[工艺] 掩膜立体光刻技术/LCD掩膜技术(Masked Stereo Lithography Apparatus, MSLA / LCD masking) 成型原理介绍

深山闲士 2023-9-13 1,011

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掩膜技术,最简单的理解,就是DLP技术的光源用LCD来代替。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。LCD掩膜技术,也被成为MSLA(masked stereo lithography apparatus)掩膜立体光刻技术

 

[工艺] 掩膜立体光刻技术/LCD掩膜技术(Masked Stereo Lithography Apparatus, MSLA / LCD masking) 成型原理介绍

 

MSLA(masked stereo lithography apparatus)是SLA (stereolithography) 3D打印的增强形式,它将LCD屏幕与强大的LED光源相匹配,以选择性地固化光敏树脂。当连续的层在前一层上固化时,它们形成三维物体。LED阵列用作光源,并通过充当可重新配置掩模的LCD屏幕投射。

 

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这种技术有几个好处。它能够以低成本大量生产高质量的产品,并且比大多数3D打印方法更快更准确。然而,MSLA 3D打印的缺点是打印机本身的高成本;只有少数几家企业负担得起这项技术。此外,由于光敏树脂极其脆弱的特性和小心处理的需要,这种类型的3D打印应该在完全黑暗的环境中进行。树脂罐、数字掩模、光阵列和构建平台组成了MSLA 3D打印机的结构。(注:为了讲述方便,后文我们统一使用LCD讲解 。)

 

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LCD/MSLA 工作原理
LCD 3D打印的工作原理是在LCD和LED阵列上放置一种光敏树脂,由一层薄薄的氟化乙烯丙烯(FEP)塑料隔开。LCD的功能是控制光线照射到上面树脂的位置。LCD由单个像素组成,关闭时允许光线通过,打开时阻止光线通过。像素的这种排列与每个所需层的形状相匹配。光线穿过LCD,使构建平台和FEP板之间的部分树脂固化。然后,构建平台提升并为下一层定位。就像其他3D打印方法一样,该过程一次持续一层,直到零件完成。

 

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LCD技术分为两种,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:用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掩膜技术从2013年就有人开始研制。最早的创客用普通电脑LCD显示器去掉背光板,加上405的LED灯珠做背光,试着打印uv树脂。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。

 

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LCD光固化3D打印机成型原理介绍及优缺点

优点:
1、精度高。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
2、价格便宜。主要对比前代技术的SLA和DLP,这个性价比极其突出。
3、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
4、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,不一5、定兼容性很好,主要怕曝光不足。
6、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:
1、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,这个LCD屏是易耗件。2、LCD打印使用过程中老化。
3、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。

 

还一种可见光固化就是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(DLP,3LCD, Simple LCD,LCoS)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LCD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。

 

LCD技术有一个硬伤: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。

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深山闲士

2023年9月13日 22:39:59

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