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    全面介紹多種光固化3D打印技術的概述及優缺點
    發布時間:2021-07-26  關注度:703   
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      3D打印有多種技術,但在這些技術中,光固化3D打印是最早且最成熟的技術。經過多年以來的發展,出現了許多基于光固化機理的新技術,例如SLA、DLP、LCD、CLIP、MJP、雙光子3D打印、全息3D打印等。今天我們將介紹其中的五種光固化3D打印技術。

      1、SLA光固化3D打印

      作為最早出現的3D打印技術,SLA技術是最成熟的3D打印技術,在行業中應用廣泛。這項技術于 1986 年由 3D 打印行業領導者 3D Systems, Inc. 的聯合創始人 Charles Hull 獲得專利。目前,大型工業光固化3D打印機主要基于SLA技術。

      通常SLA機使用的燈管波長為355nm激光束,激光束在樹脂槽上方,曝光方向從頂部,液態樹脂在激光束掃描時固化。將平臺降低到樹脂中;因此,平臺的表面是樹脂表面以下的一層厚度。然后激光束追蹤邊界并填充模型的二維橫截面,一層樹脂固化后,平臺下降一段距離,一層一層,一層一層地重復固化,直到產生一個實體的3D物體。每一層的圖案形成由激光束的移動控制。理論上,激光束可以在很大的空間上移動。因此,SLA打印技術可以打印大尺寸模型。

      優缺點:SLA是最早的快速成型技術,成熟度高,印刷工藝穩定,機器供應商眾多。迄今為止,SLA是唯一可以打印大尺寸模型的光固化3D打印技術。但由于固化速度取決于激光束的移動,因此 SLA 的打印速度較低。模型尺寸越大,打印速度越慢。此外,可用于陽離子光聚合的樹脂是有限的 。打印分辨率取決于激光束的大小,因此,與其他光固化技術相比,SLA 的分辨率較低。即便如此,SLA技術的精度也足以打印結構復雜、尺寸精細的物體。直到現在,SLA 仍然是一種重要的印刷技術,可用于許多領域,如牙科、玩具、模具、汽車、航空航天領域等。

      2、DLP光固化3D打印

      DLP 使用投影儀(如用于辦公室演示或家庭影院的投影儀)將物體橫截面的圖像投影到光敏液態樹脂中。DLP 3D打印的關鍵技術是DLP技術,它決定了圖像的形成和打印精度。DLP技術的出現已經20年了。DLP 技術的核心部分是光學半導體,或數字顯微鏡設備或 DLP 芯片,它由 Larry Hornback 博士于 1977 年發明,并于 1996 年由德州儀器商業化。DLP 芯片可能是迄今為止世界上最先進的光開關設備,包含 200 萬個相互鉸接的微型顯微鏡的規則陣列。每個顯微鏡大約是人類頭發大小的五分之一。當 DLP 芯片與數字視頻或圖像信號、光源和投影鏡頭配合時,顯微鏡可以將完整的數字圖像投影到屏幕或其他表面上。DLP 及其外圍設備的先進電子設備被稱為數字光處理技術(數據光學處理)。DLP芯片的顯微鏡切換次數可達每秒數千次,反映1024個像素的灰度陰影,將DLP芯片輸入的視頻或圖像信號轉化為豐富的灰度圖像。所以,DLP 3D 打印具有高打印分辨率,可打印最小尺寸為 50 μm。由于半導體封裝材料不耐受紫外線,因此波長為405nm的LED燈是DLP 3D打印機的光源。DLP 3D打印是平面曝光,但曝光面積有限。目前可印刷尺寸為100*60mm至190*120mm。DLP 3D打印的優勢在于可以打印體積小、精度高的物體。

      優缺點:高精度是 DLP 3D 打印的最大優勢。然而,為了保證高精度,投影的尺寸是有限的。因此,DLP 3D 打印只能打印小尺寸物體。另一方面,DLP 技術由德州儀器公司主導,價格高,因此,DLP 3D 打印機非常昂貴。由于DLP 3D打印技術具有精度高的特點,同時只能打印小尺寸的模型,因此主要應用于珠寶鑄造和牙科領域。

