唐博士分享：3D打印光固化成型技术的新方向 | 点客分享会

本人的文章，原文为网络演讲，后发表在小不点论坛。现在全文收录在这里。

唐博士分享：3D打印光固化成型技术的新方向 | 点客分享会

原文转载自： 2017-04-01 唐博士 小不点极客


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虽然现在市场上到处都是FDM类型的3D打印机（3D打印圈都快成它的天下了），但论起资厉来，光固化3D打印机要比FDM还早几年呢。


上周我们邀请了唐天博士为大家分享最新的可见光光固化技术，对早已是饥渴难耐的小伙伴们（比如我）来说，无疑是久旱逢甘霖，爽的一塌糊涂！没有现场听分享的点客，快来补上这一碗干货吧！




分享人：唐博士

职业：材料科学家

特长：光固化打印技术

入坑时间：2015年

机型：潘多拉全系列光固化打印机


前言：一天晚上，我在微信公众号小不点极客里看到一篇文章《9种你需要知道的常见光敏树脂》，里面提到了一个来自英国的日光树脂，daylight resin。

然后我就很好奇，因为这就我发明的！而且这个日光树脂daylight resin，就是可见光树脂，已经到中国来了。我是在去年（2016）回国创业的，所以这个日光树脂已经在中国生产了，而且完全实现了国产化。


今天我借点客分享会和大家一起探讨下，这个可见光树脂（日光树脂）大概会在整个3D打印技术发展中，处于一个什么样的角色，是否可能会形成一个新的方向？

3D打印是什么？



相信大家都接触过一部分3D打印技术了，但是3D打印到底是什么呢？有哪些主流技术种类呢？
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3D打印，又叫增材制造，其实关键的地方是在材料上。所有3D打印都是围绕材料，是材料的一种新的加工工艺。


它有一个显著的特征，就是和先进制造，数字化制造和精密制造这些概念紧密相连的。这也就是为什么大家把3D打印归为先进制造2025或者是工业制造4.0的重要组成部分之一。

我们可以看到下面三张照片，分别代表目前三种最主流的打印技术：FDM，SLA，SLS。广大点客们估计对FDM的理解，比我还深入。
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我先要说声抱歉，因为我把大家喜爱的FDM技术归为“低”端了。这里有三个原因：第一，FDM便宜，价格“低”；其次，reprap的开源技术，使得FDM制造成本“低”，以及大家DIY的技术难度“低”；第三，FDM的精度“低”，还有速度“低“。大家用FDM打印一件作品，一般都要用好几个小时，对吧。

处在第二位的，是作为“中端”或者中高端的打印技术，即光固化技术。也许大部分听众对光固化打印技术暂时了解比较少。


核心原理就是，液态树脂，受到数字化的光照射，产生选择性的固化，这样层层叠加，我们就得到了一个打印件。光固化的优点在于精度高，速度高，当然使用成本也偏高。
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第三种技术就是激光选择性烧结技术，这是个更高端的技术了。可能普通玩家大多都没有亲眼看到过这类机器，或者没有亲手接触过这种机器打印的样品。他所谓的“高”是高在哪呢？


第一是，使用成本“高”。一个设备大概是七八十万到好几百万。然后，它的应用领域特别高端，主要集中在金属打印，用在我们的航空航天领域，金属牙齿制造或者医学医疗植入的金属骨骼这类的，特别高端的应用。
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光固化3D打印技术



下面，我针对我特别擅长的光固化技术，分开来说明一下，其中的一些细节问题。

大家看一下这个图，图里边有四类机器。最左边的，如果了解光固化的同学，很容易就会认出来，这个是Formlab出品的Form1打印机。
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这个是目前全球销量最好的桌面级光固化设备。它的原理我们叫做SLA（stereo-lithography apparatus），使用激光器光斑逐点扫描，把液体树脂固化。

然后我们看第二类，DLP技术（digital light processing）。这个是在SLA的基础上，发展而来的。它的核心技术，是采用了紫外的光源，通过数字微镜DMD，也就是DLP，德州仪器的数字镜片技术，把光投影到整个树脂槽的透光窗口上。


