多色光敏樹脂 3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

來源：DLP投影

摘要: 針對當(dāng)前以液態(tài)光敏樹脂為原料的立體快速成形技術(shù)來實(shí) 3D 打印實(shí)現(xiàn)多色打印和原料回收問題，對光敏樹脂的成形方式和 固化機(jī)理進(jìn)行分析，對立體光固化成型( SLA) 技術(shù)和數(shù)字光處理( DLP) 技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了一種基于 DLP 技術(shù)的多色光 敏樹脂 3D 打印機(jī)，詳盡論述了高分辨率 DLP 投影儀的工作原理和電路設(shè)計(jì)，給出了一個(gè) 4 色光敏樹脂 3D 打印的整體解決方案，并設(shè)計(jì)了打印原料的自動回收裝置。研究結(jié)果表明: 采用 DLP 技術(shù)的光敏樹脂 3D 打印比 SLA 技術(shù)的打印速度要快得多，同時(shí)滿 足高分辨率 3D 打印的要求; 采用基于 DLP 技術(shù)的多色光敏樹脂能實(shí)現(xiàn)多層顏色打印以及原料自動回收的功能，滿足快速成型制 造技術(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)了 3D 打印智能化和自動化，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

液態(tài)光敏樹脂為原料的 3D 打印機(jī)是基于光敏樹脂在紫外( UV) 光下固化的 3D 打印技術(shù)，其固化快 速、成型精度高、表面光潔好、物件機(jī)械強(qiáng)度高、具有類ABS 性能特點(diǎn)，適用于主流快速成型設(shè)備。光敏樹脂 一 般 為 低 粘 度 的 液 態(tài) ，常 用 于 制 作 高 強(qiáng) 度 、耐 高 溫 、防水等材料。光敏樹脂由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其 中加紫外光引發(fā)劑( 或稱為光敏劑) ，在一定波長( 250 nm ~ 400 nm) 的紫外光波長照射下立刻引起聚 合反應(yīng)，即完成固化[1]。

光敏樹脂是一種既古老又嶄新的材料，與一般固 化材料比較，光固化材料具有下列特性:
( 1) 固化速度快，可在 4 s ~ 10 s 內(nèi)固化，可應(yīng)用于 要求立刻固化的場合;
( 2) 不需要熱源，不存在溫控問題;
( 3) 可配制多種顏色，實(shí)現(xiàn)多色打印。近年來光敏樹脂在 3D 打印機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用，但幾乎都為單色打印[2] 。 本研究將利用已調(diào)顏色液態(tài)光敏樹脂為原料以實(shí)現(xiàn)多色打印，使光敏樹脂 3D打印機(jī)錦上添花。

1、光敏樹脂 3D 打印機(jī)原理
根據(jù)所采用光源的不同，光敏樹脂 3D 打印機(jī)可分為 SLA 和 DLP 兩種數(shù)字光處理機(jī)器。


1.1 SLA技術(shù)
立體光固化成型技術(shù)的光源來自 UV( 紫外光)激光器。激光光束通過數(shù)控裝置控制振鏡掃描，按 設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面 特定區(qū)域內(nèi)樹脂固化。每當(dāng)一層加工完成后，生成 物件的一個(gè)截面，然后升降臺下降一層距離，固化層 上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行下一層掃描。后一 固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，逐層疊加而成 三維工件原型。

SLA 技術(shù)采用的是激光照射光敏樹脂的方式，激 光頭依照模型切片生成的 G 代碼，從點(diǎn)到線再到面，順序掃描每一層模型切面，被激光照射到的光敏樹脂 迅速固化，但 SLA 每層需要由刷板將液態(tài)樹脂刮均 勻。為了實(shí)現(xiàn)高速掃描，激光經(jīng)激光器產(chǎn)生經(jīng)過 X、Y兩個(gè)方向的振鏡依次反射，再照射到樹脂表面。SLA的特點(diǎn)是成型精度高，大部分的高精度工業(yè)級光固化 機(jī)器都是采用 SLA。由于 SLA 打印技術(shù)類似于 FDM型 3D 打印技術(shù)，每一層成型過程都是走軌跡的逐點(diǎn) 固化，速度比較慢。

1.2 DLP技術(shù)
數(shù)字光處理技術(shù) 3D 打印機(jī)的光源是來自投影 儀。投影儀每次將一個(gè)模型的切面作為平面圖像照射到液態(tài)樹脂上使之固化，利用這種方式每次成型一 個(gè)面，打印時(shí)間只取決于要打印物件的層高，因此打印工程第34 卷速度要比 SLA 快，采用這種方式可實(shí)現(xiàn)小批量快速成型生產(chǎn)。

