多色光敏樹脂 3D 打印機的設計與實現(xiàn)

來源：DLP投影

摘要: 針對當前以液態(tài)光敏樹脂為原料的立體快速成形技術來實 3D 打印實現(xiàn)多色打印和原料回收問題,，對光敏樹脂的成形方式和 固化機理進行分析,，對立體光固化成型( SLA) 技術和數(shù)字光處理( DLP) 技術進行了深入研究,，提出了一種基于 DLP 技術的多色光 敏樹脂 3D 打印機，詳盡論述了高分辨率 DLP 投影儀的工作原理和電路設計,，給出了一個 4 色光敏樹脂 3D 打印的整體解決方案,，并設計了打印原料的自動回收裝置。研究結果表明: 采用 DLP 技術的光敏樹脂 3D 打印比 SLA 技術的打印速度要快得多,，同時滿 足高分辨率 3D 打印的要求; 采用基于 DLP 技術的多色光敏樹脂能實現(xiàn)多層顏色打印以及原料自動回收的功能,，滿足快速成型制 造技術的要求，實現(xiàn)了 3D 打印智能化和自動化,，達到了預期的目標,。

液態(tài)光敏樹脂為原料的 3D 打印機是基于光敏樹脂在紫外( UV) 光下固化的 3D 打印技術，其固化快 速,、成型精度高,、表面光潔好、物件機械強度高,、具有類ABS 性能特點,，適用于主流快速成型設備。光敏樹脂 一 般 為 低 粘 度 的 液 態(tài) ,，常 用 于 制 作 高 強 度 ,、耐 高 溫 、防水等材料,。光敏樹脂由聚合物單體與預聚體組成,，其 中加紫外光引發(fā)劑( 或稱為光敏劑) ，在一定波長( 250 nm ~ 400 nm) 的紫外光波長照射下立刻引起聚 合反應,，即完成固化[1],。

光敏樹脂是一種既古老又嶄新的材料，與一般固 化材料比較,，光固化材料具有下列特性:
( 1) 固化速度快,，可在 4 s ~ 10 s 內(nèi)固化，可應用于 要求立刻固化的場合;
( 2) 不需要熱源,，不存在溫控問題;
( 3) 可配制多種顏色,，實現(xiàn)多色打印。近年來光敏樹脂在 3D 打印機上得到廣泛的應用,，但幾乎都為單色打印[2] ,。 本研究將利用已調顏色液態(tài)光敏樹脂為原料以實現(xiàn)多色打印，使光敏樹脂 3D打印機錦上添花,。

1,、光敏樹脂 3D 打印機原理
根據(jù)所采用光源的不同，光敏樹脂 3D 打印機可分為 SLA 和 DLP 兩種數(shù)字光處理機器,。


1.1 SLA技術
立體光固化成型技術的光源來自 UV( 紫外光)激光器,。激光光束通過數(shù)控裝置控制振鏡掃描,，按 設計的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面 特定區(qū)域內(nèi)樹脂固化,。每當一層加工完成后,，生成 物件的一個截面，然后升降臺下降一層距離,，固化層 上覆蓋另一層液態(tài)樹脂,，再進行下一層掃描。后一 固化層牢固地粘結在前一固化層上,，逐層疊加而成 三維工件原型,。

SLA 技術采用的是激光照射光敏樹脂的方式，激 光頭依照模型切片生成的 G 代碼,，從點到線再到面,，順序掃描每一層模型切面，被激光照射到的光敏樹脂 迅速固化,，但 SLA 每層需要由刷板將液態(tài)樹脂刮均 勻,。為了實現(xiàn)高速掃描，激光經(jīng)激光器產(chǎn)生經(jīng)過 X,、Y兩個方向的振鏡依次反射,，再照射到樹脂表面。SLA的特點是成型精度高,，大部分的高精度工業(yè)級光固化 機器都是采用 SLA,。由于 SLA 打印技術類似于 FDM型 3D 打印技術，每一層成型過程都是走軌跡的逐點 固化,，速度比較慢,。

1.2 DLP技術
數(shù)字光處理技術 3D 打印機的光源是來自投影 儀。投影儀每次將一個模型的切面作為平面圖像照射到液態(tài)樹脂上使之固化,，利用這種方式每次成型一 個面,，打印時間只取決于要打印物件的層高，因此打印工程第34 卷速度要比 SLA 快,，采用這種方式可實現(xiàn)小批量快速成型生產(chǎn),。

