軸動(dòng)式激光固化3D打印技術(shù)的研究與實(shí)踐

郭 飛，梁 園，楊朝航，高 陽

(北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

軸動(dòng)式激光固化3D打印技術(shù)的研究與實(shí)踐

郭 飛，梁 園，楊朝航，高 陽

(北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期。作為一種新興的快速成型技術(shù)，該技術(shù)極大地推動(dòng)了數(shù)字制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。對(duì)目前3D打印的幾大分類作了簡單的梳理，并就普及程度較高的熔融沉積制造(FDM)技術(shù)和精度較高的光固化立體成型(SLA)技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹與重點(diǎn)比較。在此基礎(chǔ)上提出了軸動(dòng)技術(shù)和SLA技術(shù)整合的可能性探討，即軸動(dòng)式激光固化3D打印技術(shù)。討論了以上兩種技術(shù)整合所帶來的新的交叉機(jī)型的優(yōu)勢(shì)及其目前的發(fā)展?fàn)顩r,并基于該原理進(jìn)行了積極的實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一款原型機(jī)。該機(jī)型為軸動(dòng)式激光固化3D打印技術(shù)提供了更好的普及平臺(tái)。由于3D打印的特殊性及SLA技術(shù)高精度的特點(diǎn)，個(gè)性定制的優(yōu)勢(shì)將在新的交叉機(jī)型中得到更好發(fā)展。

智能制造； 數(shù)字化； 3D打??； 軸動(dòng)式； 光固化立體成型； 誤差

0 引言

3D打印是一項(xiàng)近年來興起的制造技術(shù)。美國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為其與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)了新的工業(yè)革命，并因此受到了工業(yè)界和資本界的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得個(gè)性化物品的定制變得更加簡單，推動(dòng)了禮品、設(shè)計(jì)、藝術(shù)等行業(yè)的積極發(fā)展，使人們?cè)谥圃鞆?fù)雜形狀的工件或者物品時(shí)不再依賴復(fù)雜的工序或高端的四軸、五軸機(jī)床，減少了技術(shù)驗(yàn)證、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)的時(shí)間，也降低了個(gè)性化產(chǎn)品和復(fù)雜度較高工件的生產(chǎn)成本。經(jīng)過30年的發(fā)展，3D打印產(chǎn)業(yè)作為朝陽產(chǎn)業(yè)，必將迎來更廣闊的前景。

1 3D打印的種類

目前，3D打印的主要成型思想是堆積和黏合制造，通過一個(gè)個(gè)有厚度的、平面的有效和近似切片來獲得最終的模型。切片的操作和微分運(yùn)算原理相同，而打印黏合的過程則和積分過程一樣，通過層厚0.01 mm的片狀黏合堆積出最終的實(shí)物。目前，3D打印主要有以下幾種分類。

①熔融沉積制造(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)技術(shù)由Scott Crump發(fā)明并取得專利，并由此于1989年成立了Stratasys公司。該公司目前主要研究FDM技術(shù)和逐層噴射-光固化技術(shù)。FDM的實(shí)現(xiàn)原理是將耗材(如塑料、石蠟、塑料和金屬組成的合金)等通過加熱裝置融化變軟，然后通過噴頭擠壓呈線性,再一層一層鋪滿工作臺(tái)并逐漸向上堆積成型。

②光固化立體成型(stereo lithography apparatus，SLA)技術(shù)是一種單光源光化學(xué)反應(yīng)的激光固化成型技術(shù)。其主要材料為含不飽和官能團(tuán)的樹脂類化合物，佐以環(huán)氧類化合物以及特定波長的光引發(fā)劑，形成一個(gè)完整可靠的樹脂溶液系統(tǒng)，再配合特定波長的光源，經(jīng)過切片、路徑規(guī)劃、照射打印出實(shí)體。

③選擇性激光燒結(jié)(selective laser sinterring,SLS)技術(shù)主要采用紅外激光等高強(qiáng)激光對(duì)金屬粉末、陶瓷、砂等耗材進(jìn)行層層燒結(jié)。由計(jì)算機(jī)切片軟件進(jìn)行路徑規(guī)劃控制，先鋪一層耗材粉末，用刮板刮平;然后預(yù)熱材料到接近熔點(diǎn)，再用激光在該耗材層上選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，使耗材達(dá)到熔點(diǎn)融化粘合；逐層完成，直到模型最終成型，再掃開未燒結(jié)耗材，取出模型。

