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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

全面介绍多种光固化3D打印技术的概述及优缺点

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。

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