轴动式激光固化3D打印技术的研究与实践

郭 飞，梁 园，杨朝航，高 阳

(北方民族大学机电工程学院，宁夏 银川 750021)

轴动式激光固化3D打印技术的研究与实践

郭 飞，梁 园，杨朝航，高 阳

(北方民族大学机电工程学院，宁夏 银川 750021)

3D打印技术出现在20世纪90年代中期。作为一种新兴的快速成型技术，该技术极大地推动了数字制造产业的发展，在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。对目前3D打印的几大分类作了简单的梳理，并就普及程度较高的熔融沉积制造(FDM)技术和精度较高的光固化立体成型(SLA)技术进行了简单的介绍与重点比较。在此基础上提出了轴动技术和SLA技术整合的可能性探讨，即轴动式激光固化3D打印技术。讨论了以上两种技术整合所带来的新的交叉机型的优势及其目前的发展状况,并基于该原理进行了积极的实践，设计了一款原型机。该机型为轴动式激光固化3D打印技术提供了更好的普及平台。由于3D打印的特殊性及SLA技术高精度的特点，个性定制的优势将在新的交叉机型中得到更好发展。

智能制造； 数字化； 3D打印； 轴动式； 光固化立体成型； 误差

0 引言

3D打印是一项近年来兴起的制造技术。美国《经济学人》杂志认为其与其他数字化生产模式一起推动了新的工业革命，并因此受到了工业界和资本界的广泛关注。3D打印技术的出现，使得个性化物品的定制变得更加简单，推动了礼品、设计、艺术等行业的积极发展，使人们在制造复杂形状的工件或者物品时不再依赖复杂的工序或高端的四轴、五轴机床，减少了技术验证、生产制造等环节的时间，也降低了个性化产品和复杂度较高工件的生产成本。经过30年的发展，3D打印产业作为朝阳产业，必将迎来更广阔的前景。

1 3D打印的种类

目前，3D打印的主要成型思想是堆积和黏合制造，通过一个个有厚度的、平面的有效和近似切片来获得最终的模型。切片的操作和微分运算原理相同，而打印黏合的过程则和积分过程一样，通过层厚0.01 mm的片状黏合堆积出最终的实物。目前，3D打印主要有以下几种分类。

①熔融沉积制造(fused deposition modeling，FDM)技术由Scott Crump发明并取得专利，并由此于1989年成立了Stratasys公司。该公司目前主要研究FDM技术和逐层喷射-光固化技术。FDM的实现原理是将耗材(如塑料、石蜡、塑料和金属组成的合金)等通过加热装置融化变软，然后通过喷头挤压呈线性,再一层一层铺满工作台并逐渐向上堆积成型。

②光固化立体成型(stereo lithography apparatus，SLA)技术是一种单光源光化学反应的激光固化成型技术。其主要材料为含不饱和官能团的树脂类化合物，佐以环氧类化合物以及特定波长的光引发剂，形成一个完整可靠的树脂溶液系统，再配合特定波长的光源，经过切片、路径规划、照射打印出实体。

③选择性激光烧结(selective laser sinterring,SLS)技术主要采用红外激光等高强激光对金属粉末、陶瓷、砂等耗材进行层层烧结。由计算机切片软件进行路径规划控制，先铺一层耗材粉末，用刮板刮平;然后预热材料到接近熔点，再用激光在该耗材层上选择性地进行烧结，使耗材达到熔点融化粘合；逐层完成，直到模型最终成型，再扫开未烧结耗材，取出模型。

④三维打印粘结成型(three dimensional printing and gluding,3DP)技术由麻省理工学院(MIT)于1993年首先研制成功，最为贴近“3D Printing”的概念，打印耗材也为各种粉末及粘结剂。工艺过程为：首先通过铺粉机构在工作台上均匀地铺上一层粉末材料；然后计算机按照三维模型提供的数据，由打印头在第一层粉末材料上喷出下一层的截面轮廓；最后工作台下降，由扑粉机构均匀地铺上一层粉末，打印头按照下一层的截面轮廓喷出粘结剂；如此循环往复直至完成[1]。

