基于DLP技術(shù)的低成本3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)與探索

張仁杰++題晶++郭濤

摘要：FDM和SLA是目前市場(chǎng)上兩大主流3D打印技術(shù)，F(xiàn)DM技術(shù)成熟、成本較低，但是精度和速度不夠，而SLA技術(shù)精度高、速度快，但是成本較高、控制難度大。如何打造一款低成本、安裝便捷的3D打印機(jī)一直是困擾業(yè)界的難題之一。本文所提到的基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)方案屬于光固化技術(shù)范疇，利用面光源作為固化光源，在保障精度的同時(shí)使打印機(jī)的時(shí)間成本和制作成本整體下降。在技術(shù)實(shí)踐中，該方案選擇家用投影機(jī)作為DLP光源，并且嘗試多種光敏材料，利用自主設(shè)計(jì)的“門(mén)”式結(jié)構(gòu)確保了打印機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)大大降低成本。

關(guān)鍵詞：DLP；3D打??；“門(mén)”式結(jié)構(gòu)

一、前言

3D打印技術(shù)正逐漸改變著人類(lèi)的生活，是一項(xiàng)“自下而上”的革命性制造技術(shù)，橫跨了多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。目前，主流的3D打印技術(shù)以FDM（Fused Deposition Modeling）和SLA（Stereo Lithography Apparatus）為主。這些技術(shù)各有優(yōu)劣，F(xiàn)DM技術(shù)運(yùn)用較為廣泛、技術(shù)成熟、成本低，但是精度和速度不夠；而SLA技術(shù)精度高、速度快，但是成本較高、控制難度大。本項(xiàng)目利用DLP（Digital Light Processing）光固化成型原理，選擇了面光源作為固化光源，這樣，既保證了設(shè)備成本整體下降，同時(shí)，又保留了FDM和SLA技術(shù)所共有的優(yōu)點(diǎn)。在技術(shù)實(shí)踐中，本項(xiàng)目選擇了家用投影機(jī)作為DLP光源，嘗試了多種光敏材料，自主設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)確保其穩(wěn)定運(yùn)行。

光固化3D打印技術(shù)主要使用光敏樹(shù)脂為耗材，通過(guò)紫外光或者其它光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品，該技術(shù)也是目前3D打印技術(shù)中精度最高、成型效果最好的一種3D打印技術(shù)。但是，由于SLA技術(shù)的設(shè)備成本、維護(hù)成本和材料成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FDM技術(shù)，本項(xiàng)目的目標(biāo)是希望突破SLA在設(shè)備和維護(hù)上的瑕疵，利用目前較為容易獲取的DLP材料來(lái)彌補(bǔ)這些短板，其產(chǎn)品將被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里，特別是在醫(yī)學(xué)中大量運(yùn)用植入體模型的制作、手術(shù)中定位模型的制作等。

DLP是“Digital Light Processing”的縮寫(xiě)，即為數(shù)字光處理，這種技術(shù)要先把影像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再把光投影出來(lái)。它是基于TI（美國(guó)德州儀器）公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字微鏡元件—DMD（Digital Micromirror Device）來(lái)完成可視數(shù)字信息顯示的技術(shù)。其原理是將通過(guò)UHP（Ultra High Power）燈泡發(fā)射出的冷光源通過(guò)冷凝透鏡，再通過(guò)Rod（光棒）將光均勻化，經(jīng)過(guò)處理后的光通過(guò)一個(gè)色輪（Color Wheel），將其分成RGB三色（或者RGBW等更多色）。有一些廠(chǎng)家利用BSV（BoshiVideo）液晶拼接技術(shù)鏡片過(guò)濾光線(xiàn)傳導(dǎo)，再將色彩由透鏡投射在DMD芯片上，最后反射經(jīng)過(guò)投影鏡頭在投影屏幕上成像。

