張?zhí)鞊?，?霽

（1.東南大學(xué)吳健雄學(xué)院，南京 211189；2.東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096）

0 引言

3D打印技術(shù)是利用逐層累加的方式實(shí)現(xiàn)打印立體物品的技術(shù)。由于打印的方式和材料不同，主要分為熔融沉積快速成形FDM、選擇性激光燒結(jié)SLS、光固化快速成形SLA 等類型。其中，在光固化成形技術(shù)中，LCD 光固化打印技術(shù)是利用LCD屏幕的選擇透光性控制打印區(qū)域，將光敏樹(shù)脂按照預(yù)先設(shè)計(jì)的造型結(jié)構(gòu)分層打印出來(lái)，產(chǎn)生物體的剖面層，同時(shí)用特定頻率的光波進(jìn)行照射使之快速固化并逐層疊加成形［1］。LCD 光固化技術(shù)具有光源利用率高的優(yōu)點(diǎn)，405 nm 波段的UV 光是大部分樹(shù)脂的固化波段，可以全部被利用。而且精度高，很容易達(dá)到平面精度100 μm，具體取決于采用屏幕的像素［2］。

目前單一材料的LCD 光固化3D 打印機(jī)已經(jīng)較普遍，但單一材料的打印機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性，只能實(shí)現(xiàn)單一的力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)及導(dǎo)電性能，限制了光固化3D打印機(jī)的功能和用途，無(wú)法進(jìn)一步滿足社會(huì)對(duì)高性能和多功能商品的需求。而多材料光固化3D 打印可以進(jìn)一步起到優(yōu)化產(chǎn)品性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的作用。因此深入研究多材料光固化3D打印技術(shù)可以提升光固化成型能力和成型零件的功能性，對(duì)于工業(yè)復(fù)雜嵌套的產(chǎn)品功能也提供了技術(shù)手段，具有十分重要的意義。因此，本文提出不同技術(shù)方案，設(shè)計(jì)并制作一種能夠?qū)崿F(xiàn)多材料打印的LCD 光固化3D 打印機(jī)。

1 技術(shù)方案選擇

現(xiàn)有的單材料LCD光固化打印機(jī)僅有一個(gè)樹(shù)脂槽，不能實(shí)現(xiàn)快速雙色打印。同時(shí)，由于光固化3D 打印機(jī)打印完一種顏色更換樹(shù)脂槽時(shí)會(huì)粘附上一樹(shù)脂槽的殘余樹(shù)脂，混入下一樹(shù)脂槽。因此，需要一種能實(shí)現(xiàn)雙色打印光固化3D 打印機(jī)，并在打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)不同樹(shù)脂槽切換時(shí)殘余樹(shù)脂清洗及快速風(fēng)干問(wèn)題。在選擇技術(shù)方案時(shí)對(duì)以下兩種方案進(jìn)行了對(duì)比。

1.1 技術(shù)方案一

技術(shù)方案一采用的是單屏對(duì)雙材料、分屏打印的思路，如圖1所示，圖形化曝光系統(tǒng)由光源、菲涅爾透鏡和液晶顯示器（LCD）構(gòu)成。利用X 軸（橫向）、Z 軸（縱向）機(jī)動(dòng)裝置控制打印平臺(tái)在多材料以及清洗槽之間運(yùn)動(dòng)。

圖1 技術(shù)方案一原理圖

其中LCD屏幕位于A、B 材料的下方，同時(shí)為A、B 材料提供固化設(shè)計(jì)。具體操作過(guò)程為，當(dāng)打印A 材料時(shí)，電機(jī)控制打印平臺(tái)浸入材料A，同時(shí)LCD屏幕僅左半屏發(fā)光，打印圖形；A材料打印結(jié)束后，電機(jī)將移至清洗槽清洗，隨后移入B材料，此時(shí)LCD屏幕僅有右半屏工作。此方案充分利用LCD打印的特性：大區(qū)域同時(shí)固化，解決了雙材料如何利用單一屏幕打印的問(wèn)題，此處考慮到多屏控制受硬件條件限制實(shí)現(xiàn)難度過(guò)大的實(shí)際情況，巧妙地采用了單屏分區(qū)處理。但是同時(shí)存在以下問(wèn)題。

（1）打印面積大幅降低，此處以雙材料打印進(jìn)行原理說(shuō)明，但實(shí)際產(chǎn)品可能存在多種材料，此時(shí)若是繼續(xù)對(duì)屏幕進(jìn)行分區(qū)，材料的大小會(huì)受到限制。