DLP 式 3D 打印機(jī)又分為上投式和下投式，上投式 3D 打印機(jī) DLP 投影儀在物件上方，與 SLA 3D 打 印機(jī)結(jié)構(gòu)相似，不過就是由 DLP 投影儀取代上方的 激光器及振鏡裝置。下投式即投影儀在下方，樹脂 槽底部透明，內(nèi)側(cè)覆蓋離型膜或者硅膠，以避免物件 粘結(jié)在槽里。每固化一層后，可升降構(gòu)建臺提升一 個(gè)層厚的距離。為了能夠充分離型以及底部補(bǔ)充樹 脂，一般采用先升再降的方式，例如，以 0. 1 mm 層厚打印，先抬高5 mm，再下降 4. 9 mm。下投式 DLP 打印機(jī)的離型膜或硅膠多次使用后也會損耗，因此也 屬于耗材。

而上投式的優(yōu)點(diǎn)是沒有離型問題，每次成型面均 在液面，成型后模型浸在樹脂內(nèi)。樹脂表面張力會影 響成型層厚及成型效果，因此工業(yè)級的 DLP 會多一個(gè) 刮板裝置。每次成型平臺下降時(shí)，刮板都會將液面刮 平，以減小樹脂表面張力的影響。

2、DLP 投影儀
傳統(tǒng)的投影儀多半采用 LCD 技術(shù)，它是利用液 晶的電光效應(yīng)，通過電路控制液晶單元的透射率及 反射率，從而產(chǎn)生圖像。LCD 投影機(jī)的主要成像器 件是液晶板，如果將 LCD 投影儀用于光敏樹脂的 3D打印機(jī)，存在分辨率低，體積大和燈泡壽命短等問 題。而目前 DLP 投影儀是目前體積小分辨率極高的 投影儀，非常適合平面光固化 3D 打印，DLP 投影技術(shù)是應(yīng)用了數(shù)字微鏡器件( digital micro-mirror de-vice，DMD) 來做主要關(guān)鍵元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)處理過程。

2.1 DMD器件
DLP 投影機(jī)是采用光學(xué)數(shù)字化反射式的新型設(shè) 備，DLP 投影機(jī)的關(guān)鍵成像器件 DMD 是在 1987 年由TI 公司的 Dr HORNBECK L 發(fā)明的。DMD 是通過二位元脈沖控制的半導(dǎo)體器件，該器件具有快速反射式 數(shù)字開關(guān)性能，能夠準(zhǔn)確控制光源。其基本原理是，光 束再投射在 DMD 部件上，控制微鏡偏轉(zhuǎn)角，將需要發(fā) 光像素投射到屏幕上，不需要發(fā)光的像素反射到光吸 收板上。二位元控制的微鏡如圖 1 所示。

圖 1：二位元控制的微鏡

在 DMD 裝置中每個(gè)微鏡都有一個(gè)復(fù)雜的微機(jī)電 控制裝置，包括偏轉(zhuǎn)支架，鉸鏈和彈簧等。每個(gè)微鏡下方有兩個(gè)電極，通過施加到電極上的電壓控制微鏡± 12°角兩個(gè)位置偏轉(zhuǎn)，因此在微鏡的電極上，通過電 壓控制微反射鏡偏轉(zhuǎn)，獲得了高精度的控制能力和無 限的偏轉(zhuǎn)壽命。一片 DMD 以矩陣分布安裝了多達(dá)200 多萬個(gè)正方形的微反射鏡，微鏡的大小相當(dāng)于頭 發(fā)絲的 1 /10，每一個(gè)微鏡都對應(yīng)著生成圖像的一個(gè)像素，微鏡數(shù)目決定了一臺 DLP 投影機(jī)的物理分辨率。

2. 2 微反射鏡工作原理
在 DMD 芯片，微反射鏡是其最小的工作單位，微 反射鏡主要作用反射光線，其偏轉(zhuǎn)角度達(dá) + / - 12°。微反射鏡的工作示意圖如圖 2 所示。

圖 2：微反射鏡工作示意圖

在微反射鏡開啟狀態(tài)( + 12°) 時(shí)，入射光線( 光 源) 的入射角達(dá)到 12°，反射角亦達(dá) 12°，兩者相加是24°。微反射鏡將光源的入射光絕大部分反射到投影 透鏡，此時(shí)光能最大; 若微反射鏡偏向關(guān)閉( - 12°) 狀 態(tài)時(shí)，此時(shí)微反射鏡將入射光絕大部分反射到吸光板，投影透鏡上的光能非常小，亮度最低。由此可見一塊 僅能提供 + / - 12°偏轉(zhuǎn)的微反射鏡，而實(shí)際情況卻提 供 72°的工作范圍，再考慮到微反射鏡是通過電極控 制的、可視為能實(shí)現(xiàn)無級翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而在單個(gè)像素內(nèi)提供 極高的亮度控制范圍，能輕松實(shí)現(xiàn)高對比度[3]。

