LCD光固化3D打印机的改造与研究

金 洁，尤子峰，李 铭,3，王子阳

(1.安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051；2.合肥第二发电厂，安徽 合肥 230006；3.国网安徽省电力公司培训中心，安徽 合肥 230022)

0 引言

图1 装配好的DLP光固化3D打印机

光固化快速成形是以液态光敏树脂为原料，通过控制紫外光束扫描液态光敏树脂，使其有序固化并逐层叠加成形[1]。数字光处理(Digital Light Processing，DLP)是一项使用投影仪和背投电视中的显像技术，该技术使用一种较高分辨率的数字光处理器来照射液态光聚合物，逐层的进行光固化，每层通过幻灯片似的片状固化，直至最终模型的完成[2]。本工作室鉴于研究实验的需要，考虑到实际经济情况，购买了一台简易DLP光固化3D打印机配件，师生配合自行装配成整机，如图1所示。

1 缺陷分析

经过一段时间的组装与调试，这台打印机已经开始正常运转，而随着调试工作的进一步深入，发现这台机器也存在诸多的缺陷，具体有以下几点：

(1)本机装配过程中，是通过改装普通投影仪来充当光源，成像原理如图2所示。而DLP光固化3D打印机对于投影仪光源有着严格的的要求：首先必须是短焦的DLP投影仪以实现在短距离内将图像清晰地投影到料槽底部，其次是光源的光强不能低于2600lm。由于投影仪发出的是汞灯泡产生的白光，需要去除镜头里面的滤光部分，使更多的紫外线穿过。对于专业级别的3D打印机都会使用专业的光机作为光源，这种光机去除了普通DLP投影仪中的滤镜部分，只保留了光源以及光路，对于工艺和光源的要求也更高，价格高昂。

同时，这种光源耗电量很大，但是真正起作用的光却很少，只有3%左右，对于光的利用率很低；而且在这种方案下，打印过程中灯泡全程都是打开状态，而汞灯泡寿命很短，若经常使用，不到半年就需要换一次灯泡。

此外，投影仪镜头的中心光和外围光的强度有不小的差别，为了有匀光参数可调，因此这种打印机大都使用B9的开源方案做。但是换过镜头之后参数就得重新调整，没有专业的测量仪器，根本无法完成。

(2)这台打印机在结构方面也存在很多问题，其中一个就是Z轴在移动时极度不流畅，时而卡涩，这样在结束每一层的曝光之后，每一层材料都会由于卡涩而与上一层材料或者底板分离脱落。打印时模型依旧会从成型面板上脱落下来，造成打印失败，图3为打印失败作品。

鉴于以上种种缺点，笔者工作室多名成员共同动手，对此台3D打印机进行改造。

图2 LCD光固化3D打印机成像原理图

图3 初代DLP光固化打印机打印的成品

2 改造原理概述

2.1 LCD光固化技术介绍

LCD打印技术，就是DLP技术中的光源用LCD来代替，指的是利用UV光做光源，上位机控制屏幕生成具体打印模型每一层的图像，成型部分为白色，空白部分为黑色。利用LCD屏幕偏振成像的原理，让UV光从白色部分通过照射到光敏树脂材料进行固化，黑色部分则阻断UV光源，防止多余的曝光，图4为LCD光固化3D打印机设计组织图。

图4 LCD光固化3D打印机设计组织图

2.2 LCD光固化技术的优势

采用了LCD成型原理，可以满足DLP结构所满足不了的优点，具体如下：

(1)精度高。很容易达到平面精度100微米，具体取决于采用屏幕的像素，和目前桌面级DLP技术有可比性。

(2)光源利用率高，405nm波段的UV光正好是市面上大部分光明树脂的固化波段，可以全部被利用。

(3)价格便宜。主要对比前代技术的SLA和DLP，性价比极其突出。

(4)结构简单。相较DLP结构，没有了激光振镜或者投影模块，结构很简单，容易组装和维修。

(5)树脂通用，由于采用405nm UV光，所有DLP类的树脂或者大部分光固化树脂理论上都可以兼容。

(6)可以同时打印多个模型。因为这个和DLP技术一样，是面成型光源。

3 改造方案设计

3.1 光路部分

大体上保留原先DLP打印机的结构，LCD成像部分放置于原先放置投影仪的那部分区域，依旧选择采用下曝光的上升式成型结构；将成型部分改为LCD光固化，对成像部分进行改造，将原先成像部分的DLP投影仪改为LCD+UV灯配合的成像方式。图5为简化后的成像原理图。

图5 LCD光固化3D打印机成像原理图

图6 标准光谱波长分布图

3.1.1 光源

UV(光敏聚合物曝光)，是一种化学反应。在进行光敏聚合物曝光时，材料经过某特定波长的光线照射后，现有的聚合物(光二聚交联抗蚀剂聚肉桂酸酯类光刻胶)会结合在一起成为固体的三维的基体。这个反应会在硬化剂混入聚酯时开始，反应后，仍然有机会把正确的形状还原给聚酯。

