基于DLP投影技术的3D打印机原理

张妹玉 / 闽江学院物理学与电子信息工程系

基于DLP投影技术的3D打印机原理

张妹玉 / 闽江学院物理学与电子信息工程系

为了解决3D打印技术无法批量生产与打印精度较差的问题，本文研究了采用DLP投影技术与3D打印技术相结合的全新打印方案。DLP投影技术的优势在于投影分辨率高，打印出来的成品过度平滑，完全可以满足对零件精度的要求。并且，通过对打印系统的剖析与实际打印效果来看，DLP3D打印机因其打印方式的创新，完全可以胜任大批量生产的要求。同时，DLP3D打印机也存在一些不足之处，比如材料单一问题和成品强度问题等等，并对其中几点提出了改进方案，对DLP3D打印机的发展具有借鉴意义。

DLP投影技术；3D打印

1.引言

3D打印技术又被称为增材成型技术、堆积成型技术，是一种利用物理、化学、机械等方法有序添加材料从而堆积成型的制造方法。3D打印技术与传统成型工艺的主要区别在于采用快速成型系统与计算机数据模型相结合的方法，在无需任何其他辅助手段的情况下，就能够以更短的生产周期、更少的生产成本制造出各种形状复杂的产品原型[1]。

区别于经过切割与模具塑造等方式来制造产品的传统制造设备，3D打印机以层层堆积成型的方式来形成实体产品，全面诠释了数字化制造的概念。当人们需要制造具有内部凹陷或着具有互锁部分的物体时，3D打印技术与生俱来的优势就会得以充分展现。3D打印技术最少包括下列六个方面的优势：(1)高复杂度、多样化物品的生产将不会増加成本；(2)产品无需组装、缩短交付时间；(3)制作技能门槛降低、设计空间无限；(4)不占空间、便携制造；(5)节约原材料，并可无限组合各种材料；(6)精确的实体复制。与此同时，3D也存在一些劣势：(1)材料性能差，产品受力强度低；（2）可供打印的材料有限，且成本高昂；(3)制造精度问题。

为了解决3D打印技术无法批量生产与打印精度较差的问题，本文研究了采用DLP投影技术与3D打印技术相结合的全新打印方案。DLP投影技术的优势在于投影分辨率高，打印出来的成品过度平滑，完全可以满足对零件精度的要求。并且，DLP投影能够投影的波长范围广，使其具有兼容不同种类打印材料的能力。正因为DLP3D打印机所具有的种种优点，全面认识和研究DLP3D打印机将具有深远的实际意义。

2.3D打印的基本过程

不管采用哪种技术来实现3D打印，其技术都具备一些共同的特点：首先需要对打印物体建立数字模型；然后，根据层的厚度，对层进行处理，以产生一维截面信息；接着根据各层的截面信息以及工艺特点，制作出一维截面的形状；重复生成一维截面，并逐层，最后形成一个三维实体。每一层的厚度可以是相等的或不等。分层越薄，打印出的物体精度便越高；分层越厚，则打印完成消耗的时间越短。3D打印过程中通用的八个步骤：第一步，通过合理的构思，在CAD软件上创造出所需要打印的三维模型并进行合理性验证；第二步，将CAD文件导出为STL模板，再仔细进行检查；第三步，将STL文件转换成打印机能够识别的指令文件(G文件)；第四步，将3D打印机的机械部分调试完毕，并加入打印原材料；第五步，向打印机导入(G)文件并开始打印，期间不时观察打印情况；第六步，从打印几种移出打印完成的产品，同时注意人身安全；第七步，进入后期加工阶段，如持续固化、打磨等等；第八步，检测产品与设计是否有较大出入，有物缺陷并提出改进措施。

3.DLP投影技术

DLP即“Digital Light Procession”(数字光处理)，是一种数字化影像处理技术。核心处理单元是DMD芯片，即 “Digital Micromirror Device”(数字微镜元件)。其原理是通过LED灯发出的冷光源通过聚光镜，通过杆（棒）将光均匀化，再通过色轮将光束分开成RGB三种颜色。一些生产商使用BSV液晶拼接技术的镜片过滤光线传输，将光线投影到DMD芯片上，最后通过投影透镜在投影屏幕上成像[2]。

4.基于DLP投影技术的3D打印机系统组成

本文采用DLP投影技术的3D打印机系统框图如下图1所示。

图1 基于DLP投影技术的3D打印系统框图

电脑（PC）通过USB连接线与主控芯片——单片机（MCU）进行数据交换，单片机则将结果反馈给电脑，或者将U盘与单片机连接，使得单片机能直接读取打印控制数据。另一方面电脑通过HDMI/VGA视频接口将切片文件发送给DLP投影仪以便将打印数据逐层投影。控制信号与切片文件接收完毕后进入等待，液晶(LCD)面板显示“Print Ready！”。此时须按下打印开关，单片机发送驱动信号给步进电机，抬升平台开始活动。与此同时DLP投影仪输出第一张图像。当DLP投影仪输出最后一张图像后，打印平台抬升，液晶面板显示“Print End”，准备下次打印。

5.实际打印过程中遇到的一些问题及解决办法

(1)反射镜改进：一般用途的镜子的反射层镀在玻璃后面，这必然会导致重影或分辨率降低。改进的方法是在玻璃表面镀上银或铝反射层，使得DLP投影仪的投影光线在改进后的反射镜上只产生一次反射，从根本上消除打印重影，并且能显著提高打印的分辨率。(2)增加工作台粘性：如果工作台的粘性不强，则很有可能导致打印机工作时打印物件的掉落。解决办法：将工作台与打印物件相接触的表面刻上划痕，使工作台表面更粗糙、更富粘连性。(3)提升材料强度：刚刚打印出来的物件虽然具有了一定的形态，但还不具备实用的强度。在使用的过程中会导致树脂剥离。改进方法：将打印成型的物件放入UV固化燈箱进行进一步固化成型。(4)提高光敏树脂利用率：由于工作台打印开始需浸没在光敏树脂当中，抬升的过程中总会带起一部分光敏树脂，使这部分光敏树脂无法被充分利用。解决办法：在工作台上打孔，使光敏树脂充分回流到材料池中。

6.总结

随着我国3D打印产业的发展，越来越多优秀的人才将投入其中，像DLP3D打印这样的新型打印技术将不断涌现，3D打印所面临的种种困难也终将被解决，3D打印技术所带来的种种好处也将充分造福人类。

[1]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012，(26)：1-3.

[2]李丹，薛芸芸，曹雯.基于微透镜阵列的DMD芯片投影系统照明优化[J].光学学报，2013，33(1)：1-4.