郭 飛，梁 園，楊朝航，高 陽

(北方民族大學機電工程學院，寧夏 銀川 750021)

軸動式激光固化3D打印技術的研究與實踐

郭 飛，梁 園，楊朝航，高 陽

(北方民族大學機電工程學院，寧夏 銀川 750021)

3D打印技術出現(xiàn)在20世紀90年代中期。作為一種新興的快速成型技術，該技術極大地推動了數字制造產業(yè)的發(fā)展，在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造。對目前3D打印的幾大分類作了簡單的梳理，并就普及程度較高的熔融沉積制造(FDM)技術和精度較高的光固化立體成型(SLA)技術進行了簡單的介紹與重點比較。在此基礎上提出了軸動技術和SLA技術整合的可能性探討，即軸動式激光固化3D打印技術。討論了以上兩種技術整合所帶來的新的交叉機型的優(yōu)勢及其目前的發(fā)展狀況,并基于該原理進行了積極的實踐，設計了一款原型機。該機型為軸動式激光固化3D打印技術提供了更好的普及平臺。由于3D打印的特殊性及SLA技術高精度的特點，個性定制的優(yōu)勢將在新的交叉機型中得到更好發(fā)展。

智能制造； 數字化； 3D打??； 軸動式； 光固化立體成型； 誤差

0 引言

3D打印是一項近年來興起的制造技術。美國《經濟學人》雜志認為其與其他數字化生產模式一起推動了新的工業(yè)革命，并因此受到了工業(yè)界和資本界的廣泛關注。3D打印技術的出現(xiàn)，使得個性化物品的定制變得更加簡單，推動了禮品、設計、藝術等行業(yè)的積極發(fā)展，使人們在制造復雜形狀的工件或者物品時不再依賴復雜的工序或高端的四軸、五軸機床，減少了技術驗證、生產制造等環(huán)節(jié)的時間，也降低了個性化產品和復雜度較高工件的生產成本。經過30年的發(fā)展，3D打印產業(yè)作為朝陽產業(yè)，必將迎來更廣闊的前景。

1 3D打印的種類

目前，3D打印的主要成型思想是堆積和黏合制造，通過一個個有厚度的、平面的有效和近似切片來獲得最終的模型。切片的操作和微分運算原理相同，而打印黏合的過程則和積分過程一樣，通過層厚0.01 mm的片狀黏合堆積出最終的實物。目前，3D打印主要有以下幾種分類。

①熔融沉積制造(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)技術由Scott Crump發(fā)明并取得專利，并由此于1989年成立了Stratasys公司。該公司目前主要研究FDM技術和逐層噴射-光固化技術。FDM的實現(xiàn)原理是將耗材(如塑料、石蠟、塑料和金屬組成的合金)等通過加熱裝置融化變軟，然后通過噴頭擠壓呈線性,再一層一層鋪滿工作臺并逐漸向上堆積成型。

②光固化立體成型(stereo lithography apparatus，SLA)技術是一種單光源光化學反應的激光固化成型技術。其主要材料為含不飽和官能團的樹脂類化合物，佐以環(huán)氧類化合物以及特定波長的光引發(fā)劑，形成一個完整可靠的樹脂溶液系統(tǒng)，再配合特定波長的光源，經過切片、路徑規(guī)劃、照射打印出實體。

③選擇性激光燒結(selective laser sinterring,SLS)技術主要采用紅外激光等高強激光對金屬粉末、陶瓷、砂等耗材進行層層燒結。由計算機切片軟件進行路徑規(guī)劃控制，先鋪一層耗材粉末，用刮板刮平;然后預熱材料到接近熔點，再用激光在該耗材層上選擇性地進行燒結，使耗材達到熔點融化粘合；逐層完成，直到模型最終成型，再掃開未燒結耗材，取出模型。

