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【詳解】LCD技術(shù)的光固化3

發(fā)布時間：2022-06-26 13:32:03瀏覽：7342點(diǎn)贊：

30多年前

，3D打印面世那天，就是從光固化技術(shù)SLA（激光掃描）立體光刻技術(shù)開始的

。所以光固化才是3D打印技術(shù)的老大

。后來大家都知道的reprap的開源技術(shù)

，讓FDM的熔融擠出技術(shù)走向大眾，SLS的燒結(jié)技術(shù)

，特別作為金屬燒結(jié)

，使3D打印走向高端應(yīng)用。光固化自身也發(fā)展也層出不窮

。

光固化主流技術(shù)

，第一代SLA，利用紫外激光（355nm或405nm）為光源

，用振鏡系統(tǒng)來控制激光光斑掃描

，掃過之處的液體樹脂就選擇性固化了。第二代DLP紫外數(shù)字投影技術(shù)

，利用405nm光源

，通過德州儀器的數(shù)字微鏡技術(shù)，選擇性的將面光源投射到液態(tài)樹脂使之固化

。其中DLP技術(shù)包括大名鼎鼎的速度快100倍的CLIP連續(xù)打印技術(shù)

。所有光固化技術(shù)的z軸方向分為兩種方案：桌面型都是光源在下，通過窗口和離型膜

，成型往上拉出來

；工業(yè)大型的都是光源在上，成型下沉到液面以下

，液面不需要離型膜

。二、LCD技術(shù)的光固化詳解光固化技術(shù)

，除了SLA激光掃描和DLP數(shù)字投影

，目前形成了一種新的技術(shù)，就是利用LCD作為光源的技術(shù)

。LCD打印技術(shù)

，最簡單的理解，就是DLP技術(shù)的光源用LCD來代替

。我們可以回顧光固化技術(shù)的特點(diǎn)

，每一個光固化技術(shù)的核心都是圍繞光源問題的解決方案，從激光掃描的SLA

，到數(shù)字投影的DLP

，再到最新的LCD打印技術(shù)

。

很有意思的告訴你，其實(shí)LCD技術(shù)分為兩種

，兩種還不一樣

。其分界線就是光源波長，一個是405nm紫外

，一個是400-600nm可見光

。LCD掩膜光固化：用405nm紫外光（和DLP一樣），加上LCD面板作為選擇性透光的技術(shù)

，是LCD掩膜技術(shù)（LCD masking）或者行業(yè)里有很多各自的名字

，例如選擇數(shù)字光處理（mDLP）

，液晶DLP技術(shù)

，紫外掩膜固化等等。

LCD掩膜技術(shù)從2013年就有人開始研制

。有興趣可以搜到最早的創(chuàng)客用普通電腦LCD顯示器去掉背光板

，加上405的LED燈珠做背光，試著打印uv樹脂

。z軸的解決方案無非是滑塊

，絲杠和步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動板都可以用單片機(jī)類或者目前FDM最流行的RAMPS板解決方案

。LCD的驅(qū)動其實(shí)和所有顯示器的驅(qū)動一樣

，VGA或者h(yuǎn)dmi接液晶驅(qū)動板再接LCD面板，背光用405nm燈泡或者LED陣列

，加菲林鏡片來均勻分布光照

。

第一個商業(yè)用的LCD掩膜3D打印機(jī)要追溯到ibox nano，2014年的一個較為成功的kick starter眾籌項(xiàng)目

。

臺最小的3D打印機(jī)

，第一個最安靜的打印機(jī)等等。這個機(jī)器優(yōu)點(diǎn)很突出

，比以前的DLP要好些

。不足是，一個是打印尺寸太小

，3寸屏幕

。第二個打印精度太差，200微米的平面內(nèi)精度

，因?yàn)槟莻€LCD屏幕的分辨率是比較低的

。同樣是kickstarter的一個項(xiàng)目，當(dāng)然亮點(diǎn)仍然如同ibox nano強(qiáng)調(diào)的

，價格便宜但技術(shù)好

，又是高精度面成型的光固化

，技術(shù)成熟度也很好，參數(shù)很感人

，特別是速度方面

。當(dāng)然如同所有桌面級別的光固化打印機(jī)，這個是上拉式

，樹脂槽下面是LCD板

，再下面是405背光。

目前國內(nèi)好幾家?guī)缀跬瑫r推出5.5寸2k屏幕的LCDMasking原理打印機(jī)

