金 潔，尤子峰，李 銘,3，王子陽(yáng)

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051；2.合肥第二發(fā)電廠，安徽 合肥 230006；3.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022)

0 引言

圖1 裝配好的DLP光固化3D打印機(jī)

光固化快速成形是以液態(tài)光敏樹脂為原料，通過(guò)控制紫外光束掃描液態(tài)光敏樹脂，使其有序固化并逐層疊加成形[1]。數(shù)字光處理(Digital Light Processing，DLP)是一項(xiàng)使用投影儀和背投電視中的顯像技術(shù)，該技術(shù)使用一種較高分辨率的數(shù)字光處理器來(lái)照射液態(tài)光聚合物，逐層的進(jìn)行光固化，每層通過(guò)幻燈片似的片狀固化，直至最終模型的完成[2]。本工作室鑒于研究實(shí)驗(yàn)的需要，考慮到實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況，購(gòu)買了一臺(tái)簡(jiǎn)易DLP光固化3D打印機(jī)配件，師生配合自行裝配成整機(jī)，如圖1所示。

1 缺陷分析

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的組裝與調(diào)試，這臺(tái)打印機(jī)已經(jīng)開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而隨著調(diào)試工作的進(jìn)一步深入，發(fā)現(xiàn)這臺(tái)機(jī)器也存在諸多的缺陷，具體有以下幾點(diǎn)：

(1)本機(jī)裝配過(guò)程中，是通過(guò)改裝普通投影儀來(lái)充當(dāng)光源，成像原理如圖2所示。而DLP光固化3D打印機(jī)對(duì)于投影儀光源有著嚴(yán)格的的要求：首先必須是短焦的DLP投影儀以實(shí)現(xiàn)在短距離內(nèi)將圖像清晰地投影到料槽底部，其次是光源的光強(qiáng)不能低于2600lm。由于投影儀發(fā)出的是汞燈泡產(chǎn)生的白光，需要去除鏡頭里面的濾光部分，使更多的紫外線穿過(guò)。對(duì)于專業(yè)級(jí)別的3D打印機(jī)都會(huì)使用專業(yè)的光機(jī)作為光源，這種光機(jī)去除了普通DLP投影儀中的濾鏡部分，只保留了光源以及光路，對(duì)于工藝和光源的要求也更高，價(jià)格高昂。

同時(shí)，這種光源耗電量很大，但是真正起作用的光卻很少，只有3%左右，對(duì)于光的利用率很低；而且在這種方案下，打印過(guò)程中燈泡全程都是打開(kāi)狀態(tài)，而汞燈泡壽命很短，若經(jīng)常使用，不到半年就需要換一次燈泡。

此外，投影儀鏡頭的中心光和外圍光的強(qiáng)度有不小的差別，為了有勻光參數(shù)可調(diào)，因此這種打印機(jī)大都使用B9的開(kāi)源方案做。但是換過(guò)鏡頭之后參數(shù)就得重新調(diào)整，沒(méi)有專業(yè)的測(cè)量?jī)x器，根本無(wú)法完成。

(2)這臺(tái)打印機(jī)在結(jié)構(gòu)方面也存在很多問(wèn)題，其中一個(gè)就是Z軸在移動(dòng)時(shí)極度不流暢，時(shí)而卡澀，這樣在結(jié)束每一層的曝光之后，每一層材料都會(huì)由于卡澀而與上一層材料或者底板分離脫落。打印時(shí)模型依舊會(huì)從成型面板上脫落下來(lái)，造成打印失敗，圖3為打印失敗作品。

鑒于以上種種缺點(diǎn)，筆者工作室多名成員共同動(dòng)手，對(duì)此臺(tái)3D打印機(jī)進(jìn)行改造。

圖2 LCD光固化3D打印機(jī)成像原理圖

圖3 初代DLP光固化打印機(jī)打印的成品

2 改造原理概述

2.1 LCD光固化技術(shù)介紹

LCD打印技術(shù)，就是DLP技術(shù)中的光源用LCD來(lái)代替，指的是利用UV光做光源，上位機(jī)控制屏幕生成具體打印模型每一層的圖像，成型部分為白色，空白部分為黑色。利用LCD屏幕偏振成像的原理，讓UV光從白色部分通過(guò)照射到光敏樹脂材料進(jìn)行固化，黑色部分則阻斷UV光源，防止多余的曝光，圖4為L(zhǎng)CD光固化3D打印機(jī)設(shè)計(jì)組織圖。

