微型光固化机(全面介绍多种光固化3D打印技术的概述及优缺点)

Posted 2023-05-26

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微型光固化机(全面介绍多种光固化3D打印技术的概述及优缺点)

3D打印有多种技术，但在这些技术中，光固化3D打印是最早且最成熟的技术。经过多年以来的发展，出现了许多基于光固化机理的新技术，例如SLA、DLP、LCD、CLIP、MJP、双光子3D打印、全息3D打印等。今天我们将介绍其中的五种光固化3D打印技术。

1、SLA光固化3D打印

作为最早出现的3D打印技术，SLA技术是最成熟的3D打印技术，在行业中应用广泛。这项技术于 1986 年由 3D 打印行业领导者 3D Systems, Inc. 的联合创始人 Charles Hull 获得专利。目前，大型工业光固化3D打印机主要基于SLA技术。

通常SLA机使用的灯管波长为355nm激光束，激光束在树脂槽上方，曝光方向从顶部，液态树脂在激光束扫描时固化。将平台降低到树脂中；因此，平台的表面是树脂表面以下的一层厚度。然后激光束追踪边界并填充模型的二维横截面，一层树脂固化后，平台下降一段距离，一层一层，一层一层地重复固化，直到产生一个实体的3D物体。每一层的图案形成由激光束的移动控制。理论上，激光束可以在很大的空间上移动。因此，SLA打印技术可以打印大尺寸模型。

优缺点：SLA是最早的快速成型技术，成熟度高，印刷工艺稳定，机器供应商众多。迄今为止，SLA是唯一可以打印大尺寸模型的光固化3D打印技术。但由于固化速度取决于激光束的移动，因此 SLA 的打印速度较低。模型尺寸越大，打印速度越慢。此外，可用于阳离子光聚合的树脂是有限的。打印分辨率取决于激光束的大小，因此，与其他光固化技术相比，SLA 的分辨率较低。即便如此，SLA技术的精度也足以打印结构复杂、尺寸精细的物体。直到现在，SLA 仍然是一种重要的印刷技术，可用于许多领域，如牙科、玩具、模具、汽车、航空航天领域等。

2、DLP光固化3D打印

DLP 使用投影仪（如用于办公室演示或家庭影院的投影仪）将物体横截面的图像投影到光敏液态树脂中。DLP 3D打印的关键技术是DLP技术，它决定了图像的形成和打印精度。DLP技术的出现已经20年了。DLP 技术的核心部分是光学半导体，或数字显微镜设备或 DLP 芯片，它由 Larry Hornback 博士于 1977 年发明，并于 1996 年由德州仪器商业化。DLP 芯片可能是迄今为止世界上最先进的光开关设备，包含 200 万个相互铰接的微型显微镜的规则阵列。每个显微镜大约是人类头发大小的五分之一。当 DLP 芯片与数字视频或图像信号、光源和投影镜头配合时，显微镜可以将完整的数字图像投影到屏幕或其他表面上。DLP 及其外围设备的先进电子设备被称为数字光处理技术（数据光学处理）。DLP芯片的显微镜切换次数可达每秒数千次，反映1024个像素的灰度阴影，将DLP芯片输入的视频或图像信号转化为丰富的灰度图像。所以，DLP 3D 打印具有高打印分辨率，可打印最小尺寸为 50 μm。由于半导体封装材料不耐受紫外线，因此波长为405nm的LED灯是DLP 3D打印机的光源。DLP 3D打印是平面曝光，但曝光面积有限。目前可印刷尺寸为100*60mm至190*120mm。DLP 3D打印的优势在于可以打印体积小、精度高的物体。

优缺点：高精度是 DLP 3D 打印的最大优势。然而，为了保证高精度，投影的尺寸是有限的。因此，DLP 3D 打印只能打印小尺寸物体。另一方面，DLP 技术由德州仪器公司主导，价格高，因此，DLP 3D 打印机非常昂贵。由于DLP 3D打印技术具有精度高的特点，同时只能打印小尺寸的模型，因此主要应用于珠宝铸造和牙科领域。

