基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪家祥 林曉斌

摘? 要： 3D打印牙齒模型時(shí)，對(duì)3D打印技術(shù)的打印精度要求高，打印成本高昂。LCD光固化技術(shù)憑其高精度，高速度和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)脫穎而出?；贒LP技術(shù)，以LCD屏為透光屏，樹(shù)莓派為控制核心，控制有效直徑為300mm的步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)搭建硬件系統(tǒng)并研發(fā)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)。應(yīng)用結(jié)果表明，該3D打印機(jī)不僅保持了較快的打印速度和較高的打印精度，還降低設(shè)備生產(chǎn)成本，有著良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 3D打印技術(shù); LCD光固化技術(shù); DLP技術(shù); 樹(shù)莓派; 步進(jìn)電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP334.8? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2020）10-37-03

Abstract： When print tooth model with 3D printing， the requirement of printing accuracy is high， resulting in an expansive printing cost. LCD light curing technology stands out with its advantages of high precision， high speed and simple structure. Based on DLP （Digital Light Processing） technology， with LCD screen as the transparent screen， and Raspberry PI as the control core， the control to a stepper motor with an effective diameter of 300mm is designed. By building the hardware system and developing the software system， the 3D light curing printer based on Raspberry PI is realized. Application results show that the 3D printer not only maintains a faster printing speed and a higher printing accuracy， but also reduces the production cost， and has a good application prospect.

Key words： 3D printing technology; LCD light curing technology; DLP technology; Raspberry PI; stepper motor

0 引言

20世紀(jì)3D打印技術(shù)誕生[1]，經(jīng)過(guò)多年的探究與發(fā)展，3D打印技術(shù)所使用的材料越來(lái)越多，打印精度也越來(lái)越高，應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)大[2]。在3D打印機(jī)的發(fā)展歷程中，使用LCD技術(shù)作為透光技術(shù)的光固化打印技術(shù)開(kāi)始脫穎而出，憑其高精度，高速度和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為3D打印機(jī)的主流。光固化快速成型所用的原料是液態(tài)光敏樹(shù)脂，用紫外光束照射液態(tài)光敏樹(shù)脂，使其有序固化，逐層疊加成型[4]。數(shù)字光處理技術(shù)（Digital Light Processing，DLP）是一種背投電視中與投影儀的顯像技術(shù)，采用分辨率較高的數(shù)字光處理器照射液態(tài)光聚合物，逐層片狀光固化，直至完成最終模型[4]。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)是在DLP技術(shù)的基礎(chǔ)上以LCD屏為透光屏，樹(shù)莓派為控制核心，波長(zhǎng)405mn的紫外UV燈為光源，通過(guò)USB線連接3D打印機(jī)主板MKS-MINI和樹(shù)莓派對(duì)有效直徑為300mm的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)系統(tǒng)框架、運(yùn)動(dòng)模塊、光源固化控制。在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)相配套的軟件系統(tǒng)，可初始化3D打印機(jī)各個(gè)部件并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。對(duì)牙齒模型進(jìn)行3D打印實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)不僅保持了較快的打印速度和較高的打印精度，還顯著降低設(shè)備生產(chǎn)成本，有著良好的應(yīng)用前景。

1 LCD光固化技術(shù)

LCD光固化技術(shù)[5]是用 LCD屏代替DLP技術(shù)所使用的光源，即采用UV光作為光源，上位機(jī)操控LCD屏生成實(shí)物打印模型的每層圖像，成型的部分標(biāo)記為白色，空白的部分標(biāo)記為黑色。LCD屏偏振成像的原理使UV光通過(guò)白色部分照射到光敏樹(shù)脂材料進(jìn)行固化，黑色部分阻斷UV光源，阻止多余的曝光。采用LCD成型原理可以彌補(bǔ)DLP結(jié)構(gòu)的缺陷，其優(yōu)點(diǎn)如下。①高精度，可達(dá)到100微米的平面精度，具體取決于所采用的屏幕像素。②高光源利用率，目前大多數(shù)光明樹(shù)脂的固化波段是405nm波段的UV光，可全部使用。③價(jià)格低廉，相較于前代技術(shù)，性?xún)r(jià)比極其突出。④結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，組裝和維護(hù)容易。⑤樹(shù)脂通用，采用405nm UV光可兼容所有DLP類(lèi)的樹(shù)脂或大部分光固化樹(shù)脂。⑥面成型光源可同時(shí)打印多個(gè)模型。

