【詳解】LCD技術(shù)的光固化3D打印機(jī)

30多年前,，3D打印面世那天,，就是從光固化技術(shù)SLA（激光掃描）立體光刻技術(shù)開始的,。所以光固化才是3D打印技術(shù)的老大,。后來大家都知道的reprap的開源技術(shù),，讓FDM的熔融擠出技術(shù)走向大眾，SLS的燒結(jié)技術(shù),，特別作為金屬燒結(jié),，使3D打印走向高端應(yīng)用。光固化自身也發(fā)展也層出不窮,。

光固化主流技術(shù),，第一代SLA，利用紫外激光（355nm或405nm）為光源,，用振鏡系統(tǒng)來控制激光光斑掃描,，掃過之處的液體樹脂就選擇性固化了。第二代DLP紫外數(shù)字投影技術(shù),，利用405nm光源,，通過德州儀器的數(shù)字微鏡技術(shù)，選擇性的將面光源投射到液態(tài)樹脂使之固化,。其中DLP技術(shù)包括大名鼎鼎的速度快100倍的CLIP連續(xù)打印技術(shù),。所有光固化技術(shù)的z軸方向分為兩種方案：桌面型都是光源在下，通過窗口和離型膜,，成型往上拉出來,；工業(yè)大型的都是光源在上，成型下沉到液面以下,，液面不需要離型膜,。

二,、LCD技術(shù)的光固化詳解
光固化技術(shù),，除了SLA激光掃描和DLP數(shù)字投影，目前形成了一種新的技術(shù),，就是利用LCD作為光源的技術(shù),。LCD打印技術(shù)，最簡單的理解,，就是DLP技術(shù)的光源用LCD來代替,。我們可以回顧光固化技術(shù)的特點(diǎn)，每一個(gè)光固化技術(shù)的核心都是圍繞光源問題的解決方案,，從激光掃描的SLA,，到數(shù)字投影的DLP，再到最新的LCD打印技術(shù),。

很有意思的告訴你,，其實(shí)LCD技術(shù)分為兩種，兩種還不一樣,。其分界線就是光源波長,，一個(gè)是405nm紫外，一個(gè)是400-600nm可見光,。LCD掩膜光固化：用405nm紫外光（和DLP一樣）,，加上LCD面板作為選擇性透光的技術(shù),，是LCD掩膜技術(shù)（LCD masking）或者行業(yè)里有很多各自的名字，例如選擇數(shù)字光處理（mDLP）,，液晶DLP技術(shù),，紫外掩膜固化等等。

LCD掩膜技術(shù)從2013年就有人開始研制,。有興趣可以搜到最早的創(chuàng)客用普通電腦LCD顯示器去掉背光板,，加上405的LED燈珠做背光，試著打印uv樹脂,。z軸的解決方案無非是滑塊,，絲杠和步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板都可以用單片機(jī)類或者目前FDM最流行的RAMPS板解決方案,。LCD的驅(qū)動(dòng)其實(shí)和所有顯示器的驅(qū)動(dòng)一樣,，VGA或者h(yuǎn)dmi接液晶驅(qū)動(dòng)板再接LCD面板，背光用405nm燈泡或者LED陣列,，加菲林鏡片來均勻分布光照,。

第一個(gè)商業(yè)用的LCD掩膜3D打印機(jī)要追溯到ibox nano，2014年的一個(gè)較為成功的kick starter眾籌項(xiàng)目,。

臺最小的3D打印機(jī),，第一個(gè)最安靜的打印機(jī)等等。這個(gè)機(jī)器優(yōu)點(diǎn)很突出,，比以前的DLP要好些,。不足是，一個(gè)是打印尺寸太小,，3寸屏幕,。第二個(gè)打印精度太差，200微米的平面內(nèi)精度,，因?yàn)槟莻�(gè)LCD屏幕的分辨率是比較低的,。

同樣是kickstarter的一個(gè)項(xiàng)目，當(dāng)然亮點(diǎn)仍然如同ibox nano強(qiáng)調(diào)的,，價(jià)格便宜但技術(shù)好,，又是高精度面成型的光固化，技術(shù)成熟度也很好,，參數(shù)很感人,，特別是速度方面。當(dāng)然如同所有桌面級別的光固化打印機(jī),，這個(gè)是上拉式,，樹脂槽下面是LCD板，再下面是405背光。

