黃嘉林，安芬菊，何展鵬，陳儒森，黃家濠，何偉宇

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展以及其在原型制造、生物工程、醫(yī)學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化，3D打印已日漸成為科技發(fā)展的一大趨勢(shì)。激光立體光固化作為最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，通過(guò)紫外激光光束照射液態(tài)光敏樹(shù)脂使其發(fā)生光聚合反應(yīng)的原理[1]實(shí)現(xiàn)固化成形。成型件從樹(shù)脂中取出后，模型表面附著有較多的光敏樹(shù)脂原料，需要進(jìn)行后處理將表面附著的液態(tài)光敏樹(shù)脂清洗掉。目前采用的大多數(shù)方法是將模型件浸入相關(guān)溶劑中，反復(fù)清洗，操作費(fèi)力、效率低?；谶@一現(xiàn)狀，為了在一定程度上可以解決光固化3D打印成型件后處理清洗方面的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置。其通過(guò)內(nèi)部平臺(tái)的運(yùn)作與清洗溶劑相配合，取代傳統(tǒng)人工清洗，避免人工清洗揮發(fā)清洗溶劑對(duì)操作者帶來(lái)的健康隱患。

1 清洗裝置設(shè)計(jì)思路

清洗裝置主體采用箱體結(jié)構(gòu)，包含底座、外箱體、箱蓋、按鍵顯示器、物件收納盒等結(jié)構(gòu)。光固化樹(shù)脂清洗劑一般具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，對(duì)吸入者有較大危害，而清洗裝置的半密封箱體結(jié)構(gòu)能最大限度限制清洗劑的揮發(fā)，避免操作人員在人工清洗時(shí)所帶來(lái)的健康隱患[2]。

清洗時(shí)，操作人員打開(kāi)折疊箱蓋把將要清洗的成型件放入內(nèi)部的承物平臺(tái)上，蓋上后通過(guò)按鍵設(shè)定清洗時(shí)間，平臺(tái)沉下并進(jìn)行限定范圍的上下微動(dòng)，達(dá)到浸泡清洗的效果。清洗完畢后，平臺(tái)自動(dòng)上升，待操作人員打開(kāi)折疊箱蓋取走成型件。清洗裝置設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械部分、機(jī)電控制部分。激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置透視圖如圖1所示。

圖1 激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置透視圖

1.1 機(jī)械部分

激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置的機(jī)械部分主要由底座、承物平臺(tái)、導(dǎo)向柱、槽密封蓋、背隔板、滑塊、滾珠絲杠導(dǎo)軌、聯(lián)軸器、直流步進(jìn)電機(jī)、排水管、排水閥等零部件組成。其工作原理是裝在清洗裝置內(nèi)部的承物平臺(tái)，在電路控制直流步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲桿，使滑塊帶著承物平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)[3]，擺放在承物平臺(tái)上并浸泡在清洗劑中的成型件隨著承物平臺(tái)做上下往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)，達(dá)到清洗目的，實(shí)現(xiàn)清洗效果，而反復(fù)利用后的廢棄清洗劑可以通過(guò)排水管排出。清洗裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 清洗裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有承物平臺(tái)，漏水孔可在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將清洗溶劑漏出，減小運(yùn)動(dòng)阻力，而導(dǎo)向孔可與其導(dǎo)向柱相配合起到平臺(tái)導(dǎo)向作用，同時(shí)可減小平臺(tái)的扭動(dòng)，提高穩(wěn)定性。整個(gè)承物平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)則通過(guò)連接桿體與滾珠絲桿上的滑塊相連，起傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)作用。承物平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 機(jī)電控制部分

（1）主控芯片

STM32系列處理器是ST公司新推出的一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的處理器。本設(shè)計(jì)選用STM32系列的STM32F103ZET6作為主控處理器，擁有高性能的ARM?Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設(shè)等，且性?xún)r(jià)比高，適用于本設(shè)計(jì)的主控處理器[4]。STM32F103ZET6最小系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

圖3 承物平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖4 STM32F103ZET6最小系統(tǒng)電路圖

（2）電路控制

電路控制主要由主控處理器、OLED顯示、按鍵控制、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)等部分組成。其工作原理是主控芯片引腳控制輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM）信號(hào)[5]，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰埔约肮β史糯蟮奶攸c(diǎn)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制承物平臺(tái)的上下往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)；同時(shí)通過(guò)控制輸出脈沖個(gè)數(shù)與脈沖頻率來(lái)控制角位移量和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，使承物平臺(tái)在上下升降運(yùn)動(dòng)中達(dá)到準(zhǔn)確定位以及限定范圍的上下微動(dòng)[6]，達(dá)到清洗目的。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線(xiàn)原理圖如圖5所示；直流步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線(xiàn)原理圖

圖6 直流步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖

清洗裝置通過(guò)按鍵控制成型件的清洗時(shí)間、清洗起始以及中斷[7]，OLED顯示模塊可顯示設(shè)置菜單以及實(shí)時(shí)反應(yīng)清洗時(shí)間進(jìn)程[8]，從而實(shí)現(xiàn)清洗裝置的可控調(diào)節(jié)。OLED顯示模塊原理圖如圖7所示；按鍵控制模塊圖如圖8所示。

圖7 OLED顯示原理圖

2 設(shè)計(jì)效果及制作實(shí)物

圖8 按鍵控制模塊圖

本清洗裝置制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，可大大減少人員的工作量，提高清洗效率。圖9所示為激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置模型圖；圖10所示為激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置平面投影圖；圖11所示為第一代功能實(shí)現(xiàn)實(shí)物圖；圖12所示為第一代功能實(shí)現(xiàn)實(shí)物俯視圖。

圖9 激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置模型圖

圖10 激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置平面投影圖

圖11 第一代功能實(shí)現(xiàn)實(shí)物圖

圖12 第一代功能實(shí)現(xiàn)實(shí)物俯視圖

3 結(jié)束語(yǔ)

反復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可有效解決激光立體光固化3D打印成型件后期清洗人工效率低、工作量較大的問(wèn)題。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、操作簡(jiǎn)易、自動(dòng)化程度高，提高了清洗溶劑的利用率，避免人工清洗揮發(fā)清洗溶劑對(duì)操作者帶來(lái)的健康隱患。同時(shí)，該裝置具有創(chuàng)新性，獲得了“一種用于激光立體光固化3D打印成型件的清洗裝置（專(zhuān)利號(hào)：ZL201820728892.0）”授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利1項(xiàng)。