藍志堅

（廣東麗格科技股份有限公司，廣東 廣州 511325）

0 引言

DLP 面掃描技術光源系統(tǒng)的組成結構相對比較復雜，屬于3D 打印機光機的核心部件，由于傳統(tǒng)的3D 打印機光源系統(tǒng)受到許多因素的限制，因此存在一定的不足之處，例如操作不夠便捷以及打印出來的作品質量欠佳等，該文所提出的基于DLP 面掃描技術的光固化3D 打印光源系統(tǒng)的改進設計可以有效彌補上述缺陷，是一種新型的3D 打印機光源系統(tǒng)設計方法，值得被廣泛地推廣應用，相關3D打印機設計行業(yè)的工作人員可以借鑒該方法，進一步對3D打印機構造設計進行優(yōu)化。

因為DLP 面掃描技術具有快速投影顯像以及精度高的優(yōu)點，所以自研發(fā)以來，該技術就得到了廣泛地推廣應用，其中在3D 打印作業(yè)中發(fā)揮了十分突出的作用。但是，在DLP 投影顯像技術的應用過程中，也存在一定的不足之處，例如精度會受到光機分辨率的影響，從而導致出現投影面積越大、精度越差的現象，如果光機的分辨率不能得到有效保障，那么3D 打印機所印出的成品幅面以及打印清晰度都會受到影響，這在很大程度上制約了DLP 技術在3D 打印機領域中的應用水平。為了突破該技術難點，提高3D 打印機的應用質量，開展針對DLP 面掃描技術光源系統(tǒng)的研究是十分必要的[1]。

1 DLP 面掃描技術工作原理及原有技術應用問題分析

1.1 DLP 面掃描技術應用于3D 打印的工作原理

從技術實現原理方面來看，該文所提出的DLP 面掃描打印光源系統(tǒng)主要是由多個光機拼接而成，4 個光機為1 個單元，通過物理拼接，并采用軟件融合技術，能夠根據打印幅面的實際需求進行靈活調整，該系統(tǒng)的改造主要是對目前市場上現有的DLP 光機（405 波長紫外光源）進行優(yōu)化而實現的。從具體工作原理上來看，該文所提出的DLP 面掃描打印光源系統(tǒng)具體構成如圖1 和圖2 所示。

圖1 具有基于光固化技術的3D 打印光源系統(tǒng)的3D 打印機的簡易圖

圖2 一種基于光固化技術的3D 打印光源系統(tǒng)的結構圖

單個光機2（405 波段的光源系統(tǒng)）在3D 打印機中的作用是將模型的輪廓（圖像）轉化為光信號，并投射到模型工作臺的光敏樹脂上，光敏樹脂在405 紫外光的作用下固化成型。單個光機在分辨率不變的條件下，投射幅面是一定的，該系統(tǒng)是通過4 個光機拼接組合為1 個單元（如圖2 所示），從而達到擴大幅面的目的，在實現該系統(tǒng)時，需要先通過物理拼接的方式，將4 個光機固定在固定底板1 上，然后將系統(tǒng)預設的方框圖的光信號投射到3D 模型工作臺，控制終端7 根據聚焦圖像采集儀6 采集方框圖，觀察方框圖中間位置的拼接效果，通過移動光機的相對位置，實現對拼接圖像的粗調。因為圖像都是由光點組成的，所以在控制終端可以放大拼接位置的圖像，觀察每個光點的結合重疊效果，通過控制終端的電路設計和程序控制，移動光點的位置，調整重疊光點處的灰度值（軟件融合），實現對拼接處的微調。結合處的光點拼接到位，最終實現擴大幅面的目標，組合成四倍單光機幅面的光源系統(tǒng)。

1.2 DLP 面掃描技術應用于3D 打印的問題分析

3D 打印機的光機聚焦距離、聚焦幅面以及光機分辨率是影響打印模型精度和打印幅面大小的關鍵因素，常規(guī)的光固化3D 打印機光敏樹脂的紫外光的最佳波長范圍為365 nm～405 nm，如果固化光源使用白光汞燈，那么其光源中紫外光的含量比較少，因此固化效果不是很好，亮度也不是非常均勻，還容易產生大量損耗，特別是單光源光機受到分辨率的限制，聚焦幅面和精度難以達到良好的平衡狀態(tài)。而且常規(guī)3D 打印機固化光源系統(tǒng)拼接部分獨立光機的空間位置一般都是固定不變的，基本不能實現各路光機同時達到相同聚焦效果的目標，最后得到的聚焦圖形參考價值不高，通常情況下都需要通過人為目測進行位置調整，但是拼接聚焦操作的難度較大，這需要打印人員有非常熟練且專業(yè)的技術水平才可以完成工作，因此一直以來3D 打印技術的應用就存在一些未能得到有效解決的質量通病[1]。

