单片机与微型打印机今天聊聊3D打印机的“大脑”——主控单片机|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

今天聊聊3D打印机的“大脑”——主控单片机

今天聊聊3D打印机的“大脑”——主控单片机。

1看图识物

目前市面上在售的FDM打印机主控单片机有两种，一种是MEGA2560，一种是STM32系列；

如图电路板中间黑色的集成块就是单片机；

2实际应用

3D打印机的主控单片机最常用的就是ATMEL的MEGA2560，这颗芯片时钟16M，闪存有256KB，从配置上来说并不算高，而它能够在3D打印机中有很高的占有率得益于3D打印机开源电路用的是这款单片机，而且开源软件用的Arduino也是ATMEL公司推出的，两者有搭配直接可以拿来用，上手最快。

随着这几年3D打印机的发展，逐渐有人选用了性能更高的STM32系列的单片机作为主控，时钟达到72M，闪存最高有2MB，这也为彩屏、触摸屏等比较友好的交互界面提供了基础。

3辅助电路

4维修指南

一般用户对于主控电路板是无法维修的，很难判断出是哪里出了问题，也就不好处理。在这里不做展开，如果感兴趣可以持续关注我们“一线生基”，后续会针对主控电路与驱动电路逐块展开分析。

LCD技术的光固化3D打印机

30多年前，3D打印面世那天，就是从光固化技术SLA（激光扫描）立体光刻技术开始的。所以光固化才是3D打印技术的老大。后来大家都知道的reprap的开源技术，让FDM的熔融挤出技术走向大众，SLS的烧结技术，特别作为金属烧结，使3D打印走向高端应用。光固化自身也发展也层出不穷。

光固化主流技术，第一代SLA，利用紫外激光（355nm或405nm）为光源，用振镜系统来控制激光光斑扫描，扫过之处的液体树脂就选择性固化了。第二代DLP紫外数字投影技术，利用405nm光源，通过德州仪器的数字微镜技术，选择性的将面光源投射到液态树脂使之固化。其中DLP技术包括大名鼎鼎的速度快100倍的CLIP连续打印技术。所有光固化技术的z轴方向分为两种方案：桌面型都是光源在下，通过窗口和离型膜，成型往上拉出来；工业大型的都是光源在上，成型下沉到液面以下，液面不需要离型膜。

二、LCD技术的光固化详解

光固化技术，除了SLA激光扫描和DLP数字投影，目前形成了一种新的技术，就是利用LCD作为光源的技术。LCD打印技术，最简单的理解，就是DLP技术的光源用LCD来代替。我们可以回顾光固化技术的特点，每一个光固化技术的核心都是围绕光源问题的解决方案，从激光扫描的SLA，到数字投影的DLP，再到最新的LCD打印技术。

很有意思的告诉你，其实LCD技术分为两种，两种还不一样。其分界线就是光源波长，一个是405nm紫外，一个是400-600nm可见光。LCD掩膜光固化：用405nm紫外光（和DLP一样），加上LCD面板作为选择性透光的技术，是LCD掩膜技术（LCD masking）或者行业里有很多各自的名字，例如选择数字光处理（mDLP），液晶DLP技术，紫外掩膜固化等等。

LCD掩膜技术从2013年就有人开始研制。有兴趣可以搜到最早的创客用普通电脑LCD显示器去掉背光板，加上405的LED灯珠做背光，试着打印uv树脂。z轴的解决方案无非是滑块，丝杠和步进电机，电机驱动板都可以用单片机类或者目前FDM最流行的RAMPS板解决方案。LCD的驱动其实和所有显示器的驱动一样，VGA或者hdmi接液晶驱动板再接LCD面板，背光用405nm灯泡或者LED阵列，加菲林镜片来均匀分布光照。

第一个商业用的LCD掩膜3D打印机要追溯到ibox nano，2014年的一个较为成功的kick starter众筹项目。

台最小的3D打印机，第一个最安静的打印机等等。这个机器优点很突出，比以前的DLP要好些。不足是，一个是打印尺寸太小，3寸屏幕。第二个打印精度太差，200微米的平面内精度，因为那个LCD屏幕的分辨率是比较低的。

同样是kickstarter的一个项目，当然亮点仍然如同ibox nano强调的，价格便宜但技术好，又是高精度面成型的光固化，技术成熟度也很好，参数很感人，特别是速度方面。当然如同所有桌面级别的光固化打印机，这个是上拉式，树脂槽下面是LCD板，再下面是405背光。