④三維打印粘結成型(three dimensional printing and gluding,3DP)技術由麻省理工學院(MIT)于1993年首先研制成功，最為貼近“3D Printing”的概念，打印耗材也為各種粉末及粘結劑。工藝過程為：首先通過鋪粉機構在工作臺上均勻地鋪上一層粉末材料；然后計算機按照三維模型提供的數據，由打印頭在第一層粉末材料上噴出下一層的截面輪廓；最后工作臺下降，由撲粉機構均勻地鋪上一層粉末，打印頭按照下一層的截面輪廓噴出粘結劑；如此循環(huán)往復直至完成[1]。

⑤數字光處理(digital light processing,DLP)技術，又稱數字投影光固化技術。該技術與SLA技術都是采用樹脂作為打印耗材。其不同之處在于:SLA技術采用的是點光源選區(qū)路徑固化；DLP技術采用的是數字光投影，光源可以是各種屏幕，如手機屏幕、舞臺振鏡等，一次就能夠投影一個完整的截面。而且，DLP技術還配備了遇到可見光就能夠固化的專用耗材，如Daylight Resins液態(tài)感光樹脂。

⑥紫外線成型(UV-curable)技術簡稱UV固化技術，是20世紀60年代開發(fā)的一項綠色新技術。該技術利用樹脂經紫外光照射后在較短時間內迅速發(fā)生物理和化學變化實現(xiàn)固化，具有固化速度快、節(jié)能、省時、方便、可連續(xù)生產、費用低、體積小等優(yōu)點[2]。

2 FDM的軸動方式

3D打印的運動本質就是通過一系列方法和手段來實現(xiàn)三維坐標的不斷變換。

(1)并聯(lián)機構。

并聯(lián)機構是一種多條并行鏈組成的閉環(huán)機構系統(tǒng)，雖然只發(fā)展了幾十年，但已有諸如Gough平臺、Stewart機構、Delta機器人等重要成果[3]。目前應用廣泛的是Delta結構的3D打印機，典型機型為三角洲。

(2)串聯(lián)機構。

串聯(lián)機構遠比3D打印起步要早，且技術尚算成熟，主要有以下幾種類型。

①笛卡爾坐標系打印機(Cartesian printer)[4]采用比較純粹的X-Y-Z軸傳動方式，便于定位，設計也相對簡單。

②基于獨立運動的Z軸和H型結構的X/Y軸的打印機：Z axis + H-gantry/core XY(x_motor = x+y,y_motor = x-y)。該打印機采用H型結構，無論是X軸坐標還是Y軸坐標，都是由兩個電機共同控制。

H型結構示意圖如圖1所示。

圖1 H型結構示意圖

③基于獨立運動的Z軸和H型結構的X/Y軸的打印機：Z axis + H-gantry/core XY(x_motor = x+y,y_motor = y-x)。該打印機也采用H型結構，只是具體的坐標計算方式稍微不同，對Y軸和X軸進行了簡單的替換。

④Tugaprinter(Scott-Russell mechanism)。該打印機采用兩個固定在X軸上的電機，通過一個類似剪刀的機構，對X軸、Y軸的運動進行控制[5]。其優(yōu)點是運動迅速，水平打印尺寸很大，但打印機整體占空間較?。蝗秉c是打印頭部分由于距離支撐點距離過遠而且處于變化之中，容易產生抖動[6]。

(3)極坐標形式。

采用極簡設計，通過一個旋轉的平臺和一個與平臺并不對心(噴頭中心點和底盤中心點，一般為圓心)的打印頭，即可解決原本笛卡爾坐標系內一個平面的運動問題，使結構更加緊湊，外觀更加美觀和簡潔[7]。

3 SLA技術

SLA技術是目前較為成熟的3D打印技術，其制件具有較高的精度以及良好的表面質量，且原料利用率較高，能夠制造外形復雜、形狀特殊的空心零件以及相當精密的首飾和藝術品等。