从DLP技术开始，我们每次成型一个面了。不管这个面积多大，我们都可以每次（同时）成型一个面。面成型技术飞速提高了3D打印的速度。DLP技术里边，有个特别牛逼的技术，那就是CLIP（continuous liquid interface production）。
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CLIP实际上就是Carbon3D的连续液面固化打印技术，它还是采用的DLP投影的方式。但它有一个非常显著的特点，那就是打印速度非常快！是目前主流打印技术速度的几乎一百倍！

然后我们再来看第三种，用LCD掩模的技术（LCD masking）。这个技术可能有些人接触过，也有些人还不太了解。


LCD掩模技术，就是用紫外（405nm）为光源，然后用LCD面板作为光的掩模（masking），它像一个对光遮掩的板子，只让一部分的紫外光（选择性）通过，然后成型在液态树脂的底部。

它非常类似于前面的DLP技术，唯一不同的就是，用LCD掩模而不是用数字光振镜DLP来成型的。它最大的优点是，设备特别的便宜。比方说这个（ibox nano）众筹的设备，大概只要几百美元。
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最后一个技术（潘多拉科技的pluto），也就是我们今天的主角，我要介绍的可见光固化（VLC）技术。这是我们的机器，它最大的特点是在光源的进一步升级。它用的光源是我们最普通的LCD平板，就是它发射红绿蓝（RGB）三原色的可见光。


这种光源，你可以想象为我们最常用的平板电脑屏幕，手机屏幕，电脑监视器，LCD电视，等离子电视，所有的投影、电影的数字放映机，等等等等。


只要你能想到的数字化的显示技术，都可以用作光源。所以，在光源上这种升级，就带来了我们技术上的最大优点：设备对光源没有特别的要求，所有的（数字）光源都可以用。
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3D打印的瓶颈

回过头来，我们想想，3D打印为什么还没有普及，为什么有这么多问题没有解决呢？我在下面这个图里面大概总结了几个方向。为什么呢？
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因为：精度差，速度慢。这主要是指FDM机器（左边三个）。精度基本上是0.1毫米以上；速度的话，如果追求高精度，几个小时只能打印手指头一样大的东西。

中间这两种就是刚才说的光固化设备，但因为技术垄断，设备特别的贵，从6万人民币（formlab）到几百万人民币的设备（3dsystem）。其实他们也解决了前面提到的一部分问题，精度也高了，速度也快了一些。

最右边这个，是最高端的金属打印设备，德国的EOS。它就是很典型的技术垄断。这个设备很贵，几百万，可能国内就没有买回来几台，也可能就是技术封锁原因吧。特别耗材方面，耗材可能通过国内的代理商能买到了，但报价可能超出了我们（普通）用户的想象。

所以，我们的问题是，有什么技术能解决这些瓶颈呢？
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我其实想了这个问题很久。有什么技术可以解决以上这些瓶颈问题呢？这里，可能吧，我们的可见光固化（VLC）技术，就是一个很好的解决方案！


刚才说的，光固化的核心问题，就是把光源改变。新技术的光源，就是我们右图看到的平板电脑或手机的屏幕。它的优点就是，没有紫外辐射，没有激光，也没有高温喷头啦，使用最简单的，我们日常随时用得到的，LCD显示技术或者投影技术。

而FDM有一个高温危险的问题。如果是激光的话，有一个激光和振镜系统国外垄断的问题，也非常有害，成本也高。如果是DLP技术的话，基本是德州仪器对DLP数字微镜99%的市场垄断。所以，这是限制DLP技术在国内甚至在全球范围，继续提高精度和速度的关键技术，因为光源是垄断的。
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唯独，可见光固化（VLC）技术，对光源没有垄断的问题，也没有成本高的问题，也没有有害的问题。所以，它可能是我们未来的一个突破口。

