激光立体光固化3D打印成型件清洗装置设计*

黄嘉林，安芬菊，何展鹏，陈儒森，黄家濠，何伟宇

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088）

0 引言

随着3D打印技术的迅速发展以及其在原型制造、生物工程、医学工业等领域的应用不断深化，3D打印已日渐成为科技发展的一大趋势。激光立体光固化作为最早实用化的快速成形技术，通过紫外激光光束照射液态光敏树脂使其发生光聚合反应的原理[1]实现固化成形。成型件从树脂中取出后，模型表面附着有较多的光敏树脂原料，需要进行后处理将表面附着的液态光敏树脂清洗掉。目前采用的大多数方法是将模型件浸入相关溶剂中，反复清洗，操作费力、效率低。基于这一现状，为了在一定程度上可以解决光固化3D打印成型件后处理清洗方面的问题，设计了一款激光立体光固化3D打印成型件清洗装置。其通过内部平台的运作与清洗溶剂相配合，取代传统人工清洗，避免人工清洗挥发清洗溶剂对操作者带来的健康隐患。

1 清洗装置设计思路

清洗装置主体采用箱体结构，包含底座、外箱体、箱盖、按键显示器、物件收纳盒等结构。光固化树脂清洗剂一般具有较强的挥发性，对吸入者有较大危害，而清洗装置的半密封箱体结构能最大限度限制清洗剂的挥发，避免操作人员在人工清洗时所带来的健康隐患[2]。

清洗时，操作人员打开折叠箱盖把将要清洗的成型件放入内部的承物平台上，盖上后通过按键设定清洗时间，平台沉下并进行限定范围的上下微动，达到浸泡清洗的效果。清洗完毕后，平台自动上升，待操作人员打开折叠箱盖取走成型件。清洗装置设计主要包括机械部分、机电控制部分。激光立体光固化3D打印成型件清洗装置透视图如图1所示。

图1 激光立体光固化3D打印成型件清洗装置透视图

1.1 机械部分

激光立体光固化3D打印成型件清洗装置的机械部分主要由底座、承物平台、导向柱、槽密封盖、背隔板、滑块、滚珠丝杠导轨、联轴器、直流步进电机、排水管、排水阀等零部件组成。其工作原理是装在清洗装置内部的承物平台，在电路控制直流步进电机旋转带动滚珠丝杆，使滑块带着承物平台实现上下往复升降运动[3]，摆放在承物平台上并浸泡在清洗剂中的成型件随着承物平台做上下往复升降运动，达到清洗目的，实现清洗效果，而反复利用后的废弃清洗剂可以通过排水管排出。清洗装置内部结构图如图2所示。

图2 清洗装置内部结构图

内部结构中有承物平台，漏水孔可在平台运动的过程中将清洗溶剂漏出，减小运动阻力，而导向孔可与其导向柱相配合起到平台导向作用，同时可减小平台的扭动，提高稳定性。整个承物平台的运动则通过连接杆体与滚珠丝杆上的滑块相连，起传动运动作用。承物平台结构如图3所示。

1.2 机电控制部分

（1）主控芯片

STM32系列处理器是ST公司新推出的一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的处理器。本设计选用STM32系列的STM32F103ZET6作为主控处理器，拥有高性能的ARM®Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设等，且性价比高，适用于本设计的主控处理器[4]。STM32F103ZET6最小系统电路图如图4所示。

图3 承物平台结构图

图4 STM32F103ZET6最小系统电路图

（2）电路控制

电路控制主要由主控处理器、OLED显示、按键控制、步进电机及其驱动等部分组成。其工作原理是主控芯片引脚控制输出脉冲宽度调制(PWM）信号[5]，利用步进电机驱动器将电脉冲信号转变为角位移以及功率放大的特点，步进驱动器每接收到一个脉冲信号，驱动器就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，步进电机旋转带动滚珠丝杆转动，从而控制承物平台的上下往复升降运动；同时通过控制输出脉冲个数与脉冲频率来控制角位移量和电机转动的速度，使承物平台在上下升降运动中达到准确定位以及限定范围的上下微动[6]，达到清洗目的。步进电机驱动接线原理图如图5所示；直流步进电机控制系统总体框图如图6所示。

图5 步进电机驱动接线原理图

图6 直流步进电机控制系统总体框图

清洗装置通过按键控制成型件的清洗时间、清洗起始以及中断[7]，OLED显示模块可显示设置菜单以及实时反应清洗时间进程[8]，从而实现清洗装置的可控调节。OLED显示模块原理图如图7所示；按键控制模块图如图8所示。

图7 OLED显示原理图

2 设计效果及制作实物

图8 按键控制模块图

本清洗装置制造成本低、结构简单、操作方便，可大大减少人员的工作量，提高清洗效率。图9所示为激光立体光固化3D打印成型件清洗装置模型图；图10所示为激光立体光固化3D打印成型件清洗装置平面投影图；图11所示为第一代功能实现实物图；图12所示为第一代功能实现实物俯视图。

图9 激光立体光固化3D打印成型件清洗装置模型图

图10 激光立体光固化3D打印成型件清洗装置平面投影图

图11 第一代功能实现实物图

图12 第一代功能实现实物俯视图

3 结束语

反复试验结果表明，该装置可有效解决激光立体光固化3D打印成型件后期清洗人工效率低、工作量较大的问题。装置结构简单、制造成本较低、操作简易、自动化程度高，提高了清洗溶剂的利用率，避免人工清洗挥发清洗溶剂对操作者带来的健康隐患。同时，该装置具有创新性，获得了“一种用于激光立体光固化3D打印成型件的清洗装置（专利号：ZL201820728892.0）”授权实用新型专利1项。