近年来, 光固化3D打印系统凭借其快速的打印速度、较高的打印精度, 使其逐渐渗透至各个领域, 从而使产品的开发周期得以有效缩短, 节约了企业对成本的投入, 满足了人们对产品的个性化定制要求。目前, 光固化3D打印系统已经在建筑、工业制造、航空航天等领域中得到了广泛地应用, 人们对光固化3D打印系统的技术原理、树脂耗材以及成型精度等也开展了大量的研究, 并已成为21世纪背景下的重点研究技术。由于光固化3D打印系统需要投入很高的成本来进行开发、使用与维护, 并且其核心技术长期被其他公司所垄断, 这也造成光固化3D打印系统的推广与应用存在很大限制。鉴于此, 本文将数字光处理技术, 即DLP技术融入到光固化3D打印系统之中, 以此研发出经济性较好、技术性较高的光固化3D打印系统。
在基于DLP技术光固化3D打印系统中, 需要确保其性能得到稳定发挥, 同时还要保证系统的研发成本尽可能的降低, 本文将该系统的硬件结构主要划分为机械运动硬件部件、DLP投影设备部分以及控制设备部分。以下便对基于DLP技术光固化3D打印系统的硬件开发进行相应的探讨。
在基于DLP技术光固化3D打印系统硬件开发中, 其机械运动设备的开发内容主要包括利用数字化技术设计和制作设备外壳及其非标准零件、选择合适的标准零件、安装及调试Z轴等。机械运动设备的标准零件所采用的材质为铝型材, 材料标准为2020欧洲标准, 较为典型的标准零件主要有M6方形螺母、口哨连接器、M6×12半圆头内六角、连接角板等。机械运动设备中的榉木外壳包括上盖、底板、背板、平台板和侧板这五个组成部分, 通过Siemens NX软件的应用来对榉木外壳进行设计, 然后通过激光雕刻机对榉木外壳实施激光切割, 然后在外壳两侧绘制出Logo。对于机械运动设备中的非标准零件来说, 主要有反射镜支座、电路系统保护罩以及平台提升板等, 可通过Siemens NX软件来对这些非标准零件进行三维模型的数字化构建, 然后通过FDM技术, 即熔融沉积技术来进行打印。机械运动设备的Z轴运动机构主要包括步进电机与线性滑轨两个组成部分, 其直接影响到基于DLP技术光固化3D打印系统的打印精度。在对线性滑轨进行选择时, 应确保螺母之间的距离控制在5mm, 此外在安装步进电机时, 确保其步进角能够控制在1.8度, 通过步进电机与线性滑轨之间的有效配合, 能够确保基于DLP技术光固化3D打印系统处于高平行度时, 其定位精度能够达到25μm。
在基于DLP技术光固化3D打印系统中, 其DLP技术的功能主要是通过DLP投影设备来实现的, DLP投影设备主要由光学投影设备、DMD芯片以及光源三个基本部分所组成, 考虑到基于DLP技术光固化3D打印系统采用的光敏树脂在进行光吸收时, 其只能对200-420nm的波段进行感应, 如果波段达到360至380nm, 此时光敏树脂是最灵敏的, 通过对市场进行调研, 该系统的光源采用405nm波段的LED紫外线灯。对于DLP投影设备来说, 其核心元件便是其内部的DMD芯片, 系统可将接收到的图像信息按照特定的电信号来进行转换, 然后将转换后的电信号时序传输至DMD芯片。对于DMD芯片来说, 其自身的像素大小对整个系统的打印精度都有着直接的影响, 本文选择的DLP投影设备为优派PJD5155型投影仪, 然后将非标准零件安装至投影设备的镜片上, 以此改进投影设备的焦距。
在基于DLP技术光固化3D打印系统中, 其控制设备的功能主要集中在控制步进电机运动、对液位进行自动检测和补液、控制反射镜、限位数字化监测以及二次成型等。在控制设备开发中, 需要对驱动板硬件电路与主控板进行设计, 使控制设备的接口插件及其电源得到优化。在控制设备中的主控板上, 采用MEGA2560型微型控制器, 并利用USB来对控制程序进行下载, 将MEGA主控制板和驱动板RAMPS进行有效连接。此外, 在接口设置上, 不仅要在步进电机驱动机上设置接口, 还要利用RAMPS在其他电路上设置相应的扩展接口, 使IIC设备、Smart Controller模块和SPI设备能够外接于对应的接口上, 进而实现3D打印系统在脱机情况下进行打印。
