基于DLP原理的3D打印機設計與實現(xiàn)*

周 璇 王志明

(金華職業(yè)技術學院，浙江 金華 321017)

3D打印技術是一系列快速原型成型技術的統(tǒng)稱，其基本原理都是疊層制造，由快速原型機在X-Y平面內通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維制件。目前市場上的快速成型技術分為3DP技術、FDM熔融層積成型技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區(qū)激光燒結、DLP成型技術等。3D打印機是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機械系統(tǒng)、數控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。

本文針對SLA技術的缺點和不足，在新一代光固化3D打印技術DLP成型技術研究的基礎上，開發(fā)基于DLP原理的3D打印設備，以提高3D打印設備的成型精度和打印速度，擴大打印范圍，降低設備成本。

1 DLP成型技術工作原理

DLP成型技術是SLA立體平板印刷技術的改進和發(fā)展，其工作原理如圖1所示。DLP成型技術使用高分辨率的數字光處理器(DLP)投影儀來逐層固化液態(tài)光聚合物，由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術速度更快。簡而言之，SLA是對光固化材料進行逐點掃描，而DLP則是對光固化材料進行投影；SLA是逐點固化最終拼湊成層片，DLP則實現(xiàn)了整個層片的同時固化。

DLP技術成型精度高，成型后的零件在材料屬性、細節(jié)和表面粗糙度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。并且由于實現(xiàn)了整個層片的同時固化，效率相比SLA有顯著的提高。此外，由于DLP去除了昂貴的激光發(fā)生器和激光振鏡，整個系統(tǒng)的成本相比SLA有較大的降低，具有極高的性價比。

2 基于DLP原理的3D打印系統(tǒng)總體設計

2.1 3D打印機結構設計

基于DLP原理的3D打印設備，是DLP數字投影技術與快速成型基本原理相結合的產物。設備通過投影光學引擎，將模型的截面圖形投影照射在液態(tài)的光敏樹脂表面，使光敏樹脂達到一定程度的固化，其結構如圖2所示。通過激光或紫外光按產品的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成制件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實體產品。該方法成型速度快，自動化程度高，可成形任意復雜形狀，尺寸精度高，成形件強度高，材料利用率接近100%，適應于復雜、高精度的精細工件快速成型。同時在打印機中增加自動加料機構及液面抹平部件，降低了外界因素對打印機工作的干擾。

連接于光源固定架的光源器能進行旋轉，從而能夠調整光線發(fā)射的角度，在每次打印前調整光源器使光源器光線發(fā)射至DMD的理想位置，DMD接受的光源率將顯著上升，從而促進固化效果，減少固化時間。物料噴嘴能夠在滑桿上移動，在移動過程中實現(xiàn)對成型工作箱加料，使得物料添加更加均勻，液面更為整齊，提高成型后產品的精確度。電磁閥控制物料進管的導通及斷開，液位傳感器能夠接受液位信號，兩者相互配合使用。當液位傳感器接收到液位信號(表示物料已添加完全)時，液位傳感器將該信號傳達給電磁閥，電磁閥關閉，停止加料，實現(xiàn)自動加料。自動升降桿控制成型工作箱，實現(xiàn)成型工作箱升降，當完成第一層打印后，降低自動升降桿并帶動成型工作箱下降，加料后可打印第二層，直至打印完成，結構簡單，易操作。

2.2 嵌入式控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)采用ARM Cortex-A8的AM335x微處理器，高達1 GHz的主頻配以512MB DDR3L的運行內存，以保證打印數據和信息的快速分析、處理和計算；搭載SGX530圖形引擎以滿足觸控屏的顯示以及3D打印層片圖形的投射的需求；系統(tǒng)采用LINUX作為嵌入式操作系統(tǒng)，CPU通過HDMI接口把投影圖形輸出到光學引擎進行投影。設備可通過USB接口或WIFI與上位機通訊，與傳統(tǒng)的RS232串口通訊相比，靈活性更大，更符合消費級市場定位需求。此外，設計系統(tǒng)具有PWM擴展端口，實現(xiàn)各軸步進電機的驅動。

2.3 新型光敏樹脂制備

為了縮短固化時間，改善涂層綜合性能，提高模型的韌性和硬度，對常規(guī)的光敏樹脂配方進行改進，研發(fā)了一種新型的光敏樹脂材料，主要成份包括預聚物、環(huán)氧樹脂、稀釋劑、光敏劑、消泡劑、流平劑、陽離子光引發(fā)劑、自由基光引發(fā)劑、阻聚劑、催化劑、增韌劑、交聯(lián)劑等組成。其制備方法為：在裝有攪拌器、回流冷凝器和空溫設施的四口燒瓶中投入環(huán)氧樹脂、催化劑、阻聚劑等，并使之混合均勻，以油浴加熱燒瓶至80 ℃時，用滴液漏斗滴加丙烯酸，緩慢升溫并嚴格控制反應溫度在115 ℃，在該溫度范圍內滴加完畢，反應一定時候后開始測量反應物的酸值，當反應物的pH值將至3.5以下時，停止反應，然后對產品進行純化處理，加入適量的熱水，攪拌5 min，靜置分層后傾去上層水溶液，以除去阻聚劑和催化劑。上述過程重復5次，除去體系中剩余的水分，得到黃色液體即為新型光敏樹脂材料。

