多色光敏树脂 3D 打印机的设计与实现

来源：DLP投影

摘要: 针对当前以液态光敏树脂为原料的立体快速成形技术来实 3D 打印实现多色打印和原料回收问题，对光敏树脂的成形方式和 固化机理进行分析，对立体光固化成型( SLA) 技术和数字光处理( DLP) 技术进行了深入研究，提出了一种基于 DLP 技术的多色光 敏树脂 3D 打印机，详尽论述了高分辨率 DLP 投影仪的工作原理和电路设计，给出了一个 4 色光敏树脂 3D 打印的整体解决方案，并设计了打印原料的自动回收装置。研究结果表明: 采用 DLP 技术的光敏树脂 3D 打印比 SLA 技术的打印速度要快得多，同时满 足高分辨率 3D 打印的要求; 采用基于 DLP 技术的多色光敏树脂能实现多层颜色打印以及原料自动回收的功能，满足快速成型制 造技术的要求，实现了 3D 打印智能化和自动化，达到了预期的目标。

液态光敏树脂为原料的 3D 打印机是基于光敏树脂在紫外( UV) 光下固化的 3D 打印技术，其固化快 速、成型精度高、表面光洁好、物件机械强度高、具有类ABS 性能特点，适用于主流快速成型设备。光敏树脂 一 般 为 低 粘 度 的 液 态 ，常 用 于 制 作 高 强 度 、耐 高 温 、防水等材料。光敏树脂由聚合物单体与预聚体组成，其 中加紫外光引发剂( 或称为光敏剂) ，在一定波长( 250 nm ~ 400 nm) 的紫外光波长照射下立刻引起聚 合反应，即完成固化[1]。

光敏树脂是一种既古老又崭新的材料，与一般固 化材料比较，光固化材料具有下列特性:
( 1) 固化速度快，可在 4 s ~ 10 s 内固化，可应用于 要求立刻固化的场合;
( 2) 不需要热源，不存在温控问题;
( 3) 可配制多种颜色，实现多色打印。近年来光敏树脂在 3D 打印机上得到广泛的应用，但几乎都为单色打印[2] 。 本研究将利用已调颜色液态光敏树脂为原料以实现多色打印，使光敏树脂 3D打印机锦上添花。

1、光敏树脂 3D 打印机原理
根据所采用光源的不同，光敏树脂 3D 打印机可分为 SLA 和 DLP 两种数字光处理机器。


1.1 SLA技术
立体光固化成型技术的光源来自 UV( 紫外光)激光器。激光光束通过数控装置控制振镜扫描，按 设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面 特定区域内树脂固化。每当一层加工完成后，生成 物件的一个截面，然后升降台下降一层距离，固化层 上覆盖另一层液态树脂，再进行下一层扫描。后一 固化层牢固地粘结在前一固化层上，逐层叠加而成 三维工件原型。

SLA 技术采用的是激光照射光敏树脂的方式，激 光头依照模型切片生成的 G 代码，从点到线再到面，顺序扫描每一层模型切面，被激光照射到的光敏树脂 迅速固化，但 SLA 每层需要由刷板将液态树脂刮均 匀。为了实现高速扫描，激光经激光器产生经过 X、Y两个方向的振镜依次反射，再照射到树脂表面。SLA的特点是成型精度高，大部分的高精度工业级光固化 机器都是采用 SLA。由于 SLA 打印技术类似于 FDM型 3D 打印技术，每一层成型过程都是走轨迹的逐点 固化，速度比较慢。

1.2 DLP技术
数字光处理技术 3D 打印机的光源是来自投影 仪。投影仪每次将一个模型的切面作为平面图像照射到液态树脂上使之固化，利用这种方式每次成型一 个面，打印时间只取决于要打印物件的层高，因此打印工程第34 卷速度要比 SLA 快，采用这种方式可实现小批量快速成型生产。

DLP 式 3D 打印机又分为上投式和下投式，上投式 3D 打印机 DLP 投影仪在物件上方，与 SLA 3D 打 印机结构相似，不过就是由 DLP 投影仪取代上方的 激光器及振镜装置。下投式即投影仪在下方，树脂 槽底部透明，内侧覆盖离型膜或者硅胶，以避免物件 粘结在槽里。每固化一层后，可升降构建台提升一 个层厚的距离。为了能够充分离型以及底部补充树 脂，一般采用先升再降的方式，例如，以 0. 1 mm 层厚打印，先抬高5 mm，再下降 4. 9 mm。下投式 DLP 打印机的离型膜或硅胶多次使用后也会损耗，因此也 属于耗材。

而上投式的优点是没有离型问题，每次成型面均 在液面，成型后模型浸在树脂内。树脂表面张力会影 响成型层厚及成型效果，因此工业级的 DLP 会多一个 刮板装置。每次成型平台下降时，刮板都会将液面刮 平，以减小树脂表面张力的影响。

