多色感光性樹脂3Dプリンターの設計と実装

出典: DLP Projection

要約：液体感光性樹脂を原料とする3Dプリントにおける多色印刷と原料リサイクルの問題に焦点を当て、感光性樹脂の形成モードと硬化メカニズムを分析し、ステレオリソグラフィー（SLA）技術とデジタル光処理（DLP）技術を詳細に研究します。 DLP技術に基づく多色感光性樹脂3Dプリンターを提案し、高解像度DLPプロジェクターの動作原理と回路設計について詳しく説明します。 4色感光性樹脂3Dプリントの総合的なソリューションを提示し、印刷原料の自動リサイクル装置を設計します。研究結果によると、DLP技術を使用した感光性樹脂3Dプリントの印刷速度はSLA技術よりもはるかに速く、同時に高解像度3Dプリントの要件を満たしています。DLP技術に基づく多色感光性樹脂の使用により、多層カラープリントと原材料の自動リサイクルが実現し、ラピッドプロトタイピング製造技術の要件を満たし、3Dプリントのインテリジェント化と自動化を実現し、期待される目標を達成できます。

液状感光性樹脂を原料とする3Dプリンターは、紫外線（UV）下で感光性樹脂を硬化させる3Dプリント技術をベースとしています。硬化が速く、成形精度が高く、表面仕上げが良好で、物体の機械的強度が高く、ABSのような性能特性を持つなどの利点があり、主流のラピッドプロトタイピング装置に適しています。感光性樹脂は一般に低粘度の液体であり、高強度、耐高温性、防水性などの材料の製造によく使用されます。感光性樹脂は、ポリマーモノマーとプレポリマーで構成され、これに紫外線開始剤（または光増感剤）が添加されており、特定の波長（250 nm〜400 nm）の紫外線を照射すると、直ちに重合反応が起こり、硬化プロセスが完了します[1]。

感光性樹脂は古くて新しい材料であり、一般的な硬化材料と比較して、光硬化材料には次のような特徴があります。
（１）硬化速度が速く、４秒～１０秒以内に硬化できるため、即時硬化が必要な場面でも使用可能である。
（２）熱源を必要としないので温度制御の問題がない。
（３）多色印刷を実現するために、様々な色を用意することができる。近年、3Dプリンターでは感光性樹脂が広く使用されていますが、そのほとんどはモノクロのプリントです[2]。本研究では、色調整された液体感光性樹脂を原料として多色印刷を実現し、感光性樹脂3Dプリンターをさらに改良します。

1. 感光性樹脂3Dプリンターの原理 感光性樹脂 3D プリンターは、使用する光源に応じて、SLA と DLP の 2 種類のデジタル光加工機に分けられます。

1.1 SLAテクノロジーステレオリソグラフィー技術の光源は UV (紫外線) レーザーです。レーザービームは数値制御装置を介してガルバノメータの走査を制御し、設計された走査経路に従って液状の感光性樹脂の表面に照射され、表面の特定の領域の樹脂が固化されます。各層が処理された後、オブジェクトの断面が生成され、次にリフティングプラットフォームが一定距離下げられ、固化した層の上に別の液体樹脂の層が覆われ、次の層がスキャンされます。後続の凝固層は先行する凝固層と強固に結合し、層ごとに積み重ねることで立体的なワークの原型を形成します。

SLA 技術は、感光性樹脂のレーザー照射を使用します。レーザーヘッドは、モデルスライスによって生成された G コードに従って、モデルセクションの各層を点から線、そして表面へと順にスキャンします。レーザーによって照射された感光性樹脂はすぐに固まりますが、SLA の各層はブラシで均等に削る必要があります。高速スキャンを実現するために、レーザーで発生したレーザー光をガルバノメータでX方向、Y方向に順次反射させ、樹脂表面に照射します。 SLAの特徴は、成形精度が高いことです。高精度の工業用光硬化機のほとんどがSLAを採用しています。 SLA 印刷技術は FDM タイプの 3D 印刷技術に似ているため、成形プロセスの各層は軌道に沿って点ごとに固化され、速度は比較的遅くなります。

1.2 DLPテクノロジーデジタル光処理技術 3D プリンターの光源はプロジェクターから供給されます。プロジェクターは、モデルの断面を平面画像として液体樹脂に照射して固めます。このようにして、一度に 1 つの表面が形成されます。印刷時間は、印刷するオブジェクトの層の高さにのみ依存します。そのため、印刷速度は SLA よりも高速です。この方法により、小ロットのラピッドプロトタイピング生産を実現できます。