目前國內(nèi)好幾家?guī)缀跬瑫r(shí)推出5.5寸2k屏幕的LCDMasking原理打印機(jī),，最大的特點(diǎn)就是,，大家都用的5.5寸夏普某款2560*1440分辨率的屏幕。據(jù)說這款屏幕價(jià)格便宜,，分辨率高,，最有價(jià)值的一點(diǎn)是，能耐受高達(dá)幾百小時(shí)405nm近紫外光的摧殘,。打印機(jī)大概長下面這樣,。優(yōu)點(diǎn)很明顯，樹脂便宜,，機(jī)器也不貴,，精度比第一代SLA高多了，設(shè)備體積小,，做工也比較不錯(cuò),。得益于開源的樹莓派硬件和軟件，脫機(jī)打印或者無線控制打印都實(shí)現(xiàn)了,。

機(jī)器代號或者廠家包含：wanhao,、KLD1260、YLD01,、斯泰克,、zhiyao、諾瓦,、Easy3D.....當(dāng)然還有其他不同解決方案,。主要取決于采用不同屏幕作為透光的掩膜，LCD下面一般都是405led燈作為背光,。這里大家自行搜索吧,。
上面列了這類打印機(jī)的很多例子，總結(jié)一下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：
精度高,。很容易達(dá)到平面精度100微米，優(yōu)于第一代SLA技術(shù),，和目前桌面級DLP技術(shù)有可比性
價(jià)格便宜,。主要對比前代技術(shù)的SLA和DLP，這個(gè)性價(jià)比極其突出,。
結(jié)構(gòu)簡單,。因?yàn)闆]有激光振鏡或者投影模塊，結(jié)構(gòu)很簡單,，容易組裝和維修
樹脂通用,。由于采用405nm背光，所有DLP類的樹脂或者大部分光固化樹脂理論上都可以兼容。唯獨(dú)小心某些SLA專用樹脂,，不一定兼容性很好,，主要怕曝光不足。
同時(shí)打印多個(gè)零件不犧牲速度,。因?yàn)檫@個(gè)和DLP技術(shù)一樣,，是面成型光源。
缺點(diǎn)：
LCD可選范圍很少：這個(gè)技術(shù)關(guān)鍵部件LCD,，需要對405光有很好的選擇性透過,，還要經(jīng)得住幾十瓦405LED燈珠的數(shù)小時(shí)高強(qiáng)度烘烤，還有散熱和耐溫性能的考驗(yàn),。所以不是每款LCD屏都能用的上,。以上解決方案已經(jīng)解決LCD選擇這個(gè)重要問題了。同時(shí),，建議用戶做好燒毀LCD屏虛更換的心理準(zhǔn)備,。這個(gè)LCD屏是易耗件。

LCD打印使用過程中老化,。
打印尺寸偏�,。�這個(gè)其實(shí)沒毛病，桌面機(jī)器嘛,，比起DLP機(jī)器或者桌面激光SLA機(jī)器還是半斤八兩的
最后一點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)：這些技術(shù)是開源的,，技術(shù)壁壘低容易仿制，大家能共享或者DIY這種機(jī)器,，只要你找到合適的屏幕,。

可見光固化：另一種就是visible light cure，簡寫VLC,，完全放棄以前所有光固化必須使用紫外光的條件,，使用普通光（可見光，405nm-600nm）就可以使樹脂固化,，實(shí)現(xiàn)打印,。按原理區(qū)分就是光源再一次升級，用普通的LCD顯示面板,，不加任何改裝或改背光,，直接作為光源。當(dāng)然,，可見光固化不只局限于LCD屏幕,，可以擴(kuò)展到任何顯示器（等離子，CRT,，背投,，LED陣列,，OLED）和任何投影（DLP，3LCD,， Simple LCD,，LCoS）以及其他任何顯示技術(shù)（激光掃描成像，光纖陣列等等）,。

