基于空间光调制器的微米3D打印系统研究

发布时间：2020-04-09 11:21

【摘要】：以减材方式为代表的传统制造在加工复杂结构时常遇到本质的技术困难。工业界需要寻求一种新的技术,3D打印作为一种增材制造方法,它的出现很好地解决了上述问题。3D打印极大地降低了加工过程设计难度。商用的3D打印技术打印的物品尺寸相对较大,一般在几十厘米左右,精度多在几十微米到几百微米之间。针对这一问题,本文主要研究微米精度3D打印系统的设计和搭建。微米3D打印技术主要分为两大类:光斑扫描式微米3D打印以及一次性投射成像式微米3D打印。经典的光斑扫描式微米3D打印系统包括单光子吸收聚合物微米3D打印和双光子聚合微米3D打印。一次性投射式微米3D打印利用空间光调制器,将二维图案一次性投射到光固化材料表面。后者相对于前者在保证了打印精度的同时也极大的提升了打印速度。一次性投射式微米3D打印系统的空间光调制器一般采用LCD(Liquid Crystal Display)或者DMD(Digital Micro-Mirror Device)。透射式的LCD器件对比度较低,使有效光能量在经过光学元件后衰减,存在投影影像不够细致的问题。DMD相对LCD具有更高的对比度和光使用率。DMD是一种基于半导体技术,由高速数字式光反射阵列组成的器件。本文设计的基于DMD的微米3D打印系统期望通过DMD将预先存入系统中的待打印图形成比例的一次性投射到光敏树脂材料表面进行曝光,期望达到的最终曝光精度在微米量级。本文系统包括空间光调制器DMD、光成像模块、光源模块、运动控制模块、光敏材料添加以及系统运行控制软件。其中DMD芯片及其电路板和多个光学调整架进行组装,最终使DMD镜面能实现X、Y、Z、θ_y、θ_z五轴方向的调整;光成像系统的设计主要基于无限远校正显微成像原理,其部件主要包括套筒透镜、非偏振分束镜、显微镜物镜等;运动控制系统主要包括Arduino单片机、XYZ三轴电动平移台等;控制软件中,使用C#编写上位机软件,C++编写下位机(Arduino)软件,能够实现系统的全自动控制。第一款软件支持系统单层曝光一张图片,第二款软件支持单层较大图形的分块曝光。另外,在材料选取的过程中,需要注意多重因素包括光源照射剂量、照射强度以及外部条件如空气中的氧气等各种问题。最终系统能够成功运作并打印产品。
【图文】：

打印技术,种类

传统的制造方式有包括手工制作，铣床加工在内的多种方式，但却无法克服需要技术传承、精度低、速度慢等多种问题。特别是，对于结构复杂的加工，以减材方法为主的传统加工技术有着本质的缺陷。快速成型(rapid prototyping)作为一种增材制造技术，它的出现很好地解决了上述问题，它可以在无需刀具模具等设备的情况下，直接导入产品的 CAD 数据，然后制造出成品。这项技术就是3D 打印技术的前身，目前，已广泛应用于医疗，航天，汽车，机械等多重领域，发挥着极其重要的作用，因此 3D 打印技术的重要性可见一斑[1]。1.2 经典的 3D 打印模式3D 打印种类的划分可以依据其使用能量的不同，如图 1-1 所示划分为：激光辐射式加工、动能成型式加工以及复合成型式加工。下面就目前应用最广泛的三类 3D 打印模式做出简介。本节中，，我们主要介绍选择性激光烧结 SLS 和熔融沉积快速成型 FDM 这两种打印方式，与本文更加密切相关的光固化 3D 打印将在下节和第二章详细介绍。

打印系统

图 1-2 SLA3D 打印系统Fig.1-2 SLA3D printing system目前光固化 3D 打印技术的应用广泛，在包括汽车、医疗器械、日用电子、航天、建筑等的众多领域均发挥着重要作用。如下图 1-3 所示，光固化打统主要有两种工作方式：(a) 光斑扫描式以及(b) 一次性投射成像式。光斑扫打印系统将光源聚焦于光敏材料表面的一点，按照预先存入系统的打印图片定光斑运动轨迹，在光敏材料的不同位置曝光，扫描方式可以是通过平移台打印对象，或通过振镜技术移动光斑；而投射式的成型方式则为面照射成预先存入系统中的分层打印图案在系统的空间光调制器上呈现出来，并将此通过光源照射成比例的一次性投射成像到光敏树脂表面。相对于前者，后者证精度的同时还拥有打印速度上的优势[8]。具体介绍将在文章的第二章进行。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.73;TN761

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