圖4 LCD光固化3D打印機(jī)設(shè)計(jì)組織圖

2.2 LCD光固化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

采用了LCD成型原理，可以滿足DLP結(jié)構(gòu)所滿足不了的優(yōu)點(diǎn)，具體如下：

(1)精度高。很容易達(dá)到平面精度100微米，具體取決于采用屏幕的像素，和目前桌面級(jí)DLP技術(shù)有可比性。

(2)光源利用率高，405nm波段的UV光正好是市面上大部分光明樹脂的固化波段，可以全部被利用。

(3)價(jià)格便宜。主要對(duì)比前代技術(shù)的SLA和DLP，性價(jià)比極其突出。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。相較DLP結(jié)構(gòu)，沒(méi)有了激光振鏡或者投影模塊，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，容易組裝和維修。

(5)樹脂通用，由于采用405nm UV光，所有DLP類的樹脂或者大部分光固化樹脂理論上都可以兼容。

(6)可以同時(shí)打印多個(gè)模型。因?yàn)檫@個(gè)和DLP技術(shù)一樣，是面成型光源。

3 改造方案設(shè)計(jì)

3.1 光路部分

大體上保留原先DLP打印機(jī)的結(jié)構(gòu)，LCD成像部分放置于原先放置投影儀的那部分區(qū)域，依舊選擇采用下曝光的上升式成型結(jié)構(gòu)；將成型部分改為L(zhǎng)CD光固化，對(duì)成像部分進(jìn)行改造，將原先成像部分的DLP投影儀改為L(zhǎng)CD+UV燈配合的成像方式。圖5為簡(jiǎn)化后的成像原理圖。

圖5 LCD光固化3D打印機(jī)成像原理圖

圖6 標(biāo)準(zhǔn)光譜波長(zhǎng)分布圖

3.1.1 光源

UV(光敏聚合物曝光)，是一種化學(xué)反應(yīng)。在進(jìn)行光敏聚合物曝光時(shí)，材料經(jīng)過(guò)某特定波長(zhǎng)的光線照射后，現(xiàn)有的聚合物(光二聚交聯(lián)抗蝕劑聚肉桂酸酯類光刻膠)會(huì)結(jié)合在一起成為固體的三維的基體。這個(gè)反應(yīng)會(huì)在硬化劑混入聚酯時(shí)開(kāi)始，反應(yīng)后，仍然有機(jī)會(huì)把正確的形狀還原給聚酯。

基于這個(gè)特性，衍生出了光固化3D打印這項(xiàng)技術(shù)。目前市面上大部分的光敏材料的固化波長(zhǎng)為405nm，對(duì)比可見(jiàn)光線的光譜，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)紫色的光的波長(zhǎng)正好包含了405nm。

3.1.2 光照結(jié)構(gòu)

UV光源照射的位置有兩種，一種是上曝光，一種是下曝光[3]。

上曝光結(jié)構(gòu)類似于SLA，將DLP投影機(jī)放置在料槽上方，從下向上打印成型。上曝光結(jié)構(gòu)難以對(duì)每一層的層厚進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，難以保證每層成型面的平行度和平整度。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)打印零件尺寸較大時(shí)，采用上曝光的結(jié)構(gòu)形式。

下曝光結(jié)構(gòu)是將DLP投影機(jī)布置在料槽下方，完成一層截面的固化后，打印平臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下上升一段的距離，液態(tài)樹脂將憑借自身的重力和流動(dòng)性自動(dòng)在料槽底部鋪平，為下一層的打印做好準(zhǔn)備。

