LCD技術的光固化3D印表機

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

光固化主流技術，第一代SLA，利用紫外激光（355nm或405nm）為光源，用振鏡系統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紫外數字投影技術，利用405nm光源，通過德州儀器的數字微鏡技術，選擇性的將面光源投射到液態樹脂使之固化。其中DLP技術包括大名鼎鼎的速度快100倍的CLIP連續列印技術。所有光固化技術的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技術的光固化詳解

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

很有意思的告訴你，其實LCD技術分為兩種，兩種還不一樣。其分界線就是光源波長，一個是405nm紫外，一個是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，是LCD掩膜技術（LCD masking）或者行業里有很多各自的名字，例如選擇數字光處理（mDLP），液晶DLP技術，紫外掩膜固化等等。

LCD掩膜技術從2013年就有人開始研製。有興趣可以搜到最早的創客用普通電腦LCD顯示器去掉背光板，加上405的LED燈珠做背光，試著列印uv樹脂。z軸的解決方案無非是滑塊，絲杠和步進電機，電機驅動板都可以用單片機類或者目前FDM最流行的RAMPS板解決方案。LCD的驅動其實和所有顯示器的驅動一樣，VGA或者hdmi接液晶驅動板再接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。

第一個商業用的LCD掩膜3D印表機要追溯到ibox nano，2014年的一個較為成功的kick starter眾籌項目。

台最小的3D印表機，第一個最安靜的印表機等等。這個機器優點很突出，比以前的DLP要好些。不足是，一個是列印尺寸太小，3寸屏幕。第二個列印精度太差，200微米的平面內精度，因為那個LCD屏幕的解析度是比較低的。

同樣是kickstarter的一個項目，當然亮點仍然如同ibox nano強調的，價格便宜但技術好，又是高精度面成型的光固化，技術成熟度也很好，參數很感人，特別是速度方面。當然如同所有桌面級別的光固化印表機，這個是上拉式，樹脂槽下面是LCD板，再下面是405背光。

目前國內好幾家幾乎同時推出5.5寸2k屏幕的LCDMasking原理印表機，最大的特點就是，大家都用的5.5寸夏普某款2560*1440解析度的屏幕。據說這款屏幕價格便宜，解析度高，最有價值的一點是，能耐受高達幾百小時405nm近紫外光的摧殘。印表機大概長下面這樣。優點很明顯，樹脂便宜，機器也不貴，精度比第一代SLA高多了，設備體積小，做工也比較不錯。得益於開源的樹莓派硬體和軟體，離線列印或者無線控制列印都實現了。

機器代號或者廠家包含：wanhao、KLD1260、YLD01、斯泰克、zhiyao、諾瓦、Easy3D.....當然還有其他不同解決方案。主要取決於採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。這裡大家自行搜索吧。

上面列了這類印表機的很多例子，總結一下優缺點：

優點：

精度高。很容易達到平面精度100微米，優於第一代SLA技術，和目前桌面級DLP技術有可比性

價格便宜。主要對比前代技術的SLA和DLP，這個性價比極其突出。

結構簡單。因為沒有激光振鏡或者投影模塊，結構很簡單，容易組裝和維修

樹脂通用。由於採用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。

同時列印多個零件不犧牲速度。因為這個和DLP技術一樣，是面成型光源。

缺點：

LCD可選範圍很少：這個技術關鍵部件LCD，需要對405光有很好的選擇性透過，還要經得住幾十瓦405LED燈珠的數小時高強度烘烤，還有散熱和耐溫性能的考驗。所以不是每款LCD屏都能用的上。以上解決方案已經解決LCD選擇這個重要問題了。同時，建議用戶做好燒毀LCD屏虛更換的心理準備。這個LCD屏是易耗件。

LCD列印使用過程中老化。

列印尺寸偏小：這個其實沒毛病，桌面機器嘛，比起DLP機器或者桌面激光SLA機器還是半斤八兩的

最後一點是優點也是缺點：這些技術是開源的，技術壁壘低容易仿製，大家能共享或者DIY這種機器，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，實現列印。按原理區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。當然，可見光固化不只局限於LCD屏幕，可以擴展到任何顯示器（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（激光掃描成像，光纖陣列等等）。

它和上面LCDMasking的技術區別有兩個：

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備做光源

上面第一點擴展來，就是手機平板的屏幕

上面第二點擴展開來，如果使用投影，就是類似DLP技術，但不用德州儀器的DLP晶元。

Olo是第一個使用手機屏幕實現光固化的消費級印表機，是眾籌網kickstarter裡邊智能硬體的明星項目。OLO很好的體現了VLC技術對光源的不同要求，所以普通智能手機的大屏幕都能成為印表機的光源。還有一個好處就是手機自己集成主板硬體和列印軟體，那印表機就不必再裝這些了。簡單來說，這個光固化印表機，貴的那一半已經在你手機里（控制主板，光源，軟體），便宜的那半個在那個黑盒子里（z軸平台，樹脂槽，遮光罩）。我總覺得這個和google的cardboard box的VR盒子簡直異曲同工！

