DLP光固化快速成型設(shè)備技術(shù)分析

廖釗華，鄧 君

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞 523000）

0 引言

傳統(tǒng)的模型制造技術(shù)主要有減少材料和增加材料兩種方式。減少材料法從整塊的原材料開(kāi)始，用工具去除不需要的部分，直至得到所需的形狀；而增加材料法則將材料由每個(gè)體積元堆積、裝配、粘結(jié)而得到模型[1-2]。光固化技術(shù)則是增材的工藝技術(shù)。這種光固化快速成型又稱為立體印刷成型（stereo lithography apparatus，SLA），是集控制技術(shù)、激光技術(shù)、物理化學(xué)等高新技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)[3]。而數(shù)字光處理（Digital Light Processing，DLP）則是脫胎于SLA技術(shù)，最早是由德州儀器開(kāi)發(fā)，主要是通過(guò)投影儀來(lái)逐層固化光敏聚合物液體，從而創(chuàng)建出3D打印對(duì)象，這種技術(shù)不僅解決傳統(tǒng)成型技術(shù)的速度慢的問(wèn)題，又同時(shí)保持高精度水平，使光固化快速成型技術(shù)成為了革命性技術(shù)，從而脫離制造領(lǐng)域并在其他應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮出重要的價(jià)值。

1 基本原理

傳統(tǒng)光固化快速成型是通過(guò)激光逐行掃描使光敏樹(shù)脂固化的方式，并由刮刀刮平固化層，再進(jìn)行后續(xù)層的掃描，控制系統(tǒng)根據(jù)零件的分層信息重復(fù)工作流程，直至完成加工，如圖1所示。在后面幾十年的技術(shù)沉淀后，光固化的技術(shù)得到很大的提升，使其性能和工藝特性逐漸向工業(yè)級(jí)靠攏[4]。

圖1 傳統(tǒng)光固化快速成型技術(shù)原理（SLA）

而DLP光固化成型技術(shù)也基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的聚合原理工作，但有不同點(diǎn)，其整體設(shè)備包含一個(gè)可以容納樹(shù)脂的液槽，用于盛放可被特定波長(zhǎng)的紫外光照射后固化的樹(shù)脂，DLP成像系統(tǒng)置于液槽下方，其成像面正好位于液槽底部，通過(guò)能量及圖形控制，每次可固化一定厚度及形狀的薄層樹(shù)脂（該層樹(shù)脂與前面切分所得的截面外形完全相同）。液槽上方設(shè)置一個(gè)提拉機(jī)構(gòu)，每次截面曝光完成后向上提拉一定高度（該高度與分層厚度一致），使得當(dāng)前固化完成的固態(tài)樹(shù)脂與液槽底面分離并粘接在提拉板或上一次成型的樹(shù)脂層上，這樣通過(guò)逐層曝光并提升來(lái)生成三維實(shí)體，如圖2所示。

圖2 DLP技術(shù)設(shè)備成型原理圖

2 設(shè)備構(gòu)架分析

DLP打印設(shè)備的主要裝置分為光源投影部分、液槽成型部分、縱向移動(dòng)部分和整體裝置框架。光源投影部分十分重要，由圖2可以看出整個(gè)設(shè)備框架都是圍繞光源投影部分所建設(shè)，目前各種商業(yè)化的DLP打印機(jī)都是采取一體化的光源，而類似B9Creator、SolusDLP則是將光源部分設(shè)置為外置DLP投影儀，引進(jìn)模塊化概念，既可以讓簡(jiǎn)易化DLP打印設(shè)備，也可以整體設(shè)備構(gòu)造一目了然，讓非技術(shù)群體也能了解該項(xiàng)技術(shù)。

