DLP面扫描技术光源系统改进设计研究

蓝志坚

（广东丽格科技股份有限公司，广东 广州 511325）

0 引言

DLP 面扫描技术光源系统的组成结构相对比较复杂，属于3D 打印机光机的核心部件，由于传统的3D 打印机光源系统受到许多因素的限制，因此存在一定的不足之处，例如操作不够便捷以及打印出来的作品质量欠佳等，该文所提出的基于DLP 面扫描技术的光固化3D 打印光源系统的改进设计可以有效弥补上述缺陷，是一种新型的3D 打印机光源系统设计方法，值得被广泛地推广应用，相关3D打印机设计行业的工作人员可以借鉴该方法，进一步对3D打印机构造设计进行优化。

因为DLP 面扫描技术具有快速投影显像以及精度高的优点，所以自研发以来，该技术就得到了广泛地推广应用，其中在3D 打印作业中发挥了十分突出的作用。但是，在DLP 投影显像技术的应用过程中，也存在一定的不足之处，例如精度会受到光机分辨率的影响，从而导致出现投影面积越大、精度越差的现象，如果光机的分辨率不能得到有效保障，那么3D 打印机所印出的成品幅面以及打印清晰度都会受到影响，这在很大程度上制约了DLP 技术在3D 打印机领域中的应用水平。为了突破该技术难点，提高3D 打印机的应用质量，开展针对DLP 面扫描技术光源系统的研究是十分必要的[1]。

1 DLP 面扫描技术工作原理及原有技术应用问题分析

1.1 DLP 面扫描技术应用于3D 打印的工作原理

从技术实现原理方面来看，该文所提出的DLP 面扫描打印光源系统主要是由多个光机拼接而成，4 个光机为1 个单元，通过物理拼接，并采用软件融合技术，能够根据打印幅面的实际需求进行灵活调整，该系统的改造主要是对目前市场上现有的DLP 光机（405 波长紫外光源）进行优化而实现的。从具体工作原理上来看，该文所提出的DLP 面扫描打印光源系统具体构成如图1 和图2 所示。

图1 具有基于光固化技术的3D 打印光源系统的3D 打印机的简易图

图2 一种基于光固化技术的3D 打印光源系统的结构图

单个光机2（405 波段的光源系统）在3D 打印机中的作用是将模型的轮廓（图像）转化为光信号，并投射到模型工作台的光敏树脂上，光敏树脂在405 紫外光的作用下固化成型。单个光机在分辨率不变的条件下，投射幅面是一定的，该系统是通过4 个光机拼接组合为1 个单元（如图2 所示），从而达到扩大幅面的目的，在实现该系统时，需要先通过物理拼接的方式，将4 个光机固定在固定底板1 上，然后将系统预设的方框图的光信号投射到3D 模型工作台，控制终端7 根据聚焦图像采集仪6 采集方框图，观察方框图中间位置的拼接效果，通过移动光机的相对位置，实现对拼接图像的粗调。因为图像都是由光点组成的，所以在控制终端可以放大拼接位置的图像，观察每个光点的结合重叠效果，通过控制终端的电路设计和程序控制，移动光点的位置，调整重叠光点处的灰度值（软件融合），实现对拼接处的微调。结合处的光点拼接到位，最终实现扩大幅面的目标，组合成四倍单光机幅面的光源系统。

1.2 DLP 面扫描技术应用于3D 打印的问题分析

3D 打印机的光机聚焦距离、聚焦幅面以及光机分辨率是影响打印模型精度和打印幅面大小的关键因素，常规的光固化3D 打印机光敏树脂的紫外光的最佳波长范围为365 nm～405 nm，如果固化光源使用白光汞灯，那么其光源中紫外光的含量比较少，因此固化效果不是很好，亮度也不是非常均匀，还容易产生大量损耗，特别是单光源光机受到分辨率的限制，聚焦幅面和精度难以达到良好的平衡状态。而且常规3D 打印机固化光源系统拼接部分独立光机的空间位置一般都是固定不变的，基本不能实现各路光机同时达到相同聚焦效果的目标，最后得到的聚焦图形参考价值不高，通常情况下都需要通过人为目测进行位置调整，但是拼接聚焦操作的难度较大，这需要打印人员有非常熟练且专业的技术水平才可以完成工作，因此一直以来3D 打印技术的应用就存在一些未能得到有效解决的质量通病[1]。