DLP 3D プリンターは、トッププロジェクションタイプとボトムプロジェクションタイプに分けられます。トッププロジェクション 3D プリンターの DLP プロジェクターは対象物の上にあります。これは SLA 3D プリンターの構造に似ていますが、DLP プロジェクターが上部のレーザーとガルバノメーターデバイスに取って代わる点が異なります。底面投影型とは、プロジェクターが下部にあり、樹脂タンクの底部が透明で、タンクに物が付着しないように内部が離型フィルムやシリコンで覆われているタイプです。各層が固まった後、ビルドテーブルを層の厚さに応じて上げたり下げたりすることができます。型を完全に離型し、底部の樹脂を補充するために、最初に上昇させてから下降させる方法が一般的に採用されています。たとえば、層厚 0.1 mm で印刷する場合、最初に 5 mm 上昇させてから 4.9 mm 下げます。下向き投影型DLPプリンターの離型フィルムやシリコンも、繰り返し使用すると摩耗するため、消耗品とみなされます。

トッププロジェクションタイプの利点は、離型の問題がなく、成形面が常に液面にあり、成形後にモデルが樹脂に浸かっていることです。樹脂の表面張力は成形層の厚さと成形効果に影響を与えるため、産業用 DLP には追加のスクレーパー装置が備えられています。成形プラットフォームが下降するたびに、スクレーパーが液面を水平にし、樹脂の表面張力の影響を軽減します。

2. DLPプロジェクター 従来のプロジェクターのほとんどは、液晶の電気光学効果を利用して回路を通じて液晶ユニットの透過率と反射率を制御し、画像を生成する LCD 技術を使用しています。 LCDプロジェクターの主な撮像素子は液晶パネルです。感光性樹脂の3DプリンターにLCDプロジェクターを使用すると、解像度が低い、サイズが大きい、ランプ寿命が短いなどの問題があります。現在、DLP プロジェクターは小型で高解像度のプロジェクターであり、平面光硬化 3D プリントに非常に適しています。DLP 投影技術は、デジタルマイクロミラーデバイス (DMD) を主要なキーコンポーネントとして使用して、デジタル光学処理を実現します。

2.1 DMDデバイス
DLP プロジェクターは、光学デジタル反射を使用する新しいタイプのデバイスです。DLP プロジェクターの重要なイメージングデバイスである DMD は、1987 年に TI の Dr HORNBECK L によって発明されました。 DMDは2ビットパルスで制御される半導体デバイスで、高速反射デジタルスイッチング性能を持ち、光源を正確に制御できます。基本的な原理は、DMD コンポーネントに光線を投影し、マイクロミラーの偏向角を制御して、発光する必要のあるピクセルをスクリーンに投影し、発光する必要のないピクセルを光吸収プレートに反射することです。 2 ビット制御マイクロミラーを図 1 に示します。

図 1: 2 ビット制御マイクロミラー DMD デバイス内の各マイクロミラーには、偏向ブラケット、ヒンジ、スプリングなどの複雑なマイクロエレクトロメカニカル制御デバイスが搭載されています。各マイクロミラーの下には 2 つの電極があり、電極に印加される電圧によってマイクロミラーの偏向角が ±12° の範囲で制御されます。したがって、マイクロミラーの偏向角はマイクロミラーの電極にかかる電圧によって制御され、高精度の制御能力と無制限の偏向寿命を実現します。 DMD には、200 万個を超える正方形のマイクロミラーがマトリックス状に配置されています。マイクロミラーのサイズは髪の毛の 1/10 に相当します。各マイクロミラーは、生成された画像のピクセルに対応します。マイクロミラーの数によって、DLP プロジェクターの物理的な解像度が決まります。

2. 2 マイクロミラーの動作原理 DMD チップでは、マイクロミラーが最小の動作単位です。マイクロミラーの主な機能は光を反射することであり、その偏向角度は +/- 12° に達します。マイクロミラーの動作概略図を図 2 に示します。

図2：マイクロミラーの動作状態の概略図マイクロミラーがオン（+12°）になると、入射光（光源）の入射角は12°に達し、反射角も12°に達し、両者の合計は24°になります。マイクロリフレクタは、光源からの入射光の大部分を投影レンズに反射し、このとき光エネルギーは最大になります。マイクロリフレクタが閉じた状態（-12°）にバイアスされている場合、マイクロリフレクタは入射光の大部分を光吸収板に反射し、投影レンズ上の光エネルギーは非常に小さくなり、明るさは最低になります。このことから、+/- 12°の偏向しか提供できないマイクロミラーは、実際には72°の動作範囲を提供することがわかります。マイクロミラーは電極によって制御され、無段階の反転を実現できると見なすことができるため、1つのピクセル内で非常に高い輝度制御範囲を提供でき、高コントラストを実現することが容易になります[3]。

