激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置設(shè)計*

黃嘉林，安芬菊，何展鵬，陳儒森，黃家濠，何偉宇

（廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展以及其在原型制造、生物工程、醫(yī)學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化，3D打印已日漸成為科技發(fā)展的一大趨勢。激光立體光固化作為最早實用化的快速成形技術(shù)，通過紫外激光光束照射液態(tài)光敏樹脂使其發(fā)生光聚合反應(yīng)的原理[1]實現(xiàn)固化成形。成型件從樹脂中取出后，模型表面附著有較多的光敏樹脂原料，需要進行后處理將表面附著的液態(tài)光敏樹脂清洗掉。目前采用的大多數(shù)方法是將模型件浸入相關(guān)溶劑中，反復(fù)清洗，操作費力、效率低?；谶@一現(xiàn)狀，為了在一定程度上可以解決光固化3D打印成型件后處理清洗方面的問題，設(shè)計了一款激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置。其通過內(nèi)部平臺的運作與清洗溶劑相配合，取代傳統(tǒng)人工清洗，避免人工清洗揮發(fā)清洗溶劑對操作者帶來的健康隱患。

1 清洗裝置設(shè)計思路

清洗裝置主體采用箱體結(jié)構(gòu)，包含底座、外箱體、箱蓋、按鍵顯示器、物件收納盒等結(jié)構(gòu)。光固化樹脂清洗劑一般具有較強的揮發(fā)性，對吸入者有較大危害，而清洗裝置的半密封箱體結(jié)構(gòu)能最大限度限制清洗劑的揮發(fā)，避免操作人員在人工清洗時所帶來的健康隱患[2]。

清洗時，操作人員打開折疊箱蓋把將要清洗的成型件放入內(nèi)部的承物平臺上，蓋上后通過按鍵設(shè)定清洗時間，平臺沉下并進行限定范圍的上下微動，達到浸泡清洗的效果。清洗完畢后，平臺自動上升，待操作人員打開折疊箱蓋取走成型件。清洗裝置設(shè)計主要包括機械部分、機電控制部分。激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置透視圖如圖1所示。

圖1 激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置透視圖

1.1 機械部分

激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置的機械部分主要由底座、承物平臺、導(dǎo)向柱、槽密封蓋、背隔板、滑塊、滾珠絲杠導(dǎo)軌、聯(lián)軸器、直流步進電機、排水管、排水閥等零部件組成。其工作原理是裝在清洗裝置內(nèi)部的承物平臺，在電路控制直流步進電機旋轉(zhuǎn)帶動滾珠絲桿，使滑塊帶著承物平臺實現(xiàn)上下往復(fù)升降運動[3]，擺放在承物平臺上并浸泡在清洗劑中的成型件隨著承物平臺做上下往復(fù)升降運動，達到清洗目的，實現(xiàn)清洗效果，而反復(fù)利用后的廢棄清洗劑可以通過排水管排出。清洗裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 清洗裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有承物平臺，漏水孔可在平臺運動的過程中將清洗溶劑漏出，減小運動阻力，而導(dǎo)向孔可與其導(dǎo)向柱相配合起到平臺導(dǎo)向作用，同時可減小平臺的扭動，提高穩(wěn)定性。整個承物平臺的運動則通過連接桿體與滾珠絲桿上的滑塊相連，起傳動運動作用。承物平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 機電控制部分

（1）主控芯片

STM32系列處理器是ST公司新推出的一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的處理器。本設(shè)計選用STM32系列的STM32F103ZET6作為主控處理器，擁有高性能的ARM?Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)等，且性價比高，適用于本設(shè)計的主控處理器[4]。STM32F103ZET6最小系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

圖3 承物平臺結(jié)構(gòu)圖

圖4 STM32F103ZET6最小系統(tǒng)電路圖

（2）電路控制

電路控制主要由主控處理器、OLED顯示、按鍵控制、步進電機及其驅(qū)動等部分組成。其工作原理是主控芯片引腳控制輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM）信號[5]，利用步進電機驅(qū)動器將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰埔约肮β史糯蟮奶攸c，步進驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號，驅(qū)動器就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，步進電機旋轉(zhuǎn)帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而控制承物平臺的上下往復(fù)升降運動；同時通過控制輸出脈沖個數(shù)與脈沖頻率來控制角位移量和電機轉(zhuǎn)動的速度，使承物平臺在上下升降運動中達到準確定位以及限定范圍的上下微動[6]，達到清洗目的。步進電機驅(qū)動接線原理圖如圖5所示；直流步進電機控制系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。

圖5 步進電機驅(qū)動接線原理圖

圖6 直流步進電機控制系統(tǒng)總體框圖

清洗裝置通過按鍵控制成型件的清洗時間、清洗起始以及中斷[7]，OLED顯示模塊可顯示設(shè)置菜單以及實時反應(yīng)清洗時間進程[8]，從而實現(xiàn)清洗裝置的可控調(diào)節(jié)。OLED顯示模塊原理圖如圖7所示；按鍵控制模塊圖如圖8所示。

圖7 OLED顯示原理圖

2 設(shè)計效果及制作實物

圖8 按鍵控制模塊圖

本清洗裝置制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可大大減少人員的工作量，提高清洗效率。圖9所示為激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置模型圖；圖10所示為激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置平面投影圖；圖11所示為第一代功能實現(xiàn)實物圖；圖12所示為第一代功能實現(xiàn)實物俯視圖。

圖9 激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置模型圖

圖10 激光立體光固化3D打印成型件清洗裝置平面投影圖

圖11 第一代功能實現(xiàn)實物圖

圖12 第一代功能實現(xiàn)實物俯視圖

3 結(jié)束語

反復(fù)試驗結(jié)果表明，該裝置可有效解決激光立體光固化3D打印成型件后期清洗人工效率低、工作量較大的問題。裝置結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、操作簡易、自動化程度高，提高了清洗溶劑的利用率，避免人工清洗揮發(fā)清洗溶劑對操作者帶來的健康隱患。同時，該裝置具有創(chuàng)新性，獲得了“一種用于激光立體光固化3D打印成型件的清洗裝置（專利號：ZL201820728892.0）”授權(quán)實用新型專利1項。