1.3 DLP 系统光源改造的必要性

DLP 是Digital Light Processing 的缩写，即数字光处理，先对影像信号进行数字处理，通过光源系统转换成光信号，再把光投影出来。首先，在DLP 光源系统中，光源是决定整个系统图像质量的最直接因素，例如光源亮度、均匀度以及对比度等都是整个系统光能的提供者。其次，光源还决定DLP 系统的稳定性，即光源发热量越大、温度越高，对整个系统稳定性的影响就越大。在DLP 系统的发展前期，由于其稳定性无法得到保证，因此很多系统不得不设计成双光源系统，以此来保证整体系统的稳定。再次，光源也决定DLP 产品的维护周期，由于光源系统的特性，因此光源系统都有一定的衰减周期，而每个产品的衰减周期是相对不可控制的，这样就会造成客户在使用一段时间后，产品的色彩和亮度都会出现比较大的变化，需要对其进行定期维护。最后，光源也决定DLP 产品的维护成本，不同光源的DLP 后期需要的维护成本也会产生很大的差异。由于光源技术发展的成熟度以及使用寿命都存在差异，因此在后期维护时，需要更新的原器件价格和更新频率也不尽相同，这样就造成维护成本存在差异[2]。

单光源系统的分辨率和最大曝光幅面会随着技术的发展不断地提高或增加，但在一定时期内，市场对打印精度和打印幅面的需求的变化是相对较快的，现有的的针对单光源系统的拼接优化改造技术可以灵活地扩充打印幅面，满足不同的市场需求，因此该改造技术具有很大的市场价值。

2 DLP 面扫描技术3D 光源系统改进设计方案

基于数字投影技术（DLP）的光固化3D 打印机的构件主要包括模型工作台、材料槽、升降机构以及光源系统，根据对打印精度的要求，通常会采用切片软件按模型摆放位置的垂直方向将3D 模型分割成N个薄片，光源系统按顺序将切片的轮廓转换成光信号，并投射到材料槽里的光敏树脂上，光敏树脂在特定波长的光作用下，固化成对应切片轮廓的单片固体模型，并粘附在模型工作台上；然后升降机构将模型工作台提升一个切片厚度的距离，这样粘附在模型工作台的固化模型薄片与材料槽之间会有一个切片厚度的液态光敏树脂，在软件的控制下，将第二个切片轮廓光信号投射到材料槽底部，上一个固化模型与材料槽底部的液态光敏树脂在光的作用下，固化成对应切片轮廓的固体，并与上一个切片的固体胶粘重叠，以此类推重复上述动作，直到所有切片全部固化层叠，完成3D 打印任务，最终成形3D 模型。在该过程中，能打印的模型的最大尺寸和打印精度是由光源系统的分辨率和最大曝光尺寸所决定的，光源系统（核心单元一般称为光机）的主要作用就是生成打印物的平面轮廓固化光源。就像常用的投影机，一般投影机都有固定的分辨率，在分辨率不变时，都有固定的最大投影面积。光机的分辨率越高，其最大投影面积就越大，能生成的轮廓图像也就越清晰，面积也越大，因此最大打印精度和最大打印尺寸对光源系统有重要影响。

2.1 改进后的DLP 面扫描技术3D 光源系统构成及作用说明

该文所述的改进后的设计方案为DLP 面扫描光固化技术3D 打印光源系统，具体由以下4 个构件组成：1）聚焦图像采集仪。2）控制终端。3）固定底板。4）光机组件。其中光机组件最少设置2 个，由光机和竖向板组成，该文采用4 个2×2 的单光机进行拼接，因此光机和竖向板的数量均为4 个，但是后期可以根据实际需求进行增加。光机组件安装在固定板上，并设置一一对应的导轨。T 型竖向板就是通过导轨滑动安装在固定板上（可以实现Z轴方向移动）；光机则通过导轨互动安装在竖向板上，并沿着竖向板的垂直方向进行移动，实现远离或靠近固定底板的效果。导轨部分的具体设计形式为2 个凹槽结构，操作人员可以根据实际作业需求，分别使用不同的凹槽和竖向板自由移动光机，竖向运动开始是采用手动操作，由于数据采集和位置锁止的需要，后期加了4 个驱动电机，自动精确控制光机的竖向移动。

