大幅面DLP 型3D 打印機(jī)錯位均攤接縫消除方法研究

張 蓉 王宜懷 彭 濤 徐 昕 王紹丹

3 D 打印是一種增材制造技術(shù)(Additive manufacturing,AM)[1?3],依據(jù)分層制造的原理,采用精確堆積的方式,逐層累加材料構(gòu)造三維模型實體[4?6].相較于傳統(tǒng)制造方式,該技術(shù)簡化了開模和試模的過程,縮短產(chǎn)品研制周期,減少材料浪費(fèi),能夠快速構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的物體[7].近幾年,由于設(shè)備價格下降以及相關(guān)開源項目出現(xiàn),3D 打印技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注[8].

基于數(shù)字光處理(Digital light processing,DLP)的3D 打印技術(shù)使用DLP 投影設(shè)備將三維模型切片的掩膜圖案以紫外光投影到液態(tài)光敏樹脂表面,使樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)生成固化層,疊加固化層即可構(gòu)造三維模型實體[9].該技術(shù)具備打印精度高、成品表面光潔度好的突出特點,在精密鑄造、生物醫(yī)療等方面應(yīng)用廣泛[10],成為當(dāng)前3D 打印行業(yè)研究的重點.但DLP 型3D 打印機(jī)受限于投影儀的投影尺寸,很難完成較大模型的成型工作[11].目前DLP 型3D 打印機(jī)在大幅面成型領(lǐng)域的研究,大多通過單投影儀移動拼接或多投影儀協(xié)同投影的方式擴(kuò)大成型幅面,而對投影拼接帶來的接縫問題的研究相對較少.模型成品上的接縫不僅影響其表面質(zhì)量,接縫處還存在應(yīng)力集中問題,影響模型的機(jī)械強(qiáng)度.因此,針對DLP 型3D 打印機(jī)的大幅面移動拼接及接縫消除方案的研究,對于提高模型質(zhì)量具有重要意義.在大幅面拼接成型方面,Smith[12]在機(jī)械系統(tǒng)上安裝投影設(shè)備,并控制投影設(shè)備在X軸和Y軸上移動,擴(kuò)大了投影幅面.Wu 等[13]設(shè)計出Delta DLP 3D 打印機(jī),使用三個機(jī)械臂帶動成型平臺移動拼接.接縫處理方面,Wu 等[14]提出多投影設(shè)備能量均勻方案,使相鄰設(shè)備的投影面部分重疊,并調(diào)整重疊處圖案的灰度掩膜,從而輸出能量均勻的紫外光,一定程度上改善了接縫問題;但基于該方案設(shè)計的機(jī)器,成型尺寸的擴(kuò)大依賴于曝光設(shè)備的增加,成本較高,增加了設(shè)備維護(hù)的難度.

為此,本文采用移動拼接成型的方案進(jìn)行大幅面DLP 型3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計.通過水平移動DLP 投影儀,構(gòu)成更大的投影幅面,從而擴(kuò)大成型尺寸.針對接縫問題,提出了錯位均攤接縫消除方法(Seam elimination method by staggered splicing,SS-SEM),該方法對3D 打印流程進(jìn)行優(yōu)化,將接縫位置均勻分散到模型各層的不同位置,使誤差分散、均攤,從而獲得更好的打印效果.該方案能夠以較小的附加成本擴(kuò)大成型尺寸,較好地解決接縫問題,提高模型質(zhì)量,同時減少了硬件復(fù)雜度,具有很好的可擴(kuò)展性.

本文結(jié)構(gòu)安排如下:第1 節(jié)給出大幅面DLP型3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與成型過程;第2 節(jié)分析接縫問題的機(jī)理,并闡述錯位均攤接縫消除方法SSSEM 處理接縫問題的核心思想;第3 節(jié)給出SSSEM 算法原理與實現(xiàn)方法,包括三維模型錯位切分的算法原理、實現(xiàn)方法,以及基于SS-SEM 的移動拼接成型方法等;第4 節(jié)設(shè)計多組實驗,并在自主研發(fā)的3D 打印平臺上對SS-SEM 方法進(jìn)行效果評估以及對比分析;第5 節(jié)對全文進(jìn)行總結(jié).

