雙成型裝置光固化3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)

萬海鑫　馬思遠(yuǎn)

【摘 要】隨著個(gè)性化產(chǎn)品的需求提高，同時(shí)產(chǎn)品研發(fā)速度要求的提升，3D打印技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的需求越來越旺盛。光固化3D打印技術(shù)作為最成熟的3D打印技術(shù)，其市場(chǎng)占有率很高，但是當(dāng)前光固化3D打印機(jī)因其技術(shù)限制，存在一些問題，本文將兩種技術(shù)的3D打印成型原理進(jìn)行融合，讓兩者發(fā)揮優(yōu)勢(shì)提升成型效率和表面質(zhì)量。希望本文能夠?yàn)樽x者提供借鑒，以提高3D打印機(jī)成型效率。

【關(guān)鍵詞】3D打印；光固化；sla技術(shù)；dlp技術(shù)

中圖分類號(hào)： TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）35-0039-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.017

0 前言

隨著我國的科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，很多新興的技術(shù)都逐漸融入到我們的日常生活中，例如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、大數(shù)據(jù)信息技術(shù)以及我們今天要著重提到的3D打印技術(shù)，它們的出現(xiàn)對(duì)于人類生活水平的提高將會(huì)有著非常重要的影響。目前常用的3D打印機(jī)有多種原理，本文將設(shè)計(jì)一種新型的光固化3D打印機(jī)，其在打印效率和打印質(zhì)量上都有一定的提高。

1 3D打印技術(shù)基本介紹

1.1 定義及原理

顧名思義，我們傳統(tǒng)的打印技術(shù)是2D平面的效果，利用紙張來呈現(xiàn)，而3D打印技術(shù)是憑借空間的立體模型來將設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的圖紙展現(xiàn)出來，這個(gè)過程所需的時(shí)間非常短暫，并且不需要雕刻傳統(tǒng)立體模型所需的刀具等，過程簡單，操作也不復(fù)雜，這為很多設(shè)計(jì)者創(chuàng)造了設(shè)計(jì)更多復(fù)雜模型的便利條件，減小了對(duì)其設(shè)計(jì)的約束，釋放了更大的創(chuàng)作空間，所以這項(xiàng)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)是非常值得我們所肯定以及推崇的。

1.2 基本分類及優(yōu)劣勢(shì)

由于使用耗材不同，成型原理不同、使用場(chǎng)景不同，所以3D打印技術(shù)有多種分類，常見技術(shù)主要有熔融擠出原理（FDM）、立體光固化成型（SLA）、激光選區(qū)燒結(jié)和激光熔融（SLS、SLM）、三維印刷（3DP）、噴墨樹脂等。立體光固化成型是最早3D打印原理，也是最早應(yīng)用于市場(chǎng)的，按照其具體實(shí)現(xiàn)形式，又分為SLA、DLP、LCD三種。

SLA技術(shù)是Stereo lithography Apparatus的簡稱，即為立體光成型，一般使用405nm的點(diǎn)光源作為固化光源，再使用移動(dòng)裝置使光源運(yùn)動(dòng)，讓光源點(diǎn)動(dòng)成線的照射在樹脂上，從而固化樹脂。本技術(shù)缺點(diǎn)：點(diǎn)光源運(yùn)動(dòng)，速度慢，如果固化一個(gè)平面，需要點(diǎn)光源到達(dá)任何位置。本原理設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是點(diǎn)光源流暢運(yùn)動(dòng)，打印件表面質(zhì)量較好。

DLP是“Digital Light Processing”的縮寫，即為數(shù)字光處理，本技術(shù)應(yīng)用于投影機(jī)上，將圖像信號(hào)經(jīng)過數(shù)字處理，然后再把光投影出來。它是基于數(shù)字微鏡元件——DMD（Digital Micromirror Device）來完成可視數(shù)字信息顯示的技術(shù)，光源通過色輪后折射在DMD芯片上，DMD芯片在接受到控制板的控制信號(hào)后將光線發(fā)射到投影屏幕上。DMD芯片外觀看起來只是一小片鏡子，被封裝在金屬與玻璃組成的密閉空間內(nèi)，事實(shí)上，這面鏡子是由數(shù)十萬乃至上百萬個(gè)微鏡所組成的。每一個(gè)微鏡代表一個(gè)像素，圖像就由這些像素所構(gòu)成。由于像素與芯片本身都相當(dāng)微小，因此業(yè)界也稱這些采用微型顯示裝置的產(chǎn)品為微顯示器。由于光源采用了UHP燈泡，所以含有大量的紫外線，而光源通過DMD芯片只是反射，紫外線很好的保留下來，因此DLP裝置射出來的面光源含有大量的紫外線，而這些紫外線能夠固化樹脂，實(shí)現(xiàn)3D打印，本技術(shù)的缺點(diǎn)是：表面有微小平臺(tái)，表面質(zhì)量不好。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

將SLA技術(shù)和和DLP技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，SLA負(fù)責(zé)打印表面、DLP負(fù)責(zé)打印內(nèi)部，達(dá)到既能夠快速打印、也能夠提高表面質(zhì)量的目的。

