《Additive Manufacturing》：易搭建的體積3D打印機(jī)

來源： 浙江工業(yè)大學(xué)激光先進(jìn)制造研究院

增材制造技術(shù)，作為原型與定制零件生產(chǎn)的革命性力量，已深刻轉(zhuǎn)型了制造領(lǐng)域。盡管如此，材料擠出及光固化等主流工藝仍面臨諸如生產(chǎn)周期冗長(zhǎng)及分層構(gòu)造固有的瑕疵等挑戰(zhàn)。計(jì)算軸向光刻（CAL）作為一種創(chuàng)新的體積增材制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其憑借整體成型的特點(diǎn)，顯著縮短了打印時(shí)間并提升了制品表面光潔度，有效緩解了傳統(tǒng)三維打印中諸如階梯缺陷和長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的弊病。然而，CAL的應(yīng)用受限于其復(fù)雜的光學(xué)配置，這不僅阻礙了新技術(shù)及材料的快速集成，亦大幅增加了設(shè)備的準(zhǔn)入門檻。

近期，科研人員致力于通過計(jì)算光線追蹤技術(shù)優(yōu)化CAL投影過程，摒棄了對(duì)平行光的依賴，轉(zhuǎn)而采用精確模擬光束路徑并通過樹脂容器的策略，以此提升分辨率并推動(dòng)工藝進(jìn)步。盡管這類革新已證實(shí)其高效與高精度，其高昂的購置成本—特別是與傳統(tǒng)3D打印機(jī)相比，成為了普及的障礙。對(duì)于依賴數(shù)字微鏡裝置（DMD）的傳統(tǒng)DLP打印技術(shù)而言，成本問題同樣顯著，但掩模立體光刻（MSLA）技術(shù)的出現(xiàn)，借助LCD屏幕動(dòng)態(tài)調(diào)制光束以生成打印圖案，為此類應(yīng)用提供了一個(gè)更為經(jīng)濟(jì)的選擇。

圖1. LCD-CAL打印流程及打印設(shè)置示意圖。

圖 2. LCD面板的強(qiáng)度-灰度關(guān)系圖，以及理論透明度水平與實(shí)測(cè)輸出強(qiáng)度的修正關(guān)系圖。

圖3. 不同優(yōu)化算法對(duì)未優(yōu)化( a-b-c )、ZDO ( b-e-f )和OSMO 經(jīng)過20次迭代后得到的投影( g-h-i )的比較。

圖4. 經(jīng)ZDO（b，e，g）和OSMO（c，f，h，i）優(yōu)化后的DPPA樹脂與AESO生物基樹脂打印的LCD-CAL零件實(shí)物圖。

弗萊堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)率先整合了CAL技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)與MSLA的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，引入了LCD-CAL概念，實(shí)現(xiàn)了一種利用LCD屏幕進(jìn)行打印物件斷層掃描重構(gòu)的創(chuàng)新方案。這種方式不僅極大降低了CAL技術(shù)的獲取難度，還加速了技術(shù)迭代與新應(yīng)用的開發(fā)，同時(shí)維持了高速打印及復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)建的能力，為低成本桌面體積型三維打印領(lǐng)域鋪設(shè)了新的路徑。此外，針對(duì)LCD-CAL系統(tǒng)，專門開發(fā)了丙烯酸酯基與大豆油基樹脂材料，并通過光流變學(xué)與光吸收分析進(jìn)行了特性評(píng)估。通過該系統(tǒng)成功打印出多種復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，充分驗(yàn)證了其作為用戶友好且成本效益顯著的體積三維打印解決方案的廣闊前景。

相關(guān)研究成果以題為“ An easy-to-build, accessible volumetric 3D printer based on a liquid crystal display for rapid resin development”發(fā)表在《Additive Manufacturing》上。