基于DLP投影技術的3D打印機原理

張妹玉 / 閩江學院物理學與電子信息工程系

基于DLP投影技術的3D打印機原理

張妹玉 / 閩江學院物理學與電子信息工程系

為了解決3D打印技術無法批量生產與打印精度較差的問題，本文研究了采用DLP投影技術與3D打印技術相結合的全新打印方案。DLP投影技術的優勢在于投影分辨率高，打印出來的成品過度平滑，完全可以滿足對零件精度的要求。并且，通過對打印系統的剖析與實際打印效果來看，DLP3D打印機因其打印方式的創新，完全可以勝任大批量生產的要求。同時，DLP3D打印機也存在一些不足之處，比如材料單一問題和成品強度問題等等，并對其中幾點提出了改進方案，對DLP3D打印機的發展具有借鑒意義。

DLP投影技術；3D打印

1.引言

3D打印技術又被稱為增材成型技術、堆積成型技術，是一種利用物理、化學、機械等方法有序添加材料從而堆積成型的制造方法。3D打印技術與傳統成型工藝的主要區別在于采用快速成型系統與計算機數據模型相結合的方法，在無需任何其他輔助手段的情況下，就能夠以更短的生產周期、更少的生產成本制造出各種形狀復雜的產品原型[1]。

區別于經過切割與模具塑造等方式來制造產品的傳統制造設備，3D打印機以層層堆積成型的方式來形成實體產品，全面詮釋了數字化制造的概念。當人們需要制造具有內部凹陷或著具有互鎖部分的物體時，3D打印技術與生俱來的優勢就會得以充分展現。3D打印技術最少包括下列六個方面的優勢：(1)高復雜度、多樣化物品的生產將不會増加成本；(2)產品無需組裝、縮短交付時間；(3)制作技能門檻降低、設計空間無限；(4)不占空間、便攜制造；(5)節約原材料，并可無限組合各種材料；(6)精確的實體復制。與此同時，3D也存在一些劣勢：(1)材料性能差，產品受力強度低；（2）可供打印的材料有限，且成本高昂；(3)制造精度問題。

為了解決3D打印技術無法批量生產與打印精度較差的問題，本文研究了采用DLP投影技術與3D打印技術相結合的全新打印方案。DLP投影技術的優勢在于投影分辨率高，打印出來的成品過度平滑，完全可以滿足對零件精度的要求。并且，DLP投影能夠投影的波長范圍廣，使其具有兼容不同種類打印材料的能力。正因為DLP3D打印機所具有的種種優點，全面認識和研究DLP3D打印機將具有深遠的實際意義。

2.3D打印的基本過程

不管采用哪種技術來實現3D打印，其技術都具備一些共同的特點：首先需要對打印物體建立數字模型；然后，根據層的厚度，對層進行處理，以產生一維截面信息；接著根據各層的截面信息以及工藝特點，制作出一維截面的形狀；重復生成一維截面，并逐層，最后形成一個三維實體。每一層的厚度可以是相等的或不等。分層越薄，打印出的物體精度便越高；分層越厚，則打印完成消耗的時間越短。3D打印過程中通用的八個步驟：第一步，通過合理的構思，在CAD軟件上創造出所需要打印的三維模型并進行合理性驗證；第二步，將CAD文件導出為STL模板，再仔細進行檢查；第三步，將STL文件轉換成打印機能夠識別的指令文件(G文件)；第四步，將3D打印機的機械部分調試完畢，并加入打印原材料；第五步，向打印機導入(G)文件并開始打印，期間不時觀察打印情況；第六步，從打印幾種移出打印完成的產品，同時注意人身安全；第七步，進入后期加工階段，如持續固化、打磨等等；第八步，檢測產品與設計是否有較大出入，有物缺陷并提出改進措施。

3.DLP投影技術

DLP即“Digital Light Procession”(數字光處理)，是一種數字化影像處理技術。核心處理單元是DMD芯片，即 “Digital Micromirror Device”(數字微鏡元件)。其原理是通過LED燈發出的冷光源通過聚光鏡，通過桿（棒）將光均勻化，再通過色輪將光束分開成RGB三種顏色。一些生產商使用BSV液晶拼接技術的鏡片過濾光線傳輸，將光線投影到DMD芯片上，最后通過投影透鏡在投影屏幕上成像[2]。

4.基于DLP投影技術的3D打印機系統組成

本文采用DLP投影技術的3D打印機系統框圖如下圖1所示。

圖1 基于DLP投影技術的3D打印系統框圖

電腦（PC）通過USB連接線與主控芯片——單片機（MCU）進行數據交換，單片機則將結果反饋給電腦，或者將U盤與單片機連接，使得單片機能直接讀取打印控制數據。另一方面電腦通過HDMI/VGA視頻接口將切片文件發送給DLP投影儀以便將打印數據逐層投影。控制信號與切片文件接收完畢后進入等待，液晶(LCD)面板顯示“Print Ready！”。此時須按下打印開關，單片機發送驅動信號給步進電機，抬升平臺開始活動。與此同時DLP投影儀輸出第一張圖像。當DLP投影儀輸出最后一張圖像后，打印平臺抬升，液晶面板顯示“Print End”，準備下次打印。

5.實際打印過程中遇到的一些問題及解決辦法

(1)反射鏡改進：一般用途的鏡子的反射層鍍在玻璃后面，這必然會導致重影或分辨率降低。改進的方法是在玻璃表面鍍上銀或鋁反射層，使得DLP投影儀的投影光線在改進后的反射鏡上只產生一次反射，從根本上消除打印重影，并且能顯著提高打印的分辨率。(2)增加工作臺粘性：如果工作臺的粘性不強，則很有可能導致打印機工作時打印物件的掉落。解決辦法：將工作臺與打印物件相接觸的表面刻上劃痕，使工作臺表面更粗糙、更富粘連性。(3)提升材料強度：剛剛打印出來的物件雖然具有了一定的形態，但還不具備實用的強度。在使用的過程中會導致樹脂剝離。改進方法：將打印成型的物件放入UV固化燈箱進行進一步固化成型。(4)提高光敏樹脂利用率：由于工作臺打印開始需浸沒在光敏樹脂當中，抬升的過程中總會帶起一部分光敏樹脂，使這部分光敏樹脂無法被充分利用。解決辦法：在工作臺上打孔，使光敏樹脂充分回流到材料池中。

6.總結

隨著我國3D打印產業的發展，越來越多優秀的人才將投入其中，像DLP3D打印這樣的新型打印技術將不斷涌現，3D打印所面臨的種種困難也終將被解決，3D打印技術所帶來的種種好處也將充分造福人類。

[1]王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012，(26)：1-3.

[2]李丹，薛蕓蕓，曹雯.基于微透鏡陣列的DMD芯片投影系統照明優化[J].光學學報，2013，33(1)：1-4.