2. 3 DLPプロジェクターシステムの構造 DMD チップ内の膨大な数のマイクロミラーは電極によって制御され、これらの電極は基盤となる CMOS 制御回路とミラーリセット信号のバイナリ状態によって個別に制御されます。これらのマイクロミラーは 16 個の個別のリセットブロックで駆動され、グローバルに、または 1 つずつアドレス指定できます。

TIは、DLPプロジェクターを実装するためのDMDデバイス用のシステム設計ソリューションも提供しています[4]。たとえば、TI の DLP4500FQE は、WXGA 解像度 (1,280 × 800)、最大 500 ルーメンの明るさ、24 ビット DDR (ダブルデータレート) データバス、80 MHz ～ 120 MHz の入力データクロックレート、および内部に統合されたマイクロミラードライブ回路を備えたデジタルマイクロミラーデバイス (DMD) です。 TI は、DLP4500 デジタルマイクロミラーデバイス (DMD) 専用に提供されるデジタルコントローラである、DMD デバイス用のコントローラ DLPC350 も提供しています。 DLPC350 コントローラは、DMD 間の便利な多機能インターフェイスを提供し、高速データ転送、LED 制御、複数の入力形式のデータを可能にします。

DLPC350 デジタルコントローラの機能は次のとおりです。
（１）高速グラフィック表示用DLP4500DMD解像度（912×1140）に対応。最大 4225 Hz のバイナリ画像レート、最大 120 Hz の 8 ビットグレースケール画像レート、マイクロミラーによる 1 対 1 の入力マッピング、複数のビット深度と一連のパターンにおける発光ダイオード (LED)。
（２）カメラやセンサーとの同期が容易。 2 つの設定可能な入力トリガー、2 つの設定可能な出力トリガー、4 つの完全にプログラム可能な汎用入力および出力 (GPIO) 信号。
（３）グラフィック処理用の32KBの内部RAM。最大 48 個の 1 ビットパターンを保存できます。外部の揮発性メモリは不要です。最大 64 MB のフラッシュメモリをサポートし、パターン保存能力が向上します。
（４）複数の設定インターフェースUSB ベースの API とホスト GUI、2 つの I2C ポート、LED パルス幅変調 (PWM) ジェネレーター。
（５）ビデオ投影動作モード10 Hz ～ 120 Hz のフルカラーフレームレート、YUV、YCrCb、または RGB 入力データ形式、広範囲のビデオ処理機能。
（６）マイクロミラードライバを内蔵。
（７）統合クロック生成。 DLPC350で構成されたDLPプロジェクターの回路原理を図3に示します。

図3: DLPプロジェクターの回路図
3. マルチカラー3Dプリントの実現 現在、色調整可能な感光性樹脂材料があり、5色の感光性樹脂材料は、ユーザーのニーズに応じて好みの色に調整できます。現在、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの感光性樹脂材料が販売されています。

多色印刷を実現するには、異なる色の感光性樹脂タンクを複数使用するのが一番簡単な方法です。例えば、4 色印刷を実現するには、回転クロスに 4 つの感光性樹脂タンクを設置し、それぞれに異なる色の感光性樹脂を入れます。4 色印刷の原理図を図 4 に示します。

図 4: 4 色印刷の原理 1 色の材料が印刷されると、別の材料が入った樹脂タンクがモータードライブによってビルドテーブルの下部に回転し、前の材料を引き継いでプロジェクターによって引き続き照射されるため、印刷ジョブを続行できます。

各樹脂タンクをビルドプラットフォームの下で正しい位置に回転させることができるように、回転可能な「クロス」に 4 つの位置決め穴があり、「クロス」の 4 つの隙間は金属板で覆われています。赤外線光源を使用して位置決め穴を通過し、下の赤外線感光管が赤外線を受信して、樹脂タンクが所定の位置にあるかどうかを判断します。ステッピングモーターを駆動している間、マイクロコントローラーは感光管からの信号を継続的に検出します。赤外線が受信されると、樹脂タンクが所定の位置にあることを意味し、ステッピングモーターの回転が停止します。可視光からの干渉を避けるために赤外線検出方式を採用しています。この方法を使用することで、最終的に樹脂タンクのトラブルのない自動交換が実現します。

回転可能な「クロス」液体タンク構造により、層間で異なる色の印刷を実現でき、構造がシンプルで、操作が安定して信頼性があります。しかし、異なる色のタンクを切り替えると、前のタンクの液体が成形品の表面に付着し、次のタンクに運ばれ、色汚れが発生します。色汚染の問題を克服するために、小型 3D プリンターの上部ブラケットに回転可能なエアノズルを追加することができます。スロットを切り替えると、オブジェクトは前のスロットから持ち上げられ、エアノズルはガスジェットを使用して成形オブジェクトの周囲をクリーニングし、次のスロットに移動して印刷を続行します。