2 基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，硬件系統(tǒng)是以樹(shù)莓派為控制核心，由步進(jìn)電機(jī)模塊、TF卡模塊、圖像輸出模塊、供電電源模塊和路由器ip固定模塊五個(gè)部分組成。在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)相配套的軟件系統(tǒng)，可初始化3D打印機(jī)各個(gè)部件并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

2.1 硬件系統(tǒng)

光固化3D打印機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有兩種，分別是：振鏡上置式和振鏡下置式。兩者的區(qū)別在于振鏡上置式是把光敏樹(shù)脂放在上方，而振鏡下置式是把光敏樹(shù)脂放在下方。目前，大多數(shù)光固化3D打印機(jī)采用振鏡下置式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)研發(fā)的基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)也采用振鏡下置式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)滑軌、打印平臺(tái)、料槽和光源振鏡四部分組成，步進(jìn)電機(jī)滑軌的功能是控制步進(jìn)電機(jī)打印過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，打印平臺(tái)用于激光固化后凝固光敏樹(shù)脂成型，料槽的功能是對(duì)光固化樹(shù)脂進(jìn)行存放，光源振鏡作為3D打印機(jī)的激光光源。振鏡下置式光固化3D打印機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)以樹(shù)莓派為控制核心，主要負(fù)責(zé)3D模型的導(dǎo)入，切片圖像的輸出，G代碼的輸出，以及各個(gè)重要配件相連通的功能。選用樹(shù)莓派3B+開(kāi)發(fā)板，它是2018年推出的新型樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板，性能更好、功耗更低、使用壽命更長(zhǎng)，較第四代也更為穩(wěn)定。由步進(jìn)電機(jī)模塊、TF卡模塊、圖像輸出模塊、供電電源模塊和路由器IP固定模塊五個(gè)部分組成，其模塊框圖如圖2所示。

⑴ 步進(jìn)電機(jī)模塊 步進(jìn)電機(jī)模塊是3D打印機(jī)最重要的模塊，其控制3D打印機(jī)X，Y，Z軸運(yùn)動(dòng)，限位開(kāi)光接口和燈光。將集Ramps和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)HR4988于一體的MKS-MINIV2.0主板作為步進(jìn)電機(jī)主板，其優(yōu)勢(shì)在于集成了如下功能：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制散熱風(fēng)扇，控制光源，接口簡(jiǎn)易，數(shù)據(jù)傳輸方便和可以同時(shí)支持12V與24V電源。選擇Marlin固件作為開(kāi)源的3D打印機(jī)源代碼，其配置方式兼容于Ramps的配置方式，也是本研究選擇該主板的重要原因。在3D打印機(jī)中，它作為3D打印機(jī)的下位機(jī)操縱步進(jìn)電機(jī)與上位機(jī)樹(shù)莓派相連，并且對(duì)步進(jìn)電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)和UV光源進(jìn)行直接控制。通過(guò)樹(shù)莓派發(fā)送3D模型切片后生成的G代碼給MKS-MINI主板驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，并用強(qiáng)大的Arduino平臺(tái)將marlin固件燒錄進(jìn)MKS-MINI主板，使其識(shí)別G代碼并生成相應(yīng)的信號(hào)控制接口上的器件。使用步進(jìn)電機(jī)操縱Z軸運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器會(huì)被施加一個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角，此種方式可先將3D打印轉(zhuǎn)化為XY平面內(nèi)的2D打印，然后步進(jìn)電機(jī)操縱Y軸運(yùn)動(dòng)將XY平面內(nèi)的2D打印轉(zhuǎn)化為多條直線上的一維打印。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制打印噴頭在X，Y，Z三個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，用所控制的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，以便精確定位，且可控制脈沖頻率操縱電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度和速度調(diào)整速度。

⑵ TF卡模塊 樹(shù)莓派需linux系統(tǒng)才能正常運(yùn)行[6]，需要將linux系統(tǒng)燒寫(xiě)入樹(shù)莓派。樹(shù)莓派官網(wǎng)提供了免費(fèi)的linux系統(tǒng)鏡像，將樹(shù)莓派自帶TF卡插入TF卡讀卡器，下載并打開(kāi)鏡像燒寫(xiě)工具“WIN32 Diskemager”，選擇鏡像文件的路徑，點(diǎn)擊按鍵“Write”，將已經(jīng)下載好的樹(shù)莓派linux系統(tǒng)鏡像文件raspbian-stretch.img燒寫(xiě)進(jìn)TF卡中，燒寫(xiě)完成后，將TF卡插入樹(shù)莓派，用HDMI轉(zhuǎn)VGA線將樹(shù)莓派與計(jì)算機(jī)相連接，啟動(dòng)樹(shù)莓派，正常顯示樹(shù)莓派的系統(tǒng)界面即燒寫(xiě)成功。此外還需下載用于光固化3D打印機(jī)G代碼操作和M代碼操作特有的Nanodlp系統(tǒng)。

