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光固化3D打印介绍

  相信很多人对于3D打印的学习都是从FDM机器做起的,然而随着对3D打印技术越来越深入的学习,你会了解到光固化3D打印。这确实是一个较难的学习部分,如果你对这一方面感兴趣,但是有遇到了一些困难,感觉无路可走的话,不妨跟着3D虎来一起学习一下光固化的各种知识。

  

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  光固化3D打印机的原理非常简单,机械结构也比FDM简单太多,按模块区分的话一共有以下三个模块:

  固化模块:包括光源和树脂

  分离模块:包括Z轴提拉装置,比较高级的会多一个料槽剥离,使成型平台更容易脱离料槽;

  控制模块:包括电路、固件和软件;光固化成型技术包括上投影和下投影,顾名思义,两种就是光源的位置不同,各有利弊。

  上投影:光直接照射在成型件的最上层,不需要成型件和料槽分离,省事。但是树脂流动性要求较高,如果树脂流不平,会影响打印质量,一般需要加一个刮板,刮平树脂。大尺寸的光固化3D打印机一般采用这种形式。

  下投影:光也是照在成型件的最上层,每次换层要使成型件和料槽分离,需要在料槽底部加一个离型膜,成型精度高,缺点是料槽容易损坏,一般几个月就要换一次,那层膜也是很多3D打印工作者心里的痛……大尺寸不适合用下投影式,容易损坏成型件。本篇教程主要说下投影式的,上投影稍微改下结构就可以了。

  

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  先来说一下DLP(Digital Light Processing的缩写)DLP一开始是指的一种投影机的技术,后来,利用这种投影机的光固化3D打印机也叫DLP,DLP光固化成型一次可以成型一个面,成型速度快,配合分辨率高的投影机和成型质量好的树脂,打印精度非常高。这种成型技术首先利用切片软件把模型切薄片,投影机播放幻灯片,每一层图像在树脂层很薄的区域产生光聚合反应固化,形成零件的一个薄层,然后成型台移动一层,投影机继续播放下一张幻灯片,继续加工下一层,如此循环,直达打印结束。为什么要使用DLP投影机而不使用更廉价的LCD投影机?先来看一下DLP和LCD的对比(网络资料),最关键的一点就是LCD屏幕很难让紫外光透过,紫外线会让屏幕发出很高的热量,损害屏幕,而我们的光固化最重要的就是紫外光,所有技术难点比较明显,而且成像效果也是DLP投影机更好。

  比较点 DLP(全数字投影显示技术) LCD(液晶投影显示技术)

  核心技术 DLP:全数字 DDR DMD 芯片

  LCD:液晶板 成像原理

  DLP:投影原理是将光投射穿过高速转动的红蓝绿色轮盘再射到 DLP 晶片反射成像。

  LCD:利用光学投射穿过红绿蓝三原色滤镜过滤掉红外线和紫外线(红外线和紫外线对LCD 片有一定的损害作用)后,再将三原色投射穿过三片液晶板上,合成投影成像。

  清晰度

  DLP:像素间隙小,画面清晰,无闪烁现象。

  LCD:像素间隙大,有马赛克现象,微有闪烁。

  亮度

  DLP:高

  LCD:一般

  对比度

  DLP:光填充量高达 90% 的填充量总光效率大于 60%。

  LCD:光填充量最大在 70% 左右总光效率大于 30%

  彩色还原度

  DLP:高(数字成像原理)

  LCD:一般(受数模转换的限制)

  灰度级

  DLP:高( 1024级/10bit )

  LCD:层次不够丰富

  色彩均匀性

  DLP:大于 90% (色域补偿电路,使色彩一致)。

  LCD:无色域补偿电路,随液晶板老化而产生日益严重的色差。

  亮度均匀性

  DLP:大于 95% (数字均匀过渡补偿电路,使屏前亮度更均匀)。

  LCD:无补偿电路,有"太阳效应"。

  性能

  DLP:DLP 芯片采用密封封装,受环境影响小,且有 20 年以上的使用寿命,可靠性高。

  LCD:LCD 液晶材料受环境影响大,不稳定。

  灯泡寿命

  DLP:使用飞利浦原装 UHP 长寿命灯泡,寿命长,DLP 一般适用长时间显示的地方。

  LCD:灯泡寿命短,LCD 不适合连续长时间工作。

  使用寿命

  DLP:DLP晶片的寿命为 100,000 小时以上。

  LCD:液晶板寿命 20,000 小时左右。

  受外界光线干扰程度

  DLP:DLP 技术一体化箱体结构,不受外界光线干扰。

  LCD:严重,在外界光线下,不能正常清晰显示

  

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  光源永远都是光固化技术的核心,无论DLP还是SLA,DLP投影机由光源、DMD芯片、控制主板、色轮、透镜等主要部分组成,其中的DMD芯片和光源是重中之重。DMD芯片由很多的小微镜组成,一个小微镜代表一个像素,如分辨率是1024*768的投影机,则其DMD中包括1024*768个像素单元,即786432个微镜。而DMD芯片另一个比较重要的参数就是它的尺寸,就好比单反相机中的感光元件尺寸与有效像素。因此,在分辨率相同的情况下,DMD芯片的尺寸越大,其成像质量越好,并且拥有更高的光利用率。

  光源的成像原理实际是光源通过色轮折射后照射在DMD芯片上,由主板控制DMD芯片反射光到屏幕上,DMD芯片和色轮工作的频率都是非常快的,我们用肉眼根本分不出来颜色和明暗的变化。

  投影机的光源对光固化的影响主要是光强度和波长,光强度越高,固化速度越快;而波长,则影响到你所用的树脂。投影机光源的波长必须要和树脂的固化波长一致。

  投影机的光源主要有汞灯和LED灯,汞灯使用寿命短、体积较大但是波长峰比较多,在355nm、400nm、450nm都有比较强的峰,而LED灯波长单一,但使用寿命长,体积小,最关键的一点是LED灯可以瞬间点亮,容易控制,非常适合作为DLP光固化3D打印机的光源。

  总结一下,选用DLP投影机的要求如下:

  1.LED光源(波长大约为405nm左右,市面上配套的光敏树脂很多)

  2.光源强度高

  3.高分辨率(经济条件允许的情况下)

  对于投影机,有两种选择,一种是购买投影仪,还有一种是购买光机。

  光机说白了就是投影仪拆掉了外壳,去掉了不需要的透镜和色轮,投出来影响是黑白的,但是丝毫不影响打印,但价格却降低了很多,最重要的,市面上的很多投影仪都有偏轴设计,光线并不是从镜头的正中心投射出去,这样会使图形失真,影响打印效果。而光机就可以避免这种偏轴,保证图像的真实性,这个非常重要!如果后面有时间的话,我会详细讲一讲投影仪失真和解决办法。SLA和DLP不仅结构上基本相同,光源部分其实也很相似,只不过投影机中的LED光源换成了激光,DMD芯片换成了振镜控制系统。