榮左超,王金成,賴永輝

(上海聯(lián)泰科技股份有限公司,上海 201612)

0 引言

3D打印是一項(xiàng)迅速發(fā)展的新興快速制造技術(shù),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)[1]、醫(yī)療[2]、陶瓷[3]、微電子[4]等領(lǐng)域。相比其他類型的3D打印機(jī)技術(shù),基于DLP(Digital Light Processing,數(shù)字光處理)的面曝光3D打印具有成型速度快、高表面質(zhì)量、高尺寸精度的優(yōu)勢[5]。由于DLP光機(jī)的技術(shù)條件限制,其投影出的光強(qiáng)在整個打印幅面上分布并不均勻,導(dǎo)致不同區(qū)域的成型尺寸和表面質(zhì)量有所差異[6],為此,本文提出一種面曝光3D打印機(jī)光強(qiáng)均勻性校正技術(shù),以提高打印機(jī)整幅面出光的均勻性。

1 校正原理

面曝光3D打印機(jī)依靠DLP光機(jī)的投影成像來將光固化樹脂進(jìn)行固化成型,DLP出光成型原理如圖1所示。其中,投影圖像具有灰度等級(通常是8位深度),DMD(Digtial Micromirror Devices,數(shù)字微鏡器件)芯片[7]是一種電子輸入、光學(xué)輸出的微機(jī)電系統(tǒng),用于接收圖像信號并在外界光照射下將圖像投影顯示,其表面有許多小型反射鏡面,每個鏡面為一個像素;光源發(fā)出的光經(jīng)過光源光學(xué)器件整形后照射到DMD芯片上,DMD根據(jù)待投影的圖像每個像素的灰度等級調(diào)整各個發(fā)射鏡面的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)和占空比,投影出具有不同光強(qiáng)的調(diào)制光[8],調(diào)制光經(jīng)過成像光學(xué)器件整形后成像在打印機(jī)的成像面上。因此,可以通過修正待投影圖像每個像素的灰度值來實(shí)現(xiàn)對打印機(jī)成像面上的光強(qiáng)均勻性校正。

圖1 DLP出光成型原理

校正過程分為兩步:①標(biāo)定過程,設(shè)計一套光強(qiáng)測量工裝,在打印機(jī)出廠前,利用對打印機(jī)整幅面的各個區(qū)域出光光功率進(jìn)行測量,利用測量數(shù)據(jù)擬合出打印機(jī)的出光強(qiáng)度分布曲面,以該曲面上光功率最弱點(diǎn)為基準(zhǔn)計算得到打印機(jī)投影的灰度掩膜圖像;②修正過程,實(shí)際使用中,使用該掩膜圖像對待投影圖像進(jìn)行灰度值修正,得到實(shí)際投影圖像并由打印機(jī)投出,使得投影成像圖像各個區(qū)域的光強(qiáng)趨于一致[9]。

2 校正方案

2.1 測量工裝方案

用于進(jìn)行打印機(jī)整幅面不同區(qū)域光功率的測量工裝如圖2所示。其中,定位板放在打印機(jī)的成型平臺上并被打印機(jī)固定,其上的定位孔用于提示操作人員如何實(shí)現(xiàn)工裝在打印機(jī)上定位,以保證后續(xù)功率檢測部件能正確檢測到測量位置的光功率;定位板上的多個透光孔使得打印機(jī)投出的光能照射到光強(qiáng)測量部件上;光強(qiáng)測量部件用于測量打印機(jī)成像面上不同位置的光功率;定位板上有多個定位銷孔,與功率檢測部件的彈簧銷(圖3)配合,使得功率檢測部件可以快捷而且準(zhǔn)確地運(yùn)動到測量位置,并提示操作人員可以執(zhí)行測量操作:導(dǎo)軌固定在定位板上,滑塊沿著導(dǎo)軌帶動功率測量部件在打印成像幅面上移動;限位銷保證功率測量部件不會運(yùn)動到導(dǎo)軌以外。

圖3 光強(qiáng)測量部件

光強(qiáng)測量部件的底面如圖3所示,其上安裝有4個光功率傳感器用于同時測量4個不同部位的光強(qiáng),彈簧銷實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)測量部件在定位板上進(jìn)行定位。當(dāng)彈簧銷進(jìn)入定位板的定位銷孔時,光功率傳感器正好對準(zhǔn)透光孔。為了減少后續(xù)的計算誤差,4個光功率傳感器在同一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備上進(jìn)行校準(zhǔn)以保證每個傳感器的測量值一致。

在實(shí)際工作中,需要將工裝固定在打印機(jī)上,如圖4所示,此時,光功率傳感器的感光面和打印機(jī)的成像面處于同一水平面上。

2.2 標(biāo)定流程

對打印機(jī)執(zhí)行光強(qiáng)均勻性標(biāo)定的流程如下:

a)將工裝擺放在打印機(jī)的工作平臺上,打印機(jī)投出與測量工裝上定位孔尺寸位置相同的定位點(diǎn)的定位圖像,如圖5所示,圖中的4個白色原點(diǎn)為定位點(diǎn);