鑒于原先結(jié)構(gòu)的光固化打印機(jī)光照結(jié)構(gòu)采用了下曝光的方式，考慮到經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)計(jì)施工復(fù)雜程度，決定在光照結(jié)構(gòu)部分依舊保持原有的下曝光形式。

3.2 結(jié)構(gòu)部分

對(duì)于整體結(jié)構(gòu)不做大的變動(dòng)，將原先的Z軸光桿機(jī)構(gòu)全部拆除，重新更換Z軸部件，需要注意螺桿的牙距和電機(jī)型號(hào)與原機(jī)型數(shù)據(jù)必須匹配。同時(shí)設(shè)計(jì)新Z軸的固定件，全部采用3D打印，需要注意強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4 改造過(guò)程

4.1 補(bǔ)充配件

在原有打印機(jī)配件的基礎(chǔ)上，需要補(bǔ)充的配件有：(1)光源——UV燈(包括驅(qū)動(dòng)電源)；(2)菲涅爾透鏡；(3)液晶屏(包括驅(qū)動(dòng)板)；(4)一些必要的結(jié)構(gòu)件。

4.1.1 UV光源

考慮到LED發(fā)光達(dá)到額定亮度時(shí)所消耗的能量只有15瓦左右，而傳統(tǒng)的燈達(dá)到同樣亮度要消耗1500瓦的能量，即使與UV鹵素?zé)粝啾?，也可?jié)省80%的能源；同時(shí)LED燈的壽命可以超過(guò)2萬(wàn)小時(shí)。因此，光源選用405nm波段的LED燈板，如圖7、圖8所示。

圖7 購(gòu)買的UV燈/405nm/ 30W/十串三并/驅(qū)動(dòng)電壓36V

圖8 UV燈電源 / 36V

4.1.2 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡的原理是將透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個(gè)平面上，如圖9所示。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，即為透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。我們需要利用菲涅爾透鏡將UV燈的點(diǎn)光源變?yōu)槠叫泄?。需要注意的是需要匹配好與液晶屏的尺寸，圖10為匹配的菲涅爾透鏡。

圖9 菲涅爾透鏡和普通透鏡剖面圖對(duì)比

圖10 購(gòu)買的菲涅爾透鏡/七寸/焦距120mm

4.1.3 液晶屏

液晶屏是以液晶材料為基本組件，在兩塊平行板之間填充液晶材料，通過(guò)電壓來(lái)改變液晶材料內(nèi)部分子的排列狀況，以達(dá)到遮光和透光的目的來(lái)顯示深淺不一，錯(cuò)落有致的圖象，而且只要在兩塊平板間再加上三元色的濾光層，即可實(shí)現(xiàn)顯示彩色圖象。

LCD特點(diǎn)之一是必須將液晶灌入兩個(gè)列有細(xì)槽的平面之間才能正常工作。這兩個(gè)平面上的槽互相垂直(90度相交)，也就是說(shuō)，若一個(gè)平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個(gè)平面之間的分子被強(qiáng)迫進(jìn)入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過(guò)液晶時(shí)也被扭轉(zhuǎn)90度。此時(shí)由UV光源發(fā)出的UV光線就會(huì)扭轉(zhuǎn)方向，不會(huì)透過(guò)屏幕照射到固化材料上，而當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子便會(huì)重新垂直排列，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)，此時(shí)UV光線便可以直射出去，照射到固化材料上引發(fā)固化。

液晶屏的選擇，直接影響到最終的成型面積以及精度，此處選用了7寸1080P的液晶顯示屏作為成像部分。

4.2 光路部分的第一次改造

光路部分由液晶屏、菲涅爾透鏡、屏幕驅(qū)動(dòng)板、UV光源及其電源組成，每一部分都需要固定在打印機(jī)結(jié)構(gòu)上，考慮到現(xiàn)有的打印機(jī)結(jié)構(gòu)，正好可以將所有光路部分放置在機(jī)器的底層。此部分需要注意的是整體必須無(wú)漏光。

4.2.1 液晶屏及菲涅爾透鏡定位

一方面，液晶屏需要與菲涅爾透鏡貼的足夠近，這樣以保證UV光源的強(qiáng)度；另一方面，兩者又不可以直接接觸，需要給光路留一點(diǎn)空間，如圖11、12所示。(中間留出了一定的厚度)