（2）軟件編程難度增加，一般情況下，單物體打印在切片過(guò)程中是按照屏幕中心進(jìn)行的，此時(shí)左右分屏的方法需要重新考慮切片軟件的工作方法。

（3）清洗槽數(shù)量增多，當(dāng)打印平臺(tái)從A材料提起，在移向清洗槽過(guò)程中，可能會(huì)有黏稠材料A落入材料B中造成污染。所以最好的方法是在A槽的左側(cè)添加第二清洗槽。而同理，當(dāng)材料數(shù)量更多，也需要更多的清洗槽，加之屏幕分區(qū)的原因會(huì)導(dǎo)致打印空間進(jìn)一步下降。

（4）樹(shù)脂槽需要定制，因?yàn)楝F(xiàn)有樹(shù)脂槽大多不滿足在一塊屏幕上并排擺放的要求。

綜合以上問(wèn)題，在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出第二種技術(shù)方案。

1.2 技術(shù)方案二

第二方案的原理如圖2所示。

圖2 技術(shù)方案二原理圖

整體打印機(jī)的運(yùn)行類似于項(xiàng)目方案一。主要改進(jìn)點(diǎn)在于，不再使用單屏對(duì)多槽的模式。方案二核心在于采用了與打印平臺(tái)共同移動(dòng)的光源屏幕模塊，打印A 材料過(guò)程中，光源與打印平臺(tái)共同移動(dòng)到A 樹(shù)脂槽處，打印平臺(tái)、樹(shù)脂槽、屏幕、光源在豎直方向上成一條直線排列。當(dāng)需要打印B 材料時(shí)，打印平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式與方案一相同，但當(dāng)打印平臺(tái)抵達(dá)B材料時(shí)，固定于Z 軸底端的光源屏幕也同步移至B 材料下方。由此，方案二克服了方案一存在的問(wèn)題，存在以下優(yōu)勢(shì)。

（1）打印面積不受限制，多個(gè)樹(shù)脂槽不再共用屏幕，只需要增加X(jué)軸的可移動(dòng)距離即可增加材料種類。

（2）單屏幕不分屏可簡(jiǎn)化軟件程序，在單一材料時(shí)，系統(tǒng)與單材料打印機(jī)完全相同，多材料則只需要在特定打印層數(shù)按打印次序合理排布打印切面即可。

（3）樹(shù)脂槽不需要定制，與屏幕大小匹配即可。清洗槽數(shù)量確定，排布方式為與樹(shù)脂槽交叉排布。

（4）降低了橫向方向的精確度要求。

技術(shù)方案二也存在如下問(wèn)題：

（1）光源和屏幕可移動(dòng)，增加了項(xiàng)目整體的可移動(dòng)部件，對(duì)于排線提出了更高要求；

（2）由于屏幕可在打印平面下移動(dòng)，屏幕與樹(shù)脂槽之間會(huì)存在空隙。由光學(xué)特性可知，空隙的存在可能導(dǎo)致紫外光從屏幕射出后發(fā)散，造成打印材料的精確度降低。

針對(duì)以上問(wèn)題，具體解決措施為：加長(zhǎng)布線，留足活動(dòng)線的移動(dòng)空間；采用平行光源，有效減少空隙導(dǎo)致的光線發(fā)散。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一款完整的3D 打印機(jī)產(chǎn)品，主要包含硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是滿足多材料打印的基本條件，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)則為打印機(jī)操作提供便利性和實(shí)用性。

2.1 多材料打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括支撐框架、光源系統(tǒng)、投影裝置和投影裝置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。用UG 軟件畫出打印裝置的三維模型，如圖3所示，打印平臺(tái)支架通過(guò)打印平臺(tái)連接機(jī)構(gòu)固定于Z 軸直動(dòng)機(jī)構(gòu)。X 軸直動(dòng)機(jī)構(gòu)與Z 軸直動(dòng)機(jī)構(gòu)垂直機(jī)械連接。通過(guò)X軸直動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)打印平臺(tái)水平移動(dòng)，滑動(dòng)位置對(duì)應(yīng)相應(yīng)的樹(shù)脂槽和清洗槽；通過(guò)Z 軸直動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)打印平臺(tái)垂直移動(dòng)。此裝置可實(shí)現(xiàn)雙材料打印，只要再增加樹(shù)脂槽數(shù)量，就可以實(shí)現(xiàn)更多材料打印模式。

圖3 雙色光固化3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

NanoDLP是一款適宜3D 打印機(jī)控制的平臺(tái)軟件，可以為打印機(jī)提供一系列打印工具，在Gcode 的基礎(chǔ)上添加了一系列輔助程序代碼，便于操作者根據(jù)自己需求更改打印機(jī)打印模式。