圖3 DLP投影硬件電路組成原理圖

2.1 光源投影部分

目前市面上有提供單獨(dú)的DLP光源投影設(shè)備，其中一般內(nèi)置DLP核心技術(shù)的控制芯片，結(jié)合半導(dǎo)體DMD組件實(shí)現(xiàn)LED投影效果，如圖3所示。DMD的工作原理是借助微鏡裝置反射光，同時(shí)吸收掉不需要的光來(lái)實(shí)現(xiàn)投影，通過(guò)靜電作用以及控制微鏡片角度來(lái)控制光照方向，具體電路組成參考圖3。通常發(fā)光器件工作時(shí)會(huì)發(fā)燙，所以DLP投影設(shè)備里面大部分都是散熱器件，值得一提的是，為了尋找良好的投影效果，硬件的鏡頭應(yīng)該可以跟不同的鏡頭組合，并能通過(guò)前期的調(diào)整來(lái)固化鏡頭焦距，最終構(gòu)成DLP光源投影設(shè)備，也就是DLP投影儀。

總的來(lái)說(shuō)，光源硬件必須滿足以下特性，如圖4所示的DLP投影儀：

（1）紫外線光含量高（樹(shù)脂對(duì)紫外線敏感系數(shù)高）；

（2）高光強(qiáng)（利于縮短樹(shù)脂材料固化時(shí)間）；

（3）對(duì)比度高（可以減少不不需打印部分的光污染）；

（4）分辨率高（可以提高投影時(shí)物體特征精度，進(jìn)而提高打印精度）。

此外，如果DLP投影硬件不是直接投影到液槽的話，則需特殊要求的反射鏡幫助改變投影方向，因?yàn)槠胀ǖ姆瓷溏R將反射層放在玻璃后面，根據(jù)折射原理，投影會(huì)被二次反射，降低了投影分辨率，如圖5所示。

2.2 液槽成型部分

傳統(tǒng)的光固化SLA是采用不銹鋼作為盛放液態(tài)樹(shù)脂的容器，容器空間大小取決于成型系統(tǒng)的最大尺寸，包括樹(shù)脂內(nèi)槽、樹(shù)脂外槽、排液口、液輪、直流低速電機(jī)、溢流槽等。同時(shí)工作中要求樹(shù)脂液面保持在固定高度。

而大部分DLP打印機(jī)都是從下往上投影，通過(guò)圖2可以明白DLP的液體槽必須底面是可透光的玻璃材料，但塑料材料則不行，因?yàn)樗芰侠锩姘ㄋ芑瘎┖推渌軇菀着c打印材料發(fā)生反應(yīng)，所以底部材料要注意與制造材料的相容性。同時(shí)為了防止每一層打印完成后，固化層與液槽底面粘住，需要有防粘膜，防粘膜材料的要求對(duì)紫外線具有良好的穿透性，同時(shí)不會(huì)與制造材料反應(yīng)，此次分析的液槽則是使用了184硅橡膠涂層，如圖6所示。

圖4 DLP投影儀

圖5 特殊的反光鏡

圖6 帶有防粘涂層的液槽

DLP的打印平臺(tái)與FDM一樣，要求打印后的材料能很好地附著在平臺(tái)上，同時(shí)可以方便最終打印完后取下來(lái)，此次分析的設(shè)備采用鋁板作為平臺(tái)材料（圖7），同時(shí)設(shè)置4個(gè)帶彈簧的螺絲，可以對(duì)平臺(tái)進(jìn)行4個(gè)自由度的調(diào)節(jié)，以獲得液槽底面的平行對(duì)應(yīng)關(guān)系，另外設(shè)置了緊固螺栓將整個(gè)打印平臺(tái)固定到z軸平臺(tái)，也可以在打印完成后取向打印平臺(tái)。

2.3 其他機(jī)構(gòu)

如圖8所示，縱向移動(dòng)部分構(gòu)造簡(jiǎn)單，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)與導(dǎo)軌系統(tǒng)或者絲杠系統(tǒng)結(jié)合的升降機(jī)，這一部分則要求移動(dòng)平穩(wěn)即可。

防紫外線裝置也是必不可少的，無(wú)論是DLP投影儀對(duì)非打印區(qū)域會(huì)造成的光污染，以及外界紫外線環(huán)境對(duì)制造材料會(huì)造成打印時(shí)的影響。

圖7 鋁材打印平臺(tái)

圖8 絲杠升降機(jī)

3 制造材料

光固化成型技術(shù)的原料最主要的還是光敏樹(shù)脂，在噴射固化、立體光刻、數(shù)字光學(xué)處理等的成型技術(shù)中，也經(jīng)常看到光敏樹(shù)脂的身影，這種材料的屬性可以直接影響到成型產(chǎn)品的精度、性能以及剛度。