2、DLP 投影仪
传统的投影仪多半采用 LCD 技术，它是利用液 晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及 反射率，从而产生图像。LCD 投影机的主要成像器 件是液晶板，如果将 LCD 投影仪用于光敏树脂的 3D打印机，存在分辨率低，体积大和灯泡寿命短等问 题。而目前 DLP 投影仪是目前体积小分辨率极高的 投影仪，非常适合平面光固化 3D 打印，DLP 投影技术是应用了数字微镜器件( digital micro-mirror de-vice，DMD) 来做主要关键元件以实现数字光学处理过程。

2.1 DMD器件
DLP 投影机是采用光学数字化反射式的新型设 备，DLP 投影机的关键成像器件 DMD 是在 1987 年由TI 公司的 Dr HORNBECK L 发明的。DMD 是通过二位元脉冲控制的半导体器件，该器件具有快速反射式 数字开关性能，能够准确控制光源。其基本原理是，光 束再投射在 DMD 部件上，控制微镜偏转角，将需要发 光像素投射到屏幕上，不需要发光的像素反射到光吸 收板上。二位元控制的微镜如图 1 所示。

图 1：二位元控制的微镜

在 DMD 装置中每个微镜都有一个复杂的微机电 控制装置，包括偏转支架，铰链和弹簧等。每个微镜下方有两个电极，通过施加到电极上的电压控制微镜± 12°角两个位置偏转，因此在微镜的电极上，通过电 压控制微反射镜偏转，获得了高精度的控制能力和无 限的偏转寿命。一片 DMD 以矩阵分布安装了多达200 多万个正方形的微反射镜，微镜的大小相当于头 发丝的 1 /10，每一个微镜都对应着生成图像的一个像素，微镜数目决定了一台 DLP 投影机的物理分辨率。

2. 2 微反射镜工作原理
在 DMD 芯片，微反射镜是其最小的工作单位，微 反射镜主要作用反射光线，其偏转角度达 + / - 12°。微反射镜的工作示意图如图 2 所示。

图 2：微反射镜工作示意图

在微反射镜开启状态( + 12°) 时，入射光线( 光 源) 的入射角达到 12°，反射角亦达 12°，两者相加是24°。微反射镜将光源的入射光绝大部分反射到投影 透镜，此时光能最大; 若微反射镜偏向关闭( - 12°) 状 态时，此时微反射镜将入射光绝大部分反射到吸光板，投影透镜上的光能非常小，亮度最低。由此可见一块 仅能提供 + / - 12°偏转的微反射镜，而实际情况却提 供 72°的工作范围，再考虑到微反射镜是通过电极控 制的、可视为能实现无级翻转，进而在单个像素内提供 极高的亮度控制范围，能轻松实现高对比度[3]。

2. 3 DLP 投影仪系统结构
位于 DMD 芯片内部海量的微反射镜，这些微反 射镜是依靠电极来控制的，电极则是底层 CMOS 控制 电路和镜片复位信号的二进制状态进行单独控制的，在 16 个单独的复位块中驱动，可进行全局寻址或一次寻址一个。

TI 公司还专门为 DMD 器件提供了实现 DLP 投影仪的系统设计方案[4]。例如，TI 公司的 DLP4500FQE是一个 WXGA 分辨率( 1 280 × 800) 的数字微镜器件DMD，亮度高达 500 流明，24 位 DDR( 双数据速率) 数 据总线，80 MHz ~ 120 MHz 输入数据时钟速率，内部集 成微镜驱动电路。TI 公司还为该 DMD 器件提供了控制器 DLPC350，它是专门为 DLP4500 数字微镜器件( DMD) 提供的数字控制器。DLPC350 控制器为 DMD间提供一个便捷的、多功能接口，该接口可实现高速数 据传输，以及 LED 控制和用于多输入格式的数据。

DLPC350 数字控制器的特性如下:
( 1) 具有 DLP4500DMD 分辨率( 912 × 1140) 相容高速图形显示。高达 4225 Hz 的二进制图形速率高达 120 Hz 的 8 位灰度图形速率;与微反射镜 1 对 1 的输入映射;多位深度和样式序列中的发光二极管( LED) 。
( 2) 与照相机和传感器的轻松同步。两个可配置输入触发器;两个可配置输出触发器;4 个完全可编程通用输入输出( GPIO)信号。
( 3) 32 KB 内部 RAM 用于图形处理。存储高达48 个1 位样式;无需外部易失性存储器;支持高达 64 MB 闪存，用于增加样式存储能力。
( 4) 多个配置接口。基于 USB 的 API 和主机 GUI;两个I2C端口;LED 脉宽调制( PWM) 发生器。
( 5) 视频投影运行模式。10 Hz ~ 120 Hz 全彩色帧速率;YUV，YCrCb 或 RGB 输入数据格式;宽范围视频处理能力。
( 6) 集成微镜驱动器。
( 7) 集成时钟生成。由 DLPC350 构成的 DLP 投影仪电路原理如图 3所示。