2.1 機(jī)械安裝

為了讓兩種原理的成型設(shè)備都工作，本項(xiàng)目將兩種成型原理單獨(dú)安裝，DLP成型裝置裝在前面，采用一塊激光反射鏡，將水平影像向上反射。激光及振鏡系統(tǒng)安裝在右側(cè)，采用另一塊激光反射鏡將激光向上反射。通過兩面鏡子的反射，可以將水平放置的兩個(gè)設(shè)備發(fā)出的光變成豎向。本設(shè)備是一個(gè)小型設(shè)備，采用倒置打印，樹脂槽底部成像，通過上述的兩塊鏡子，可以將兩套設(shè)備發(fā)出的紫外光照射到料槽底部，從而實(shí)現(xiàn)兩套成型設(shè)備同時(shí)工作。

2.2 兩種成型裝置圖案校準(zhǔn)

為了保證兩者工作圖案重合，設(shè)備設(shè)置了多個(gè)調(diào)節(jié)裝置。①每塊激光反射鏡都有調(diào)節(jié)裝置和鎖緊裝置，可以對(duì)激光反射鏡的位置、角度進(jìn)行調(diào)節(jié)；②DLP投影設(shè)備可以進(jìn)行尺寸調(diào)節(jié)、失真調(diào)節(jié)、光強(qiáng)度調(diào)節(jié)及網(wǎng)格顯示；③激光器可以進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)節(jié)、激光振鏡可以進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。同時(shí)給一個(gè)測(cè)試程序，讓激光產(chǎn)生一個(gè)特定的網(wǎng)格，通過調(diào)節(jié)激光振鏡的驅(qū)動(dòng)電源電位器，可以調(diào)節(jié)激光振鏡的電壓值，進(jìn)行失真調(diào)節(jié)。

通過上述的調(diào)節(jié)裝置，可以讓兩個(gè)投影設(shè)備發(fā)生的影像重合。一般設(shè)備在安裝好之后調(diào)整一次即可，若機(jī)器出現(xiàn)影像偏移，需要二次調(diào)節(jié)。通過總結(jié)，本設(shè)備的調(diào)整方法是：①將DLP裝置的圖像進(jìn)行失真調(diào)節(jié)，使用尺子測(cè)量DLP影像四邊長度、對(duì)角線長度；②使用軟件發(fā)送網(wǎng)格，通過尺子測(cè)量網(wǎng)格尺寸調(diào)節(jié)DLP影像尺寸；③打開激光及振鏡系統(tǒng)，編寫一個(gè)程序，讓激光形成一個(gè)帶十字中心線的正方形，通過鏡片調(diào)節(jié)，使激光十字中心與DLP影像中心重合；④使用尺子測(cè)量激光網(wǎng)格，通過電位器調(diào)節(jié)，保證測(cè)量值與編程值一致；⑤固定各調(diào)節(jié)裝置，保存調(diào)整參數(shù)。

2.3 兩種成型裝置控制融合

在控制方面，筆者先后采用采用了兩套方案。

方案一：本系統(tǒng)的兩套控制系統(tǒng)采用串口連接，DLP控制軟件運(yùn)行在電腦上，SLA控制系統(tǒng)運(yùn)行在arduino DUE中，Z軸由arduino DUE控制。若要打印一個(gè)模型，模型需要在電腦上使用軟件Creation Workshop軟件切片，切片數(shù)據(jù)由DLP系統(tǒng)使用；同時(shí)模型還需要Simplify3D軟件切片，切出來的G代碼由arduino DUE執(zhí)行，并應(yīng)用在SLA成型系統(tǒng)上。Creation Workshop軟件設(shè)置層間發(fā)送G代碼M190給一個(gè)arduino uno，該控制板收到M190后解釋，發(fā)送D8高電平給arduino DUE，arduino DUE收到該高電平信號(hào)后進(jìn)行下一層動(dòng)作。

方案二：上述方案研究成熟后，發(fā)現(xiàn)有個(gè)弊端，就是電腦需要長時(shí)間打開，并且不能休眠，不利于節(jié)能。方案二主要研究脫離電腦（脫機(jī)）及遠(yuǎn)程控制方面，經(jīng)過長時(shí)間的嘗試，本系統(tǒng)采用Raspberry Pi 3替代電腦，Raspberry Pi 3使用ubuntu16.04操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)內(nèi)安裝nanodlp控制軟件，方案二控制原理如圖2所示。

Raspberry Pi 3本身計(jì)算能力就很強(qiáng)，通過nanodlp軟件，其本身就能夠切片，通過網(wǎng)絡(luò)將stl模型發(fā)送給Raspberry Pi 3，其切片后控制DLP成型裝置工作。同一個(gè)模型使用電腦軟件Simplify3D切片后，將切片的G代碼發(fā)送到USART HMI（串口屏幕）的TF卡上。當(dāng)打印每層的時(shí)候，Raspberry Pi 3通過GPIO.0接口向arduino DUE發(fā)送高電平指令，其arduino DUE的D8接受到高電平指令后立即執(zhí)行新的一層打印，保證兩套系統(tǒng)成型為同一層圖像。

3 結(jié)論

綜上所述，通過SLA技術(shù)和和DLP技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，使兩者各有分工，達(dá)到既能夠快速打印、也能夠提高表面質(zhì)量的目的。通過驗(yàn)證機(jī)的制作，上述技術(shù)方案可靠有效，能夠?qū)崿F(xiàn)。通過該技術(shù)的擴(kuò)展研究，能夠?qū)⒃摷夹g(shù)應(yīng)用到樹脂+陶瓷、樹脂+金屬粉末等3D打印技術(shù)中。由此可見，該技術(shù)具有一定的前景。

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