基于这个特性，衍生出了光固化3D打印这项技术。目前市面上大部分的光敏材料的固化波长为405nm，对比可见光线的光谱，如图6所示，发现紫色的光的波长正好包含了405nm。

3.1.2 光照结构

UV光源照射的位置有两种，一种是上曝光，一种是下曝光[3]。

上曝光结构类似于SLA，将DLP投影机放置在料槽上方，从下向上打印成型。上曝光结构难以对每一层的层厚进行准确的控制，难以保证每层成型面的平行度和平整度。一般来说当打印零件尺寸较大时，采用上曝光的结构形式。

下曝光结构是将DLP投影机布置在料槽下方，完成一层截面的固化后，打印平台在步进电机的驱动下上升一段的距离，液态树脂将凭借自身的重力和流动性自动在料槽底部铺平，为下一层的打印做好准备。

鉴于原先结构的光固化打印机光照结构采用了下曝光的方式，考虑到经济性以及设计施工复杂程度，决定在光照结构部分依旧保持原有的下曝光形式。

3.2 结构部分

对于整体结构不做大的变动，将原先的Z轴光杆机构全部拆除，重新更换Z轴部件，需要注意螺杆的牙距和电机型号与原机型数据必须匹配。同时设计新Z轴的固定件，全部采用3D打印，需要注意强度和稳定性。

4 改造过程

4.1 补充配件

在原有打印机配件的基础上，需要补充的配件有：(1)光源——UV灯(包括驱动电源)；(2)菲涅尔透镜；(3)液晶屏(包括驱动板)；(4)一些必要的结构件。

4.1.1 UV光源

考虑到LED发光达到额定亮度时所消耗的能量只有15瓦左右，而传统的灯达到同样亮度要消耗1500瓦的能量，即使与UV卤素灯相比，也可节省80%的能源；同时LED灯的寿命可以超过2万小时。因此，光源选用405nm波段的LED灯板，如图7、图8所示。

图7 购买的UV灯/405nm/ 30W/十串三并/驱动电压36V

图8 UV灯电源 / 36V

4.1.2 菲涅尔透镜

菲涅尔透镜的原理是将透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上，如图9所示。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，即为透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。我们需要利用菲涅尔透镜将UV灯的点光源变为平行光。需要注意的是需要匹配好与液晶屏的尺寸，图10为匹配的菲涅尔透镜。

图9 菲涅尔透镜和普通透镜剖面图对比

图10 购买的菲涅尔透镜/七寸/焦距120mm

4.1.3 液晶屏

液晶屏是以液晶材料为基本组件，在两块平行板之间填充液晶材料，通过电压来改变液晶材料内部分子的排列状况，以达到遮光和透光的目的来显示深浅不一，错落有致的图象，而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层，即可实现显示彩色图象。

LCD特点之一是必须将液晶灌入两个列有细槽的平面之间才能正常工作。这两个平面上的槽互相垂直(90度相交)，也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。此时由UV光源发出的UV光线就会扭转方向，不会透过屏幕照射到固化材料上，而当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，而不发生任何扭转，此时UV光线便可以直射出去，照射到固化材料上引发固化。

液晶屏的选择，直接影响到最终的成型面积以及精度，此处选用了7寸1080P的液晶显示屏作为成像部分。

4.2 光路部分的第一次改造

光路部分由液晶屏、菲涅尔透镜、屏幕驱动板、UV光源及其电源组成，每一部分都需要固定在打印机结构上，考虑到现有的打印机结构，正好可以将所有光路部分放置在机器的底层。此部分需要注意的是整体必须无漏光。

4.2.1 液晶屏及菲涅尔透镜定位

一方面，液晶屏需要与菲涅尔透镜贴的足够近，这样以保证UV光源的强度；另一方面，两者又不可以直接接触，需要给光路留一点空间，如图11、12所示。(中间留出了一定的厚度)

由于最终的光源是UV灯，需要将原本屏幕的LED背光源拆除，只留下最上面一层屏幕。同时LED背光的电源是从40pin的排线上接出来的，也需要将其拆除，图13为屏幕排线接口位置。

图11 透镜固定位置

图12 液晶屏固定位置

图13 屏幕排线出口

4.2.2 遮光罩

利用FDM型3D打印机打印出遮光罩并进行整体避光处理，如图14所示。考虑在遮光罩最外面再缠绕一层黑色绝缘胶带，同时保证与上面透镜固定结构连接处一定不可以有漏光。

为了防止光能量的流失，还需要对四周进行避光处理，先在内层喷涂了一层银色喷漆，外层填上一层原子灰填缝，最后在最外层缠上一层黑色电工胶带封口，如图15所示。

4.2.3 显示屏和遮光罩的组合

由于菲涅尔透镜的焦距非常短，屏幕距离透镜越远，聚光的效果就会越差，因此需要尽可能将屏幕和透镜贴近以保证透光的强度，但又不能直接接触。由于透镜是从下部固定于遮光罩顶面的底部，所以这里就将屏幕直接贴合在遮光罩的顶面的顶部，这样就隔出一定距离，图16为贴合后的成品。