目前国内好几家几乎同时推出5.5寸2k屏幕的LCDMasking原理打印机，最大的特点就是，大家都用的5.5寸夏普某款2560*1440分辨率的屏幕。据说这款屏幕价格便宜，分辨率高，最有价值的一点是，能耐受高达几百小时405nm近紫外光的摧残。打印机大概长下面这样。优点很明显，树脂便宜，机器也不贵，精度比第一代SLA高多了，设备体积小，做工也比较不错。得益于开源的树莓派硬件和软件，脱机打印或者无线控制打印都实现了。

机器代号或者厂家包含：wanhao、KLD1260、YLD01、斯泰克、zhiyao、诺瓦、Easy3D.....当然还有其他不同解决方案。主要取决于采用不同屏幕作为透光的掩膜，LCD下面一般都是405led灯作为背光。这里大家自行搜索吧。

上面列了这类打印机的很多例子，总结一下优缺点：

优点：

精度高。很容易达到平面精度100微米，优于第一代SLA技术，和目前桌面级DLP技术有可比性

价格便宜。主要对比前代技术的SLA和DLP，这个性价比极其突出。

结构简单。因为没有激光振镜或者投影模块，结构很简单，容易组装和维修

树脂通用。由于采用405nm背光，所有DLP类的树脂或者大部分光固化树脂理论上都可以兼容。唯独小心某些SLA专用树脂，不一定兼容性很好，主要怕曝光不足。

同时打印多个零件不牺牲速度。因为这个和DLP技术一样，是面成型光源。

缺点：

LCD可选范围很少：这个技术关键部件LCD，需要对405光有很好的选择性透过，还要经得住几十瓦405LED灯珠的数小时高强度烘烤，还有散热和耐温性能的考验。所以不是每款LCD屏都能用的上。以上解决方案已经解决LCD选择这个重要问题了。同时，建议用户做好烧毁LCD屏虚更换的心理准备。这个LCD屏是易耗件。

LCD打印使用过程中老化。

打印尺寸偏小：这个其实没毛病，桌面机器嘛，比起DLP机器或者桌面激光SLA机器还是半斤八两的

最后一点是优点也是缺点：这些技术是开源的，技术壁垒低容易仿制，大家能共享或者DIY这种机器，只要你找到合适的屏幕。

可见光固化：另一种就是visible light cure，简写VLC，完全放弃以前所有光固化必须使用紫外光的条件，使用普通光（可见光，405nm-600nm）就可以使树脂固化，实现打印。按原理区分就是光源再一次升级，用普通的LCD显示面板，不加任何改装或改背光，直接作为光源。当然，可见光固化不只局限于LCD屏幕，可以扩展到任何显示器（等离子，CRT，背投，LED阵列，OLED）和任何投影（DLP，3LCD， Simple LCD，LCoS）以及其他任何显示技术（激光扫描成像，光纤阵列等等）。

它和上面LCDMasking的技术区别有两个：

1.使用普通LCD屏幕，无需改背光

2.可以使用投影或其他显示设备做光源

上面第一点扩展来，就是手机平板的屏幕

上面第二点扩展开来，如果使用投影，就是类似DLP技术，但不用德州仪器的DLP芯片。

Olo是第一个使用手机屏幕实现光固化的消费级打印机，是众筹网kickstarter里边智能硬件的明星项目。OLO很好的体现了VLC技术对光源的不同要求，所以普通智能手机的大屏幕都能成为打印机的光源。还有一个好处就是手机自己集成主板硬件和打印软件，那打印机就不必再装这些了。简单来说，这个光固化打印机，贵的那一半已经在你手机里（控制主板，光源，软件），便宜的那半个在那个黑盒子里（z轴平台，树脂槽，遮光罩）。我总觉得这个和google的cardboard box的VR盒子简直异曲同工！

OLO打印机对用户的意义，在于3d打印机进入大众消费，成为智能硬件。可以预料到，基于VLC树脂的3D打印机也会越来越多，核心特点就是利用各类消费级大众化的显示设备，比如平板电脑的屏幕，家用投影仪，或者手机电脑的投影仪。所以也不奇怪，平板电脑变为打印机的项目已经在国外众筹了。

最后介绍一下潘多拉。全球范围内，用可见光技术的厂家，photocentric是第一个，潘多拉是第二个，目前OLO暂且算第三个。潘多拉目前已经有量产机型。最新的是一款性价比高的10寸屏幕机器，在约200宽幅里面实现约2千个像素，精度达到100微米。目前针对创客提供了整机方案和DIY套件方案。

