3D打印有多种技术,但在这些技术中,光固化3D打印是最古老和成熟的技术。经过多年的发展,出现了很多基于光固化3D打印机的新技术,包括SLA、DLP、LCD、CLIP、MJP、双光子3D打印、全息3D打印等。今天纵维立方小方介绍其中的五种光固化3D打印技术。
1、SLA光固化3D打印。
SLA技术是最早的3D打印技术,是业界广泛使用的最成熟的3D打印技术。该技术于1986年获得专利,该技术是3D打印行业领导者3D system,Inc .的联合创始人CharlesHull。目前,大型工业光固化3D打印机主要基于SLA技术。
一般用于SLA机器的灯波长为355nm激光束,激光束在树脂罐上,曝光方向在顶部,液体树脂在扫描激光束时硬化。把平台降低到收支平衡。因此,平台的表面是树脂表面以下的厚度。然后激光束跟踪边界,填充模型的二维横截面。树脂一层固化后,平台在生成实体三维物体之前,一层一层的形成由激光束的移动控制。理论上,激光束可以在大空间内移动。因此,SLA打印技术可以打印大型模型。
优缺点:SLA是第一个快速成型技术,成熟度高,印刷工艺稳定,机器供应商多。到目前为止,SLA是唯一能够打印大型模型的光固化3D打印机技术。此外,对于阳离子光聚合的树脂也有限制。由于激光的尺寸不同,所以SLA的分辨率要低于其它光固化技术。尽管如此,SLA技术的准确性足以打印出结构复杂、尺寸细微的物体。到目前为止,SLA仍然是牙科、玩具、模具、汽车、航空航天等多个领域可用的重要打印技术。
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2、DLP光固化3D打印。
DLP3D打印的核心技术是决定图像形成和打印精度的DLP技术。DLP技术的出现已经有20年了。DLP技术的核心部分是LarryHornback博士1977年发明的光学半导体或数字显微镜设备或DLP芯片,1996年被德克萨斯仪器商业化。DLP芯片可以说是当今世界上最先进的光开关设备,包括由200万个互转轴组成的微型显微镜。每台显微镜大约是人类头发大小的五分之一。因此,DLP3D打印具有较高的打印分辨率,可打印的最小尺寸为50m。
优点和缺点:精度是DLP3D打印的最大优点。但是,为了保证高精度,投影尺寸是有限的。因此,DLP3D打印只能打印小尺寸的物体。DLP3D打印技术只能打印精度高、尺寸小的模型,因此主要应用于宝石铸造和牙科领域。
3、LCD光固化3D打印
从激光扫描SLA到数字投影DLP再到最新的LCD打印技术,纵观所有光固化3D打印机技术,照明和成像系统差别很大,但控制和步进系统几乎没有差别。DLP和LCD3D打印技术最大的区别是成像系统。向液晶施加电场会改变分子排列,防止光线通过。由于先进的液晶屏显示技术,液晶屏的分辨率非常高。但是,在电场转换过程中,少量LCD分子无法重新排列,光线变弱。
优缺点:LCD机便宜,分辨率好。但是,液晶屏寿命短,需要定期更换。LCD 3D打印的亮度非常弱,只有10%的光穿透LCD,90%的光被LCD吸收。此外,如上所述,部分泄漏会导致地板的光敏树脂转换暴露,因此必须定期清理水槽。目前,LCD光固化3D打印机在牙科、珠宝、玩具等领域有应用。
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4、剪辑光固化3D打印
2015年3月20日,Carbon3DCorp开发的CLIP技术登上了科学封面。该技术的核心是氧气渗透膜的发明,有助于氧气渗透的连续打印,从而抑制自由基聚合。CLIP技术是DLP的尖端技术。CLIP技术的基本原理并不复杂。底部的UV投影使光敏树脂硬化,坦克底部的液体树脂由于氧气堵塞而保持稳定的面值,从而保证硬化的连续性。下面的特殊窗户可以让光和氧气通过。这项技术最重要的优点是,可以颠覆性地生产比DLP光固化3D打印机快25 ~ 100倍的物体——,理论潜在打印速度可以达到DLP技术的1000倍,分层可以无限好。目前,3D打印需要将3D模型剪切到与幻灯片叠加类似的多个图层上,因此不会删除粗糙度。CLIP技术的图像投影可以连续变化,就像幻灯片进化成叠加视频一样。这是DLP投影技术的一大改进。
