基于LCD屏的光固化3D打印機(jī)設(shè)計(jì)*

陳韻律，安芬菊，廖小龍，張敬軒，涂桂根，何偉宇

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

3D打印技術(shù)的面世是從光固化技術(shù)（激光掃描）立體光刻技術(shù)開(kāi)始的，第一代是利用紫外激光（355 nm 或405 nm）為光源，用振鏡系統(tǒng)控制激光掃描路徑，選擇性地固化液體樹(shù)脂的SLA 立體光固化成型技術(shù)；第二代是利用紫外激光（405 nm）為光源，選擇性地將面光源投射到液態(tài)樹(shù)脂，使之固化的DLP 數(shù)字光投影技術(shù)。目前，光固化打印技術(shù)主要是采用DLP 數(shù)字光投影和SLA 立體光固化成型這兩種技術(shù)，而LCD屏光固化3D打印技術(shù)是利用紫外光作為光源代替DLP技術(shù)的激光光源，是起步較晚，處于萌芽階段的一項(xiàng)新技術(shù)，因此進(jìn)行基于LCD屏的光固化3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與研究，有助于了解LCD光固化成型技術(shù)，促進(jìn)LCD光固化3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

1 LCD屏光固化3D打印設(shè)計(jì)原理

LCD 屏光固化3D 打印機(jī)的原理是利用UV 燈透過(guò)LCD 屏，將對(duì)應(yīng)的三維模型分層后得到的二維截面圖形投影在光敏樹(shù)脂底部，被照射到光敏樹(shù)脂材料上后，發(fā)生光聚合反應(yīng)，進(jìn)而形成三維實(shí)物制品的一個(gè)薄層，首層光固化完成后，成型平臺(tái)向上移動(dòng)一個(gè)層厚的距離（一般為0.1 mm），完成一個(gè)薄層的打印。依次逐層打印，后一層粘附在前一層的基礎(chǔ)上，直到完全打印出實(shí)物制品[1-2]。成像原理如圖1所示。

圖1 成像原理圖

2 LCD屏光固化3D打印機(jī)組成

LCD 屏 光 固 化3D 打印機(jī)主要由LCD屏幕成像固化系統(tǒng)、機(jī)械部分和控制部分組成，實(shí)現(xiàn)三維模型固化產(chǎn)生實(shí)體模型的功能。圖2 所示為L(zhǎng)CD 屏光固化3D 打印機(jī)三維設(shè)計(jì)示意圖。其中LCD屏幕成像固化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液態(tài)光敏樹(shù)脂的固化。機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)成型平臺(tái)沿Z軸運(yùn)動(dòng)；控制部分實(shí)現(xiàn)控制LCD屏顯示、UV燈亮滅以及成型平臺(tái)Z軸運(yùn)動(dòng)。

圖2 LCD 屏光固化3D 打印機(jī)三維設(shè)計(jì)示意圖

2.1 LCD屏成像固化系統(tǒng)

LCD屏成像固化系統(tǒng)包括UV燈、散熱器、聚光罩、去背光板LCD 屏、離型膜、樹(shù)脂槽等零件組成。選用功率30 W、波長(zhǎng)為401～415 nm 的UV 燈作為光源[3]，通過(guò)聚光燈罩，投射在去背光板的LCD屏后面。選用5.5寸LS055T1SX04液晶屏幕作為顯示組件，利用LCD 屏選擇透光性，把聚光罩中的紫光選擇性地通過(guò)LCD 屏投射到液態(tài)光敏樹(shù)脂上。離型膜充當(dāng)樹(shù)脂槽底部，便于成型件脫離LCD屏。

2.2 機(jī)械部分

機(jī)械部分由機(jī)身、成型平臺(tái)Z軸升降機(jī)構(gòu)、成型平臺(tái)的機(jī)械調(diào)平機(jī)構(gòu)等部件組成。

機(jī)身選用HD-6-2020鋁型材，鋁型材組成邊長(zhǎng)245 mm的正方形框架，正方形框架為L(zhǎng)CD 屏幕成像固化系統(tǒng)、控制部分提供支承。