DLP 式 3D 打印機又分為上投式和下投式,，上投式 3D 打印機 DLP 投影儀在物件上方,，與 SLA 3D 打 印機結構相似，不過就是由 DLP 投影儀取代上方的 激光器及振鏡裝置,。下投式即投影儀在下方,，樹脂 槽底部透明，內(nèi)側覆蓋離型膜或者硅膠,，以避免物件 粘結在槽里,。每固化一層后,，可升降構建臺提升一 個層厚的距離。為了能夠充分離型以及底部補充樹 脂,，一般采用先升再降的方式,，例如，以 0. 1 mm 層厚打印,，先抬高5 mm,，再下降 4. 9 mm。下投式 DLP 打印機的離型膜或硅膠多次使用后也會損耗,，因此也 屬于耗材,。

而上投式的優(yōu)點是沒有離型問題，每次成型面均 在液面,，成型后模型浸在樹脂內(nèi),。樹脂表面張力會影 響成型層厚及成型效果，因此工業(yè)級的 DLP 會多一個 刮板裝置,。每次成型平臺下降時,，刮板都會將液面刮 平，以減小樹脂表面張力的影響,。

2,、DLP 投影儀
傳統(tǒng)的投影儀多半采用 LCD 技術，它是利用液 晶的電光效應,，通過電路控制液晶單元的透射率及 反射率,，從而產(chǎn)生圖像。LCD 投影機的主要成像器 件是液晶板,，如果將 LCD 投影儀用于光敏樹脂的 3D打印機,，存在分辨率低，體積大和燈泡壽命短等問 題,。而目前 DLP 投影儀是目前體積小分辨率極高的 投影儀,，非常適合平面光固化 3D 打印，DLP 投影技術是應用了數(shù)字微鏡器件( digital micro-mirror de-vice,，DMD) 來做主要關鍵元件以實現(xiàn)數(shù)字光學處理過程,。

2.1 DMD器件
DLP 投影機是采用光學數(shù)字化反射式的新型設 備，DLP 投影機的關鍵成像器件 DMD 是在 1987 年由TI 公司的 Dr HORNBECK L 發(fā)明的,。DMD 是通過二位元脈沖控制的半導體器件,，該器件具有快速反射式 數(shù)字開關性能，能夠準確控制光源,。其基本原理是,，光 束再投射在 DMD 部件上，控制微鏡偏轉角,，將需要發(fā) 光像素投射到屏幕上,，不需要發(fā)光的像素反射到光吸 收板上,。二位元控制的微鏡如圖 1 所示。

圖 1：二位元控制的微鏡

在 DMD 裝置中每個微鏡都有一個復雜的微機電 控制裝置,，包括偏轉支架,，鉸鏈和彈簧等。每個微鏡下方有兩個電極,，通過施加到電極上的電壓控制微鏡± 12°角兩個位置偏轉,，因此在微鏡的電極上，通過電 壓控制微反射鏡偏轉,，獲得了高精度的控制能力和無 限的偏轉壽命,。一片 DMD 以矩陣分布安裝了多達200 多萬個正方形的微反射鏡，微鏡的大小相當于頭 發(fā)絲的 1 /10,，每一個微鏡都對應著生成圖像的一個像素,，微鏡數(shù)目決定了一臺 DLP 投影機的物理分辨率。

2. 2 微反射鏡工作原理
在 DMD 芯片,，微反射鏡是其最小的工作單位,，微 反射鏡主要作用反射光線，其偏轉角度達 + / - 12°,。微反射鏡的工作示意圖如圖 2 所示,。

圖 2：微反射鏡工作示意圖

在微反射鏡開啟狀態(tài)( + 12°) 時，入射光線( 光 源) 的入射角達到 12°,，反射角亦達 12°,，兩者相加是24°。微反射鏡將光源的入射光絕大部分反射到投影 透鏡,，此時光能最大; 若微反射鏡偏向關閉( - 12°) 狀 態(tài)時,，此時微反射鏡將入射光絕大部分反射到吸光板，投影透鏡上的光能非常小,，亮度最低,。由此可見一塊 僅能提供 + / - 12°偏轉的微反射鏡，而實際情況卻提 供 72°的工作范圍,，再考慮到微反射鏡是通過電極控 制的,、可視為能實現(xiàn)無級翻轉，進而在單個像素內(nèi)提供 極高的亮度控制范圍,，能輕松實現(xiàn)高對比度[3],。

2. 3 DLP 投影儀系統(tǒng)結構
位于 DMD 芯片內(nèi)部海量的微反射鏡，這些微反 射鏡是依靠電極來控制的,，電極則是底層 CMOS 控制 電路和鏡片復位信號的二進制狀態(tài)進行單獨控制的,，在 16 個單獨的復位塊中驅動,，可進行全局尋址或一次尋址一個,。

