萬海鑫　馬思遠

【摘 要】隨著個性化產品的需求提高，同時產品研發(fā)速度要求的提升，3D打印技術在工業(yè)生產中的需求越來越旺盛。光固化3D打印技術作為最成熟的3D打印技術，其市場占有率很高，但是當前光固化3D打印機因其技術限制，存在一些問題，本文將兩種技術的3D打印成型原理進行融合，讓兩者發(fā)揮優(yōu)勢提升成型效率和表面質量。希望本文能夠為讀者提供借鑒，以提高3D打印機成型效率。

【關鍵詞】3D打??；光固化；sla技術；dlp技術

中圖分類號： TM933.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0039-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.017

0 前言

隨著我國的科學技術的飛速發(fā)展，很多新興的技術都逐漸融入到我們的日常生活中，例如虛擬現實技術、大數據信息技術以及我們今天要著重提到的3D打印技術，它們的出現對于人類生活水平的提高將會有著非常重要的影響。目前常用的3D打印機有多種原理，本文將設計一種新型的光固化3D打印機，其在打印效率和打印質量上都有一定的提高。

1 3D打印技術基本介紹

1.1 定義及原理

顧名思義，我們傳統(tǒng)的打印技術是2D平面的效果，利用紙張來呈現，而3D打印技術是憑借空間的立體模型來將設計者所設計的圖紙展現出來，這個過程所需的時間非常短暫，并且不需要雕刻傳統(tǒng)立體模型所需的刀具等，過程簡單，操作也不復雜，這為很多設計者創(chuàng)造了設計更多復雜模型的便利條件，減小了對其設計的約束，釋放了更大的創(chuàng)作空間，所以這項先進的科學技術是非常值得我們所肯定以及推崇的。

1.2 基本分類及優(yōu)劣勢

由于使用耗材不同，成型原理不同、使用場景不同，所以3D打印技術有多種分類，常見技術主要有熔融擠出原理（FDM）、立體光固化成型（SLA）、激光選區(qū)燒結和激光熔融（SLS、SLM）、三維印刷（3DP）、噴墨樹脂等。立體光固化成型是最早3D打印原理，也是最早應用于市場的，按照其具體實現形式，又分為SLA、DLP、LCD三種。

SLA技術是Stereo lithography Apparatus的簡稱，即為立體光成型，一般使用405nm的點光源作為固化光源，再使用移動裝置使光源運動，讓光源點動成線的照射在樹脂上，從而固化樹脂。本技術缺點：點光源運動，速度慢，如果固化一個平面，需要點光源到達任何位置。本原理設備的優(yōu)點是點光源流暢運動，打印件表面質量較好。

DLP是“Digital Light Processing”的縮寫，即為數字光處理，本技術應用于投影機上，將圖像信號經過數字處理，然后再把光投影出來。它是基于數字微鏡元件——DMD（Digital Micromirror Device）來完成可視數字信息顯示的技術，光源通過色輪后折射在DMD芯片上，DMD芯片在接受到控制板的控制信號后將光線發(fā)射到投影屏幕上。DMD芯片外觀看起來只是一小片鏡子，被封裝在金屬與玻璃組成的密閉空間內，事實上，這面鏡子是由數十萬乃至上百萬個微鏡所組成的。每一個微鏡代表一個像素，圖像就由這些像素所構成。由于像素與芯片本身都相當微小，因此業(yè)界也稱這些采用微型顯示裝置的產品為微顯示器。由于光源采用了UHP燈泡，所以含有大量的紫外線，而光源通過DMD芯片只是反射，紫外線很好的保留下來，因此DLP裝置射出來的面光源含有大量的紫外線，而這些紫外線能夠固化樹脂，實現3D打印，本技術的缺點是：表面有微小平臺，表面質量不好。

2 優(yōu)化設計

將SLA技術和和DLP技術結合，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，SLA負責打印表面、DLP負責打印內部，達到既能夠快速打印、也能夠提高表面質量的目的。