④三維打印粘結(jié)成型(three dimensional printing and gluding,3DP)技術(shù)由麻省理工學(xué)院(MIT)于1993年首先研制成功，最為貼近“3D Printing”的概念，打印耗材也為各種粉末及粘結(jié)劑。工藝過程為：首先通過鋪粉機(jī)構(gòu)在工作臺(tái)上均勻地鋪上一層粉末材料；然后計(jì)算機(jī)按照三維模型提供的數(shù)據(jù)，由打印頭在第一層粉末材料上噴出下一層的截面輪廓；最后工作臺(tái)下降，由撲粉機(jī)構(gòu)均勻地鋪上一層粉末，打印頭按照下一層的截面輪廓噴出粘結(jié)劑；如此循環(huán)往復(fù)直至完成[1]。

⑤數(shù)字光處理(digital light processing,DLP)技術(shù)，又稱數(shù)字投影光固化技術(shù)。該技術(shù)與SLA技術(shù)都是采用樹脂作為打印耗材。其不同之處在于:SLA技術(shù)采用的是點(diǎn)光源選區(qū)路徑固化；DLP技術(shù)采用的是數(shù)字光投影，光源可以是各種屏幕，如手機(jī)屏幕、舞臺(tái)振鏡等，一次就能夠投影一個(gè)完整的截面。而且，DLP技術(shù)還配備了遇到可見光就能夠固化的專用耗材，如Daylight Resins液態(tài)感光樹脂。

⑥紫外線成型(UV-curable)技術(shù)簡稱UV固化技術(shù)，是20世紀(jì)60年代開發(fā)的一項(xiàng)綠色新技術(shù)。該技術(shù)利用樹脂經(jīng)紫外光照射后在較短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學(xué)變化實(shí)現(xiàn)固化，具有固化速度快、節(jié)能、省時(shí)、方便、可連續(xù)生產(chǎn)、費(fèi)用低、體積小等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2 FDM的軸動(dòng)方式

3D打印的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)就是通過一系列方法和手段來實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的不斷變換。

(1)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種多條并行鏈組成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，雖然只發(fā)展了幾十年，但已有諸如Gough平臺(tái)、Stewart機(jī)構(gòu)、Delta機(jī)器人等重要成果[3]。目前應(yīng)用廣泛的是Delta結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)，典型機(jī)型為三角洲。

(2)串聯(lián)機(jī)構(gòu)。

串聯(lián)機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)比3D打印起步要早，且技術(shù)尚算成熟，主要有以下幾種類型。

①笛卡爾坐標(biāo)系打印機(jī)(Cartesian printer)[4]采用比較純粹的X-Y-Z軸傳動(dòng)方式，便于定位，設(shè)計(jì)也相對(duì)簡單。

②基于獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的Z軸和H型結(jié)構(gòu)的X/Y軸的打印機(jī)：Z axis + H-gantry/core XY(x_motor = x+y,y_motor = x-y)。該打印機(jī)采用H型結(jié)構(gòu)，無論是X軸坐標(biāo)還是Y軸坐標(biāo)，都是由兩個(gè)電機(jī)共同控制。

H型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 H型結(jié)構(gòu)示意圖

③基于獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的Z軸和H型結(jié)構(gòu)的X/Y軸的打印機(jī)：Z axis + H-gantry/core XY(x_motor = x+y,y_motor = y-x)。該打印機(jī)也采用H型結(jié)構(gòu)，只是具體的坐標(biāo)計(jì)算方式稍微不同，對(duì)Y軸和X軸進(jìn)行了簡單的替換。

④Tugaprinter(Scott-Russell mechanism)。該打印機(jī)采用兩個(gè)固定在X軸上的電機(jī)，通過一個(gè)類似剪刀的機(jī)構(gòu)，對(duì)X軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制[5]。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)迅速，水平打印尺寸很大，但打印機(jī)整體占空間較??；缺點(diǎn)是打印頭部分由于距離支撐點(diǎn)距離過遠(yuǎn)而且處于變化之中，容易產(chǎn)生抖動(dòng)[6]。

(3)極坐標(biāo)形式。

采用極簡設(shè)計(jì)，通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)和一個(gè)與平臺(tái)并不對(duì)心(噴頭中心點(diǎn)和底盤中心點(diǎn)，一般為圓心)的打印頭，即可解決原本笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)一個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)問題，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，外觀更加美觀和簡潔[7]。

3 SLA技術(shù)

SLA技術(shù)是目前較為成熟的3D打印技術(shù)，其制件具有較高的精度以及良好的表面質(zhì)量，且原料利用率較高，能夠制造外形復(fù)雜、形狀特殊的空心零件以及相當(dāng)精密的首飾和藝術(shù)品等。