SLA原理如圖2所示。

圖2 SLA原理圖

激光光源射出激光，經由放大器放大、透鏡聚焦、光柵過濾激光波段；激光波段照射到由上位機控制的X、Y軸的路徑掃描鏡，投射到成型表面(下底面或上表面)，固化出當前截面形狀；升降平臺向光投射方向移動一層的距離，使表面重新覆蓋液態(tài)光敏樹脂；被投射面為上表面的還需要使用刮板刮平，再逐層進行路徑掃描，直至完成。

4 軸動的激光固化打印技術

軸傳動技術基本都用于FDM打印機，且除Delta外都為串聯(lián)軸動技術。打印機構直接掛載于軸動系統(tǒng)之上，但是目前的FDM打印機構基本都比較重，包含送絲裝置、熔融裝置、打印頭及至少一個散熱裝置。這些裝置給與了軸動系統(tǒng)大量的負載，直接導致了電機等的體積和質量變大，增大了整機結構尺寸。

常規(guī)SLA激光誤差形式如圖3所示。

圖3 常規(guī)SLA激光誤差形式示意圖

SLA技術的主要掃描裝置是其X、Y軸掃描鏡，依靠上位機的控制精確的擺動角度進行路徑掃描。這種形式能夠精確控制各部件之間的距離；否則，距離的偏差會導致投射光作用區(qū)域的誤差急速增大，也給維修造成了一定的難度。

將激光固化裝置的投射方式改為豎直投射，即經過透鏡聚焦和光柵濾光，直接投射到成型表面，并將該激光固化裝置加載于軸動系統(tǒng)上，可以有效降低軸動系統(tǒng)的負載，減小電機等部件的體積和質量。同時，保證了激光垂直于成型表面，且光的行程保持不變，一旦固定了投射距離就基本不會再有變化，有效減小了光偏置時帶來的投影誤差。

采用軸動機構，降低了激光固化整機機構的復雜度，以及制造和安裝難度，使生產制造成本下降。而軸動機構的熔融打印機構替換為激光裝置后，除了體積發(fā)生變化外，還有效地避免了使用熔融沉積技術打印時，因邊角位置力的拉扯導致直角變圓甚至受熱不均而產生翹邊等棘手問題。

基于以上的特點，設計了一款軸動激光固化打印機。其主要由下箱體、上箱體、x-y移動平臺、z軸移動機構、液槽組件、激光器和設于上箱體外側的控制面板組成。

x-y移動平臺搭載激光固化3D打印機的固化激光器，激光器垂直照射于液槽機構底部進行固化作業(yè)。x-y移動平臺平行于液槽內部耗材液底面，可手動進行校正，確保光源到耗材液底面照射點的距離不變。該方法可有效避免偏射、散射、折射等情況的發(fā)生，能解決現(xiàn)有的采用掃描鏡控制固化激光的掃描路徑的激光固化3D打印機，因其固化激光的焦點不能分布在同一打印平面而造成打印零件有尺寸誤差的問題。

z軸移動機構采用貫穿式步進電機進行移動，可在機構本身僅有電線直接相連的情況下便捷地進行取下和裝上動作；既能夠在打印工作時實現(xiàn)打印底板的自動提升，又能夠在打印完成后簡單、快捷取下工件。此裝置結構簡單，占用空間小，便于維修更換，解決了常規(guī)激光固化打印機z軸采用普通步進電機和導軌所帶來的體積過大、調平和維修不便等問題，有效優(yōu)化了整機結構。

5 應用前景

目前能夠在國家專利局查詢到的關鍵詞包含“激光固化和3D打印”的發(fā)明公布為78條，發(fā)明授權6條，使用新型57條，外觀設計8條。其中，絕大部分為SLA方向、DLP方向和UV固化方向的技術研究，其他大多為圖像處理和切片技術研究等，只有一條是關于全彩激光固化3D打印機的發(fā)明。交叉類型激光固化3D打印機在該搜索條件下并沒有出現(xiàn)。