⑶ 圖像輸出模塊 LCD屏幕采用分辨率為1440*2560的夏普5.5寸2K屏。LCD屏幕的高分辨率有助于提高3D打印成品的精度，從而提高3D打印質(zhì)量。樹(shù)莓派沒(méi)有提供2K屏對(duì)應(yīng)的接口，需要使用HDMI轉(zhuǎn)接口對(duì)LCD2K屏轉(zhuǎn)接，此外還需驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)2k屏，否則無(wú)法使用。

⑷ 供電電源模塊 樹(shù)莓派所采用的供電方式為5V/2.5A的USB3.0線連接，因此需要使用220V的交流家庭電壓作為總電壓和5V/3A的USB3.0電源線作為電源接口，以此保證樹(shù)莓派的供電穩(wěn)定和系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。

⑸ 路由器IP固定模塊 修改樹(shù)莓派IP地址以保證直接訪問(wèn)樹(shù)莓派的IP地址對(duì)Nanodlp圖形界面進(jìn)行操作。使用串口線對(duì)路由器IP地址進(jìn)行固定的設(shè)置如下：瀏覽器打開(kāi)路由器的IP地址設(shè)置界面，用串口線將樹(shù)莓派和路由器相連，樹(shù)莓派地址信息就會(huì)顯示在路由器上，直接對(duì)樹(shù)莓派地址信息進(jìn)行修改，修改/etc/dhcpcd.conf文件設(shè)置，找到并打開(kāi)/etc/dhcpcd.conf文件，通過(guò)修改語(yǔ)句“iface eth0 inetdhcp”為“iface eth0 inet static”將IP地址設(shè)置為靜態(tài)IP地址，然后利用“address 192.168.1.201”等命令固定IP地址，最后設(shè)置樹(shù)莓派桌面，進(jìn)入樹(shù)莓派桌面，右擊菜單欄的網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)，打開(kāi)“Wireless & Wired Network Settings”進(jìn)行修改設(shè)置。

2.2 軟件系統(tǒng)

在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)相配套的軟件系統(tǒng)，可初始化3D打印機(jī)各個(gè)部件并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。軟件系統(tǒng)先通過(guò)SPI接口讀取SD卡中的配置文件對(duì)各個(gè)部件初始化，然后檢測(cè)斷電寄存器中是否有打印記錄，若有接著記錄位置繼續(xù)打印，若無(wú)檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口獲取上位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果接收到上位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將被保存在串口接收緩存區(qū)，反之，獲取SD卡中的打印數(shù)據(jù)文件同時(shí)保存至SD卡技術(shù)緩存區(qū)，最后處理數(shù)據(jù)，如果超過(guò)30秒無(wú)數(shù)據(jù)需要處理，結(jié)束程序控制功能，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)。

2.3 測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)大小約為25*25*55cm的長(zhǎng)方體，分成上下兩層，中間的隔離板采用不透光的鋁合金。上層是3D打印機(jī)的打印區(qū)域，3D打印工作器件如料槽、打印平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、LCD 2K屏等都設(shè)置在這層，下層是3D打印機(jī)的控制區(qū)域，放置控制3D打印機(jī)運(yùn)行的配件，如控制步進(jìn)電機(jī)的3D打印機(jī)主板MKS-MINI，整個(gè)3D打印機(jī)的“大腦”樹(shù)莓派和36W的UV紫外光源等。外界光會(huì)影響UV紫外光源，導(dǎo)致打印速度加快，應(yīng)在下層使用遮光紙將盡可能隔離外界光。基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)成品圖如圖3所示。對(duì)牙齒模型進(jìn)行3D打印實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果圖如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于樹(shù)莓派的光固化3D打印機(jī)。用該三維打印機(jī)打印牙齒模型，提高了打印牙齒模型的精度，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。下一步將通過(guò)改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的性能進(jìn)行更深入的探究。3D打印技術(shù)融合了智能制造技術(shù)，控制技術(shù)，材料技術(shù)和信息技術(shù)等多種技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，推向更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)。3D打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)將呈現(xiàn)精密化、智能化、便捷化以及通用化。

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