3、LCD光固化3D打印

纵观所有光固化3D打印技术，从激光扫描SLA，到数字投影DLP，再到最新的LCD打印技术，主要区别在于光源和成像系统，而控制和步进系统几乎没有区别。DLP和LCD 3D打印技术最大的区别在于成像系统。对于 LCD 3D 打印技术，液晶显示器用作成像系统。当对液晶施加电场时，它会改变其分子排列并阻止光通过。由于采用了先进的液晶显示技术，液晶显示的分辨率非常高。然而，在电场切换过程中，少量液晶分子不能重新排列，导致漏光微弱。

优缺点：LCD机很便宜，而且分辨率很好。但是液晶屏使用寿命短，需要定期更换，液晶3D打印的光强很弱，只有10%的光能从液晶屏穿透，90%的光被液晶屏吸收屏幕。而且，如上所述，局部漏光会导致底部光敏树脂过渡曝光，需要定期清洁液槽。现在液晶3D光固化机应用于牙科、珠宝、玩具等领域。

4、CLIP光固化3D打印

2015年3月20日，由Carbon 3D Corp开发的CLIP技术（Continuous Liquid Interface Production）登上Science封面。该技术的关键是氧渗透膜的发明，该膜有助于氧渗透的连续印刷以抑制自由基聚合。CLIP 技术是 DLP 的一种先进技术。CLIP技术的基本原理并不复杂，底部的UV投射使光敏树脂固化，而罐底的液态树脂由于阻氧而保持稳定的液面，从而保证固化的连续性。底部的特殊窗口允许光线和氧气通过。该技术最重要的优势在于它可以以颠覆性的方式生产物体——比 DLP 3D 打印机快 25 到 100 倍，理论潜在打印速率可达 DLP 技术的 1000 倍，分层可以无限好。目前的3D打印需要将3D模型切割成很多层，类似于幻灯片的叠加，导致粗糙度无法消除。而CLIP技术的图像投影可以是连续变化的，相当于幻灯片进化为叠加视频。这是对 DLP 投影技术的巨大改进。

优缺点：可以说，CLIP技术才是真正的3D打印。是对目前3D打印技术的颠覆性技术。毋庸置疑，CLIP技术最大的优势就是快速打印。尽管如此，仍有一些技术问题有待解决。到目前为止，通过CLIP技术实现快速打印，需要低粘度树脂和空心模型。前者确保树脂快速补充到印刷区域，而后者减少了每层所需的树脂量。因此，对于高粘度树脂和实体模型，CLIP 技术的效率不高。此外，透氧膜价格昂贵。

5、MJP光固化3D打印

MJP技术，也叫PolyJet，2000年由以色列公司Objet申请专利。MJP 3D打印可以高效打印模型，多组喷嘴协同工作。根据模型切片数据，工作时成百上千个喷嘴在平台上逐层喷射液态光敏树脂，打印喷嘴沿XY平面移动。当光敏树脂喷涂到工作台上时，滚筒会将喷涂树脂的表面处理平整，UV灯将光敏树脂固化。在完成第一层的喷印固化后，设备内置的工作台会极其精准地降一层厚度，喷头继续喷出感光树脂，进行下一层的印刷固化。重复，直到整个工件被打印出来。

优缺点：对于 MJP 3D 打印，由于有很多喷嘴，可以喷涂不同的材料。从而可以同时印刷多种材料、多色材料，满足不同材料、不同颜色、不同刚度等要求。到目前为止，MJP 3D 打印是唯一可以打印多色模型的技术。MJP 3D打印具有非常高的加工精度，可打印层厚低至16微米。由于支撑材料是易熔或可溶的，因此去除支撑的过程是无损且容易的。因此，打印模型的表面是光滑的。最后，理论上，打印尺寸是无限的。但是，MJP 打印机机器非常昂贵。这些材料也很昂贵并且需要低粘度。MJP技术可应用于需要高加工精度的领域。现在常用于珠宝铸造、精密医学等。