1 3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與成型過程

DLP 型3D 打印機(jī)基于掩膜固化[15]技術(shù),以DLP投影儀為曝光成型設(shè)備,以液態(tài)光敏樹脂為打印原材料.DLP 投影設(shè)備實現(xiàn)了三維模型切面圖案掩膜的高清投影,生成各層形狀不同的固化膜.為控制固化膜的厚度,會在光敏樹脂中添加光阻斷劑(一般為熒光材料),從而調(diào)整樹脂的固化深度,超出固化深度的樹脂將由于紫外線光強(qiáng)不足而無法固化.固化深度一定程度上決定了構(gòu)造方向上模型的精度,典型值有0.1 mm、0.05 mm、0.025 mm 等.

DLP 型3D 打印機(jī)擴(kuò)大打印幅面的方法主要包括:多個DLP 投影儀組合投影的方案以及水平移動DLP 投影儀的方案.其中水平移動DLP 投影儀的方案使用一個投影設(shè)備多次移動構(gòu)成更大幅面[16],能夠減小硬件成本,安裝、校準(zhǔn)、維護(hù)工作也因為設(shè)備數(shù)量的減少而減輕,因此本文采用水平移動投影設(shè)備的方案設(shè)計3D 打印機(jī).下面給出3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與成型過程.

1.1 3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的3D 打印機(jī)采用自下而上的投影方式,投影設(shè)備安裝于液槽下方,向液槽底部投射三維模型的橫截面圖案,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.主要包括:DLP 投影設(shè)備、液槽、成型臺面,輔助以帶動各部件運(yùn)動的電機(jī)、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、位置感知傳感器等.其中,液槽底部的透明投影窗可供DLP 投影設(shè)備向光敏樹脂投射掩膜圖案,DLP 投影設(shè)備、液槽為聯(lián)動部件,由步進(jìn)電機(jī)帶動在X軸方向左右運(yùn)動,兩者的相對位置保持不變;成型臺面由Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動進(jìn)行上下運(yùn)動.目前僅控制投影設(shè)備在X軸方向上移動拼接,通過增加導(dǎo)軌等機(jī)械部件,可擴(kuò)展Y軸方向上的拼接功能.打印時,每成型一層固化膜,成型臺面向上運(yùn)動一次,實現(xiàn)固化層的有序堆疊;投影設(shè)備水平運(yùn)動,從而覆蓋更大的投影區(qū)域.在液槽底部粘貼一層離型膜,可有效減小與固化膜間的粘性,從而提高固化膜脫離液槽底部而吸附于成型臺面的成功率.

圖1 3D 打印機(jī)機(jī)械示意圖Fig.1 Mechanical diagram of 3D printer

1.2 3D 打印成型過程的一般描述

3 D 打印成型過程的一般描述可概括為:將三維模型等厚切分得到橫截面圖案,再借助DLP 投影設(shè)備依次將三維模型橫截面圖案投影到液態(tài)光敏樹脂表面,使被照射的部分固化成薄膜,逐層堆疊固化膜即可構(gòu)成三維實體.不失一般性,以打印l×w×h大小的長方體模型為例說明3D 打印機(jī)移動拼接固化成型的工作,如圖2.

圖2 3D 打印成型過程Fig.2 Forming process of 3D printing

1) 三維模型切片處理.根據(jù)光敏樹脂的固化深度設(shè)定切片厚度 Δh,再對長方體模型進(jìn)行切片處理.先等厚切分得到N層三維模型切面位圖,可以算得.當(dāng)長方體的寬度w大于投影面寬度時,還需要將切面位圖劃分為M張DLP 投影設(shè)備可投影的小尺寸位圖,本文將劃分切面位圖得到的小尺寸位圖定義為單元位圖.

