DLP面掃描技術(shù)光源系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

藍(lán)志堅(jiān)

（廣東麗格科技股份有限公司，廣東 廣州 511325）

0 引言

DLP 面掃描技術(shù)光源系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，屬于3D 打印機(jī)光機(jī)的核心部件，由于傳統(tǒng)的3D 打印機(jī)光源系統(tǒng)受到許多因素的限制，因此存在一定的不足之處，例如操作不夠便捷以及打印出來的作品質(zhì)量欠佳等，該文所提出的基于DLP 面掃描技術(shù)的光固化3D 打印光源系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)可以有效彌補(bǔ)上述缺陷，是一種新型的3D 打印機(jī)光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，值得被廣泛地推廣應(yīng)用，相關(guān)3D打印機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)的工作人員可以借鑒該方法，進(jìn)一步對(duì)3D打印機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

因?yàn)镈LP 面掃描技術(shù)具有快速投影顯像以及精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以自研發(fā)以來，該技術(shù)就得到了廣泛地推廣應(yīng)用，其中在3D 打印作業(yè)中發(fā)揮了十分突出的作用。但是，在DLP 投影顯像技術(shù)的應(yīng)用過程中，也存在一定的不足之處，例如精度會(huì)受到光機(jī)分辨率的影響，從而導(dǎo)致出現(xiàn)投影面積越大、精度越差的現(xiàn)象，如果光機(jī)的分辨率不能得到有效保障，那么3D 打印機(jī)所印出的成品幅面以及打印清晰度都會(huì)受到影響，這在很大程度上制約了DLP 技術(shù)在3D 打印機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用水平。為了突破該技術(shù)難點(diǎn)，提高3D 打印機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量，開展針對(duì)DLP 面掃描技術(shù)光源系統(tǒng)的研究是十分必要的[1]。

1 DLP 面掃描技術(shù)工作原理及原有技術(shù)應(yīng)用問題分析

1.1 DLP 面掃描技術(shù)應(yīng)用于3D 打印的工作原理

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理方面來看，該文所提出的DLP 面掃描打印光源系統(tǒng)主要是由多個(gè)光機(jī)拼接而成，4 個(gè)光機(jī)為1 個(gè)單元，通過物理拼接，并采用軟件融合技術(shù)，能夠根據(jù)打印幅面的實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整，該系統(tǒng)的改造主要是對(duì)目前市場上現(xiàn)有的DLP 光機(jī)（405 波長紫外光源）進(jìn)行優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)的。從具體工作原理上來看，該文所提出的DLP 面掃描打印光源系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖1 和圖2 所示。

圖1 具有基于光固化技術(shù)的3D 打印光源系統(tǒng)的3D 打印機(jī)的簡易圖

圖2 一種基于光固化技術(shù)的3D 打印光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

單個(gè)光機(jī)2（405 波段的光源系統(tǒng)）在3D 打印機(jī)中的作用是將模型的輪廓（圖像）轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，并投射到模型工作臺(tái)的光敏樹脂上，光敏樹脂在405 紫外光的作用下固化成型。單個(gè)光機(jī)在分辨率不變的條件下，投射幅面是一定的，該系統(tǒng)是通過4 個(gè)光機(jī)拼接組合為1 個(gè)單元（如圖2 所示），從而達(dá)到擴(kuò)大幅面的目的，在實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)時(shí)，需要先通過物理拼接的方式，將4 個(gè)光機(jī)固定在固定底板1 上，然后將系統(tǒng)預(yù)設(shè)的方框圖的光信號(hào)投射到3D 模型工作臺(tái)，控制終端7 根據(jù)聚焦圖像采集儀6 采集方框圖，觀察方框圖中間位置的拼接效果，通過移動(dòng)光機(jī)的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)拼接圖像的粗調(diào)。因?yàn)閳D像都是由光點(diǎn)組成的，所以在控制終端可以放大拼接位置的圖像，觀察每個(gè)光點(diǎn)的結(jié)合重疊效果，通過控制終端的電路設(shè)計(jì)和程序控制，移動(dòng)光點(diǎn)的位置，調(diào)整重疊光點(diǎn)處的灰度值（軟件融合），實(shí)現(xiàn)對(duì)拼接處的微調(diào)。結(jié)合處的光點(diǎn)拼接到位，最終實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大幅面的目標(biāo)，組合成四倍單光機(jī)幅面的光源系統(tǒng)。