4. 液状樹脂自動回収装置 あらかじめ入れておく感光性樹脂の量を正確に見積もることは難しいことが多いため、あらかじめ入れておく感光性樹脂が多すぎると無駄になりやすく、少なすぎると不足してしまいます[5-6]。
無駄を避けるために、本研究では図5に示すように自動液体樹脂回収装置[7]を設計した。

感光性樹脂インテリジェント制御装置は、液体感光性樹脂貯蔵タンク、液体添加バルブ、U字管液面検出装置、ガス圧力センサー、樹脂回収ポンプ、およびシングルチップマイクロコンピュータコントローラから構成されている[8]。

プリンターの液体感光性樹脂タンク内の液体樹脂は、液体貯蔵タンク内の液体感光性樹脂によって供給されます。マイクロコントローラーが液体充填バルブを開いている限り、プリンターの液体樹脂タンクは液体で満たされます。同時に、液体感光性樹脂タンク内の液体樹脂もU字型タンクを通ってガス圧力センサーに流れます。ガス圧力センサーが感知する圧力は、液体感光性樹脂タンク内の液体樹脂の高さに比例します。同時に、マイクロコントローラコントローラは、ガス圧力センサーによって検出された圧力に応じて感光性樹脂の量を制御します。液体感光性樹脂タンクに追加された液体樹脂が規定量に達すると、マイクロコントローラは液体添加バルブを閉じる信号を出力し、バルブが閉じられ、液体の添加が停止されます。

印刷が完了すると、液体感光性樹脂タンクに残っている液体樹脂は、U 字管の下の回収樹脂ポンプによって液体貯蔵タンクに送り込まれ、無駄がなくなります。回収樹脂抽出ポンプもシングルチップマイコンで制御されており、同様にガス圧センサーで検知した圧力に基づいて、残りの液体樹脂が抽出されたかどうかをシングルチップマイコンが判断します。

5. 結論近年、わが国は3Dプリント技術と設備の発展において大きな進歩を遂げてきましたが、先進国と比較すると依然として一定の格差があり、主に高精度3Dプリント技術が比較的弱いこと、成形材料の種類が少ないこと[9]、カラー3Dプリントが依然として需要を満たしていないこと[10]に現れています。

本研究では、マルチカラー感光性樹脂3Dプリンターのコア技術、特に高解像度DLPプロジェクターを使用して高速印刷を実現する技術、液体感光性樹脂を使用してマルチカラー印刷を実現する方法、色間の汚染問題を克服する方法、残留液体樹脂の自動回収装置について洞察に満ちた議論を行っています。これにより、真にインテリジェントなマルチカラー3D印刷が実現され、カラー3D印刷技術の研究を導き、カラー3D印刷技術の発展を加速することを目指しています。

参考文献:
[1] Shao Zhongkui、Jiang Yaolin. 光硬化型3Dプリンターの主要技術の研究[J]. 機械電気工学、2015、32(2): 180-184。
[2] 郭天熙、陳秋。ステレオリソグラフィー（SLA）用感光性樹脂の研究現状と展望[J]。杭州師範大学誌（自然科学版）、2016年、15（2）：143-147。
[3] 方浩波、陳紀敏。デジタル光処理技術に基づく3D印刷技術[J]。北京理工大学学報、2015年、41(12):1775-1782。
[4] TI. DLP4500 3Dプリンターソリューション[J]. World Products and Technologies, 2015 (8): 8-11.
[5] Yang Hesheng、Zhao Wenhao、Song Jie、et al. アームレス並列構造に基づくデスクトップ3Dプリンター [J]. 機械、42 (2): 36-40。
[6] 金嘉奇、宋俊峰、孫鋒、他「ステレオリソグラフィー技術の材料節約に関する研究[J]」機械技術者、2015(8):123-126。
[7] 楊文龍.感光性樹脂3Dプリンター制御装置[P].中国:20692113.7,2016-7-2.
[8] 楊文龍. シングルチップマイクロコンピュータとアプリケーションシステム設計の原理[M]. 北京：清華大学出版局、2011年。
[9] Zhu Zhu、Lei Lin、Luo Xiangdong。エネルギー材料3Dプリント技術と応用の現状に関する研究[J]。Ordnance Automation、2016、35(6):52-55、70。
[10] He Minhong、Song Kun、Mo Hongbin、et al. 3Dプリンティング用感光性樹脂の研究の進歩[J]。Journal of Functional Polymers、2015、28(1):102-108。

多色感光性樹脂3Dプリンターの設計と実装

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