成型平臺(tái)Z軸升降機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠帶動(dòng)螺母的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)成型平臺(tái)Z軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度控制的同時(shí)，兼具運(yùn)動(dòng)可逆性、高效率的特點(diǎn)。成型平臺(tái)Z軸升降機(jī)構(gòu)如圖3 所示，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母通過(guò)螺母套塊連接滑塊，滑塊安裝在導(dǎo)軌上。導(dǎo)軌的主要作用為約束成型平臺(tái)運(yùn)動(dòng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)1 周，上面的螺旋副將會(huì)推動(dòng)螺母前進(jìn)1個(gè)導(dǎo)程的距離。這里選用HD-6-2080 鋁型材安裝Z軸升降機(jī)構(gòu)。

圖3 絲桿螺母-滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)

成型平臺(tái)的機(jī)械調(diào)平機(jī)構(gòu)由平臺(tái)安裝梁、調(diào)平塊以及成型平臺(tái)組成懸臂梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)成型平臺(tái)的調(diào)平，讓成型件第一層均勻牢固地粘連在成型平臺(tái)上。調(diào)平塊上開(kāi)有4個(gè)跑道型的螺栓孔，平臺(tái)安裝梁上的4顆螺栓可在孔內(nèi)活動(dòng)。當(dāng)成型平臺(tái)下降到完全貼合離型膜時(shí)，旋緊4 顆調(diào)平螺母實(shí)現(xiàn)成型平臺(tái)的機(jī)械調(diào)平，貼緊下方離型膜后鎖緊4顆調(diào)平螺母，如圖4 所示，使成型平臺(tái)較好貼合下方離型膜。

圖4 成型平臺(tái)機(jī)械調(diào)平機(jī)構(gòu)

2.3 控制部分

（1）主控系統(tǒng)

選用Raspberry Pi 4B作為該打印機(jī)的主控系統(tǒng)，Raspberry Pi 4B 主控是由英國(guó)Raspberry Pi 基金會(huì)開(kāi)發(fā)的一款基于ARM 的微型電腦主板，其內(nèi)存硬盤(pán)采用SD/MicroSD 卡，鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和網(wǎng)線(xiàn)都可以連接，擁有視頻模擬信號(hào)的HDMI輸出接口[4]。Raspberry Pi 4B 微型電腦在運(yùn)算能力上可滿(mǎn)足各類(lèi)模型切片需求，Raspberry Pi 4B與其他嵌入式控制器相比，不僅可以完成相同的I/O引腳控制，還能運(yùn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)，其運(yùn)算能力快，能夠滿(mǎn)足復(fù)雜模型切片的任務(wù)。圖5 所示為Raspberry Pi 4B引腳圖，圖6所示為HDM輸出接口原理圖。

圖6 HDMI輸出接口原理圖

（2）LCD屏驅(qū)動(dòng)

LCD屏的驅(qū)動(dòng)采用HDMI轉(zhuǎn)MIPI驅(qū)動(dòng)板來(lái)實(shí)現(xiàn)。Raspberry Pi 4B上安裝并運(yùn)行nanoDLP切片軟件，將三維模型分層得到的二維截面圖形信息通過(guò)HDMI高清視頻輸出口按照順序逐層輸出，再經(jīng)過(guò)HDMI 轉(zhuǎn)MIPI 驅(qū)動(dòng)板使三維模型分層得到的二維截面圖形信息傳輸至去背光板的LCD屏幕，然后點(diǎn)亮UV燈，使三維模型分層得到的二維截面圖形信息投影在液態(tài)光敏樹(shù)脂上[2]。

（3）步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)選用42BYGH34步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1.8°，相數(shù)為2，額定電流為1.68 A，0.45 N·m的保持力矩能使成型平臺(tái)穩(wěn)定保持在所需高度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用帶過(guò)流保護(hù)A4988 驅(qū)動(dòng)控制器，其輸出驅(qū)動(dòng)為35 V 和±2 A[5]。當(dāng)Sleep 管腳電平置1，驅(qū)動(dòng)器處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)Sleep 管腳電平置0，進(jìn)入睡眠模式，驅(qū)動(dòng)器輸出待機(jī)模式；DIR管腳用于控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)；ENBALBE 管腳電平置0，則步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作，ENBALBE管腳電平置1，則步進(jìn)電機(jī)停止工作。A4988驅(qū)動(dòng)控制器邏輯原理如表1所示，A4988驅(qū)動(dòng)控制器原理圖如圖7所示。