⑤数字光处理(digital light processing,DLP)技术，又称数字投影光固化技术。该技术与SLA技术都是采用树脂作为打印耗材。其不同之处在于:SLA技术采用的是点光源选区路径固化；DLP技术采用的是数字光投影，光源可以是各种屏幕，如手机屏幕、舞台振镜等，一次就能够投影一个完整的截面。而且，DLP技术还配备了遇到可见光就能够固化的专用耗材，如Daylight Resins液态感光树脂。

⑥紫外线成型(UV-curable)技术简称UV固化技术，是20世纪60年代开发的一项绿色新技术。该技术利用树脂经紫外光照射后在较短时间内迅速发生物理和化学变化实现固化，具有固化速度快、节能、省时、方便、可连续生产、费用低、体积小等优点[2]。

2 FDM的轴动方式

3D打印的运动本质就是通过一系列方法和手段来实现三维坐标的不断变换。

(1)并联机构。

并联机构是一种多条并行链组成的闭环机构系统，虽然只发展了几十年，但已有诸如Gough平台、Stewart机构、Delta机器人等重要成果[3]。目前应用广泛的是Delta结构的3D打印机，典型机型为三角洲。

(2)串联机构。

串联机构远比3D打印起步要早，且技术尚算成熟，主要有以下几种类型。

①笛卡尔坐标系打印机(Cartesian printer)[4]采用比较纯粹的X-Y-Z轴传动方式，便于定位，设计也相对简单。

②基于独立运动的Z轴和H型结构的X/Y轴的打印机：Z axis + H-gantry/core XY(x_motor = x+y,y_motor = x-y)。该打印机采用H型结构，无论是X轴坐标还是Y轴坐标，都是由两个电机共同控制。

H型结构示意图如图1所示。

图1 H型结构示意图

③基于独立运动的Z轴和H型结构的X/Y轴的打印机：Z axis + H-gantry/core XY(x_motor = x+y,y_motor = y-x)。该打印机也采用H型结构，只是具体的坐标计算方式稍微不同，对Y轴和X轴进行了简单的替换。

④Tugaprinter(Scott-Russell mechanism)。该打印机采用两个固定在X轴上的电机，通过一个类似剪刀的机构，对X轴、Y轴的运动进行控制[5]。其优点是运动迅速，水平打印尺寸很大，但打印机整体占空间较小；缺点是打印头部分由于距离支撑点距离过远而且处于变化之中，容易产生抖动[6]。

(3)极坐标形式。

采用极简设计，通过一个旋转的平台和一个与平台并不对心(喷头中心点和底盘中心点，一般为圆心)的打印头，即可解决原本笛卡尔坐标系内一个平面的运动问题，使结构更加紧凑，外观更加美观和简洁[7]。

3 SLA技术

SLA技术是目前较为成熟的3D打印技术，其制件具有较高的精度以及良好的表面质量，且原料利用率较高，能够制造外形复杂、形状特殊的空心零件以及相当精密的首饰和艺术品等。

SLA原理如图2所示。

图2 SLA原理图

激光光源射出激光，经由放大器放大、透镜聚焦、光栅过滤激光波段；激光波段照射到由上位机控制的X、Y轴的路径扫描镜，投射到成型表面(下底面或上表面)，固化出当前截面形状；升降平台向光投射方向移动一层的距离，使表面重新覆盖液态光敏树脂；被投射面为上表面的还需要使用刮板刮平，再逐层进行路径扫描，直至完成。

4 轴动的激光固化打印技术

轴传动技术基本都用于FDM打印机，且除Delta外都为串联轴动技术。打印机构直接挂载于轴动系统之上，但是目前的FDM打印机构基本都比较重，包含送丝装置、熔融装置、打印头及至少一个散热装置。这些装置给与了轴动系统大量的负载，直接导致了电机等的体积和质量变大，增大了整机结构尺寸。

常规SLA激光误差形式如图3所示。

图3 常规SLA激光误差形式示意图

SLA技术的主要扫描装置是其X、Y轴扫描镜，依靠上位机的控制精确的摆动角度进行路径扫描。这种形式能够精确控制各部件之间的距离；否则，距离的偏差会导致投射光作用区域的误差急速增大，也给维修造成了一定的难度。

将激光固化装置的投射方式改为竖直投射，即经过透镜聚焦和光栅滤光，直接投射到成型表面，并将该激光固化装置加载于轴动系统上，可以有效降低轴动系统的负载，减小电机等部件的体积和质量。同时，保证了激光垂直于成型表面，且光的行程保持不变，一旦固定了投射距离就基本不会再有变化，有效减小了光偏置时带来的投影误差。