相較于LCD（Liquid Crystal Display）光源，DLP會(huì)有如下優(yōu)點(diǎn)：更多的紫外線(xiàn)流出，而更多紫外線(xiàn)意味著打印速度更快；像素間隙相對(duì)較小，畫(huà)面清晰，無(wú)閃爍現(xiàn)象，打印時(shí)光源穩(wěn)定；光填充率高達(dá)90%，總光效率大于60%，而LCD光填充率最大只有70%，總光效率大于30%；擁有色域補(bǔ)償電路，色彩均勻度大于90%；擁有數(shù)字均勻過(guò)渡補(bǔ)償電路，亮度均勻度大于95%，而LCD無(wú)此電路，會(huì)出現(xiàn)“太陽(yáng)效應(yīng)”；DLP 芯片采用密封封裝，受環(huán)境影響小，且有20年以上的使用壽命，可靠性高，而LCD 液晶材料受環(huán)境影響大，不穩(wěn)定。綜上所述，DLP作為穩(wěn)定的紫外光源，在光填充率、色域和光強(qiáng)等方面都可以很好地滿(mǎn)足本項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

因此，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，利用了DLP技術(shù)的高分辨率的數(shù)字光處理所產(chǎn)生的光源，以此來(lái)固化液態(tài)光聚合物，選擇特殊光敏樹(shù)脂作為3D打印材料，一層層對(duì)液態(tài)聚合物進(jìn)行固化，如此循環(huán)往復(fù)，直到最終3D模型的完成。

二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前的3D打印市場(chǎng)中，以FDM為技術(shù)核心的產(chǎn)品常常局限于成品精度不夠，而市面上以SLA為技術(shù)核心的的打印機(jī)價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，這些在某種程度上制約了3D打印應(yīng)用的拓展，相關(guān)資料和實(shí)驗(yàn)也比較少，如何突破SLA的成本壁壘是該項(xiàng)目的初衷。經(jīng)過(guò)1年多的設(shè)計(jì)和調(diào)試，我個(gè)人覺(jué)得可以在產(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢(shì)上、產(chǎn)品小型化上有所突破。本項(xiàng)目主要研究如何打造一款以DLP為基礎(chǔ)的光固化3D打印機(jī)，如下為基礎(chǔ)目標(biāo)：

1、經(jīng)濟(jì)：所選材料都可以通過(guò)正常途徑采購(gòu)到；

2、開(kāi)源：利用現(xiàn)有的開(kāi)源建模、3D切片等軟件，并在上面可以靈活定制和拓展；

3、簡(jiǎn)潔：符合原型機(jī)的特點(diǎn)，突出其功能性；

4、可選擇材料多：嘗試不同光敏材料；

5、快速：在打印速度上要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)3D打印技術(shù)。

2.2項(xiàng)目的研究步驟

項(xiàng)目的研究過(guò)程及步驟如下：

1、檢驗(yàn)投影儀與樹(shù)脂的匹配情況；

2、調(diào)研B9C的開(kāi)源資料并熟悉其通用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