光敏樹(shù)脂以自由基、陽(yáng)離子混雜固化的樹(shù)脂體系較多，前者固化速度快、黏度低、韌性好、成本低的特性與后者收縮率小的特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)體積變化互補(bǔ)、性能協(xié)同的效果，有助于對(duì)成型模型精度的提升[5]。DLP常用的光敏樹(shù)脂在常溫下是粘稠的液體，適宜的工作溫度是（34±1）℃。樹(shù)脂的固化速率與單位面積的紫外線光功率相關(guān)。為使固化均勻，DLP投影儀應(yīng)在控制下恒功率進(jìn)行投影。樹(shù)脂置于打印機(jī)內(nèi)使用或保存時(shí)，應(yīng)避免太陽(yáng)光或紫外光照射[4]。

4 工藝流程分析

4.1 模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

通過(guò)軟件處理將各類型的模型文件轉(zhuǎn)換成快速成型常用的STL標(biāo)準(zhǔn)文件格式。

4.2 模型分層

首先對(duì)STL文件格式進(jìn)行檢查和修復(fù)，并選擇或優(yōu)化成型的方向，以便能方便準(zhǔn)確地制造實(shí)物。這一過(guò)程還包括切片層厚度的選擇、建造模式、掃描速度、掃描方式、半徑補(bǔ)償?shù)龋謱訁?shù)的選擇對(duì)造型時(shí)間和模型質(zhì)量影響很大。

以切片軟件creation workshop為例，軟件功能設(shè)置參數(shù)如圖9所示。

圖9 切片軟件截圖

（1）層厚設(shè)置（層厚越小精度越高，但打印時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)）；

（2）單層曝光時(shí)間；

（3）首層曝光時(shí)間（首層固化時(shí)間越長(zhǎng)，底座粘的越緊）；

（4）首層數(shù)量；

（5）型保真值（提高模型表面光滑性）；

（6）平臺(tái)抬升高度（如打印的模型面積大了，抬升高度不夠，樹(shù)脂就無(wú)法充分流到模型中間，導(dǎo)致打印失敗）；

（7）平臺(tái)抬升速度（速度太快了細(xì)小的部分可能會(huì)直接拉扯壞）；

（8）平臺(tái)下降速度（下降速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致壓壞模型細(xì)小部分）；

（9）傾斜角度；

（10）切片X軸鏡像；

（11）切片Y軸鏡像（如出現(xiàn)模型方向不對(duì)的情況可以設(shè)置10和11）。

4.3 投影打印

將設(shè)備各部分放好，并鏈接好打印機(jī)與電腦，通過(guò)切片軟件控制DLP3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

4.4 后續(xù)處理

加工過(guò)程結(jié)束后，從工作臺(tái)上取出模型并進(jìn)行清洗，之后進(jìn)行偏差測(cè)量。如果發(fā)現(xiàn)模型有部分未完全固化的樹(shù)脂，必須再用強(qiáng)紫外光照射，使之完全硬化。另外，模型的支撐結(jié)構(gòu)也必須去除并進(jìn)行修復(fù)，對(duì)要求較高的模型還需進(jìn)行噴砂處理[4]。

5 總結(jié)

對(duì)DLP快速成型技術(shù)進(jìn)行分析，使人們對(duì)這種技術(shù)有更多的了解，以便于更好地開(kāi)發(fā)并利用該技術(shù)來(lái)服務(wù)于生產(chǎn)、生活與工作。目前市面上存在多種3D打印技術(shù)，它們均具備3D打印通用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型的特點(diǎn)，同時(shí)每種3D打印技術(shù)都具備其各自的特點(diǎn)，例如工業(yè)應(yīng)用、高精細(xì)化、材料種類廣泛、高效、低成本等等。DLP快速成型作為高效、精細(xì)化成型的代表，其中最大的開(kāi)發(fā)潛力的莫過(guò)于成型材料和光源，隨著面投影技術(shù)的研究、以及材料的開(kāi)發(fā)，將會(huì)推動(dòng)3D打印軟硬件技術(shù)的進(jìn)步。