由于最終的光源是UV燈，需要將原本屏幕的LED背光源拆除，只留下最上面一層屏幕。同時(shí)LED背光的電源是從40pin的排線上接出來(lái)的，也需要將其拆除，圖13為屏幕排線接口位置。

圖11 透鏡固定位置

圖12 液晶屏固定位置

圖13 屏幕排線出口

4.2.2 遮光罩

利用FDM型3D打印機(jī)打印出遮光罩并進(jìn)行整體避光處理，如圖14所示?？紤]在遮光罩最外面再纏繞一層黑色絕緣膠帶，同時(shí)保證與上面透鏡固定結(jié)構(gòu)連接處一定不可以有漏光。

為了防止光能量的流失，還需要對(duì)四周進(jìn)行避光處理，先在內(nèi)層噴涂了一層銀色噴漆，外層填上一層原子灰填縫，最后在最外層纏上一層黑色電工膠帶封口，如圖15所示。

4.2.3 顯示屏和遮光罩的組合

由于菲涅爾透鏡的焦距非常短，屏幕距離透鏡越遠(yuǎn)，聚光的效果就會(huì)越差，因此需要盡可能將屏幕和透鏡貼近以保證透光的強(qiáng)度，但又不能直接接觸。由于透鏡是從下部固定于遮光罩頂面的底部，所以這里就將屏幕直接貼合在遮光罩的頂面的頂部，這樣就隔出一定距離，圖16為貼合后的成品。

圖14 打印好未進(jìn)行避光處理的遮光罩

圖15 避光處理后的遮光罩

圖16 貼合之后的屏幕與遮光罩

4.2.4 第一次光路點(diǎn)亮測(cè)試

對(duì)改裝后的光路系統(tǒng)進(jìn)行第一次點(diǎn)亮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遮光罩頂部屏幕四周的漏光還是比較嚴(yán)重，這將嚴(yán)重影響最后的成型效果，甚至可能固化不該固化的部分，如圖17、18所示。于是對(duì)此處進(jìn)行下一步改進(jìn)。

4.3 光路部分的完善

經(jīng)過(guò)第一次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)由于遮光罩為3D打印件，頂部還是存在有漏光的現(xiàn)象，如果在打印過(guò)程中發(fā)生漏光而置之不理，必然就會(huì)導(dǎo)致光線照射到不需要固化的區(qū)域，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致打印失敗。于是，利用黑色泡棉膠和絕緣膠帶對(duì)頂部漏光部分進(jìn)行二次遮擋，圖19為最終成品。這樣，便可以完全的杜絕漏光的現(xiàn)象，也就不會(huì)發(fā)生因?yàn)槁┕舛斐傻拇蛴∈∈录?/p>

圖17 初步連接后的光路

圖18 給顯示屏供電之后的光路

圖19 二次遮擋完成的遮光罩

4.4 結(jié)構(gòu)改造

圖20 變形的Z軸

通過(guò)仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)由于Z軸滑塊與絲杠固定件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，引起結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致兩邊的光桿并不平行，使得滑塊在光桿上移動(dòng)時(shí)阻力越來(lái)越大，從而引起移動(dòng)卡澀，圖20為缺陷部位。鑒于此，特提出改造方法。

4.4.1 整體拆除并更換其整個(gè)Z軸(包含電機(jī))

我們從另一臺(tái)FDM打印機(jī)上拆下相關(guān)結(jié)構(gòu)，整體移植到這臺(tái)打印機(jī)上去，由于兩種打印機(jī)的Z軸作用基本一致，因此整體結(jié)構(gòu)不用改變，只需將Z軸固定在機(jī)器的結(jié)構(gòu)上，同時(shí)將平臺(tái)固定在滑塊上。

4.4.2 Z軸與機(jī)器固定的結(jié)構(gòu)件

總體分為上下兩部分，用FDM型打印機(jī)打印出所需結(jié)構(gòu)，分別固定Z軸的上下兩端，如圖21～圖24所示。

圖21 Z軸頂部固定結(jié)構(gòu)