可见光光固化（VLC）技术


这里我大概说一下光固化的原理。这个稍微需要一些化学背景。光固化是用一个液体的树脂，也就是最左边的，我们有些预聚物和小分子单体。

他们就像一些积木，大大小小的。还有一些引发剂。这些引发剂，吸收光，然后让化学反应开始，聚合，也就像中间图中描述的。这些积木开始搭建成一条条的链，也就是聚合物链。

可能在零点几秒或则几秒的过程中，就能形成右图这种渔网状的结构。从最左边的分散的分子到最右边网状的聚合物链，我们就得到了固体。也就是，光可以把液体的树脂，最终变为固体的材料。
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可见光固化和以往紫外固化唯一的不同，就是我们利用的是（上图光谱）中间的那个彩虹段。这一段的可见光波长，对应红橙黄绿青蓝紫。而这个可见光的范围（400-760nm），也正是我们最普通的，每天看到的，电视屏幕电脑屏幕或投影到电影幕布上所看到的光。

用可见光固化（VLC）这种技术，有什么优势呢？大概来说，就是：多，快，好，省。
下面由我来一一介绍吧。
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多：举个例子来说，FDM打印一个棋子要用一个小时，两个棋子用两个小时，如此类推。而我们看看图中的钥匙扣，打印一个需要半小时，打印三十个也同样需要半个小时。


原因就是面光源成型，就是一个面，打印一个和打印N个，十个、一百个所用的时间都是一样的。反正每次曝光的时间都是整一个面。


所以，这个优势就是“多”，就能达到批量生产。也就是说“煮一个饺子用一个小时，煮一锅饺子同样也是一个小时”。所以这种光固化最适合做批量生产的。
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快：光固化成型的第二个优点，是“快”。究竟有多快？下图中的杯子里装的是一个手指大小的东西，而我们打印大概只需要3分钟左右。


我不知道平时大家打印一个手指头的大小的东西需要多久。但是光固化最大的特点就是快，就是光线有多强，固化的速度就有多快。


因为整个反应，从光刺激然后产生化学反应到聚合物成型，大概只要零点几秒的时间来固化一层。所以它的极限速度，我们大概预算了一下，每小时能达到五百毫米高度，也就是每分钟能打印一厘米高。
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好：光固化打印第三个优点，是“好”，就是精度高的意思。我不知道大家用FDM精度最多能达到多少。可不可以达到一百微米以下？而光固化打印的话，一百微米就是一个门槛，大部分光固化打印是一百微米以下，比如75微米，50微米，甚至到25微米，还可以往下。


下图中复杂的教堂，这是我在英国开发的技术，它能打印的一个大尺寸，层厚为50微米，XY轴的分辨率为100微米以内的，大尺寸的模型。如果你采用的更高分辨率的投影或更高分辨率的LCD屏，比如说一个4K、8K的LCD屏幕，我们可以得到一个更高精度的模型。
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省：最后一个要介绍的特点，就是“省”。为什么是“省”呢？原因是成本低，售价低。如果一个FDM的机器几千快的话，可见光固化打印设备是很容易达到的，比如我们开发的机器，也就是几千块钱。它的精度跟目前的入门级光固化设备是看齐的。


下图右边的是我们正在开发的一个可见光固化设备。它主要概念是用IPAD MINI平板，本来它的精度能达到视网膜精度（retina），用这种光源作为我们固化成型的光源。那么它的精度能达到75微米，而层厚我们可以很容易控制，100、50、25微米层厚都可以，而这种设备我们可能的售价也就是几千元。
未来，我们还会有更加廉价的千元以内的设备，因为这个光固化技术，其实机器很简单，一个LCD屏、一个上下升降平台、一个树脂槽、一个遮光罩、还要一个驱动板。只要大家开放我们的DIY思维，我相信，我们很快就可以拿到一个千元以内的DIY的光固化设备。

在“省”的这个优势下，FDM没有任何优势，因为FDM起码要用4个电机，要用到加热头，还可能要加热板，甚至还要那些更复杂的零件。只有可见光固化技术，可以做到，可能成本只要几百块钱。因为这类设备至需要一个Z轴平台，一个液晶屏也就一两百元不到，而其他配件都和FDM配件差不多价格。
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可见光光固化技术的应用领域



