張妹玉 / 閩江學(xué)院物理學(xué)與電子信息工程系

基于DLP投影技術(shù)的3D打印機(jī)原理

張妹玉 / 閩江學(xué)院物理學(xué)與電子信息工程系

為了解決3D打印技術(shù)無(wú)法批量生產(chǎn)與打印精度較差的問(wèn)題，本文研究了采用DLP投影技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的全新打印方案。DLP投影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于投影分辨率高，打印出來(lái)的成品過(guò)度平滑，完全可以滿足對(duì)零件精度的要求。并且，通過(guò)對(duì)打印系統(tǒng)的剖析與實(shí)際打印效果來(lái)看，DLP3D打印機(jī)因其打印方式的創(chuàng)新，完全可以勝任大批量生產(chǎn)的要求。同時(shí)，DLP3D打印機(jī)也存在一些不足之處，比如材料單一問(wèn)題和成品強(qiáng)度問(wèn)題等等，并對(duì)其中幾點(diǎn)提出了改進(jìn)方案，對(duì)DLP3D打印機(jī)的發(fā)展具有借鑒意義。

DLP投影技術(shù)；3D打印

1.引言

3D打印技術(shù)又被稱為增材成型技術(shù)、堆積成型技術(shù)，是一種利用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法有序添加材料從而堆積成型的制造方法。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)成型工藝的主要區(qū)別在于采用快速成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型相結(jié)合的方法，在無(wú)需任何其他輔助手段的情況下，就能夠以更短的生產(chǎn)周期、更少的生產(chǎn)成本制造出各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品原型[1]。

區(qū)別于經(jīng)過(guò)切割與模具塑造等方式來(lái)制造產(chǎn)品的傳統(tǒng)制造設(shè)備，3D打印機(jī)以層層堆積成型的方式來(lái)形成實(shí)體產(chǎn)品，全面詮釋了數(shù)字化制造的概念。當(dāng)人們需要制造具有內(nèi)部凹陷或著具有互鎖部分的物體時(shí)，3D打印技術(shù)與生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)就會(huì)得以充分展現(xiàn)。3D打印技術(shù)最少包括下列六個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：(1)高復(fù)雜度、多樣化物品的生產(chǎn)將不會(huì)増加成本；(2)產(chǎn)品無(wú)需組裝、縮短交付時(shí)間；(3)制作技能門(mén)檻降低、設(shè)計(jì)空間無(wú)限；(4)不占空間、便攜制造；(5)節(jié)約原材料，并可無(wú)限組合各種材料；(6)精確的實(shí)體復(fù)制。與此同時(shí)，3D也存在一些劣勢(shì)：(1)材料性能差，產(chǎn)品受力強(qiáng)度低；（2）可供打印的材料有限，且成本高昂；(3)制造精度問(wèn)題。

為了解決3D打印技術(shù)無(wú)法批量生產(chǎn)與打印精度較差的問(wèn)題，本文研究了采用DLP投影技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的全新打印方案。DLP投影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于投影分辨率高，打印出來(lái)的成品過(guò)度平滑，完全可以滿足對(duì)零件精度的要求。并且，DLP投影能夠投影的波長(zhǎng)范圍廣，使其具有兼容不同種類(lèi)打印材料的能力。正因?yàn)镈LP3D打印機(jī)所具有的種種優(yōu)點(diǎn)，全面認(rèn)識(shí)和研究DLP3D打印機(jī)將具有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。

2.3D打印的基本過(guò)程

不管采用哪種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)3D打印，其技術(shù)都具備一些共同的特點(diǎn)：首先需要對(duì)打印物體建立數(shù)字模型；然后，根據(jù)層的厚度，對(duì)層進(jìn)行處理，以產(chǎn)生一維截面信息；接著根據(jù)各層的截面信息以及工藝特點(diǎn)，制作出一維截面的形狀；重復(fù)生成一維截面，并逐層，最后形成一個(gè)三維實(shí)體。每一層的厚度可以是相等的或不等。分層越薄，打印出的物體精度便越高；分層越厚，則打印完成消耗的時(shí)間越短。3D打印過(guò)程中通用的八個(gè)步驟：第一步，通過(guò)合理的構(gòu)思，在CAD軟件上創(chuàng)造出所需要打印的三維模型并進(jìn)行合理性驗(yàn)證；第二步，將CAD文件導(dǎo)出為STL模板，再仔細(xì)進(jìn)行檢查；第三步，將STL文件轉(zhuǎn)換成打印機(jī)能夠識(shí)別的指令文件(G文件)；第四步，將3D打印機(jī)的機(jī)械部分調(diào)試完畢，并加入打印原材料；第五步，向打印機(jī)導(dǎo)入(G)文件并開(kāi)始打印，期間不時(shí)觀察打印情況；第六步，從打印幾種移出打印完成的產(chǎn)品，同時(shí)注意人身安全；第七步，進(jìn)入后期加工階段，如持續(xù)固化、打磨等等；第八步，檢測(cè)產(chǎn)品與設(shè)計(jì)是否有較大出入，有物缺陷并提出改進(jìn)措施。