OLO印表機對用戶的意義，在於3d印表機進入大眾消費，成為智能硬體。可以預料到，基於VLC樹脂的3D印表機也會越來越多，核心特點就是利用各類消費級大眾化的顯示設備，比如平板電腦的屏幕，家用投影儀，或者手機電腦的投影儀。所以也不奇怪，平板電腦變為印表機的項目已經在國外眾籌了。

最後介紹一下潘多拉。全球範圍內，用可見光技術的廠家，photocentric是第一個，潘多拉是第二個，目前OLO暫且算第三個。潘多拉目前已經有量產機型。最新的是一款性價比高的10寸屏幕機器，在約200寬幅裡面實現約2千個像素，精度達到100微米。目前針對創客提供了整機方案和DIY套件方案。

三、LCD光固化3D印表機回顧和展望

在3D列印技術里，相對於發展十多年的FDM成熟技術和中高端應用優勢明顯的SLA和DLP技術，LCD技術才剛剛開始。算上2013年第一個DIY設備或者2014年第一個商業產品，才幾年時間，所以成熟度遠沒有其他技術成熟，設備類型也屈指可數。考慮到本身LCD顯示技術發展也才是近十多年來突飛猛進的，以其為核心的這個3D列印技術才剛剛起步也不足為怪。

為什麼當年光固化從SLA激光掃描開始？因為當時最好的光源只有激光，強度高，聚焦細，還能被振鏡控制掃描。同時SLA技術依賴大範圍投入的高端工業激光技術。一旦激光技術成熟了，我們得到了光碟機技術，激光測距技術，激光切割和雕刻，還有激光（紙張）印表機，激光筆演示，當然還有我們討論的激光SLA列印。所以說激光成熟和大眾化，給我們帶來了不同行業的突破性發展。不過這個突破在20年前就發生了。

激光SLA發展十多年年後才有DLP投影技術，因此目前光固化列印的很多突破都在DLP的3D列印上。DLP技術突出特點，一個是連續曝光，一個是面成型。這裡包括carbon3D的連續固化CLIP技術，速度達到百倍。 CLIP必須採用連續曝光，只有DLP能做到，所以這是很重要的前提條件。同時DLP的面成型促成了很多有特色的機器，例如很多珠寶級的機器只能用DLP的原理，才能達到100微米以下的精度。SLA固有光源亮斑太大，或者小亮斑掃描時間太長，不適合超高精度列印，同時這點也制約SLS技術（都要激光嘛）；

那FDM之類的精度就更加無能為力。反過來，DLP限制了大尺寸列印的可能性。為什麼呢？因為幾乎所有DLP都是用德州儀器的DMD晶元。只要德州儀器不願意（或者不爭氣），那麼我們的DLP光源就一直停留在1280解析度左右。於是很多DLP機器就犯了那個不可逃避的毛病：要麼列印大而粗糙，要麼小而精細，總是魚和熊掌不能兼得。因為x軸上那區區1000個像素，拉大了就顆粒粗，精細了就範圍小；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，我所知道的有國內的聞亭泰。希望能成為一匹黑馬，至少打破壟斷。

LCD固化技術稍晚於DLP技術。因為大家知道我們大眾的顯示技術包括面板和投影兩大類，都是十多年前發展的。DLP恰好偷了個空，能夠承受和處理405nm的光波，於是有了3d列印的DLP技術。同理，少數LCD面板也偷了個空，能忍受405nm紫外，於是有了LCDmasking這個技術。本人沒偷這個空，只是把這個窗口放大了，讓400-600nm所有的光信號都來實現光固化3D列印。不管是否是405nm還是可見光，LCD技術終究會打破DLP的那個魔咒（大而粗/小而精）因為現在已經有很多價格便宜量又足的LCD機器直接採用2K屏幕的。

這裡不得不提到LCD技術的一個硬傷：光效率沒有DLP高。但凡通過加大405nm燈的亮度來達到更多光通量，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。有個實際參考值，同樣100微米厚固化，DLP是零點幾秒到幾秒，405nm紫外LCD或者可見光LCD需要十幾秒到幾十秒來固化。這裡引出一個新的解決方案，用DLP以外的投影加上可見光技術達到一秒以內的高速度，投影可以同時達到高速度，大尺寸，高精度，還有低成本。簡直完美，但目前還沒有商業化。

綜上所述，SLA賽跑起步較早，但發展受核心器件和專利制約。DLP起步較晚，但越來越體現出其強大優勢，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，還觸及不到主流設備的門檻，相關技術成熟度高，未來將奮起直追。當然，光固化技術，核心問題光源之外，還有軟體，自動化，應用和工業很多配套問題。另一個核心問題，光固化樹脂，也是一個核心技術。

來源：潘多拉

作者：唐天

溫馨提示：99元，《2017年中國3D列印格局》白皮書正式發布

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！