2) 打印機(jī)初始化.在液槽中加入光敏樹脂,控制成型臺面下降,到達(dá)距離液槽底部 Δh的位置.控制液槽左右運(yùn)動,排出因成型臺面下降而壓入液態(tài)樹脂中的氣泡,最后使得投影設(shè)備位于最左側(cè)投影面的位置.

3) 打印一層固化膜.打印時獲取單元位圖并傳遞給DLP 投影設(shè)備,再控制投影設(shè)備光源的打開和關(guān)閉,使得透明窗上方的液態(tài)光敏樹脂曝光指定時長,完成一張單元位圖的固化;然后移動投影設(shè)備到達(dá)下一個打印位,并開始下一張單元位圖的成型,直到一層的M張單元位圖全部固化完成,上抬成型臺面使已固化的模型距離液槽底部 Δh.

其中第一層固化膜附著于金屬成型臺面上,為了讓其更牢固,第一層的曝光時間相較于其他層更長.

4) 循環(huán)打印.循環(huán)執(zhí)行打印一層固化膜的步驟,即移動投影設(shè)備每層曝光成型M張單元位圖并上抬成型臺面使已固化的模型距離液槽底部 Δh,直到N層固化膜打印完成.

5) 取下成品.N層固化膜堆積構(gòu)成三維模型實體,此時將成型臺面上升到頂部,取下成型臺面并將模型用鏟刀鏟下(為防止模型底部在鏟下時被損壞,會在三維模型底部添加額外的支撐柱).

2 接縫問題機(jī)理分析與SS-SEM 算法核心思想

DLP 型3D 打印機(jī)拼接投影打印大尺寸模型時,成品在投影面的交接位置往往存在較為明顯的接縫.本節(jié)分析接縫產(chǎn)生的原因,給出SS-SEM 算法處理接縫問題的核心思想.

2.1 接縫問題機(jī)理分析

如圖3,移動投影儀的方案將大幅的圖案分多次投影,多個投影儀組合投影的方案也需將大尺寸圖案分塊投影,兩者都涉及投影面拼接.投影面拼接擴(kuò)大投影幅面的同時帶來接縫問題.投影面拼接成型方法,若要實現(xiàn)與單個大尺寸投影面成型方法相同的效果,則交接處的誤差(主要是安裝誤差以及DLP 投影儀鏡頭的光學(xué)畸變)要控制在像素精度以內(nèi).手工安裝并校準(zhǔn)的機(jī)器很難達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn),這也是接縫產(chǎn)生的根本原因.

圖3 投影面拼接示意圖Fig.3 Schematic diagram of projection plane splicing

當(dāng)投影儀的投影面與液槽底部不完全平行時,投影圖案將呈現(xiàn)梯形或不規(guī)則四邊形等形式的畸變.此時,拼接打印的模型在兩個投影面交界的區(qū)域會產(chǎn)生接縫.如圖4,無畸變的理想投影結(jié)果能夠?qū)拥膱D案在發(fā)生梯形畸變的情況下,實際的投影結(jié)果中交接處無法對接上,存在較為明顯的接縫,打印的成品中接縫在一處堆積產(chǎn)生較為明顯的接痕,如圖4 右側(cè)的狼頭是交接處畸變達(dá)到1 mm 時打印的成品,存在較大的裂縫.

圖4 梯形畸變之后的拼接效果示意圖Fig.4 Influence of projection distortion

2.2 SS-SEM 算法核心思想

模型的接縫處是誤差集中堆積體現(xiàn)的地方,導(dǎo)致接縫處明顯區(qū)別于模型的其余部位.錯位均攤的核心思想是誤差平攤,通過SS-SEM 算法將各層接縫錯開,則接縫處的誤差被均攤.理論上采用此算法,模型僅在最上層的固化膜出現(xiàn)接縫,其他層的接縫則被其上層錯位覆蓋,并且一層的厚度很小,最上層的接縫幾乎可以忽略不計.

