用于微流控制備的3D打印機設計

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(中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018)

0 引言

3D打印技術是近年來傳統工業(yè)領域迅速崛起的一項新技術，僅需要在計算機上設計的建模模型或用實體掃描產生的三維模型就可快速高效地制造出傳統工藝無法簡單制造的復雜零件，無需模具，比傳統工藝少得多的廢料，從設計到完成極短的加工周期，適用于小批量非標復雜零件的快速生產，對在傳統工業(yè)較常出現的非批量化定制需求有明顯的成本和效率優(yōu)勢[1]。目前比較成熟的3D打印技術有熔融沉積快速成型(FDM)、光固化快速成型(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、切紙疊層(LOM)等等[2]。其中，數字光處理(digital lighting processing，DLP)[3]打印技術是光固化快速成型(SLA)技術的一個分支，其在打印速度、打印精度及修理維護方面相對于傳統光固化技術和其他3D打印技術有著明顯的優(yōu)勢，近年來得到了很大的發(fā)展[4]。本研究以微流控芯片的3D打印要求為主線，結合透鏡縮放原理，提出了一種用于制備微流控芯片的DLP型的桌面級3D打印機設計方案。

1 數字光處理成型于微流控制備的優(yōu)勢

1.1 數字光處理3D打印成型原理

目前數字光處理3D打印技術是在桌面3D打印機領域打印精度最高、打印速度最快的一種3D打印技術[5]。它的成型原理為：先由建模軟件設計或掃描得到模型文件，再由上位機軟件對其切片，得到單層模型切片序列；加工材料為液態(tài)的光敏樹脂[6]，檢測確認切片步驟無誤后，上位機控制光源按照加工零件的分層切片信息逐層對光敏樹脂進行曝光，使光敏樹脂按當前層的曝光圖案固化，形成打印零件的一層；當一層固化完畢后，步進電機驅動成型臺移動一層的厚度，此時光敏樹脂回流填充到成型臺移動的間隙，繼續(xù)曝光這一層新的樹脂；后成型的層能緊密地附著在之前一次成型的層上。重復上述步驟，直到完成曝光所有模型切片序列，零件將成型臺取下，零件打印完成。

1.2 微流控芯片

微流控芯片(Microfluidic Analysis Chips)是指一項在幾微米到幾十微米尺度下的流道里對微小劑量的流體(～L)進行各種操縱實驗的卓越技術[7]。微流控芯片從被提出開始就在分析化學、臨床醫(yī)學、遺傳學、藥學等諸多領域得到了相當廣泛的應用[8]。

近年來3D打印技術日漸成熟，如果能將其運用到微流控芯片的制造流程中，將會大大降低制造成本，改善原有設計產生流程，縮短工期。研究人員也開始嘗試采用3D打印技術來直接打印所需的微流控芯片或用于生產微流控芯片的模具[9]。用3D打印機技術制造微流控芯片通常只需要在設計模型之后直接打印即可，極大縮短了加工工期，降低了技術門檻，對微流控芯片的應用推廣具有重大的意義。

實際應用中微流控芯片有別于傳統檢測或實驗設備，其定位是在無法達到實驗室級別的惡劣環(huán)境中(比如東南亞和非洲許多發(fā)展中國家)準確、有效、快速地完成檢測或實驗，應具有便攜、快速檢測、低成本、易制造等特性。傳統制造工藝并不能完全滿足這些使微流控芯片順利推廣不可缺少的特性，但與此同時，這些特性正好是數字光處理3D打印技術所具備的。

