双成型装置光固化3D打印机的设计

万海鑫　马思远

【摘 要】随着个性化产品的需求提高，同时产品研发速度要求的提升，3D打印技术在工业生产中的需求越来越旺盛。光固化3D打印技术作为最成熟的3D打印技术，其市场占有率很高，但是当前光固化3D打印机因其技术限制，存在一些问题，本文将两种技术的3D打印成型原理进行融合，让两者发挥优势提升成型效率和表面质量。希望本文能够为读者提供借鉴，以提高3D打印机成型效率。

【关键词】3D打印；光固化；sla技术；dlp技术

中图分类号： TM933.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0039-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.017

0 前言

随着我国的科学技术的飞速发展，很多新兴的技术都逐渐融入到我们的日常生活中，例如虚拟现实技术、大数据信息技术以及我们今天要着重提到的3D打印技术，它们的出现对于人类生活水平的提高将会有着非常重要的影响。目前常用的3D打印机有多种原理，本文将设计一种新型的光固化3D打印机，其在打印效率和打印质量上都有一定的提高。

1 3D打印技术基本介绍

1.1 定义及原理

顾名思义，我们传统的打印技术是2D平面的效果，利用纸张来呈现，而3D打印技术是凭借空间的立体模型来将设计者所设计的图纸展现出来，这个过程所需的时间非常短暂，并且不需要雕刻传统立体模型所需的刀具等，过程简单，操作也不复杂，这为很多设计者创造了设计更多复杂模型的便利条件，减小了对其设计的约束，释放了更大的创作空间，所以这项先进的科学技术是非常值得我们所肯定以及推崇的。

1.2 基本分类及优劣势

由于使用耗材不同，成型原理不同、使用场景不同，所以3D打印技术有多种分类，常见技术主要有熔融挤出原理（FDM）、立体光固化成型（SLA）、激光选区烧结和激光熔融（SLS、SLM）、三维印刷（3DP）、喷墨树脂等。立体光固化成型是最早3D打印原理，也是最早应用于市场的，按照其具体实现形式，又分为SLA、DLP、LCD三种。

SLA技术是Stereo lithography Apparatus的简称，即为立体光成型，一般使用405nm的点光源作为固化光源，再使用移动装置使光源运动，让光源点动成线的照射在树脂上，从而固化树脂。本技术缺点：点光源运动，速度慢，如果固化一个平面，需要点光源到达任何位置。本原理设备的优点是点光源流畅运动，打印件表面质量较好。

DLP是“Digital Light Processing”的缩写，即为数字光处理，本技术应用于投影机上，将图像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于数字微镜元件——DMD（Digital Micromirror Device）来完成可视数字信息显示的技术，光源通过色轮后折射在DMD芯片上，DMD芯片在接受到控制板的控制信号后将光线发射到投影屏幕上。DMD芯片外观看起来只是一小片镜子，被封装在金属与玻璃组成的密闭空间内，事实上，这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。由于像素与芯片本身都相当微小，因此业界也称这些采用微型显示装置的产品为微显示器。由于光源采用了UHP灯泡，所以含有大量的紫外线，而光源通过DMD芯片只是反射，紫外线很好的保留下来，因此DLP装置射出来的面光源含有大量的紫外线，而这些紫外线能够固化树脂，实现3D打印，本技术的缺点是：表面有微小平台，表面质量不好。

2 优化设计

将SLA技术和和DLP技术结合，发挥两者的优势，SLA负责打印表面、DLP负责打印内部，达到既能够快速打印、也能够提高表面质量的目的。

2.1 机械安装

为了让两种原理的成型设备都工作，本项目将两种成型原理单独安装，DLP成型装置装在前面，采用一块激光反射镜，将水平影像向上反射。激光及振镜系统安装在右侧，采用另一块激光反射镜将激光向上反射。通过两面镜子的反射，可以将水平放置的两个设备发出的光变成竖向。本设备是一个小型设备，采用倒置打印，树脂槽底部成像，通过上述的两块镜子，可以将两套设备发出的紫外光照射到料槽底部，从而实现两套成型设备同时工作。