表1 A4988驅(qū)動(dòng)控制器邏輯原理

圖7 A4988驅(qū)動(dòng)控制器原理圖

3 影響LCD屏光固化3D打印結(jié)果因素分析

裝配完成的LCD屏光固化3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造成本較低，采用微型電腦運(yùn)行軟件方式控制，操作簡(jiǎn)單方便。經(jīng)試驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)一般精度等級(jí)工件的快速成型、模型制作以及小批量零件快速制造。LCD 屏光固化3D 打印機(jī)實(shí)物如圖8所示。

圖8 裝配完成的LCD 屏光固化3D打印機(jī)

圖9 成型件與離型膜粘連

研究試驗(yàn)結(jié)果表明，影響LCD屏光固化3D打印結(jié)果的主要因素包括成型平臺(tái)與離型膜距離、成型平臺(tái)與屏幕的平行度、樹(shù)脂溫度等。

（1）成型平臺(tái)與離型膜距離對(duì)打印結(jié)果的影響

在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)成型平臺(tái)與離型膜之間的距離會(huì)影響打印成功率。如果它們距離太遠(yuǎn)，光固化的第一層與離型膜粘貼在一起，如圖9所示，當(dāng)成型平臺(tái)上升時(shí)沒(méi)能把光固化底層帶上來(lái)，就不能進(jìn)行下一層光固化，導(dǎo)致下一層的銜接無(wú)法進(jìn)行，最終造成光固化在離型膜上，而不是由成型平臺(tái)上升，一層一層積累起來(lái)。這個(gè)關(guān)系到成型平臺(tái)與離型膜之間的距離。打印開(kāi)始時(shí)，成型平臺(tái)與離型膜應(yīng)盡量靠近。

解決辦法：通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)或是利用程序?qū)Τ尚推脚_(tái)與離型膜之間距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，調(diào)節(jié)離型膜與成型平臺(tái)的距離為0.1 mm時(shí)打印層容易均勻牢固地粘連在成型平臺(tái)上。

（2）成型平臺(tái)與屏幕的平行度對(duì)打印結(jié)果的影響

成型平臺(tái)應(yīng)與LCD 屏保持平行，不能與屏幕有一定的角度，否則會(huì)影響到打印成功率和質(zhì)量。因?yàn)榕c它的成型原理有關(guān)，由于打印原理是一層一層疊加起來(lái)，第一層的成功率影響到后面，有可能造成打印不成功或是打印過(guò)程中打印件底層與成型平臺(tái)之間連接不穩(wěn)，就會(huì)影響打印件的質(zhì)量，如出現(xiàn)翹邊的問(wèn)題。

解決辦法：通過(guò)連接成型平臺(tái)的器件用四顆螺母實(shí)現(xiàn)成型平臺(tái)的機(jī)械調(diào)平，使成型平臺(tái)較好地貼合下方離型膜。

（3）樹(shù)脂溫度對(duì)打印結(jié)果的影響

光敏樹(shù)脂作為3D打印材料，易受環(huán)境溫度的影響，溫度降低會(huì)樹(shù)脂液體分子的活性。受冬天氣溫較低的影響，光固化的成型速度慢、成型效果不佳。需要提升液體溫度，才能提高成型速度和打印效率。夏天氣溫較高，樹(shù)脂液體分子的活性較高，獲得的成型件質(zhì)量較好。

解決辦法：冬天要避免到低于15 ℃的環(huán)境中進(jìn)行打印，對(duì)液態(tài)樹(shù)脂進(jìn)行預(yù)加熱到20～25 ℃能獲得較高成型質(zhì)量的工件。夏天則在室溫下打印即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了LCD屏光固化3D打印機(jī)實(shí)物的設(shè)計(jì)制作，并對(duì)影響LCD屏光固化3D打印結(jié)果的因素進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決辦法。制作的LCD屏光固化3D打印機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維修、造價(jià)相對(duì)便宜，平面精度能達(dá)到100 μm 且與目前桌面級(jí)DLP 打印技術(shù)具有可比性。打印速度快，能同時(shí)打印多個(gè)零件而不犧牲打印速度。