主要的軟件設(shè)計(jì)思路如下：首先是初始化部分，這里決定了整體打印機(jī)的初始位置以及坐標(biāo)模式。坐標(biāo)模式分為絕對(duì)坐標(biāo)模式和相對(duì)坐標(biāo)兩種模式。G90為絕對(duì)坐標(biāo)模式，G91為相對(duì)坐標(biāo)模式。這兩種模式各有利弊，對(duì)于相對(duì)坐標(biāo)在每一層的變化上較為方便，而絕對(duì)坐標(biāo)在對(duì)儀器整體控制上較為方便。坐標(biāo)模式確定的基礎(chǔ)上回歸初始位置，G28 命令是初始化位置命令，步進(jìn)電機(jī)將回復(fù)到它的初始位置，初始位置由限位開(kāi)關(guān)決定。隨后利用延時(shí)功能［［delay 1.5］］，保證步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)結(jié)束后位置穩(wěn)定，最后利用位置設(shè)定功能［［PositionSet 0］］完成初始化全過(guò)程。延時(shí)和位置設(shè)定功能是NanoDLP平臺(tái)為方便進(jìn)行打印控制所提供的代碼。其次是打印過(guò)程部分。這里的程序使用的是絕對(duì)坐標(biāo)模式，理論上講相對(duì)坐標(biāo)的算法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是因?yàn)閲L試相對(duì)坐標(biāo)模式發(fā)現(xiàn)NanoDLP系統(tǒng)對(duì)于相對(duì)坐標(biāo)的控制十分不完善，所以這里主要以絕對(duì)坐標(biāo)為主。

每一層的操作具有重復(fù)性，NanoDLP 系統(tǒng)以此將每一層的打印過(guò)程劃分為前中后3 個(gè)階段，用戶可以分別編輯不同階段的代碼。每一層之前操作主要是移動(dòng)電機(jī)，隨后打開(kāi)光源。這里移動(dòng)電機(jī)的操作是核心，由于論文所設(shè)計(jì)電機(jī)不同于一般LCD打印機(jī)的單軸運(yùn)行，所以層次間對(duì)于樹(shù)脂槽和清洗槽之間的橫向移動(dòng)存在特異性，這里主要借助NanoDLP系統(tǒng)提供的基于移動(dòng)語(yǔ)句G1 語(yǔ)句的條件類語(yǔ)句，通過(guò)if 的條件判斷特定層的移動(dòng)距離。結(jié)合一系列X、Z 的變化可以實(shí)現(xiàn)在X、Z軸的控制。打印中主要是LCD 顯示屏的控制，這部分只需在打印前提交提前被切片好的3D 打印模型，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配每一層的打印圖片。打印后部分一般是對(duì)于打印前部分的補(bǔ)充，整體思路與打印前一致。這里提供M106，M107代碼控制光源的開(kāi)關(guān)，這兩條代碼分別加在打印過(guò)程前和后階段。事實(shí)上，這兩條代碼原本是用于控制熔融沉積型打印機(jī)的加熱棒的，現(xiàn)在將光源連到對(duì)應(yīng)接口就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

此軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)相關(guān)打印流程，舉例如下：（1）雙材料打印但是兩種材料在同一個(gè)打印層內(nèi)不交錯(cuò)，如圖4（a）所示； （2）在同層內(nèi)分區(qū)域打印A、B 兩種材料，如圖4（b）所示，具體實(shí)施過(guò)程為：采用紫光光陣列+LCD屏作為圖形化曝光系統(tǒng)，在不同層打印雙色成型件時(shí)，滑動(dòng)機(jī)身使打印平臺(tái)先對(duì)準(zhǔn)第一樹(shù)脂槽，該層為第一種顏色的部分打印完后，再滑動(dòng)機(jī)身使打印平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)清洗槽，通過(guò)垂直滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)器降低打印平臺(tái)，將半成品成型件浸入清洗液中，雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪盤帶動(dòng)清洗槽正反向旋轉(zhuǎn)，加快清洗液流動(dòng)，快速清洗掉殘余樹(shù)脂。清洗完成后，提升打印平臺(tái)，將半成品成型件對(duì)準(zhǔn)吹干機(jī)，快速吹干殘余的清洗液。再移動(dòng)滑動(dòng)機(jī)身使打印平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)第二樹(shù)脂槽，降低打印平臺(tái)到之前需要繼續(xù)打印另一種顏色的層，通過(guò)程序控制在指定位置繼續(xù)打印第二種顏色。如果需要繼續(xù)換色，重復(fù)上述步驟即可完成兩種顏色在同一層內(nèi)的打印。