竖向板设计为T 型样式，主要由竖板和横板构成，其中竖板的一端固定安装在横板的中间部位，另一端则用螺丝与横板的一端进行连接后安装在一个凹槽中，横板的另一端安装在另一个凹槽。这样设计的原因是经过测试发现，该结构稳定性较强，在打印机运行使用过程中所形成的光机照射幅面波动性较小。由于该文选用的单光机分辨率为1920×1080 dpi，凹槽在固定板上的横纵两个方向设计比例为16︰9 的滑槽，其中横向为固定板的长边方向，纵向为短边方向。设置凹槽的主要目的就是为了便于T 型竖向板朝XY方向移动，这样工作人员就可以灵活调整光机的位置，进而改变光机的照射位置。凹槽的横向和纵向比例参数的设置主要是参照光机的分辨率，凹槽与选用的光机分辨率相匹配，因此将凹槽在固定底板上的比例设置为16︰9 是比较合理的，光机是用导向螺丝固定在凹槽内的，因为在设计该凹槽时，XY方向是按比例设计的，所以在凹槽的导向作用下，光机在XY方向也会按该比例进行移动[3]。

通过以上结构可以实现光机单元在XY方向的位置调节，结合图像采集系统采集到预设的拼接用标定图框，直观显示拼接效果，移动每个光机的相对位置，实现4个光机拼接处的物理粗调。通过图像采集系统的软件放大图框，观察拼接处每个像素点的位置，移动像素点的位置，调整光点的灰度值，实现对拼接处的精细调节。该文所述的DLP 面扫描光固化技术3D 打印光源系统还包括2 个主要构件，分别是聚焦图像采集仪和控制终端，二者通过电性进行连接。其中控制终端是由计算机控制的，光机和控制终端也通过电性进行连接，并且光机会负责把控制终端传递出来的信号转化成光信号，并投射到相应的3D 模型工作台上。此时，聚焦图像采集仪对每个光机投射出来的光信号进行捕捉采集，然后再次转化为图形信号反馈给控制终端，控制终端最后按照指令转化展示图像。在拼接采集数据时，会预设适当的采集点，采集拼接漂移值，并绘制漂移曲线，通过系统算法，补充结构加工和物理安装的误差，使拼接精度更加精密。

2.2 改进后的DLP 面扫描技术3D 光源系统优势特征

对DLP 面扫描技术3D 光源系统改进发明进行测试分析后发现，该系统具有以下7 个优势：1）光机组件方面。拼接前对单光机的亮度、输出功率以及投射距离进行精确测量和优化，改进后进一步解决了单光机组件自身技术指标不稳定的问题。2）控制终端方面。采用图像采集系统、Z轴移动自动控制以及误差补偿等一系列措施，使技术人员可以对拼接动作进行可视化控制，操作简单，且拼接精度更有保障，进一步解决终端选取的技术问题。3）竖向板方面。T 型竖向板在固定光机的同时，通过固定竖向板的销钉在凹槽的移动，进一步解决设置竖向板的技术问题。4）导轨结构设计方面。结合驱动电机自动控制光机在垂直方向的移动，进一步解决了T 型板的滑动安装、位置锁止及聚焦微调的技术问题。5）凹槽在固定底板设置方面。按照光机分辨率的长宽比例开设凹槽，进一步解决了调节光机移动方向的技术问题。6）解决在现有单光机分辨率不变情况下扩大打印幅面的问题。7）可以根据市场需求灵活扩充打印幅面。

3 DLP 面扫描技术3D 光源系统改进成果分析

该DLP 面扫描技术3D 光源系统改进设计方案成果显著，与市场上既有的3D 打印设备相比，该系统的主要成果在于以下3 点：1）首先，该系统的3D 打印机光源系统有效实现了优化拼接效果的目标，通过设置聚焦图像采集仪，完成对每路光机图形电信号的采集；其次将电信号传输给计算机，通过给软件设定参考标准网格，对打印出来的成品进行比对；最后，通过调整光机凹槽，实现光机空间位置的线性移动，让3D 打印机光机拼接的物理效果得到提升。2）该系统还通过软件融合技术实现了对拼接处像素点（即光点）的精细调节，突破了单光机系统投射幅面的技术制约。3）该技术可以根据市场对打印幅面的需求，灵活拼接、扩充打印幅面，当单光机分辨提高时，升级拼接单元，从而提高整体打印精度。该改进技术可以让目前3D 打印机的应用范围更加广阔、作业质量更加优质，有利于进一步促进3D 打印技术的推广[4]。

4 结语

该文基于DLP 面扫描技术所开发的3D 打印机光源系统最终取得了值得肯定的成绩，该系统同时也获得发明专利ZL2016 1 0650106.5。在该设计改进过程中，不仅积累了大量关于DLP 面扫描技术3D 光源系统设计的经验，而且还有效实现了对设计方案的创新优化，进一步提高了3D 打印技术的应用水平，这对我国在该领域的技术研发工作来说，也是一项重大突破。该设计可以被广泛应用于其他类似项目的设计中，为3D 打印机光源系统的进一步改进提供了可靠的参考案例，具有非常突出的实际价值。