在基于DLP技术光固化3D打印系统中, 其所使用的光敏树脂耗材是配套安装的, 光敏树脂耗材的成分包括丙烯酸树脂与环氧树脂, 将混合引发体系作为系统中的主要引发体系, 目的是为了节约系统的研发成本。在对光敏树脂耗材进行制作时, 可采用催化剂、增效剂、稀释剂等来降低耗材制作时的反应温度, 同时保证光敏树脂的粘度, 以便于对原料进行混合均匀, 然后在混合液中添加适量的阻聚剂, 以此避免光敏树脂在制作时出现凝胶现象。该系统所制作的光敏树脂耗材具有良好的力学性能, 较低的黏度以及较高的成型精度, 目前该凝胶已经逐渐代替了进口树脂。
在基于DLP技术光固化3D打印系统中, 其所采用的光敏树脂耗材主要组分有丙烯酸酯、稀释剂、引发剂、自由基阻聚剂以及稳定剂, 其中丙烯酸酯的成分为CN9600D, 其质量百分比为40至45, 而稀释剂中的成分则为TPGDA与TMPTA, 其质量百分比分别占到32～35与16～18.引发剂中的成分主要为184引发剂与TPO引发剂, 其质量百分比分别为5与0.5～1.0, 自由基阻聚剂中的成分为对羟基苯甲醚, 质量百分比为0.05, 稳定剂中的成分主要为KY-1010与KY-1020, 其质量百分比均为0.15。
在光敏树脂耗材制备中, 其制备方法如下:首先将上述成分依次添加至特制烧杯容器内, 然后加热烧杯, 使烧杯容器中的温度达到50℃, 然后对烧杯内的各个成分进行均匀搅拌, 搅拌时间持续一刻钟, 然后将烧杯中的淡黄色液体放置到阴凉干燥的地方进行储存, 将CN9600D和以上混合物依次添加至烧杯中, 在阴凉干燥环境下进行一刻钟的慢速搅拌, 从而获得颜色透明且粘度较低的光敏树脂, 通过测试表明, 本文所制备的光敏树脂耗材在柔软性、韧性与固化性上有着良好的表现, 并且可将光敏树脂充当成型材料、黏合剂甚至涂层材料。
切片控制软件中的Creation Workshop应具有简洁的控制界面, 在光固化3D打印系统中, 其在快速成型时主要包括以下步骤:第一步是进行尺寸校准, 在软件界面中找到控制面板, 然后从控制面板上选择尺寸校准, 此时系统的投影设备会对红色网格进行自动投放, 并通过专用网格纸来进行校准;第二步是设置参数, 可在控制面板中用鼠标点击Configure Slicing Profile选项, 然后在弹出的参数框中对底层曝光、曝光时间、打印厚度等进行设置;第三步是将模型进行导入并设置分层, 在该步骤中需要在软件中导入STL文件, 以此调整模型并添加支撑, 待切片完毕后可利用切片视图来对各个层的切片进行二维视图展示;第四步是注入树脂, 在该步骤中需要将打印平台的高度调度5cm, 然后将树脂注入其中, 待树脂的注入高度达到树脂槽的一半时, 将打印平台回零后重新将树脂注入, 直至树脂的液面高度超过打印平台的一半为止, 使树脂槽和打印平台间存在的空气能够排出;第五步是对模型进行打印, 鼠标在选择打印选项并单击后, 投影设备会自动进行投影, 然后对模型逐层打印。经实践证明, 基于DLP技术光固化3D打印系统所打印的成品具有完整的形状、稳定的尺寸, 不存在毛刺和飞边等问题, 具有较高的成型精度。
综上所述, 本文对基于DLP技术光固化3D打印系统进行了研究, 明确了其硬件开发方法, 分析了光敏树脂耗材的成分与制备方法, 经实践表明, 该系统具有友好的软件界面, 系统结构轻便、稳定, 可有效节约开发成本, 后期维护方便, 有着非常广阔的应用前景。
摘要：近年来, 科学技术的发展, 使数字光处理技术 (DLP) 与3D打印技术之间的融合变得愈发深入, 这也使人们对基于DLP技术光固化3D打印系统进行了大量的研究, 从而使3D打印技术愈发向着节能化、微型化的方向发展。为此, 本文对基于DLP技术光固化3D打印系统进行了深入的分析, 并探讨了其在熔模铸造中的具体实践。
关键词：DLP技术,光固化,光敏树脂,3D打印系统
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