各層接縫的錯位通過改變每層最左側(cè)和最右側(cè)單元位圖中圖案的寬度實現(xiàn).設(shè)投影儀投影面寬度(X軸方向)為Wr,第i層最左側(cè)單元位圖中圖案的寬度為Li,最右側(cè)單元位圖中圖案的寬度為Ri,除去最左側(cè)和最右側(cè)的中間部分的單元位圖中圖案的寬度均為Ci,這些參數(shù)滿足式(1)條件.

根據(jù)SS-SEM 算法原理進(jìn)行錯位拼接打印,以圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系為參照,沿Y軸負(fù)方向看成型臺面上的已固化模型,可以得到如圖5 所示的接縫所處位置的示意圖.

圖5 接縫位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of seam position

3 SS-SEM 算法原理與實現(xiàn)方法

SS-SEM 的算法步驟如圖6,主要包括三維模型切片處理以及移動拼接成型兩個階段.在切片處理過程中,首先在Z軸方向從下往上將三維模型等厚均勻切片,然后將得到的切面位圖根據(jù)錯位均攤的思想再劃分,得到待曝光的單元位圖集合.在移動拼接成型階段,根據(jù)錯位距離信息逐層移動投影儀成型單元位圖,實現(xiàn)模型錯位拼接成型,其關(guān)鍵是計算到達(dá)下一個單元位圖時,DLP 投影設(shè)備需要移動的距離.

圖6 SS-SEM 算法流程Fig.6 Algorithm flow of SS-SEM

3.1 SS-SEM 算法原理

傳統(tǒng)的基于DLP 技術(shù)的3D 打印機(jī)在前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備[9]過程中,僅對三維模型進(jìn)行構(gòu)造方向上的均勻切片,也就是使用垂直于Z軸的平面以設(shè)定的切片厚度 Δh均勻分割三維模型,得到一系列切面的二維幾何圖像.如圖7,根據(jù)SS-SEM 的思想,對三維模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程進(jìn)行改造,在切片得到切面位圖后對每張切面位圖進(jìn)行錯位再切分,然后對切分所得的各切分圖案進(jìn)行像素填充和信息判定,從而獲得相鄰層拼接處錯開的單元位圖集合.為了使得相鄰層的拼接接縫相互錯開,SS-SEM 算法采用了最左側(cè)和最右側(cè)切分圖案寬度隨著層數(shù)不同而改變的方法,因此計算各層切分圖案的寬度是錯位切分的一個重點.

圖7 三維模型錯位切片處理示意圖Fig.7 Diagram of staggered slicing of 3D model

根據(jù)接縫錯位拼接思想,單元位圖中的切分圖案的寬度因?qū)訑?shù)不同而有所變化;在移動拼接成型時切分圖案的寬度將用于計算投影設(shè)備的移動距離,以保證一層中的多張單元位圖的圖案能夠?qū)由?

引入偏移距離O作為相鄰層接縫的位置偏移參數(shù),將圖案寬度記作P.設(shè)投影儀投影面寬度(X軸方向)為Wr,模型要被切分成N層,第i層 (i1,2,···,N) 切面位圖切分后,形成M張單元位圖,第j張(j1,2,···,M)單元位圖中切分圖案的寬度P(i,j)的計算方法如下.

根據(jù)O和Wr可以計算一個門限值T,T將被用于輔助計算P(i,j)的值.

得到T后,分別計算各個位置上的切分圖案的寬度P(i,j)的值.其中第i層最左側(cè)的切分圖案有效像素根據(jù)式(2)得到的門限值計算;除去最左側(cè)和最右側(cè)的切分,中間部分的切分圖案有效像素均為投影儀分辨率像素寬;根據(jù)錯位拼接算法思想給出的式(1),第i層最左側(cè)和最右側(cè)切分的有效像素和為Wr,因此最右側(cè)切分有效像素數(shù)可使用Wr ?P(i,1)計算,P(i,j)結(jié)果如式(3).

