基于DLP原理的3D打印机设计与实现*

周 璇 王志明

(金华职业技术学院，浙江 金华 321017)

3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP成型技术等。3D打印机是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

本文针对SLA技术的缺点和不足，在新一代光固化3D打印技术DLP成型技术研究的基础上，开发基于DLP原理的3D打印设备，以提高3D打印设备的成型精度和打印速度，扩大打印范围，降低设备成本。

1 DLP成型技术工作原理

DLP成型技术是SLA立体平板印刷技术的改进和发展，其工作原理如图1所示。DLP成型技术使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来逐层固化液态光聚合物，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。简而言之，SLA是对光固化材料进行逐点扫描，而DLP则是对光固化材料进行投影；SLA是逐点固化最终拼凑成层片，DLP则实现了整个层片的同时固化。

DLP技术成型精度高，成型后的零件在材料属性、细节和表面粗糙度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。并且由于实现了整个层片的同时固化，效率相比SLA有显著的提高。此外，由于DLP去除了昂贵的激光发生器和激光振镜，整个系统的成本相比SLA有较大的降低，具有极高的性价比。

2 基于DLP原理的3D打印系统总体设计

2.1 3D打印机结构设计

基于DLP原理的3D打印设备，是DLP数字投影技术与快速成型基本原理相结合的产物。设备通过投影光学引擎，将模型的截面图形投影照射在液态的光敏树脂表面，使光敏树脂达到一定程度的固化，其结构如图2所示。通过激光或紫外光按产品的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成制件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体产品。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，成形件强度高，材料利用率接近100%，适应于复杂、高精度的精细工件快速成型。同时在打印机中增加自动加料机构及液面抹平部件，降低了外界因素对打印机工作的干扰。

连接于光源固定架的光源器能进行旋转，从而能够调整光线发射的角度，在每次打印前调整光源器使光源器光线发射至DMD的理想位置，DMD接受的光源率将显著上升，从而促进固化效果，减少固化时间。物料喷嘴能够在滑杆上移动，在移动过程中实现对成型工作箱加料，使得物料添加更加均匀，液面更为整齐，提高成型后产品的精确度。电磁阀控制物料进管的导通及断开，液位传感器能够接受液位信号，两者相互配合使用。当液位传感器接收到液位信号(表示物料已添加完全)时，液位传感器将该信号传达给电磁阀，电磁阀关闭，停止加料，实现自动加料。自动升降杆控制成型工作箱，实现成型工作箱升降，当完成第一层打印后，降低自动升降杆并带动成型工作箱下降，加料后可打印第二层，直至打印完成，结构简单，易操作。

2.2 嵌入式控制系统设计

控制系统采用ARM Cortex-A8的AM335x微处理器，高达1 GHz的主频配以512MB DDR3L的运行内存，以保证打印数据和信息的快速分析、处理和计算；搭载SGX530图形引擎以满足触控屏的显示以及3D打印层片图形的投射的需求；系统采用LINUX作为嵌入式操作系统，CPU通过HDMI接口把投影图形输出到光学引擎进行投影。设备可通过USB接口或WIFI与上位机通讯，与传统的RS232串口通讯相比，灵活性更大，更符合消费级市场定位需求。此外，设计系统具有PWM扩展端口，实现各轴步进电机的驱动。

2.3 新型光敏树脂制备

为了缩短固化时间，改善涂层综合性能，提高模型的韧性和硬度，对常规的光敏树脂配方进行改进，研发了一种新型的光敏树脂材料，主要成份包括预聚物、环氧树脂、稀释剂、光敏剂、消泡剂、流平剂、阳离子光引发剂、自由基光引发剂、阻聚剂、催化剂、增韧剂、交联剂等组成。其制备方法为：在装有搅拌器、回流冷凝器和空温设施的四口烧瓶中投入环氧树脂、催化剂、阻聚剂等，并使之混合均匀，以油浴加热烧瓶至80 ℃时，用滴液漏斗滴加丙烯酸，缓慢升温并严格控制反应温度在115 ℃，在该温度范围内滴加完毕，反应一定时候后开始测量反应物的酸值，当反应物的pH值将至3.5以下时，停止反应，然后对产品进行纯化处理，加入适量的热水，搅拌5 min，静置分层后倾去上层水溶液，以除去阻聚剂和催化剂。上述过程重复5次，除去体系中剩余的水分，得到黄色液体即为新型光敏树脂材料。