三、LCD光固化3D打印机回顾和展望

在3D打印技术里，相对于发展十多年的FDM成熟技术和中高端应用优势明显的SLA和DLP技术，LCD技术才刚刚开始。算上2013年第一个DIY设备或者2014年第一个商业产品，才几年时间，所以成熟度远没有其他技术成熟，设备类型也屈指可数。考虑到本身LCD显示技术发展也才是近十多年来突飞猛进的，以其为核心的这个3D打印技术才刚刚起步也不足为怪。

为什么当年光固化从SLA激光扫描开始？因为当时最好的光源只有激光，强度高，聚焦细，还能被振镜控制扫描。同时SLA技术依赖大范围投入的高端工业激光技术。一旦激光技术成熟了，我们得到了光驱技术，激光测距技术，激光切割和雕刻，还有激光（纸张）打印机，激光笔演示，当然还有我们讨论的激光SLA打印。所以说激光成熟和大众化，给我们带来了不同行业的突破性发展。不过这个突破在20年前就发生了。

激光SLA发展十多年年后才有DLP投影技术，因此目前光固化打印的很多突破都在DLP的3D打印上。DLP技术突出特点，一个是连续曝光，一个是面成型。这里包括carbon3D的连续固化CLIP技术，速度达到百倍。 CLIP必须采用连续曝光，只有DLP能做到，所以这是很重要的前提条件。同时DLP的面成型促成了很多有特色的机器，例如很多珠宝级的机器只能用DLP的原理，才能达到100微米以下的精度。SLA固有光源亮斑太大，或者小亮斑扫描时间太长，不适合超高精度打印，同时这点也制约SLS技术（都要激光嘛）；

那FDM之类的精度就更加无能为力。反过来，DLP限制了大尺寸打印的可能性。为什么呢？因为几乎所有DLP都是用德州仪器的DMD芯片。只要德州仪器不愿意（或者不争气），那么我们的DLP光源就一直停留在1280分辨率左右。于是很多DLP机器就犯了那个不可逃避的毛病：要么打印大而粗糙，要么小而精细，总是鱼和熊掌不能兼得。因为x轴上那区区1000个像素，拉大了就颗粒粗，精细了就范围小；y轴同理。z轴不讨论，放10微米的精度都没问题。所以说DLP就卡在德州仪器的尿性上。当然在德州仪器99%的垄断之外，我们还有其他DLP选手，我所知道的有国内的闻亭泰。希望能成为一匹黑马，至少打破垄断。

LCD固化技术稍晚于DLP技术。因为大家知道我们大众的显示技术包括面板和投影两大类，都是十多年前发展的。DLP恰好偷了个空，能够承受和处理405nm的光波，于是有了3d打印的DLP技术。同理，少数LCD面板也偷了个空，能忍受405nm紫外，于是有了LCDmasking这个技术。本人没偷这个空，只是把这个窗口放大了，让400-600nm所有的光信号都来实现光固化3D打印。不管是否是405nm还是可见光，LCD技术终究会打破DLP的那个魔咒（大而粗/小而精）因为现在已经有很多价格便宜量又足的LCD机器直接采用2K屏幕的。

这里不得不提到LCD技术的一个硬伤：光效率没有DLP高。但凡通过加大405nm灯的亮度来达到更多光通量，或者普通光通量的可见光LCD配合高敏感树脂，得到的固化速度不能和DLP的成型速度相比的。有个实际参考值，同样100微米厚固化，DLP是零点几秒到几秒，405nm紫外LCD或者可见光LCD需要十几秒到几十秒来固化。这里引出一个新的解决方案，用DLP以外的投影加上可见光技术达到一秒以内的高速度，投影可以同时达到高速度，大尺寸，高精度，还有低成本。简直完美，但目前还没有商业化。

综上所述，SLA赛跑起步较早，但发展受核心器件和专利制约。DLP起步较晚，但越来越体现出其强大优势，唯一的问题是这架马车只有德州仪器一人驾驭。LCD起步更晚，只是萌芽，还触及不到主流设备的门槛，相关技术成熟度高，未来将奋起直追。当然，光固化技术，核心问题光源之外，还有软件，自动化，应用和工业很多配套问题。另一个核心问题，光固化树脂，也是一个核心技术。