得到各張單元位圖中切分圖案的寬度P(i,j)后,對切面位圖進(jìn)行錯位切分時,可借助P(i,j)計算第i層的第j張單元位圖在原第i層切面位圖中所處的位置,計算方法:起始位置為結(jié)束位置為采用此方案,接縫將呈現(xiàn)為“>”或“<”形,如圖5,而不會在均攤過程產(chǎn)生偏移位置的突變.

3.2 SS-SEM 錯位切分的實現(xiàn)方法

模型錯位切分處理的完整過程如圖7 所示,主要包括以下步驟:

1) 三維模型均勻切片.將3D 模型用垂直于Z軸的橫切面按照指定厚度 Δh(由光敏樹脂的固化深度參數(shù)決定)均勻切片,從模型底部開始逐步向上切割模型,得到一系列模型的切面位圖.

2) 切面位圖的錯位切分.依據(jù)錯位切分的思想,對生成的每一張切面位圖進(jìn)行錯位再切分.如圖7 以切分三塊為例,最左側(cè)和最右側(cè)的圖案寬度和與投影面寬度Wr一致,中間的圖案寬度則等于Wr,并使得相鄰層的接縫相互之間錯開設(shè)定的偏移距離.擴(kuò)充到更大幅面時,增加切分塊數(shù)即可.

3) 切分圖案像素填充,生成單元位圖.為了保證生成的圖片與投影儀分辨率一致,全屏投影時不至于拉伸變形,需要將切分圖案放在左側(cè),右側(cè)不足的部分填充黑色的背景,生成可供投影的單元位圖.如圖7“圖案填充”處所示,需要對最左側(cè)和最右側(cè)的圖案進(jìn)行填充,使得最終得到的單元位圖寬度均與投影面寬度一致.

4) 單元位圖信息判定.對單元位圖進(jìn)行是否為全黑圖片的判定,并記錄單元位圖中的圖案寬度,如圖7“信息判定”處所示.單元位圖的像素是否全黑的信息可用于判斷當(dāng)前圖片是否需要曝光,若為全黑則無需曝光,可優(yōu)化和加快打印流程.單元位圖的圖案寬度則可輔助計算DLP 投影設(shè)備到達(dá)下一個曝光位置的距離.

模型切片處理后,將得到一個可用于曝光的單元位圖的有序集合b[M ·N]、一個記錄了每個單元位圖是否全黑的數(shù)組f[M ·N]、每個單元位圖中圖案寬度的數(shù)組w[M ·N],這些數(shù)據(jù)將作為錯位拼接打印三維模型的數(shù)據(jù)源.

3.3 基于SS-SEM 的移動拼接成型方法

移動拼接成型方法以模型錯位切分后得到的單元位圖集合b[M ·N]、記錄單元位圖全黑標(biāo)志信息的數(shù)組f[M ·N]、記錄單元位圖中圖案寬度的數(shù)組w[M ·N]以及切片厚度 Δh為輸入,依據(jù)錯位均攤的思想以及3D 打印機(jī)的移動拼接流程,設(shè)計移動錯位拼接成型的方法.打印單元位圖時先獲取待曝光的單元位圖及其信息,計算DLP 投影設(shè)備到達(dá)下一個打印位的距離,并判斷單元位圖是否全黑,若非全黑則控制DLP 投影設(shè)備完成曝光,否則跳過曝光步驟僅移動投影設(shè)備.一層切面包含M張單元位圖,重復(fù)上述步驟M次,直到一層的單元位圖打印完成,然后上抬成型臺面 Δh的距離,為打印下一層做準(zhǔn)備.重復(fù)一層切面的打印過程N(yùn)次直到三維模型打印完成.下面給出移動拼接成型方法的偽代碼.