该新型光敏树脂材料在可见光照射时，增感剂能够先吸收能量，再将能量转移给引发剂，引发剂再引起光敏树脂的固化反应，从而扩大体系的光谱响应范围，使光敏树脂能够在近紫外光的405 nm波长附近固化。该改进型光敏树脂能实现可见光固化，降低对3D打印设备的硬件要求，降低购置和维护成本；此外，还可通过调节曝光量来控制增感剂活性，进而控制反应速率和固化深度，以获得良好的打印精度和力学性能。

3 关键工作部件

3.1 高分辨率光学引擎

由于光敏树脂是依据投影的形状分层固化，因此，对于整个3D打印设备来讲，在保证光敏树脂质量、机械结构精度的前提下，打印模型的精度和尺寸完全取决于投影设备的投影面积大小和投影图像的精度。因此，光学引擎的分辨率越高，可以获得的打印精度和打印范围也就越高。受到技术、成本等因素限制，目前的民用级DLP打印机产品普遍采用VGA(640×480)级分辨率的光学引擎，部分高端型号采用了XVGA(1024×768)分辨率的光学引擎。本文采用美国TI(Texas Instruments)公司2013年最新推出DLP技术，通过软件优化，实现WXGA(1280×800)级的分辨率，从而在保证0.05 mm(层厚)的打印精度基础上，将设备打印尺寸扩展至100 mm(长)×75 mm(宽)×150 mm(高)，实现3D打印民用级产品的大尺寸、高精度快速打印。本文研制的基于DLP原理的3D打印机主要技术指标为：每层厚度≤0.05 mm；成型尺寸≥100 mm(长)×75 mm(宽)×150 mm(高)；成型速度≥75 cm3/min。

3.2 长寿命光学投影系统

基于LED光源和DMD技术的长寿命光学投影系统结构如图3所示。其工作原理为：在电动的供电作用下，LED光源产生光线，经过光学镜片组进行调整，并由此区间内的光强感应器检测光强，到位于外壳上的DMD芯片进行光线选择，经过镜筒及安装在镜头座和镜头端盖上的镜头进行放大，投射出最终清晰的光线。

考虑到3D打印设备中不需要进行长距离投影，对光源的亮度要求较低。本文采用405 nm的近紫外LED作为光源，LED光源功率低、发热小，使用寿命可长达20 000 h，能较好地解决超高压汞灯泡作为光源时的功耗、发热以及寿命问题。为了保证3D打印机的性能，同时提升设备的使用寿命，将DMD技术应用到3D打印机上。DMD芯片能够在405 nm的近紫外波段下长时间稳定工作，解决在近紫外光环境下HTPS-LCD和LCOS的寿命问题。此外，DMD还具有更高的反射效率，投射亮度比其他两种技术都要高，对提升3D打印机的光固化速度也有着一定辅助作用。

3.3 模型剥离装置

由于3D打印机在工作时使用的是粘性材料，模型底部容易粘结在打印台上。为提高模型的质量，降低废品率，设计了模型剥离装置，结构如图4所示。

该模型剥离装置的工作原理为：3D打印机的打印喷头将模型打印在模型剥离盘上，打印结束后通过冷却室内的冷却机构对模型进行冷却降温，直至温度传感器检测的问题与设定的温度相同时，关闭冷却机构，然后通过控制箱控制磁铁，磁铁通过磁力将相应的衔铁吸下，此时衔铁限位在限位孔内，通过支撑杆带动剥离块下降，实现模型与剥离块的分离。分离结束后，断开导线，使衔铁在弹簧的作用下恢复原状，下一个导线通电实现上述过程，然后进行下一个剥离块的分离；控制箱可以使剥离块实现间隔式分离或多米诺骨牌式分离，不仅提高了剥离效率，而且提高了模型的完整性。

4 结语

基于DLP原理的3D打印机是新一代打印机，与其他3D打印机比较，具有成型速度快、精度高、表面光洁度好、使用成本低和安全可靠等优点。本文从机械结构设计、控制系统设计、新型光敏树脂开发等方面介绍了基于DLP原理研制的3D打印机，并重点阐述了高分辨率光学引擎、长寿命光学投影系统和模型剥离装置等关键工作部件。以DLP技术为基础的3D打印技术正处于快速发展阶段，在今后工作中，仍需从扩大打印成型工作幅面、研发环境友好型新型光敏树脂和优化控制系统和操作界面等方面深入研究，以进一步推动基于DLP原理的3D打印技术的发展。

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