3、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，選擇合適材料、采購(gòu)和制作；

4、選擇主板、電路、控制結(jié)構(gòu)等等；

5、測(cè)試電路、燒錄Marlin固件并作出針對(duì)性修改；

6、運(yùn)行模擬打印機(jī)測(cè)試電路；

7、組織和裝配打印機(jī)主體結(jié)構(gòu)；

8、植入電路；

9、測(cè)試料槽和離型膜；

10、整體性能測(cè)試和反饋。

2.3 DLP光學(xué)特征研究

選擇的DLP設(shè)備是：明基TS5276。其光學(xué)特征如下：

1、最佳分辨率：1280*720；

2、最高分辨率：1600*1200；

3、對(duì)比度：11000：1；

4、亮度：2700流明；

5、光源類(lèi)型：超高壓汞燈；

6、投影比：1.86-2.04：1；

7、實(shí)際焦距：f=21-23.1mm。

2.4所選光敏材料

所選的光敏材料如下：

1、光引發(fā)劑：2，4，6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦（TPO）0.4%；

2、紫外線(xiàn)阻段劑：2，2-（2，5-Thiophenediyl）BIS（5-Tertbutylbenzoxazole）（OB+） 0.16%；

3、活性稀釋劑Genomer 1122 19.89%；

4、低聚物 Ebecryl 8210 39.78%；

5、Sartomer SR 494 39.77%；

6、色漿、熒光劑，余量。

經(jīng)過(guò)我的試驗(yàn)，這些材料和所選光源能進(jìn)行較好的液態(tài)聚合。

2.5“門(mén)”式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在用3030鋁型材進(jìn)行搭建的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)若用單臂Z軸則會(huì)使穩(wěn)定性大幅度下降，在打印過(guò)程中產(chǎn)生不小的誤差，對(duì)此可以使用單臂一體式Z軸。但是，這樣會(huì)提高一部分成本，而這并不符合此項(xiàng)目的初衷，所以，為此我設(shè)計(jì)了獨(dú)特的“門(mén)”式結(jié)構(gòu)。

“門(mén)”式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：在原有Z軸型材的另一端有著類(lèi)似的一根型材，在兩根型材之間使用型材進(jìn)行固定，即便是有外力破壞，也很難使其發(fā)生形變。其次，這樣的一個(gè)類(lèi)似“菜籃子”的結(jié)構(gòu)使得這個(gè)3D打印機(jī)更加便攜，僅靠單手也可以輕松將其提起，很大程度上改變了原有3D打印機(jī)笨重的特點(diǎn)。

2.6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體分為：支撐結(jié)構(gòu)、控制模塊、信號(hào)傳輸及處理模塊、軟件模塊、打印模塊、光學(xué)模塊和打印介質(zhì)等部分組成。如下圖1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明見(jiàn)表1，系統(tǒng)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

三、結(jié)論

3D打印技術(shù)作為國(guó)家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)正逐步發(fā)展壯大，而在國(guó)外，3D打印技術(shù)正成為一項(xiàng)基本技能日益被人重視，越來(lái)越多的人投入到3D打印的建設(shè)和發(fā)展中去。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在世界范圍內(nèi)孕育興起，國(guó)家和政府也大力推進(jìn)先進(jìn)制造與3D打印，李總理強(qiáng)調(diào)指出，以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式，正在引發(fā)整個(gè)制造業(yè)的深刻變革。3D打印是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了制造從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，具有重大價(jià)值。

本設(shè)計(jì)采用投影機(jī)下置的處理方式，使得在同等效果的前提下調(diào)試更加簡(jiǎn)便，成本更加低廉；在遮光模塊上選用舵機(jī)作為控制模塊，在同等功能的前提下使成本大幅度縮減，安裝更加簡(jiǎn)便；選擇USB3.0轉(zhuǎn)VGA的輸出與控制方式，使得投影機(jī)與PC端的控制更加協(xié)調(diào)，操作更加簡(jiǎn)便；采用獨(dú)特“門(mén)”式結(jié)構(gòu)，使Z軸更加穩(wěn)定的運(yùn)行，在成本控制范圍內(nèi)達(dá)到了極佳效果，降低了維護(hù)周期并且簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程；5.在同等功能的前提下，使成本盡可能的減少，操作與調(diào)試盡可能的簡(jiǎn)便。

經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用檢驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)目指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)

[1]各大品牌DLP3D打印機(jī)價(jià)格對(duì)比 搜索引擎：百度

[2]一種簡(jiǎn)易的DLP投影式光敏3D打印機(jī) 邱兆文，吳頔，保鑫，藏加宇 [專(zhuān)利]

[3]一種3D光固化打印機(jī)的DLP投影儀鏡頭遮擋裝置 曹亞景，季靜靜，張保峰 [專(zhuān)利]

[4]一種基于DLP投影技術(shù)的面曝光3D打印拼接成形系統(tǒng) 宗學(xué)文，寧楠，張傳偉[專(zhuān)利]

[5]3D打印機(jī)的組件DLP光學(xué)引擎的支撐結(jié)構(gòu) 王清培[專(zhuān)利]