根據(jù)上述流程,對于成型N層切片且每層切片又被切分成M張單元位圖得到三維模型實體的任務(wù),SS-SEM 方案使用兩層嵌套循環(huán)來完成這個工作.每打印一層切片執(zhí)行一次外層循環(huán),需要打印完所有層,則外層循環(huán)的時間復(fù)雜度為 O(N).對于一層切片的每一個單元位圖要執(zhí)行一次內(nèi)層循環(huán),打印完所有單元位圖,則內(nèi)層循環(huán)的時間復(fù)雜度為O(M).因此該方案總的時間復(fù)雜度是 O(MN).

4 實驗平臺設(shè)計與結(jié)果分析

4.1 實驗平臺設(shè)計

實驗平臺以Tir-DLP4500SL02 紫外線投影設(shè)備為核心搭建,如圖8,設(shè)計了3D 打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制電路等,并開發(fā)了配套的具備三維模型切片預(yù)處理、3D 打印控制的上位機(jī)程序和嵌入式主控器程序.

圖8 實驗平臺Fig.8 Experimental platform

DLP 投影設(shè)備分辨率參數(shù)為800 × 1 280 像素;投影面的尺寸為40 mm × 64 mm,經(jīng)過校準(zhǔn)的屏幕,其投影誤差控制在0.1 mm 以內(nèi).移動拼接方面,使用步進(jìn)電機(jī)配合螺距為4 mm 的絲桿(即轉(zhuǎn)動一圈帶動部件移動4 mm)帶動投影設(shè)備等部件運(yùn)動,并使用2 000 脈沖/轉(zhuǎn)的增量式編碼器檢測部件的移動距離,理論控制精度可達(dá)0.002 mm/脈沖;控制電機(jī)每次運(yùn)動0.05 mm 共10 次,測得總偏差不超過0.02 mm.

4.2 SS-SEM 效果評估

在本文設(shè)計的3D 打印機(jī)實驗平臺上對SS-SEM算法的打印效果進(jìn)行評估,包括模型上表面接縫處理效果的對比分析、SS-SEM 方案對模型側(cè)表面的影響、SS-SEM 方案下模型的整體精度情況以及工件機(jī)械強(qiáng)度的對比.

1)模型上表面效果

模型上表面效果評估實驗選取30 mm × 15 mm ×2.5 mm 的長方體模型,采用無拼接(記作a 方案)、拼接但不處理接縫(記作b 方案)、投影面部分重疊并將重疊像素灰度化(記作c 方案)以及SS-SEM方案(記作d 方案)分別打印模型成品.

模型成品如圖9,從左到右依次為a～d 方案.a 方案成型后是表面較為光滑的一塊,但該方法尺寸不可擴(kuò)展,其成品可作為接縫處理效果的參照物;b 方案誤差在接縫處堆積,呈現(xiàn)出較為明顯的接痕,并且中間拼接的部分非常脆弱易斷裂;c 方案和SSSEM 方案均未產(chǎn)生較大接痕.放大模型拼接處,c方案在投影面重疊的區(qū)域固化硬度略區(qū)別于其他位置,像素點的對接偏差也集中在這一區(qū)域體現(xiàn);而SS-SEM 方案打印的成品接縫處的誤差被均攤到各層的不同像素位置上,上表面的接縫處更自然,在接縫位置顯現(xiàn)出一條不明顯的痕跡.

圖9 幾種拼接方法打印成品對比Fig.9 Comparison of finished products printed by several splicing methods

2)對模型側(cè)表面的影響

測試模型選取高度為7 mm 的窗花模型,其側(cè)表面接縫如圖10,其中上方的模型采用SS-SEM 方案打印,下方的模型采用不處理接縫的方案打印.由圖10 可知,采用SS-SEM 方法時側(cè)面呈現(xiàn)相對較淺的“<”形狀的紋路,而下方的模型接縫堆積在一處呈現(xiàn)為一條較凸出的豎線接縫.SS-SEM 方案使得模型各層接縫相互錯開,模型側(cè)表面的紋路高度明顯降低,表面平順度更好,但接縫誤差分布的區(qū)域也相對更廣.在后續(xù)“整體精度評估”部分,對模型側(cè)面接縫進(jìn)行了定量檢測.

