详解LCD技术的光固化3D打印机_SLA(光固化技术)的优缺点

快速成型技术也就是我们通常所说的3d打印,究其原理就是叠层制造,依靠3d打印机在xzy三个坐标上的位移,最终形成一个三维实物。与此同时,还有fdm、sls、slm、sla等累积技术之分。而今天,我们便从最早出现并实现商用化的光固化(sla)技术说起,一同了解光固化3d打印技术的奥秘。
正如有些材料遇热硬化,而有些遇冷硬化一样,光固化所采用的“光敏树脂”,是由聚合物单体与预聚体组成,加有光引发剂 (光敏剂),一般为液态。光敏树脂经过一定波长的uv光照射后,引起聚合反应最终固化。
30多年前,3d打印面世那天,就是从光固化技术(激光扫描)立体光刻技术开始的。所以光固化才是的老大。后来大家都知道的reprap的开源技术,让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。
sla(光固化技术 )的优缺点 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。
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。
sla工艺原理 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。

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