优点和缺点:CLIP技术是真正的3D打印。这是目前对3D打印技术的破坏性技术。毫无疑问,CLIP技术最大的优点是快速打印。尽管如此,仍有一些技术问题需要解决。到目前为止,通过CLIP技术,为了快速打印,需要低粘度树脂和空白模型。前两种方法可以使树脂迅速补充到印刷区,后一种可以减少每层的用量。所以,CLIP工艺对高粘树脂和实体模型的效果不佳。
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5、MJP光固化3D打印
MJP技术也称为PolyJet,2000年以色列公司Objet申请了专利。MJP3D打印可以有效地打印模型,多组喷嘴协同工作。根据模型切片数据,工作时数百个喷嘴在平台上分层喷射液体光敏树脂,打印喷嘴沿XY平面移动。感光树脂喷涂到工作台上后,滚筒将喷涂树脂的表面处理平整,UVD灯将感光树脂固化。完成一层的印刷硬化后,设备内置的工作台非常准确地降低了一层的厚度,喷头继续喷出感光树脂,进行下一层的印刷硬化。重复此操作,直到打印完整个工件。
优点和缺点:对于MJP3D打印,喷嘴很多,可以喷涂多种材料。这使您可以同时打印多种材料、多色材料,以满足材料、颜色、刚度等要求。到目前为止,MJP3D打印是唯一能够打印多色模型的技术。MJP3D打印具有极高的加工精度,可打印的层厚度低到16微米。支撑材料容易熔化或溶解,所以去除支撑的过程是无损和容易的。因此,打印模型的表面是平滑的。最后,理论上印刷尺寸是无限的。但是MJP打印机机器很贵。这些材料也要贵,粘度低。MJP技术可应用于需要高加工精度的领域。现在经常用于宝石铸造、精密医学等。
光固化快速成型作为增材制造技术中的一种,主旨也是基于离散堆积的思想,以液态光敏树脂作为成型原料,其成型原理如图2-1所示。首先,在主液槽中填充适量的液态光敏树脂。然后,特定波长的激光在计算机的控制下沿分层切片所得的截面信息逐点进行扫描,当聚焦光斑扫描处的液态光敏树脂吸收的能量满足式2-1之后,便会发生聚合反应。一层截面完成固化之后,便形成制件的一个截面薄层。此时,工作台再下降一个层高的高度,使得先前固化的薄层表面被新的一层光敏树脂覆盖。之后,由于树脂黏度较大和先前已固化薄层表面张力的影响,新涂敷的光敏树脂实际上是不平整的,需要专用刮板将之刮平,以便进行下一层的扫描固化,使得新固化的层片牢固的粘结在前一层之上。反复上述步骤,层片即在计算机的控制下依次堆积,最终形成完整的成型制件,再去除支撑,进行相应的后处理,即可获得所需的产品。
从光固化快速成型的原理和它所使用的材料来看,光固化快速成型主要有如下一些特点:
?? (1)光固化快速成型技术是最早出现的快速成型制造工艺,成熟度最高,经过时间的检验;
?? (2)成型速度较快,系统工作相对稳定;
?? (3)可以打印的尺寸也比较大,有可以做到2m的大件,关于后期处理特别是上色都比较容易;
?? (4)尺寸精度高,可以做到微米级别;
?? (5)表面质量较好,比较适合做小件及较精细件。
光固化快速成型的不足之处在于:
?? (1)SLA设备造价高昂,使用和维护成本高。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻;
?? (2)成型件多为树脂类,材料价格贵,强度、刚度、耐热性有限,不利于长时间保存;
?? (3)这种成型产品对贮藏环境有很高的要求,温度过高会熔化,工作温度不能超过HXTC。光敏树脂固化后较脆,易断裂,可加工性不好。成型件易吸湿膨胀,抗腐蚀能力弱;
?? (4)需要设计工件的支撑结构,以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位,支撑结构需在未完全固化时手工去除,容易破坏成型件。??