基于DLP技术的低成本3D打印机开发与探索

张仁杰++题晶++郭涛

摘要：FDM和SLA是目前市场上两大主流3D打印技术，FDM技术成熟、成本较低，但是精度和速度不够，而SLA技术精度高、速度快，但是成本较高、控制难度大。如何打造一款低成本、安装便捷的3D打印机一直是困扰业界的难题之一。本文所提到的基于DLP技术的3D打印机方案属于光固化技术范畴，利用面光源作为固化光源，在保障精度的同时使打印机的时间成本和制作成本整体下降。在技术实践中，该方案选择家用投影机作为DLP光源，并且尝试多种光敏材料，利用自主设计的“门”式结构确保了打印机安全、稳定运行，同时大大降低成本。

关键词：DLP；3D打印；“门”式结构

一、前言

3D打印技术正逐渐改变着人类的生活，是一项“自下而上”的革命性制造技术，横跨了多个科学领域。目前，主流的3D打印技术以FDM（Fused Deposition Modeling）和SLA（Stereo Lithography Apparatus）为主。这些技术各有优劣，FDM技术运用较为广泛、技术成熟、成本低，但是精度和速度不够；而SLA技术精度高、速度快，但是成本较高、控制难度大。本项目利用DLP（Digital Light Processing）光固化成型原理，选择了面光源作为固化光源，这样，既保证了设备成本整体下降，同时，又保留了FDM和SLA技术所共有的优点。在技术实践中，本项目选择了家用投影机作为DLP光源，尝试了多种光敏材料，自主设计结构确保其稳定运行。

光固化3D打印技术主要使用光敏树脂为耗材，通过紫外光或者其它光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品，该技术也是目前3D打印技术中精度最高、成型效果最好的一种3D打印技术。但是，由于SLA技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于FDM技术，本项目的目标是希望突破SLA在设备和维护上的瑕疵，利用目前较为容易获取的DLP材料来弥补这些短板，其产品将被应用到医学领域里，特别是在医学中大量运用植入体模型的制作、手术中定位模型的制作等。

DLP是“Digital Light Processing”的缩写，即为数字光处理，这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI（美国德州仪器）公司开发的数字微镜元件—DMD（Digital Micromirror Device）来完成可视数字信息显示的技术。其原理是将通过UHP（Ultra High Power）灯泡发射出的冷光源通过冷凝透镜，再通过Rod（光棒）将光均匀化，经过处理后的光通过一个色轮（Color Wheel），将其分成RGB三色（或者RGBW等更多色）。有一些厂家利用BSV（BoshiVideo）液晶拼接技术镜片过滤光线传导，再将色彩由透镜投射在DMD芯片上，最后反射经过投影镜头在投影屏幕上成像。

相较于LCD（Liquid Crystal Display）光源，DLP会有如下优点：更多的紫外线流出，而更多紫外线意味着打印速度更快；像素间隙相对较小，画面清晰，无闪烁现象，打印时光源稳定；光填充率高达90%，总光效率大于60%，而LCD光填充率最大只有70%，总光效率大于30%；拥有色域补偿电路，色彩均匀度大于90%；拥有数字均匀过渡补偿电路，亮度均匀度大于95%，而LCD无此电路，会出现“太阳效应”；DLP 芯片采用密封封装，受环境影响小，且有20年以上的使用寿命，可靠性高，而LCD 液晶材料受环境影响大，不稳定。综上所述，DLP作为稳定的紫外光源，在光填充率、色域和光强等方面都可以很好地满足本项目产品设计。

因此，在技术实现上，利用了DLP技术的高分辨率的数字光处理所产生的光源，以此来固化液态光聚合物，选择特殊光敏树脂作为3D打印材料，一层层对液态聚合物进行固化，如此循环往复，直到最终3D模型的完成。

二、系統的设计与实现

2.1项目的设计目标

目前的3D打印市场中，以FDM为技术核心的产品常常局限于成品精度不够，而市面上以SLA为技术核心的的打印机价格昂贵，结构设计复杂，这些在某种程度上制约了3D打印应用的拓展，相关资料和实验也比较少，如何突破SLA的成本壁垒是该项目的初衷。经过1年多的设计和调试，我个人觉得可以在产品价格优势上、产品小型化上有所突破。本项目主要研究如何打造一款以DLP为基础的光固化3D打印机，如下为基础目标：