1.2 DLP 面掃描技術(shù)應(yīng)用于3D 打印的問題分析

3D 打印機(jī)的光機(jī)聚焦距離、聚焦幅面以及光機(jī)分辨率是影響打印模型精度和打印幅面大小的關(guān)鍵因素，常規(guī)的光固化3D 打印機(jī)光敏樹脂的紫外光的最佳波長范圍為365 nm～405 nm，如果固化光源使用白光汞燈，那么其光源中紫外光的含量比較少，因此固化效果不是很好，亮度也不是非常均勻，還容易產(chǎn)生大量損耗，特別是單光源光機(jī)受到分辨率的限制，聚焦幅面和精度難以達(dá)到良好的平衡狀態(tài)。而且常規(guī)3D 打印機(jī)固化光源系統(tǒng)拼接部分獨(dú)立光機(jī)的空間位置一般都是固定不變的，基本不能實(shí)現(xiàn)各路光機(jī)同時(shí)達(dá)到相同聚焦效果的目標(biāo)，最后得到的聚焦圖形參考價(jià)值不高，通常情況下都需要通過人為目測進(jìn)行位置調(diào)整，但是拼接聚焦操作的難度較大，這需要打印人員有非常熟練且專業(yè)的技術(shù)水平才可以完成工作，因此一直以來3D 打印技術(shù)的應(yīng)用就存在一些未能得到有效解決的質(zhì)量通病[1]。

1.3 DLP 系統(tǒng)光源改造的必要性

DLP 是Digital Light Processing 的縮寫，即數(shù)字光處理，先對(duì)影像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，通過光源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再把光投影出來。首先，在DLP 光源系統(tǒng)中，光源是決定整個(gè)系統(tǒng)圖像質(zhì)量的最直接因素，例如光源亮度、均勻度以及對(duì)比度等都是整個(gè)系統(tǒng)光能的提供者。其次，光源還決定DLP 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即光源發(fā)熱量越大、溫度越高，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響就越大。在DLP 系統(tǒng)的發(fā)展前期，由于其穩(wěn)定性無法得到保證，因此很多系統(tǒng)不得不設(shè)計(jì)成雙光源系統(tǒng)，以此來保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定。再次，光源也決定DLP 產(chǎn)品的維護(hù)周期，由于光源系統(tǒng)的特性，因此光源系統(tǒng)都有一定的衰減周期，而每個(gè)產(chǎn)品的衰減周期是相對(duì)不可控制的，這樣就會(huì)造成客戶在使用一段時(shí)間后，產(chǎn)品的色彩和亮度都會(huì)出現(xiàn)比較大的變化，需要對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)。最后，光源也決定DLP 產(chǎn)品的維護(hù)成本，不同光源的DLP 后期需要的維護(hù)成本也會(huì)產(chǎn)生很大的差異。由于光源技術(shù)發(fā)展的成熟度以及使用壽命都存在差異，因此在后期維護(hù)時(shí)，需要更新的原器件價(jià)格和更新頻率也不盡相同，這樣就造成維護(hù)成本存在差異[2]。

單光源系統(tǒng)的分辨率和最大曝光幅面會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展不斷地提高或增加，但在一定時(shí)期內(nèi)，市場對(duì)打印精度和打印幅面的需求的變化是相對(duì)較快的，現(xiàn)有的的針對(duì)單光源系統(tǒng)的拼接優(yōu)化改造技術(shù)可以靈活地?cái)U(kuò)充打印幅面，滿足不同的市場需求，因此該改造技術(shù)具有很大的市場價(jià)值。

2 DLP 面掃描技術(shù)3D 光源系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

基于數(shù)字投影技術(shù)（DLP）的光固化3D 打印機(jī)的構(gòu)件主要包括模型工作臺(tái)、材料槽、升降機(jī)構(gòu)以及光源系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)打印精度的要求，通常會(huì)采用切片軟件按模型擺放位置的垂直方向?qū)?D 模型分割成N個(gè)薄片，光源系統(tǒng)按順序?qū)⑶衅妮喞D(zhuǎn)換成光信號(hào)，并投射到材料槽里的光敏樹脂上，光敏樹脂在特定波長的光作用下，固化成對(duì)應(yīng)切片輪廓的單片固體模型，并粘附在模型工作臺(tái)上；然后升降機(jī)構(gòu)將模型工作臺(tái)提升一個(gè)切片厚度的距離，這樣粘附在模型工作臺(tái)的固化模型薄片與材料槽之間會(huì)有一個(gè)切片厚度的液態(tài)光敏樹脂，在軟件的控制下，將第二個(gè)切片輪廓光信號(hào)投射到材料槽底部，上一個(gè)固化模型與材料槽底部的液態(tài)光敏樹脂在光的作用下，固化成對(duì)應(yīng)切片輪廓的固體，并與上一個(gè)切片的固體膠粘重疊，以此類推重復(fù)上述動(dòng)作，直到所有切片全部固化層疊，完成3D 打印任務(wù)，最終成形3D 模型。在該過程中，能打印的模型的最大尺寸和打印精度是由光源系統(tǒng)的分辨率和最大曝光尺寸所決定的，光源系統(tǒng)（核心單元一般稱為光機(jī)）的主要作用就是生成打印物的平面輪廓固化光源。就像常用的投影機(jī)，一般投影機(jī)都有固定的分辨率，在分辨率不變時(shí)，都有固定的最大投影面積。光機(jī)的分辨率越高，其最大投影面積就越大，能生成的輪廓圖像也就越清晰，面積也越大，因此最大打印精度和最大打印尺寸對(duì)光源系統(tǒng)有重要影響。

