基于树莓派的光固化3D打印机的设计与实现

基于树莓派的光固化3D打印机的设计与实现

作者：汪家祥林晓斌

来源：《计算机时代》2020年第10期

摘要： 3D打印牙齒模型时，对3D打印技术的打印精度要求高，打印成本高昂。LCD光固化技术凭其高精度，高速度和结构简单的优点脱颖而出。基于DLP技术，以LCD屏为透光屏，树莓派为控制核心，控制有效直径为300mm的步进电机。通过搭建硬件系统并研发软件系统，实现了基于树莓派的光固化3D打印机。应用结果表明，该3D打印机不仅保持了较快的打印速度和较高的打印精度，还降低设备生产成本，有着良好的应用前景。

关键词： 3D打印技术; LCD光固化技术; DLP技术; 树莓派; 步进电机

中图分类号：TP334.8 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2020）10-37-03

Abstract： When print tooth model with 3D printing， the requirement of printing accuracy is high， resulting in an expansive printing cost. LCD light curing technology stands out with its advantages of high precision， high speed and simple structure. Based on DLP （Digital Light Processing） technology， with LCD screen as the transparent screen， and Raspberry PI as the control core， the control to a stepper motor with an effective diameter of 300mm is designed. By building the hardware system and developing the software system， the 3D light curing printer based on Raspberry PI is realized. Application results show that the 3D printer not only maintains a faster printing speed and a higher printing accuracy， but also reduces the production cost， and has a good application prospect.

Key words： 3D printing technology; LCD light curing technology; DLP technology; Raspberry PI; stepper motor

0 引言

20世纪3D打印技术诞生[1]，经过多年的探究与发展，3D打印技术所使用的材料越来越多，打印精度也越来越高，应用范围也在逐步扩大[2]。在3D打印机的发展历程中，使用LCD 技术作为透光技术的光固化打印技术开始脱颖而出，凭其高精度，高速度和结构简单的优点逐渐成为3D打印机的主流。光固化快速成型所用的原料是液态光敏树脂，用紫外光束照射液态光敏树脂，使其有序固化，逐层叠加成型[4]。数字光处理技术（Digital Light Processing，DLP）是一种背投电视中与投影仪的显像技术，采用分辨率较高的数字光处理器照射液态光聚合物，逐层片状光固化，直至完成最终模型[4]。本文设计实现的基于树莓派的光固化3D打印机是在DLP技术的基础上以LCD屏为透光屏，树莓派为控制核心，波长405mn的紫外UV灯为光源，通过USB线连接3D打印机主板MKS-MINI和树莓派对有效直径为300mm的步进电机进行控制设计，实现了3D打印机系统框架、运动模块、光源固化控制。在硬件系统的基础上研发相配套的软件系统，可初始化3D打印机各个部件并进行相关的数据处理。对牙齿模型进行3D打印实验，实验结果表明设计实现的基于树莓派的光固化3D打印机不仅保持了较快的打印速度和较高的打印精度，还显著降低设备生产成本，有着良好的应用前景。

1 LCD光固化技术

LCD光固化技术[5]是用 LCD屏代替DLP技术所使用的光源，即采用UV光作为光源，上位机操控LCD屏生成实物打印模型的每层图像，成型的部分标记为白色，空白的部分标记为黑色。LCD屏偏振成像的原理使UV光通过白色部分照射到光敏树脂材料进行固化，黑色部分阻断UV光源，阻止多余的曝光。采用LCD成型原理可以弥补DLP结构的缺陷，其优点如下。①高精度，可达到100微米的平面精度，具体取决于所采用的屏幕像素。②高光源利用率，目前大多数光明树脂的固化波段是405nm波段的UV光，可全部使用。③价格低廉，相较于前代技术，性价比极其突出。④结构很简单，组装和维护容易。⑤树脂通用，采用405nm UV光可兼容所有DLP类的树脂或大部分光固化树脂。⑥面成型光源可同时打印多个模型。

2 基于树莓派的光固化3D打印机的设计与实现

基于树莓派的光固化3D打印机由硬件系统和软件系统两个部分组成，硬件系统是以树莓派为控制核心，由步进电机模块、TF卡模块、图像输出模块、供电电源模块和路由器ip固定模块五个部分组成。在硬件系统的基础上研发相配套的软件系统，可初始化3D打印机各个部件并进行相关的数据处理。

2.1 硬件系统

光固化3D打印机系统结构有两种，分别是：振镜上置式和振镜下置式。两者的区别在于振镜上置式是把光敏树脂放在上方，而振镜下置式是把光敏树脂放在下方。目前，大多数光固化3D打印机采用振镜下置式系统结构，本文设计研发的基于树莓派的光固化3D打印机也采用振镜下置式系统结构，由步进电机滑轨、打印平台、料槽和光源振镜四部分组成，步进电机滑轨的功能是控制步进电机打印过程中的运动，打印平台用于激光固化后凝固光敏树脂成型，料槽的功能是对光固化树脂进行存放，光源振镜作为3D打印机的激光光源。振镜下置式光固化3D打印机系统结构图如图1所示。

基于树莓派的光固化3D打印机以树莓派为控制核心，主要负责3D模型的导入，切片图像的输出，G代码的输出，以及各个重要配件相连通的功能。选用树莓派3B+开发板，它是2018年推出的新型树莓派开发板，性能更好、功耗更低、使用寿命更长，较第四代也更为稳定。由步进电机模块、TF卡模块、图像输出模块、供电电源模块和路由器IP固定模块五个部分组成，其模块框图如图2所示。

⑴步进电机模块步进电机模块是3D打印机最重要的模块，其控制3D打印机X，Y，Z 轴运动，限位开光接口和灯光。将集Ramps和步进电机驱动HR4988于一体的MKS-MINIV2.0主板作为步进电机主板，其优势在于集成了如下功能：驱动电机，控制散热风扇，控制光源，接口简易，数据传输方便和可以同时支持12V与24V电源。选择Marlin固件作为开源的3D 打印机源代码，其配置方式兼容于Ramps的配置方式，也是本研究选择该主板的重要原因。