程的距離。這里選用HD-6-2080 鋁型材安裝Z軸升降機構。

圖3 絲桿螺母-滑塊導軌機構

成型平臺的機械調平機構由平臺安裝梁、調平塊以及成型平臺組成懸臂梁結構，實現成型平臺的調平，讓成型件第一層均勻牢固地粘連在成型平臺上。調平塊上開有4個跑道型的螺栓孔，平臺安裝梁上的4顆螺栓可在孔內活動。當成型平臺下降到完全貼合離型膜時，旋緊4 顆調平螺母實現成型平臺的機械調平，貼緊下方離型膜后鎖緊4顆調平螺母，如圖4 所示，使成型平臺較好貼合下方離型膜。

圖4 成型平臺機械調平機構

2.3 控制部分

（1）主控系統

選用Raspberry Pi 4B作為該打印機的主控系統，Raspberry Pi 4B 主控是由英國Raspberry Pi 基金會開發的一款基于ARM 的微型電腦主板，其內存硬盤采用SD/MicroSD 卡，鼠標、鍵盤和網線都可以連接，擁有視頻模擬信號的HDMI輸出接口[4]。Raspberry Pi 4B 微型電腦在運算能力上可滿足各類模型切片需求，Raspberry Pi 4B與其他嵌入式控制器相比，不僅可以完成相同的I/O引腳控制，還能運行相應的操作系統，其運算能力快，能夠滿足復雜模型切片的任務。圖5 所示為Raspberry Pi 4B引腳圖，圖6所示為HDM輸出接口原理圖。

圖6 HDMI輸出接口原理圖

（2）LCD屏驅動

LCD屏的驅動采用HDMI轉MIPI驅動板來實現。Raspberry Pi 4B上安裝并運行nanoDLP切片軟件，將三維模型分層得到的二維截面圖形信息通過HDMI高清視頻輸出口按照順序逐層輸出，再經過HDMI 轉MIPI 驅動板使三維模型分層得到的二維截面圖形信息傳輸至去背光板的LCD屏幕，然后點亮UV燈，使三維模型分層得到的二維截面圖形信息投影在液態光敏樹脂上[2]。

（3）步進電機控制

步進電機選用42BYGH34步進電機，其步距角為1.8°，相數為2，額定電流為1.68 A，0.45 N·m的保持力矩能使成型平臺穩定保持在所需高度。步進電機驅動器采用帶過流保護A4988 驅動控制器，其輸出驅動為35 V 和±2 A[5]。當Sleep 管腳電平置1，驅動器處于正常工作狀態；當Sleep 管腳電平置0，進入睡眠模式，驅動器輸出待機模式；DIR管腳用于控制步進電機正反轉；ENBALBE 管腳電平置0，則步進電機開始工作，ENBALBE管腳電平置1，則步進電機停止工作。A4988驅動控制器邏輯原理如表1所示，A4988驅動控制器原理圖如圖7所示。

表1 A4988驅動控制器邏輯原理

圖7 A4988驅動控制器原理圖

3 影響LCD屏光固化3D打印結果因素分析

裝配完成的LCD屏光固化3D打印機結構較簡單，制造成本較低，采用微型電腦運行軟件方式控制，操作簡單方便。經試驗，能實現一般精度等級工件的快速成型、模型制作以及小批量零件快速制造。LCD 屏光固化3D 打印機實物如圖8所示。

圖8 裝配完成的LCD 屏光固化3D打印機

圖9 成型件與離型膜粘連

研究試驗結果表明，影響LCD屏光固化3D打印結果的主要因素包括成型平臺與離型膜距離、成型平臺與屏幕的平行度、樹脂溫度等。

（1）成型平臺與離型膜距離對打印結果的影響

在調試過程中，發現成型平臺與離型膜之間的距離會影響打印成功率。如果它們距離太遠，光固化的第一層與離型膜粘貼在一起，如圖9所示，當成型平臺上升時沒能把光固化底層帶上來，就不能進行下一層光固化，導致下一層的銜接無法進行，最終造成光固化在離型膜上，而不是由成型平臺上升，一層一層積累起來。這個關系到成型平臺與離型膜之間的距離。打印開始時，成型平臺與離型膜應盡量靠近。

解決辦法：通過機械機構或是利用程序對成型平臺與離型膜之間距離進行調節，實驗驗證表明，調節離型膜與成型平臺的距離為0.1 mm時打印層容易均勻牢固地粘連在成型平臺上。

（2）成型平臺與屏幕的平行度對打印結果的影響

成型平臺應與LCD 屏保持平行，不能與屏幕有一定的角度，否則會影響到打印成功率和質量。因為與它的成型原理有關，由于打印原理是一層一層疊加起來，第一層的成功率影響到后面，有可能造成打印不成功或是打印過程中打印件底層與成型平臺之間連接不穩，就會影響打印件的質量，如出現翹邊的問題。

解決辦法：通過連接成型平臺的器件用四顆螺母實現成型平臺的機械調平，使成型平臺較好地貼合下方離型膜。

（3）樹脂溫度對打印結果的影響

光敏樹脂作為3D打印材料，易受環境溫度的影響，溫度降低會樹脂液體分子的活性。受冬天氣溫較低的影響，光固化的成型速度慢、成型效果不佳。需要提升液體溫度，才能提高成型速度和打印效率。夏天氣溫較高，樹脂液體分子的活性較高，獲得的成型件質量較好。

解決辦法：冬天要避免到低于15 ℃的環境中進行打印，對液態樹脂進行預加熱到20～25 ℃能獲得較高成型質量的工件。夏天則在室溫下打印即可。

4 結束語

本文完成了LCD屏光固化3D打印機實物的設計制作，并對影響LCD屏光固化3D打印結果的因素進行了分析，提出了相應的解決辦法。制作的LCD屏光固化3D打印機實物結構簡單、容易維修、造價相對便宜，平面精度能達到100 μm 且與目前桌面級DLP 打印技術具有可比性。打印速度快，能同時打印多個零件而不犧牲打印速度。