作者:唐天

一、 3D打印技术简介
(如果对3D打印很熟悉请跳过此部分,从第二部分开始看)
大家知道,3D打印技术包括FDM熔融挤出,SLA液体光固化,SLS粉末烧结(包含类似技术的金属熔融烧结等)还有其他的例如多喷流技术等等。如果不太熟悉请移步《你的3D打印百科全书》感谢创客加原文的总结:全球3D打印历史大事件
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。
光固化技术内的几种技术,大家可能就不太熟悉。当然也可以先参照上文百科全书,或者参考本人之前的一篇介绍《3D打印光固化成型技术的新方向》,感谢小不点平台的登载:
光固化主流技术,第一代SLA,利用紫外激光(355nm405nm)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。这里不展开讲了。
这里也不讲FDM和光固化到底哪个好,我觉得最好的永远是未来的3D打印技术。了解FDM的不妨了解一下别的技术,特别光固化技术。了解光固化技术的同学,其实我也不必再费口舌。
二、LCD技术的光固化详解
下面进入主题。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: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405LED灯珠做背光,试着打印uv树脂。如果没记错,应该是王成伟的光固化3D打印机,细节看这里。国外倒是很多视频分享。
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LCD3D打印机要追溯到ibox nano2014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。具体介绍,英文好的去看原文。价格也看原文吧,卖个关子。如果想买,估计国内没有卖的,但是也没必要买了,原因看后面。这个机器优点很突出,比以前的DLP要好些。我来说说不足,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。
基于这个LCD的掩膜技术,不断发展。出现了很多很好的新设计新机器。值得一提的有以下几个:
UNIZ Slash LCD 3d打印机
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。值得一提的是,这个项目是中国团队的。具体细节可以参考链接。
目前国内好几家几乎同时推出5.52k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:wanhaoKLD1260YLD01斯泰克zhiyao诺瓦Easy3D......不好意思,这个名单实在太长,没有提到的友商请见谅!
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(或者稍高),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SLADLP,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:同上!
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(DLP3LCD, Simple LCDLCoS)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。
讲这个技术离不开从本人的一个发明配方说起,那就是daylight resin,日光树脂。
本人在英国的photocentric做研发总监,成功研发了对光线很敏感的,适合普通可见光(白光,400-7600nm)能引发固化的树脂配方,也就是上面说到的树脂。国外叫daylight树脂,国内叫潘多拉VLC树脂。
 
第一代VLC技术,我领导英国photocentric3D团队成功开发了一系列daylight resin,适应的机器叫做liquid crystal系列,采用的原理是daylight photopolymer printingDPP技术。 这里我要吐槽一下,日光树脂不是我的本意,只是注册商标名。日光当然可以固化这个树脂,其实灯光也可以, 火光也可以,激光也可以(月光星光好像太弱了不行);而真正的日光里有405nm及其以下的光线,固化其他的uv树脂也是可以的,特别是DLP专用树脂,对日光是敏感的(不信去试试吧)。所以请大家不要被名字迷惑了。
 
设备和所有LCDmasking的机器非常像,唯一不同的是:LCD屏幕是整块没拆的,使用的光是LCD本身的背光白光,使用的树脂必须是可见光树脂,设备的遮光罩必须是红色系列。(必须的原因,不解释)具体设备我就不介绍了,从7寸的小机器到400宽幅的大机器都有,官网在英国。好消息是,如果对英国原厂机器和设备感兴趣,这里有个国内唯一代理:
 
 
聊到daylight resin,不得不提手机打印机oloOlo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。具体细节参考:
 

OLO很好的体现了VLC技术对光源的不同要求(其实就是光源适应性最广),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googlecardboard boxVR盒子简直异曲同工!
仔细读OLO的众筹消息,可以了解,核心技术来自我在英国的技术,photocentricdaylight resin和可见光打印原理。
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。感兴趣的同学请搜一下。
 
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(因为还没真正上架发货)。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。这里不详细介绍了。重点说一下我们的论坛,论坛旨在于提供国内外最先的光固化打印技术的信息交流,和最广泛的开源光固化打印机的技术讨论。

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SLADLP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(众筹)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。
 
这里不得不提及光源技术的发展。
 
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DLP3D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。这里就不点名了,因为太多数不完。你看德州仪器的尿性,有几个机器给了2K分辨率?别跟我说1k够用了,2K用不着。其实是2K的芯片太贵了,而且不够成熟。那LCD大把的2k4K甚至8K的面板可供选择。因此短时间光固化一定会突破到4k以上,达到到大尺寸高精度两者兼得。这个只在于技术整合和转化速度,相关技术储备已经成熟。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。展开讲又得另一篇文章了。
 
PS
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2.欢迎文章中有遗漏的LCD打印机友商自行在文章后加注本公司产品介绍,欢迎转载
3.潘多拉致力于VLC技术研发,设备可以开源共同开发
4.潘多拉致力于所有光固化树脂研发和销售,包括DLP和LCDMasking技术使用的uv树脂,适用405nm光源