在關鍵詞為“FDM 和 3D打印”詞條下有29條發(fā)明公布，發(fā)明授權9條，實用新型34條，外觀設計8條。主要為大型、新型、微型、便攜式FDM打印機及其部分機構的改進，并沒有涉及到交叉技術的機型。而在“軸動和3D打印”、“軸動和激光固化”及“軸動和激光固化”詞條下沒有相關結果。

軸動光固化是一種新型的交叉機型，能夠整合兩種機型的優(yōu)點，為嫁接的光固化技術提供了更好的普及平臺，同時避免了兩種機型各自在力學或者光學上存在的一些弊端。鑒于激光固化3D打印對于復雜零件、首飾及藝術品的打印有良好的把控，軸動光固化在這些方面具有良好的發(fā)展前景。

6 結束語

本文對目前的3D打印技術種類進行了介紹，并就其中兩種優(yōu)勢類型進行了重點介紹，同時探討了基于軸動技術和SLA技術整合的交叉機型的優(yōu)勢及其目前的研究情況，并進行了積極的實踐，對3D打印內部體系和控制系統(tǒng)的融合作了積極有益的探索。

[1] 王騰飛.3D打印技術中分層與路徑規(guī)劃的研究及實現(xiàn)[D].天津：河北工業(yè)大學，2015.

[2] 劉楠.UV固化樹脂的應用開發(fā)研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學，2013.

[3] 李江濱.基于并聯(lián)機構的3D打印關鍵技術研究[D].秦皇島:燕山大學，2015.

[4] 邱崧.基于LED光源的DLP投影系統(tǒng)的研究[D].上海：華東師范大學,2007.

[5] 王蕾.3D打印材料光敏樹脂的改性研究[D].武漢：武漢紡織大學，2015.

[6] 王小騰，邱俊峰，謝彪，等.3D 打印光固化高分子材料的成形過程與表征[J].山東化工，2014，43(11)：1-2,13.

[7] 劉海濤,黃樹槐,莫健華,等.光敏樹脂對快速原型件表面質量的影響[J].高分子材料科學與工程,2007，23(5):170-173.

Research and Practice of the Axial Dynamic Photocuring 3D Printing Technology

GUO Fei，LIANG Yuan，YANG Zhaohang，GAO Yang

(College of Mechatronic Engineering,Beifang University of Nationalities,Yinchuan 750021，China)

3D printing technology appeared in the middle 1990s.As a novel kind of rapid molding technology,it greatly promotes the development of digital manufacturing industry,and has been often used in the fields of mold manufacturingand industrial design,and then it is gradually applied in direct manufacture of some products.Several major classifications of the 3D printing are summarized briefly,and two of the classifications,i.e.,the fused deposition modeling (FDM) technology with higher popularization and the stereo lithography apparatus (SLA) technology with higher accuracy are introduced and compared emphatically.On this basis,the possibility of integrating the technologies of axis technology and SLA is investigated,i.e.,the axisstereo lithograply apparatus 3D printing technology.The advantages and developing status of such combined technology is discussed,and for practicing,a prototype is designed based on this principle.This prototype provides a better popularized platform for the axisstereo lithography apparatus 3D printing technology.Because of the particularity of 3D printing and the high precision of SLA technology,the advantages of personalized customization will be better developed in the new cross models.

Intelligent menufacturing; Digitization; 3D printing; Axis technology; Stereo lithography apparatus(SLA); Error

寧夏回族自治區(qū)大學生創(chuàng)新訓練計劃基金資助項目(2016-QJ-021)

郭飛(1995—)，男，在讀本科生，主要從事3D打印及逆向工程的研究。E-mail:3081906087@qq.com。 高陽(通信作者)，男，碩士，副教授，主要從事電火花加工、智能制造與裝備制造技術的研究。E-mail:gyangde@163.com。

TH164；TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708004

修改稿收到日期:2017-02-09