一种一次成型的多面LCD光源3D打印装置设计

孙慧超 耿浩棒 陈少康 吉翔宇 杨家林

摘 要

文章针对一种一次成型的多面LCD光源3D打印机的设计，包括支撑框架、光源系统、投影装置和投影装置运动机构，该打印机通过把LCD光固化3D打印技术和一次成型的3D打印技术结合起来，从而兼顾了LCD打印的高精度与一次成型的高效率的优点[1]。

关键词

高精度;高效率;LCD

中图分类号： TG659          文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.047

Abstract

The paper is aimed at the design of a multi-sided LCD light source 3D printer with one-shot molding，including support frame，light source system， projection device and projection device movement mechanism.The printer combines LCD light curing 3D printing technology with one-shot 3D printing technology.Therefore，the advantages of high precision of LCD printing and high efficiency of one-shot molding are taken into consideration.

Key Words

High accuracy;High efficiency;LCD

0 引言

3D打印技術的一个主流分支是光固化打印技术，它是利用紫外光束照射液态光敏树脂后，使发生光聚合反应继而固化的原理，使材料逐点或逐层累加成型。光固化打印技术主要分为SLA、DLP和LCD投影技术。其中LCD和DLP投影技术的一个共同特点是图像发生器的像素数决定了3D打印的尺寸和精度，由于是通过投影镜头将图像发生器的图像投影到光敏树脂上，因此，3D打印的像素数与图像发生器的像素数相同，例如实现的打印精度，一种常用的图像发生器的像素1280×800，则打印尺寸为128mm×80mm。而高像素的DLP和LCD，尤其是DLP，价格昂贵，限制了DLP和LCD投影技术[2]在大尺寸打印中的应用，或只能降低打印精度来实现较大尺寸的打印。

为了解决这一系列问题，本文基于LCD[1]光固化3D打印技术和一次成型的3D打印技术进行结构设计与控制系统设计，设计出一款可以瞬间打印出精度更高，尺寸更大的打印机。

1 工作原理

3D打印机的工作原理：如图1所示，保证四面反射镜与水平面夹角为45°，同时限定投影机构的摆放位置固定。通过计算机控制图像程序在LCD 显示屏上显示出图像信息即为选择透过的区域，部分光线直接向上，其余光线经过四面侧面反射镜的反射而水平射出，光线汇聚的地方光敏树脂固化，其余地方则不固化。从而瞬间打印出工件，即为图中加深的部分。如图2所示为打印机的实体模型图，将光源系统，投影系统，机构运动系统集成起来，并设计合适的图像控制系统从而搭建一台3D打印机。

2 打印机的结构设计

2.1 光源系统结构设计

如图3所示，所述光源系统由UV光源 1，凸透镜2，支撑杆 3，菲涅尔透镜4，下偏振膜5，LCD 显示屏6，上偏振膜7组成，在显示屏驱动电路的驱动下，由计算机程序提供图像信号[3]。在液晶屏幕上出现选择性的透明区域。在UV 光源的照射下，液晶屏幕的图像透明区域对紫外光阻隔减小，在没有图像显示的区域，紫外光线被阻挡。激光显示屏上反映打印件三视图信息。可以固化液态树脂8，从而在上下移动的零件托板9上打印出工件。

2.2 投影机构结构设计

如图4所示，打印平台的投影机构由四块反射镜10以及上角套11和四个下角套9组成，上角套通过螺栓12固定在悬臂梁13上，下角套用于保证四面反射镜与水平面夹角为45°以及限定投影机构的摆放位置。LCD显示屏上的图像信息通过四面反射镜反射向内部，其中四面光线叠加的地方固化，其余地方不固化，可瞬间固化树脂形成打印件。

2.3 投影机构运动结构设计

如图5所示，投影装置的运动机构[3]主要由步进电机15，上下轴承20、16，丝杠17，螺母19，导轨18，悬臂梁12，组成。投影机构通过螺栓12固定在悬臂梁13上;步进电机15为其提供动力，使得螺母19在上下轴承20、16之间上升，同时带动悬臂梁13在导轨18内上下移动。

3 控制系统设计

该控制系统是基于vs2017的C++的3D模型处理系统，该系统的工作流程：

（1）首先，通过三维软件设计三维立体模型，以STL格式保存。

（2）将STL模型沿指定方向投影获取二维视图[4]（三视图）的算法较为成熟，可以利用三维实体造型库Open CASCADE提供的结构函数[5]来实现三视图的获取。

（3）按照模型的复杂程度进行定时设置，固化树脂。如图6所示，可以通过所示三视图经一定时间固化后打印出相应的三维模型。

4 结束语

本文设计了一种多面LCD光源3D打印机，采用了一种三角金字塔的投影机构，同时借鉴了一次成型3D打印技术的工作原理，改善了LCD打印速度慢，打印尺寸小的缺陷。并制作了试验机，成功的打印出工件。后续还会一步调试机器，测试各种打印参数，测试更多打印材料，为进一步提高设备精度和效率提供更多数据支持。

参考文献

[1]史玉升，张李超，白宇，等.3D打印技术的发展及其软件实现[J].中国科学：信息科学，2015，45（2）：197-203.

[2]张超，马文茂.DLP光固化3D打印关键技术研究[J].航空科学技术，2018，29（4）：47-51.

[3]曲兴田，闫龙威，孙慧超，等.打印平台可翻转的3D打印机装置结构分析[J].吉林大学学报（工学版）， 2017，47（5）：1489-1497.

[4]孙家广.计算机图形学（第3版）[M].北京：清华大学出版社，1998.393～399，401～ 403.

[5]牛标，魏志刚.基于Open CASCADE的三维建模软件的开发[J].机械工程师， 2013（03）：52-54.