圖10 模型側(cè)表面Fig.10 Side surface of model

3)整體精度評估

整體尺寸精度測量方面,設(shè)計了臺階形評估模型,選取成品硬度更高、表面光潔度更好的LCD-9900 白色光敏樹脂,采用不處理拼接處的方案和SS-SEM 方案分別打印精度檢測件,并使用海克斯康Global 三坐標(biāo)儀器對檢測件的上表面和側(cè)面進(jìn)行開線掃描.掃描的方法如圖11(a).

測量結(jié)果如圖11(b),在側(cè)面的檢測結(jié)果中,采用不處理拼接處的方案打印的檢測件在接縫處存在一個較大的凸起,凸起高度大于0.1 mm,而采用SS-SEM 方案打印的檢測件接縫處的凸起約為0.04 mm,凸起明顯減小;在上表面的檢測結(jié)果中,采用不處理拼接處的方案打印的檢測件接縫處存在深度大于0.2 mm 的縫隙,而采用SS-SEM 方案時縫隙深度約為0.05 mm,上表面接縫處明顯改善.

圖11 掃描方法與測量結(jié)果Fig.11 Scanning method and measurement results

4)機(jī)械強(qiáng)度評估

機(jī)械性能方面,設(shè)計了啞鈴形評估模型(如圖12中的三維模型圖),試驗件截面規(guī)格為(3 ± 0.02 mm) ×(3 ± 0.02 mm),長度為6 ± 0.1 mm.采用三種方案即無拼接方案(a 方案)、拼接但不處理接縫的方案(b 方案)、SS-SEM 方案(d 方案)分別打印8 個啞鈴形評估模型的試驗件,并進(jìn)行拉力破壞試驗,實驗中控制了曝光時間與紫外線后固化時間一致,記錄試驗件被破壞時的平均拉力(去除最大值和最小值并取平均).

圖12 拉力測試Fig.12 Tensile test

實驗結(jié)果如表1,未拼接試驗件的平均破壞拉力為280.7 N,拼接但不處理接縫的試驗件的平均破壞拉力為215.3 N,SS-SEM 方案試驗件的平均破壞拉力為273.9 N.相較于未拼接的試驗件,拼接但不處理接縫的試驗件平均破壞拉力下降超過60 N,降幅達(dá)到23.3%,而SS-SEM 方案試驗件的平均破壞拉力相對下降不到10 N,降幅低于2.5%.

表1 拉力破壞實驗結(jié)果Table 1 Results of destructive tensile tests

由實驗結(jié)果可知,拼接打印的試驗件強(qiáng)度相較于未拼接的試驗件均有所下降,但在僅能采用拼接成型的打印大尺寸模型的應(yīng)用場景中,SS-SEM 方案相較于不處理接縫的方案,可將接縫均勻分布從而減小應(yīng)力集中問題,有效提高了模型的機(jī)械強(qiáng)度.

4.3 實驗對比分析

選取了長寬高尺寸為(26.37 mm,20.49 mm,9.50 mm)(記作V1)的小狼頭、尺寸為(25.00 mm,25.00 mm,10.44 mm)(記作V2)的渦輪以及尺寸為(38.00 mm,14.80 mm,1.50 mm)(記作V3)的文字浮雕STL 模型[17]作為實驗樣例.分別采用無拼接方案(a 方案)、拼接但不處理接縫方案(b 方案)、投影面部分重疊并將重疊像素灰度化方案(c 方案)以及SS-SEM 方案(d 方案)打印樣件,打印結(jié)果如圖13.其中無拼接方法打印模型要求模型的長、寬均需要小于投影面的長和寬.將原模型的長寬高均擴(kuò)大兩倍,超出投影面的尺寸,則僅能采用拼接打印的方法.