2.1 機械安裝

為了讓兩種原理的成型設備都工作，本項目將兩種成型原理單獨安裝，DLP成型裝置裝在前面，采用一塊激光反射鏡，將水平影像向上反射。激光及振鏡系統(tǒng)安裝在右側，采用另一塊激光反射鏡將激光向上反射。通過兩面鏡子的反射，可以將水平放置的兩個設備發(fā)出的光變成豎向。本設備是一個小型設備，采用倒置打印，樹脂槽底部成像，通過上述的兩塊鏡子，可以將兩套設備發(fā)出的紫外光照射到料槽底部，從而實現兩套成型設備同時工作。

2.2 兩種成型裝置圖案校準

為了保證兩者工作圖案重合，設備設置了多個調節(jié)裝置。①每塊激光反射鏡都有調節(jié)裝置和鎖緊裝置，可以對激光反射鏡的位置、角度進行調節(jié)；②DLP投影設備可以進行尺寸調節(jié)、失真調節(jié)、光強度調節(jié)及網格顯示；③激光器可以進行強度調節(jié)、激光振鏡可以進行角度調節(jié)。同時給一個測試程序，讓激光產生一個特定的網格，通過調節(jié)激光振鏡的驅動電源電位器，可以調節(jié)激光振鏡的電壓值，進行失真調節(jié)。

通過上述的調節(jié)裝置，可以讓兩個投影設備發(fā)生的影像重合。一般設備在安裝好之后調整一次即可，若機器出現影像偏移，需要二次調節(jié)。通過總結，本設備的調整方法是：①將DLP裝置的圖像進行失真調節(jié)，使用尺子測量DLP影像四邊長度、對角線長度；②使用軟件發(fā)送網格，通過尺子測量網格尺寸調節(jié)DLP影像尺寸；③打開激光及振鏡系統(tǒng)，編寫一個程序，讓激光形成一個帶十字中心線的正方形，通過鏡片調節(jié)，使激光十字中心與DLP影像中心重合；④使用尺子測量激光網格，通過電位器調節(jié)，保證測量值與編程值一致；⑤固定各調節(jié)裝置，保存調整參數。

2.3 兩種成型裝置控制融合

在控制方面，筆者先后采用采用了兩套方案。

方案一：本系統(tǒng)的兩套控制系統(tǒng)采用串口連接，DLP控制軟件運行在電腦上，SLA控制系統(tǒng)運行在arduino DUE中，Z軸由arduino DUE控制。若要打印一個模型，模型需要在電腦上使用軟件Creation Workshop軟件切片，切片數據由DLP系統(tǒng)使用；同時模型還需要Simplify3D軟件切片，切出來的G代碼由arduino DUE執(zhí)行，并應用在SLA成型系統(tǒng)上。Creation Workshop軟件設置層間發(fā)送G代碼M190給一個arduino uno，該控制板收到M190后解釋，發(fā)送D8高電平給arduino DUE，arduino DUE收到該高電平信號后進行下一層動作。

方案二：上述方案研究成熟后，發(fā)現有個弊端，就是電腦需要長時間打開，并且不能休眠，不利于節(jié)能。方案二主要研究脫離電腦（脫機）及遠程控制方面，經過長時間的嘗試，本系統(tǒng)采用Raspberry Pi 3替代電腦，Raspberry Pi 3使用ubuntu16.04操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)內安裝nanodlp控制軟件，方案二控制原理如圖2所示。

Raspberry Pi 3本身計算能力就很強，通過nanodlp軟件，其本身就能夠切片，通過網絡將stl模型發(fā)送給Raspberry Pi 3，其切片后控制DLP成型裝置工作。同一個模型使用電腦軟件Simplify3D切片后，將切片的G代碼發(fā)送到USART HMI（串口屏幕）的TF卡上。當打印每層的時候，Raspberry Pi 3通過GPIO.0接口向arduino DUE發(fā)送高電平指令，其arduino DUE的D8接受到高電平指令后立即執(zhí)行新的一層打印，保證兩套系統(tǒng)成型為同一層圖像。

3 結論

綜上所述，通過SLA技術和和DLP技術結合，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，使兩者各有分工，達到既能夠快速打印、也能夠提高表面質量的目的。通過驗證機的制作，上述技術方案可靠有效，能夠實現。通過該技術的擴展研究，能夠將該技術應用到樹脂+陶瓷、樹脂+金屬粉末等3D打印技術中。由此可見，該技術具有一定的前景。

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