详解LCD技术的光固化3D打印机

国际金属加工网 2017年07月03日

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。

一、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。

二、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。


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