【摘要】：以減材方式為代表的傳統(tǒng)制造在加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)常遇到本質(zhì)的技術(shù)困難。工業(yè)界需要尋求一種新的技術(shù),3D打印作為一種增材制造方法,它的出現(xiàn)很好地解決了上述問題。3D打印極大地降低了加工過(guò)程設(shè)計(jì)難度。商用的3D打印技術(shù)打印的物品尺寸相對(duì)較大,一般在幾十厘米左右,精度多在幾十微米到幾百微米之間。針對(duì)這一問題,本文主要研究微米精度3D打印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建。微米3D打印技術(shù)主要分為兩大類:光斑掃描式微米3D打印以及一次性投射成像式微米3D打印。經(jīng)典的光斑掃描式微米3D打印系統(tǒng)包括單光子吸收聚合物微米3D打印和雙光子聚合微米3D打印。一次性投射式微米3D打印利用空間光調(diào)制器,將二維圖案一次性投射到光固化材料表面。后者相對(duì)于前者在保證了打印精度的同時(shí)也極大的提升了打印速度。一次性投射式微米3D打印系統(tǒng)的空間光調(diào)制器一般采用LCD(Liquid Crystal Display)或者DMD(Digital Micro-Mirror Device)。透射式的LCD器件對(duì)比度較低,使有效光能量在經(jīng)過(guò)光學(xué)元件后衰減,存在投影影像不夠細(xì)致的問題。DMD相對(duì)LCD具有更高的對(duì)比度和光使用率。DMD是一種基于半導(dǎo)體技術(shù),由高速數(shù)字式光反射陣列組成的器件。本文設(shè)計(jì)的基于DMD的微米3D打印系統(tǒng)期望通過(guò)DMD將預(yù)先存入系統(tǒng)中的待打印圖形成比例的一次性投射到光敏樹脂材料表面進(jìn)行曝光,期望達(dá)到的最終曝光精度在微米量級(jí)。本文系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器DMD、光成像模塊、光源模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、光敏材料添加以及系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件。其中DMD芯片及其電路板和多個(gè)光學(xué)調(diào)整架進(jìn)行組裝,最終使DMD鏡面能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、θ_y、θ_z五軸方向的調(diào)整;光成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于無(wú)限遠(yuǎn)校正顯微成像原理,其部件主要包括套筒透鏡、非偏振分束鏡、顯微鏡物鏡等;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括Arduino單片機(jī)、XYZ三軸電動(dòng)平移臺(tái)等;控制軟件中,使用C#編寫上位機(jī)軟件,C++編寫下位機(jī)(Arduino)軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)控制。第一款軟件支持系統(tǒng)單層曝光一張圖片,第二款軟件支持單層較大圖形的分塊曝光。另外,在材料選取的過(guò)程中,需要注意多重因素包括光源照射劑量、照射強(qiáng)度以及外部條件如空氣中的氧氣等各種問題。最終系統(tǒng)能夠成功運(yùn)作并打印產(chǎn)品。
【圖文】：

傳統(tǒng)的制造方式有包括手工制作，銑床加工在內(nèi)的多種方式，但卻無(wú)法克服需要技術(shù)傳承、精度低、速度慢等多種問題。特別是，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的加工，以減材方法為主的傳統(tǒng)加工技術(shù)有著本質(zhì)的缺陷。快速成型(rapid prototyping)作為一種增材制造技術(shù)，它的出現(xiàn)很好地解決了上述問題，它可以在無(wú)需刀具模具等設(shè)備的情況下，直接導(dǎo)入產(chǎn)品的 CAD 數(shù)據(jù)，然后制造出成品。這項(xiàng)技術(shù)就是3D 打印技術(shù)的前身，目前，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療，航天，汽車，機(jī)械等多重領(lǐng)域，發(fā)揮著極其重要的作用，因此 3D 打印技術(shù)的重要性可見一斑[1]。1.2 經(jīng)典的 3D 打印模式3D 打印種類的劃分可以依據(jù)其使用能量的不同，如圖 1-1 所示劃分為：激光輻射式加工、動(dòng)能成型式加工以及復(fù)合成型式加工。下面就目前應(yīng)用最廣泛的三類 3D 打印模式做出簡(jiǎn)介。本節(jié)中，，我們主要介紹選擇性激光燒結(jié) SLS 和熔融沉積快速成型 FDM 這兩種打印方式，與本文更加密切相關(guān)的光固化 3D 打印將在下節(jié)和第二章詳細(xì)介紹。

圖 1-2 SLA3D 打印系統(tǒng)Fig.1-2 SLA3D printing system目前光固化 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用廣泛，在包括汽車、醫(yī)療器械、日用電子、航天、建筑等的眾多領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用。如下圖 1-3 所示，光固化打統(tǒng)主要有兩種工作方式：(a) 光斑掃描式以及(b) 一次性投射成像式。光斑掃打印系統(tǒng)將光源聚焦于光敏材料表面的一點(diǎn)，按照預(yù)先存入系統(tǒng)的打印圖片定光斑運(yùn)動(dòng)軌跡，在光敏材料的不同位置曝光，掃描方式可以是通過(guò)平移臺(tái)打印對(duì)象，或通過(guò)振鏡技術(shù)移動(dòng)光斑；而投射式的成型方式則為面照射成預(yù)先存入系統(tǒng)中的分層打印圖案在系統(tǒng)的空間光調(diào)制器上呈現(xiàn)出來(lái)，并將此通過(guò)光源照射成比例的一次性投射成像到光敏樹脂表面。相對(duì)于前者，后者證精度的同時(shí)還擁有打印速度上的優(yōu)勢(shì)[8]。具體介紹將在文章的第二章進(jìn)行。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.73;TN761

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7 徐克t

本文編號(hào)：2620687