TI 公司還專門為 DMD 器件提供了實現(xiàn) DLP 投影儀的系統(tǒng)設計方案[4],。例如，TI 公司的 DLP4500FQE是一個 WXGA 分辨率( 1 280 × 800) 的數(shù)字微鏡器件DMD,，亮度高達 500 流明,，24 位 DDR( 雙數(shù)據(jù)速率) 數(shù) 據(jù)總線，80 MHz ~ 120 MHz 輸入數(shù)據(jù)時鐘速率,，內(nèi)部集 成微鏡驅動電路,。TI 公司還為該 DMD 器件提供了控制器 DLPC350，它是專門為 DLP4500 數(shù)字微鏡器件( DMD) 提供的數(shù)字控制器,。DLPC350 控制器為 DMD間提供一個便捷的,、多功能接口，該接口可實現(xiàn)高速數(shù) 據(jù)傳輸,，以及 LED 控制和用于多輸入格式的數(shù)據(jù),。

DLPC350 數(shù)字控制器的特性如下:
( 1) 具有 DLP4500DMD 分辨率( 912 × 1140) 相容高速圖形顯示。高達 4225 Hz 的二進制圖形速率高達 120 Hz 的 8 位灰度圖形速率;與微反射鏡 1 對 1 的輸入映射;多位深度和樣式序列中的發(fā)光二極管( LED) ,。
( 2) 與照相機和傳感器的輕松同步,。兩個可配置輸入觸發(fā)器;兩個可配置輸出觸發(fā)器;4 個完全可編程通用輸入輸出( GPIO)信號。
( 3) 32 KB 內(nèi)部 RAM 用于圖形處理,。存儲高達48 個1 位樣式;無需外部易失性存儲器;支持高達 64 MB 閃存,，用于增加樣式存儲能力。
( 4) 多個配置接口,�,；��� USB 的 API 和主機 GUI;兩個I2C端口;LED 脈寬調制( PWM) 發(fā)生器。
( 5) 視頻投影運行模式,。10 Hz ~ 120 Hz 全彩色幀速率;YUV,，YCrCb 或 RGB 輸入數(shù)據(jù)格式;寬范圍視頻處理能力。
( 6) 集成微鏡驅動器,。
( 7) 集成時鐘生成,。由 DLPC350 構成的 DLP 投影儀電路原理如圖 3所示。

圖 3：DLP 投影儀電路原理圖

3,、多色 3D 打印的實現(xiàn)
目前,，已有可調色光敏樹脂材料，而具備 5 種顏色的光敏樹脂材料,，將會被用戶根據(jù)需要調成喜歡的顏色,，現(xiàn)在已經(jīng)有 Cyan( 青色) 、Magenta( 洋紅) ,、Yellow( 黃色) ,、Black( 黑色) 光敏樹脂材料已經(jīng)在出售。

要實現(xiàn)多色打印，一種簡單的方案就是采用多個不同顏色的光敏樹脂液槽,。例如,，實現(xiàn) 4 種不同顏色 打印，在可旋轉的“十”字架上安裝 4 個液態(tài)光敏樹脂 槽,，分別用于盛不用顏色的液態(tài)光敏樹脂,，4 色打印原 理圖如圖 4 所示。

圖 4：4 色打印原理

當一種顏色的材料打印完成后,，通過馬達驅動,，裝 有另一種材料的樹脂槽就會轉動到構建臺的下方，接 替先前的材料繼續(xù)接受投影儀的照射從而讓打印作業(yè) 繼續(xù)進行,。

為了使每個樹脂槽都能旋轉到構建臺下方的正確 位置,，可轉動的“十”字架上有4個定位小孔，并將“十”字架 4 空隙部分用金屬板遮擋,，利用紅外線光源 透過定位孔使下方的紅外光敏管接收到紅外光來判斷 樹脂槽是否到位,。單片機控制器在驅動步進電機的同 時，不斷檢測光敏管的信號,，若接收到了紅外光表示樹 脂槽已到位,，停止步進馬達轉動。采用紅外光檢測方法,，是為了避免可見光的干擾,。通過使用這一方法，最 終實現(xiàn)樹脂槽無障礙自動更換,。

采用可旋轉“十”字液槽結構能實現(xiàn)層間不同顏色的打印,，且結構簡單，工作穩(wěn)定可靠,。但是,，當在不用顏色槽之間進行切換時，由于成型物體表面附著有 上一個槽的液體,，會帶到下一個液槽中,，從而造成顏色 污染。為了克服顏色污染問題,，對于小尺寸的 3D 打 印機可在頂部支架上增設一個可旋轉的氣壓噴嘴,，當 進行槽切換時，將物件從上一個槽中提起,，氣壓噴嘴對 成型物件周圍進行氣體噴氣清潔,，然后在移到下一個 槽中繼續(xù)打印。