它和上面LCDMasking的技術(shù)區(qū)別有兩個(gè)：
1.使用普通LCD屏幕,，無需改背光
2.可以使用投影或其他顯示設(shè)備做光源
上面第一點(diǎn)擴(kuò)展來，就是手機(jī)平板的屏幕
上面第二點(diǎn)擴(kuò)展開來,，如果使用投影,，就是類似DLP技術(shù)，但不用德州儀器的DLP芯片,。

Olo是第一個(gè)使用手機(jī)屏幕實(shí)現(xiàn)光固化的消費(fèi)級打印機(jī),，是眾籌網(wǎng)kickstarter里邊智能硬件的明星項(xiàng)目。OLO很好的體現(xiàn)了VLC技術(shù)對光源的不同要求,，所以普通智能手機(jī)的大屏幕都能成為打印機(jī)的光源,。還有一個(gè)好處就是手機(jī)自己集成主板硬件和打印軟件，那打印機(jī)就不必再裝這些了,。簡單來說,，這個(gè)光固化打印機(jī)，貴的那一半已經(jīng)在你手機(jī)里（控制主板,，光源,，軟件），便宜的那半個(gè)在那個(gè)黑盒子里（z軸平臺,，樹脂槽,，遮光罩）。我總覺得這個(gè)和google的cardboard box的VR盒子簡直異曲同工,！

OLO打印機(jī)對用戶的意義,，在于3d打印機(jī)進(jìn)入大眾消費(fèi)，成為智能硬件,�,？梢灶A(yù)料到，基于VLC樹脂的3D打印機(jī)也會越來越多,，核心特點(diǎn)就是利用各類消費(fèi)級大眾化的顯示設(shè)備,，比如平板電腦的屏幕，家用投影儀,，或者手機(jī)電腦的投影儀。所以也不奇怪,，平板電腦變?yōu)榇蛴�機(jī)的項(xiàng)目已經(jīng)在國外眾籌了,。

最后介紹一下潘多拉,。全球范圍內(nèi)，用可見光技術(shù)的廠家,，photocentric是第一個(gè),，潘多拉是第二個(gè)，目前OLO暫且算第三個(gè),。潘多拉目前已經(jīng)有量產(chǎn)機(jī)型,。最新的是一款性價(jià)比高的10寸屏幕機(jī)器，在約200寬幅里面實(shí)現(xiàn)約2千個(gè)像素,，精度達(dá)到100微米,。目前針對創(chuàng)客提供了整機(jī)方案和DIY套件方案。

三,、LCD光固化3D打印機(jī)回顧和展望
在3D打印技術(shù)里,，相對于發(fā)展十多年的FDM成熟技術(shù)和中高端應(yīng)用優(yōu)勢明顯的SLA和DLP技術(shù)，LCD技術(shù)才剛剛開始,。算上2013年第一個(gè)DIY設(shè)備或者2014年第一個(gè)商業(yè)產(chǎn)品,，才幾年時(shí)間，所以成熟度遠(yuǎn)沒有其他技術(shù)成熟,，設(shè)備類型也屈指可數(shù),。考慮到本身LCD顯示技術(shù)發(fā)展也才是近十多年來突飛猛進(jìn)的,，以其為核心的這個(gè)3D打印技術(shù)才剛剛起步也不足為怪,。

為什么當(dāng)年光固化從SLA激光掃描開始？因?yàn)楫?dāng)時(shí)最好的光源只有激光,，強(qiáng)度高,，聚焦細(xì)，還能被振鏡控制掃描,。同時(shí)SLA技術(shù)依賴大范圍投入的高端工業(yè)激光技術(shù),。一旦激光技術(shù)成熟了，我們得到了光驅(qū)技術(shù),，激光測距技術(shù),，激光切割和雕刻，還有激光（紙張）打印機(jī),，激光筆演示,，當(dāng)然還有我們討論的激光SLA打印。所以說激光成熟和大眾化,，給我們帶來了不同行業(yè)的突破性發(fā)展,。不過這個(gè)突破在20年前就發(fā)生了。

