光固化3D列印技術介紹-SLA v.s. DLP v.s. LCD比較

光固化列印機發展簡介

 

  • 光固化(Photocuring),指單體、低聚合基質在UV光誘導下的固化過程。用特定波長的光線或是UV雷射光聚焦在光固化材質表面,讓他開始凝固,由點到面(SLA),或是面到面(DLP、LCD)的堆疊過程。
  • 光固化3D列印使用材料是液態的“樹脂”,跟FDM(熱熔積層)使用的塑膠線材兩者在材料的選用上有著極大的差異。
  • 光固化3D列印運用光線的原理,因此就物理層面上可以列印的層厚比FDM細緻許多,最細緻的表面甚可到光固化列印機雖然有分SLA、DLP以及LCD,但是成型的觀念是一樣的。

 

光固化3D列印機種類:

 

關於SLA

 

  • SLA (Stereolothography)是最早見(3DS於1986年美國申請專利)的技術,運用UV雷射光以及振鏡(Galvanometer)去固化樹脂。雷射振鏡可以想像說他是像鏡子一樣去反射引導雷射光班(Laser Beam)的方位。
  • SLA光固化3D列印機放射雷射光時是以點對點的方式射到液態樹脂上形成固化層。
  • 傳統SLA的振鏡通常會有兩個反射鏡(scanning mirror),一個位於X軸上,另一個位於Y軸上,馬達會將雷射瞄準射向指定的列印坐標,令那個地方的樹脂固化成形。現在有Low-force Laser技術,只使用一個反射鏡,且振鏡可移動,盡量讓光班成90度減低應力產生。

 

 

SLA的優勢

 

  • SLA 是目前最精準的列印方式之一。
  • 可以製作細節豐富高精度的樣品。最細的層厚可達到25um以下。
  • SLA可以說是目前最精細的加工法之一,一英吋以下精度+/- 0.005英寸(0.1227mm),而後是+/-0.002每英吋。
  • 可以列印非常平滑的曲面。
  • 相對簡單的列印大面積物件,不犧牲精準度的狀況下可到50 x 50 x 60 cm³

SLA的劣勢

 

  • 列印時間久。(可變光斑克服)
  • 因為機組零件的關係,價格相對較高

 

關於DLP

 

  • DLP (Direct Light Processing)光固化3D列印機是運用光線投影機的列印方式。
  • DLP 3D列印機是使用投影器把光投射到打印物料光敏樹脂上令樹脂固化。
  • 投影機內的主要晶片Digital Micromirror Device(DMD),可以說是DLP列印機的心臟,DMD由數以千計的微小鏡子所組成,由切層軟體切層後的單層已片由這顛投射出固化樹脂。
  • 每一層的列印精度被稱之為體積像素(Voxel)(等2D世界的Pixel),Voxel的多寡決定精細度。
  • 是以層疊式打印,3D模型首先會被3D打印軟件打橫地切成一層層,然後利用DLP 的投影機把第一層3D模型的形狀圖案光線一整層地投射到液態光敏樹脂上,令光敏樹脂光固化及成。
  • 由於DLP使用投影影器把光線將每一層的單一影像照射打印平台上,所以每層的圖像都是以由稱為像素的細小正方形所形成。
  • 如果焦距可以調整,不論大小,投影出來的像素皆是一致的,代表越小的物件,DLP列印機可以有更好的呈現。

 

 

DLP的優勢

 

  • DLP在一定的尺寸範圍內可以說是又快又好的列印方式。
  • 因為是以單層至測固化,因此在印大量反覆物件時,速度較快,同時精度可達到50um以下。

 

DLP的劣勢

 

  • DLP的劣勢也是因為優勢而來,因為採用體素列印,因此像是樂高一樣一層依堆積起來,因此在某些表現上會有像素紋的出現。
  • 因為DLP使用的是投影機的成形方式,因此會有邊角變形的狀況發生。

 

關於LCD

 

  • Liquid Crystal Display(LCD)近期發展的新技術,以LED發光遮罩固化樹脂。
  • 運用LCD螢幕來控制每一層的列印位置。
  • 因此列印的精細度取決於LCD螢幕的解析度,目前主流的機器仍是採用5-6吋左右手機螢幕大小的LCD,因此主流的列印大小也與手機大小類似。
  • 列印樹脂所需能量較小,較易固化及生產。

 

LCD的優勢

 

  • 相較於前兩項技術而言非常便宜。
  • 運用LCD螢幕的解析度來分層列印,因此有2K、4K等列印精細度不斷推陳出新。
  • 速度較快,同時精度可達到50um以下。

 

LCD的劣勢

 

  • LCD的劣勢與DLP一樣也是因為優勢而來,因為採用體素列印,因此像是樂高一樣一層依堆積起來,因此在某些表現上會有像素紋的出現。
  • LCD有使用壽命,一般為500小時即須更換。

 

SLA vs DLP vs LCD 比較

 

SLA DLP LCD
光源 雷射光 投影機 投影機
可列印範圍 較大 受投影機像素影響 LED光源 LCD遮罩
速度 較慢 與DLP同樣
精細度 平均較佳 小物件優 視pixel值而定
像素紋 需透過軟體修正 較明顯像素紋,可透過軟體修正
列印細節 大物件或是需要精細細節較優 小物件又複雜結構且需要大量反覆列印較優 視解析度而定
相對列印價格 非常低

如果對尺寸及精細上的考量,那工業級的SLA會是您的首選;如果對列印件表面有所考量,桌上型SLA會是一個好選擇;如果對品質、精細度、成本及速度有要求,DLP絕對是您首選;如果您剛開始接觸還不想花太多經費或是對3D光固化列印有興趣的玩家,則可以選擇LCD。

 

(Photo credits: Formlabs)