2. 3 DLP 投影儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
位于 DMD 芯片內(nèi)部海量的微反射鏡，這些微反 射鏡是依靠電極來控制的，電極則是底層 CMOS 控制 電路和鏡片復(fù)位信號的二進(jìn)制狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)控制的，在 16 個(gè)單獨(dú)的復(fù)位塊中驅(qū)動，可進(jìn)行全局尋址或一次尋址一個(gè)。

TI 公司還專門為 DMD 器件提供了實(shí)現(xiàn) DLP 投影儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[4]。例如，TI 公司的 DLP4500FQE是一個(gè) WXGA 分辨率( 1 280 × 800) 的數(shù)字微鏡器件DMD，亮度高達(dá) 500 流明，24 位 DDR( 雙數(shù)據(jù)速率) 數(shù) 據(jù)總線，80 MHz ~ 120 MHz 輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘速率，內(nèi)部集 成微鏡驅(qū)動電路。TI 公司還為該 DMD 器件提供了控制器 DLPC350，它是專門為 DLP4500 數(shù)字微鏡器件( DMD) 提供的數(shù)字控制器。DLPC350 控制器為 DMD間提供一個(gè)便捷的、多功能接口，該接口可實(shí)現(xiàn)高速數(shù) 據(jù)傳輸，以及 LED 控制和用于多輸入格式的數(shù)據(jù)。

DLPC350 數(shù)字控制器的特性如下:
( 1) 具有 DLP4500DMD 分辨率( 912 × 1140) 相容高速圖形顯示。高達(dá) 4225 Hz 的二進(jìn)制圖形速率高達(dá) 120 Hz 的 8 位灰度圖形速率;與微反射鏡 1 對 1 的輸入映射;多位深度和樣式序列中的發(fā)光二極管( LED) 。
( 2) 與照相機(jī)和傳感器的輕松同步。兩個(gè)可配置輸入觸發(fā)器;兩個(gè)可配置輸出觸發(fā)器;4 個(gè)完全可編程通用輸入輸出( GPIO)信號。
( 3) 32 KB 內(nèi)部 RAM 用于圖形處理。存儲高達(dá)48 個(gè)1 位樣式;無需外部易失性存儲器;支持高達(dá) 64 MB 閃存，用于增加樣式存儲能力。
( 4) 多個(gè)配置接口�；�于 USB 的 API 和主機(jī) GUI;兩個(gè)I2C端口;LED 脈寬調(diào)制( PWM) 發(fā)生器。
( 5) 視頻投影運(yùn)行模式。10 Hz ~ 120 Hz 全彩色幀速率;YUV，YCrCb 或 RGB 輸入數(shù)據(jù)格式;寬范圍視頻處理能力。
( 6) 集成微鏡驅(qū)動器。
( 7) 集成時(shí)鐘生成。由 DLPC350 構(gòu)成的 DLP 投影儀電路原理如圖 3所示。

圖 3：DLP 投影儀電路原理圖

3、多色 3D 打印的實(shí)現(xiàn)
目前，已有可調(diào)色光敏樹脂材料，而具備 5 種顏色的光敏樹脂材料，將會被用戶根據(jù)需要調(diào)成喜歡的顏色，現(xiàn)在已經(jīng)有 Cyan( 青色) 、Magenta( 洋紅) 、Yellow( 黃色) 、Black( 黑色) 光敏樹脂材料已經(jīng)在出售。

要實(shí)現(xiàn)多色打印，一種簡單的方案就是采用多個(gè)不同顏色的光敏樹脂液槽。例如，實(shí)現(xiàn) 4 種不同顏色 打印，在可旋轉(zhuǎn)的“十”字架上安裝 4 個(gè)液態(tài)光敏樹脂 槽，分別用于盛不用顏色的液態(tài)光敏樹脂，4 色打印原 理圖如圖 4 所示。

圖 4：4 色打印原理

當(dāng)一種顏色的材料打印完成后，通過馬達(dá)驅(qū)動，裝 有另一種材料的樹脂槽就會轉(zhuǎn)動到構(gòu)建臺的下方，接 替先前的材料繼續(xù)接受投影儀的照射從而讓打印作業(yè) 繼續(xù)進(jìn)行。