下面介绍一下可见光光固化技术怎么用，我来举三个例子：


第一个例子，就是我们正在做的，而且有一些初步成绩的，桌面级光固化设备。比如我刚才介绍的，我们推出的桌面型的LCD为光源的光固化设备，几千元的一个机器。


以及右边这个我们正在开发的用IPAD的屏幕作为光源，把IPAD变为3D打印机的智能设备。它的最大好处就是性价比非常高，方便创客，设计者、爱好者、以及家庭大众，都能接受这个新的光固化3D打印技术，能真正让3D打印给大家带来真正的实惠。

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第二个例子：工业用的3D打印机。它可以采用一个光强更高的投影设备，使用下沉式的打印技术。这个好处在于成型速度非常快，能够提高几十到一百倍的打印速度。


主要应用于三个方面：一是珠宝，它可以批量生产珠宝，而且精度和表面光滑度也是非常的高。二是牙科，它可以成批生产牙齿；而且能做到每个牙齿都不一样。然后打印这些牙齿，可能就是半个小时，而且精度高，能用这个牙齿进行倒膜形成金属和陶瓷的牙胚。


第三是工业快速原型。工业设计上，有很多零件或者是装配件，要先做一个原型出来，然后试装配一下，用以验证设计方案，这类就是俗称的手板。


当然，在这三类之外，很多爱好者把这个打印技术用在文创设计，艺术，还有精致的动漫模型等等，都是很受欢迎的应用结合。
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第三个例子：工业生产型的3D打印。这个应该是我们所有的3D打印技术最终要实现的目标：部分取代传统的生产。重点要强调的是部分取代，不是所有取代。


下图的例子中，左边是注塑的传统设备，右边是我们3D打印机，由很多个小型模块组成的大型流水线设备。这样的两套设备的成本是相近的，然后仔细比较一下，大概左右两套设备的生产能力也是相近的。
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上面已经提到，一个模块化打印单元半小时打印30个图中的钥匙扣，这个流水线里边集合了几十个打印单元，半小时生产零件的个数和传统注塑的个数应该是相当的。唯一的不同就是原材料的价格，3D打印原材料肯定比传统工艺原材料的价格要贵。


当然，我们可以运用这技术打印一些比较精致（复杂度高）、比较特殊的、个性化的东西，比如有些设计模型是传统工艺达不到的。所以重点强调只是部分取代传统工艺。


在有优势的，可定制的小批量的生产过程中，3D打印完全可以取代这部分订单。但是，对于批量特别大，比较廉价，比较简单的零件，我们当然还是运用传统工艺加工，比如注塑或者CNC加工。
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3D打印的最终形态是柔性制造，也就是设计师，设计一个产品，附近的3D打印工厂就可以把它批量生产出来，既省了很多复杂工艺，节省了时间，又节省了地域上的运输、仓储、分配等很多环节。


最终的3D打印应该是柔性化生产/分布式制造，设计者、生产者、使用者都处在不同的地域通过数字网络相连，按需制造的方式。

如果3D打印技术要真正被广泛的应用，除了上面我聊的设备上种种特性之外，材料技术是需要解决的最核心的问题。如我之前说的，材料是3D打印技术中的灵魂，而所有3D打印技术是应该围绕材料的特性开发的，而3D打印技术只是一个工艺上的问题。
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针对液态树脂，我就提出了未来的发展方向（当然这个不一定只是我一个人在做，还有国内外的厂商都在为UV树脂或可见光的固化树脂不断提供方案），例如运用在鞋材上的柔性树脂，用在机械制造的高强树脂、运用在金属铸造的铸造树脂/蜡基树脂，还有运用在牙科中的医学中的（生物相容性特别好的）医用树脂，等等等等。这样的材料上的多样性，加上设备针对行业的应用，才能真正促使3D打印行业达到爆发式增长。

今天，我就和大家分享这么多吧。我很荣幸我在一个新的方向（可见光固化打印技术）上，做出了第一款树脂，开拓了这个新方向的一些实际应用。其实我只算是走了第一步。


未来，我们希望能像国外的reprap学习，把这个技术放在开源平台，大家来共同推动整个技术发展成熟。可见光固化技术要像之前FDM技术一样，百花齐放，做出针对自己应用域的DIY开发，真正落实到应用层面的技术发展。谢谢！
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再次感谢唐博士的分享，期待可见光光固化技术早日百花齐放！
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分享人 唐博士

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