2.1 改進(jìn)后的DLP 面掃描技術(shù)3D 光源系統(tǒng)構(gòu)成及作用說明

該文所述的改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案為DLP 面掃描光固化技術(shù)3D 打印光源系統(tǒng)，具體由以下4 個(gè)構(gòu)件組成：1）聚焦圖像采集儀。2）控制終端。3）固定底板。4）光機(jī)組件。其中光機(jī)組件最少設(shè)置2 個(gè)，由光機(jī)和豎向板組成，該文采用4 個(gè)2×2 的單光機(jī)進(jìn)行拼接，因此光機(jī)和豎向板的數(shù)量均為4 個(gè)，但是后期可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行增加。光機(jī)組件安裝在固定板上，并設(shè)置一一對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌。T 型豎向板就是通過導(dǎo)軌滑動(dòng)安裝在固定板上（可以實(shí)現(xiàn)Z軸方向移動(dòng)）；光機(jī)則通過導(dǎo)軌互動(dòng)安裝在豎向板上，并沿著豎向板的垂直方向進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離或靠近固定底板的效果。導(dǎo)軌部分的具體設(shè)計(jì)形式為2 個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)，操作人員可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求，分別使用不同的凹槽和豎向板自由移動(dòng)光機(jī)，豎向運(yùn)動(dòng)開始是采用手動(dòng)操作，由于數(shù)據(jù)采集和位置鎖止的需要，后期加了4 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，自動(dòng)精確控制光機(jī)的豎向移動(dòng)。

豎向板設(shè)計(jì)為T 型樣式，主要由豎板和橫板構(gòu)成，其中豎板的一端固定安裝在橫板的中間部位，另一端則用螺絲與橫板的一端進(jìn)行連接后安裝在一個(gè)凹槽中，橫板的另一端安裝在另一個(gè)凹槽。這樣設(shè)計(jì)的原因是經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，在打印機(jī)運(yùn)行使用過程中所形成的光機(jī)照射幅面波動(dòng)性較小。由于該文選用的單光機(jī)分辨率為1920×1080 dpi，凹槽在固定板上的橫縱兩個(gè)方向設(shè)計(jì)比例為16︰9 的滑槽，其中橫向?yàn)楣潭ò宓拈L邊方向，縱向?yàn)槎踢叿较?。設(shè)置凹槽的主要目的就是為了便于T 型豎向板朝XY方向移動(dòng)，這樣工作人員就可以靈活調(diào)整光機(jī)的位置，進(jìn)而改變光機(jī)的照射位置。凹槽的橫向和縱向比例參數(shù)的設(shè)置主要是參照光機(jī)的分辨率，凹槽與選用的光機(jī)分辨率相匹配，因此將凹槽在固定底板上的比例設(shè)置為16︰9 是比較合理的，光機(jī)是用導(dǎo)向螺絲固定在凹槽內(nèi)的，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)該凹槽時(shí)，XY方向是按比例設(shè)計(jì)的，所以在凹槽的導(dǎo)向作用下，光機(jī)在XY方向也會(huì)按該比例進(jìn)行移動(dòng)[3]。

通過以上結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光機(jī)單元在XY方向的位置調(diào)節(jié)，結(jié)合圖像采集系統(tǒng)采集到預(yù)設(shè)的拼接用標(biāo)定圖框，直觀顯示拼接效果，移動(dòng)每個(gè)光機(jī)的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)4個(gè)光機(jī)拼接處的物理粗調(diào)。通過圖像采集系統(tǒng)的軟件放大圖框，觀察拼接處每個(gè)像素點(diǎn)的位置，移動(dòng)像素點(diǎn)的位置，調(diào)整光點(diǎn)的灰度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)拼接處的精細(xì)調(diào)節(jié)。該文所述的DLP 面掃描光固化技術(shù)3D 打印光源系統(tǒng)還包括2 個(gè)主要構(gòu)件，分別是聚焦圖像采集儀和控制終端，二者通過電性進(jìn)行連接。其中控制終端是由計(jì)算機(jī)控制的，光機(jī)和控制終端也通過電性進(jìn)行連接，并且光機(jī)會(huì)負(fù)責(zé)把控制終端傳遞出來的信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，并投射到相應(yīng)的3D 模型工作臺(tái)上。此時(shí)，聚焦圖像采集儀對(duì)每個(gè)光機(jī)投射出來的光信號(hào)進(jìn)行捕捉采集，然后再次轉(zhuǎn)化為圖形信號(hào)反饋給控制終端，控制終端最后按照指令轉(zhuǎn)化展示圖像。在拼接采集數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)預(yù)設(shè)適當(dāng)?shù)牟杉c(diǎn)，采集拼接漂移值，并繪制漂移曲線，通過系統(tǒng)算法，補(bǔ)充結(jié)構(gòu)加工和物理安裝的誤差，使拼接精度更加精密。