采用轴动机构，降低了激光固化整机机构的复杂度，以及制造和安装难度，使生产制造成本下降。而轴动机构的熔融打印机构替换为激光装置后，除了体积发生变化外，还有效地避免了使用熔融沉积技术打印时，因边角位置力的拉扯导致直角变圆甚至受热不均而产生翘边等棘手问题。

基于以上的特点，设计了一款轴动激光固化打印机。其主要由下箱体、上箱体、x-y移动平台、z轴移动机构、液槽组件、激光器和设于上箱体外侧的控制面板组成。

x-y移动平台搭载激光固化3D打印机的固化激光器，激光器垂直照射于液槽机构底部进行固化作业。x-y移动平台平行于液槽内部耗材液底面，可手动进行校正，确保光源到耗材液底面照射点的距离不变。该方法可有效避免偏射、散射、折射等情况的发生，能解决现有的采用扫描镜控制固化激光的扫描路径的激光固化3D打印机，因其固化激光的焦点不能分布在同一打印平面而造成打印零件有尺寸误差的问题。

z轴移动机构采用贯穿式步进电机进行移动，可在机构本身仅有电线直接相连的情况下便捷地进行取下和装上动作；既能够在打印工作时实现打印底板的自动提升，又能够在打印完成后简单、快捷取下工件。此装置结构简单，占用空间小，便于维修更换，解决了常规激光固化打印机z轴采用普通步进电机和导轨所带来的体积过大、调平和维修不便等问题，有效优化了整机结构。

5 应用前景

目前能够在国家专利局查询到的关键词包含“激光固化和3D打印”的发明公布为78条，发明授权6条，使用新型57条，外观设计8条。其中，绝大部分为SLA方向、DLP方向和UV固化方向的技术研究，其他大多为图像处理和切片技术研究等，只有一条是关于全彩激光固化3D打印机的发明。交叉类型激光固化3D打印机在该搜索条件下并没有出现。

在关键词为“FDM 和 3D打印”词条下有29条发明公布，发明授权9条，实用新型34条，外观设计8条。主要为大型、新型、微型、便携式FDM打印机及其部分机构的改进，并没有涉及到交叉技术的机型。而在“轴动和3D打印”、“轴动和激光固化”及“轴动和激光固化”词条下没有相关结果。

轴动光固化是一种新型的交叉机型，能够整合两种机型的优点，为嫁接的光固化技术提供了更好的普及平台，同时避免了两种机型各自在力学或者光学上存在的一些弊端。鉴于激光固化3D打印对于复杂零件、首饰及艺术品的打印有良好的把控，轴动光固化在这些方面具有良好的发展前景。

6 结束语

本文对目前的3D打印技术种类进行了介绍，并就其中两种优势类型进行了重点介绍，同时探讨了基于轴动技术和SLA技术整合的交叉机型的优势及其目前的研究情况，并进行了积极的实践，对3D打印内部体系和控制系统的融合作了积极有益的探索。

[1] 王腾飞.3D打印技术中分层与路径规划的研究及实现[D].天津：河北工业大学，2015.

[2] 刘楠.UV固化树脂的应用开发研究[D].广州:广东工业大学，2013.

[3] 李江滨.基于并联机构的3D打印关键技术研究[D].秦皇岛:燕山大学，2015.

[4] 邱崧.基于LED光源的DLP投影系统的研究[D].上海：华东师范大学,2007.

[5] 王蕾.3D打印材料光敏树脂的改性研究[D].武汉：武汉纺织大学，2015.

[6] 王小腾，邱俊峰，谢彪，等.3D 打印光固化高分子材料的成形过程与表征[J].山东化工，2014，43(11)：1-2,13.

[7] 刘海涛,黄树槐,莫健华,等.光敏树脂对快速原型件表面质量的影响[J].高分子材料科学与工程,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

宁夏回族自治区大学生创新训练计划基金资助项目(2016-QJ-021)

郭飞(1995—)，男，在读本科生，主要从事3D打印及逆向工程的研究。E-mail:3081906087@qq.com。 高阳(通信作者)，男，硕士，副教授，主要从事电火花加工、智能制造与装备制造技术的研究。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