基于树莓派的光固化3D打印机的设计与实现

汪家祥 林晓斌

摘  要： 3D打印牙齿模型时，对3D打印技术的打印精度要求高，打印成本高昂。LCD光固化技术凭其高精度，高速度和结构简单的优点脱颖而出。基于DLP技术，以LCD屏为透光屏，树莓派为控制核心，控制有效直径为300mm的步进电机。通过搭建硬件系统并研发软件系统，实现了基于树莓派的光固化3D打印机。应用结果表明，该3D打印机不仅保持了较快的打印速度和较高的打印精度，还降低设备生产成本，有着良好的应用前景。

关键词： 3D打印技术; LCD光固化技术; DLP技术; 树莓派; 步进电机

中图分类号：TP334.8          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）10-37-03

Abstract： When print tooth model with 3D printing， the requirement of printing accuracy is high， resulting in an expansive printing cost. LCD light curing technology stands out with its advantages of high precision， high speed and simple structure. Based on DLP （Digital Light Processing） technology， with LCD screen as the transparent screen， and Raspberry PI as the control core， the control to a stepper motor with an effective diameter of 300mm is designed. By building the hardware system and developing the software system， the 3D light curing printer based on Raspberry PI is realized. Application results show that the 3D printer not only maintains a faster printing speed and a higher printing accuracy， but also reduces the production cost， and has a good application prospect.

Key words： 3D printing technology; LCD light curing technology; DLP technology; Raspberry PI; stepper motor

0 引言

20世纪3D打印技术诞生[1]，经过多年的探究與发展，3D打印技术所使用的材料越来越多，打印精度也越来越高，应用范围也在逐步扩大[2]。在3D打印机的发展历程中，使用LCD技术作为透光技术的光固化打印技术开始脱颖而出，凭其高精度，高速度和结构简单的优点逐渐成为3D打印机的主流。光固化快速成型所用的原料是液态光敏树脂，用紫外光束照射液态光敏树脂，使其有序固化，逐层叠加成型[4]。数字光处理技术（Digital Light Processing，DLP）是一种背投电视中与投影仪的显像技术，采用分辨率较高的数字光处理器照射液态光聚合物，逐层片状光固化，直至完成最终模型[4]。本文设计实现的基于树莓派的光固化3D打印机是在DLP技术的基础上以LCD屏为透光屏，树莓派为控制核心，波长405mn的紫外UV灯为光源，通过USB线连接3D打印机主板MKS-MINI和树莓派对有效直径为300mm的步进电机进行控制设计，实现了3D打印机系统框架、运动模块、光源固化控制。在硬件系统的基础上研发相配套的软件系统，可初始化3D打印机各个部件并进行相关的数据处理。对牙齿模型进行3D打印实验，实验结果表明设计实现的基于树莓派的光固化3D打印机不仅保持了较快的打印速度和较高的打印精度，还显著降低设备生产成本，有着良好的应用前景。

1 LCD光固化技术

LCD光固化技术[5]是用 LCD屏代替DLP技术所使用的光源，即采用UV光作为光源，上位机操控LCD屏生成实物打印模型的每层图像，成型的部分标记为白色，空白的部分标记为黑色。LCD屏偏振成像的原理使UV光通过白色部分照射到光敏树脂材料进行固化，黑色部分阻断UV光源，阻止多余的曝光。采用LCD成型原理可以弥补DLP结构的缺陷，其优点如下。①高精度，可达到100微米的平面精度，具体取决于所采用的屏幕像素。②高光源利用率，目前大多数光明树脂的固化波段是405nm波段的UV光，可全部使用。③价格低廉，相较于前代技术，性价比极其突出。④结构很简单，组装和维护容易。⑤树脂通用，采用405nm UV光可兼容所有DLP类的树脂或大部分光固化树脂。⑥面成型光源可同时打印多个模型。