图 3：DLP 投影仪电路原理图

3、多色 3D 打印的实现
目前，已有可调色光敏树脂材料，而具备 5 种颜色的光敏树脂材料，将会被用户根据需要调成喜欢的颜色，现在已经有 Cyan( 青色) 、Magenta( 洋红) 、Yellow( 黄色) 、Black( 黑色) 光敏树脂材料已经在出售。

要实现多色打印，一种简单的方案就是采用多个不同颜色的光敏树脂液槽。例如，实现 4 种不同颜色 打印，在可旋转的“十”字架上安装 4 个液态光敏树脂 槽，分别用于盛不用颜色的液态光敏树脂，4 色打印原 理图如图 4 所示。

图 4：4 色打印原理

当一种颜色的材料打印完成后，通过马达驱动，装 有另一种材料的树脂槽就会转动到构建台的下方，接 替先前的材料继续接受投影仪的照射从而让打印作业 继续进行。

为了使每个树脂槽都能旋转到构建台下方的正确 位置，可转动的“十”字架上有4个定位小孔，并将“十”字架 4 空隙部分用金属板遮挡，利用红外线光源 透过定位孔使下方的红外光敏管接收到红外光来判断 树脂槽是否到位。单片机控制器在驱动步进电机的同 时，不断检测光敏管的信号，若接收到了红外光表示树 脂槽已到位，停止步进马达转动。采用红外光检测方法，是为了避免可见光的干扰。通过使用这一方法，最 终实现树脂槽无障碍自动更换。

采用可旋转“十”字液槽结构能实现层间不同颜色的打印，且结构简单，工作稳定可靠。但是，当在不用颜色槽之间进行切换时，由于成型物体表面附着有 上一个槽的液体，会带到下一个液槽中，从而造成颜色 污染。为了克服颜色污染问题，对于小尺寸的 3D 打 印机可在顶部支架上增设一个可旋转的气压喷嘴，当 进行槽切换时，将物件从上一个槽中提起，气压喷嘴对 成型物件周围进行气体喷气清洁，然后在移到下一个 槽中继续打印。

4、液态树脂自动回收装置
由于预先放置的光敏树脂的量往往难以精确估 计，如果光敏树脂预先放置过多时，容易造成浪费; 如 果放置过少，造成不足[5-6]。
为了避免浪费，本研究设计了一种液态树脂自动回收装置[7]，如图5所示。

光敏树脂智能控制装置由液态光敏树脂储液罐、加液阀门、U 型管液位检测、气体压力传感器、回收树 脂抽液泵以及单片机控制器组成[8]。

打印机的液态光敏树脂槽中的液态树脂由储液罐 中的液态光敏树脂供给，只要单片机使加液阀门打开，即对打印机液态树脂槽加液，液态光敏树脂槽中的液 态树脂同时也通过 U 型罐流向气体压力传感器，气体压力传感器感应到的压力正比于液态光敏树脂槽中的 液态树脂高度。与此同时，单片机控制器将根据气体 压力传感器检测到的压力来控制光敏树脂的量，当加 进液态光敏树脂槽中的液态树脂到达指定量时，由单 片机输出关闭加液阀门的信号，使阀门关闭，停止加液。

当打印完成后，液态光敏树脂槽中剩余的液态树 脂由 U 型管下方的回收树脂抽液泵抽取到储液罐，避 免浪费。回收树脂抽液泵也由单片机控制，同理单片 机是根据气体压力传感器检测到的压力来判断剩余的 液态树脂是否抽完。

5、结束语
近年来，我国 3D 打印技术及设备开发已取得较 大进展，但与发达国家相比尚存在一定的差距，主要表 现在: 高精度 3D 打印技术比较薄弱、成型材料种类 少[9]、彩色 3D 打印仍然不能满足需求[10]。

本研究就多色光敏树脂 3D 打印机的核心技术 作精辟的论述，特别是采用高分辨率 DLP 投影仪实 现快速打印的技术、液态光敏树脂实现多色打印的 方法、如何克服各颜色之间的污染问题以及剩余液 态树脂的自动回收装置进行了深入的研究，真正实 现了智能化的多色 3D 打印，旨在对彩色 3D 打印技 术的研究起到指导作用，加速推动彩色 3D 打印技术的发展。

参考文献( References) :
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[7] 杨文龙. 光敏树脂 3D 打印机控制装置[P]. 中国:20692113. 7，2016-7-2.
[8] 杨文龙. 单片机原理及应用系统设计[M]. 北京: 清华大学出版社，2011.
[9] 朱 珠，雷 林，罗向东.含能材料3D打印技术及应用 现状研究[J]. 兵工自动化，2016，35( 6) : 52-55，70.
[10] 何岷洪，宋 坤，莫宏斌，等. 3D 打印光敏树脂的研究进展 [ J ] . 功能高分子学报 ，2015，28(1):102-108.