，最大的特點(diǎn)就是

，大家都用的5.5寸夏普某款2560*1440分辨率的屏幕。據(jù)說這款屏幕價格便宜

，分辨率高

，最有價值的一點(diǎn)是，能耐受高達(dá)幾百小時405nm近紫外光的摧殘

。打印機(jī)大概長下面這樣

。優(yōu)點(diǎn)很明顯，樹脂便宜

，機(jī)器也不貴

，精度比第一代SLA高多了，設(shè)備體積小

，做工也比較不錯

。得益于開源的樹莓派硬件和軟件，脫機(jī)打印或者無線控制打印都實(shí)現(xiàn)了

。

機(jī)器代號或者廠家包含：wanhao

、KLD1260、YLD01

、斯泰克

、zhiyao、諾瓦

、Easy3D.....當(dāng)然還有其他不同解決方案

。主要取決于采用不同屏幕作為透光的掩膜，LCD下面一般都是405led燈作為背光

。這里大家自行搜索吧

。上面列了這類打印機(jī)的很多例子，總結(jié)一下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：精度高

。很容易達(dá)到平面精度100微米

，優(yōu)于第一代SLA技術(shù)，和目前桌面級DLP技術(shù)有可比性價格便宜

。主要對比前代技術(shù)的SLA和DLP

，這個性價比極其突出

。結(jié)構(gòu)簡單。因?yàn)闆]有激光振鏡或者投影模塊

，結(jié)構(gòu)很簡單

，容易組裝和維修樹脂通用。由于采用405nm背光

，所有DLP類的樹脂或者大部分光固化樹脂理論上都可以兼容

。唯獨(dú)小心某些SLA專用樹脂，不一定兼容性很好

，主要怕曝光不足

。同時打印多個零件不犧牲速度。因?yàn)檫@個和DLP技術(shù)一樣

，是面成型光源

。缺點(diǎn)：LCD可選范圍很少：這個技術(shù)關(guān)鍵部件LCD，需要對405光有很好的選擇性透過

，還要經(jīng)得住幾十瓦405LED燈珠的數(shù)小時高強(qiáng)度烘烤

，還有散熱和耐溫性能的考驗(yàn)

。所以不是每款LCD屏都能用的上

。以上解決方案已經(jīng)解決LCD選擇這個重要問題了。同時

，建議用戶做好燒毀LCD屏虛更換的心理準(zhǔn)備

。這個LCD屏是易耗件。

LCD打印使用過程中老化

。打印尺寸偏?div id="4qifd00" class="flower right">

。?/span>這個其實(shí)沒毛病，桌面機(jī)器嘛

，比起DLP機(jī)器或者桌面激光SLA機(jī)器還是半斤八兩的最后一點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)：這些技術(shù)是開源的

，技術(shù)壁壘低容易仿制，大家能共享或者DIY這種機(jī)器

，只要你找到合適的屏幕

。可見光固化：另一種就是visible light cure，簡寫VLC

，完全放棄以前所有光固化必須使用紫外光的條件

，使用普通光（可見光，405nm-600nm）就可以使樹脂固化

，實(shí)現(xiàn)打印

。按原理區(qū)分就是光源再一次升級，用普通的LCD顯示面板

，不加任何改裝或改背光

，直接作為光源

。當(dāng)然，可見光固化不只局限于LCD屏幕

，可以擴(kuò)展到任何顯示器（等離子

，CRT，背投

，LED陣列

，OLED）和任何投影（DLP，3LCD

， Simple LCD

，LCoS）以及其他任何顯示技術(shù)（激光掃描成像，光纖陣列等等）

。它和上面LCDMasking的技術(shù)區(qū)別有兩個：1.使用普通LCD屏幕

，無需改背光2.可以使用投影或其他顯示設(shè)備做光源上面第一點(diǎn)擴(kuò)展來，就是手機(jī)平板的屏幕上面第二點(diǎn)擴(kuò)展開來