2.2 两种成型装置图案校准

为了保证两者工作图案重合，设备设置了多个调节装置。①每块激光反射镜都有调节装置和锁紧装置，可以对激光反射镜的位置、角度进行调节；②DLP投影设备可以进行尺寸调节、失真调节、光强度调节及网格显示；③激光器可以进行强度调节、激光振镜可以进行角度调节。同时给一个测试程序，让激光产生一个特定的网格，通过调节激光振镜的驱动电源电位器，可以调节激光振镜的电压值，进行失真调节。

通过上述的调节装置，可以让两个投影设备发生的影像重合。一般设备在安装好之后调整一次即可，若机器出现影像偏移，需要二次调节。通过总结，本设备的调整方法是：①将DLP装置的图像进行失真调节，使用尺子测量DLP影像四边长度、对角线长度；②使用软件发送网格，通过尺子测量网格尺寸调节DLP影像尺寸；③打开激光及振镜系统，编写一个程序，让激光形成一个带十字中心线的正方形，通过镜片调节，使激光十字中心与DLP影像中心重合；④使用尺子测量激光网格，通过电位器调节，保证测量值与编程值一致；⑤固定各调节装置，保存调整参数。

2.3 两种成型装置控制融合

在控制方面，笔者先后采用采用了两套方案。

方案一：本系統的两套控制系统采用串口连接，DLP控制软件运行在电脑上，SLA控制系统运行在arduino DUE中，Z轴由arduino DUE控制。若要打印一个模型，模型需要在电脑上使用软件Creation Workshop软件切片，切片数据由DLP系统使用；同时模型还需要Simplify3D软件切片，切出来的G代码由arduino DUE执行，并应用在SLA成型系统上。Creation Workshop软件设置层间发送G代码M190给一个arduino uno，该控制板收到M190后解释，发送D8高电平给arduino DUE，arduino DUE收到该高电平信号后进行下一层动作。

方案二：上述方案研究成熟后，发现有个弊端，就是电脑需要长时间打开，并且不能休眠，不利于节能。方案二主要研究脱离电脑（脱机）及远程控制方面，经过长时间的尝试，本系统采用Raspberry Pi 3替代电脑，Raspberry Pi 3使用ubuntu16.04操作系统，在该操作系统内安装nanodlp控制软件，方案二控制原理如图2所示。

Raspberry Pi 3本身计算能力就很强，通过nanodlp软件，其本身就能够切片，通过网络将stl模型发送给Raspberry Pi 3，其切片后控制DLP成型装置工作。同一个模型使用电脑软件Simplify3D切片后，将切片的G代码发送到USART HMI（串口屏幕）的TF卡上。当打印每层的时候，Raspberry Pi 3通过GPIO.0接口向arduino DUE发送高电平指令，其arduino DUE的D8接受到高电平指令后立即执行新的一层打印，保证两套系统成型为同一层图像。

3 结论

综上所述，通过SLA技术和和DLP技术结合，发挥两者的优势，使两者各有分工，达到既能够快速打印、也能够提高表面质量的目的。通过验证机的制作，上述技术方案可靠有效，能够实现。通过该技术的扩展研究，能够将该技术应用到树脂+陶瓷、树脂+金属粉末等3D打印技术中。由此可见，该技术具有一定的前景。

【参考文献】

[1]万海鑫.基于3D打印技术的机械零件创新自由设计初探[J].电子制作，2018，（02）：119-120.

[2]桂亮，金悦，赵卫军，郭婷，张俊.3D打印技术在创客实践教学环节中的应用[J/OL].实验技术与管理，2016，33（10）：181-184.

[3]黄烽坚，封小影，黄昊.3D打印技术应用前景展望与分析[J].中国卫生质量管理，2014，21（02）：53-55.

[4]李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（01）：1-5.

[5]郭振华，王清君，郭应焕.3D打印技术与社会制造[J].宝鸡文理学院学报（自然科学版），2013，33（04）：64-70.