3.DLP投影技術(shù)

DLP即“Digital Light Procession”(數(shù)字光處理)，是一種數(shù)字化影像處理技術(shù)。核心處理單元是DMD芯片，即 “Digital Micromirror Device”(數(shù)字微鏡元件)。其原理是通過(guò)LED燈發(fā)出的冷光源通過(guò)聚光鏡，通過(guò)桿（棒）將光均勻化，再通過(guò)色輪將光束分開(kāi)成RGB三種顏色。一些生產(chǎn)商使用BSV液晶拼接技術(shù)的鏡片過(guò)濾光線傳輸，將光線投影到DMD芯片上，最后通過(guò)投影透鏡在投影屏幕上成像[2]。

4.基于DLP投影技術(shù)的3D打印機(jī)系統(tǒng)組成

本文采用DLP投影技術(shù)的3D打印機(jī)系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 基于DLP投影技術(shù)的3D打印系統(tǒng)框圖

電腦（PC）通過(guò)USB連接線與主控芯片——單片機(jī)（MCU）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，單片機(jī)則將結(jié)果反饋給電腦，或者將U盤(pán)與單片機(jī)連接，使得單片機(jī)能直接讀取打印控制數(shù)據(jù)。另一方面電腦通過(guò)HDMI/VGA視頻接口將切片文件發(fā)送給DLP投影儀以便將打印數(shù)據(jù)逐層投影。控制信號(hào)與切片文件接收完畢后進(jìn)入等待，液晶(LCD)面板顯示“Print Ready！”。此時(shí)須按下打印開(kāi)關(guān)，單片機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，抬升平臺(tái)開(kāi)始活動(dòng)。與此同時(shí)DLP投影儀輸出第一張圖像。當(dāng)DLP投影儀輸出最后一張圖像后，打印平臺(tái)抬升，液晶面板顯示“Print End”，準(zhǔn)備下次打印。

5.實(shí)際打印過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題及解決辦法

(1)反射鏡改進(jìn)：一般用途的鏡子的反射層鍍?cè)诓ＡШ竺?，這必然會(huì)導(dǎo)致重影或分辨率降低。改進(jìn)的方法是在玻璃表面鍍上銀或鋁反射層，使得DLP投影儀的投影光線在改進(jìn)后的反射鏡上只產(chǎn)生一次反射，從根本上消除打印重影，并且能顯著提高打印的分辨率。(2)增加工作臺(tái)粘性：如果工作臺(tái)的粘性不強(qiáng)，則很有可能導(dǎo)致打印機(jī)工作時(shí)打印物件的掉落。解決辦法：將工作臺(tái)與打印物件相接觸的表面刻上劃痕，使工作臺(tái)表面更粗糙、更富粘連性。(3)提升材料強(qiáng)度：剛剛打印出來(lái)的物件雖然具有了一定的形態(tài)，但還不具備實(shí)用的強(qiáng)度。在使用的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂剝離。改進(jìn)方法：將打印成型的物件放入U(xiǎn)V固化燈箱進(jìn)行進(jìn)一步固化成型。(4)提高光敏樹(shù)脂利用率：由于工作臺(tái)打印開(kāi)始需浸沒(méi)在光敏樹(shù)脂當(dāng)中，抬升的過(guò)程中總會(huì)帶起一部分光敏樹(shù)脂，使這部分光敏樹(shù)脂無(wú)法被充分利用。解決辦法：在工作臺(tái)上打孔，使光敏樹(shù)脂充分回流到材料池中。

6.總結(jié)

隨著我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多優(yōu)秀的人才將投入其中，像DLP3D打印這樣的新型打印技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，3D打印所面臨的種種困難也終將被解決，3D打印技術(shù)所帶來(lái)的種種好處也將充分造福人類(lèi)。

[1]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012，(26)：1-3.

[2]李丹，薛蕓蕓，曹雯.基于微透鏡陣列的DMD芯片投影系統(tǒng)照明優(yōu)化[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(1)：1-4.