1、经济：所选材料都可以通过正常途径采购到；

2、开源：利用现有的开源建模、3D切片等软件，并在上面可以灵活定制和拓展；

3、简洁：符合原型机的特点，突出其功能性；

4、可选择材料多：尝试不同光敏材料；

5、快速：在打印速度上要远高于传统3D打印技术。

2.2项目的研究步骤

项目的研究过程及步骤如下：

1、检验投影仪与树脂的匹配情况；

2、调研B9C的开源资料并熟悉其通用设计结构；

3、设计结构图，选择合适材料、采购和制作；

4、选择主板、电路、控制结构等等；

5、测试电路、烧录Marlin固件并作出针对性修改；

6、运行模拟打印机测试电路；

7、组织和装配打印机主体结构；

8、植入电路；

9、测试料槽和离型膜；

10、整体性能测试和反馈。

2.3 DLP光学特征研究

选择的DLP设备是：明基TS5276。其光学特征如下：

1、最佳分辨率：1280*720；

2、最高分辨率：1600*1200；

3、对比度：11000：1；

4、亮度：2700流明；

5、光源类型：超高压汞灯；

6、投影比：1.86-2.04：1；

7、实际焦距：f=21-23.1mm。

2.4所选光敏材料

所选的光敏材料如下：

1、光引发剂：2，4，6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦（TPO）0.4%；

2、紫外线阻段剂：2，2-（2，5-Thiophenediyl）BIS（5-Tertbutylbenzoxazole）（OB+） 0.16%；

3、活性稀释剂Genomer 1122 19.89%；

4、低聚物 Ebecryl 8210 39.78%；

5、Sartomer SR 494 39.77%；

6、色浆、荧光剂，余量。

经过我的试验，这些材料和所选光源能进行较好的液态聚合。

2.5“门”式结构设计

在用3030铝型材进行搭建的时候，我发现若用单臂Z轴则会使稳定性大幅度下降，在打印过程中产生不小的误差，对此可以使用单臂一体式Z轴。但是，这样会提高一部分成本，而这并不符合此项目的初衷，所以，为此我设计了独特的“门”式结构。

“门”式结构的特点是：在原有Z轴型材的另一端有着类似的一根型材，在两根型材之间使用型材进行固定，即便是有外力破坏，也很难使其发生形变。其次，这样的一个类似“菜篮子”的结构使得这个3D打印机更加便携，仅靠单手也可以轻松将其提起，很大程度上改变了原有3D打印机笨重的特点。

2.6系统结构设计

系统的整体分为：支撑结构、控制模块、信号传输及处理模块、软件模块、打印模块、光学模块和打印介质等部分组成。如下图1所示。

系统结构说明见表1，系统性能参数见表2。

三、结论

3D打印技术作为国家重点产业正逐步发展壮大，而在国外，3D打印技术正成为一项基本技能日益被人重视，越来越多的人投入到3D打印的建设和发展中去。新一轮科技革命和产业变革正在世界范围内孕育兴起，国家和政府也大力推进先进制造与3D打印，李总理强调指出，以信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式，正在引发整个制造业的深刻变革。3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术，实现了制造从等材、减材到增材的重大转變，改变了传统制造的理念和模式，具有重大价值。

本设计采用投影机下置的处理方式，使得在同等效果的前提下调试更加简便，成本更加低廉；在遮光模块上选用舵机作为控制模块，在同等功能的前提下使成本大幅度缩减，安装更加简便；选择USB3.0转VGA的输出与控制方式，使得投影机与PC端的控制更加协调，操作更加简便；采用独特“门”式结构，使Z轴更加稳定的运行，在成本控制范围内达到了极佳效果，降低了维护周期并且简化了调试过程；5.在同等功能的前提下，使成本尽可能的减少，操作与调试尽可能的简便。

经过实际运用检验，系统运行稳定，各项目指标达到预期设计目的。

参考文献

[1]各大品牌DLP3D打印机价格对比 搜索引擎：百度

[2]一种简易的DLP投影式光敏3D打印机 邱兆文，吴頔，保鑫，藏加宇 [专利]

[3]一种3D光固化打印机的DLP投影仪镜头遮挡装置 曹亚景，季静静，张保峰 [专利]

[4]一种基于DLP投影技术的面曝光3D打印拼接成形系统 宗学文，宁楠，张传伟[专利]

[5]3D打印机的组件DLP光学引擎的支撑结构 王清培[专利]