SLA原理如圖2所示。

圖2 SLA原理圖

激光光源射出激光，經(jīng)由放大器放大、透鏡聚焦、光柵過濾激光波段；激光波段照射到由上位機(jī)控制的X、Y軸的路徑掃描鏡，投射到成型表面(下底面或上表面)，固化出當(dāng)前截面形狀；升降平臺(tái)向光投射方向移動(dòng)一層的距離，使表面重新覆蓋液態(tài)光敏樹脂；被投射面為上表面的還需要使用刮板刮平，再逐層進(jìn)行路徑掃描，直至完成。

4 軸動(dòng)的激光固化打印技術(shù)

軸傳動(dòng)技術(shù)基本都用于FDM打印機(jī)，且除Delta外都為串聯(lián)軸動(dòng)技術(shù)。打印機(jī)構(gòu)直接掛載于軸動(dòng)系統(tǒng)之上，但是目前的FDM打印機(jī)構(gòu)基本都比較重，包含送絲裝置、熔融裝置、打印頭及至少一個(gè)散熱裝置。這些裝置給與了軸動(dòng)系統(tǒng)大量的負(fù)載，直接導(dǎo)致了電機(jī)等的體積和質(zhì)量變大，增大了整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸。

常規(guī)SLA激光誤差形式如圖3所示。

圖3 常規(guī)SLA激光誤差形式示意圖

SLA技術(shù)的主要掃描裝置是其X、Y軸掃描鏡，依靠上位機(jī)的控制精確的擺動(dòng)角度進(jìn)行路徑掃描。這種形式能夠精確控制各部件之間的距離；否則，距離的偏差會(huì)導(dǎo)致投射光作用區(qū)域的誤差急速增大，也給維修造成了一定的難度。

將激光固化裝置的投射方式改為豎直投射，即經(jīng)過透鏡聚焦和光柵濾光，直接投射到成型表面，并將該激光固化裝置加載于軸動(dòng)系統(tǒng)上，可以有效降低軸動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載，減小電機(jī)等部件的體積和質(zhì)量。同時(shí)，保證了激光垂直于成型表面，且光的行程保持不變，一旦固定了投射距離就基本不會(huì)再有變化，有效減小了光偏置時(shí)帶來的投影誤差。

采用軸動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低了激光固化整機(jī)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，以及制造和安裝難度，使生產(chǎn)制造成本下降。而軸動(dòng)機(jī)構(gòu)的熔融打印機(jī)構(gòu)替換為激光裝置后，除了體積發(fā)生變化外，還有效地避免了使用熔融沉積技術(shù)打印時(shí)，因邊角位置力的拉扯導(dǎo)致直角變圓甚至受熱不均而產(chǎn)生翹邊等棘手問題。

基于以上的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款軸動(dòng)激光固化打印機(jī)。其主要由下箱體、上箱體、x-y移動(dòng)平臺(tái)、z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)、液槽組件、激光器和設(shè)于上箱體外側(cè)的控制面板組成。

x-y移動(dòng)平臺(tái)搭載激光固化3D打印機(jī)的固化激光器，激光器垂直照射于液槽機(jī)構(gòu)底部進(jìn)行固化作業(yè)。x-y移動(dòng)平臺(tái)平行于液槽內(nèi)部耗材液底面，可手動(dòng)進(jìn)行校正，確保光源到耗材液底面照射點(diǎn)的距離不變。該方法可有效避免偏射、散射、折射等情況的發(fā)生，能解決現(xiàn)有的采用掃描鏡控制固化激光的掃描路徑的激光固化3D打印機(jī)，因其固化激光的焦點(diǎn)不能分布在同一打印平面而造成打印零件有尺寸誤差的問題。

z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用貫穿式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行移動(dòng)，可在機(jī)構(gòu)本身僅有電線直接相連的情況下便捷地進(jìn)行取下和裝上動(dòng)作；既能夠在打印工作時(shí)實(shí)現(xiàn)打印底板的自動(dòng)提升，又能夠在打印完成后簡單、快捷取下工件。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，便于維修更換，解決了常規(guī)激光固化打印機(jī)z軸采用普通步進(jìn)電機(jī)和導(dǎo)軌所帶來的體積過大、調(diào)平和維修不便等問題，有效優(yōu)化了整機(jī)結(jié)構(gòu)。