圖22 Z軸底部固定結(jié)構(gòu)

圖23 絲杠、光軸與平臺(tái)連接部分特寫

圖24 平臺(tái)

改造后打印機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，引入更合理的設(shè)計(jì)理念，克服了原本結(jié)構(gòu)的缺陷，打印效果甚好，圖25為打印機(jī)改造成品圖，圖26為用改造后打印機(jī)打印的作品，可以看出，打印質(zhì)量明顯強(qiáng)于改造前。

圖25 改造完成的打印機(jī)成品

圖26 用改造后打印機(jī)打印的作品

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 LCD成像

對(duì)于整臺(tái)LCD打印機(jī)的結(jié)構(gòu)，核心部件當(dāng)然是LCD的成像部分，成型尺寸取決于選擇的LCD液晶屏的尺寸，成型件的精細(xì)度則取決于液晶屏的分辨率。而目前市面上高分辨率的屏幕通常為2K、4K，這類屏幕的優(yōu)點(diǎn)就是分辨率高，但缺點(diǎn)是尺寸較小。本臺(tái)機(jī)器由于裝配精度等因素的影響，在成型精細(xì)度上已經(jīng)失去了優(yōu)勢(shì)，于是在最終選擇的時(shí)候索性直接拋棄高分辨率，而保證了成型尺寸，所以最后選擇了7寸1080P的液晶屏。對(duì)于液晶屏也需要進(jìn)行改造，必須要去除液晶屏原本的背光板，由于在出廠時(shí)這些都是整合在一起的，同時(shí)液晶屏也是易碎零件，所以在改造時(shí)需要小心細(xì)心，稍有不慎就會(huì)弄斷屏幕排線或者壓碎屏幕，導(dǎo)致整塊屏幕的報(bào)廢。

5.2 光源

LCD打印機(jī)采用的是波長(zhǎng)為405nm的UV光，在光源的選擇上就將范圍縮小，同時(shí)為了保證固化的強(qiáng)度，對(duì)于光源功率的要求也會(huì)更加苛刻。最終選擇了30W的LED光板作為光源，如此一來(lái)就需要加裝一套專門的供電電路。提供LED工作所需的36V電壓。對(duì)于電路的連接和布置都需要仔細(xì)的考量。

5.3 光路部分

由于這臺(tái)3D打印機(jī)完全是依靠光照來(lái)進(jìn)行固化，對(duì)于光照強(qiáng)度就有著比較高的要求，除了在光源上保證足夠的強(qiáng)度之外，光路的密閉性也是很重要的影響因素。如果存在漏光，必定會(huì)對(duì)光照強(qiáng)度造成損失。另外，漏光還有可能會(huì)對(duì)打印過(guò)程產(chǎn)生影響，造成不必要的固化，毀掉整個(gè)打印過(guò)程。所以，保證光路的密閉性是至關(guān)重要的。

6 總結(jié)

綜合整個(gè)改造過(guò)程，收獲頗豐，達(dá)到了預(yù)期目的。

(1)優(yōu)化了原有機(jī)器，提升了打印質(zhì)量。通過(guò)簡(jiǎn)單的光路和結(jié)構(gòu)改造，克服了原有打印機(jī)的缺陷。不僅降低成本，改裝還方便，只需要拆除普通液晶屏的背光部分，將光源改成UV光，留下液晶部分及前后兩層偏振膜即可。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，改裝后的設(shè)備試運(yùn)行效果優(yōu)于之前。

(2)提升了團(tuán)隊(duì)成員自行設(shè)計(jì)組裝能力。此機(jī)器的改造過(guò)程均由團(tuán)隊(duì)師生自行拆裝、自行設(shè)計(jì)，所需零部件大部分都是通過(guò)FDM型3D打印機(jī)打印完成。既培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)師生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，又鍛煉了高職學(xué)生的創(chuàng)造技能和動(dòng)手技能，使學(xué)生不僅會(huì)使用機(jī)器，還具有研究改造機(jī)器的能力。