4,、液態(tài)樹脂自動回收裝置
由于預先放置的光敏樹脂的量往往難以精確估 計,，如果光敏樹脂預先放置過多時,，容易造成浪費; 如 果放置過少，造成不足[5-6],。
為了避免浪費,，本研究設計了一種液態(tài)樹脂自動回收裝置[7]，如圖5所示,。

光敏樹脂智能控制裝置由液態(tài)光敏樹脂儲液罐、加液閥門,、U 型管液位檢測,、氣體壓力傳感器、回收樹 脂抽液泵以及單片機控制器組成[8],。

打印機的液態(tài)光敏樹脂槽中的液態(tài)樹脂由儲液罐 中的液態(tài)光敏樹脂供給,，只要單片機使加液閥門打開，即對打印機液態(tài)樹脂槽加液,，液態(tài)光敏樹脂槽中的液 態(tài)樹脂同時也通過 U 型罐流向氣體壓力傳感器,，氣體壓力傳感器感應到的壓力正比于液態(tài)光敏樹脂槽中的 液態(tài)樹脂高度。與此同時,，單片機控制器將根據(jù)氣體 壓力傳感器檢測到的壓力來控制光敏樹脂的量,，當加 進液態(tài)光敏樹脂槽中的液態(tài)樹脂到達指定量時，由單 片機輸出關閉加液閥門的信號,，使閥門關閉,，停止加液。

當打印完成后,，液態(tài)光敏樹脂槽中剩余的液態(tài)樹 脂由 U 型管下方的回收樹脂抽液泵抽取到儲液罐,，避 免浪費�,；厥諛渲�抽液泵也由單片機控制,，同理單片 機是根據(jù)氣體壓力傳感器檢測到的壓力來判斷剩余的 液態(tài)樹脂是否抽完。

5,、結束語
近年來,，我國 3D 打印技術及設備開發(fā)已取得較 大進展，但與發(fā)達國家相比尚存在一定的差距,，主要表 現(xiàn)在: 高精度 3D 打印技術比較薄弱,、成型材料種類 少[9]、彩色 3D 打印仍然不能滿足需求[10],。

本研究就多色光敏樹脂 3D 打印機的核心技術 作精辟的論述,，特別是采用高分辨率 DLP 投影儀實 現(xiàn)快速打印的技術、液態(tài)光敏樹脂實現(xiàn)多色打印的 方法,、如何克服各顏色之間的污染問題以及剩余液 態(tài)樹脂的自動回收裝置進行了深入的研究,，真正實 現(xiàn)了智能化的多色 3D 打印,，旨在對彩色 3D 打印技 術的研究起到指導作用，加速推動彩色 3D 打印技術的發(fā)展,。

參考文獻( References) :
[1] 邵中魁,，姜耀林. 光固化 3D 打印機關鍵技術研究[J]. 機 電工程，2015,，32( 2) : 180-184.
[2] 郭天喜,，陳遒.用于光固化三維快速成型(SLA)的光敏 樹脂研究現(xiàn)狀與展望[J]. 杭州師范大學學報: 自然科學 版，2016,，15( 2) : 143-147.
[3] 方浩博,，陳繼民. 基于數(shù)字光處理技術的 3D 打印技術[ J ] . 北 京 工 業(yè) 大 學 學 報 ，2 0 1 5 ,，4 1 ( 1 2 ) : 1 7 7 5 - 1 7 8 2 .
[4] TI. DLP4500 3D 打印機解決方案[J]. 世界產(chǎn)品與技術,，2 0 1 5 ( 8 ) : 8 -1 1 .
[5] 陽賀生，趙文豪,，宋杰,，等. 基于乏臂并聯(lián)結構的桌面3 D 打 印 機 [ J ] . 機 械 ，4 2 ( 2 ) : 3 6 - 4 0 .
[6] 金嘉琦,，宋君峰,，孫 鳳，等. 立體光固化成型技術的節(jié)材研究[J] . 機械工程師,，2015(8):123-126.
[7] 楊文龍. 光敏樹脂 3D 打印機控制裝置[P]. 中國:20692113. 7,，2016-7-2.
[8] 楊文龍. 單片機原理及應用系統(tǒng)設計[M]. 北京: 清華大學出版社，2011.
[9] 朱 珠,，雷 林,，羅向東.含能材料3D打印技術及應用 現(xiàn)狀研究[J]. 兵工自動化，2016,，35( 6) : 52-55,，70.
[10] 何岷洪，宋 坤,，莫宏斌,，等. 3D 打印光敏樹脂的研究進展 [ J ] . 功能高分子學報 ，2015,，28(1):102-108.