2 方案設計

2.1 機械結構

本文所述3D打印機由電機滑軌模塊、成型臺、限位器、樹脂槽、微調架、聚焦透鏡、光源DLP4500、鋁合金外殼殼體、亞克力防光殼體等部件組成。

本文所述3D打印機的機械結構示意圖如圖1所示。

圖1 3D打印機機械結構示意圖

現市面上的數字光處理所使用的光源普遍為高壓汞燈投影儀，能量高色散強，精度普遍在200 μm左右，最小投影特征普遍在400 μm左右。本設計中光源采用TI DLP4500，分辨率為1 280×800，LED光源類型，由型材支架固定于殼體內，相較于高壓汞燈投影儀，能量和色散都較小，最小投影特征為200 μm。

為達到制造微流控芯片的目的，本設計在光源與成型臺的曝光光路中間安裝了聚焦透鏡，原始光斑被等比例縮小投射到成型臺上，投影尺寸等比例縮小，投影精度等比例升高，從而滿足微流控芯片制造成型尺寸小，精度要求高的特點。

打印方式上本設計采用上升式打印，即光源在下方，成型臺在成型過程中逐步上升，打印實體倒置由下至上成型。此方法優(yōu)點是，減少成型所需填充的光敏樹脂，從而可以大大降低3D打印機整體體積和減少光敏樹脂在添加與取出的損耗。缺點是光源并非直接照射光敏樹脂，而是曝光光路通過了樹脂槽的透明底面，在長期使用后，樹脂槽底面的離型膜易老化變質，需要定期更換。

安裝完成后，打印機內部結構被鋁合金殼體和亞克力殼體完全遮擋。亞克力殼體采用深褐色亞克力塑料，防止外部光線進入內部照射樹脂槽，影響打印效果。

電機滑軌模塊中的電機采用精度為1.8°的42步進電機，通過其帶動螺絲使桿滑塊能上下移動。成型臺通過連接件與滑塊連接，從而使成型臺能在Z軸上下平穩(wěn)移動。在成型臺移動位置下限(即第一層打印位置)處安裝有限位器，當步進電機帶動滑塊、連接件、成型臺下降到此位置時，連接件與限位器的開關接觸，限位器發(fā)出限位信號，使步進電機停止，防止對設備本身造成損害。

聚焦透鏡采用直徑25 mm，焦距為30 mm的石英透鏡，透光率為98%，適用于各種可見光、紫外光的光學實驗。為保證準確聚焦，透鏡通過一個連接桿被安裝在一個微調架上，微調架固定在鋁合金殼體內側。微調架調節(jié)類型為螺母型，能完成Z軸方向±3 mm范圍內，精度為10 μm的微調。

在打印過程中，DLP4500通過HDMI接口接收計算機處理完成的切片圖案，投射出相應的光斑。DLP4500也是本設計中的核心部件。鋁合金殼體內部涂有深色涂料能有效減少殼體內部的光線反射，防止多余雜光在打印過程中進去樹脂槽影響光敏樹脂的正確固化。

樹脂槽底面采用高透光亞克力塑料。由于在打印過程中光敏樹脂長時間高強度地被光源曝光，樹脂容易在樹脂槽底部被固化形成粘連塊，會導致3D打印成型不完整、脫落，必須極力避免此情況。解決方案是在樹脂槽的底面貼上離型膜，并及時按周期更換。

當透鏡聚焦時，物距u、像距v、焦距f滿足下公式：

(1)

圖2 3D打印機機械結構示意圖

此時光斑縮放倍率為:

(2)

在本設計中，物距(即光源原投射距離像距)為570 mm，v取28.5 mm，透鏡焦距f為30 mm，理論光斑縮放倍率為0.05。此時投影理論面積為10.5 mm×6.6 mm，理論最小分辨率為8 μm。

經上位機軟件切片之后的單層圖形由光源DLP4500投射出，經過聚焦透鏡，縮小固定倍數之后聚焦到成型臺。

2.2 電氣組成

為了獲得更快的處理速度，提高打印機的打印精度，主控制器選用Arduino mega2560，其基于ATmega 2560的微控制板，具有54路數字輸入輸出端口，16路模擬輸入端口，4路UART串口，16 MHz晶振，適用于需要大量IO接口的設計；拓展板選用Ramps1.4，由RepRap公司設計開發(fā)，專門用于協調Polou系列的步進電機驅動板(類似于A4988)工作；步進電機驅動模塊選用A4988，最大可驅動輸出電流為2 A。該配套組合也是3D打印領域最常見也是最成熟的控制解決方案。電氣連接如圖3所示。