图14 打印好未进行避光处理的遮光罩

图15 避光处理后的遮光罩

图16 贴合之后的屏幕与遮光罩

4.2.4 第一次光路点亮测试

对改装后的光路系统进行第一次点亮，结果发现，遮光罩顶部屏幕四周的漏光还是比较严重，这将严重影响最后的成型效果，甚至可能固化不该固化的部分，如图17、18所示。于是对此处进行下一步改进。

4.3 光路部分的完善

经过第一次测试，发现由于遮光罩为3D打印件，顶部还是存在有漏光的现象，如果在打印过程中发生漏光而置之不理，必然就会导致光线照射到不需要固化的区域，严重时就会导致打印失败。于是，利用黑色泡棉胶和绝缘胶带对顶部漏光部分进行二次遮挡，图19为最终成品。这样，便可以完全的杜绝漏光的现象，也就不会发生因为漏光而造成的打印失败事件。

图17 初步连接后的光路

图18 给显示屏供电之后的光路

图19 二次遮挡完成的遮光罩

4.4 结构改造

图20 变形的Z轴

通过仔细观察，发现由于Z轴滑块与丝杠固定件结构设计缺陷，引起结构变形，导致两边的光杆并不平行，使得滑块在光杆上移动时阻力越来越大，从而引起移动卡涩，图20为缺陷部位。鉴于此，特提出改造方法。

4.4.1 整体拆除并更换其整个Z轴(包含电机)

我们从另一台FDM打印机上拆下相关结构，整体移植到这台打印机上去，由于两种打印机的Z轴作用基本一致，因此整体结构不用改变，只需将Z轴固定在机器的结构上，同时将平台固定在滑块上。

4.4.2 Z轴与机器固定的结构件

总体分为上下两部分，用FDM型打印机打印出所需结构，分别固定Z轴的上下两端，如图21～图24所示。

图21 Z轴顶部固定结构

图22 Z轴底部固定结构

图23 丝杠、光轴与平台连接部分特写

图24 平台

改造后打印机的结构稳定，引入更合理的设计理念，克服了原本结构的缺陷，打印效果甚好，图25为打印机改造成品图，图26为用改造后打印机打印的作品，可以看出，打印质量明显强于改造前。

图25 改造完成的打印机成品

图26 用改造后打印机打印的作品

5 关键技术

5.1 LCD成像

对于整台LCD打印机的结构，核心部件当然是LCD的成像部分，成型尺寸取决于选择的LCD液晶屏的尺寸，成型件的精细度则取决于液晶屏的分辨率。而目前市面上高分辨率的屏幕通常为2K、4K，这类屏幕的优点就是分辨率高，但缺点是尺寸较小。本台机器由于装配精度等因素的影响，在成型精细度上已经失去了优势，于是在最终选择的时候索性直接抛弃高分辨率，而保证了成型尺寸，所以最后选择了7寸1080P的液晶屏。对于液晶屏也需要进行改造，必须要去除液晶屏原本的背光板，由于在出厂时这些都是整合在一起的，同时液晶屏也是易碎零件，所以在改造时需要小心细心，稍有不慎就会弄断屏幕排线或者压碎屏幕，导致整块屏幕的报废。

5.2 光源

LCD打印机采用的是波长为405nm的UV光，在光源的选择上就将范围缩小，同时为了保证固化的强度，对于光源功率的要求也会更加苛刻。最终选择了30W的LED光板作为光源，如此一来就需要加装一套专门的供电电路。提供LED工作所需的36V电压。对于电路的连接和布置都需要仔细的考量。

5.3 光路部分

由于这台3D打印机完全是依靠光照来进行固化，对于光照强度就有着比较高的要求，除了在光源上保证足够的强度之外，光路的密闭性也是很重要的影响因素。如果存在漏光，必定会对光照强度造成损失。另外，漏光还有可能会对打印过程产生影响，造成不必要的固化，毁掉整个打印过程。所以，保证光路的密闭性是至关重要的。

6 总结

综合整个改造过程，收获颇丰，达到了预期目的。

(1)优化了原有机器，提升了打印质量。通过简单的光路和结构改造，克服了原有打印机的缺陷。不仅降低成本，改装还方便，只需要拆除普通液晶屏的背光部分，将光源改成UV光，留下液晶部分及前后两层偏振膜即可。通过实验表明，改装后的设备试运行效果优于之前。

(2)提升了团队成员自行设计组装能力。此机器的改造过程均由团队师生自行拆装、自行设计，所需零部件大部分都是通过FDM型3D打印机打印完成。既培养了团队师生的团结协作能力，又锻炼了高职学生的创造技能和动手技能，使学生不仅会使用机器，还具有研究改造机器的能力。