，如果使用投影

，就是類似DLP技術(shù)，但不用德州儀器的DLP芯片

。

Olo是第一個使用手機(jī)屏幕實(shí)現(xiàn)光固化的消費(fèi)級打印機(jī)

，是眾籌網(wǎng)kickstarter里邊智能硬件的明星項(xiàng)目。OLO很好的體現(xiàn)了VLC技術(shù)對光源的不同要求

，所以普通智能手機(jī)的大屏幕都能成為打印機(jī)的光源

。還有一個好處就是手機(jī)自己集成主板硬件和打印軟件，那打印機(jī)就不必再裝這些了

。簡單來說

，這個光固化打印機(jī)，貴的那一半已經(jīng)在你手機(jī)里（控制主板

，光源

，軟件），便宜的那半個在那個黑盒子里（z軸平臺

，樹脂槽

，遮光罩）。我總覺得這個和google的cardboard box的VR盒子簡直異曲同工

！OLO打印機(jī)對用戶的意義

，在于3d打印機(jī)進(jìn)入大眾消費(fèi)，成為智能硬件

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？梢灶A(yù)料到，基于VLC樹脂的3D打印機(jī)也會越來越多

，核心特點(diǎn)就是利用各類消費(fèi)級大眾化的顯示設(shè)備

，比如平板電腦的屏幕

，家用投影儀，或者手機(jī)電腦的投影儀

。所以也不奇怪

，平板電腦變?yōu)榇蛴C(jī)的項(xiàng)目已經(jīng)在國外眾籌了。

最后介紹一下潘多拉

。全球范圍內(nèi)

，用可見光技術(shù)的廠家，photocentric是第一個

，潘多拉是第二個

，目前OLO暫且算第三個。潘多拉目前已經(jīng)有量產(chǎn)機(jī)型

。最新的是一款性價比高的10寸屏幕機(jī)器

，在約200寬幅里面實(shí)現(xiàn)約2千個像素，精度達(dá)到100微米

。目前針對創(chuàng)客提供了整機(jī)方案和DIY套件方案

。

三、LCD光固化3D打印機(jī)回顧和展望在3D打印技術(shù)里

，相對于發(fā)展十多年的FDM成熟技術(shù)和中高端應(yīng)用優(yōu)勢明顯的SLA和DLP技術(shù)

，LCD技術(shù)才剛剛開始。算上2013年第一個DIY設(shè)備或者2014年第一個商業(yè)產(chǎn)品

，才幾年時間

，所以成熟度遠(yuǎn)沒有其他技術(shù)成熟，設(shè)備類型也屈指可數(shù)

。考慮到本身LCD顯示技術(shù)發(fā)展也才是近十多年來突飛猛進(jìn)的

，以其為核心的這個3D打印技術(shù)才剛剛起步也不足為怪

。為什么當(dāng)年光固化從SLA激光掃描開始？因?yàn)楫?dāng)時最好的光源只有激光

，強(qiáng)度高

，聚焦細(xì)，還能被振鏡控制掃描

。同時SLA技術(shù)依賴大范圍投入的高端工業(yè)激光技術(shù)

。一旦激光技術(shù)成熟了，我們得到了光驅(qū)技術(shù)

，激光測距技術(shù)

，激光切割和雕刻，還有激光（紙張）打印機(jī)

，激光筆演示

，當(dāng)然還有我們討論的激光SLA打印

。所以說激光成熟和大眾化，給我們帶來了不同行業(yè)的突破性發(fā)展

。不過這個突破在20年前就發(fā)生了

。

激光SLA發(fā)展十多年年后才有DLP投影技術(shù)，因此目前光固化打印的很多突破都在DLP的3D打印上

。DLP技術(shù)突出特點(diǎn)