圖3 3D打印機電氣連接圖

2.3 上位機軟件

在打印過程中，3D打印機需要對成型臺上下運動進行控制。本論文中采用了一款名為Creation Workshop[10]的上位機軟件，實現了良好的人機接口，能應用于FDM、SLA、DLP等多種不同類型的3D打印機。該軟件截圖如圖4。該軟件基于Marlin固件編寫，在Arduino mega2560中也相應的燒入Marlin固件，在打印時此軟件能輸出G-code到Arduino mega2560控制步進電機的正反轉，同時控制HDMI接口向光源DLP4500輸出當前層切片圖像信息，從而完成打印機運行時的控制。

圖中所示窗口為模型切片窗口，在切片完成之前，需根據本設計數字光處理型3D打印機的特點設置軟件相關參數。完成這些參數設置之后，只需將所要設計好的模型文件導入，該軟件自動完成模型切片工作，加工出所需的實體零件。

圖4 上位機軟件

2.4 選用樹脂

本設計的光敏樹脂選用英國PHOTOCENTRIC 3D公司生產的 DAYLIGHT FIRM RESIN，特點是其吸收光的敏感波段為400～750 nm的可見光波段，在450 nm的藍光處吸收敏感值達到峰值，適合DLP4500這樣的LED光源。

光源DLP4500內置光源為三原色LED，其光譜分布如圖5所示。DLP技術在光固化3D打印領域應用有兩個條件：一是光源所投射的光線需在光敏樹脂的敏感波形內；二是需要光源功率足夠，能超過樹脂固化所需吸收光能的閾值。本設計中選用的光源DLP4500滿足上述兩個條件，能夠使樹脂準確固化。

圖5 DLP4500光源圖譜

3 控制方案

3.1 投影校準

設計模型和打印實物之間通常存在一定的等比例縮放誤差，為保證輸出在成型臺聚焦面上顯示的光斑尺寸與模型的實際切片尺寸一致，需要在正式打印之前對XY軸投影面積進行校準。

在確定實際投影面積后，選用一個特定尺寸的設計模型，打印該模型，測量其實際尺寸，分別得到XY軸實際投影尺寸與理論投影尺寸之間的誤差，并在軟件中重新調整投影大小。在多次測量調整，誤差小于0.01 mm后，視校準完成。投影校準流程圖如6所示。

圖6 投影校準流程圖

本研究中使用模型XY軸截面為長10 mm，寬5 mm的矩形。

3.2 步進電機控制

打印前，上位機軟件切片后得到的G-code；在打印時，G-code在經轉換后變成Z軸電機的步進信息通過串口通信傳遞給Arduino mega2560。

Arduino mega2560的數字輸出端口輸出一定頻率的PWM信號通過拓展板控制步進電機驅動模塊A4988。步進電機驅動模塊A4988將PWM信號轉換成步進電機四線通電順序實現步進電機的精確運動控制。打印開始前，成型臺需移動到初始位置。打印過程逐層進行：光源開始根據切片信息曝光，光敏樹脂收到曝光并固化；此層曝光結束后，成型臺向上移動一段大于單層厚度的距離，成型臺上的已固化樹脂從底面移開，防止底面粘連；至此單層打印過程完成；成型臺再往原來的方向移動一個小于單層厚度的值至下一個待打印位置，使成型臺上已固化的樹脂距離底面一個層高。重復上述步驟，所有層打印完成后，成型臺上移動到最高處，等待用戶取下打印件進行后處理。限位器的作用是防止步進電機的上下位置超出行程造成打印機損壞。步進電機的具體控制過程如圖7所示。