圖5 定位圖像圖6 標(biāo)定圖像

b)不停地調(diào)整工裝在打印機(jī)工作平臺上的擺放位置,直到打印機(jī)投影的定位圖像的定位與工裝的定位孔重合,將工裝固定在打印機(jī)上;

c)打印機(jī)投影出具有多個標(biāo)定點(diǎn)的標(biāo)定圖像,如圖6所示,在圖像寬度方向上,標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)量與測量工裝上的定位銷孔數(shù)量相同,在圖像高度方向上,標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)量與測量工裝上的光功率傳感器數(shù)量相同,圖中的24個白點(diǎn)為標(biāo)定點(diǎn);

d)移動光強(qiáng)測量組件,直到其彈簧銷進(jìn)入定位板的定位銷孔,讀取并記錄當(dāng)前所有標(biāo)定點(diǎn)下光功率傳感器的數(shù)值;

e)重復(fù)步驟d),直到圖6中所有的標(biāo)定點(diǎn)都測量完畢;

f)根據(jù)所有的標(biāo)定點(diǎn)在投影圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及測量得到光功率值,使用多項(xiàng)式曲面進(jìn)行擬合[8],經(jīng)過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)嘗試測試發(fā)現(xiàn),X項(xiàng)最高次數(shù)為4、Y項(xiàng)最高次數(shù)為3得到的擬合曲面效果較佳,其表達(dá)式如式(1)所示。式中,x、y為圖像的像素坐標(biāo),a0～a13為擬合出的曲面系數(shù),power(x,y)為擬合出的光功率值:

power(x,y)=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2+a6x3+a7x2y+a8xy2+a9y3+a10x4+a11x3y+a12x2y2+a13xy3

(1)

g)取實(shí)際測量的最小功率minPower為基準(zhǔn),建立一幅和打印機(jī)幅面相同的8位灰度掩膜圖像,通過式(2)計算該圖像中各像素點(diǎn)的灰度值gray(x,y),式中,power(x,y)通過式(1)計算得到;

gray(x,y)=255·minPower/power(x,y)

(2)

h)保存步驟g)的圖像,作為標(biāo)定結(jié)果,用于后續(xù)的光強(qiáng)均勻性校正。

2.3 校正流程

在打印機(jī)投影圖像時,使用標(biāo)定得到的灰度掩膜圖像對原始圖像中的每個像素執(zhí)行式(3)的計算,得到校正圖像。式(3)中,x、y為圖像像素坐標(biāo),org(x,y)為原始圖像像素點(diǎn)灰度值,gray(x,y)為灰度掩膜圖像像素點(diǎn)的灰度值,dst(x,y)為校正圖像像素點(diǎn)的灰度值。打印機(jī)將校正圖像投影出,在打印機(jī)的成像面上便得到光強(qiáng)比較均勻的投影成像圖像。

dst(x,y)=org(x,y)·gray(x,y)/225

(3)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研制出的光強(qiáng)測量工裝如圖7所示,該工裝具有4個光功率傳感器,一共測量打印機(jī)成像面上24個點(diǎn)的光功率。

圖7 研制出的測量工裝

使用該工裝對一臺分辨率為1920×1080,成型幅面為144mm×81mm的打印機(jī)進(jìn)行光功率測量,打印機(jī)投影的標(biāo)定點(diǎn)為直徑20像素的圓。得到24個標(biāo)定點(diǎn)的光功率數(shù)據(jù)后使用式(1)進(jìn)行曲面擬合,結(jié)果如圖8所示。圖中最大光功率為179.098 μW,最小光功率為145.582 μW,光強(qiáng)均勻性為145.582/179.098=81.3%。

圖8 原始光功率分布

使用式(1)-式(3)計算得到掩膜圖像,如圖9所示。與圖8對比可以發(fā)現(xiàn),打印機(jī)光功率較大的區(qū)域(X、Y坐標(biāo)均較大的區(qū)域)對應(yīng)的掩膜圖像的灰度值較低。

圖9 掩膜圖像

使用圖9的掩膜圖像對打印機(jī)的標(biāo)定圖像進(jìn)行光強(qiáng)均勻性校正得到校正圖像,將該校正圖像投影,使用光強(qiáng)測量工裝重新測量各個標(biāo)定點(diǎn)的光功率,并再次使用式(1)進(jìn)行曲面擬合,結(jié)果如圖10所示。圖中最大光功率為151.368 μW,最小光功率為140.713 μW,光強(qiáng)均勻性為140.713/151.368=93.0%。

圖10 校正后的光功率分布

4 結(jié)束語

本文針對面曝光3D打印機(jī)投影幅面各個區(qū)域光強(qiáng)分布不均的問題,提出一個均勻性校正方法,并開發(fā)出一套方便使用的光強(qiáng)測量工裝,以解決由于光強(qiáng)不均而導(dǎo)致的打印質(zhì)量問題。對一臺3D打印機(jī)進(jìn)行均勻性校正實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,將該打印機(jī)的光強(qiáng)均勻性(最小值/最大值)由原始的81.3%提升到校正后的93.0%。本文中的光功率采樣點(diǎn)為24個,多項(xiàng)式擬合光功率曲面的X項(xiàng)最高次數(shù)為4,Y項(xiàng)最高次數(shù)為3,如果打印機(jī)自身的光強(qiáng)分布比較復(fù)雜,可以增加采樣點(diǎn)及多項(xiàng)式擬合光功率曲面的X項(xiàng)、Y項(xiàng)的最高次數(shù),以進(jìn)一步提高打印機(jī)的出光均勻性。