，一個是連續(xù)曝光，一個是面成型

。這里包括carbon3D的連續(xù)固化CLIP技術(shù)

，速度達(dá)到百倍。 CLIP必須采用連續(xù)曝光

，只有DLP能做到

，所以這是很重要的前提條件。同時DLP的面成型促成了很多有特色的機(jī)器

，例如很多珠寶級的機(jī)器只能用DLP的原理

，才能達(dá)到100微米以下的精度。SLA固有光源亮斑太大

，或者小亮斑掃描時間太長

，不適合超高精度打印，同時這點(diǎn)也制約SLS技術(shù)（都要激光嘛）

；那FDM之類的精度就更加無能為力

。反過來，DLP限制了大尺寸打印的可能性

。為什么呢

？因?yàn)閹缀跛蠨LP都是用德州儀器的DMD芯片。只要德州儀器不愿意（或者不爭氣）

，那么我們的DLP光源就一直停留在1280分辨率左右

。于是很多DLP機(jī)器就犯了那個不可逃避的毛病：要么打印大而粗糙

，要么小而精細(xì)

，總是魚和熊掌不能兼得。因?yàn)閤軸上那區(qū)區(qū)1000個像素

，拉大了就顆粒粗

，精細(xì)了就范圍小

；y軸同理

。z軸不討論，放10微米的精度都沒問題。所以說DLP就卡在德州儀器的尿性上

。當(dāng)然在德州儀器99%的壟斷之外

，我們還有其他DLP選手，我所知道的有國內(nèi)的聞亭泰

。希望能成為一匹黑馬

，至少打破壟斷。

LCD固化技術(shù)稍晚于DLP技術(shù)

。因?yàn)榇蠹抑牢覀兇蟊姷娘@示技術(shù)包括面板和投影兩大類

，都是十多年前發(fā)展的。DLP恰好偷了個空

，能夠承受和處理405nm的光波

，于是有了3d打印的DLP技術(shù)。同理

，少數(shù)LCD面板也偷了個空

，能忍受405nm紫外，于是有了LCDmasking這個技術(shù)

。本人沒偷這個空

，只是把這個窗口放大了，讓400-600nm所有的光信號都來實(shí)現(xiàn)光固化3D打印

。不管是否是405nm還是可見光

，LCD技術(shù)終究會打破DLP的那個魔咒（大而粗/小而精）因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)有很多價格便宜量又足的LCD機(jī)器直接采用2K屏幕的。

這里不得不提到LCD技術(shù)的一個硬傷：光效率沒有DLP高

。但凡通過加大405nm燈的亮度來達(dá)到更多光通量

，或者普通光通量的可見光LCD配合高敏感樹脂，得到的固化速度不能和DLP的成型速度相比的

。有個實(shí)際參考值

，同樣100微米厚固化，DLP是零點(diǎn)幾秒到幾秒

，405nm紫外LCD或者可見光LCD需要十幾秒到幾十秒來固化

。這里引出一個新的解決方案，用DLP以外的投影加上可見光技術(shù)達(dá)到一秒以內(nèi)的高速度

，投影可以同時達(dá)到高速度，大尺寸

，高精度

，還有低成本。簡直完美

，但目前還沒有商業(yè)化

。

綜上所述，SLA賽跑起步較早，但發(fā)展受核心器件和專利制約

。DLP起步較晚

，但越來越體現(xiàn)出其強(qiáng)大優(yōu)勢，唯一的問題是這架馬車只有德州儀器一人駕馭

。LCD起步更晚

，只是萌芽，還觸及不到主流設(shè)備的門檻

，相關(guān)技術(shù)成熟度高

，未來將奮起直追。當(dāng)然

，光固化技術(shù)

，核心問題光源之外，還有軟件

，自動化

，應(yīng)用和工業(yè)很多配套問題。另一個核心問題

，光固化樹脂

，也是一個核心技術(shù)。

(責(zé)任編輯：admin)

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