2 基于树莓派的光固化3D打印机的设计与实现

基于树莓派的光固化3D打印机由硬件系统和软件系统两个部分组成，硬件系统是以树莓派为控制核心，由步进电机模块、TF卡模块、图像输出模块、供电电源模块和路由器ip固定模块五个部分组成。在硬件系统的基础上研发相配套的软件系统，可初始化3D打印机各个部件并进行相关的数据处理。

2.1 硬件系统

光固化3D打印机系统结构有两种，分别是：振镜上置式和振镜下置式。两者的区别在于振镜上置式是把光敏树脂放在上方，而振镜下置式是把光敏树脂放在下方。目前，大多数光固化3D打印机采用振镜下置式系统结构，本文设计研发的基于树莓派的光固化3D打印机也采用振镜下置式系统结构，由步进电机滑轨、打印平台、料槽和光源振镜四部分组成，步进电机滑轨的功能是控制步进电机打印过程中的运动，打印平台用于激光固化后凝固光敏树脂成型，料槽的功能是对光固化树脂进行存放，光源振镜作为3D打印机的激光光源。振镜下置式光固化3D打印机系统结构图如图1所示。

基于树莓派的光固化3D打印机以树莓派为控制核心，主要负责3D模型的导入，切片图像的输出，G代码的输出，以及各个重要配件相连通的功能。选用树莓派3B+开发板，它是2018年推出的新型树莓派开发板，性能更好、功耗更低、使用寿命更长，较第四代也更为稳定。由步进电机模块、TF卡模块、图像输出模块、供电电源模块和路由器IP固定模块五个部分组成，其模块框图如图2所示。

⑴ 步进电机模块 步进电机模块是3D打印机最重要的模块，其控制3D打印机X，Y，Z轴运动，限位开光接口和灯光。将集Ramps和步进电机驱动HR4988于一体的MKS-MINIV2.0主板作为步进电机主板，其优势在于集成了如下功能：驱动电机，控制散热风扇，控制光源，接口简易，数据传输方便和可以同时支持12V与24V电源。选择Marlin固件作为开源的3D打印机源代码，其配置方式兼容于Ramps的配置方式，也是本研究選择该主板的重要原因。在3D打印机中，它作为3D打印机的下位机操纵步进电机与上位机树莓派相连，并且对步进电机、限位开关和UV光源进行直接控制。通过树莓派发送3D模型切片后生成的G代码给MKS-MINI主板驱动步进电机，并用强大的Arduino平台将marlin固件烧录进MKS-MINI主板，使其识别G代码并生成相应的信号控制接口上的器件。使用步进电机操纵Z轴运动，步进驱动器会被施加一个脉冲信号，驱动步进电机按设定的方向转动一个步进角，此种方式可先将3D打印转化为XY平面内的2D打印，然后步进电机操纵Y轴运动将XY平面内的2D打印转化为多条直线上的一维打印。驱动电机控制打印喷头在X，Y，Z三个轴运动，用所控制的脉冲个数来控制角位移量，以便精确定位，且可控制脉冲频率操纵电机转动的加速度和速度调整速度。

⑵ TF卡模块 树莓派需linux系统才能正常运行[6]，需要将linux系统烧写入树莓派。树莓派官网提供了免费的linux系统镜像，将树莓派自带TF卡插入TF卡读卡器，下载并打开镜像烧写工具“WIN32 Diskemager”，选择镜像文件的路径，点击按键“Write”，将已经下载好的树莓派linux系统镜像文件raspbian-stretch.img烧写进TF卡中，烧写完成后，将TF卡插入树莓派，用HDMI转VGA线将树莓派与计算机相连接，启动树莓派，正常显示树莓派的系统界面即烧写成功。此外还需下载用于光固化3D打印机G代码操作和M代码操作特有的Nanodlp系统。

⑶ 图像输出模块 LCD屏幕采用分辨率为1440*2560的夏普5.5寸2K屏。LCD屏幕的高分辨率有助于提高3D打印成品的精度，从而提高3D打印质量。树莓派没有提供2K屏对应的接口，需要使用HDMI转接口对LCD2K屏转接，此外还需驱动板驱动2k屏，否则无法使用。

