引用本文

张蓉, 王宜怀, 彭涛, 徐昕, 王绍丹. 大幅面DLP型3D打印机错位均摊接缝消除方法研究. 自动化学报, 2022, 48(7): 1794−1804 doi: 10.16383/j.aas.c190670

Zhang Rong, Wang Yi-Huai, Peng Tao, Xu Xin, Wang Shao-Dan. Seam elimination method by staggered splicing for large-scale DLP-type 3D printer. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(7): 1794−1804 doi: 10.16383/j.aas.c190670

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190670

关键词

数字光处理技术，3D打印，大幅面，错位均摊，接缝消除

摘要

针对面曝光模式的数字光处理(Digital light processing, DLP)型3D打印机成型幅面较小问题, 提出一种移动拼接与错位均摊消除接缝痕迹相结合的大幅面技术方案. 该方案首先对三维模型进行均匀切片形成N层切面, 再对切面位图进行错位切分, 使得相邻层的拼接位置错开, 每张切面位图形成M张单元位图, 构成3D打印的数据源; 其次根据错位参数沿着X轴移动投影仪到达对应曝光位, 每层成型M张单元位图, 拼接构成一层切面薄片, 切面薄片的拼接位置逐层错开, 叠加生成三维模型实体. 实际打印结果表明, 该方案能够以较小的附加成本扩大成型尺寸, 提高模型整体质量.

文章导读

3D打印是一种增材制造技术(Additive manufacturing, AM)[1-3], 依据分层制造的原理, 采用精确堆积的方式, 逐层累加材料构造三维模型实体[4-6]. 相较于传统制造方式, 该技术简化了开模和试模的过程, 缩短产品研制周期, 减少材料浪费, 能够快速构建内部结构非常复杂的物体[7]. 近几年, 由于设备价格下降以及相关开源项目出现, 3D打印技术得到了广泛的关注[8].

基于数字光处理(Digital light processing, DLP)的3D打印技术使用DLP投影设备将三维模型切片的掩膜图案以紫外光投影到液态光敏树脂表面, 使树脂发生聚合反应生成固化层, 叠加固化层即可构造三维模型实体[9]. 该技术具备打印精度高、成品表面光洁度好的突出特点, 在精密铸造、生物医疗等方面应用广泛[10], 成为当前3D打印行业研究的重点. 但DLP型3D打印机受限于投影仪的投影尺寸, 很难完成较大模型的成型工作[11]. 目前DLP型3D打印机在大幅面成型领域的研究, 大多通过单投影仪移动拼接或多投影仪协同投影的方式扩大成型幅面, 而对投影拼接带来的接缝问题的研究相对较少. 模型成品上的接缝不仅影响其表面质量, 接缝处还存在应力集中问题, 影响模型的机械强度. 因此, 针对DLP型3D打印机的大幅面移动拼接及接缝消除方案的研究, 对于提高模型质量具有重要意义. 在大幅面拼接成型方面, Smith[12]在机械系统上安装投影设备, 并控制投影设备在X轴和Y轴上移动, 扩大了投影幅面. Wu等[13]设计出Delta DLP 3D打印机, 使用三个机械臂带动成型平台移动拼接. 接缝处理方面, Wu等[14]提出多投影设备能量均匀方案, 使相邻设备的投影面部分重叠, 并调整重叠处图案的灰度掩膜, 从而输出能量均匀的紫外光, 一定程度上改善了接缝问题; 但基于该方案设计的机器, 成型尺寸的扩大依赖于曝光设备的增加, 成本较高, 增加了设备维护的难度.

为此, 本文采用移动拼接成型的方案进行大幅面DLP型3D打印机结构的设计. 通过水平移动DLP投影仪, 构成更大的投影幅面, 从而扩大成型尺寸. 针对接缝问题, 提出了错位均摊接缝消除方法(Seam elimination method by staggered splicing, SS-SEM), 该方法对3D打印流程进行优化, 将接缝位置均匀分散到模型各层的不同位置, 使误差分散、均摊, 从而获得更好的打印效果. 该方案能够以较小的附加成本扩大成型尺寸, 较好地解决接缝问题, 提高模型质量, 同时减少了硬件复杂度, 具有很好的可扩展性.

本文结构安排如下: 第1节给出大幅面DLP型3D打印机的结构设计与成型过程; 第2节分析接缝问题的机理, 并阐述错位均摊接缝消除方法SS-SEM处理接缝问题的核心思想; 第3节给出SS-SEM算法原理与实现方法, 包括三维模型错位切分的算法原理、实现方法, 以及基于SS-SEM的移动拼接成型方法等; 第4节设计多组实验, 并在自主研发的3D打印平台上对SS-SEM方法进行效果评估以及对比分析; 第5节对全文进行总结.

图 1  3D打印机机械示意图

图 2  3D打印成型过程

图 3  投影面拼接示意图

针对基于DLP技术的3D打印机成型尺寸较小的问题, 采用移动拼接的方法, 通过移动DLP投影仪扩大投影范围, 打破DLP投影仪对3D打印机成型尺寸的限制. 针对由于屏幕畸变、安装误差导致的采用移动拼接方法打印模型会出现接缝的问题, 基于错位均摊的原理, 提出了SS-SEM算法: 首先使用垂直于Z轴的平面将模型均匀切片得到N层切片的切面位图, 并对切面位图进行错位切分, 每一层切面位图得到拼接位置与相邻层错开的M张单元位图并记录单元位图的信息, 单元位图的有序集合及其信息构成了移动错位拼接成型的数据源; 其次采用移动错位拼接成型的方法, 根据单元位图的信息定位其曝光位置, 控制投影仪沿着X轴移动, 实现单元位图的错位成型; 最后逐层叠加固化膜可生成三维模型的实体.

使用了多组三维模型对SS-SEM方案的效果进行评估, 由实验结果可知, SS-SEM方案打印出来的模型不会出现明显的接缝区域, 仅在成型的模型表层(常见厚度如0.05 mm)出现一条不明显的接痕, 模型成品的表面更平整, 表面质量更好. 错位的方法让接缝误差不会在一处累积, 相较于未处理接缝处的模型成品, SS-SEM方案打印出来的模型应力集中问题有所改善, 机械强度也有所提高, 达到了提升模型整体质量的目标.

此外, SS-SEM方案具有良好的可扩展性, 当需要打印更大幅面的模型时, 仅需要增加DLP投影仪移动的次数. 具体的改动为: 机械设计上扩展DLP投影仪移动范围以及成型台面大小; 软件上切片预处理程序给出了参数配置接口、重设切片块数等参数.

作者简介

张蓉

苏州大学计算机科学与技术学院硕士研究生. 主要研究方向为嵌入式系统及应用, 物联网技术和3D打印技术. E-mail: 20174227024@stu.suda.edu.cn

王宜怀

苏州大学计算机科学与技术学院教授. 主要研究方向为嵌入式系统及应用, 物联网技术, 工业控制和人工神经网络及信息处理. 本文通信作者. E-mail: yihuaiw@suda.edu.cn

彭涛

苏州大学计算机科学与技术学院博士研究生. 主要研究方向为物联网技术, 人工智能和医学图像处理. E-mail: sdpengtao401@gmail.com

徐昕

苏州大学计算机科学与技术学院硕士研究生. 主要研究方向为物联网技术, 人工智能和3D打印. E-mail: 20175227038@stu.suda.edu.cn

王绍丹

苏州大学计算机科学与技术学院研究实习员. 主要研究方向为物联网技术, 人工智能. E-mail: wang_shaodan@suda.edu.cn