如圖13,b 方案不處理接縫打印的模型成品中,局部放大圖可以清晰地看到:小狼頭中間的鼻子處有明顯的接縫,渦輪中間有一條貫穿整個圓筒上下的縫隙,文字浮雕中間有明顯接縫并且底部有部分像素沒有很好地對接上,同時接縫區(qū)域相對脆弱,模型容易沿著接縫處斷裂.而c 方案和SS-SEM 方案打印的模型成品質(zhì)量有所改善,其中c 方案模型成品的重疊部分相較于其他部分更凸出并且存在對接偏差;SS-SEM 方案交接處存在細(xì)微的接痕,相較于其他拼接方案打印的成品更平整,表面質(zhì)量更好.

圖13 打印成品圖Fig.13 Pictures of printed products

模型的具體參數(shù)以及4 種方案打印耗時參見表2.未拼接的方案打印小模型,由于模型尺寸小,切分層數(shù)少,打印用時最短.采用拼接方法打印的模型由于層數(shù)擴(kuò)大為原來的兩倍,且每一層移動的距離變大,耗時變長.

表2 打印成品結(jié)果比較表Table 2 Comparison of printing results

其中SS-SEM 方案每一層根據(jù)錯位切分的原理,最左側(cè)和最右側(cè)兩張單元位圖的圖案寬度和為一個投影面的寬度,因此相較于不處理接縫的方案,每一層多成型一張單元位圖,但隨著一層拼接次數(shù)增多,多出來的時長占比逐漸減小.投影面部分重疊的方案,根據(jù)重疊部分的寬度,實際的投影尺寸減小,相較于不處理接縫的方案,單元位圖的數(shù)量也將增加.但是,相較于部分重疊的方案,SS-SEM方案在切片處理過程中無需對單元位圖進(jìn)行像素灰度編輯,切片時間有所減少.

5 結(jié)論

針對基于DLP 技術(shù)的3D 打印機(jī)成型尺寸較小的問題,采用移動拼接的方法,通過移動DLP 投影儀擴(kuò)大投影范圍,打破DLP 投影儀對3D 打印機(jī)成型尺寸的限制.針對由于屏幕畸變、安裝誤差導(dǎo)致的采用移動拼接方法打印模型會出現(xiàn)接縫的問題,基于錯位均攤的原理,提出了SS-SEM 算法:首先使用垂直于Z軸的平面將模型均勻切片得到N層切片的切面位圖,并對切面位圖進(jìn)行錯位切分,每一層切面位圖得到拼接位置與相鄰層錯開的M張單元位圖并記錄單元位圖的信息,單元位圖的有序集合及其信息構(gòu)成了移動錯位拼接成型的數(shù)據(jù)源;其次采用移動錯位拼接成型的方法,根據(jù)單元位圖的信息定位其曝光位置,控制投影儀沿著X軸移動,實現(xiàn)單元位圖的錯位成型;最后逐層疊加固化膜可生成三維模型的實體.

使用了多組三維模型對SS-SEM 方案的效果進(jìn)行評估,由實驗結(jié)果可知,SS-SEM 方案打印出來的模型不會出現(xiàn)明顯的接縫區(qū)域,僅在成型的模型表層(常見厚度如0.05 mm)出現(xiàn)一條不明顯的接痕,模型成品的表面更平整,表面質(zhì)量更好.錯位的方法讓接縫誤差不會在一處累積,相較于未處理接縫處的模型成品,SS-SEM 方案打印出來的模型應(yīng)力集中問題有所改善,機(jī)械強(qiáng)度也有所提高,達(dá)到了提升模型整體質(zhì)量的目標(biāo).

此外,SS-SEM 方案具有良好的可擴(kuò)展性,當(dāng)需要打印更大幅面的模型時,僅需要增加DLP 投影儀移動的次數(shù).具體的改動為:機(jī)械設(shè)計上擴(kuò)展DLP 投影儀移動范圍以及成型臺面大小;軟件上切片預(yù)處理程序給出了參數(shù)配置接口、重設(shè)切片塊數(shù)等參數(shù).