圖7 步進電機具體控制過程

4 實驗結果

本設計打印機用于微流控芯片的制備，故測量其能制造的微流通道凹特征與凸特征的分辨率實驗非常重要。為了驗證本設計打印機達到精度要求得到最小成型特征結果，進行打印實驗。

實驗為打印四種有不同結構特征的立方體模型。

打印模型如圖8所示，4個都是邊長為5 mm的立方體，但上表面具有不同特征。

圖8 實驗模型

模型(a)的上表面中間為一個長尾3.5 mm，寬為0.8 mm，深為0.8 mm的中央凹槽，在此凹槽四周有長度深度相等的細小凹槽，寬度分別為0.4 mm、0.3 mm、0.25 mm、0.2 mm、0.15 mm、0.12 mm、0.1 mm、0.09 mm、0.08 mm、0.07 mm、0.06 mm、0.05 mm、0.04 mm、0.03 mm、0.02 mm、0.01 mm。模型(b)尺寸參數基本與(a)相同，不同的是把(a)中的四周小凹槽修改成高為0.2 mm的凸起。模型(c)上下表面被圓孔貫通，圓孔特征由中心至外的直徑分別為0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.15 mm、0.1 mm。模型(d)上表面有與(c)相同，但為高為0.2 mm的凸起的特征。

模型(a)實際打印結果如圖9所示。右上的一角硬幣為參照物。模型外觀成型良好，無脫落。中央凹槽成型完整，圖中可見中央凹槽上方的寬度為0.1～0.4 mm的四周凹槽成型良好，在下方寬度為0.01 mm～0.09 mm的四周凹槽成型不清晰或無法成型，其中0.09 mm和0.08 mm的凹槽勉強成型。

圖9 模型(a)實際打印效果圖

模型(b)實際打印結果如圖10所示。外觀成型良好，無脫落。中央凹槽成型完整，圖中可見中央凹槽上方的寬度為0.1～0.4 mm的四周凸起成型良好，在下方寬度為0.01 mm、0.02 mm的凸起無法成型，其中0.03 mm～0.09 mm的凸起成型較良好，但成型清晰度低于中央凹槽上方寬度較大的凸起。

圖10 模型(b)實際打印效果圖

模型(c)實際打印結果如圖11所示。外觀成型良好，無脫落。直徑為0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm的圓形通孔成型良好，0.2 mm直徑的通孔成型不清晰或無法成型，0.15 mm和0.1 mm直徑的通孔無法成型。

圖11 模型(c)實際打印效果圖

模型(d)實際打印結果如圖12所示。外觀成型良好，無脫落。直徑為0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm的圓形凸起成型良好，0.2 mm直徑的凸起成型不清晰，0.15 mm直徑的凸起成型不清晰或部分成型，0.1 mm直徑的凸起成型極不清晰，僅能用肉眼勉強觀察到。

圖12 模型(d)實際打印效果圖

結合上述打印實驗可知，本設計的凸特征打印效果比凹特征的打印效果優(yōu)秀，方形特征成型效果比圓形特征成型優(yōu)秀。其中凸特征的成型最小特征為0.03 mm，凹特征的成型最小特征為0.08 mm。

5 結論

本研究主要完成微流控制備3D打印機的設計，采用數字光固化式3D打印技術，并通過加入聚焦透鏡從而實現對原有投影的等比例縮小，以犧牲打印尺寸的同時，取得更高的精度，符合微流控制備的原則要求。通過上位機軟件Creativeworkshop完成切片和投影。軟硬件性能穩(wěn)定，實際測試打印效果良好。文中3D打印機體積為 240 × 220 × 500 mm(長×寬×高)，最大成型體積 12× 12× 15 mm(長×寬×高)，打印層高最小為0.025 mm，打印最小凸特征達到30 μm，打印最小凹特征達到80 μm。

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