該新型光敏樹脂材料在可見光照射時，增感劑能夠先吸收能量，再將能量轉移給引發(fā)劑，引發(fā)劑再引起光敏樹脂的固化反應，從而擴大體系的光譜響應范圍，使光敏樹脂能夠在近紫外光的405 nm波長附近固化。該改進型光敏樹脂能實現(xiàn)可見光固化，降低對3D打印設備的硬件要求，降低購置和維護成本；此外，還可通過調節(jié)曝光量來控制增感劑活性，進而控制反應速率和固化深度，以獲得良好的打印精度和力學性能。

3 關鍵工作部件

3.1 高分辨率光學引擎

由于光敏樹脂是依據投影的形狀分層固化，因此，對于整個3D打印設備來講，在保證光敏樹脂質量、機械結構精度的前提下，打印模型的精度和尺寸完全取決于投影設備的投影面積大小和投影圖像的精度。因此，光學引擎的分辨率越高，可以獲得的打印精度和打印范圍也就越高。受到技術、成本等因素限制，目前的民用級DLP打印機產品普遍采用VGA(640×480)級分辨率的光學引擎，部分高端型號采用了XVGA(1024×768)分辨率的光學引擎。本文采用美國TI(Texas Instruments)公司2013年最新推出DLP技術，通過軟件優(yōu)化，實現(xiàn)WXGA(1280×800)級的分辨率，從而在保證0.05 mm(層厚)的打印精度基礎上，將設備打印尺寸擴展至100 mm(長)×75 mm(寬)×150 mm(高)，實現(xiàn)3D打印民用級產品的大尺寸、高精度快速打印。本文研制的基于DLP原理的3D打印機主要技術指標為：每層厚度≤0.05 mm；成型尺寸≥100 mm(長)×75 mm(寬)×150 mm(高)；成型速度≥75 cm3/min。

3.2 長壽命光學投影系統(tǒng)

基于LED光源和DMD技術的長壽命光學投影系統(tǒng)結構如圖3所示。其工作原理為：在電動的供電作用下，LED光源產生光線，經過光學鏡片組進行調整，并由此區(qū)間內的光強感應器檢測光強，到位于外殼上的DMD芯片進行光線選擇，經過鏡筒及安裝在鏡頭座和鏡頭端蓋上的鏡頭進行放大，投射出最終清晰的光線。

考慮到3D打印設備中不需要進行長距離投影，對光源的亮度要求較低。本文采用405 nm的近紫外LED作為光源，LED光源功率低、發(fā)熱小，使用壽命可長達20 000 h，能較好地解決超高壓汞燈泡作為光源時的功耗、發(fā)熱以及壽命問題。為了保證3D打印機的性能，同時提升設備的使用壽命，將DMD技術應用到3D打印機上。DMD芯片能夠在405 nm的近紫外波段下長時間穩(wěn)定工作，解決在近紫外光環(huán)境下HTPS-LCD和LCOS的壽命問題。此外，DMD還具有更高的反射效率，投射亮度比其他兩種技術都要高，對提升3D打印機的光固化速度也有著一定輔助作用。

3.3 模型剝離裝置

由于3D打印機在工作時使用的是粘性材料，模型底部容易粘結在打印臺上。為提高模型的質量，降低廢品率，設計了模型剝離裝置，結構如圖4所示。

該模型剝離裝置的工作原理為：3D打印機的打印噴頭將模型打印在模型剝離盤上，打印結束后通過冷卻室內的冷卻機構對模型進行冷卻降溫，直至溫度傳感器檢測的問題與設定的溫度相同時，關閉冷卻機構，然后通過控制箱控制磁鐵，磁鐵通過磁力將相應的銜鐵吸下，此時銜鐵限位在限位孔內，通過支撐桿帶動剝離塊下降，實現(xiàn)模型與剝離塊的分離。分離結束后，斷開導線，使銜鐵在彈簧的作用下恢復原狀，下一個導線通電實現(xiàn)上述過程，然后進行下一個剝離塊的分離；控制箱可以使剝離塊實現(xiàn)間隔式分離或多米諾骨牌式分離，不僅提高了剝離效率，而且提高了模型的完整性。

4 結語

基于DLP原理的3D打印機是新一代打印機，與其他3D打印機比較，具有成型速度快、精度高、表面光潔度好、使用成本低和安全可靠等優(yōu)點。本文從機械結構設計、控制系統(tǒng)設計、新型光敏樹脂開發(fā)等方面介紹了基于DLP原理研制的3D打印機，并重點闡述了高分辨率光學引擎、長壽命光學投影系統(tǒng)和模型剝離裝置等關鍵工作部件。以DLP技術為基礎的3D打印技術正處于快速發(fā)展階段，在今后工作中，仍需從擴大打印成型工作幅面、研發(fā)環(huán)境友好型新型光敏樹脂和優(yōu)化控制系統(tǒng)和操作界面等方面深入研究，以進一步推動基于DLP原理的3D打印技術的發(fā)展。

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