⑷ 供电电源模块 树莓派所采用的供电方式为5V/2.5A的USB3.0线连接，因此需要使用220V的交流家庭电压作为总电压和5V/3A的USB3.0电源线作为电源接口，以此保证树莓派的供电稳定和系统稳定的运行。

⑸ 路由器IP固定模块 修改树莓派IP地址以保证直接访问树莓派的IP地址对Nanodlp图形界面进行操作。使用串口线对路由器IP地址进行固定的设置如下：浏览器打开路由器的IP地址设置界面，用串口线将树莓派和路由器相连，树莓派地址信息就会显示在路由器上，直接对树莓派地址信息进行修改，修改/etc/dhcpcd.conf文件设置，找到并打开/etc/dhcpcd.conf文件，通过修改语句“iface eth0 inetdhcp”为“iface eth0 inet static”将IP地址设置为静态IP地址，然后利用“address 192.168.1.201”等命令固定IP地址，最后设置树莓派桌面，进入树莓派桌面，右击菜单栏的网络图标，打开“Wireless & Wired Network Settings”进行修改设置。

2.2 软件系统

在硬件系统的基础上研发相配套的软件系统，可初始化3D打印机各个部件并进行相关的数据处理。软件系统先通过SPI接口读取SD卡中的配置文件对各个部件初始化，然后检测断电寄存器中是否有打印记录，若有接着记录位置继续打印，若无检测是否有数据通过USB接口获取上位机所发送的数据，如果接收到上位机所发送的数据，数据将被保存在串口接收缓存区，反之，获取SD卡中的打印数据文件同时保存至SD卡技术缓存区，最后处理数据，如果超过30秒无数据需要处理，结束程序控制功能，关闭步进电机。

2.3 测试结果

设计实现的基于树莓派的光固化3D打印机大小约为25*25*55cm的长方体，分成上下两层，中间的隔离板采用不透光的铝合金。上层是3D打印机的打印区域，3D打印工作器件如料槽、打印平台、步进电机、LCD 2K屏等都设置在这层，下层是3D打印机的控制区域，放置控制3D打印机运行的配件，如控制步进电机的3D打印机主板MKS-MINI，整个3D打印机的“大脑”树莓派和36W的UV紫外光源等。外界光会影响UV紫外光源，导致打印速度加快，应在下层使用遮光纸将尽可能隔离外界光。基于树莓派的光固化3D打印机成品图如图3所示。对牙齿模型进行3D打印实验，实验效果图如图4所示。

3 结束语

本文设计实现了基于树莓派的光固化3D打印机。用该三维打印机打印牙齿模型，提高了打印牙齿模型的精度，同时降低生产成本。下一步将通过改进步进电机的性能进行更深入的探究。3D打印技术融合了智能制造技术，控制技术，材料技术和信息技术等多种技术，被广泛地应用于各个行业，推向更加广阔的发展平台。3D打印技术的未来发展趋势将呈现精密化、智能化、便捷化以及通用化。

参考文献（References）：

[1] 路依丹.3D打印技术以及产业前景[J].科学咨询（科技·管理），2019.1：151

[2] 张学军，唐思熠，肇恒跃等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016.44（2）：122

[3] 范哲超，丰洪微，陈磊，徐国庆，白蕊.基于DLP技术光固化3D打印系统研究与实践[J].铸造技术，2018.39（3）：585

[4] 张超，马文茂.DLP光固化3D打印关键技术研究[J].航空科学技术，2018.29（4）：47

[5] 张晶，王阳萍.基于Cortex-M3和树莓派的FDM双色3D打印机设计[J].电子制作，2017.9：28

[6] 丁承君，韩承都.基于STM32的光固化3D打印机控制系统设计[J].制造业自动化，2018.40（6）：118