激光SLA發(fā)展十多年年后才有DLP投影技術(shù),，因此目前光固化打印的很多突破都在DLP的3D打印上,。DLP技術(shù)突出特點(diǎn),，一個(gè)是連續(xù)曝光，一個(gè)是面成型,。這里包括carbon3D的連續(xù)固化CLIP技術(shù),，速度達(dá)到百倍。 CLIP必須采用連續(xù)曝光,，只有DLP能做到,，所以這是很重要的前提條件。同時(shí)DLP的面成型促成了很多有特色的機(jī)器,，例如很多珠寶級的機(jī)器只能用DLP的原理,，才能達(dá)到100微米以下的精度。SLA固有光源亮斑太大,，或者小亮斑掃描時(shí)間太長,，不適合超高精度打印，同時(shí)這點(diǎn)也制約SLS技術(shù)（都要激光嘛）,；

那FDM之類的精度就更加無能為力,。反過來，DLP限制了大尺寸打印的可能性,。為什么呢,？因?yàn)閹缀跛�有DLP都是用德州儀器的DMD芯片。只要德州儀器不愿意（或者不爭氣）,，那么我們的DLP光源就一直停留在1280分辨率左右,。于是很多DLP機(jī)器就犯了那個(gè)不可逃避的毛病：要么打印大而粗糙,，要么小而精細(xì),，總是魚和熊掌不能兼得。因?yàn)閤軸上那區(qū)區(qū)1000個(gè)像素,，拉大了就顆粒粗,，精細(xì)了就范圍小,；y軸同理,。z軸不討論，放10微米的精度都沒問題,。所以說DLP就卡在德州儀器的尿性上,。當(dāng)然在德州儀器99%的壟斷之外，我們還有其他DLP選手,，我所知道的有國內(nèi)的聞亭泰,。希望能成為一匹黑馬，至少打破壟斷,。

LCD固化技術(shù)稍晚于DLP技術(shù),。因?yàn)榇蠹抑�道我們大眾的顯示技術(shù)包括面板和投影兩大類,，都是十多年前發(fā)展的,。DLP恰好偷了個(gè)空,，能夠承受和處理405nm的光波，于是有了3d打印的DLP技術(shù),。同理,，少數(shù)LCD面板也偷了個(gè)空，能忍受405nm紫外,，于是有了LCDmasking這個(gè)技術(shù),。本人沒偷這個(gè)空，只是把這個(gè)窗口放大了,，讓400-600nm所有的光信號都來實(shí)現(xiàn)光固化3D打印,。不管是否是405nm還是可見光，LCD技術(shù)終究會打破DLP的那個(gè)魔咒（大而粗/小而精）因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)有很多價(jià)格便宜量又足的LCD機(jī)器直接采用2K屏幕的,。

這里不得不提到LCD技術(shù)的一個(gè)硬傷：光效率沒有DLP高,。但凡通過加大405nm燈的亮度來達(dá)到更多光通量，或者普通光通量的可見光LCD配合高敏感樹脂,，得到的固化速度不能和DLP的成型速度相比的,。有個(gè)實(shí)際參考值，同樣100微米厚固化,，DLP是零點(diǎn)幾秒到幾秒,，405nm紫外LCD或者可見光LCD需要十幾秒到幾十秒來固化。這里引出一個(gè)新的解決方案,，用DLP以外的投影加上可見光技術(shù)達(dá)到一秒以內(nèi)的高速度,，投影可以同時(shí)達(dá)到高速度，大尺寸,，高精度,，還有低成本。簡直完美,，但目前還沒有商業(yè)化,。

綜上所述，SLA賽跑起步較早,，但發(fā)展受核心器件和專利制約,。DLP起步較晚，但越來越體現(xiàn)出其強(qiáng)大優(yōu)勢,，唯一的問題是這架馬車只有德州儀器一人駕馭,。LCD起步更晚，只是萌芽,，還觸及不到主流設(shè)備的門檻,，相關(guān)技術(shù)成熟度高,，未來將奮起直追。當(dāng)然,，光固化技術(shù),，核心問題光源之外，還有軟件,，自動(dòng)化,，應(yīng)用和工業(yè)很多配套問題。另一個(gè)核心問題,，光固化樹脂,，也是一個(gè)核心技術(shù)。

來源：潘多拉官方論壇
作者：唐天
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3D打印透明玻璃,，光固化（SLA）技術(shù)變種

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