1.3 DLP 系統(tǒng)光源改造的必要性

DLP 是Digital Light Processing 的縮寫，即數字光處理，先對影像信號進行數字處理，通過光源系統(tǒng)轉換成光信號，再把光投影出來。首先，在DLP 光源系統(tǒng)中，光源是決定整個系統(tǒng)圖像質量的最直接因素，例如光源亮度、均勻度以及對比度等都是整個系統(tǒng)光能的提供者。其次，光源還決定DLP 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即光源發(fā)熱量越大、溫度越高，對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響就越大。在DLP 系統(tǒng)的發(fā)展前期，由于其穩(wěn)定性無法得到保證，因此很多系統(tǒng)不得不設計成雙光源系統(tǒng)，以此來保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定。再次，光源也決定DLP 產品的維護周期，由于光源系統(tǒng)的特性，因此光源系統(tǒng)都有一定的衰減周期，而每個產品的衰減周期是相對不可控制的，這樣就會造成客戶在使用一段時間后，產品的色彩和亮度都會出現比較大的變化，需要對其進行定期維護。最后，光源也決定DLP 產品的維護成本，不同光源的DLP 后期需要的維護成本也會產生很大的差異。由于光源技術發(fā)展的成熟度以及使用壽命都存在差異，因此在后期維護時，需要更新的原器件價格和更新頻率也不盡相同，這樣就造成維護成本存在差異[2]。

單光源系統(tǒng)的分辨率和最大曝光幅面會隨著技術的發(fā)展不斷地提高或增加，但在一定時期內，市場對打印精度和打印幅面的需求的變化是相對較快的，現有的的針對單光源系統(tǒng)的拼接優(yōu)化改造技術可以靈活地擴充打印幅面，滿足不同的市場需求，因此該改造技術具有很大的市場價值。

2 DLP 面掃描技術3D 光源系統(tǒng)改進設計方案

基于數字投影技術（DLP）的光固化3D 打印機的構件主要包括模型工作臺、材料槽、升降機構以及光源系統(tǒng)，根據對打印精度的要求，通常會采用切片軟件按模型擺放位置的垂直方向將3D 模型分割成N個薄片，光源系統(tǒng)按順序將切片的輪廓轉換成光信號，并投射到材料槽里的光敏樹脂上，光敏樹脂在特定波長的光作用下，固化成對應切片輪廓的單片固體模型，并粘附在模型工作臺上；然后升降機構將模型工作臺提升一個切片厚度的距離，這樣粘附在模型工作臺的固化模型薄片與材料槽之間會有一個切片厚度的液態(tài)光敏樹脂，在軟件的控制下，將第二個切片輪廓光信號投射到材料槽底部，上一個固化模型與材料槽底部的液態(tài)光敏樹脂在光的作用下，固化成對應切片輪廓的固體，并與上一個切片的固體膠粘重疊，以此類推重復上述動作，直到所有切片全部固化層疊，完成3D 打印任務，最終成形3D 模型。在該過程中，能打印的模型的最大尺寸和打印精度是由光源系統(tǒng)的分辨率和最大曝光尺寸所決定的，光源系統(tǒng)（核心單元一般稱為光機）的主要作用就是生成打印物的平面輪廓固化光源。就像常用的投影機，一般投影機都有固定的分辨率，在分辨率不變時，都有固定的最大投影面積。光機的分辨率越高，其最大投影面積就越大，能生成的輪廓圖像也就越清晰，面積也越大，因此最大打印精度和最大打印尺寸對光源系統(tǒng)有重要影響。

2.1 改進后的DLP 面掃描技術3D 光源系統(tǒng)構成及作用說明

該文所述的改進后的設計方案為DLP 面掃描光固化技術3D 打印光源系統(tǒng)，具體由以下4 個構件組成：1）聚焦圖像采集儀。2）控制終端。3）固定底板。4）光機組件。其中光機組件最少設置2 個，由光機和豎向板組成，該文采用4 個2×2 的單光機進行拼接，因此光機和豎向板的數量均為4 個，但是后期可以根據實際需求進行增加。光機組件安裝在固定板上，并設置一一對應的導軌。T 型豎向板就是通過導軌滑動安裝在固定板上（可以實現Z軸方向移動）；光機則通過導軌互動安裝在豎向板上，并沿著豎向板的垂直方向進行移動，實現遠離或靠近固定底板的效果。導軌部分的具體設計形式為2 個凹槽結構，操作人員可以根據實際作業(yè)需求，分別使用不同的凹槽和豎向板自由移動光機，豎向運動開始是采用手動操作，由于數據采集和位置鎖止的需要，后期加了4 個驅動電機，自動精確控制光機的豎向移動。

豎向板設計為T 型樣式，主要由豎板和橫板構成，其中豎板的一端固定安裝在橫板的中間部位，另一端則用螺絲與橫板的一端進行連接后安裝在一個凹槽中，橫板的另一端安裝在另一個凹槽。這樣設計的原因是經過測試發(fā)現，該結構穩(wěn)定性較強，在打印機運行使用過程中所形成的光機照射幅面波動性較小。由于該文選用的單光機分辨率為1920×1080 dpi，凹槽在固定板上的橫縱兩個方向設計比例為16︰9 的滑槽，其中橫向為固定板的長邊方向，縱向為短邊方向。設置凹槽的主要目的就是為了便于T 型豎向板朝XY方向移動，這樣工作人員就可以靈活調整光機的位置，進而改變光機的照射位置。凹槽的橫向和縱向比例參數的設置主要是參照光機的分辨率，凹槽與選用的光機分辨率相匹配，因此將凹槽在固定底板上的比例設置為16︰9 是比較合理的，光機是用導向螺絲固定在凹槽內的，因為在設計該凹槽時，XY方向是按比例設計的，所以在凹槽的導向作用下，光機在XY方向也會按該比例進行移動[3]。