2.2 改進(jìn)后的DLP 面掃描技術(shù)3D 光源系統(tǒng)優(yōu)勢特征

對(duì)DLP 面掃描技術(shù)3D 光源系統(tǒng)改進(jìn)發(fā)明進(jìn)行測試分析后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有以下7 個(gè)優(yōu)勢：1）光機(jī)組件方面。拼接前對(duì)單光機(jī)的亮度、輸出功率以及投射距離進(jìn)行精確測量和優(yōu)化，改進(jìn)后進(jìn)一步解決了單光機(jī)組件自身技術(shù)指標(biāo)不穩(wěn)定的問題。2）控制終端方面。采用圖像采集系統(tǒng)、Z軸移動(dòng)自動(dòng)控制以及誤差補(bǔ)償?shù)纫幌盗写胧辜夹g(shù)人員可以對(duì)拼接動(dòng)作進(jìn)行可視化控制，操作簡單，且拼接精度更有保障，進(jìn)一步解決終端選取的技術(shù)問題。3）豎向板方面。T 型豎向板在固定光機(jī)的同時(shí)，通過固定豎向板的銷釘在凹槽的移動(dòng)，進(jìn)一步解決設(shè)置豎向板的技術(shù)問題。4）導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)自動(dòng)控制光機(jī)在垂直方向的移動(dòng)，進(jìn)一步解決了T 型板的滑動(dòng)安裝、位置鎖止及聚焦微調(diào)的技術(shù)問題。5）凹槽在固定底板設(shè)置方面。按照光機(jī)分辨率的長寬比例開設(shè)凹槽，進(jìn)一步解決了調(diào)節(jié)光機(jī)移動(dòng)方向的技術(shù)問題。6）解決在現(xiàn)有單光機(jī)分辨率不變情況下擴(kuò)大打印幅面的問題。7）可以根據(jù)市場需求靈活擴(kuò)充打印幅面。

3 DLP 面掃描技術(shù)3D 光源系統(tǒng)改進(jìn)成果分析

該DLP 面掃描技術(shù)3D 光源系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案成果顯著，與市場上既有的3D 打印設(shè)備相比，該系統(tǒng)的主要成果在于以下3 點(diǎn)：1）首先，該系統(tǒng)的3D 打印機(jī)光源系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化拼接效果的目標(biāo)，通過設(shè)置聚焦圖像采集儀，完成對(duì)每路光機(jī)圖形電信號(hào)的采集；其次將電信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，通過給軟件設(shè)定參考標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，對(duì)打印出來的成品進(jìn)行比對(duì)；最后，通過調(diào)整光機(jī)凹槽，實(shí)現(xiàn)光機(jī)空間位置的線性移動(dòng)，讓3D 打印機(jī)光機(jī)拼接的物理效果得到提升。2）該系統(tǒng)還通過軟件融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)拼接處像素點(diǎn)（即光點(diǎn)）的精細(xì)調(diào)節(jié)，突破了單光機(jī)系統(tǒng)投射幅面的技術(shù)制約。3）該技術(shù)可以根據(jù)市場對(duì)打印幅面的需求，靈活拼接、擴(kuò)充打印幅面，當(dāng)單光機(jī)分辨提高時(shí)，升級(jí)拼接單元，從而提高整體打印精度。該改進(jìn)技術(shù)可以讓目前3D 打印機(jī)的應(yīng)用范圍更加廣闊、作業(yè)質(zhì)量更加優(yōu)質(zhì)，有利于進(jìn)一步促進(jìn)3D 打印技術(shù)的推廣[4]。

4 結(jié)語

該文基于DLP 面掃描技術(shù)所開發(fā)的3D 打印機(jī)光源系統(tǒng)最終取得了值得肯定的成績，該系統(tǒng)同時(shí)也獲得發(fā)明專利ZL2016 1 0650106.5。在該設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中，不僅積累了大量關(guān)于DLP 面掃描技術(shù)3D 光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，而且還有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新優(yōu)化，進(jìn)一步提高了3D 打印技術(shù)的應(yīng)用水平，這對(duì)我國在該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)工作來說，也是一項(xiàng)重大突破。該設(shè)計(jì)可以被廣泛應(yīng)用于其他類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，為3D 打印機(jī)光源系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了可靠的參考案例，具有非常突出的實(shí)際價(jià)值。