為了使每個(gè)樹脂槽都能旋轉(zhuǎn)到構(gòu)建臺下方的正確 位置，可轉(zhuǎn)動的“十”字架上有4個(gè)定位小孔，并將“十”字架 4 空隙部分用金屬板遮擋，利用紅外線光源 透過定位孔使下方的紅外光敏管接收到紅外光來判斷 樹脂槽是否到位。單片機(jī)控制器在驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的同 時(shí)，不斷檢測光敏管的信號，若接收到了紅外光表示樹 脂槽已到位，停止步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動。采用紅外光檢測方法，是為了避免可見光的干擾。通過使用這一方法，最 終實(shí)現(xiàn)樹脂槽無障礙自動更換。

采用可旋轉(zhuǎn)“十”字液槽結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)層間不同顏色的打印，且結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠。但是，當(dāng)在不用顏色槽之間進(jìn)行切換時(shí)，由于成型物體表面附著有 上一個(gè)槽的液體，會帶到下一個(gè)液槽中，從而造成顏色 污染。為了克服顏色污染問題，對于小尺寸的 3D 打 印機(jī)可在頂部支架上增設(shè)一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的氣壓噴嘴，當(dāng) 進(jìn)行槽切換時(shí)，將物件從上一個(gè)槽中提起，氣壓噴嘴對 成型物件周圍進(jìn)行氣體噴氣清潔，然后在移到下一個(gè) 槽中繼續(xù)打印。

4、液態(tài)樹脂自動回收裝置
由于預(yù)先放置的光敏樹脂的量往往難以精確估 計(jì)，如果光敏樹脂預(yù)先放置過多時(shí)，容易造成浪費(fèi); 如 果放置過少，造成不足[5-6]。
為了避免浪費(fèi)，本研究設(shè)計(jì)了一種液態(tài)樹脂自動回收裝置[7]，如圖5所示。

光敏樹脂智能控制裝置由液態(tài)光敏樹脂儲液罐、加液閥門、U 型管液位檢測、氣體壓力傳感器、回收樹 脂抽液泵以及單片機(jī)控制器組成[8]。

打印機(jī)的液態(tài)光敏樹脂槽中的液態(tài)樹脂由儲液罐 中的液態(tài)光敏樹脂供給，只要單片機(jī)使加液閥門打開，即對打印機(jī)液態(tài)樹脂槽加液，液態(tài)光敏樹脂槽中的液 態(tài)樹脂同時(shí)也通過 U 型罐流向氣體壓力傳感器，氣體壓力傳感器感應(yīng)到的壓力正比于液態(tài)光敏樹脂槽中的 液態(tài)樹脂高度。與此同時(shí)，單片機(jī)控制器將根據(jù)氣體 壓力傳感器檢測到的壓力來控制光敏樹脂的量，當(dāng)加 進(jìn)液態(tài)光敏樹脂槽中的液態(tài)樹脂到達(dá)指定量時(shí)，由單 片機(jī)輸出關(guān)閉加液閥門的信號，使閥門關(guān)閉，停止加液。

當(dāng)打印完成后，液態(tài)光敏樹脂槽中剩余的液態(tài)樹 脂由 U 型管下方的回收樹脂抽液泵抽取到儲液罐，避 免浪費(fèi)。回收樹脂抽液泵也由單片機(jī)控制，同理單片 機(jī)是根據(jù)氣體壓力傳感器檢測到的壓力來判斷剩余的 液態(tài)樹脂是否抽完。

5、結(jié)束語
近年來，我國 3D 打印技術(shù)及設(shè)備開發(fā)已取得較 大進(jìn)展，但與發(fā)達(dá)國家相比尚存在一定的差距，主要表 現(xiàn)在: 高精度 3D 打印技術(shù)比較薄弱、成型材料種類 少[9]、彩色 3D 打印仍然不能滿足需求[10]。

本研究就多色光敏樹脂 3D 打印機(jī)的核心技術(shù) 作精辟的論述，特別是采用高分辨率 DLP 投影儀實(shí) 現(xiàn)快速打印的技術(shù)、液態(tài)光敏樹脂實(shí)現(xiàn)多色打印的 方法、如何克服各顏色之間的污染問題以及剩余液 態(tài)樹脂的自動回收裝置進(jìn)行了深入的研究，真正實(shí) 現(xiàn)了智能化的多色 3D 打印，旨在對彩色 3D 打印技 術(shù)的研究起到指導(dǎo)作用，加速推動彩色 3D 打印技術(shù)的發(fā)展。

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