5 應(yīng)用前景

目前能夠在國家專利局查詢到的關(guān)鍵詞包含“激光固化和3D打印”的發(fā)明公布為78條，發(fā)明授權(quán)6條，使用新型57條，外觀設(shè)計(jì)8條。其中，絕大部分為SLA方向、DLP方向和UV固化方向的技術(shù)研究，其他大多為圖像處理和切片技術(shù)研究等，只有一條是關(guān)于全彩激光固化3D打印機(jī)的發(fā)明。交叉類型激光固化3D打印機(jī)在該搜索條件下并沒有出現(xiàn)。

在關(guān)鍵詞為“FDM 和 3D打印”詞條下有29條發(fā)明公布，發(fā)明授權(quán)9條，實(shí)用新型34條，外觀設(shè)計(jì)8條。主要為大型、新型、微型、便攜式FDM打印機(jī)及其部分機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，并沒有涉及到交叉技術(shù)的機(jī)型。而在“軸動(dòng)和3D打印”、“軸動(dòng)和激光固化”及“軸動(dòng)和激光固化”詞條下沒有相關(guān)結(jié)果。

軸動(dòng)光固化是一種新型的交叉機(jī)型，能夠整合兩種機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)，為嫁接的光固化技術(shù)提供了更好的普及平臺(tái)，同時(shí)避免了兩種機(jī)型各自在力學(xué)或者光學(xué)上存在的一些弊端。鑒于激光固化3D打印對(duì)于復(fù)雜零件、首飾及藝術(shù)品的打印有良好的把控，軸動(dòng)光固化在這些方面具有良好的發(fā)展前景。

6 結(jié)束語

本文對(duì)目前的3D打印技術(shù)種類進(jìn)行了介紹，并就其中兩種優(yōu)勢(shì)類型進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，同時(shí)探討了基于軸動(dòng)技術(shù)和SLA技術(shù)整合的交叉機(jī)型的優(yōu)勢(shì)及其目前的研究情況，并進(jìn)行了積極的實(shí)踐，對(duì)3D打印內(nèi)部體系和控制系統(tǒng)的融合作了積極有益的探索。

[1] 王騰飛.3D打印技術(shù)中分層與路徑規(guī)劃的研究及實(shí)現(xiàn)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 劉楠.UV固化樹脂的應(yīng)用開發(fā)研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[3] 李江濱.基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3D打印關(guān)鍵技術(shù)研究[D].秦皇島:燕山大學(xué)，2015.

[4] 邱崧.基于LED光源的DLP投影系統(tǒng)的研究[D].上海：華東師范大學(xué),2007.

[5] 王蕾.3D打印材料光敏樹脂的改性研究[D].武漢：武漢紡織大學(xué)，2015.

[6] 王小騰，邱俊峰，謝彪，等.3D 打印光固化高分子材料的成形過程與表征[J].山東化工，2014，43(11)：1-2,13.

[7] 劉海濤,黃樹槐,莫健華,等.光敏樹脂對(duì)快速原型件表面質(zhì)量的影響[J].高分子材料科學(xué)與工程,2007，23(5):170-173.

Research and Practice of the Axial Dynamic Photocuring 3D Printing Technology

GUO Fei，LIANG Yuan，YANG Zhaohang，GAO Yang

(College of Mechatronic Engineering,Beifang University of Nationalities,Yinchuan 750021，China)

3D printing technology appeared in the middle 1990s.As a novel kind of rapid molding technology,it greatly promotes the development of digital manufacturing industry,and has been often used in the fields of mold manufacturingand industrial design,and then it is gradually applied in direct manufacture of some products.Several major classifications of the 3D printing are summarized briefly,and two of the classifications,i.e.,the fused deposition modeling (FDM) technology with higher popularization and the stereo lithography apparatus (SLA) technology with higher accuracy are introduced and compared emphatically.On this basis,the possibility of integrating the technologies of axis technology and SLA is investigated,i.e.,the axisstereo lithograply apparatus 3D printing technology.The advantages and developing status of such combined technology is discussed,and for practicing,a prototype is designed based on this principle.This prototype provides a better popularized platform for the axisstereo lithography apparatus 3D printing technology.Because of the particularity of 3D printing and the high precision of SLA technology,the advantages of personalized customization will be better developed in the new cross models.

Intelligent menufacturing; Digitization; 3D printing; Axis technology; Stereo lithography apparatus(SLA); Error

寧夏回族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2016-QJ-021)

郭飛(1995—)，男，在讀本科生，主要從事3D打印及逆向工程的研究。E-mail:3081906087@qq.com。 高陽(通信作者)，男，碩士，副教授，主要從事電火花加工、智能制造與裝備制造技術(shù)的研究。E-mail:gyangde@163.com。

TH164；TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708004

修改稿收到日期:2017-02-09