圖4 雙層打印時(shí)完成的操作流程

3 方案實(shí)施與成果

3.1 材料購(gòu)置

項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)三維模型確定具體材料尺寸，同時(shí)對(duì)需要使用的部件進(jìn)行選型，完成臺(tái)架搭建及相關(guān)系統(tǒng)所需運(yùn)動(dòng)部件、打印部件、光源部件、顯示部件的購(gòu)置，如圖5所示，所用主要材料及部件如表1所示。

圖5 打印機(jī)購(gòu)置部件

表1 購(gòu)置主要材料及部件

3.2 裝置部件及控制系統(tǒng)連接

具體實(shí)物裝置如圖6所示。

（1）X 軸、Z 軸直動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)，2 根光軸，1 根絲桿，限位開(kāi)關(guān)以及可移動(dòng)的第一滑塊。采用2根光軸是為了提高直動(dòng)機(jī)構(gòu)的載重能力。

（2）液晶顯示屏及光固化光源包括5.5 寸（約14 cm）背光顯示屏、配套驅(qū)動(dòng)板以及適配于液晶屏大小的紫外光平行光源。光源連接Z軸底部，液晶顯示屏在垂直方向上與光源平行放置。紫外光電源控制由繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器的觸發(fā)信號(hào)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板發(fā)出。

（3）多個(gè)樹(shù)脂槽和多個(gè)清洗槽包括適配于光源與液晶屏尺寸的樹(shù)脂槽以及清洗槽；若雙材料打印，則包含兩個(gè)樹(shù)脂槽A、B以及一個(gè)清洗槽，此時(shí)，A 樹(shù)脂槽與B 樹(shù)脂槽分別在打印平面左側(cè)與右側(cè)，清洗槽居中且配備有電扇，三者在X軸方向上平行放置。電扇位于清洗槽的正上方，風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)打印平臺(tái)與清洗槽之間的半成品成型件，當(dāng)成型件清洗后，通過(guò)風(fēng)干機(jī)吹掃，可快速吹干殘余的清洗液。

圖6 3D打印機(jī)裝置實(shí)物圖

（4）樹(shù)莓派主板的主要作用是為脫機(jī)打印提供支持。樹(shù)莓派主板安裝NanoDLP系統(tǒng)，此系統(tǒng)是基于樹(shù)莓派平臺(tái)的光固化打印平臺(tái)，可以將圖片數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)傳送至樹(shù)莓派，并通過(guò)HDMI 接口以及USB 接口分別控制屏幕以及電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

（5）控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)控制板為Mega2560 +ramps1.4。其中ramps板提供了多達(dá)5路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置以及對(duì)應(yīng)限位開(kāi)關(guān)接口，同時(shí)提供了可軟件控制的多個(gè)供電端口，為系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)、光源控制、風(fēng)扇供電提供了可能。

（6）電源可理解為一變壓模塊，將220 V 交流電壓轉(zhuǎn)化為適配光源，樹(shù)莓派主板以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制板的電壓。此裝置中光源所需24 V電壓，ramps板需要12 V電壓。

利用ramps1.4板和Mega2560 板完成對(duì)于電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、光源控制信號(hào)的控制。利用樹(shù)莓派3B +完成脫機(jī)系統(tǒng)Nanodlp與整個(gè)機(jī)器的連接，同時(shí)樹(shù)莓派直接連接LCD 屏幕用以向其傳送圖像信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了通過(guò)打印機(jī)身滑行移動(dòng)，帶動(dòng)打印平臺(tái)和圖形化曝光系統(tǒng)同時(shí)在水平方向移動(dòng)至與不同樹(shù)脂槽相對(duì)應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)多材料打印時(shí)樹(shù)脂槽的快速切換。同時(shí)該設(shè)計(jì)也完成了樹(shù)脂槽切換過(guò)程中殘余樹(shù)脂快速清洗和清洗后的快速風(fēng)干。

（2）裝置通過(guò)軟件控制系統(tǒng)，利用紫光光陣列+LCD屏作為圖形化曝光系統(tǒng)，可完成在同層內(nèi)分區(qū)域打印不同材料。

（3）該設(shè)計(jì)具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，用特定頻率的光逐層照射不同類型光敏樹(shù)脂材料使之快速固化，使每個(gè)固化層累加在一起形成三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了多顏色、多材料、多性能結(jié)構(gòu)的高精度光固化3D 打印，滿足用戶對(duì)于打印產(chǎn)品功能及性能的更高要求，進(jìn)一步推動(dòng)LCD光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展。