      3、LCD光固化3D打印

      縱觀所有光固化3D打印技術,從激光掃描SLA,到數字投影DLP,再到最新的LCD打印技術,主要區別在于光源和成像系統,而控制和步進系統幾乎沒有區別。DLP和LCD 3D打印技術最大的區別在于成像系統。對于 LCD 3D 打印技術,液晶顯示器用作成像系統。當對液晶施加電場時,它會改變其分子排列并阻止光通過。由于采用了先進的液晶顯示技術,液晶顯示的分辨率非常高。然而,在電場切換過程中,少量液晶分子不能重新排列,導致漏光微弱。

      優缺點:LCD機很便宜,而且分辨率很好。但是液晶屏使用壽命短,需要定期更換,液晶3D打印的光強很弱,只有10%的光能從液晶屏穿透,90%的光被液晶屏吸收屏幕。而且,如上所述,局部漏光會導致底部光敏樹脂過渡曝光,需要定期清潔液槽,F在液晶3D光固化機應用于牙科、珠寶、玩具等領域。

      4、CLIP光固化3D打印

      2015年3月20日,由Carbon 3D Corp開發的CLIP技術(Continuous Liquid Interface Production)登上Science封面。該技術的關鍵是氧滲透膜的發明,該膜有助于氧滲透的連續印刷以抑制自由基聚合。CLIP 技術是 DLP 的一種先進技術。CLIP技術的基本原理并不復雜,底部的UV投射使光敏樹脂固化,而罐底的液態樹脂由于阻氧而保持穩定的液面,從而保證固化的連續性。底部的特殊窗口允許光線和氧氣通過。該技術最重要的優勢在于它可以以顛覆性的方式生產物體——比 DLP 3D 打印機快 25 到 100 倍,理論潛在打印速率可達 DLP 技術的 1000 倍,分層可以無限好。目前的3D打印需要將3D模型切割成很多層,類似于幻燈片的疊加,導致粗糙度無法消除。而CLIP技術的圖像投影可以是連續變化的,相當于幻燈片進化為疊加視頻。這是對 DLP 投影技術的巨大改進。

      優缺點:可以說,CLIP技術才是真正的3D打印。是對目前3D打印技術的顛覆性技術。毋庸置疑,CLIP技術最大的優勢就是快速打印。盡管如此,仍有一些技術問題有待解決。到目前為止,通過CLIP技術實現快速打印,需要低粘度樹脂和空心模型。前者確保樹脂快速補充到印刷區域,而后者減少了每層所需的樹脂量。因此,對于高粘度樹脂和實體模型,CLIP 技術的效率不高。此外,透氧膜價格昂貴。

      5、MJP光固化3D打印

      MJP技術,也叫PolyJet,2000年由以色列公司Objet申請專利。MJP 3D打印可以高效打印模型,多組噴嘴協同工作。根據模型切片數據,工作時成百上千個噴嘴在平臺上逐層噴射液態光敏樹脂,打印噴嘴沿XY平面移動。當光敏樹脂噴涂到工作臺上時,滾筒會將噴涂樹脂的表面處理平整,UV燈將光敏樹脂固化。在完成第一層的噴印固化后,設備內置的工作臺會極其精準地降一層厚度,噴頭繼續噴出感光樹脂,進行下一層的印刷固化。重復,直到整個工件被打印出來。

      優缺點:對于 MJP 3D 打印,由于有很多噴嘴,可以噴涂不同的材料。從而可以同時印刷多種材料、多色材料,滿足不同材料、不同顏色、不同剛度等要求。到目前為止,MJP 3D 打印是唯一可以打印多色模型的技術。MJP 3D打印具有非常高的加工精度,可打印層厚低至16微米。由于支撐材料是易熔或可溶的,因此去除支撐的過程是無損且容易的。因此,打印模型的表面是光滑的。最后,理論上,打印尺寸是無限的。但是,MJP 打印機機器非常昂貴。這些材料也很昂貴并且需要低粘度。MJP技術可應用于需要高加工精度的領域,F在常用于珠寶鑄造、精密醫學等。

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