通過以上結構可以實現光機單元在XY方向的位置調節(jié)，結合圖像采集系統(tǒng)采集到預設的拼接用標定圖框，直觀顯示拼接效果，移動每個光機的相對位置，實現4個光機拼接處的物理粗調。通過圖像采集系統(tǒng)的軟件放大圖框，觀察拼接處每個像素點的位置，移動像素點的位置，調整光點的灰度值，實現對拼接處的精細調節(jié)。該文所述的DLP 面掃描光固化技術3D 打印光源系統(tǒng)還包括2 個主要構件，分別是聚焦圖像采集儀和控制終端，二者通過電性進行連接。其中控制終端是由計算機控制的，光機和控制終端也通過電性進行連接，并且光機會負責把控制終端傳遞出來的信號轉化成光信號，并投射到相應的3D 模型工作臺上。此時，聚焦圖像采集儀對每個光機投射出來的光信號進行捕捉采集，然后再次轉化為圖形信號反饋給控制終端，控制終端最后按照指令轉化展示圖像。在拼接采集數據時，會預設適當的采集點，采集拼接漂移值，并繪制漂移曲線，通過系統(tǒng)算法，補充結構加工和物理安裝的誤差，使拼接精度更加精密。

2.2 改進后的DLP 面掃描技術3D 光源系統(tǒng)優(yōu)勢特征

對DLP 面掃描技術3D 光源系統(tǒng)改進發(fā)明進行測試分析后發(fā)現，該系統(tǒng)具有以下7 個優(yōu)勢：1）光機組件方面。拼接前對單光機的亮度、輸出功率以及投射距離進行精確測量和優(yōu)化，改進后進一步解決了單光機組件自身技術指標不穩(wěn)定的問題。2）控制終端方面。采用圖像采集系統(tǒng)、Z軸移動自動控制以及誤差補償等一系列措施，使技術人員可以對拼接動作進行可視化控制，操作簡單，且拼接精度更有保障，進一步解決終端選取的技術問題。3）豎向板方面。T 型豎向板在固定光機的同時，通過固定豎向板的銷釘在凹槽的移動，進一步解決設置豎向板的技術問題。4）導軌結構設計方面。結合驅動電機自動控制光機在垂直方向的移動，進一步解決了T 型板的滑動安裝、位置鎖止及聚焦微調的技術問題。5）凹槽在固定底板設置方面。按照光機分辨率的長寬比例開設凹槽，進一步解決了調節(jié)光機移動方向的技術問題。6）解決在現有單光機分辨率不變情況下擴大打印幅面的問題。7）可以根據市場需求靈活擴充打印幅面。

3 DLP 面掃描技術3D 光源系統(tǒng)改進成果分析

該DLP 面掃描技術3D 光源系統(tǒng)改進設計方案成果顯著，與市場上既有的3D 打印設備相比，該系統(tǒng)的主要成果在于以下3 點：1）首先，該系統(tǒng)的3D 打印機光源系統(tǒng)有效實現了優(yōu)化拼接效果的目標，通過設置聚焦圖像采集儀，完成對每路光機圖形電信號的采集；其次將電信號傳輸給計算機，通過給軟件設定參考標準網格，對打印出來的成品進行比對；最后，通過調整光機凹槽，實現光機空間位置的線性移動，讓3D 打印機光機拼接的物理效果得到提升。2）該系統(tǒng)還通過軟件融合技術實現了對拼接處像素點（即光點）的精細調節(jié)，突破了單光機系統(tǒng)投射幅面的技術制約。3）該技術可以根據市場對打印幅面的需求，靈活拼接、擴充打印幅面，當單光機分辨提高時，升級拼接單元，從而提高整體打印精度。該改進技術可以讓目前3D 打印機的應用范圍更加廣闊、作業(yè)質量更加優(yōu)質，有利于進一步促進3D 打印技術的推廣[4]。

4 結語

該文基于DLP 面掃描技術所開發(fā)的3D 打印機光源系統(tǒng)最終取得了值得肯定的成績，該系統(tǒng)同時也獲得發(fā)明專利ZL2016 1 0650106.5。在該設計改進過程中，不僅積累了大量關于DLP 面掃描技術3D 光源系統(tǒng)設計的經驗，而且還有效實現了對設計方案的創(chuàng)新優(yōu)化，進一步提高了3D 打印技術的應用水平，這對我國在該領域的技術研發(fā)工作來說，也是一項重大突破。該設計可以被廣泛應用于其他類似項目的設計中，為3D 打印機光源系統(tǒng)的進一步改進提供了可靠的參考案例，具有非常突出的實際價值。